CN116742915A - 一种双定子永磁辅助轮毂磁阻电机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双定子永磁辅助轮毂磁阻电机及其控制方法，涉及电机技术领域，该电机包括：外定子模组，包括多个周向排列的外定子，包括外定子轭、外定子励磁极和外定子辅助极；内定子模组，包括多个周向排列的内定子，包括内定子轭、内定子励磁极和内定子辅助极；多个永磁体，相邻的两个内定子之间均设有一个永磁体；转子，为双凸极结构，包括圆环状的转子轭，转子轭外侧均匀设有多个外部转子极，内侧均匀设有多个内部转子极；多个励磁绕组，分别缠绕在多个外定子励磁极和多个内定子励磁极上。本发明的永磁体安装在内定子间，降低励磁绕组产生的励磁磁场的饱和，减少电机的等效气隙长度，从而使电机的功率密度和转矩密度提高。

Description

一种双定子永磁辅助轮毂磁阻电机及其控制方法
技术领域
本发明涉及电机技术领域，特别是涉及一种双定子永磁辅助轮毂磁阻电机及其控制方法。
背景技术
磁阻电机是继直流电机、无刷直流电机之后发展起来的一种调速电机类型。英、美等国家对开关磁阻电机的研究起步较早，并已取得显著效果，产品功率等级从数W直到数百kW，广泛应用于家用电器、航空、航天、电子、机械及电动车辆等领域。
传统轮毂磁阻电机若需要获得更大的功率及转矩，则需要通过增大励磁功率来实现，但这会使得电机驱动系统的成本增加，电机的转矩密度和功率密度下降。
发明内容
本发明实施例提供了一种双定子永磁辅助轮毂磁阻电机及其控制方法，解决了现有技术通过增大励磁功率来实现更大的功率所引起的但电机的转矩密度和功率密度下降的问题。
本发明提供一种双定子永磁辅助轮毂磁阻电机，包括：
外定子模组，其包括多个周向排列的外定子，每个所述外定子均包括外定子轭，所述外定子轭内侧两端均设有一个外定子励磁极，每个所述外定子励磁极内侧均均匀设有多个外定子辅助极；
内定子模组，其包括多个周向排列的内定子，所述内定子包括内定子轭，所述内定子轭外侧两端均设有一个内定子励磁极，每个所述内定子励磁极外侧均均匀设有多个内定子辅助极；
多个永磁体，相邻的两个内定子之间均设有一个所述永磁体；所述永磁体均用于产生永磁磁场；
转子，其为双凸极结构，包括圆环状的转子轭，所述转子轭外侧均匀设有多个外部转子极，内侧均匀设有多个内部转子极；多个所述外部转子极与多个外定子辅助极之间留有气隙，多个内部转子极与多个内定子辅助极之间留有气隙；
多个励磁绕组，分别缠绕在多个外定子励磁极和多个内定子励磁极上，用于产生电机的电励磁磁场，所述电励磁磁场与永磁磁场并联。
优选的，所述永磁体位于相邻的两个内定子的内定子励磁极之间。
优选的，多个所述外部转子极与多个内部转子极交错分布。
优选的，所述转子外表面为圆柱状。
优选的，所述外定子模组包括六个外定子，每个所述外定子均包括一个外定子轭、两个外定子励磁极和八个外定子辅助极。
优选的，所述内定子模组包括六个内定子，每个所述内定子均包括一个内定子轭、两个内定子励磁极和八个内定子辅助极。
一种双定子永磁辅助轮毂磁阻电机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
测量转子的位置、电机的实际转速和电机的各相电流值；
计算电机的实际转速与设定的参考转速的转速误差；
将转速误差输入比例积分控制模块，得到占空比；
将占空比输入到PWM控制模块，根据设定的开关频率，生成相应的脉冲控制波形；
将转子的位置、脉冲控制波形、设定的开通角和关断角输入至角度位置控制模块，得到第一控制信号；
将第一控制信号、设定的最大电流和电机的各相电流值输入至电流斩波控制模块，得到第二控制信号；
将第二控制信号输入至不对称半桥转化为各相电压信号，并施加于轮毂磁阻电机，以使轮毂磁阻电机运行。
优选的，通过下式计算占空比：
Duty＝Kp·e+Ki∫e·dt
式中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，e为转速误差，Duty为占空比。
优选的，当电机的各相电流值大于最大电流时，则第二控制信号输出0，不施加激励；若电机的各相电流值小于最大电流时，则第二控制信号输出1，施加激励。
优选的，当转子位置大于开通角且小于关断角时，第一控制信号为1；否则输出0。
优选的，当电机的某一相电流值大于最大电流时，则第二控制信号输出0；当电机的某一相电流值小于最大电流时，则第二控制信号输出1；
当第一控制信号和第二控制信号输出均为1时，不对称半桥向该相的多个励磁绕组施加激励。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的电机采用双定子结构，转子为双凸极结构，且转子的内外极依次相错，降低了产生转矩的转矩脉动。永磁体安装在内模块化定子间，借助辅助永磁体产生的永磁磁场，降低励磁绕组产生的励磁磁场的饱和，减少本发明的电机的等效气隙长度，降低绕组的励磁电流，从而使电机的功率密度和转矩密度提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种双定子永磁辅助轮毂磁阻电机的结构示意图；
图2为本发明的外定子拓扑结构示意图；
图3为本发明的内定子拓扑结构示意图；
图4为本发明的转子拓扑结构示意图；
图5为本发明的控制方法的流程图；
图6为本发明的内定子对齐仅永磁体励磁时磁力线分布示意图；
图7为本发明的内定子对齐永磁体辅助励磁时磁力线分布示意图；
图8为本发明的外定子对齐仅永磁体励磁时磁力线分布示意图；
图9为本发明的外定子对齐永磁体辅助励磁时磁力线分布示意图。
图中：1-外定子、11-外定子轭、12外定子励磁极、13外定子辅助极、2-内定子、21-内定子轭、22-内定子励磁极、23-内定子辅助极、3-永磁体、4-转子、41-转子轭、42-外部转子极、43-内部转子极、5-励磁绕组。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，本发明提供了一种双定子永磁辅助轮毂磁阻电机，通过在内定子模块间嵌入永磁体用以提高电机的转矩密度和功率密度。利用双凸极转子和双定子结构降低转矩脉动。包括外定子模组、内定子模组、多个永磁体3、转子4和多个励磁绕组5。
图2为本发明的外定子拓扑结构示意图，参照图2，外定子模组包括多个周向排列的外定子1，每个外定子1均包括弧形的外定子轭11，外定子轭11内侧两端均设有外定子励磁极12，每个外定子励磁极12内侧均均匀设有多个外定子辅助极13。
在本实施例中，外定子模组包括六个外定子1，每个外定子1均包括一个外定子轭11、两个外定子励磁极12和八个外定子辅助极13。因此外定子模组共有十二个外定子励磁极12和四十八个外定子辅助极13。
图3为本发明的内定子拓扑结构示意图，参照图3，内定子模组包括多个周向排列的内定子2，每个内定子2均包括内定子轭21，内定子轭21外侧两端均设有内定子励磁极22，每个内定子励磁极22外侧均均匀设有多个内定子辅助极23。
在本实施例中，内定子模组包括六个内定子2，每个内定子2均包括一个内定子轭21、两个内定子励磁极22和八个内定子辅助极23。因此内定子模组共有十二个内定子励磁极22和四十八个内定子辅助极23。
多个永磁体3分别固定设置在多个内定子2之间。在本实施例中，永磁体3位于相邻的两个内定子2的内定子励磁极22之间。辅助励磁用的永磁体3充磁方向均为沿切向方向，且所有永磁体3的充磁方向相同。
多个励磁绕组5分别缠绕在多个外定子励磁极12和多个内定子励磁极22上，用于产生电机的电励磁磁场，电励磁磁场与永磁磁场并联。
在本实施例中，本发明的内外定子皆采用模块化设计，各独立的转子块上的励磁绕组的可单独绕线，方便绕线和故障时更换。
在本发明的电动汽车用模块化双定子混合励磁轮毂电机中五十个励磁绕组构成六相绕组，对称的两个定子为一相，共八个励磁绕组。具体的，外定子每一相绕组由八个励磁绕组串联组成，内定子每一相绕组由八个励磁绕组串联组成。
图4为本发明的转子拓扑结构示意图，参照图4，转子4为双凸极结构，设置在外定子模组和内定子模组之间。转子4包括圆环状的转子轭41，其外侧均匀设有多个外部转子极42，内侧均匀设有多个内部转子极43。多个外部转子极42与多个内部转子极43交错分布，降低了产生转矩的转矩脉动。
在本实施例中，外部转子极42和内部转子极43的数量均为五十个。外表面为圆柱状，可降低风磨损耗
外定子1和转子4之间以及内定子2和转子4之间均留有气隙。
参照图6，当本发明的内定子对齐仅永磁体励磁时，磁链主要分布在内定子22和永磁体3上，此部分为主磁通的路径，部分磁链流过内部转子极43或转子轭41部后闭合，此部分为漏磁通的路径。
参照图7，当本发明的内定子对齐永磁体辅助励磁时，磁链主要经过转子轭41、内部转子极43、气隙、内定子2的辅助极23和励磁极22后闭合，同时部分磁链从辅助用的永磁体3和非导通的内定子模块齿和轭部。
参照图8，当本发明的外定子对齐仅永磁体励磁时，主磁链从内定子模块和永磁体流过，漏磁链流过转子4和气隙重新闭合。
参照图9，当本发明的外部定子与外部转子极42对齐，永磁体辅助励磁时，磁链经过外定子模块轭部中间侧定子辅助极再经过气隙和转子外齿及轭部闭合，此部分为短磁链部分。另一部分从远离定子模块轭部中间侧的定子辅助极从为导通相对应的转子部分闭合，此部分为长磁链部分。内定子模块和永磁体中流过一部分磁链，但无辅助励磁作用，其余部分磁链则为漏磁链。
参照图5，本发明提出一种与上述双定子永磁辅助轮毂磁阻电机匹配的控制方法，其具体步骤如下：
步骤一：测量电机的转子3的位置、各相电流值。利用编码器等可监测转子位置信息的传感器对转子位置进行检测；利用霍尔电流传感器、电磁式电流互感器等可以监测电机电流值的传感器对电机的各相电流值进行检测。
步骤二：由给定的参考转速和由测量得到的电机实际转速计算差值，输入比例积分控制模块，进行比例积分控制，计算得出此时需要的占空比。占空比的计算公式为：
Duty＝Kp·e+Ki∫e·dt
其中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，e为转速误差，e计算方法如下：
e＝ωref-ω
步骤三：将由比例积分控制模块计算得到的占空比Duty输入PWM控制模块，根据给定的开关频率，生成相应的脉冲控制波形。占空比D与开关频率fsw的关系为：
Duty＝Tup/Tcon
其中，Tup为高电平时长，控制周期为Tcon。
步骤四：根据步骤一中测量的转子位置、给定的开通角和关断角，计算得到控制信号g。将转子位置θ与给定的开通角θon和关断角θoff比较，若转子位置大于开通角θon且小于关断角θoff则输出1，否则输出0。
步骤五：根据步骤五中计算得到的控制信号g、给定的最大电流和根据步骤一中测量的电机电流，判断此时是否需要进行电流斩波，并得到控制信号g'。当电机的某一相电流值大于最大电流时，则第二控制信号输出0；当电机的某一相电流值小于最大电流时，则第二控制信号输出1。当第一控制信号和第二控制信号输出均为1时，不对称半桥向该相的多个励磁绕组5施加激励。
步骤六：将步骤五中得到的控制信号g'通过驱动装置转化为各相电压信号并施加于轮毂磁阻电机，以使轮毂磁阻电机运行。
本发明电机的定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成，这种加工工艺可尽可能地减小电机的涡流及磁滞损耗。转子极上既没有绕组也没有永磁体，更没有换向器、滑环等，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一相，电机整体结构简单。
本发明电机是利用转子磁阻不均匀而产生转矩的电机，其结构及工作原理与传统的交、直流电动机有很大的区别。它不依靠定、转子绕组电流所产生磁场的相互作用而产生转矩，而是依靠“磁阻最小原理”产生转矩，即:“磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，从而产生磁拉力，进而形成磁阻性质的电磁转矩”和“磁力线具有力图缩短磁通路径以减小磁阻和增大磁导的本性”。
本发明电机的磁阻随着转子凸极与定子凸极的中心线对准或错开而变化，因为电感与磁阻成反比，当转子凸极和定子凸极中心线对准时，相绕组电感最大，磁阻最小，当转子凹槽和定子凸极中心线对准时，相绕组电感最小，磁阻最大。
本发明的电机不同相间磁路和电路独立，隔离能力强，容错性能强。
本发明的电机的永磁体安装在内模块化定子间，借助辅助永磁体产生的永磁磁场，降低励磁绕组产生的励磁磁场的饱和，减少本发明的电机的等效气隙长度，降低绕组的励磁电流，从而使电机的功率密度和转矩密度提高。
结合定子的模块化设计可以使得电机更加便于安装和拆解，并且若某相发生故障时，仅对故障相定子块进行维修即可。
本发明的电机可以提供较高的功率密度、较高的转矩密度、更小的转矩脉动、同时容错性较强。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种双定子永磁辅助轮毂磁阻电机，其特征在于，包括：
外定子模组，其包括多个周向排列的外定子(1)，每个所述外定子(1)均包括外定子轭(11)，所述外定子轭(11)内侧两端均设有一个外定子励磁极(12)，每个所述外定子励磁极(12)内侧均均匀设有多个外定子辅助极(13)；
内定子模组，其包括多个周向排列的内定子(2)，所述内定子(2)包括内定子轭(21)，所述内定子轭(21)外侧两端均设有一个内定子励磁极(22)，每个所述内定子励磁极(22)外侧均均匀设有多个内定子辅助极(23)；
多个永磁体(3)，相邻的两个内定子(2)之间均设有一个所述永磁体(3)；所述永磁体(3)均用于产生永磁磁场；
转子(4)，其为双凸极结构，包括圆环状的转子轭(41)，所述转子轭(41)外侧均匀设有多个外部转子极(42)，内侧均匀设有多个内部转子极(43)；多个所述外部转子极(42)与多个外定子辅助极(13)之间留有气隙，多个内部转子极(43)与多个内定子辅助极(23)之间留有气隙；
多个励磁绕组(5)，分别缠绕在多个外定子励磁极(12)和多个内定子励磁极(22)上，用于产生电机的电励磁磁场，所述电励磁磁场与永磁磁场并联。
2.如权利要求1所述的一种双定子永磁辅助轮毂磁阻电机，其特征在于，所述永磁体(3)位于相邻的两个内定子(2)的内定子励磁极(22)之间。
3.如权利要求1所述的一种双定子永磁辅助轮毂磁阻电机，其特征在于，多个所述外部转子极(42)与多个内部转子极(43)交错分布。
4.如权利要求1所述的一种双定子永磁辅助轮毂磁阻电机，其特征在于，所述转子(4)外表面为圆柱状。
5.如权利要求1所述的一种双定子永磁辅助轮毂磁阻电机，其特征在于，所述外定子模组包括六个外定子(1)，每个所述外定子(1)均包括一个外定子轭(11)、两个外定子励磁极(12)和八个外定子辅助极(13)。
6.如权利要求1所述的一种双定子永磁辅助轮毂磁阻电机，其特征在于，所述内定子模组包括六个内定子(2)，每个所述内定子(2)均包括一个内定子轭(21)、两个内定子励磁极(22)和八个内定子辅助极(23)。
7.一种如权利要求1所述的双定子永磁辅助轮毂磁阻电机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
测量转子(3)的位置、电机的实际转速和电机的各相电流值；
计算电机的实际转速与设定的参考转速的转速误差；
将转速误差输入比例积分控制模块，得到占空比；
将占空比输入到PWM控制模块，根据设定的开关频率，生成相应的脉冲控制波形；
将转子(3)的位置、脉冲控制波形、设定的开通角和关断角输入至角度位置控制模块，得到第一控制信号；
将第一控制信号、设定的最大电流和电机的各相电流值输入至电流斩波控制模块，得到第二控制信号；
将第二控制信号输入至不对称半桥转化为各相电压信号，并施加于轮毂磁阻电机，以使轮毂磁阻电机运行。
8.如权利要求7所述的一种双定子永磁辅助轮毂磁阻电机的控制方法，其特征在于，通过下式计算占空比：
Duty＝Kp·e+Ki∫e·dt
式中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，e为转速误差，Duty为占空比。
9.如权利要求7所述的一种双定子永磁辅助轮毂磁阻电机的控制方法，其特征在于，当转子(3)位置大于开通角且小于关断角时，第一控制信号为1；否则输出0。
10.如权利要求9所述的一种双定子永磁辅助轮毂磁阻电机的控制方法，其特征在于，当电机的某一相电流值大于最大电流时，则第二控制信号输出0；当电机的某一相电流值小于最大电流时，则第二控制信号输出1；
当第一控制信号和第二控制信号输出均为1时，不对称半桥向该相的多个励磁绕组(5)施加激励。
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