CN110880820A - 一种两相直流偏置电流游标磁阻电机 - Google Patents

一种两相直流偏置电流游标磁阻电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种两相直流偏置电流游标磁阻电机，属于电机技术领域。本发明的电机包括定子和转子；定子、转子均采用双凸极结构，定子套设在转子***，两者之间具有气隙；定子包括定子轭部、定子端部和定子绕组，定子端部均布有若干定子齿；定子绕组采用分数槽非重叠集中的方式进行连接，交替的连接在一半的定子齿上；定子绕组采用两相复合电流供电，两相复合电流为直流电流叠加交流电流，通入的交流电流相位差为90°。定子绕组里面通入直流电流叠加交流电流的复合电流，通过磁场调制原理的应用，从工作原理上改善了现有两相电机的性能；应用磁场调制原理，提高了励磁磁场的强度，在无永磁体的情况下也可保证转矩密度和高效率。

Description

一种两相直流偏置电流游标磁阻电机
技术领域
本发明属于电机技术领域，尤其是一种两相直流偏置电流游标磁阻电机。
背景技术
目前，永磁电机因在转矩密度、效率和功率因数等指标上具有显著的优势，被广泛应用于电动汽车、数控机床、风力发电、伺服驱动等场合。永磁电机成为了研究人员关注的热点，各种拓扑结构和性能优越的永磁电机被提出并深入研究，尤其是三相永磁电机在实际应用中得到了广泛的应用。但是永磁电机存在失磁和短路故障无法灭磁的问题。此外，永磁材料价格偏贵，永磁电机在对成本敏感的场合应用受到限制。传统开关磁阻电机虽然结构简单、成本低廉，但是其特有的运行方式决定了电机的噪声、振动较大，而且转矩脉动也很大。这些缺陷影响了开关磁阻电机的应用。为了结合两种电机的优点，近年来有学者提出了三相直流偏置游标磁阻电机。然而，三相直流偏置游标电机需要的功率开关器件数量过多，电机***的成本仍较高。
为了消除永磁体的退磁风险以及价格高的劣势，专利文献CN201947146U公开了一种两相直流磁力电机，该发明的特点为：定子和设于该定子中的转子，定子磁极上设有绕组，在该转子的导磁极的顶部一侧设有与转子的旋转方向同向延伸的引磁片，以在绕组换相通电的瞬间，使定子磁极与相邻转子导磁极之间存在较大的作用力，以使电机适于带载高速运转。优势在于省去宝贵的稀土永磁材料或其他永磁材料，因此结构简单，制造成本低。电机采用二相结构；成本大大降低而可靠性却提高了。该电机存在如下不足：该电机本质上属于磁阻电机的范畴，磁阻电机不可避免的具有转矩脉动大和震动噪声高的劣势；同时，由于其采用直接通入直流电流的方式，励磁场只有单一的直流电产生的静止磁场，磁场较弱导致转矩较低。
发明内容
本发明的目的在于克服两相直流磁力电机的磁场较弱、转矩较低的缺点，提供一种两相直流偏置电流游标磁阻电机。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种两相直流偏置电流游标磁阻电机，包括定子和转子；
定子、转子均采用双凸极结构，定子套设在转子***，两者之间具有气隙；
定子包括定子轭部、定子端部和定子绕组，定子端部均布有若干定子齿；定子绕组采用分数槽非重叠集中的方式进行连接，交替的连接在一半的定子齿上；
定子绕组采用两相复合电流供电，两相复合电流为直流电流叠加交流电流，通入的交流电流相位差为90°。
进一步的，按照逆时针或顺时针方向，定子绕组通入的电流依次为iA+、iB-、iA-及iB+，其表达式如下：
Figure BDA0002296492690000021
Figure BDA0002296492690000022
Figure BDA0002296492690000023
Figure BDA0002296492690000024
其中，Iac为交流分量的有效值，Idc为直流分量平均值，we为电角频率，а为初相角。
进一步的，定子槽数Ns、转子调制极极对数Nr、定子绕组电流的交流分量产生的基波磁动势的极对数Pa及定子绕组电流的直流分量产生的基波磁动势的极对数Pdc满足以下关系：
NS＝4k，其中，k为整数；
Pa＝|Nr±Pdc|。
进一步的，定子与转子的槽极配合为8/7。
进一步的，定子与转子的槽极配合为8/9。
进一步的，其电流控制电路的逆变器拓扑结构采用4相桥式逆变结构。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的两相直流偏置电流游标磁阻电机，定、转子采用双凸极结构，结构简单，易于工业化加工且转子上面无任何绕组和磁钢，且铁心结构鲁棒性强，适合高速运行；另一方面，定子绕组里面通入直流电流叠加交流电流的复合电流，通过磁场调制原理的应用，从工作原理上改善了现有两相电机的性能；应用磁场调制原理，提高了励磁磁场的强度，在无永磁体的情况下也可保证转矩密度和高效率；定子绕组采用分数槽非重叠集中绕组方式，具有端部短、无重叠及端部可靠性高的特点，易于工业化下线，节约用才；本发明的电机损耗主要集中于定子侧，有利于冷却结构的设计，从而提升整体的热负荷。
进一步的，本发明的电机定、转子槽极配合为8/7，定子绕组中两相交流电流产生5对极的旋转磁场，直流电流产生2对极的静止磁势；2对极的静止磁场经过磁场调制作用后产生5对极的旋转磁场和电枢旋转磁场耦合，产生稳定的高转矩。
进一步的，本发明的电机定、转子槽极配合为8/9，定子绕组中两相交流电流产生5对极的旋转磁场，与8/7配合不同的是，此时通过重构直流电流方向，此时直流产生4对极的静止磁势；4对极的静止磁势经过磁场调制作用后产生5对极的旋转磁场和电枢旋转磁场耦合，产生稳定的高转矩。
进一步的，本发明电机采用两相电流进行供电工作，其电流控制电路的逆变器拓扑结构采用4相桥式逆变结构，与三相电流供电游标电机的电流控制电路的逆变器拓扑结构相比，减少了1/3的开关器件，使控制器结构更简单，易于控制，同时成本也大幅度降低。
附图说明
图1为实施例1的两相直流偏置电流游标磁阻电机的结构示意图；
图2为实施例1的定子结构示意图；
图3为实施例1的电机的转子结构示意图；
图4为实施例1的电机的定子绕组排布示意图；
图5为实施例2的两相直流偏置电流游标磁阻电机的结构示意图；
图6为逆变电路的拓扑结构，其中，图6(a)为现行的三相电流游标电机的电流控制逆变器的拓扑结构，图6(b)为适用于本发明的电流控制逆变器的拓扑结构；
图7为实施例1和实施例2的电机在直流电流Idc＝14A单独作用时的反电势波形对比图；
图8为实施例1和实施例2的电机在交流电流Iac＝14A，直流电流Idc＝14A时的转矩对比图；
其中：1-定子；2-气隙；3-转子；4-定子绕组；5-定子齿。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
如图1所示，图1为实施例1的两相直流偏置电流游标磁阻电机，包括定子1、气隙2、转子3，定子1套设在转子3***，两者之间设有气隙2，定、转子均采用双凸极结构；定子1包括定子轭部、定子端部和定子绕组4，定子端部由若干均布的定子齿5构成，定子绕组4采用分数槽非重叠集中的方式进行连接，交替的连接在一半的定子齿5上；气隙2对电机性能影响较大，需要合适的气隙长度，这里经过优化选取0.3mm。实施例1中，定子为8槽，转子为7槽，定子绕组为5对极，直流励磁极对数为2。
参见图2，图2为实施例1的定子结构示意图，定子1为凸极齿槽结构，定子共8个定子齿，其中，定子绕组4均采用分数槽非重叠集中绕组的方式进行连接，交替的连接在4个定子齿上，4个齿采用单齿绕集中绕组的方式进行工业化下线。
参见图3，图3为实施例1的转子结构示意图；转子3为凸极齿槽结构，铁芯由硅钢片叠压而成，沿圆周开设7个齿，这7个齿均起调制磁场的作用。该转子结构简单，其上面无任何绕组和磁钢，且铁心结构鲁棒性强，适合高速运行。
实施例1的电机中的定、转子槽极配合为8/7，定子绕组4中两相交流电流产生5对极的旋转磁场，直流电流产生2对极的静止磁场；2对极的静止磁场经过磁场调制作用后产生5对极的旋转磁场和电枢旋转磁场耦合，产生稳定的转矩。
参见图4，图4为实施例1的定子绕组的排列示意图，定子绕组4沿逆时针或顺时针方向依次为iA+、iB-、iA-、iB+，图中的正负号代表每个定子绕组的电流通入方向，正号代表电流流入，负号代表电流流出。定子绕组4通入是直流电流叠加交流电流的复合电流，所通入的交流电流相位相差90°，其通入的两相电流的表达式为：
Figure BDA0002296492690000061
Figure BDA0002296492690000062
Figure BDA0002296492690000063
Figure BDA0002296492690000064
ωe＝Nr*ωr
其中，Iac为交流分量的有效值，Idc为直流分量平均值，we为电角频率，а为初相角，wr为机械角速度。
实施例1的电机电流控制逆变器采用四相拓扑结构如图6(b)所示，其中，实施例1的电机采用两相电流进行供电驱动，但由于每相都叠加直流电流，为了给直流电流提供通路，所以A相电流需要两相逆变桥进行驱动即A+、A-，同理B相电流也需要两相逆变桥进行驱动即B+、B-。相比于目前三相直流偏置电流游标电机而言的电流逆变电路，如图6(a)所示，采用两相直流偏置电流游标电机可以简化其逆变器电路，减少了1/3的开关器件的应用。
实施例2的电机如图5所示，其电机结构基本相同，区别仅在于槽极配合以及直流的通入方向不同。如图5所示，该电机也属于两相直流偏置电流游标磁阻电机，其定子为8槽，转子为9槽，定子绕组4为5对极，直流励磁极对数为4。结构上比图1实施例增加了2个转子槽；按照逆时针或顺时针方向，定子绕组4通入通入的电流依次为iA+、iB+、iA-及iB-，这样做的目的在于重构直流电流的方向，使其满足槽极配合。
采用这种排布方式一方面保证了交流电流产生预期的旋转基波磁场极对数，另一方面也保证了直流电流产生的静止励磁磁场的极对数，最终使其满足极对数的关系式，即Pa＝|Nr±Pdc|，其中，Nr为转子调制极极对数，Pa为定子绕组电流的交流分量产生的基波磁动势的极对数，Pdc为定子绕组电流的直流分量产生的基波磁动势的极对数。
为了证明本发明电机的优越性能，对其反电势和转矩进行了仿真验证，如图7和图8所示。图7为实施例1和实施例2的在直流电流单独作用下的反电势波形图，可见直流电流的引入可增加该电机的励磁磁场强度，产生幅值可观的反电势，对于提高其转矩密度具有积极作用。图8为实施例1和实施例2电机的两种槽极配合，在交流电流Iac＝14A，直流电流Idc＝14A时的转矩对比图，由图可知两种槽极配合的结构，本发明电机都展现了较高的转矩。其中，实施例1的8/7/2/5槽极配合的转矩大于实施例2的8/9/4/5槽极配合的的转矩，这主要是由于8/7/2/5槽极配合具有更大的极比。
本发明利用两相直流偏置电流的为游标磁阻电机供电，减少了控制电路逆变器开关管的数量，降低了该类型电机的成本；直流偏置电流的应用，增加了直流励磁磁场，保证了较高的转矩。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种两相直流偏置电流游标磁阻电机，其特征在于，包括定子(1)和转子(3)；
定子(1)、转子(3)均采用双凸极结构，定子(1)套设在转子(3)***，两者之间具有气隙(2)；
定子(1)包括定子轭部、定子端部和定子绕组(4)，定子端部均布有若干定子齿(5)；定子绕组(4)采用分数槽非重叠集中的方式进行连接，交替的连接在一半的定子齿(5)上；
定子绕组(4)采用两相复合电流供电，两相复合电流为直流电流叠加交流电流，通入的交流电流相位差为90°。
2.根据权利要求1所述的两相直流偏置电流游标磁阻电机，其特征在于，按照逆时针或顺时针方向，定子绕组(4)通入的电流依次为iA+、iB-、iA-及iB+，其表达式如下：
Figure FDA0002296492680000011
Figure FDA0002296492680000012
Figure FDA0002296492680000013
Figure FDA0002296492680000014
其中，Iac为交流分量的有效值，Idc为直流分量平均值，we为电角频率，а为初相角。
3.根据权利要求1所述的两相直流偏置电流游标磁阻电机，其特征在于，定子槽数Ns、转子调制极极对数Nr、定子绕组电流的交流分量产生的基波磁动势的极对数Pa及定子绕组电流的直流分量产生的基波磁动势的极对数Pdc满足以下关系：
NS＝4k，其中，k为整数；
Pa＝|Nr±Pdc|。
4.根据权利要求1所述的两相直流偏置电流游标磁阻电机，其特征在于，定子(1)与转子(3)的槽极配合为8/7。
5.根据权利要求1所述的两相直流偏置电流游标磁阻电机，其特征在于，定子(1)与转子(3)的槽极配合为8/9。
6.根据权利要求1所述的两相直流偏置电流游标磁阻电机，其特征在于，其电流控制电路的逆变器拓扑结构采用4相桥式逆变结构。
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