CN113489201B - 一种宽高效区混合线型集中绕组永磁电机系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽高效区混合线型集中绕组永磁电机系统及其控制方法，该系统包括集成了扁线、圆线、利兹线混合线型多三相集中绕组永磁电机与多合一控制器。混合线型多三相集中绕组永磁电机包括机壳及设于机壳内的定子铁心、多三相定子绕组、永磁体、转子铁心、转子支架和转轴；多合一控制器包括电流分配器与多套逆变模块，控制多三相绕组电流在不同工况下进行合理分配，以实现高效高可靠运行。本发明的混合线型集中绕组永磁电机系统及其控制方法，扁线、圆线、利兹线三种线型混合用于槽内的不同位置，提供一种永磁电机驱动系统电流协调控制策略，实现混合线型电枢电流的最优分配，高效区范围宽，适用于多种转速场合。

Description

一种宽高效区混合线型集中绕组永磁电机系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种同步电机领域，特别涉及一种宽高效区混合线型集中绕组永磁电机系统及控制方法。
背景技术
同步电机具有结构简单、体积小等优点。永磁体励磁能够有效提高电机的转矩/功率密度、运行效率。定子绕组根据线圈绕制的形状与嵌装布线方式不同，可分为集中式和分布式两类。集中式绕组应用于凸极式定子，通常绕制成矩形线圈，经纱带包扎定型，再经浸漆烘干处理后，嵌装在凸形磁极的铁心上。一般换向器式电动机(包括直流电机和通用电动机)的激磁线圈以及单相罩极式凸极电动机的主极绕组都采用集中式绕组。集中式绕组通常每极有一只线圈，但也有采用庶极(隐极)形式的，如框架式罩极电动机就是用一只线圈形成两极的电动机。分布式绕组的电动机定子没有凸形极掌，每个磁极由一个或几个线圈按照一定的规律嵌装布线组成线圈组，通电后形成不同极性的磁极，故也称隐极式。根据嵌装布线排列形式的不同，分布式绕组又可分为同心式和叠式两类。
同心式绕组是由几个形状相似但大小不同的线圈，按同一中心位置嵌装成回字形状的线圈组。同心绕组可根据不同的布线方式而构成双平面或三平面绕组。一般单相电动机及部分小功率或大跨距线圈的三相异步电动机的定子绕组采用这种型式。
叠式绕组一般是由形状、大小相同的线圈，分别以每槽嵌装1个或两个线圈边，并在槽外端部逐个相叠均匀分布的形式。叠式绕组又分单层叠式和双层叠式两种。每槽只嵌入一个线圈边的为单层叠式绕组，或称单叠绕组；每槽嵌入两个属不同线圈组的线圈边时是分置于槽中上、下层，为双层叠式绕组，或称双叠绕组。根据嵌装布线方式变化不同，叠式绕组又可派生出交叉式、同心交叉式以及单双层混合式等型式。目前，一般功率较大的三相异步电动机定子绕组较多采用双层叠式；而小电机则多用单层叠式绕组中的派生型式，但极少采用单层叠式绕组。专利CN213243672U采用一种槽满率高的扁铜线电机绕组槽内结构，能够有效提高电机的功率密度，但在高频条件下具有较大的交流铜损，若采用多股并联形式，并联股线间感应电动势不平衡，会产生严重的环流及环流损耗；专利CN107852055A采用一种用于电机的由高频利兹线构成的线圈绕组，纯铜槽满率相对较低，直流电阻较大，且在转矩较大的工况下，利兹线绕组的直流铜损问题显著。
上述的槽内结构虽然在特定工况下对电机的性能有一定的提高，但带来了高效区窄，不同时适用于低中高转速运行，功率密度降低，效率较低等问题，本发明提供一种宽高效区混合线型集中绕组永磁电机系统及其控制方法，以克服现有不足，本案由此产生。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有的永磁电机系统及控制方法中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明其中的一个目的是提供一种宽高效区混合线型集中绕组永磁电机系统，该系统包括集成了扁线、圆线、利兹线混合线型多三相集中绕组永磁电机与多合一控制器，实现混合线型电枢电流的最优分配，高效区范围宽，适用于多种转速场合。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种宽高效区混合线型集中绕组永磁电机系统，其包括装置本体，包括定子部件和转子部件，所述定子部件与转子部件相互连接，且中间存在气隙；集成模块，包括集成了扁铜线、圆铜线、利兹线的混合线型多三相集中绕组永磁电机与电流分配型多合一控制器；以及，绕组模块，包括电流分配型多合一控制器，所述电流分配型多合一控制器由电流分配器与多套逆变器模块组合构成，每个逆变器模块接入一套三相绕组。
作为本发明所述宽高效区混合线型集中绕组永磁电机系统的一种优选方案，其中：所述定子部件包括定子铁心和定子绕组，所述定子铁心设置为圆筒形，且内圆表面开设有定子槽，所述定子绕组按照集中式绕组形式嵌放于定子槽内，其中，所述定子绕组按照多三相方式连接起来，形成多三相定子绕组。
作为本发明所述宽高效区混合线型集中绕组永磁电机系统的一种优选方案，其中：所述电子绕组采用扁铜线、圆铜线、利兹线混合用于定子槽内的不同位置，每种线型连接构成一套三相绕组。
作为本发明所述宽高效区混合线型集中绕组永磁电机系统的一种优选方案，其中：所述漏磁影响较低的定子槽底部采用扁铜线绕制，所述扁铜线线圈的端部用绕组端部支架固定，实现该位置的高纯铜槽满率。
作为本发明所述宽高效区混合线型集中绕组永磁电机系统的一种优选方案，其中：所述漏磁影响较大的定子槽槽口位置采用由多根独立绝缘的导线绞合或编织而成的利兹线绕组，所述利兹线绕组线圈的端部用绕组端部支架固定，能够抑制该位置漏磁引起的交流损耗。
作为本发明所述宽高效区混合线型集中绕组永磁电机系统的一种优选方案，其中：所述每个逆变器模块接入一套三相绕组，且所有逆变模块共母线连接、共用一个位置信号，由电流分配器分配每个逆变模块输出电流。
作为本发明所述宽高效区混合线型集中绕组永磁电机系统的一种优选方案，其中：所述电流分配器根据输入的母线电压、转矩、转速信号进行转速转矩查表，确定目前状态工作区域，按照工作区域对多三相电流分配方式进行选择，实现宽高效区控制。
作为本发明所述宽高效区混合线型集中绕组永磁电机控制方法的一种优选方案，其中：电流分配器根据输入的母线电压、转矩、转速信号进行转速转矩查表；通过转速转矩表格，确定目前状态工作区域；按照工作区域对多三相电流分配方式进行选择，实现宽高效区控制。
作为本发明所述宽高效区混合线型集中绕组永磁电机控制方法的一种优选方案，其中：所述转速转矩表格根据系统全域工作状态多三相不同配比比例的效率最优分配方式确定，表格查表对应多三相电流分配方式为相应工作区域下，效率最优电流分配状态。
作为本发明所述宽高效区混合线型集中绕组永磁电机控制方法的一种优选方案，其中：所述工作区域确定分配方式包括如下步骤：工作在低速区，电流分配器采用分配方式1，对dq轴电流进行分配；工作在高速大转矩的情况下，电流分配器采用分配方式2，对dq轴电流进行分配；工作在高速低转矩的情况下，电流分配器采用分配方式3，对dq轴电流进行分配。
本发明的有益效果：本发明提供的一种宽高效区混合线型集中绕组永磁电机系统及控制方法，充分利用扁铜线、圆铜线、利兹线在各种运行区域中的优点，可显著降低电机绕组的涡流损耗与环流损耗。本发明提供的永磁电机驱动系统电流协调策略，实现三种线型绕组电枢电流的最优分配，在风力发电、飞机和车载电源等独立发电领域和驱动等领域具有广阔的应用前景。具体有以下几个方面的优点：
1、扁铜线、圆铜线、利兹线混合用于定子槽内的不同位置，分工作区域通入不同电流，可充分利用各类线型的优点，拓宽高效区，提高槽满率，显著降低电机绕组的涡流损耗与环流损耗。
2、在普通永磁电机控制策略的基础上引入电流分配型多合一控制器，通过查表确定目前状态工作区域，按照工作区域对多三相电流分配方式进行选择，实现宽高效区控制，适用于多种转速。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1是本发明宽高效区混合线型集中绕组永磁电机系统的结构示意图。
图2是本发明宽高效区混合线型集中绕组永磁电机系统的结构径向图。
图3是本发明宽高效区混合线型集中绕组永磁电机系统的电机绕组剖面图。
图4是本发明宽高效区混合线型集中绕组永磁电机控制方法的原理框图。
图5是本发明宽高效区混合线型集中绕组永磁电机控制方法的电流分配器原理框图。
图6是本发明宽高效区混合线型集中绕组永磁电机系统的扁铜线截面示意图。
图7是本发明宽高效区混合线型集中绕组永磁电机系统的圆铜线截面示意图。
图8是本发明的宽高效区混合线型集中绕组永磁电机系统的利兹线截面示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
参照图1～7，本发明一种宽高效区混合线型集中绕组永磁电机系统包括，装置本体100，装置本体100包括定子部件101和转子部件102，定子部件101与转子部件102相互连接，且中间存在气隙；集成模组200，集成模组200集成了扁铜线201、圆铜线202、利兹线203的混合线型多三相集中绕组永磁电机与电流分配型多合一控制器204；以及，绕组模组300，绕组模组300电流分配型多合一控制器204由电流分配器301与多套逆变器模块302组合构成，每个逆变器模块302均接入一套三相绕组303。
定子部件101包括定子铁心103和定子绕组104，定子铁心103设置为圆筒形，且内圆表面开设有定子槽105，定子绕组104按照集中式绕组形式嵌放于定子槽105内，其中，定子绕组104按照多三相方式连接起来，形成多三相定子绕组303。电子绕组104采用扁铜线201、圆铜线202、利兹线203混合用于定子槽105内的不同位置，每种线型连接构成一套三相绕组303。
漏磁影响较低的定子槽105底部采用扁铜线201绕制，扁铜线201线圈的端部用绕组端部支架固定，实现该位置的高纯铜槽满率。漏磁影响较大的定子槽105槽口位置采用由多根独立绝缘的导线绞合或编织而成的利兹线203绕组，利兹线203绕组线圈的端部用绕组端部支架固定，能够抑制该位置漏磁引起的交流损耗。每个逆变器模块302接入一套三相绕组303，且所有逆变模块302共母线连接、共用一个位置信号，由电流分配器301分配每个逆变模块302输出电流。转子部件102包括转子铁心106和永磁体107，转子铁心106设置在装置主体100内，永磁体107与转子铁心106互相配合。
具体的，进一步的，具体的如图1～2所示，本发明的定子部件101包括定子铁心103和定子绕组104，定子铁心103设置为圆筒形，且内圆表面开设有定子槽105，定子绕组104按照集中式绕组形式嵌放于定子槽105内，其中，定子绕组104按照多三相方式连接起来，形成多三相定子绕组303。电子绕组104采用扁铜线201、圆铜线202、利兹线203混合用于定子槽105内的不同位置，每种线型连接构成一套三相绕组303。转子部件102包括转子铁心106和永磁体107，转子铁心106设置在装置主体100内，永磁体107与转子铁心106互相配合。同时，定子铁心103中间是可以绕着轴心旋转的转子铁心106，转子铁心106之间安装永磁体107，定子部件101、转子部件102严格保持同轴心关系。
进一步的，现有技术采用一种槽满率高的扁铜线201电机绕组槽内结构，能够有效提高电机的功率密度，但在高频条件下具有较大的交流铜损，若采用多股并联形式，并联股线间感应电动势不平衡，会产生严重的环流及环流损耗；同时若用于电机的由高频利兹线203构成的线圈绕组，纯铜槽满率相对较低，直流电阻较大，且在转矩较大的工况下，利兹线203绕组的直流铜损问题显著。上述的槽内结构虽然在特定工况下对电机的性能有一定的提高，但带来了高效区窄，不同时适用于低中高转速运行，功率密度降低，效率较低等问题。
进一步的，如图1～3，本发明通过设置集成模组200，充分利用扁铜线201、圆铜线202、利兹线203在各种运行区域中的优点，可显著降低电机绕组的涡流损耗与环流损耗，扁铜线201、圆铜线202、利兹线203混合用于定子槽内的不同位置，分工作区域通入不同电流，可充分利用各类线型的优点，拓宽高效区，提高槽满率，显著降低电机绕组的涡流损耗与环流损耗。
进一步的，在扁铜线201、圆铜线202、利兹线203混合用于定子槽内的不同位置的不同情况。漏磁影响较低的定子槽105底部采用扁铜线201绕制，扁铜线201线圈的端部用绕组端部支架固定，实现该位置的高纯铜槽满率。漏磁影响较大的定子槽105槽口位置采用由多根独立绝缘的导线绞合或编织而成的利兹线203绕组，利兹线203绕组线圈的端部用绕组端部支架固定，能够抑制该位置漏磁引起的交流损耗。如图6～8所述，扁铜线201、圆铜线202、利兹线203截面示意图。
进一步的，在普通永磁电机控制策略的基础上引入电流分配型多合一控制器204，电流分配型多合一控制器204包括电流分配器301与多套逆变器模块302组合构成，每个逆变器模块302均接入一套三相绕组303，且所有逆变模块302共母线连接、共用一个位置信号，由电流分配器301分配每个逆变模块302输出电流。按照工作区域对多三相电流分配方式进行选择，配合扁铜线201、圆铜线202、利兹线203混合用于定子槽内的不同位置，实现宽高效区控制，适用于多种转速。
实施例2
参照图4～5，该实施例不同于第一个实施例的是：该实施例公开了一种宽高效区混合线型集中绕组永磁电机控制方法，其中，电流分配器根据输入的母线电压、转矩、转速信号进行转速转矩查表；通过转速转矩表格，确定目前状态工作区域；按照工作区域对多三相电流分配方式进行选择，实现宽高效区控制。转速转矩表格根据系统全域工作状态多三相不同配比比例的效率最优分配方式确定，表格查表对应多三相电流分配方式为相应工作区域下，效率最优电流分配状态。
工作区域确定分配方式包括如下步骤：工作在低速区，电流分配器采用分配方式1，对dq轴电流进行分配；工作在高速大转矩的情况下，电流分配器采用分配方式2，对dq轴电流进行分配；工作在高速低转矩的情况下，电流分配器采用分配方式3，对dq轴电流进行分配。
具体的，本发明提供的一种宽高效区混合线型集中绕组永磁电机控制方法，为了实现三种线型绕组电枢电流最优分配，提出了永磁电机驱动系统电流协调控制策略，采用该策略构建的混合线型集中绕组永磁电机驱动系统控制策略原理框图如图4所示。电流分配型多合一控制器由电流分配器与多套逆变器模块组合构成，每个逆变器模块接入一套三相绕组，所有逆变模块共母线连接、共用一个位置信号，由电流分配器分配每个逆变模块输出电流。
进一步的，混合线型集中绕组永磁电机驱动系统控制策略原理框图如图4所示，具体步骤如下：
1、采用Clark变换将采集到线电流IA、IB转换成两相坐标系下的Iα、Iβ以及采用Park变换将两相坐标下的Iα、Iβ变成旋转坐标系下的Id、Iq。
2、将给定的电流控制信号
Figure BDA0003139818920000071
与检测到的电流信号Id、Iq做差，送入PI电流调节器，得到旋转坐标系下的给定电压信号Ud、Uq
3、将旋转坐标系下的给定电压信号Ud、Uq进行反Park变换，得到两相坐标下的给定电压信号Uα、Uβ
4、将给定参考电压矢量Usα与Usβ，通过电压矢量调制模块，调制成驱动逆变器的三相PWM脉冲信号；
5、根据三相PWM脉冲信号驱动逆变器，为永磁同步电机提供电压。
进一步的，电流分配行多合一控制器原理框图如图5所示，电流分配器根据输入的母线电压、转矩、转速信号进行转速转矩查表，确定目前状态工作区域，工作区分为低速区、高速低转矩区、高速大转矩区。按照工作区域对多三相电流分配方式进行选择，实现宽高效区控制；转速转矩查表所用表格为根据系统全域工作状态多三相不同配比比例的效率最优分配方式确定，表格查表对应多三相电流分配方式为相应工作区域下，效率最优电流分配状态。
进一步的，在图5中，Udc为母线电压，Tref、n均为转速计算反馈得到的转矩、转速。当电机运行转速为n时，先根据电机转速转矩需求对其进行查表，然后根据查表所得的转矩、转速确定电机工作区，即工作在低速区，电流分配器采用分配方式1，对dq轴电流进行分配；工作在高速大转矩的情况下，电流分配器采用分配方式2，对dq轴电流进行分配；工作在高速低转矩的情况下，电流分配器采用分配方式3，对dq轴电流进行分配。三种分配方式中，不同线型的电枢电流占比不同，以利兹线为例，利兹线适用于高转速场合，但槽满率低，故在高速场合下，采用分配方式2，利兹线圈中的电枢电流相比与扁铜线、圆铜线要大，同时给扁铜线圈、圆铜线圈通入适当比例的电枢电流，以克服利兹线槽满率低的问题，达到电机性能的最优化。
重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。
应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种宽高效区混合线型集中绕组永磁电机系统，其特征在于：
装置本体（100），包括定子部件（101）和转子部件（102），所述定子部件（101）与转子部件（102）相互连接，且中间存在气隙，所述定子部件（101）包括定子铁心（103）和定子绕组（104），所述定子绕组（104）按照多三相方式连接起来，形成多三相定子绕组；
集成模组（200），集成了扁铜线（201）、圆铜线（202）、利兹线（203）的混合线型多三相定子绕组永磁电机与电流分配型多合一控制器（204）；
绕组模组（300），所述电流分配型多合一控制器（204）由电流分配器（301）与多套逆变器模块（302）组合构成，所述每个逆变器模块（302）均接入一套三相绕组（303），且所有逆变模块（302）共母线连接、共用一个位置信号，由电流分配器（301）分配每个逆变模块（302）输出电流；
所述定子铁心（103）设置为圆筒形，且内圆表面开设有定子槽（105），所述定子绕组（104）按照集中式绕组形式嵌放于定子槽（105）内；所述定子绕组（104）采用扁铜线（201）、圆铜线（202）、利兹线（203）混合用于定子槽（105）内的不同位置，每种线型连接构成一套三相绕组（303）；漏磁影响较低的定子槽（105）底部采用扁铜线（201）绕制，所述扁铜线（201）线圈的端部用绕组端部支架固定，实现定子槽底部位置的高纯铜槽满率；漏磁影响较大的定子槽（105）槽口位置采用由多根独立绝缘的导线绞合或编织而成的利兹线（203）绕组，所述利兹线（203）绕组线圈的端部用绕组端部支架固定，能够抑制定子槽槽口位置漏磁引起的交流损耗。
2.如权利要求1所述的宽高效区混合线型集中绕组永磁电机系统，其特征在于：所述转子部件（102）包括转子铁心（106）和永磁体（107），所述转子铁心（106）设置在装置本体（100）内，所述永磁体（107）与转子铁心（106）互相配合。
3.一种用于权利要求1-2任一项所述的宽高效区混合线型集中绕组永磁电机控制方法，其特征在于：
电流分配器根据输入的母线电压、转矩、转速信号进行转速转矩查表；
通过转速转矩表格，确定目前状态工作区域；
按照工作区域对多三相电流分配方式进行选择，实现宽高效区控制；
工作在低速区，电流分配器采用分配方式1，对dq轴电流进行分配，工作在高速大转矩的情况下，电流分配器采用分配方式2，对dq轴电流进行分配，工作在高速低转矩的情况下，电流分配器采用分配方式3，对dq轴电流进行分配。
4.如权利要求3所述的宽高效区混合线型集中绕组永磁电机控制方法，其特征在于：所述转速转矩表格根据系统全域工作状态多三相不同配比比例的效率最优分配方式确定，表格查表对应多三相电流分配方式为相应工作区域下，效率最优电流分配状态。
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