本發(fā)明屬于特種電機(jī)，涉及一種永磁扁線電機(jī)及其控制方法，尤其是一種轉(zhuǎn)子內(nèi)置錯列雙層“v”字形永磁體的永磁扁線電機(jī)。

背景技術(shù)：

1、隨著現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)步，永磁電機(jī)逐漸朝著高轉(zhuǎn)矩密度、高效率、可靠性好等方向發(fā)展。根據(jù)永磁電機(jī)繞組的結(jié)構(gòu)可分為扁線和圓線，扁線電機(jī)具有槽滿率高、效率高、散熱能力強(qiáng)等優(yōu)勢，因此扁線繞組永磁同步電機(jī)成為永磁電機(jī)發(fā)展的趨勢。

2、傳統(tǒng)內(nèi)置式v型永磁電機(jī)，由于永磁體被嵌入轉(zhuǎn)子，永磁體被鐵磁材料包圍，使得永磁磁通很難通過極間磁橋形成漏磁。雖然永磁體端部設(shè)置的磁障在一定程度上提高了永磁利用率，但在弱磁過程中，磁障端部狹窄的磁橋容易造成飽和，無法滿足大量去磁磁通的通行，為弱磁升速帶來了困難。錯列雙v型永磁體設(shè)計是一種設(shè)計方法，通過永磁體的錯開排列，同時優(yōu)化磁障，設(shè)計形成獨(dú)特的變磁阻區(qū)，通過電樞磁通控制變磁阻區(qū)的磁阻進(jìn)而實現(xiàn)電機(jī)氣隙有效磁通的條件，滿足電機(jī)強(qiáng)過載、大轉(zhuǎn)矩等性能的同時，實現(xiàn)電機(jī)調(diào)速范圍的拓寬，進(jìn)而提高電機(jī)的多變運(yùn)行工況下的運(yùn)行性能。然而，錯列雙v型永磁體結(jié)構(gòu)往往會導(dǎo)致永磁磁通下降，永磁利用率低，而且不合理的磁障設(shè)計往往會導(dǎo)致齒槽轉(zhuǎn)矩的增加和轉(zhuǎn)矩脈動的增加，進(jìn)而增加振動和運(yùn)行噪音。此外，如何有效實現(xiàn)變磁阻區(qū)的有效控制也是該類電機(jī)面臨的難題。因此，如何合理的設(shè)計錯列雙v型永磁體和磁障，提出有效的控制策略等，對提高電機(jī)效率及電機(jī)動態(tài)性能具有重要的理論意義和經(jīng)濟(jì)價值。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種寬調(diào)速強(qiáng)過載錯列雙v型變磁阻永磁扁線電機(jī)結(jié)構(gòu)，采用該結(jié)構(gòu)可以提高磁阻轉(zhuǎn)矩和永磁材料利用率，降低轉(zhuǎn)矩脈動，減少鐵心損耗和渦流損耗；所提出的錯列雙v型變磁阻永磁扁線電機(jī)控制方法，提高電機(jī)寬調(diào)速、強(qiáng)過載、高效率及低噪音運(yùn)行性能。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提供一種寬調(diào)速強(qiáng)過載錯列雙v型永磁扁線電機(jī)，包括定子和轉(zhuǎn)子兩個部分，所述定子上設(shè)置有兩套扁線繞組；所述轉(zhuǎn)子由雙層v型永磁體結(jié)構(gòu)構(gòu)成，包括內(nèi)層大v型永磁體和外層小v型永磁體結(jié)構(gòu)；所述內(nèi)層大v型永磁體結(jié)構(gòu)對稱排列；所述外層小v型永磁體結(jié)構(gòu)不對稱排列；所述內(nèi)層大v型永磁體結(jié)構(gòu)端部分別開槽，底部相連形成弧形磁障；所述外層小v型永磁體結(jié)構(gòu)，右側(cè)小永磁體端部開槽，左側(cè)小永磁體與該側(cè)大永磁體之間設(shè)置橢圓磁障。

3、進(jìn)一步，所述定子采用具有不等寬槽的硅鋼片疊壓而成，所述不等寬槽為半閉口槽，且面向槽口方向為上窄下寬的兩層結(jié)構(gòu)，上層槽寬為下層槽寬的0.8倍；所述上層槽內(nèi)設(shè)置有截面積為w1的上層矩形扁線繞組，所述上層矩形扁線繞組的節(jié)距y1小于轉(zhuǎn)子極距ti；所述下層槽內(nèi)設(shè)置有截面積為1.25*w1的下層矩形扁線繞組，所述下層矩形扁線繞組的節(jié)距y2等于轉(zhuǎn)子極距ti。

4、進(jìn)一步，所述內(nèi)層大v型永磁體由一對v型永磁體：永磁體1和永磁體2構(gòu)成；所述弧形磁障5連接兩個永磁體的底部，永磁體1的端部為開槽6，永磁體2的端部為開槽7；所述永磁體1分為兩部分：永磁體1-1和永磁體1-2；永磁體1-1的長為a1，寬為a3，永磁體1-2的長為a2，寬為a3；所述永磁體2的長為a4，寬為a3，且a1+a2＝a4；所述兩個永磁體對稱排列，永磁體1和永磁體2以o2為圓心，圓心角度為b1。

5、進(jìn)一步，所述外層小v型永磁體結(jié)構(gòu)由一對不對稱v型永磁體：永磁體3和永磁體4構(gòu)成，永磁體4的端部為開槽8；所述永磁體3分為兩部分：永磁體3-1和永磁體3-2；永磁體3-1的長為a5，寬為a7，永磁體3-2的長為a6，寬為a7；所述永磁體4的長為a8，寬為a9；所述永磁體3比永磁體4尺寸大，a5+a6＞a8且a7＞a9。

6、進(jìn)一步，所述內(nèi)層大v型永磁體和外層小v型永磁體錯開排列，所述內(nèi)層大v型永磁體與外層小v型永磁體的充磁方向一致，且沿圓周方向為n極與s極交替設(shè)置；永磁體1和永磁體3以o3為圓心，圓心角度為b2，永磁體2和永磁體4以04為圓心，圓心角度為b3；所述永磁體1和永磁體3之間設(shè)置橢圓磁障9，該橢圓磁障距永磁體1為c1，距永磁體3為c2。

7、所述定子由上下兩層矩形扁線繞組纏繞，下層矩形扁線繞組為整距繞組，上層矩形扁線繞組則為短距繞組。

8、本發(fā)明的一種寬調(diào)速強(qiáng)過載錯列雙v型永磁扁線電機(jī)的控制方法，其特征在于，所述寬調(diào)速強(qiáng)過載錯列雙v型永磁扁線電機(jī)定子下層矩形扁線繞組主要實現(xiàn)三相功率輸出控制，所述寬調(diào)速強(qiáng)過載錯列雙v型永磁扁線電機(jī)定子上層矩形扁線繞組主要實現(xiàn)變磁阻區(qū)域的磁阻變化控制；所述上層矩形扁線繞組采用三相開繞組結(jié)構(gòu)，所述下層矩形繞組的三相進(jìn)線和出線端分別連接三相橋式逆變器i和三相橋式逆變器ii相應(yīng)的橋臂，所述上層矩形扁線繞組采用y型聯(lián)結(jié)并與所述三相橋式逆變器ii連接。

9、所述三相橋式逆變器i和三相橋式逆變器ii分別工作在不同的控制工況條件。

10、所述控制工況條件1：所述三相橋式逆變器i工作時，所述寬調(diào)速強(qiáng)過載錯列雙v型永磁扁線電機(jī)工作在重載工況，所述上層扁線繞組和下層扁線繞組各相串聯(lián)，兩套繞組同時與所述錯列雙v型永磁體磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。

11、所述控制工況條件2：所述三相橋式逆變器i和逆變器ii同時工作，所述寬調(diào)速強(qiáng)過載錯列雙v型永磁扁線電機(jī)工作在中載工況，所述下層扁線繞組與所述錯列雙v型永磁體磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，所述上層扁線繞組產(chǎn)生磁場控制變磁阻區(qū)飽和程度，實現(xiàn)氣隙有效勵磁磁場的調(diào)節(jié)。

12、所述控制工況條件3：所述三相橋式逆變器ii工作時，所述寬調(diào)速強(qiáng)過載錯列雙v型永磁扁線電機(jī)工作在輕載工況，上層扁線繞組即與所述錯列雙v型永磁磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，又調(diào)節(jié)變磁阻區(qū)飽和程度調(diào)節(jié)氣隙有效勵磁磁場。

13、所述上層扁線繞組和下層扁線繞組采用分層模型預(yù)測控制算法，所述分層預(yù)測控制算法分為電流模型預(yù)測控制層和調(diào)磁模型預(yù)測控制層。

14、所述電流模型預(yù)測控制層將控制工況條件映射為變磁阻區(qū)域飽和程度影響因子γv，并將所述電壓矢量合成影響因子γv與多個電壓矢量相乘獲得電流模型預(yù)測矢量。電壓矢量合成是獲取d、q軸電壓的過程，電流模型預(yù)測則是通過該方程的電流導(dǎo)數(shù)來預(yù)測下一時刻的電流。已知永磁同步電機(jī)的d、q軸電壓方程為：

15、

16、式中，rs為定子繞組的電阻，id、iq分別為d、q軸電流，ld、lq分別為d、q軸電感，ωe為電機(jī)的電角速度，ψf為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈。

17、所述調(diào)磁模型預(yù)測控制層，構(gòu)建包含上層繞組電流、下層繞組電流與運(yùn)行工況的動態(tài)價值函數(shù)，并將所述控制工況條件作為價值函數(shù)的權(quán)衡系數(shù)。權(quán)衡系數(shù)是為了引入凸極率的變化，其中動態(tài)價值函數(shù)為：

18、

19、式中，id、iq分別為d、q軸電流，λ為權(quán)衡系數(shù)。

20、本發(fā)明的錯列雙v型永磁扁線電機(jī)結(jié)構(gòu)，相比現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果：

21、1)采用雙v型永磁體結(jié)構(gòu)，相較于單層的v型永磁體結(jié)構(gòu)，更充分的利用了磁阻轉(zhuǎn)矩，優(yōu)化了氣隙磁通密度波形正弦度，降低了齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動，有效的降低了轉(zhuǎn)子渦流損耗和鐵耗，提高了電機(jī)的過載性能和弱磁性能。

22、2)采用錯列永磁體結(jié)構(gòu)，通過增畫磁障，則該磁障區(qū)域為變磁阻區(qū)；通過電樞磁通控制變磁阻區(qū)的磁阻非飽和和飽和狀態(tài)，引導(dǎo)永磁磁通自漏或者進(jìn)入氣隙，實現(xiàn)了氣隙有效磁通減弱和增強(qiáng)，拓寬了電機(jī)磁通利用的靈活性，提高了電機(jī)弱磁和增磁區(qū)的運(yùn)行效率。

23、3)采用雙層扁線繞組的形式，簡化扁線繞組工藝，提高槽滿率，提升功率密度、散熱和熱傳導(dǎo)性能。

24、4)雙層扁線繞組分別采用整距和短距，并進(jìn)行功能分配設(shè)置，優(yōu)化繞組占用空間，減少材料，降低電阻，削弱諧波，降低電流損耗并提高電機(jī)的效率。

25、5)采用雙逆變器復(fù)合利用，實現(xiàn)雙層繞組的多功能控制工況運(yùn)行，降低了成本，實現(xiàn)了該類錯列雙v型永磁扁線電機(jī)多變運(yùn)行工況控制。

26、6)采用雙層模型預(yù)測控制，實現(xiàn)了雙層繞組電流預(yù)測控制和調(diào)磁控制有效控制，提高了電機(jī)系統(tǒng)的響應(yīng)速度和電機(jī)效率。