CN111106681A - 一种四相正弦波电励磁双凸极电机 - Google Patents

一种四相正弦波电励磁双凸极电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种四相正弦波电励磁双凸极电机，包括同转轴的定子铁心和转子铁心，电机为8N/6N极结构，其定、转子均为凸极的齿槽结构,转子极弧系数为0.5，定子极弧长等于或略大于转子极弧长的一半。定子槽中嵌有电枢绕组和励磁绕组,每个定子极上绕有一个电枢线圈，每个励磁线圈跨四个定子极绕制，将电枢线圈中分布位置不同且相位相差180°的各相绕组进行组合，并通过反向串联构成各相磁链变化率相同的四相绕组，从而实现四相反电势对称。转子为5段阶梯式结构或斜极结构，斜极度数为转子极角度与定子极角度的差值；转子极开倒角，以提高电机反电势的正弦度。在电机旋转过程中,转子在匝链的定子电枢绕组中感应出正弦化的绕组反电势波形,有效解决了传统电励磁双凸极电机方波控制转矩脉动大的问题，且能够四相同时通电工作，提高了电机的绕组利用率，电机容错性能好。

Description

一种四相正弦波电励磁双凸极电机
技术领域
本发明涉及特种电机本体设计领域，尤其涉及一种四相正弦波电励磁双凸极电机。
背景技术
电励磁双凸极电机既有开关磁阻电机转子结构简单、无绕组和永磁体，高温、高速运行能力强，以及定子上各相绕组在物理和电磁上独立，容错能力强、可靠性高的优点，又具有电励磁同步电机发电控制简单、控制电路可靠性高的优点，在航空、汽车舰船、风力发电等领域具有广阔的应用前景。
但电励磁双凸极电机作为磁阻类电机的一种，存在固有的缺陷——转矩脉动大的问题,成为其在高性能驱动、伺服领域应用的最大障碍。传统结构的电励磁双凸极电机的其工作方式类似于无刷直流电机，但其反电势并为非理想方波，从而造成非换相转矩脉动；电机采用的方波电流控制方式，由于在电机绕组电感的峰值区域电流换相,大电感导致电流换相时间变长,电机换相转矩脉动明显。
目前已有的技术中，为改善双凸极电机输出转矩脉动,英国谢菲尔德大学褚自强教授针对可变磁阻电机（电励磁双凸极电机）进行研究，使得电机反电势基本趋于正弦化，并对其采用交流电机的矢量控制方式，可大幅减小其输出转矩脉动,实现了磁阻电机的正弦化驱动。但该可变磁阻电机由于励磁绕组的跨单个齿分布,即定子每槽均嵌入励磁绕组,由于励磁元件的明显增加，使得铜材消耗大，且励磁损耗增加。该电机的单元电机转子极数为奇数，为防止奇数极带来的不对称振动影响,使得转子极数至少翻倍，高极数在高速驱动运行过程中对逆变器的开关频率提出了更高的要求。还有例如中国发明专利：一种梯形转子齿结构正弦化双凸极电机及其设计方法，申请号：201410852974.2；中国发明专利：一种分段转子齿结构正弦化双凸极电机及其设计方法，申请号：201610319506.8，均是在传统三相双凸极电机的基础上进行转子结构设计，以实现正弦化，但增加了转子的设计难度和结构的复杂性，且没有解决传统m相电励磁双凸极电机由于励磁绕组匝链m相电枢绕组，每相定子绕组的每个定子线圈距离励磁元件分布位置不同，造成的固有的各相不对称问题，以及由于磁阻边缘效应引起的反电势不对称的问题，这些均影响正弦化电机的正弦度。
传统的三相电励磁双凸极电机通常采用6N/4N极结构(N为正整数)，但该电机的绕组多采用星型连接，各相之间没有实现有效的隔离，当一相绕组出现故障后就会使整个系统不能工作。四相电机拥有四相定子绕组，电机在出现单相故障后仍可以实现一定的输出，增强了电机的容错能力，故多相电机设计成为提高双凸极电机容错性能的研究热点之一。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明旨在提出一种四相正弦波电励磁双凸极电机，使得双凸极电机的输出反电势呈正弦化，且通过解决四相电励磁双凸极电机存在本体固有的每相磁路不对称导致的问题，提高了正弦化电机的正弦度，有效降低电励磁双凸极电机作为驱动电机的转矩脉动。
本发明采用如下技术方案：一种四相正弦波电励磁双凸极电机，包括同转轴的定子组件和转子组件。
所述定子组件包括定子铁心、励磁元件以及电枢绕组。定子铁心为凸极结构，设置有定子极，定子铁心上设置的定子极数目为8N个，N为正整数。
所述转子组件包括转子铁心和转轴，转子铁心为凸极结构，转子极数目为6N个，N为正整数；所述转子为5段阶梯式结构或斜极结构。当转子为5段阶梯式结构时，各分段转子形状一致，长度相同，并依次错开15°/4N的机械角度；当转子为斜极结构时，转子极斜过15°/N的机械角度。
所述励磁元件的数目为2N个，N为正整数，分别跨四个定子极分布，且相邻励磁元件的极性相反，同时各励磁元件相互串联。
所述电枢绕组为在各个定子极上绕制的集中绕组，且每个励磁元件下的电枢绕组按照所匝链的励磁元件的极性相同的方向进行绕制，形成8N个电枢线圈；
所述电枢线圈中分布位置不同且相位相差180°的绕组进行组合，并通过反向串联构成各相磁链变化率相同的A、B、C、D四相绕组。当励磁绕组产生激励后，转子旋转过程中，在四相电枢绕组中感应出近似正弦波的反电势，构成正弦化双凸极电机。
所述定子和转子均为硅钢片冲压而成。
作为本发明一种四相正弦波电励磁双凸极电机进一步的优化方案，定子极弧系数等于或略大于0.333，转子极弧系数为0.5。
作为本发明一种四相正弦波电励磁双凸极电机进一步的优化方案，为提高四相电枢绕组中正弦波反电势的正弦度，转子极开倒角，定子齿为梯形齿结构，其特征在于，定子齿的窄边等于或略大于转子齿宽的一半，宽边为转子齿宽的2/3。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明每个励磁元件仍跨四个定子极绕制，一个励磁源能给多个定子极提供励磁,不会增加额外的励磁元件而增加电机铜材。
2、通过将定子绕组中分布位置不同且相位相差180°的各相绕组进行组合，并通过反向串联构成各相磁链变化率相同的四相绕组，从而实现四相反电势对称，正弦度良好。
3、本发明电机四相同时通电工作，绕组利用率高。
4、四相电机拥有四相定子绕组,电机在出现单相故障后仍可以实现一定的输出，增强了电机的容错能力。
5、本发明转子极开倒角，定子齿为梯形齿结构，定子齿的窄边等于或略大于转子齿宽的一半，宽边为转子齿宽的2/3，四相电枢绕组中正弦波反电势的正弦度良好。
附图说明
图1为本发明实施例一转子为5段阶梯式结构的16/12极四相正弦波电励磁双凸极电机轴向剖视示意图；
图2为本发明实施例一中电机5段阶梯式结构转子铁心立体视图；
图3为本发明实施例一中电机的5段阶梯式结构转子反电势叠合产生近似正弦波反电势的原理图；
图4为本发明实施例一中电机的5段阶梯式结构转子反电势叠合产生正弦波的反电势仿真波形；
图5为本发明实施例一中电机的5段阶梯式结构转子反电势叠合产生正弦波的反电势仿真波形的频谱分析图；
图6为本发明实施例二转子为斜极结构的16/12极四相正弦波电励磁双凸极电机轴向剖视示意图；
图7为本发明实施例二中电机斜极转子铁心立体视图；
图8为本发明实施例二中转子斜极电机的反电势仿真波形图；
图9为本发明实施例二中转子斜极电机的反电势仿真波形频谱分析图；
图10为本发明实施例一和例二中电机的转子极开倒角示意图；
图11为本发明实施例一和例二中电机的分布位置不同且相位相差180°的各电枢绕组相互组合并反向串联构成四相绕组的绕组连接图；
图中，1-定子铁心，2-转子铁心，3-A相电枢绕组，4- B相电枢绕组，5- C相电枢绕组，6-D相电枢绕组，7-励磁绕组，8-转轴， 9-转子极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。
本发明提供一种四相正弦波电励磁双凸极电机，包括同转轴的定子组件和转子组件，定子组件包括定子铁心、励磁元件以及电枢绕组；所述定子铁心为凸极结构，设置有定子极，定子铁心上设置的定子极数目为8N个，N为正整数。
转子组件包括转子铁心和转轴，转子铁心为凸极结构，转子极数目为6N个，N为正整数；所述转子为5段阶梯式结构或斜极结构；当转子为5段阶梯式结构时，各分段转子形状一致，长度相同，并依次错开15°/4N的机械角度；当转子为斜极结构时，转子极斜过 15°/N的机械角度。
所述励磁元件的数目为2N个，N为正整数，每个励磁元件跨四个定子极分布，且相邻励磁元件的极性相反，同时各励磁元件相互串联；
所述电枢绕组为在各个定子极上绕制的集中绕组，且每个励磁元件下的电枢绕组按照所匝链的励磁元件的极性相同的方向进行绕制，形成8N个电枢线圈；
所述电枢线圈中分布位置不同且相位相差180°的绕组进行组合，并通过反向串联构成各相磁链变化率相同的A、B、C、D四相绕组；当励磁绕组产生激励后，转子旋转过程中,在四相电枢绕组中感应出近似正弦波的反电势，构成正弦化双凸极电机。
所述转子极上开倒角，定子齿的窄边等于或略大于转子齿宽的一半，宽边为转子齿宽的2/3。
作为一种优选，所述定子和转子均为硅钢片冲压而成。
所述定子的极弧系数等于或略大于0.33，所述转子的极弧系数为0.5。
相对于已有技术，本发明公开了一种四相正弦波电励磁双凸极电机。包括同转轴的定子铁心和转子铁心，电机为8N/6N极结构，其定、转子均为凸极的齿槽结构,转子极弧系数为0.5，定子极弧长等于或略大于转子极弧长的一半。定子槽中嵌有电枢绕组和励磁绕组,每个定子极上绕有一个电枢线圈，每个励磁线圈跨四个定子极绕制，将电枢线圈中分布位置不同且相位相差180°的各相绕组进行组合，并通过反向串联构成各相磁链变化率相同的四相绕组，从而实现四相反电势对称。转子为5段阶梯式结构或斜极结构。当转子为5段阶梯式结构时，各分段转子形状一致，长度相同，并依次错开15°/4N的机械角度；当转子为斜极结构时，转子极斜过 15°/N的机械角度，转子极开倒角。在电机旋转过程中,转子在匝链的定子电枢绕组中感应出正弦化的绕组反电势波形,有效解决了双凸极电机转矩脉动大的问题，且能够四相同时通电工作，提高了电机的绕组利用率，电机容错性能好。
实施例一
转子为5段阶梯式结构的16/12极四相正弦波电励磁双凸极电机，如图1所示，包括同转轴的定子组件和转子组件。
所述定子组件包括定子铁心、励磁元件以及电枢绕组，如图2所示。定子铁心为凸极结构，设置有定子极，定子铁心上设置的定子极数目为16个，定子极弧系数等于或略大于0.333。
所述励磁元件的数目为4个，分别跨四个定子极分布，且相邻励磁元件的极性相反，同时各励磁元件相互串联。
所述电枢绕组为在各个定子极上绕制的集中绕组，且每个励磁元件下的电枢绕组按照所匝链的励磁元件的极性相同的方向进行绕制，形成16个电枢线圈；
将所述电枢绕组中分布位置不同且相位相差180°的电枢绕组进行组合，相位相差180°的电枢线圈A1、A3和C2、C4反相串联后组成A相电枢绕组,相位相差180°的电枢线圈B1、B3和D2、D4反相串联后组成B相电枢绕组,相位相差180°的电枢线圈C1、C3和A2、A4反相串联后组成C相电枢绕组,相位相差180°的电枢线圈D1、D3和B2、B4反相串联后组成D相电枢绕组，最终构成各相对称的A、B、C、D四相绕组。其各电枢线圈位置如图1所示，反相串联构成四相绕组的绕组连接图如图11所示。当励磁绕组产生激励后,转子旋转过程中,在四相电枢绕组中感应出近似正弦波的反电势。
所述转子组件包括转子铁心和转轴，转子铁心为凸极结构，如图1所示，转子极弧系数为0.5，转子极数目为12个；
所述转子为5段阶梯式结构，各分段转子形状一致，长度相同，并依次错开1.875°的机械角度，如图2所示。
作为本发明一种四相正弦波电励磁双凸极电机进一步的优化方案，为提高四相电枢绕组中正弦波反电势的正弦度，转子极开倒角，如图10所示；定子齿为梯形齿结构，其特征在于，定子齿的窄边等于或略大于转子齿宽的一半，宽边为转子齿宽的2/3，如图1所示。
图3为本发明实施例一中电机的5段阶梯式结构转子反电势叠合产生近似正弦波反电势的原理图，在电机磁路不饱和,励磁磁通恒定时,各分段转子的反电势近似于矩形波,通过各分段转子依次错位，在轴向形成成5个错位段，五段错位转子齿与定子电枢绕组匝链的磁链感应出的反电势波形叠加可以得到近似正弦波的阶梯波反电势。
图4为本发明实施例一中电机的5段阶梯式结构转子反电势叠合产生正弦波的反电势仿真波形，在转子旋转过程中,定转子齿重叠时电机内磁路存在局部饱和现象,由于该边缘效应的存在，使得电机绕组反电势波形将在理论上图3的原理图的阶梯波基础上进一步光滑，使得电机绕组反电势正弦度更高。图5为本发明实施例一中电机正弦波反电势仿真波形的频谱分析图，可以看出,绕组反电势的总谐波失真（Total Harmonic Distortion，THD）为4.34%，正弦度良好。
实施例二
转子斜极结构的16/12极四相正弦波电励磁双凸极电机，如图6所示，包括同转轴的定子组件和转子组件。
所述定子组件包括定子铁心、励磁元件以及电枢绕组，如图2所示。定子铁心为凸极结构，设置有定子极，定子铁心上设置的定子极数目为16个，定子极弧系数等于或略大于0.333。
所述励磁元件的数目为4个，分别跨四个定子极分布，且相邻励磁元件的极性相反，同时各励磁元件相互串联。
所述电枢绕组为在各个定子极上绕制的集中绕组，且每个励磁元件下的电枢绕组按照所匝链的励磁元件的极性相同的方向进行绕制，形成16个电枢线圈；
将所述电枢绕组中分布位置不同且相位相差180°的电枢绕组进行组合，相位相差180°的电枢线圈A1、A3和C2、C4反相串联后组成A相电枢绕组,相位相差180°的电枢线圈B1、B3和D2、D4反相串联后组成B相电枢绕组,相位相差180°的电枢线圈C1、C3和A2、A4反相串联后组成C相电枢绕组,相位相差180°的电枢线圈D1、D3和B2、B4反相串联后组成D相电枢绕组,最终构成各相对称的A、B、C、D四相绕组。其各电枢线圈位置如图6所示，反相串联构成四相绕组的绕组连接图如图11所示。当励磁绕组产生激励后,转子旋转过程中,在四相电枢绕组中感应出近似正弦波的反电势。
所述转子组件包括转子铁心和转轴，转子铁心为凸极结构，如图6所示，转子极弧系数为0.5，转子极数目为12个；
所述转子为斜极结构，转子极斜过7.5°的机械角度，如图7所示。
作为本发明实施例二电机的进一步的优化方案，为提高四相电枢绕组中正弦波反电势的正弦度，转子极开倒角，如图10所示；定子齿为梯形齿结构，其特征在于，定子齿的窄边等于或略大于转子齿宽的一半，宽边为转子齿宽的2/3，如图6所示。
图8为实施例二中转子斜极电机的反电势仿真波形图，转子极采用斜极转子，并通过合理的定转子极宽设计，转子斜极角度设计，使得转子旋转过程中在定子电枢绕组感应出的空载反电势，在分段转子的反电势上进一步光滑，呈现正弦波。由于本发明将所述电枢绕组中分布位置不同且相位相差180°的电枢绕组进行组合，并通过反向串联构成各相对称的四相绕组，从而实现四相反电势对称，且各相反电势正负对称，进一步提高正弦度。图9为本发明实施例二中转子斜极电机的反电势仿真波形频谱分析图，绕组反电势的总谐波失真（Total Harmonic Distortion，THD）为3.27%，适合构成正弦化的驱动系统,解决传统电励磁双凸极电机在驱动应用领域存在的固有的转矩脉动问题,提高双凸极电机驱动系统的性能。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种四相正弦波电励磁双凸极电机，包括同转轴的定子组件和转子组件，其特征在于：
所述定子组件包括定子铁心、励磁元件以及电枢绕组；所述定子铁心为凸极结构，设置有定子极，定子铁心上设置的定子极数目为8N个，N为正整数；
所述转子组件包括转子铁心和转轴，转子铁心为凸极结构，转子极数目为6N个，N为正整数；所述转子为5段阶梯式结构或斜极结构；当转子为5段阶梯式结构时，各分段转子形状一致，长度相同，并依次错开15°/4N的机械角度；当转子为斜极结构时，转子极斜过 15°/N的机械角度。
2.根据权利要求1所述的一种四相正弦波电励磁双凸极电机，其特征在于：所述励磁元件的数目为2N个，N为正整数，每个励磁元件跨四个定子极分布，且相邻励磁元件的极性相反，同时各励磁元件相互串联；
所述电枢绕组为在各个定子极上绕制的集中绕组，且每个励磁元件下的电枢绕组按照所匝链的励磁元件的极性相同的方向进行绕制，形成8N个电枢线圈；
所述电枢线圈中分布位置不同且相位相差180°的绕组进行组合，并通过反向串联构成各相磁链变化率相同的A、B、C、D四相绕组；当励磁绕组产生激励后，转子旋转过程中,在四相电枢绕组中感应出近似正弦波的反电势，构成正弦化双凸极电机。
3.根据权利要求1所述的一种四相正弦波电励磁双凸极电机，其特征在于：所述转子极上开倒角，定子齿的窄边等于或略大于转子齿宽的一半，宽边为转子齿宽的2/3。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种四相正弦波电励磁双凸极电机，其特征在于：所述定子和转子均为硅钢片冲压而成。
5.根据权利要求4所述的一种四相正弦波电励磁双凸极电机，其特征在于：所述定子的极弧系数等于或略大于0.33，所述转子的极弧系数为0.5。
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