CN111756145A - 双三相绕组变磁通记忆电机、电机系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双三相绕组变磁通记忆电机，其包括：定子；转子，转子上设有可变磁通永磁体；绕组，绕组设于定子槽上，绕组包括第一三相绕组以及第二三相绕组，第一三相绕组以及第二三相绕组空间无物理重叠，第一三相绕组以及第二三相绕组的轴线正对不同的转子极；当可变磁通永磁体需要转换磁化状态时，第一三相绕组加载增磁或去磁电流脉冲，以完成可变磁通永磁体的磁化状态转换，第二三相绕组不参与可变磁通永磁体的磁化状态转换。此外，本发明还公开了一种变磁通电机记忆电机系统，其包括上述的双三相绕组变磁通记忆电机以及与其电连接的控制器。另外，本发明还公开了一种电机使用方法，其使用上述的双三相绕组变磁通记忆电机。

Description

双三相绕组变磁通记忆电机、电机系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机设备领域，具体地，涉及一种变磁通记忆电机、包括该电机的系统及其控制方法。尤其是涉及一种双三相变磁通记忆电机、包括该电机的系统及其控制方法。

背景技术

永磁同步电机采用高性能稀土永磁体取代励磁绕组，显著提高电机的效率、功率密度和功率因数，已成为目前高性能电机驱动系统的重要研究内容。在电动汽车驱动电机、机床主轴电机等需要宽广调速范围的驱动系统中，期望电机可以在宽广的转速范围内均保持高效率、大转矩和快速动态效应等高性能输出，这就要求电机在不同转速下可以灵活调节空载气隙磁场。但是，由于采用磁场强度基本恒定的永磁体作为励磁源，因此，永磁同步电机存在气隙磁场调节困难的问题。

虽然随着控制理论与技术的发展，通过加载负向直轴电流可以实现永磁同步电机的弱磁控制，但持续施加的弱磁电流降低了电机效率与功率因数，使电机无法在宽广的转速范围内均保持高效运行，弱化了永磁同步电机在宽转速运行场合中的优势。

基于此，期望获得一种兼具永磁同步电机高效率、高功能密度特点以及电励磁电机灵活调磁特点的电机结构，以更好地应用于高性能宽调速驱动系统。

针对此问题，变磁通记忆电机结构被提出，此电机的基本结构与普通永磁同步电机类似，即电机定子侧配有交流电枢绕组，转子侧配有永磁体作为励磁源。相比普通永磁同步电机，变磁通记忆电机采用特殊的可变磁通永磁体，这种永磁体的磁化状态可以通过加载正向或负向的直轴电枢电流脉冲以实现增强或削弱，且永磁体磁化状态在电流脉冲结束后可以被记忆和保持，另一方面，交轴电枢电流用于输出转矩，不影响永磁体磁化状态。这样，通过加载不同性质的直轴电枢电流脉冲可以灵活增强或削弱永磁体的磁化状态，使其在大转矩输出需求时保持强磁化状态，高转速输出需求时保持弱磁化状态，进而让电机在整个宽广转速运行范围内均保持高性能输出。但是，为了保证正常运行，变磁通记忆电机的增磁或去磁脉冲电流幅值一般都明显超过电机额定电流值，也就是说，需要额外增加逆变器容量以实现增磁/去磁电流脉冲的加载，这大幅度提高了驱动系统成本。因此，在保持变磁通记忆电机优点的基础上，降低变磁通记忆电机的增磁或去磁电流脉冲对逆变器容量的要求，是工业界和学术界的研究热点。

公开号为CN103490573A，公开日为2014年1月1日，名称为“一种轴向磁场磁通切换型表贴式永磁记忆电机”的中国专利文献公开了一种轴向磁场磁通切换型表贴式永磁记忆电机，该永磁记忆电机包括第一转子、第二转子、设置在第一转子和第二转子之间且轴向双边对称结构的定子、用于将定子、第一转子和第二转子同轴安装的安装轴，定子位于两转子之间构成轴向双气隙电机；定子为双边对称凸极结构，包括定子铁心、若干永磁体、三相电枢绕组和单相脉冲绕组；定子铁心包括定子轭和自定子轭分别向第一转子和第二转子中心方向突出的定子齿。需要指出的是，在该中国专利文献所公开的技术方案中，其采用的定子为双边对称凸极结构，并且其包括的是三相电枢绕组以及专门脉冲绕组(即单相脉冲绕组)。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种双三相绕组变磁通记忆电机、电机系统及其控制方法。

为了实现上述发明目的，本发明提出了一种双三相绕组变磁通记忆电机，其包括：

定子；

转子，转子上设有可变磁通永磁体；

绕组，绕组设于定子槽上，绕组包括第一三相绕组以及第二三相绕组，第一三相绕组以及第二三相绕组空间无物理重叠，第一三相绕组以及第二三相绕组的轴线正对不同的转子极；

当可变磁通永磁体需要转换磁化状态时，第一三相绕组加载增磁或去磁电流脉冲，以完成可变磁通永磁体的磁化状态转换，第二三相绕组不参与可变磁通永磁体的磁化状态转换。

在本发明所述的双三相绕组变磁通记忆电机中，针对现有技术存在的缺陷，通过设置第一三相绕组以及第二三相绕组的结构，可以在不改变电机定转子铁芯和永磁体的情况下，通过巧妙排列绕组，从而显著降低电机的逆变器总额定容量，进而降低驱动系统成本。

需要指出的是，本发明所述的技术方案中，本案的双三相绕组结构，与普通永磁同步电机的双三相绕组并不相同，其区别在于，本案采用的双三相绕组结构实际是分解为两套三相电枢绕组，其通过空间非重叠的独立排布，使得第一三相绕组与第二三相绕组之间无物理耦合，并且第一三相绕组与第二三相绕组的轴线可以正对不同的转子永磁体。

由此，在本案的双三相绕组变磁通记忆电机正常运行时，可以同时控制第一三相绕组以及第二三相绕组加载交变电枢电流，以实现转矩输出和机电能量转换。而当双三相绕组的变磁通记忆电机需要对可变磁通永磁体的磁化状态进行调整时，只需要第一三相绕组加载合适的增磁或去磁电流脉冲，以完成可变磁通永磁体的磁化状态转换，与此同时，第二三相绕组依然可以加载正常的交变电流实现转矩输出，而并不参与可变磁通永磁体磁化状态转换。

需要说明的是，在本发明所述的技术方案中，由于第一三相绕组和第二三相绕组空间独立，也就是说，它们的轴线所正对的转子位置以及可变磁通永磁体并不相同，因此，在第一三相绕组上加载的增磁或去磁电流脉冲只能完成该绕组轴线所正对的可变磁通永磁体的磁化状态转换，而不会改变第二三相绕组轴线所正对的可变磁通永磁体的磁化状态。因此，为了完成所有可变磁通永磁体的磁化状态转换，需要在不同转子位置时，由第一三相绕组加载两次增磁或去磁电流脉冲。也就是说，通过第一三相绕组的分步增磁或去磁控制完成可变磁通永磁体的全部磁体的磁化状态转换。

在一些实施方式中，本案的双三相绕组变磁通记忆电机采用的定子和转子可以由铁芯冲片叠压构成。而电机转子侧的可变磁通永磁体可以采用内嵌式永磁体结构或是表贴式永磁体结构。当然电机转子侧的永磁体可以采用全部是可变磁通永磁体的磁体结构，或是采用高矫顽力恒定磁通永磁体和可变磁通永磁体的混合磁体结构。此外，不同属性的永磁体之间可以采用串联、并联或是串并混联。

需要指出的是，在本发明所述的技术方案中，绕组可以为多相绕组，也就是说，电枢绕组套数可以大于2，具体来说，绕组不只包括第一三相绕组以及第二三相绕组，也可以包括其他三相绕组。

优选地，在本发明所述的双三相绕组变磁通记忆电机中，增磁或去磁电流脉冲采用直轴电枢电流脉冲。

优选地，在本发明所述的双三相绕组变磁通记忆电机中，绕组的结构为分布绕组或集中绕组。

优选地，在本发明所述的双三相绕组变磁通记忆电机中，转子的转子极呈结构对称，相邻两个转子极的永磁体磁体的充磁方向相反。

优选地，在本发明所述的双三相绕组变磁通记忆电机中，转子的转子极包括两层内嵌式永磁体磁体，根据距离气隙的由远至近依次包括可变磁通永磁体以及高矫顽力恒定磁通永磁体。

在上述方案中，转子采用的永磁体结构灵活多样，可以采用只有可变磁通永磁体的结构，也可以采用同时拥有高矫顽力恒定磁通永磁体和可变磁通永磁体的型式，且两种不同属性永磁体间的连接方式可以串联、并联或串并混联。

优选地，在本发明所述的双三相绕组变磁通记忆电机中，转子和定子由硅钢冲片叠压构成。

优选地，在本发明所述的双三相绕组变磁通记忆电机中，第一三相绕组包括十二个电枢线圈，第二三相绕组包括十二个电枢线圈。

需要指出的是，上述方案中，绕组的电机相数、定转子齿槽个数灵活多样，其设置的数量或是形式可以根据各实施方式的具体情况进行调整设置。

相应地，为了实现上述发明目的，本发明还提出了一种变磁通记忆电机系统，其包括上述的双三相绕组变磁通记忆电机以及与双三相绕组变磁通记忆电机电连接的控制器。

优选地，在本发明所述的变磁通记忆电机系统中，控制器包括第一逆变器以及第二逆变器，其中第一逆变器与第一三相绕组电连接，第二逆变器与第二三相绕组电连接。

此外，为了实现上述发明目的，本发明又提出了一种电机使用方法，在上述的双三相绕组变磁通记忆电机使用时，包括步骤：

当变磁通永磁体需要转换磁化状态时，第一三相绕组加载增磁或去磁电流脉冲，以完成可变磁通永磁体的磁化状态转换，第二三相绕组不参与可变磁通永磁体的磁化状态转换。

与现有技术相比，本发明所述的双三相绕组变磁通记忆电机、电机系统及其控制方法具有如下所述的优点以及有益效果：

1、本发明所述的双三相绕组变磁通记忆电机通过采用两套独立的三相绕组，只通过第一三相绕组加载增磁或去磁脉冲电流，而增磁或去磁过程可以在不同转子位置下由两步电流脉冲完成，每个电流脉冲实现一半数量永磁体的充磁或去磁，在上述过程中，第二三相绕组不参与磁化状态切换，因此，可以显著降低整个系统的逆变器容量。

2、本发明所述的双三相绕组变磁通记忆电机通过第一三相绕组的设置，可以实现分步加载充磁或去磁电流脉冲，进而实现对电机永磁体磁化状态的灵活调节，由此可以实现宽广转速范围内电机的高性能运行。

3、本发明所述的双三相绕组变磁通记忆电机由于只对绕组进行了结构改良，因此，其适用范围广，并且仍然保持永磁同步电机的基本结构，因而仍然具有永磁同步电机的高效率、高功率密度和高功率因数的优点。

4、本发明所述的双三相绕组变磁通记忆电机还具有永磁体的结构设置灵活多样的优点，其可以采用全部为可变磁通永磁体磁体的方案，也可以采用同时使用可变磁通永磁体和高矫顽力恒定磁通永磁体的混合永磁方案，且两种不同属性的永磁体之间可以串联、并联、串并混联。

5、本发明所述的双三相绕组变磁通记忆电机由于只对绕组进行了结构改良，因此，设置电机相数以及定转子齿槽数时，可以灵活多样，使得本案的双三相绕组变磁通记忆电机的适应范围广。

6、在一些实施方式中，由于采用独立的三相绕组，因此，各个三相绕组间具有的电、热、物理隔离特性，可以进而保证本案的双三相绕组变磁通记忆电机也同样具有良好的容错能力。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明所述的双三相绕组变磁通记忆电机在一种实施方式下的横向剖视结构示意图。

图2为本发明所述的变磁通记忆电机系统在一种实施方式下的控制器工作原理示意图。

图3示意性地显示了本发明所述的变磁通记忆电机系统在一种实施方式下的第一三相绕组加载两次去磁电流脉冲后的空载相磁链变化。

图1中示出：

定子 1

转子 2

转子极 3

第一三相绕组1A相、1B相、1C相

第二三相绕组2A相、2B相、2C相

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

图1为本发明所述的双三相绕组变磁通记忆电机在一种实施方式下的横向剖视结构示意图。

如图1所示，在本实施例中，双三相绕组的变磁通记忆电机为定子48槽，转子8极，其包括定子1、转子2以及绕组，其中，转子2位于定子1的内部(当然，在一些其他的实施方式中，也可以做成外转子结构的结构，即转子2位于定子1的外部)。定子1和转子2都可采用硅钢冲片压叠制成；可变磁通永磁体放置转子上2，即转子极3所在位置，设于转子上的可变磁通永磁体可以采用高矫顽力恒定磁通永磁体和可变磁通永磁体的混合永磁方案，也就是说转子极3中某些永磁体为可变磁通永磁体，某些永磁体为高矫顽力恒定磁通永磁体。转子极3呈结构对称，相邻两极的永磁体充磁方向相反，参考图1可看出，本实施例中共八个转子极。转子每极均有两层内嵌式永磁体磁体，其中距离气隙较近的第一层永磁体为可变磁通永磁体，距离气隙较远的第二层永磁体为高矫顽力恒定磁通永磁体，由此，在本实施例中，两种不同属性的永磁体之间采用磁路串联的结构。

进一步参考图1可以看出，绕组包括第一三相绕组以及第二三相绕组，第一三相绕组包括十二个电枢线圈(图1中各电枢线圈分别表示为1A相、1B相、1C相)，而第二三相绕组包括十二个电枢线圈(图1中各电枢线圈分别表示为2A相、2B相、2C相)。由此看出，绕组总共设有二十四个电枢线圈，即每相绕组分配有四个电枢线圈，并且需要说明的是，绕组设于定子槽内。

在本实施例中，第一三相绕组以及第二三相绕组正交排列，无物理重叠。具体来看，第一三相绕组的十二个电枢线圈分别分布在定子2的90°和270°机械角度位置而第二三相绕组的十二个电枢线圈则分别分步在定子2的0°和180°机械角度位置。(也就是说，在图1中，以变磁通记忆电机的中心作为原点，建立平面正交坐标系XOY，第一三相绕组的电枢线圈的轴线位于Y轴上，第二三相绕组的电枢线圈的轴线位于X轴上。)由此可以看出，第一三相绕组以及第二三相绕组在物理空间上独立，它们的轴线所正对的转子位置和转子永磁体也不同。

在本实施例中，还提供了一种变磁通记忆电机系统，其包括上述的双三相绕组变磁通记忆电机以及与双三相绕组变磁通记忆电机电连接的控制器。

其中，控制器的结构可以参考图2。图2为本发明所述的变磁通记忆电机系统在一种实施方式下的控制器工作原理示意图。

如图2所示，控制器包括第一逆变器以及第二逆变器，其中第一逆变器与第一三相绕组(即图2所示的第一套三相绕组)电连接，第二逆变器与第二三相绕组(即图2所示的第二套三相绕组)电连接。

结合图1和图2对本案的变磁通记忆电机系统的工作原理进行进一步说明：

正常运行时，双三相绕组变磁通记忆电机中的第一、第二三相绕组均加载周期性正弦电流，以实现稳定的转矩输出。在本实施例中，第一、第二三相绕组的电流同相位。而当可变磁通永磁体磁化状态需要转换时，第二三相绕组不参与可变磁通永磁体的磁化状态转换，也就是说其可以保持加载正常的周期性正弦电流的工作状态，也可以空载状态。而第一三相绕组则需要加载特定幅值和相位的增磁或去磁电流脉冲，以完成永磁体的磁化状态转换。

需要强调的是，在如图1所示转子位置时，第一三相绕组轴线正对的转子极3仅为定子2的90°和270°机械角度位置的转子极，因此，只有这四个转子极上的可变磁通永磁体可以实现磁化状态转换，而剩余的第二三相绕组轴线正对的转子极(定子2的0°和180°机械角度位置的转子极)的永磁体磁化状态并未发生转换。因此，为了实现所有可变磁通永磁体的磁化状态转换，需要在转子旋转90°机械角度(即一个电周期后)，再次在第一套三相绕组上加载特定幅值和相位的增磁或去磁电流脉冲。

通过上述步骤，由第一三相绕组采用两次增磁或去磁的方式，即可实现所有可变磁通永磁体的磁化状态转换。

需要指出的是，在上述的整个过程中，只有第一三相绕组加载脉冲电流，而第二三相绕组不参与永磁体磁化状态转换的控制，也无需加载脉电流。因此，对于本案的变磁通记忆电机系统进行驱动时，整机所需的逆变器容量和相应成本得以明显降低。

为了更好地说明本案的实施效果，图3示意性地显示了本发明所述的变磁通记忆电机系统在一种实施方式下的第一三相绕组加载两次去磁电流脉冲后的空载相磁链变化。需要说明的是，图3中附图标记I表示第一次电流脉冲，附图标记II表示第二次电流脉冲。

如图3所示，以可变磁通永磁体的去磁控制为例，相应的第一、第二三相绕组中A相绕组(即第一三相绕组中的1A相以及第二三相绕组中的2A相)的空载相磁链变化结果如图3所示。由图中可以看出，通过在第一三相绕组中加载两次去磁电流脉冲，电机的空载磁链被有效降低。

实施例2

实施例2中的变磁通记忆电机系统，其结构与实施例1中的变磁通记忆电机系统的结构基本一致，其区别在于，在双三相绕组变磁通记忆电机的绕组包括了第一三相绕组、第二三相绕组以及第三三相绕组，各个三相绕组间的空间无物理重叠，其中，第一三相绕组、第二三相绕组、第三三相绕组的轴线正对不同的转子极；而当可变磁通永磁体需要转换磁化状态时，仅第一三相绕组加载增磁或去磁电流脉冲，以完成可变磁通永磁体的磁化状态转换，第二、第三三相绕组不参与可变磁通永磁体的磁化状态转换。需要指出的是，在本实施例中，通过在第一三相绕组中加载增磁或去磁电流脉冲，只可以完成三分之一转子磁极可变磁通永磁体的磁化状态转换，因此，为了实现所有可变磁通永磁体的磁环状态转换，需要在第一三相绕组分三次加载增磁或去磁电流脉冲。

需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。

此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。

还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种双三相绕组变磁通记忆电机，其特征在于，包括：

定子；

转子，转子上设有可变磁通永磁体；

绕组，所述绕组设于定子槽上，所述绕组包括第一三相绕组以及第二三相绕组，所述第一三相绕组以及第二三相绕组空间无物理重叠，所述第一三相绕组以及第二三相绕组的轴线正对不同的转子极；

当可变磁通永磁体需要转换磁化状态时，所述第一三相绕组加载增磁或去磁电流脉冲，以完成可变磁通永磁体的磁化状态转换，所述第二三相绕组不参与可变磁通永磁体的磁化状态转换。

2.根据权利要求1所述的双三相绕组变磁通记忆电机，其特征在于，所述增磁或去磁电流脉冲采用直轴电枢电流脉冲。

3.根据权利要求1所述的双三相绕组变磁通记忆电机，其特征在于，绕组的结构为分布绕组或集中绕组。

4.根据权利要求1所述的双三相绕组变磁通记忆电机，其特征在于，转子的转子极呈结构对称，相邻两个转子极的永磁体磁体的充磁方向相反。

5.根据权利要求1所述的双三相绕组变磁通记忆电机，其特征在于，转子的转子极包括两层内嵌式永磁体磁体，根据距离气隙的由远至近依次包括可变磁通永磁体以及高矫顽力恒定磁通永磁体。

6.根据权利要求1所述的双三相绕组变磁通记忆电机，其特征在于，所述转子和定子由硅钢冲片叠压构成。

7.根据权利要求1所述的双三相绕组变磁通记忆电机，其特征在于，所述第一三相绕组包括十二个电枢线圈，所述第二三相绕组包括十二个电枢线圈。

8.一种变磁通记忆电机系统，其特征在于，其包括如权利要求1-7中任意一项所述的双三相绕组变磁通记忆电机以及与双三相绕组变磁通记忆电机电连接的控制器。

9.根据权利要求8所述的变磁通记忆电机系统，其特征在于，所述控制器包括第一逆变器以及第二逆变器，其中第一逆变器与第一三相绕组电连接，第二逆变器与第二三相绕组电连接。

10.一种电机使用方法，其特征在于，在如权利要求1-9中任意一项所述的双三相绕组变磁通记忆电机使用时，包括步骤：

当变磁通永磁体需要转换磁化状态时，第一三相绕组加载增磁或去磁电流脉冲，以完成可变磁通永磁体的磁化状态转换，第二三相绕组不参与可变磁通永磁体的磁化状态转换。

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