CN202586650U - 纺织专用Halbach阵列永磁集成化电机 - Google Patents

Abstract

一种纺织专用Halbach阵列永磁集成化电机，包括：Halbach阵列永磁纺织电机、控制器和检测与采样电路，所述的Halbach阵列永磁纺织电机是由变换器和Halbach阵列永磁同步电动机一体构成，所述的变换器的输出分别连接Halbach阵列永磁同步电动机及检测与采样电路，所述的检测与采样电路的输出连接控制器，所述的控制器连接变换器。本实用新型具有正弦度较好的气隙磁密，减小了转矩脉动，有利于提高电机的定位精度，省去了电机与负载间的传动机构，降低了系统能量损耗，提高了系统转换效率，节约了系统成本，缩小了系统体积，增强了系统可靠性及抗干扰能力，使电机能够在高温、高湿、多尘的纺织电机典型工作环境下可靠运行。

Description

纺织专用Halbach阵列永磁集成化电机

技术领域

本实用新型涉及一种纺织专用电机。特别是涉及一种具有机电一体化集成技术的纺织专用Halbach阵列永磁集成化电机。

背景技术

在我国节能工程的重大项目中，电机及系统工程成为最具节能潜力的产业之一。目前，我国正在积极推动并扶持高效电机及电机系统节能工程的开展与实施，同时对节能专用、行业专用电机及变频控制装置的研发与应用提出了更新更高的要求。纺织工业作为我国用电大户，电机年运行时数达7000小时以上，成为高效节能专用电机系列产品重点推广的行业之一。

电机系统发展至今已成为集电力电子、电机及控制为一体的集成系统。由于国内采用传统的分立模式，三者由不同的生产商设计制造，生产环节孤立封闭，导致电机系统技术参数匹配不合理，运行过程协调困难，控制技术难以通用，降低了系统的整体运行效率。因此，电机产业结构需要从单一的电机生产模式向机电一体化的电机系统生产模式转化；高效节能技术的推广需要从传统的单纯追求电机高效率的发展模式向电机系统集成产品高效率的发展模式转化。

目前，由于我国电机行业对电机产品品种的开发重视不足，快速响应市场的拓展能力较弱，致使在众多应用场合以普通电机代替运行，造成行业电机专用化率进展缓慢，行业经济效益与社会效益提升幅度较低。为了提高负载匹配特性，实现电机系统高效运行，需要针对不同行业与应用场合重点开发专用电机及系统，打破目前在多种应用场合使用同一类型电机的现状，提升专用电机的市场占有率。

近年来，永磁同步电动机因结构简单、运行效率高、功率因数高、控制性能好在纺织机械领域取得较快发展与应用。表贴式永磁同步电动机通常采用常规磁体结构，气隙磁密谐波含量大，影响电机转矩特性及损耗发热，使永磁同步电动机在性能要求较高以及特殊的应用场合受到限制。

另外，为控制电机正常运行，通常利用安装在电机转轴上的传感器获得转子位置与转速信号，从而实现磁场定向和转速调节。但传感器的使用，一方面增加了系统成本，某些高精度传感器价格甚至占据成本主要份额，而系统体积的增加限制了其在空间受限场合的应用，且传感器对安装精度要求较高；另一方面降低了系统可靠性，电机与控制系统间导线的增多，使系统易受外界干扰，且其精度易受环境温度、湿度、灰尘、震动等影响，因此，对于高温、高湿、多尘的纺织电机工作环境，带传感器的电机系统应用受到限制。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种能够提高电机系统各部件间的协同与匹配特性，拓展永磁同步电动机在纺织行业的应用空间，实现电机系统高效节能目标的纺织专用Halbach阵列永磁集成化电机。

本实用新型所采用的技术方案是：一种纺织专用Halbach阵列永磁集成化电机，包括：Halbach阵列永磁纺织电机、控制器和检测与采样电路，所述的Halbach阵列永磁纺织电机是由变换器和Halbach阵列永磁同步电动机一体构成，所述的变换器的输出分别连接Halbach阵列永磁同步电动机及检测与采样电路，所述的检测与采样电路的输出连接控制器，所述的控制器连接变换器。

所述的变换器采用双PWM电压源型变换器，所述的控制器包括有驱动及保护电路、与驱动及保护电路相连接的DSP主控电路以及与DSP主控电路相连的信号调理电路，其中，所述信号调理电路的信号输入端连接检测与采样电路的输出，所述DSP主控电路的信号输出端连接驱动及保护电路，所述的驱动及保护电路的输出连接变换器。

所述的驱动及保护电路包括有驱动芯片U1，所述驱动芯片U1的信号输入端连接DSP主控电路的信号输出端，所述驱动芯片U1的三个信号输出端连接变换器的信号输入端。

所述的变换器采用矩阵变换器，所述的控制器包括有驱动及保护电路、与驱动及保护电路相连接的DSP主控电路以及与DSP主控电路相连的信号调理电路，其中，所述信号调理电路的信号输入端连接检测与采样电路的输出，所述DSP主控电路的信号输出端连接驱动及保护电路，所述的驱动及保护电路的输出连接变换器。

所述的驱动及保护电路包括有驱动芯片U2，所述驱动芯片U2的信号输入端IN连接DSP主控电路的信号输出端，所述驱动芯片U2的信号输出端与接地端连接变换器的信号输入端。

所述的检测与采样电路为电流检测单元，所述的电流检测单元采用电流传感器U3，所述的电流传感器U3的IN端连接变换器的电流输出端，所述电流传感器U3的OUT端连接Halbach阵列永磁同步电动机12的输入端，所述电流传感器U3的电源输入端连接外部供电电源，所述电流传感器U3的信号输出端Imeas连接信号调理电路。

所述的Halbach阵列永磁同步电动机包括有由中心向外依次设置的电机轴、定子和绕在定子上的电枢绕组、空气隙、连续式Halbach永磁体阵列以及转子，所述的电枢绕组采用星形连接、短距绕组，所述的转子采用表贴式永磁体。

所述的Halbach阵列永磁同步电动机包括有由中心向外依次设置的电机轴、定子和绕在定子上的电枢绕组、空气隙、分段式Halbach永磁体阵列以及转子，所述的电枢绕组采用星形连接、短距绕组，所述的转子采用表贴式永磁体。

本实用新型的纺织专用Halbach阵列永磁集成化电机，具有如下有益效果如下：

1、本实用新型的Halbach阵列永磁同步电机具有正弦度较好的气隙磁密，减小了转矩脉动，有利于提高电机的定位精度，同时Halbach阵列永磁同步电机具有聚磁效果，增加了气隙磁密，有利于提高电机的功率密度和转矩密度。另外，Halbach阵列永磁同步电机具有良好的转子磁路自屏蔽作用，因此，转子采用了非铁磁材料，缩小了电机体积，减轻了电机重量，降低了转动惯量，有利于改善电机的快速响应能力。

2、本实用新型的Halbach阵列永磁同步电机采用外转子结构，电机与负载直接耦合，省去了电机与负载间的传动机构，降低了系统能量损耗，提高了系统转换效率，同时降低了系统维护成本，提高了系统运行可靠性。由于永磁体沿圆周安装在转子内表面，受离心力的影响，永磁体受到向外的作用力，使其牢固地结合在转子上，从而无需采取专门的加固措施，降低了制造成本。另外，采用外转子结构提高了负载波动对电机运行性能的影响，同时改善了电机温升问题，提高了永磁体的抗不可逆去磁能力。

3、控制器采用无传感器控制技术获得转子位置与转速信息，省去了机械传感器，节约了系统成本，缩小了系统体积，增强了系统可靠性及抗干扰能力，使电机能够在高温、高湿、多尘的纺织电机典型工作环境下可靠运行。

附图说明

图1是本实用新型的纺织专用Halbach阵列永磁集成化电机第一实施例的结构示意图；

图2是本实用新型的纺织专用Halbach阵列永磁集成化电机第二实施例的结构示意图；

图3是本实用新型的纺织专用Halbach阵列永磁集成化电机第一实施例中驱动电路原理图；

图4是本实用新型的纺织专用Halbach阵列永磁集成化电机第二实施例中驱动电路原理图；

图5是本实用新型的纺织专用Halbach阵列永磁集成化电机中电流检测电路原理图；

图6是本实用新型中Halbach阵列永磁同步电动机的第一实施例的结构示意图；

图7是本实用新型中Halbach阵列永磁同步电动机第二实施例的结构示意图。

图中

1：Halbach阵列永磁纺织电机       2：控制器

3：检测与采样电路                11：变换器

12：Halbach阵列永磁同步电动机    13：保护信号

21：驱动及保护电路               22：DSP主控电路

23：信号调理电路                 24：驱动及保护电路

121：转子                        122a：连续式Halbach永磁体阵列

122b：分段式Halbach永磁体阵列    123：空气隙

124：电枢绕组                    125：电枢绕组

126：电机轴

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型的纺织专用Halbach阵列永磁集成化电机做出详细说明。

如图1、图2所示，本实用新型的纺织专用Halbach阵列永磁集成化电机，包括：Halbach阵列永磁纺织电机1、控制器2和检测与采样电路3，所述的Halbach阵列永磁纺织电机1是由变换器11和Halbach阵列永磁同步电动机12一体构成，所述的变换器11的输出分别连接Halbach阵列永磁同步电动机12及检测与采样电路3，所述的检测与采样电路3的输出连接控制器2，所述的控制器2连接变换器11。本实用新型中所述的控制器采用无传感器控制技术获得转子位置与转速信息，并根据实际检测出的定子电流、电压信号，产生控制变换器功率元件导通和关断的信号，实现电机转速。变换器11与Halbach阵列永磁同步电动机12实现了一体化，具有合理、精确的技术参数匹配特性。

如图1所示，所述的变换器11采用双PWM电压源型变换器，所述的控制器2包括有驱动及保护电路21、与驱动及保护电路21相连接的DSP主控电路22以及与DSP主控电路22相连的信号调理电路23，其中，所述信号调理电路23的信号输入端连接检测与采样电路3的输出，所述DSP主控电路22的信号输出端连接驱动及保护电路24，所述的驱动及保护电路21的输出连接变换器11。

为提高系统运算精度及处理速度，本实施例中DSP芯片采用TI公司的TMS320F281x系列或TMS320F2833x系列产品，用于实现信号处理和控制功能，如A/D转换、转子位置与速度估算、电流与速度双闭环控制等。

本实施例中采用的双PWM电压源型变换器拓扑结构，是一种交-直-交变频电路形式，整流侧与逆变侧均为PWM全控桥式电路，控制方式灵活，均能实现矢量控制。由于能量能够双向流动，系统具有良好的四象限运行特性。连接整流侧与逆变侧PWM电路的中间直流环节采用大电容滤波得到平稳的直流电压。控制PWM整流电路，可以使输入电流接近正弦波，且输入功率因数可调，因而可实现输入电压同相位运行。整流侧控制策略主要有直接电流控制和间接电流控制，其主要区别在于是否引入交流电流反馈。直接电流控制是通过引入交流电流反馈，使其跟踪输入电流指令值，达到输入功率因数为1的效果，主要存在滞环电流控制、固定开关频率电流控制、预测电流控制和直接功率控制等方法。间接电流控制是通过控制输入端电压的幅值和相位，从而控制输入电流的幅值和相位，故亦称为相位和幅值控制。逆变侧控制策略主要有恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。

当所述的变换器11采用如图1所示的双PWM电压源型变换器时，所述的驱动及保护电路21采用集成化的IGBT驱动模块，如图3所示，包括有驱动芯片U1，如采用MITSUBISH公司的型号为M57962AL的驱动芯片构成IGBT驱动电路，所述驱动芯片U1的信号输入端脚14连接DSP主控电路22的信号输出端，所述驱动芯片U1的三个信号输出端C、G、E连接变换器11的信号输入端。

如图2所示，所述的变换器11采用矩阵变换器，所述的变换器11采用矩阵变换器，所述的控制器2包括有驱动及保护电路24、与驱动及保护电路24相连接的DSP主控电路22以及与DSP主控电路22相连的信号调理电路23，其中，所述信号调理电路23的信号输入端连接检测与采样电路3的输出，所述DSP主控电路22的信号输出端连接驱动及保护电路24，所述的驱动及保护电路24的输出连接变换器11。

本实施例中采用的矩阵变换器拓扑结构，是一种交-交变频电路形式，由9个双向功率开关元件组成的3×3调制矩阵，每一相负载可以与电源的任一相连接，通过一级功率变换可实现对输出电压和输入电流的同时调制。同样可以实现能量双向流动，保证电机实现四象限运行。输出电压为正弦波，且频率不受电网频率影响。可调制出正弦输入电流，输入功率因数与负载功率因数无关，可实现单位功率因数运行或无功补偿运行。无中间直流环节及滤波电容，结构紧凑、体积小、传输能量密度大、效率高。

当所述的变换器11采用如图2所示的矩阵变换器时，所述的驱动及保护电路24如图4所示，包括有驱动芯片U2，如采用MICROCHIP公司型号为TC4429的驱动芯片构成IGBT驱动电路，所述驱动芯片U2的信号输入端IN连接DSP主控电路22的信号输出端，所述驱动芯片U2的信号输出端G以及接地端GND连接变换器11的信号输入端。

保护电路主要涉及过压保护电路、过流保护电路、逻辑保护电路、光耦隔离保护等。

本实施例中所述的检测与采样电路3采用无传感器控制技术获得转子位置和速度信息，主要存在基于电机理想模型的无传感器控制方法和基于信号注入的无传感器控制方法。基本原理为：前者根据转子位置、速度和电压、电流的关系获得转子位置与速度信息，如直接计算法、反电势积分法、模型参考自适应法以及观测器法等；后者利用电机结构的物理特性，根据转子处于不同位置时电压、电流的谐波信号计算转子位置与速度信息。另外，神经网络、模糊控制、专家系统、自适应控制等智能控制方法也可用于估计转子位置与速度信息。

所述的检测与采样电路3为电流检测单元，如图5所示，所述的电流检测单元采用电流传感器U3，所述的电流传感器U3的IN端连接变换器11的电流输出端，所述电流传感器U3的OUT端连接Halbach阵列永磁同步电动机12的输入端，所述电流传感器U3的电源输入端连接外部供电电源，所述电流传感器U3的信号输出端Imeas连接信号调理电路23。本实施例采用LEM公司型号为LAH25-NP的电流传感器。

本实用新型的Halbach阵列永磁同步电动机，是根据纺织电机相关标准及其特殊要求设计的Halbach阵列永磁同步电动机，具有特性：①较高的运行效率及功率因数；②不仅在额定运行点具有较高的效率，而且在较宽的运行范围内也具有较高的效率；③较强的过载能力。

如图6所示，所述的Halbach阵列永磁同步电动机12包括有由中心向外依次设置的电机轴126、定子125和绕在定子125上的电枢绕组124、空气隙123、连续式Halbach永磁体阵列122a以及转子121，所述的电枢绕组124采用星形连接、短距绕组，所述的转子121采用表贴式永磁体。

如图7所示，所述的Halbach阵列永磁同步电动机12包括有由中心向外依次设置的电机轴126、定子125和绕在定子125上的电枢绕组124、空气隙123、分段式Halbach永磁体阵列122a以及转子121，所述的电枢绕组124采用星形连接、短距绕组，所述的转子121采用表贴式永磁体。

本实用新型中的Halbach阵列永磁同步电动机12，转子121采用表贴式永磁体，即Halbach阵列永磁体122a或122b直接面对空气隙123，建立主磁场。Halbach阵列永磁体有两种实现方式，即图3中Halbach阵列永磁体122a和图4中Halbach阵列永磁体122b，前者是对一个整体未充磁的永磁环按照一定的规律连续顺序充磁，后者是将多个预充磁的永磁体按照一定的排列规律顺序组合而成。

本实用新型中采用的Halbach阵列永磁同步电动机具有良好的转子磁路自屏蔽作用，因此，转子采用了非铁磁材料，缩小了电机体积，减轻了电机重量，降低了转动惯量，改善了电机的快速响应能力。同时，Halbach阵列永磁同步电机的气隙磁密正弦度好，减小了转矩脉动，提高了电机的定位精度，并且具有聚磁效果，气隙磁密大，提高了电机的功率密度和转矩密度。

本实用新型中采用的Halbach阵列永磁同步电动机的定子125的电枢绕组124采用短距绕组方式，可削弱绕组谐波磁势。

本实用新型中采用的Halbach阵列永磁同步电动机设计为外转子结构，即转子121位于定子125外侧，可直接将电机与负载耦合，省去了中间传动机构，减少了传动损耗，提高了系统转换效率，同时降低了系统维护成本，提高了系统运行可靠性。另外，由于Halbach阵列永磁体122a或122b沿圆周安装在转子内表面，电机旋转时，受离心力的影响，永磁体受到向外的作用力，使其牢固地结合在转子上，从而无需采取专门的加固措施，降低了制造成本。并且采用外转子结构提高了电机运行稳定性及抗干扰能力，改善了电机温升问题，提高了永磁体的抗不可逆去磁能力。

本实用新型以实施例为中心展开了详细说明，所描述的优选方式或某些特性的具体体现，应当理解为本说明书仅仅是通过给出实施例的方式来描述本实用新型，实际上在组成、构造和使用的某些细节上会有所变化，包括部件的组合和组配，这些变形和应用都应该属于本实用新型的范围内。

Claims (8)

1.一种纺织专用Halbach阵列永磁集成化电机，其特征在于，包括：Halbach阵列永磁纺织电机（1）、控制器（2）和检测与采样电路（3），所述的Halbach阵列永磁纺织电机（1）是由变换器（11）和Halbach阵列永磁同步电动机（12）一体构成，所述的变换器（11）的输出分别连接Halbach阵列永磁同步电动机（12）及检测与采样电路（3），所述的检测与采样电路（3）的输出连接控制器（2），所述的控制器（2）连接变换器（11）。

2.根据权利要求1所述的纺织专用Halbach阵列永磁集成化电机，其特征在于，所述的变换器（11）采用双PWM电压源型变换器，所述的控制器（2）包括有驱动及保护电路（21）、与驱动及保护电路（21）相连接的DSP主控电路（22）以及与DSP主控电路（22）相连的信号调理电路（23），其中，所述信号调理电路（23）的信号输入端连接检测与采样电路（3）的输出，所述DSP主控电路（22）的信号输出端连接驱动及保护电路（24），所述的驱动及保护电路（21）的输出连接变换器（11）。

3.根据权利要求2所述的纺织专用Halbach阵列永磁集成化电机，其特征在于，所述的驱动及保护电路（21）包括有驱动芯片U1，所述驱动芯片U1的信号输入端连接DSP主控电路（22）的信号输出端，所述驱动芯片U1的三个信号输出端（C、G、E）连接变换器（11）的信号输入端。

4.根据权利要求1所述的纺织专用Halbach阵列永磁集成化电机，其特征在于，所述的变换器（11）采用矩阵变换器，所述的控制器（2）包括有驱动及保护电路（24）、与驱动及保护电路（24）相连接的DSP主控电路（22）以及与DSP主控电路（22）相连的信号调理电路（23），其中，所述信号调理电路（23）的信号输入端连接检测与采样电路（3）的输出，所述DSP主控电路（22）的信号输出端连接驱动及保护电路（24），所述的驱动及保护电路（24）的输出连接变换器（11）。

5.根据权利要求2所述的纺织专用Halbach阵列永磁集成化电机，其特征在于，所述的驱动及保护电路（24）包括有驱动芯片U2，所述驱动芯片U2的信号输入端IN连接DSP主控电路（22）的信号输出端，所述驱动芯片U2的信号输出端（G）与接地端（GND）连接变换器（11）的信号输入端。

6.根据权利要求1所述的纺织专用Halbach阵列永磁集成化电机，其特征在于，所述的检测与采样电路（3）为电流检测单元，所述的电流检测单元采用电流传感器U3，所述的电流传感器U3的IN端连接变换器（11）的电流输出端，所述电流传感器U3的OUT端连接Halbach阵列永磁同步电动机12的输入端，所述电流传感器U3的电源输入端连接外部供电电源，所述电流传感器U3的信号输出端Imeas连接信号调理电路（23）。

7.根据权利要求1所述的纺织专用Halbach阵列永磁集成化电机，其特征在于，所述的Halbach阵列永磁同步电动机（12）包括有由中心向外依次设置的电机轴（9）、定子（8）和绕在定子（8）上的电枢绕组（7）、空气隙（123）、连续式Halbach永磁体阵列（122a）以及转子（121），所述的电枢绕组（7）采用星形连接、短距绕组，所述的转子（121）采用表贴式永磁体。

8.根据权利要求1所述的纺织专用Halbach阵列永磁集成化电机，其特征在于，所述的Halbach阵列永磁同步电动机（12）包括有由中心向外依次设置的电机轴（9）、定子（8）和绕在定子（8）上的电枢绕组（7）、空气隙（123）、分段式Halbach永磁体阵列（122a）以及转子（121），所述的电枢绕组（7）采用星形连接、短距绕组，所述的转子（121）采用表贴式永磁体。

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