一種梯形轉(zhuǎn)子齒結(jié)構(gòu)正弦化雙凸極電機(jī)及其設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及雙凸極電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化，屬于電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著稀土永磁材料價格的逐年攀升，永磁同步電機(jī)的成本越發(fā)成為其成 為在各種應(yīng)用場合受限的重要因素，并且由于永磁電機(jī)自身存在的磁場調(diào)節(jié)困難的問題， 弱磁實現(xiàn)轉(zhuǎn)速范圍的擴(kuò)展，需要在直軸施加反向電流以實現(xiàn)弱磁控制，不僅要對永磁電機(jī) 的磁鋼設(shè)計加以調(diào)整以改變其交、直軸電感值，并且通過直流電流實現(xiàn)弱磁既增加了驅(qū)動 變換器的容量，又可能會導(dǎo)致永磁體的永久性去磁，在高速運行階段還將極大的降低電機(jī) 運行效率，因此永磁同步電機(jī)的勵磁調(diào)節(jié)實現(xiàn)其弱磁控制和提高高速運行階段運行效率的 關(guān)鍵。
[0003] 正是由于永磁電機(jī)存在的固有問題，在目前的寬轉(zhuǎn)速運行范圍的電機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域， 磁阻類型的電機(jī)，如開關(guān)磁阻電機(jī)、雙凸極電機(jī)等，相比較永磁電機(jī)雖然其運行效率相比較 低一些，但是其結(jié)構(gòu)簡單，成本低、磁場調(diào)節(jié)方便、高速運行特性好等優(yōu)勢，能夠有效解決永 磁電機(jī)的磁鏈難以調(diào)節(jié)的問題，并且在高速運行場合具有更好的運行效率。尤其在目前電 動汽車驅(qū)動領(lǐng)域，寬轉(zhuǎn)速運行范圍對驅(qū)動電機(jī)提出苛刻的要求，傳統(tǒng)永磁電機(jī)難以滿足其 轉(zhuǎn)速范圍的需求，磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍和成本優(yōu)勢越發(fā)明顯，因此在電動汽車驅(qū)動領(lǐng)域采 用無永磁體或少永磁體結(jié)構(gòu)電機(jī)成為發(fā)展的趨勢。
[0004] 雖然磁阻類電機(jī)在轉(zhuǎn)速范圍具有突出的優(yōu)勢，但是仍然存在固有的缺陷一一轉(zhuǎn)矩 脈動大的問題，開關(guān)磁阻電機(jī)由于為半周出力方式，電機(jī)電流為脈沖形狀，使得其輸出轉(zhuǎn)矩 存在明顯的轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲，這也成為其在高性能驅(qū)動、伺服領(lǐng)域應(yīng)用的最大障礙。雙凸極 電機(jī)是在開關(guān)磁阻電機(jī)的基礎(chǔ)上衍生而來，增加勵磁回路之后使得電機(jī)能夠在電感上升、 下降區(qū)間均能夠輸出力矩，并且其工作方式類似于無刷直流電機(jī)，但是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的雙凸極 電機(jī)的反電勢仍然為非理想方波，并且其反電勢波形受到電機(jī)電樞反應(yīng)的嚴(yán)重影響，在高 速、大電流運行條件下出現(xiàn)嚴(yán)重畸變。雙凸極電機(jī)采用的方波電流控制方式，由于是在電機(jī) 繞組電感的峰值區(qū)域電流換相，大電感導(dǎo)致電流換相時間變長，在高速階段再加上反電勢 的影響，使得雙凸極電機(jī)的正負(fù)半軸電流的非對稱性問題更加嚴(yán)重，結(jié)合畸變的反電勢，雙 凸極電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩脈動也是非常明顯，同樣約束了雙凸極電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用場合。
[0005] 因此，在雙凸極電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用場合，為改善其輸出轉(zhuǎn)矩脈動，國內(nèi)外學(xué)者在電機(jī)結(jié) 構(gòu)設(shè)計、換相邏輯和電流控制方式方面作了很多工作，能夠通過控制方式一定程度上改善 電機(jī)繞組換相過程中的轉(zhuǎn)矩脈動，或者通過電機(jī)轉(zhuǎn)子齒的斜槽設(shè)計，通過改變反電勢的諧 波含量，但是電機(jī)固有的轉(zhuǎn)矩脈動仍然達(dá)到了電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的15?30%，并且該轉(zhuǎn)矩脈 動抑制方式增加電機(jī)結(jié)構(gòu)及控制的復(fù)雜性，然而作為電動機(jī)仍然較難以滿足驅(qū)動系統(tǒng)的需 求。因此，2013年英國謝菲爾德大學(xué)褚自強(qiáng)教授針對可變磁阻電機(jī)（電勵磁雙凸極電機(jī)） 分析其轉(zhuǎn)子極數(shù)對電機(jī)磁路特性的影響，對6定子極電機(jī)，分析其轉(zhuǎn)子極數(shù)分別為5、6、7、 8時，電機(jī)磁路特性的變化，并通過勵磁繞組的分布設(shè)置，消除了傳統(tǒng)開關(guān)磁阻、雙凸極電機(jī) 的定、轉(zhuǎn)子數(shù)Ns±2n的約束關(guān)系，并驗證了定子6極、轉(zhuǎn)子5極結(jié)構(gòu)雙凸極電機(jī)不僅能夠使 得可變磁阻電機(jī)的磁鏈為規(guī)則圓，有效消除了Ns± 2n結(jié)構(gòu)下電機(jī)反電勢中的明顯的低次諧 波，使得電機(jī)反電勢基本趨于正弦化，并對其采用交流電機(jī)的矢量控制方式，可大幅減小其 輸出轉(zhuǎn)矩脈動，實現(xiàn)了磁阻電機(jī)的正弦化驅(qū)動。在此基礎(chǔ)上，針對5、7轉(zhuǎn)子極結(jié)構(gòu)電機(jī)存在 的奇數(shù)極導(dǎo)致了高振動特性和噪音問題，采用定轉(zhuǎn)子齒數(shù)翻倍的方式，即采用12定子極， 10或14轉(zhuǎn)子極結(jié)構(gòu)，并通過定轉(zhuǎn)子極數(shù)、弧長、繞組分布的優(yōu)化，可進(jìn)一步減小可變磁阻電 機(jī)的反電勢畸變和驅(qū)動轉(zhuǎn)矩脈動。然而，該可變磁阻電機(jī)由于勵磁繞組的夸單個齒分布，即 定子每槽均嵌入勵磁繞組，使得對應(yīng)12極定子結(jié)構(gòu)中勵磁繞組的分布較為復(fù)雜，其端部也 大幅增加，對應(yīng)定子槽的槽滿率也隨之增加；為提高電機(jī)反電勢的正弦化，還需要對定子、 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，并且為防止極數(shù)極帶來的不對稱振動影響，使得轉(zhuǎn)子極數(shù)至少為 10極，高極數(shù)在高速驅(qū)動運行過程中對逆變器的開關(guān)頻率提出了更高的要求，在當(dāng)前開關(guān) 器件如IGBT開關(guān)頻率受限的條件下，高極數(shù)限制了該電機(jī)在高速運行階段的控制性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 所要解決的技術(shù)問題：
[0007] 本發(fā)明旨在提出一種梯形轉(zhuǎn)子齒結(jié)構(gòu)正弦化雙凸極電機(jī)及其設(shè)計方法，使得雙凸 極電機(jī)的輸出反電勢呈正弦化，結(jié)合交流電機(jī)的矢量控制策略，有效降低雙凸極電機(jī)作為 驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動。
[0008] 技術(shù)方案：
[0009] 為了實現(xiàn)以上功能，本發(fā)明提供了一種梯形轉(zhuǎn)子齒結(jié)構(gòu)正弦化雙凸極電機(jī)，該電 機(jī)包括定子與轉(zhuǎn)子，所述定子上設(shè)有6N個定子齒，其中N為多1的正整數(shù)，齒槽寬度相同， 定子槽中設(shè)有電樞繞組并嵌有勵磁繞組或者磁鋼；所述轉(zhuǎn)子上設(shè)有4N個轉(zhuǎn)子齒，其中N為 多1的正整數(shù)；其特征在于：所述轉(zhuǎn)子齒沿軸向兩端的寬度不一致，軸向方向的截面為梯 形，并且縱向方向的截面上，轉(zhuǎn)子齒的寬度相同，呈對稱分布；當(dāng)勵磁繞組或磁鋼產(chǎn)生激勵 后，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，在三相電樞繞組中感應(yīng)出近似正弦波的反電勢，構(gòu)成正弦化雙凸極電 機(jī)。
[0010] 一種梯形轉(zhuǎn)子齒結(jié)構(gòu)正弦化雙凸極電機(jī)的設(shè)計方法，其特征在于所述方法如下： 在設(shè)定電機(jī)磁路不飽和，勵磁磁通恒定時，定子電樞繞組所匝鏈的勵磁磁鏈基本與定轉(zhuǎn)子 重疊面積呈正比，對照定、轉(zhuǎn)子齒在恒定轉(zhuǎn)速下的重疊過程，分別計算轉(zhuǎn)子在不同位置，定、 轉(zhuǎn)子齒重疊面積的變化；
[0011] 設(shè)定該電機(jī)為6/4結(jié)構(gòu)電機(jī)，在90°電周期范圍內(nèi)，分六個區(qū)間段計算定、轉(zhuǎn)子齒 重疊面積值，設(shè)定定子齒寬為x，軸向長度為y，轉(zhuǎn)子齒的上、下邊長度分別為x、2x，軸向長 度為y，分段計算各個轉(zhuǎn)子位置階段的定、轉(zhuǎn)子齒的重疊面積，求得每隔15°的定轉(zhuǎn)子齒重 疊面積表達(dá)式：
【主權(quán)項】
1. 一種梯形轉(zhuǎn)子齒結(jié)構(gòu)正弦化雙凸極電機(jī)，該電機(jī)包括定子與轉(zhuǎn)子，所述定子上設(shè)有 6N個定子齒，其中N為多1的正整數(shù)，齒槽寬度相同，定子槽中設(shè)有電樞繞組并嵌有勵磁繞 組或者磁鋼；所述轉(zhuǎn)子上設(shè)有4N個轉(zhuǎn)子齒，其中N為多1的正整數(shù)；其特征在于：所述轉(zhuǎn)子 齒沿軸向兩端的寬度不一致，軸向方向的截面為梯形，并且縱向方向的截面上，轉(zhuǎn)子齒的寬 度相同，呈對稱分布；當(dāng)勵磁繞組或磁鋼產(chǎn)生激勵后，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，在三相電樞繞組中 感應(yīng)出近似正弦波的反電勢，構(gòu)成正弦化雙凸極電機(jī)。
2. -種梯形轉(zhuǎn)子齒結(jié)構(gòu)正弦化雙凸極電機(jī)的設(shè)計方法，其特征在于所述方法如下： 在設(shè)定電機(jī)磁路不飽和，勵磁磁通恒定時，定子電樞繞組所匝鏈的勵磁磁鏈基本與定 轉(zhuǎn)子重疊面積呈正比，對照定、轉(zhuǎn)子齒在恒定轉(zhuǎn)速下的重疊過程，分別計算轉(zhuǎn)子在不同位 置，定、轉(zhuǎn)子齒重疊面積的變化； 設(shè)定該電機(jī)為6/4結(jié)構(gòu)電機(jī)，在90°電周期范圍內(nèi)，分六個區(qū)間段計算定、轉(zhuǎn)子齒重疊 面積值，設(shè)定定子齒寬為x，軸向長度為y，轉(zhuǎn)子齒的上、下邊長度分別為x、2x，軸向長度為 y，分段計算各個轉(zhuǎn)子位置階段的定、轉(zhuǎn)子齒的重疊面積，求得每隔15°的定轉(zhuǎn)子齒重疊面 積表達(dá)式：
對應(yīng)磁路不飽和條件下，相定子繞組匝鏈的磁鏈即為定、轉(zhuǎn)子齒重疊面積值的K倍，對 其求微分，即可得到相繞組的空載反電勢
通過傅里葉分析其諧波組成，獲得THD最低的空載反電勢，由此確定最優(yōu)的正弦化雙 凸極電機(jī)的定子齒槽結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)雙凸極電機(jī)一致，為均勾分布結(jié)構(gòu)，對應(yīng)6/4結(jié)構(gòu)定子齒、 槽弧長均為30°機(jī)械角；轉(zhuǎn)子齒的上邊弧長為30°機(jī)械角與定子齒寬相同，下邊弧長為 60°機(jī)械角，為定子齒寬的兩倍； 其他6/4N系列雙凸極電機(jī)的轉(zhuǎn)子梯形齒的上邊和下邊長度以此類推得到。
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種梯形轉(zhuǎn)子齒結(jié)構(gòu)正弦化雙凸極電機(jī)及其設(shè)計方法，所述正弦波化的雙凸極電機(jī)由定、轉(zhuǎn)子組成，其中定、轉(zhuǎn)子均為凸極的齒槽結(jié)構(gòu)，定轉(zhuǎn)子齒數(shù)滿足6/4N關(guān)系，N=1,2,3……；定子齒槽等寬，并嵌有電樞繞組和勵磁繞組（或磁鋼），轉(zhuǎn)子為梯形齒結(jié)構(gòu)，并呈單邊對稱分布。所述設(shè)計方法為轉(zhuǎn)子齒的齒寬、槽寬的優(yōu)化設(shè)計，轉(zhuǎn)子齒的窄邊等于定子齒寬，寬邊為定子齒寬的兩倍，構(gòu)成最優(yōu)化梯形波轉(zhuǎn)子齒結(jié)構(gòu)，在勵磁繞組或磁鋼激勵下，轉(zhuǎn)子齒旋轉(zhuǎn)過程中在雙凸極電機(jī)的定子三相電樞繞組中感應(yīng)出正弦化的反電勢波形。
【IPC分類】H02K1-24
【公開號】CN104578491
【申請?zhí)枴緾N201410852974
【發(fā)明人】魏佳丹, 周波, 史立偉
【申請人】南京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月31日