CN213717872U - 一种宽转速高效率磁阻电动机系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种宽转速高效率磁阻电动机系统，包括电源输入模块，所述电源输入模块输出端连接有主电源模块，所述主电源模块输出端连接有人机界面模块、驱动控制模块和功率放大模块，所述功率放大模块连接端连接有磁阻电机本体，所述电源输入模块用于连接外部电源输入电路，所述主电源模块为整个系统提供能量，所述人机界面模块用于与用户之间进行信息交流。本实用新型通过对磁性材料施加少量反向励磁电流，让电动机可以运行在轻微弱磁状态，并且通过控制弱磁深度实现了中高速高效运行，可以根据目标转速的范围自动切换极对数，让电动机的工作状态始终处于少量弱磁的高效率转速范围，从而大大扩展了调速范围。

Description

一种宽转速高效率磁阻电动机系统

技术领域

本实用新型涉及磁阻电机领域，具体涉及一种宽转速高效率磁阻电动机系统。

背景技术

电动机作为一种电能转换为机械能的装置在世界上市广泛应用的，常见的主要是异步(感应)电动机、三相同步(永磁无刷)电动机、磁阻电动机三类。

现有的多种调速方式，各有优缺点，但是共通的问题在于实际应用中电动机只能在一个相对狭窄的转速范围内变动，因为随着转速的变化电动机系统整体效率和机械特性是在变化的，所以为了保证整个系统的效率和机械特性能够在一个可以接受的范围内，通常都是让电动机运行在效率较高和机械特性较硬的工作点附近，因而限制了电动机系统工作的区域。

然而，现实中很多应用都需要电动机系统能够在一个很宽的速度范围内变动，所以不得不进入效率低下的工作点，这样能耗大大增加、电动机发热剧增、成本大幅度上升等缺点就极为突出。目前流行的电动机系统，很多需要调速的场合无非通过机械装置例如齿轮箱、变速器等实现，但是复杂的机械装置造成体积、成本、可靠性等问题，特别是很多需要进行无级调速的场合则无法实现，例如电动汽车、电梯等，所以大大限制了其应用范围，不得不使用步进电动机、伺服电动机等昂贵的电动机系统。

异步(感应)电动机结构简单、成本低、而且因为不需要永磁体，所以适合高温震动等恶劣环境，但缺点是效率低下、功率密度低，低速性能差；同步 (永磁无刷)电动机效率高、功率密度高、机械性能好，但是因为励磁依靠永磁体，不适合高温震动的环境，高速性能差，而且永磁体(例如铁氧体、稀土材料)价格高并且需要复杂的安装充磁设备，整体成本一直降不下来，同时因为需要深度弱磁，所以高速性能差不适合大范围高效率调速；而磁阻电动机中开关磁阻电动机力矩脉动大噪音大，同步磁阻电动机启动困难低速力矩小并且功率密度低，这些问题均限制了他们的应用范围。

因此，发明一种宽转速高效率磁阻电动机系统来解决上述问题很有必要。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种宽转速高效率磁阻电动机系统，通过根据目标转速的范围自动切换极对数，让电动机的工作状态始终处于少量弱磁的高效率转速范围，从而大大扩展了调速范围，以解决技术中的上述不足之处。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种宽转速高效率磁阻电动机系统，包括电源输入模块，所述电源输入模块输出端连接有主电源模块，所述主电源模块输出端连接有人机界面模块、驱动控制模块和功率放大模块，所述功率放大模块连接端连接有磁阻电机本体；

所述电源输入模块用于连接外部电源输入电路，所述主电源模块为整个系统提供能量，所述人机界面模块用于与用户之间进行信息交流，所述驱动控制模块用于提供驱动控制信号，所述功率放大模块用于放大驱动控制信号并输出。

优选的，所述磁阻电机本体包括电机定子线圈，所述电机定子内部设有电机转子，所述电机转子与电机定子线圈相匹配，所述电机转子内部填充有弱磁材料。

优选的，所述电源输入模块包括电源噪音滤波单元和电源保护单元，所述电源噪音滤波单元用于防止外来电磁噪声干扰，所述电源保护单元用于过流保护、过压保护、过热保护、空载保护、短路保护。

优选的，所述主电源模块包括整流滤波单元和逻辑控制单元，所述整流滤波单元用于将输入的交流电源转化为直流电源，所述逻辑控制单元用于分配电路电流。

优选的，所述人机界面模块连接端分别与磁阻电机本体以及驱动控制模块连接，所述人机界面模块包括模拟量转换单元、数字信号输入输出单元以及信息显示单元，所述模拟量转换单元用于将模拟信号转化为数字信号，所述数字信号输入输出单元用于数字信号的收发，所述信息显示单元用于显示磁阻电机本体运转信息，方便与用户进行信息交流。

优选的，所述驱动控制模块连接端与磁阻电机本体连接，所述驱动控制模块用于输出驱动电流给电机定子线圈牵引电机转子震动，同时向功率放大模块输出驱动信号。

优选的，所述功率放大模块用于接收驱动控制模块输出的信号，经过放大输出给电机定子线圈。

在上述技术方案中，本实用新型提供的技术效果和优点：

通过对磁性材料施加少量反向励磁电流，让电动机可以运行在轻微弱磁状态，并且通过控制弱磁深度实现了中高速高效运行，当达到高速后，根据目标转速的范围自动切换极对数，让电动机的工作状态始终处于少量弱磁的高效率转速范围，从而大大扩展了调速范围。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的系统框图；

图2为本实用新型磁阻电机本体的内部结构示意图。

附图标记说明：

1电源输入模块、2主电源模块、3人机界面模块、4驱动控制模块、5 功率放大模块、6磁阻电机本体、7电机转子、8电机定子线圈。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好的理解本实用新型的技术方案，下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细介绍。

本实用新型提供了如图1-2所示的一种宽转速高效率磁阻电动机系统，包括电源输入模块1，所述电源输入模块1输出端连接有主电源模块2，所述主电源模块2输出端连接有人机界面模块3、驱动控制模块4和功率放大模块5，所述功率放大模块5连接端连接有磁阻电机本体6；

所述电源输入模块1用于连接外部电源输入电路，所述主电源模块2 为整个系统提供能量，所述人机界面模块3用于与用户之间进行信息交流，所述驱动控制模块4用于提供驱动控制信号，所述功率放大模块5用于放大驱动控制信号并输出。

进一步的，在上述技术方案中，所述磁阻电机本体6包括电机定子线圈 8，所述电机定子内部设有电机转子7，所述电机转子7与电机定子线圈8 相匹配，所述电机转子7内部填充有弱磁材料。

进一步的，在上述技术方案中，所述电源输入模块1包括电源噪音滤波单元和电源保护单元，所述电源噪音滤波单元用于防止外来电磁噪声干扰，所述电源保护单元用于过流保护、过压保护、过热保护、空载保护、短路保护。

进一步的，在上述技术方案中，所述主电源模块2包括整流滤波单元和逻辑控制单元，所述整流滤波单元用于将输入的交流电源转化为直流电源，所述逻辑控制单元用于分配电路电流。

进一步的，在上述技术方案中，所述人机界面模块3连接端分别与磁阻电机本体6以及驱动控制模块4连接，所述人机界面模块3包括模拟量转换单元、数字信号输入输出单元以及信息显示单元，所述模拟量转换单元用于将模拟信号转化为数字信号，所述数字信号输入输出单元用于数字信号的收发，所述信息显示单元用于显示磁阻电机本体6运转信息，方便与用户进行信息交流。

进一步的，在上述技术方案中，所述驱动控制模块4连接端与磁阻电机本体6连接，所述驱动控制模块4用于输出驱动电流给电机定子线圈8牵引电机转子7震动，同时向功率放大模块5输出驱动信号。

进一步的，在上述技术方案中，所述功率放大模块5用于接收驱动控制模块4输出的信号，经过放大输出给电机定子线圈8。

实施方式具体为：本实用新型其本质是磁阻电动机，但是集成了异步电动机、同步(永磁无刷)电动机和磁阻电动机的优点，并解决或减弱了各自的缺点；

根据电动机磁阻转矩和磁场转矩数学模型：

一般有凸极效应的电机中，磁阻大的是d轴，因为有磁铁在，磁阻小的是 q轴，我们要让电机加速旋转，还要利用一部分磁阻转矩，这时候的控制角就要大于90°(我这里控制角指的是定子磁矢量超前转子d轴的角度)，也就是要把定子磁矢量控制到超前q轴才有效，这样电磁铁就和磁阻小的q轴成锐角了，同时还是吸引它顺着转。换句话说要把同步(永磁无刷)电动机中“浪费”掉的那部分磁阻力矩使用上，和传统FOC控制最大的区别就是d轴和q轴的夹角不是90度，而是一个时刻调整的小于90度的夹角，角度越小磁阻部分做功比例越大，反之越小。

此电动机类似三相异步电动机结构，但是用磁性材料代替铸铝，并且在磁阻电机本体6组装完成后，通过特殊波形对电机定子线圈8施加特殊波形，对电机转子7上的磁性材料进行一定量的充磁。低速时其类似三相同步(永磁无刷)电动机工作，在启动和低速阶段主要是磁场做功，发挥永磁同步电机优异的低速启动和高效率性能，同时还利用电动机磁性材料在旋转磁场中励磁(直轴d)和力矩(交轴q)两部分差产生的磁阻力矩做功，从而提高此阶段的整体力矩，达到提升功率密度的目的；当达到一定转速驱动逐步的进入弱磁状态；当弱磁到一定深度后逐步的进入完全磁阻模式，利用定转子磁阻最小原理进行工作，从而发挥出磁阻电动机优异的高速性能。

启动阶段，驱动控制模块4先注入高频脉冲，通过和电机转子7内部磁性材料的相互作用，初步得到电机转子7位置，然后输出一定的驱动电流，牵引电机转子7发生震动；电机转子7震动后电机定子线圈8在磁性材料作用下产生感应电流，驱动控制模块4根据此电流信号经过计算得到电机转子7精确位置，根据位置输出对应信号到功率放大模块5，进而驱动磁阻电机本体6进入精确的同步旋转状态。当进入同步旋转的正常运行阶段后，人机界面模块3 收到改变转速的信号时，驱动控制模块4将现有转速数据和输入的目标转速数据进行比较，调整输出方波信号的占空比，改变提供给电动机的等效电压和频率，从而实现了电动机的无级调速。当运行中达到中速阶段，通过对磁性材料施加少量反向励磁电流，让电动机可以运行在轻微弱磁状态，并且通过控制弱磁深度实现了中高速高效运行。当达到高速后，根据目标转速的范围自动切换极对数，让电动机的工作状态始终处于少量弱磁的高效率转速范围，从而大大扩展了调速范围。

以上只通过说明的方式描述了本实用新型的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本实用新型权利要求保护范围的限制。

Claims (7)

1.一种宽转速高效率磁阻电动机系统，包括电源输入模块(1)，其特征在于：所述电源输入模块(1)输出端连接有主电源模块(2)，所述主电源模块(2)输出端连接有人机界面模块(3)、驱动控制模块(4)和功率放大模块(5)，所述功率放大模块(5)连接端连接有磁阻电机本体(6)；

所述电源输入模块(1)用于连接外部电源输入电路，所述主电源模块(2)为整个系统提供能量，所述人机界面模块(3)用于与用户之间进行信息交流，所述驱动控制模块(4)用于提供驱动控制信号，所述功率放大模块(5)用于放大驱动控制信号并输出。

2.根据权利要求1所述的一种宽转速高效率磁阻电动机系统，其特征在于：所述磁阻电机本体(6)包括电机定子线圈(8)，所述电机定子内部设有电机转子(7)，所述电机转子(7)与电机定子线圈(8)相匹配，所述电机转子(7)内部填充有弱磁材料。

3.根据权利要求1所述的一种宽转速高效率磁阻电动机系统，其特征在于：所述电源输入模块(1)包括电源噪音滤波单元和电源保护单元，所述电源噪音滤波单元用于防止外来电磁噪声干扰，所述电源保护单元用于过流保护、过压保护、过热保护、空载保护、短路保护。

4.根据权利要求1所述的一种宽转速高效率磁阻电动机系统，其特征在于：所述主电源模块(2)包括整流滤波单元和逻辑控制单元，所述整流滤波单元用于将输入的交流电源转化为直流电源，所述逻辑控制单元用于分配电路电流。

5.根据权利要求1所述的一种宽转速高效率磁阻电动机系统，其特征在于：所述人机界面模块(3)连接端分别与磁阻电机本体(6)以及驱动控制模块(4)连接，所述人机界面模块(3)包括模拟量转换单元、数字信号输入输出单元以及信息显示单元，所述模拟量转换单元用于将模拟信号转化为数字信号，所述数字信号输入输出单元用于数字信号的收发，所述信息显示单元用于显示磁阻电机本体(6)运转信息，方便与用户进行信息交流。

6.根据权利要求2所述的一种宽转速高效率磁阻电动机系统，其特征在于：所述驱动控制模块(4)连接端与磁阻电机本体(6)连接，所述驱动控制模块(4)用于输出驱动电流给电机定子线圈(8)牵引电机转子(7)震动，同时向功率放大模块(5)输出驱动信号。

7.根据权利要求2所述的一种宽转速高效率磁阻电动机系统，其特征在于：所述功率放大模块(5)用于接收驱动控制模块(4)输出的信号，经过放大输出给电机定子线圈(8)。

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