CN114665625A - 一种多变运行工况定子永磁磁场增强型混合励磁电机及其驱动控制方法 - Google Patents

一种多变运行工况定子永磁磁场增强型混合励磁电机及其驱动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多变运行工况定子永磁磁场增强型混合励磁电机及其驱动控制方法，包括定子(1)、励磁绕组(2)、永磁体a(3)、永磁体b(4)、永磁体c(5)、永磁体d(6)、转子(7)、电枢绕组a(8)、电枢绕组b(9)和气隙(10)；定子(1)为“艹”形定子模块结构，采用4个H桥构成电机功率变换器，其中励磁绕组(2)的进出两端分别连接一个H桥桥臂中心点，三相绕组的进和出两端分别各连接一个H桥桥臂中心点构成开绕组结构；励磁绕组(2)的H桥与三相绕组的开绕组结构母线串联，且该开绕组结构的每三个桥臂组成一组，两组之间设置有一个开关管TTS；本发明可实现气隙磁场的倍增调节，提高电机的功率密度。

Description

一种多变运行工况定子永磁磁场增强型混合励磁电机及其驱 动控制方法
技术领域
本发明涉及一种定子永磁型电机，尤其是一种具有多变运行工况的定子永磁磁场增强型混合励磁电机及其驱动控制系统，属于电机技术领域。
背景技术
随着以钕铁硼(NdFeB)为代表的新型稀土永磁材料的出现和功率电力电子技术、计算机技术、现代控制理论等的快速发展，从20世纪90年代开始，陆续出现了三种新型结构的定子永磁型无刷电机系统，分别为双凸极永磁电机、磁通反向永磁电机和磁通切换永磁电机。该类永磁电机的永磁体和电枢绕组均位于定子，与转子永磁型电机相比，转子既无绕组也无永磁体，结构简单坚固，运行可靠。定子永磁型无刷电机作为一种新型永磁无刷电机，具备高效率、高功率密度和高可靠性等优点，在电动车辆、航空航天、飞轮储能及轨道交通等领域展现出特有的优势和良好的应用前景。
然而，由于钕铁硼永磁电机磁场恒定，在功率变换器母线电压恒定的条件下，难以满足大转矩输出的同时，实现宽调速范围，即存在恒定励磁磁通与弱磁扩速矛盾的问题。为此，可控磁通永磁电机受到人们的广泛关注，提出了混合励磁永磁、记忆电机、漏磁可控永磁电机等。混合励磁永磁电机由于综合了永磁电机和电励磁电机的特点，能够通过直流励磁实现电机永磁磁场的增强和弱磁扩速的目的，成为该类永磁电机研究的热点之一。但是，由于电励磁磁通相对永磁电机较小，磁场调节能力有限，仅有10％～30％。此外，为提高弱磁范围，往往需要提供较高的直流电流增加了铜耗，降低了电机效率，而且会导致切向力及转矩的波动，影响电机运行的稳定性，增加铁耗；也会导致径向力波动，从而引起振动和噪声。因此，有针对性地设计开发混合励磁电机新结构，对提高该类电机效率及动态性能具有重要的理论意义和经济价值。
发明内容
本发明的目的是针对现有混合励磁定子永磁型电机存在的问题，提出一种多变运行工况定子永磁磁场增强型混合励磁电机，其励磁绕组产生的励磁磁场和永磁体产生的永磁磁场共同构成气隙磁场，通过控制加在励磁绕组上的电流大小与方向，来控制气隙磁密的大小，从而实现气隙磁场可调，实现电机多变工况运行，并可以进一步降低转矩脉动，提高功率密度，实现电机高效率、低转矩脉动运行，提高电机的动态工作性能。
本发明的技术方案为：一种多变运行工况定子永磁磁场增强型混合励磁电机，包括定子(1)、励磁绕组(2)、永磁体a(3)、永磁体b(4)、永磁体c(5)、永磁体d(6)、转子(7)、电枢绕组a(8)、电枢绕组b(9)和气隙(10)；定子(1)为“艹”形定子模块结构，定子(1)的外部两个定子齿端部之间间隔嵌入永磁体a(3)，定子(1)的内部两个定子齿端部之间嵌入永磁体b(4)；且每两个“艹”形定子模块轭部的左右端部之间分别嵌入永磁体c(5)、永磁体d(6)；励磁绕组(2)缠绕在定子(1)的轭部；电枢绕组a(8)、电枢绕组b(9)分别缠绕在定子(1)靠近转子铁心的两个定子齿上；定子(1)的内圆和转子(7)的外圆之间设有气隙(10)；定子(1)的轴心线与转子(7)的转动轴心线相重合。
进一步，所述的定子(1)的定子铁心由硅钢片叠制而成，且定子面向转子部分为定子齿，其宽度为α；转子(7)的转子铁心由硅钢片叠制而成且为凸极结构，转子齿齿宽的(1～1.8)α。
进一步，所述的励磁绕组(2)沿径向绕制，电枢绕组a(8)、电枢绕组b(9)沿切向绕制。
进一步，所述的永磁体a(3)、永磁体b(4)充磁方向一致，永磁体c(5)、永磁体d(6)充磁方向一致，且永磁体a(3)、永磁体b(4)与永磁体c(5)、永磁体d(6)的充磁方向相反，永磁体b(4)非充磁方向宽度为(0.6～1.2)α。
进一步，所述的永磁体c(5)、永磁体d(6)的高度与定子(1)轭部的高度相等，定子(1)轭部宽度为(0.5-1)α。
进一步，励磁绕组(2)产生的磁通即参与气隙磁场励磁，又能控制永磁磁通进入气隙磁场进行励磁，同时也能改变主磁路磁阻，实现变磁阻控制。
进一步，该电机具有容错运行能力，当所述的永磁体a(3)、永磁体b(4)、永磁体c(5)、永磁体d(6)发生退磁或电枢绕组a(8)、电枢绕组b(9)发生故障等情况时，励磁绕组可以充当电枢绕组，当永磁体全退磁，励磁绕组故障时，该电机可以开关磁阻电机运行。
本发明的一种多变运行工况定子永磁磁场增强型混合励磁电机驱动控制方法，采用4个H桥构成电机功率变换器，其中励磁绕组(2)的进出两端分别连接一个H桥桥臂中心点，三相绕组的进和出两端分别各连接一个H桥桥臂中心点构成开绕组结构；励磁绕组(2)的H桥与三相绕组的开绕组结构母线串联，且该开绕组结构的每三个桥臂组成一组，两组之间设置有一个开关管TTS；
具有多模式工况运行；当电机以永磁同步电机运行时，所述开绕组结构的一组三个桥臂下管导通，使得三相绕组的出端连到一起，此时开关管TTS断开；当电机以开关磁阻电机运行时，所述开关管TTS闭合，每相绕组的进端所接桥臂的上管与出端所接桥臂的下管组成开关磁阻电机功率变换器，而每相绕组的出端所接桥臂的上管和进端所接桥臂的下管仅使用其反并联的二极管作为续流用。
进一步，还包括，励磁电流单独通过一个H桥控制，通过控制四个开关管的导通可以正负励磁电流的通入，实现电机磁场的增磁和去磁作用；当电机出现电枢绕组和退磁故障时，通过所述励磁绕组的H桥可以使得励磁绕组中通入单相交流电，形成单相交流磁动势，通过与其他未出现故障相通过工作，使得电机运行在容错模式；当励磁绕组故障和永磁体退磁时，所述开关管TTS闭合，所述开绕组结构功率变换器将以开关磁阻电机控制模式运行。
本发明的有益效果在于：
1.励磁绕组通负向电流时可把永磁体3、5、6的磁场拉入气隙，此时永磁体励磁和励磁绕组电励磁共同构成气隙磁场，可实现气隙磁场的倍增调节，提高电机的功率密度。
2.永磁体和绕组都置于定子上，转子结构简单，易于散热，运行可靠。
3.定子模块化，励磁线圈缠绕在“艹”形定子块的轭部，电枢线圈缠绕在
“艹”形定子块靠近转子的定子齿部，既不会造成绕组在电机端部交叠，也方便绕制。
4.永磁体的加入可使本发明电机以永磁同步电机模式运行，降低电机的转矩脉动，提高电机的工作性能。
5.在电枢绕组发生故障时，励磁绕组可作为电枢绕组使用，提高了电机的容错性能，且使本发明电机能够以开关磁阻电机模式运行。
6.与传统开关磁阻电机相比，永磁体及励磁绕组的加入使得电机不仅具有开关磁阻电机高转矩，宽调速范围的优点，同时拥有了高功率密度和低转矩脉动的优点。
附图说明
图1是本发明定子永磁型混合励磁电机的结构示意图。
图2是本发明定子永磁型混合励磁电机的“艹”形定子齿块的结构示意图。
图3是本发明定子永磁型混合励磁电机空载且励磁绕组不通电时的磁力线分布图。
图4是本发明定子永磁型混合励磁电机空载且励磁绕组通正向电流时的磁力线分布图。
图5是本发明定子永磁型混合励磁电机空载且励磁绕组通负向电流时的磁力线分布图。
图6是本发明定子永磁型混合励磁电机负载且励磁绕组不通电时的磁力线分布图。
图7是本发明定子永磁型混合励磁电机负载且励磁绕组通正向电流时的磁力线分布图。
图8是本发明定子永磁型混合励磁电机负载且励磁绕组通负向电流时的磁力线分布图。
图9是本发明定子永磁型混合励磁电机以开关磁阻电机模式运行时的部分控制电路图。
图10是本发明定子永磁型混合励磁电机以永磁同步电机模式运行时的部分控制电路图。
具体实施方式
如图1-2所示，本发明的一种多变运行工况定子永磁磁场增强型混合励磁电机，由“艹”形定子块，励磁绕组，永磁体，电枢绕组，凸极转子铁心构成。每个“艹”形定子块的上下两个定子齿端部之间分别嵌入永磁体且每两个“艹”形定子块轭部的左右端部之间也嵌入永磁体；上下端部的永磁体充磁方向一致，左右端部的永磁体充磁方向一致，且上下端部的永磁体与左右端部的永磁体充磁方向相反。励磁线圈缠绕在“艹”形定子块的轭部，沿径向绕制；电枢线圈分别缠绕在“艹”形定子块靠近转子铁心的两个定子齿上，沿切向绕制。励磁绕组通入直流电源，也称直流绕组，电枢绕组通入交流电源，也称交流绕组，转子铁心外圆与定子铁心内圆之间设有气隙。上述“艹”形定子块和凸极转子铁心由硅钢片叠制而成，本发明中所说的永磁体为钕铁硼。
情形一结合图3说明，此时电机为空载运行，励磁绕组2不通电，永磁体5、6的充磁方向均为逆时针方向，此时其磁力线不经过气隙，仅经过“艹”形定子齿块的轭部；而永磁体3、4的充磁方向均为顺时针方向，与永磁体5、6的充磁方向相反，其中永磁体3的磁力线经定子齿、定子轭部闭合，永磁体4的磁力线因定子轭部磁阻较大的缘故而大部分经过气隙、转子闭合，仅有少部分经过定子齿、定子轭部闭合，与传统开关磁阻电机运行模式一致。
情形二结合图4说明，本情形与情形一的不同点在于励磁绕组2通正向电流，此时电励磁磁场与永磁体5、6的永磁磁场相互吸引，因此电励磁磁力线仅经过定子轭部且永磁体5、6的磁力线仍不经过气隙，仅经过“艹”形定子齿块的轭部；永磁体3的磁力线仍经定子齿、定子轭部闭合，永磁体4的磁力线因定子轭部磁阻更大的缘故而基本经过气隙、转子闭合，几乎不经过定子齿、定子轭部闭合。此时气隙磁密无明显增大。
情形三结合图5说明，本情形与情形一的不同点在于励磁绕组2通负向电流，此时电励磁磁场与永磁体5、6的永磁磁场相互排斥，且在“艹”形定子块的左半部分和右半部分各形成一个相斥的小磁场，因此电励磁磁力线经定子轭部、定子齿、气隙和转子闭合，且永磁体3、5、6的磁场也被电励磁拉入气隙而不再经过“艹”形定子齿块的轭部，此时气隙磁场由电励磁磁场和永磁体3、4以及永磁体5、6产生的永磁磁场共同构成，实现了气隙磁场的倍增调节，气隙磁密明显增大，电机的功率密度提高，转矩脉动减小。
情形四结合图6说明，本情形与情形一的不同点在于电枢绕组8、9通入交流电流，此时永磁体3、4、5、6的磁通路径与情形一相比基本不发生变化；电枢反应磁通经过气隙、转子；且电枢反应磁场与永磁体4的磁场相互作用产生转矩使得电机转动，若通入交流电的幅值为10A，则转矩可达3.8Nm。
情形五结合图7说明，本情形与情形二的不同点在于电枢绕组8、9通入交流电流，与情形二相比，此时永磁体3、4、5、6的磁通路径基本不变；电枢反应磁通经过气隙、转子；电枢反应磁场不但与永磁体4的磁场相互作用产生转矩使得电机转动，还与电励磁磁场相互作用使得电励磁磁力线有一小部分不再经过定子轭部而是经过气隙、转子；与情形四相比，气隙磁密稍有增大，转矩也稍有增大。
情形六结合图8说明，本情形与情形三的不同点在于电枢绕组8、9通入交流电流，与情形三相比，此时气隙磁场由电枢反应磁场、电励磁磁场和永磁体3、4以及永磁体5、6产生的永磁磁场共同构成；电枢反应磁场与永磁体4的磁场相互作用产生转矩使得电机转动；与情形四相比，气隙磁密明显增大，转矩也明显增大，若通入交流电的幅值为10A，则转矩可达11.75Nm。此时电机的功率密度提高，转矩脉动减小；且随着励磁电流和电枢电流的调节，可以减小电机的气隙磁密，进而实现电机更宽范围的调速运行。这表明本发明电机兼具开关磁阻电机和定子永磁型电机的优点。
本发明电机以开关磁阻电机模式运行时的部分控制电路结合图9说明，左边为励磁绕组控制电路，直流电流经VT1流经励磁绕组，再经VT4流回电源端；右边为逆变器控制电路，此时开关TS闭合，以A相为例，交流电流经VT5流经A相绕组，再经VT12流回电源端。开关磁阻电机的控制策略包括角度位置控制(APC)、电流斩波控制(CCC)和直接瞬时转矩控制(DITC)等，电机高速工作时可采用角度位置控制，即通过调节开关磁阻电机的主开关器件的开通角和关断角的值来实现转矩和速度的调节；电机低速工作时可采用电流斩波控制，即保持电机的开通角和关断角不变，通过控制斩波电流的大小来调节电流的峰值进而调节电机的转矩和转速；在对动态性能要求高的场合可采用直接瞬时转矩控制，即直接控制每一时刻的瞬时转矩跟随参考转矩值，依据瞬时转矩与参考转矩的偏差，为功率变换器提供一个负、零或正电压，对电机的所有激励相产生开关信号，实现对电机的转矩和转速的调节。且本发明电机还可通过控制励磁电流的方向来决定增磁或去磁，进而可选择提升电机的功率或转速。
本发明电机以永磁同步电机模式运行时的部分控制电路结合图10说明，与开关磁阻电机运行模式不同的是，此时开关TS断开，以A相为例，交流电流经VT5流经A相绕组，再经VT12和VT14流经B相绕组，最后经VT8流回电源端。永磁同步电机以矢量控制为主，其原理是将电机的三相定子电流矢量经过坐标变换变成以转子磁链定向的两相旋转坐标系表示的id和iq，即将三相定子坐标系(A、B、C坐标系)经Clark变换转换为两相静止定子坐标系(α、β坐标系)，再将两相静止定子坐标系经Park变换转换为两相旋转坐标系(d、q坐标系)，令d轴与转子磁链矢量重合，q轴逆时针转90°，这样的两相同步旋转坐标系就是按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系，进而可以直流电机的控制思想为基础，完成对永磁同步电机转矩和转速的控制。且本发明电机还可通过控制励磁电流的方向来控制电路的磁阻值，进而调整绕组的电感，最终可调整电机的功率。
本发明的一种多变运行工况定子永磁磁场增强型混合励磁电机，可以适应多变运行工况的需求，既可以工作在开关磁阻电机模式，也可以工作在永磁同步电机模式；且气隙磁场可由永磁体产生的永磁磁场、励磁绕组产生的电励磁磁场和电枢绕组产生的电枢反应磁场共同构成，气隙磁场可以实现倍增调节，使电机不仅能够具有开关磁阻电机高转矩，宽调速范围的优点，同时也可拥有定子永磁型电机高功率密度和低转矩脉动的优点。

Claims (9)

1.一种多变运行工况定子永磁磁场增强型混合励磁电机，其特征在于，包括定子(1)、励磁绕组(2)、永磁体a(3)、永磁体b(4)、永磁体c(5)、永磁体d(6)、转子(7)、电枢绕组a(8)、电枢绕组b(9)和气隙(10)；定子(1)为“艹”形定子模块结构，定子(1)的外部两个定子齿端部之间间隔嵌入永磁体a(3)，定子(1)的内部两个定子齿端部之间嵌入永磁体b(4)；且每两个“艹”形定子模块轭部的左右端部之间分别嵌入永磁体c(5)、永磁体d(6)；励磁绕组(2)缠绕在定子(1)的轭部；电枢绕组a(8)、电枢绕组b(9)分别缠绕在定子(1)靠近转子铁心的两个定子齿上；定子(1)的内圆和转子(7)的外圆之间设有气隙(10)；定子(1)的轴心线与转子(7)的转动轴心线相重合。
2.根据权利要求1所述的一种多变运行工况定子永磁磁场增强型混合励磁电机，其特征在于，所述的定子(1)的定子铁心由硅钢片叠制而成，且定子面向转子部分为定子齿，其宽度为α；转子(7)的转子铁心由硅钢片叠制而成且为凸极结构，转子齿齿宽的(1～1.8)α。
3.根据权利要求1所述的一种多变运行工况定子永磁磁场增强型混合励磁电机，其特征在于，所述的励磁绕组(2)沿径向绕制，电枢绕组a(8)、电枢绕组b(9)沿切向绕制。
4.根据权利要求2所述的一种多变运行工况定子永磁磁场增强型混合励磁电机，其特征在于，所述的永磁体a(3)、永磁体b(4)充磁方向一致，永磁体c(5)、永磁体d(6)充磁方向一致，且永磁体a(3)、永磁体b(4)与永磁体c(5)、永磁体d(6)的充磁方向相反，永磁体b(4)非充磁方向宽度为(0.6～1.2)α。
5.根据权利要求2所述的一种多变运行工况定子永磁磁场增强型混合励磁电机，其特征在于，所述的永磁体c(5)、永磁体d(6)的高度与定子(1)轭部的高度相等，定子(1)轭部宽度为(0.5-1)α。
6.根据权利要求1所述的一种多变运行工况定子永磁磁场增强型混合励磁电机，其特征在于，励磁绕组(2)产生的磁通即参与气隙磁场励磁，又能控制永磁磁通进入气隙磁场进行励磁，同时也能改变主磁路磁阻，实现变磁阻控制。
7.根据权利要求1所述的一种多变运行工况定子永磁磁场增强型混合励磁电机，其特征在于，该电机具有容错运行能力，当所述的永磁体a(3)、永磁体b(4)、永磁体c(5)、永磁体d(6)发生退磁或电枢绕组a(8)、电枢绕组b(9)发生故障等情况时，励磁绕组可以充当电枢绕组，当永磁体全退磁，励磁绕组故障时，该电机可以作为开关磁阻电机运行。
8.一种多变运行工况定子永磁磁场增强型混合励磁电机驱动控制方法，其特征在于，采用4个H桥构成电机功率变换器，其中励磁绕组(2)的进出两端分别连接一个H桥桥臂中心点，三相绕组的进和出两端分别各连接一个H桥桥臂中心点构成开绕组结构；励磁绕组(2)的H桥与三相绕组的开绕组结构母线串联，且该开绕组结构的每三个桥臂组成一组，两组之间设置有一个开关管TTS；
具有多模式工况运行；当电机以永磁同步电机运行时，所述开绕组结构的一组三个桥臂下管导通，使得三相绕组的出端连到一起，此时开关管TTS断开；当电机以开关磁阻电机运行时，所述开关管TTS闭合，每相绕组的进端所接桥臂的上管与出端所接桥臂的下管组成开关磁阻电机功率变换器，而每相绕组的出端所接桥臂的上管和进端所接桥臂的下管仅使用其反并联的二极管作为续流用。
9.根据权利要求8所述的一种多变运行工况定子永磁磁场增强型混合励磁电机驱动控制方法，其特征在于，还包括，励磁电流单独通过一个H桥控制，通过控制四个开关管的导通可以正负励磁电流的通入，实现电机磁场的增磁和去磁作用；当电机出现电枢绕组和退磁故障时，通过所述励磁绕组的H桥可以使得励磁绕组中通入单相交流电，形成单相交流磁动势，通过与其他未出现故障相通过工作，使得电机运行在容错模式；当励磁绕组故障和永磁体退磁时，所述开关管TTS闭合，所述开绕组结构功率变换器将以开关磁阻电机控制模式运行。
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