CN111355318A - 一种大功率永磁同步电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大功率永磁同步电机，定子片采用铁基非晶材料，在定子片上设有沿着半径方向内外相互对应的第一永磁体和第四永磁体，第四永磁体设于第一永磁体的内侧；在第一永磁体的左、右两侧对称的排布有第二永磁体和第三永磁体，第二永磁体、第三永磁体与第一永磁***于相同的圆周线上；在第四永磁体的左、右两侧对称的设有第五永磁体和第六永磁体。本发明的大功率永磁同步电机定子片采用铁基非晶材料，降低了磁路损耗，提高了效率。采用混合型励磁结构转子，充分利用了磁路面积，有效提高了功率密度，在转子上设有特殊的异步阻尼结构，能够有效防止由于负载的剧烈变化而可能导致的混沌震荡。

Description

一种大功率永磁同步电机
技术领域
本发明涉及一种大功率永磁同步电机，特别是一种适用于工程机械的，能够适应复杂负载环境的大功率内置式永磁同步电机。
背景技术
永磁同步电机具有体积小、重量轻、效率高、功率密度高等特点，并且与感应式交流电机相比，永磁同步电机的工作电压可以相对较低。基于这些特性，永磁同步电机获得了越来越广阔的应用。近年来人们正探索在一些大型工程机械上使用永磁同步电机，以提高工程机械的性能，满足特殊的工程需求。这些工程机械包括大型的挖掘机、盾构机、挖泥船等。这些大型工程机械的应用环境的一个特点是空间狭小，一般使用自配电站的电源，这就要求电机功率密度要大，体积相对要小。大型工程机械应用环境的另外一个特点是负载状况复杂，并且变化大，这使电机经常在过载状况下工作而容易导致退磁，而且由于一般永磁同步电机的特点，负载的剧烈变化，还有可能引发混沌震荡。所有这些，对应用于大型工程机械的永磁同步电机提出了一些特殊的要求，目前普通的永磁同步电机尚不能满足这些要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺陷或缺陷之一，针对大型工程机械的驱动电机的性能要求，提供了一种大功率永磁同步电机。此大功率永磁同步电机转子采用了混合型励磁结构，充分利用了磁路面积，有效提高了功率密度和电机效率。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种大功率永磁同步电机，定子片采用铁基非晶材料，在定子片上设有沿着半径方向内外相互对应的第一永磁体和第四永磁体，所述的第四永磁体设于第一永磁体的内侧；在所述的第一永磁体的左、右两侧对称的排布有第二永磁体和第三永磁体，所述的第二永磁体、第三永磁体与第一永磁***于相同的圆周线上；在所述的第四永磁体的左、右两侧对称的设有第五永磁体和第六永磁体；所述的第一永磁体、第二永磁体、第三永磁体和第四永磁体的磁化方向均沿着转子半径方向，为径向励磁；第五永磁体、第六永磁体的励磁方向与转子半径方向正交，为切向励磁；所述的第一永磁体、第二永磁体、第三永磁体和第四永磁体均沿圆心各对称设置四个；所述的第五永磁体和第六永磁体分别沿圆心对称设置两个，所述的第五永磁体和第六永磁体均位于相邻的两个第四永磁体间的对称轴上。
进一步的，所述的第一永磁体、第二永磁体、第三永磁体的安装槽均为开口槽，为表面***安装方式；所述的第四永磁体、第五永磁体、第六永磁体的安装槽均为闭口槽，为内置安装方式。
进一步的，在与第一永磁体和第四永磁体等距的圆周线上均匀分布十二个圆形贯穿孔，用铝导体穿入圆孔中，并在转子的两个端面上分别将十二根铝导体短接，组成电路，为永磁同步电机提供了阻尼力矩。
进一步的，在相邻的第五永磁体和第六永磁体之间分布三个圆形贯穿孔。
进一步的，在大功率永磁同步电机的电机轴端装有磁阻式旋转变压器，用于位置和速度信号检测，励磁和信号解算装置与旋转变压器集成在一起。
进一步的，励磁和信号解算装置的核心是STM32H750微处理器，其主频为400MHZ，该微处理器实时产生10KHZ的数字正余弦信号，并经过数模转换及高速运算放大器放大后，用作旋转变压器的励磁信号。
进一步的，旋转变压器的输出信号经过STM32H750微处理器的***模数转换电路以数字信号的形式输入微处理器，在微处理器中进行鉴幅解调处理，得到电机的轴角位置和速度信号，以BiSS总线数据帧输出位置和速度信号。
进一步的，BiSS总线接口由BiSS总线协议栈和总线驱动器组成，BiSS总线协议栈执行BiSS-C协议，通过一片CPLD芯片来实现，所述CPLD芯片的型号为XC95288XL。
进一步的，协议栈芯片通过SPI的通信方式与旋转变压器轴角信号解算装置中的处理器连接，将由该处理器发送过来的电机的位置和速度信号数据转换成BiSS-C协议数据帧，传送到总线驱动器，采用MAX488作为总线驱动器芯片。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的大功率永磁同步电机定子片采用铁基非晶材料，降低了磁路损耗，提高了效率。转子采用混合型励磁结构，充分利用了磁路面积，有效提高了功率密度，在转子上设有特殊的异步阻尼结构，能够有效防止由于负载的剧烈变化而可能导致的混沌震荡。
本发明在电机轴上安装了磁阻式旋转变压器及轴角信号解算装置，旋转变压器与轴角信号解算装置与电机集成为一体。采用BiSS总线定时输出电机的位置和速度信号，BiSS总线接口也与电机集成为一体，实现了最少的信号输出线和长距离的信号驱动，提高了电机的可靠性。
附图说明
图1是本发明电机转子冲片结构示意图。
图2是十二个铝导体组成的电路图。
图3是本发明电机中磁阻式旋转变压器轴角信号解算装置的电路原理图。
图4本发明电机采用的BiSS总线接口电路原理图。
图中：1-第一永磁体，2-第二永磁体，3-第三永磁体，4-第四永磁体，5-第五永磁体，6-第六永磁体，7-贯穿孔，8-铝导体的等值电路模型，9-导体电阻，10-导体电感。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
一种大功率永磁同步电机，定子片采用铁基非晶材料，在定子片上设有沿着半径方向内外相互对应的第一永磁体1和第四永磁体4，所述的第四永磁体4设于第一永磁体1的内侧，构成二层磁障；在所述的第一永磁体1的左、右两侧对称的排布有第二永磁体2和第三永磁体3，所述的第二永磁体2、第三永磁体3与第一永磁体1位于相同的圆周线上；在所述的第四永磁体4的左、右两侧对称的设有第五永磁体5和第六永磁体6。
本发明实施例中，永磁同步电机的定子铁芯片采用铁基非晶合金材料带材，用电火花线切割机床成型，相比于普通冷轧硅钢冲片，铁基非晶合金定子铁芯片具有三倍以上的电阻率，并且具有较小的磁滞回环面积，因此显著降低了铁损，减小了发热，提高了效率。定子铁芯采用分数槽，采用双层短距分布绕组。
所述的第一永磁体1、第二永磁体2、第三永磁体3和第四永磁体4的磁化方向均沿着转子半径方向，为径向励磁；第五永磁体5、第六永磁体6的励磁方向与转子半径方向正交，为切向励磁；所述的第一永磁体1、第二永磁体2、第三永磁体3和第四永磁体4均沿圆心各对称设置四个；所述的第五永磁体5和第六永磁体6分别沿圆心对称设置两个，所述的第五永磁体5和第六永磁体6均位于相邻的两个第四永磁体4间的对称轴上，第五永磁体5和第六永磁体6是相邻磁极共用的。
所述的第一永磁体1、第二永磁体2、第三永磁体3的安装槽均为开口槽，为表面***安装方式；所述的第四永磁体4、第五永磁体5、第六永磁体6的安装槽均为闭口槽，为内置安装方式。
在与第一永磁体1和第四永磁体4等距的圆周线上均匀分布十二个圆形贯穿孔，用铝导体穿入圆孔中，并在转子的两个端面上分别将十二根铝导体短接，组成电路，为永磁同步电机提供了阻尼力矩。第五永磁体5和第六永磁体6的磁化方向上的长度应当以不妨碍上述十二个贯穿圆孔在圆周线上均匀分布为准。
在本发明实施例中，在相邻的第五永磁体5和第六永磁体6之间分布三个圆形贯穿孔7。
图2是十二个铝导体组成的电路图，导体电阻9和导体电感10组成了铝导体的等值电路模型8。
在大功率永磁同步电机的电机轴端装有磁阻式旋转变压器，用于位置和速度信号检测，励磁和信号解算装置与旋转变压器集成在一起。
励磁和信号解算装置的核心是STM32H750微处理器，其主频为400MHZ，该微处理器实时产生10KHZ的数字正余弦信号，并经过数模转换及高速运算放大器放大后，用作旋转变压器的励磁信号。
旋转变压器的输出信号经过STM32H750微处理器的***模数转换电路以数字信号的形式输入微处理器，在微处理器中进行鉴幅解调处理，得到电机的轴角位置和速度信号，以BiSS总线数据帧输出位置和速度信号。
BiSS总线接口由BiSS总线协议栈和总线驱动器组成，BiSS总线协议栈执行BiSS-C协议，通过一片CPLD芯片来实现，所述CPLD芯片的型号为XC95288XL。
协议栈芯片通过SPI的通信方式与旋转变压器轴角信号解算装置中的处理器连接，将由该处理器发送过来的电机的位置和速度信号数据转换成BiSS-C协议数据帧，传送到总线驱动器，由于BiSS-C协议在物理层与RS-422兼容，采用MAX488作为总线驱动器芯片。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种大功率永磁同步电机，其特征在于：大功率永磁同步电机的定子片采用铁基非晶材料，在定子片上设有沿着半径方向内外相互对应的第一永磁体和第四永磁体，所述的第四永磁体设于第一永磁体的内侧；在所述的第一永磁体的左、右两侧对称的排布有第二永磁体和第三永磁体，所述的第二永磁体、第三永磁体与第一永磁***于相同的圆周线上；在所述的第四永磁体的左、右两侧对称的设有第五永磁体和第六永磁体；所述的第一永磁体、第二永磁体、第三永磁体和第四永磁体的磁化方向均沿着转子半径方向，为径向励磁；第五永磁体、第六永磁体的励磁方向与转子半径方向正交，为切向励磁；所述的第一永磁体、第二永磁体、第三永磁体和第四永磁体均沿圆心各对称设置四个；所述的第五永磁体和第六永磁体分别沿圆心对称设置两个，所述的第五永磁体和第六永磁体均位于相邻的两个第四永磁体间的对称轴上。
2.根据权利要求1所述的大功率永磁同步电机，其特征在于：所述的第一永磁体、第二永磁体、第三永磁体的安装槽均为开口槽，为表面***安装方式；所述的第四永磁体、第五永磁体、第六永磁体的安装槽均为闭口槽，为内置安装方式。
3.根据权利要求1所述的大功率永磁同步电机，其特征在于：在与第一永磁体和第四永磁体等距的圆周线上均匀分布十二个圆形贯穿孔，用铝导体穿入圆孔中，并在转子的两个端面上分别将十二根铝导体短接，组成电路，为永磁同步电机提供了阻尼力矩。
4.根据权利要求3所述的大功率永磁同步电机，其特征在于：在相邻的第五永磁体和第六永磁体之间分布三个圆形贯穿孔。
5.根据权利要求1所述的大功率永磁同步电机，其特征在于：在大功率永磁同步电机的电机轴端装有磁阻式旋转变压器，用于位置和速度信号检测，励磁和信号解算装置与旋转变压器集成在一起。
6.根据权利要求1所述的大功率永磁同步电机，其特征在于：励磁和信号解算装置的核心是STM32H750微处理器，其主频为400MHZ，该微处理器实时产生10KHZ的数字正余弦信号，并经过数模转换及高速运算放大器放大后，用作旋转变压器的励磁信号。
7.根据权利要求6所述的大功率永磁同步电机，其特征在于：旋转变压器的输出信号经过STM32H750微处理器的***模数转换电路以数字信号的形式输入微处理器，在微处理器中进行鉴幅解调处理，得到电机的轴角位置和速度信号，以BiSS总线数据帧输出位置和速度信号。
8.根据权利要求7所述的大功率永磁同步电机，其特征在于：BiSS总线接口由BiSS总线协议栈和总线驱动器组成，BiSS总线协议栈执行BiSS-C协议，通过一片CPLD芯片来实现，所述CPLD芯片的型号为XC95288XL。
9.根据权利要求8所述的大功率永磁同步电机，其特征在于：协议栈芯片通过SPI的通信方式与旋转变压器轴角信号解算装置中的处理器连接，将由该处理器发送过来的电机的位置和速度信号数据转换成BiSS-C协议数据帧，传送到总线驱动器，采用MAX488作为总线驱动器芯片。
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