CN114421666A - 双馈开关磁阻电机、系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种双馈开关磁阻电机、系统及其控制方法，双馈开关磁阻电机包括：定子铁心、定子电枢绕组、转子铁心以及转子电枢绕组，所述转子铁心与所述定子铁心同轴布置；所述定子铁心与转子铁心均为凸极结构，具有朝向气隙的凸极齿以及相应的槽结构，分别为定子槽和转子槽；所述定子电枢绕组放置于定子铁心上的定子槽内；所述转子电枢绕组放置于所述转子铁心上的转子槽内；所述定子电枢绕组和转子电枢绕组在电气上相互独立，加载不同电流，形成两套独立的电气回路；利用本发明，在不改变原开关磁阻电机空间尺寸的基础上，充分利用电机转子槽内空间，可以显著提高电机功率密度和控制灵活度。

Description

双馈开关磁阻电机、系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电机设备领域，具体地，涉及一种双馈开关磁阻电机、系统及其控制方法。
背景技术
随着电力电子技术、控制理论和微电子技术的快速发展，基于“磁阻最小”原理运行的开关磁阻电机的应用日益广泛，尤其在稀土永磁原材料价格波动剧烈、供应量不稳定的情况下，无需使用永磁体的开关磁阻电机更得到关注。传统开关磁阻电机为定转子双凸极结构，定转子铁心均由硅钢片压叠制成，定子上有电枢绕组线圈，转子上既无永磁体也无绕组线圈。开关磁阻电机电枢绕组的自感会随转子位置变化而改变，依据“磁阻最小”原理工作，即依靠自感变化产生的磁阻转矩驱动转子。开关磁阻电机具备制造简单、成本低、结构坚固、容错性能好、易于散热、适宜高速运行等优点，在工业驱动、电气调速、电动汽车、家用电器、纺织机械等领域中具有良好的竞争力和广阔的应用前景。
但是，开关磁阻电机仅依靠定子电枢绕组通电后产生的磁阻转矩工作，仅具有一套绕组且没有永磁体，相应的，开关磁阻电机的功率密度相比于永磁电机等其它电机类型处于劣势。此外，开关磁阻电机仅依靠一套电枢绕组加载电流以驱动电机，当该电气回路出现故障后，电机则无法正常工作，明显牺牲了电机的带故障运行能力。这样，开关磁阻电机在需要高功率密度、或需要高容错能力场合的应用受限。
专利文献CN1104081C公开了一种磁阻电机，它包括定子和转子，其中在定子的内周侧上设有多个磁极凸起，绕组分别卷绕在这些磁极凸起上，转子配置在该定子的内周侧，在转子的外周侧上设有多个磁极凸起。目前市场上大多数磁阻电机均采用类似结构。实际上，开关磁阻电机的转子上既无永磁体，也无绕组线圈，这造成电机转子槽的空间没有放置任何部件，转子槽空间被浪费。针对此问题，本发明在常规开关磁阻电机的基础上，通过电机结构的创新，提出一种双馈开关磁阻电机，可以显著提升电机的功率密度和控制灵活度。
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馈开关磁阻电机、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馈开关磁阻电机，其包括：
定子铁心、定子电枢绕组、转子铁心以及转子电枢绕组，所述转子铁心与所述定子铁心同轴布置；
所述定子铁心与转子铁心均为凸极结构，具有朝向气隙的凸极齿以及相应的槽结构，位于定子铁心、转子铁心上的槽结构分别为定子槽和转子槽；
所述定子电枢绕组放置于定子铁心上的定子槽内；
所述转子电枢绕组放置于所述转子铁心上的转子槽内；
所述定子电枢绕组和转子电枢绕组在电气上相互独立，形成两套独立的电气回路；
所述定子电枢绕组和转子电枢绕组都能够加载电流以实现电机的机电能量转换，能够仅利用定子电枢绕组加载电流实现机电能量转换，或仅利用转子电枢绕组加载电流实现机电能量转换，或同时在定子电枢绕组和转子电枢绕组上加载电流实现机电能量转换。
本发明所述的双馈开关磁阻电机，针对现有技术存在的缺陷，通过在空闲的转子铁心槽上嵌套转子电枢绕组线圈，可以在不改变电机外形尺寸的情况下，利用巧妙排列的绕组结构，增加电机绕组总量，进而提高电机可加载的电负荷总量，以提升电机功率密度。此外，本发明所述的双馈开关磁阻电机在常规开关磁阻电机仅具有一套电枢绕组的基础上，额外增加了一套转子电枢绕组，这样，电机具有两套独立的电气回路，控制灵活度提高。在定子电枢绕组和转子电枢绕组中的任意一套绕组发生故障的情况下，另外一套绕组仍然可以维持电机在一定程度上继续工作，保证容错运行能力。
需要指出的是，本发明所述的技术方案中，本案的双馈开关磁阻电机中，定子电枢绕组和转子电枢绕组的结构并不相同，它们各自的线圈个数分别由定子齿个数和转子齿个数决定。定子铁心齿数可以自由选取，转子铁心齿数也可以灵活选取，但两者个数不相等。
优选地，在本发明所述的双馈开关磁阻电机中，定子电枢绕组可以采用集中绕组结构、或分布绕组结构、或环形绕组结构；可以采用双层绕组结构、或单层绕组结构、或多层绕组结构。
优选地，在本发明所述的双馈开关磁阻电机中，转子电枢绕组可以采用集中绕组结构、或分布绕组结构、或环形绕组结构；可以采用双层绕组结构、或单层绕组结构、或多层绕组结构。
优选地，在本发明所述的双馈开关磁阻电机中，定子电枢绕组和转子电枢绕组加载的电流可以不同；定子电枢绕组可以加载单极性方波电流、或双极性方波电流、或正弦电流；转子电枢绕组可以加载双极性方波电流、或正弦电流。
优选地，在本发明所述的双馈开关磁阻电机中，定子电枢绕组和转子电枢绕组加载电流的频率不相同。
优选地，在本发明所述的双馈开关磁阻电机中，定子电枢绕组和转子电枢绕组的相数可以灵活选取，两者的相数不相同。
优选地，在本发明所述的双馈开关磁阻电机中，可以采用内转子结构、或外转子结构、或双转子结构、或双定子结构。
优选地，在本发明所述的双馈开关磁阻电机中，可以采用径向磁场旋转电机结构、或轴向磁场旋转电机结构、或直线电机结构。
优选地，在本发明所述的双馈开关磁阻电机中，转子铁心和定子铁心由硅钢冲片叠压构成。
相应地，为了实现上述发明目的，本发明还提出了一种双馈开关磁阻电机系统，包括上述的双馈开关磁阻电机以及与双馈开关磁阻电机电连接的控制器，所述控制器包括第一功率变换器和第二功率变换器，其中第一功率变换器与双馈开关磁阻电机的定子电枢绕组电连接，第二功率变换器与双馈开关磁阻电机的转子电枢绕组电连接。
优选地，在本发明所述的双馈开关磁阻电机系统中，定子电枢绕组和转子电枢绕组控制灵活，具有多种工作模式，包括：电动-电动、电动-发电、发电-电动、发电-发电。
此外，为了实现上述发明目的，本发明又提出了一种电机控制方法，在上述的双馈开关磁阻电机使用时，可以仅利用定子电枢绕组加载电流以实现电机的机电能量转换，也可以仅利用转子电枢绕组加载电流以实现电机的机电能量转换，或者可以同时在定子电枢绕组和转子电枢绕组上加载电流以实现电机的机电能量转换。
与现有技术相比，本发明所述的双馈开关磁阻电机、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、本发明所述的双馈开关磁阻电机通过在转子上增加一套额外的转子电枢绕组，提高了电机的总体绕组用量，增加了电机的最大电负荷，有利于充分利用电机内部空间，提高电机的机电能量转换能力和功率密度。
2、本发明所述的双馈开关磁阻电机通过在转子上增加一套额外的转子电枢绕组，使电机定转子上分别具有电枢绕组，两者电气独立，在配合两套独立的电源及功率变换器的情况下，电机的控制自由度被提高；当一套电气回路发生故障时，仍然可以利用剩余的一套电气回路驱动电机工作，提升容错运行能力。
3、本发明所述的双馈开关磁阻电机具有电气独立的定子电枢绕组和转子电枢绕组，具有两套电气端口，两者控制灵活，具有多种工作模式，包括：电动-电动、电动-发电、发电-电动、发电-发电。
4、本发明所述的双馈开关磁阻电机继承了常规开关磁阻电机设计灵活的特点，电机相数、定转子齿数、绕组形式和磁场类型的设计可以灵活多样，使得本案的双馈开关磁阻电机的适应范围很广。
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为本发明所述的双馈开关磁阻电机在一种实施方式下的横向剖视结构示意图；
图2为本发明所述的双馈开关磁阻电机系统在一种实施方式下的控制器的功率变换器示意图；
图3示意性地显示了本发明所述的双馈开关磁阻电机系统在一种实施方式下的定子电枢绕组和转子电枢绕组加载电流波形；
图4示意性地显示了本发明所述的双馈开关磁阻电机系统在一种实施方式下的输出电磁转矩与常规开关磁阻电机的输出电磁转矩的对比波形。
图1中示出：
定子铁心 1
定子电枢绕组 2
转子铁心 3
转子电枢绕组 4
定子电枢绕组包括 2A相、2B相、2C相
转子电枢绕组包括 4X相、4Y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为本发明所述的双馈开关磁阻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，双馈开关磁阻电机为径向磁场旋转电机，定子十二槽，转子八槽，其包括定子铁心1、定子电枢绕组2、转子铁心3以及转子电枢绕组4，其中，转子铁心3位于定子铁心1的内部构成内转子结构的形式(当然，在一些其他的实施方式中，也可以做成外转子结构的形式，即转子铁心3位于定子铁心1的外部)。定子铁心1和转子铁心3都可采用硅钢冲片压叠制成，两者均为凸极结构，具有朝向气隙的凸极齿以及相应的槽结构，需要说明的是，该槽结构可以采用全开口槽、半开口槽或闭口槽。定子电枢绕组2嵌套于定子铁心1的定子槽内，转子电枢绕组4嵌套于转子铁心3的转子槽内。
进一步参考图1可以看出，定子电枢绕组2包括十二个绕组线圈，按照相位不同、对称分配给三相(可记为2A相、2B相、2C相)；转子电枢绕组4包括八个绕组线圈，按照相位不同、对称分配给两相(可记为4X相、4Y相)。需要指出，定子上的三相定子电枢绕组2和转子上的两相转子电枢绕组4电气隔离，可以使用不同的功率变换器驱动。
在本实施例中，还提供了一种双馈开关磁阻电机系统，其包括上述的双馈开关磁阻电机以及与双馈开关磁阻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为本发明所述的双馈开关磁阻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，控制器包括第一功率变换器以及第二功率变换器，其中第一功率变换器与定子电枢绕组2电连接，第二功率变换器与转子电枢绕组4电连接。由于转子电枢绕组4被放置于旋转部件转子铁心3上，可以利用电刷滑环完成对转子电枢绕组4的馈电。
结合图1和图2对本案的双馈开关磁阻电机系统的工作原理进行进一步说明：
正常运行时，本案所提出的双馈开关磁阻电机中的定子电枢绕组2和转子电枢绕组4所加载的优选电流波形如图3所示。其中，定子电枢绕组2加载经典的三相对称单极性方波电流，可以实现稳定的转矩输出。转子电枢绕组4加载两相对称双极性方波电流，可以实现稳定的转矩输出。
需要强调的是，本案所提的双馈开关磁阻电机的定子电枢绕组2和转子电枢绕组4电气隔离，它们也分别连接至不同的功率变换器。因此，双馈开关磁阻电机中定子电枢绕组2和转子电枢绕组4可以实现完全独立的运行状态。双馈开关磁阻电机可以运行在只有定子电枢绕组2加载电流的状态，此时转子电枢绕组4内无电枢电流；或者，双馈开关磁阻电机可以运行在只有转子电枢绕组4加载电流的状态，此时定子电枢绕组2内无电枢电流；或者，双馈开关磁阻电机可以运行在定子电枢绕组2和转子电枢绕组4同时加载电流的状态。另一方面，在定子电枢绕组2和转子电枢绕组4同时加载电流的运行状态下，两者加载电流的性质可以相同、也可以不同。双馈开关磁阻电机的定子电枢绕组2和转子电枢绕组4可以同时加载电动性质电枢电流、或同时加载发电性质电枢电流、或定子电枢绕组2加载电动性质电枢电流而转子电枢绕组4加载发电性质电枢电流、或定子电枢绕组2加载发电性质电枢电流而转子电枢绕组4加载电动性质电枢电流。因此，作为一种电气二端口电机，本案所提的双馈开关磁阻电机的控制自由度显著提高，可以充分利用定子侧和转子侧上的两套电枢绕组实现不同的运行状态组合，有利于容错运行和复杂需求运行。此外，由于电枢绕组套数增加，双馈开关磁阻电机可加载的电负荷增大，电机的输出转矩/功率得以提高。
为了更好地说明本案的实施效果，图4示意性地对比显示了传统开关磁阻电机只有定子电枢绕组加载电枢电流后的输出转矩波形和本案所提的双馈开关磁阻电机定子电枢绕组和转子电枢绕组同时加载电枢电流后的输出转矩波形。从图中可以看出，通过在传统开关磁阻电机的转子上增加一套电枢绕组并加载电枢电流，本案所提出的双馈开关磁阻电机的输出转矩明显提高。
实施例2
实施例2中的双馈开关磁阻电机系统，其结构与实施例1中的双馈开关磁阻电机系统的结构基本一致，其区别在于，实施例2的双馈开关磁阻电机的定子槽数为八、转子极数为六。相应的，定子电枢绕组2包括八个电枢绕组线圈，构成对称四相绕组；转子电枢绕组4包括六个电枢绕组线圈，构成对称三相绕组。需要指出的是，与实施例1类似，在本实施例中，定子电枢绕组2与转子电枢绕组4电气隔离，两者分别电连接至不同的功率变换器，以进行独立控制进而实现完全独立的运行状态。
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)

1.一种双馈开关磁阻电机，其特征在于，包括定子铁心(1)、定子电枢绕组(2)、转子铁心(3)以及转子电枢绕组(4)，所述转子铁心(3)与所述定子铁心(1)同轴布置；
所述定子铁心(1)与转子铁心(3)均为凸极结构，具有朝向气隙的凸极齿以及相应的槽结构，位于定子铁心(1)、转子铁心(3)上的槽结构分别为定子槽、转子槽；
所述定子电枢绕组(2)放置于定子铁心(1)上的定子槽内；
所述转子电枢绕组(4)放置于所述转子铁心(3)上的转子槽内；
所述定子电枢绕组(2)和转子电枢绕组(4)在电气上相互独立，形成两套独立的电气回路并能够以如下任一种加载电流的方式实现电机的机电能量转换：
仅利用定子电枢绕组(2)加载电流；
仅利用转子电枢绕组(4)加载电流；
同时在定子电枢绕组(2)和转子电枢绕组(4)上加载电流。
2.根据权利要求1所述的双馈开关磁阻电机，其特征在于，所述定子铁心(1)和转子铁心(3)的凸极齿的个数不相等；所述定子铁心(1)和转子铁心(3)的凸极齿个数能够灵活选取。
3.根据权利要求1所述的双馈开关磁阻电机，其特征在于，所述定子电枢绕组(2)和转子电枢绕组(4)的相数可以灵活选取，两者的相数不相同。
4.根据权利要求1所述的双馈开关磁阻电机，其特征在于，所述定子电枢绕组(2)和转子电枢绕组(4)加载电流的频率不相同。
5.根据权利要求1所述的双馈开关磁阻电机，其特征在于，所述定子电枢绕组(2)嵌套于定子铁心(1)的凸极齿上，所述定子电枢绕组(2)能够采用集中式绕组线圈、分布式绕组线圈、环形绕组线圈中的任一种形式；
所述转子电枢绕组(4)嵌套于转子铁心(3)的凸极齿上，所述转子电枢绕组(4)能够采用集中式绕组线圈、分布式绕组线圈、环形绕组线圈中的任一种形式。
6.根据权利要求1所述的双馈开关磁阻电机，其特征在于，所述电机采用内转子结构或外转子结构，或采用双定子结构或双转子结构。
7.根据权利要求1所述的双馈开关磁阻电机，其特征在于，所述电机是径向磁场旋转电机结构，或轴向磁场旋转电机结构，或直线电机结构。
8.根据权利要求1所述的双馈开关磁阻电机，其特征在于，所述定子电枢绕组(2)和转子电枢绕组(4)加载的电流不同；定子电枢绕组(2)能加载单极性方波电流、或双极性方波电流、或正弦电流；转子电枢绕组(4)能加载双极性方波电流、或正弦电流。
9.一种双馈开关磁阻电机系统，其特征在于，采用权利要求1至8任一项所述的双馈开关磁阻电机，包括控制器，所述控制器包括第一功率变换器以及第二功率变换器，其中，所述第一功率变换器与所述定子电枢绕组(2)电连接，第二功率变换器与所述转子电枢绕组(4)电连接。
10.一种双馈开关磁阻电机的控制方法，其特征在于，在权利要求9所述的双馈开关磁阻电机系统中采用如下任一种加载电流的方式：
利用第一功率变换器给所述定子电枢绕组(2)加载电流；
利用第二功率变换器给所述转子电枢绕组(4)加载电流；
同时利用第一功率变换器和第二功率变换器分别给所述定子电枢绕组(2)和转子电枢绕组(4)加载电流。
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