CN111435813A - 具有三次电流谐波注入的双定子pm机器 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种双定子PM机器(1),该双定子PM机器(1)包括:外部定子(2a),根据外部三相供电电流(Io)来生成外部电磁场;内部定子(2b),根据内部三相供电电流(Ii)来生成内部电磁场;PM转子(3),通过外部定子与内部定子之间的内部电磁场和外部电磁场而被旋转;以及控制装置(4),控制外部供电电流和内部供电电流。外部定子与内部定子的中性点(No,Ni)之间存在电连接(7)。控制装置被配置为用于控制外部供电电流和内部供电电流,使得外部供电电流与内部供电电流之间存在30°的相对角度移位,并且使得三次电流谐波分量在外部定子与内部定子之间循环。
Description
技术领域
本公开涉及一种双定子永磁(PM)电动机及其控制方法。
背景技术
双定子机器是众所周知的。比如,WO 2007/117412公开了一种轴向间隙电动机器,其包括第一定子和第二定子,该第一定子和第二定子与中间转子同轴设置。定子选择性地与它们的相应齿和槽的位置之间的轴向偏移对准。
发明内容
本发明的目的是提供一种双定子机器,例如,电动机或发电机,可以对该双定子机器进行控制,以增加转矩。
根据本发明的一方面,提供了一种双定子PM机器。该机器包括:外部定子,包括外部芯上的外部三相绕组,该外部定子用于根据供应给外部定子的外部三相供电电流来生成外部电磁场。电动机还包括内部定子,内部定子同心地位于外部定子内部,该内部定子包括内部芯上的内部三相绕组,内部定子用于根据供应给内部定子的内部三相供电电流来生成内部电磁场。电动机还包括PM转子,PM转子被配置为通过在间隙中的外部电磁场和内部电磁场而被旋转,该间隙被形成在外部定子与内部定子之间。电动机还包括控制装置,该控制装置用于分别控制外部供电电流和内部供电电流。外部定子与内部定子之间存在与30°的电角度相对应的相对机械移位。外部定子的中性点与内部定子的中性点之间存在电连接。控制装置被配置为用于控制外部供电电流和内部供电电流,使得外部供电电流与内部供电电流之间存在与相对机械移位相对应的30°的相对角度移位。该控制装置还被配置为用于控制供电电流,使得三次电流谐波分量在外部定子与内部定子之间循环。
根据本发明的另一方面,提供了一种控制这种双定子PM机器的方法。该方法包括:控制装置控制外部供电电流和内部供电电流,使得三次电流谐波分量在外部定子与内部定子之间循环。
借助于中性点之间的电连接,三次谐波分量可以在定子中循环,从而允许无需增加供电电流的最大幅度即可增加机器的转矩。
应当指出,各方面中的任一方面的任一特征可以在适当的情况下应用于其他方面中的任一方面。同样,各方面中的任一方面的优点中的任一优点可以适用于其他方面中的任一方面。从下面的具体实施方式、从所附的从属权利要求以及从附图,所附实施例的其他目的、特征和优点将变得显而易见。
通常,除非本文另外明确定义,否则要根据其在技术领域中的普通含义来解释权利要求中使用的所有术语。除非另外明确指出,否则对“一/一个/元件、装置、部件、器件、步骤等”的所有引用要公开解释为是指元件、装置、部件、器件、步骤等的至少一个实例。除非明确说明,否则不必以所公开的确切顺序执行本文中所公开的任何方法的步骤。对于本公开的不同特征/部件使用“第一”、“第二”等仅旨在将特征/部件与其他类似特征/部件区分开,并且不赋予特征/部件任何次序或层次。
附图说明
参考附图,通过示例对实施例进行描述,其中
图1a是根据本发明的一些实施例的由包括主控制器和从控制器的电流控制器控制的双定子电动机的示意性组合电路和功能框图。
图1b是根据本发明的一些实施例的由包括中央控制器的电流控制器控制的双定子电动机的示意性组合电路和功能框图。
图2a是根据本发明的一些实施例的外部定子与内部定子之间的转子的示意性局部剖视图,其中磁通路径彼此串联。
图2b是根据本发明的比较示例的外部定子与内部定子之间的转子的示意性局部剖视图,其中磁通路径彼此平行。
图3a是根据本发明的一些实施例的双定子电动机的示意性局部俯视图,其中外部定子相对于内部定子移位30°的电角度。
图3b是根据本发明的一些实施例的示意性矢量图,其示出了针对外部供电电流和内部供电电流的电压参考坐标系,外部供电电流与内部供电电流之间存在30°的角度移位。
图4a是图示了根据本发明的一些实施例的外部定子和内部定子的相应基波频率反EMF以及它们之间的电移位的示意图。
图4b是图示了根据本发明的一些实施例的外部定子和内部定子的相应基波频率反EMF以及注入的三次电流谐波、以及它们之间的电移位的示意图。
具体实施方式
现在,在下文中参考示出了某些实施例的附图对实施例进行更全面的描述。然而,在本公开的范围内,许多不同形式的其他实施例也是可能的。相反,通过示例,提供以下实施例,使得本公开将是透彻和完整的,并且将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。在整个说明书中,相同的数字是指相同的元件。
一般而言,双定子机器的概念可以基于具有两个(而非一个)径向磁通定子芯的电机,两个径向磁通定子芯被放置在彼此之内(外部定子芯和内部定子芯)。在这两个定子之间的气隙中,转子旋转以产生转矩,因此与标准单定子机器相比较,转矩和功率密度显着增加。注入三次电流谐波可以导致转矩密度增加,同时降低开关损耗/逆变器损耗或者减小向定子绕组产生供电电流的电力电子转换器的额定值。
本文中介绍了使用两个电力电子转换器来控制双定子控制/驱动***中的谐波电流注入的概念。电力电子转换器除了基波频率的分量外,还能够产生三次电流谐波分量。该机器被视为双三相绕组机器,其中两个绕组具有公共中性点,以允许三次电流谐波循环。附加地,所提出的控制可以应用于双定子类型的任何类型的同步、异步或磁阻转子类型(例如,具有磁通屏障的表面安装永磁体、内部永磁体、或轮辐型永磁体线性电动机等)。
图1a和图1b图示了双定子PM机器1(本文中形式为电动机)的不同实施例。电动机1包括外部环形定子2a,该外部环形定子2a包括外部芯上的外部三相绕组。在外部定子2a内同心地是内部环形定子2b,从而在外部定子与内部定子之间形成气隙,当电动机处于使用中时,PM转子3位于该气隙中并且允许通过定子所产生的电磁场旋转。
外部定子2a的中性点No通过电连接7与内部定子2b的中性点Ni电连接。该连接7允许三次电流谐波分量在定子中循环。
向外部定子2a的三相绕组提供三相外部供电电流Io,该外部供电电流包括在电动机的基波频率下的基波分量以及在三倍于基波频率的频率下的三次电流谐波。同样,向内部定子2b的三相绕组提供三相内部供电电流Ii,该内部供电电流包括在电动机的基波频率下的基波分量以及在三倍于基波频率的频率下的三次电流谐波。比如,如果基波频率为50Hz,则三次谐波频率为150Hz。
供电电流Io和Ii可以由作为逆变器(例如,形式为模块化多电平转换器(MMC))操作的相应的外部电力电子转换器6a和内部电力电子转换器6b产生。供电电流Io和Ii基于用于供电电流的三个相a、b和c的相应电压参考Vabc*o和Vabc*i来形成。通常,电压参考可以是脉冲宽度调制(PWM)参考。电压参考可以基于用于电动机的操作的至少一个操作参考(例如,包括功率参考P*和/或转矩参考τ*)由电动机1的电流控制器5来产生(例如,计算)。基于至少一个操作参考(例如,P*和/或τ*),电流控制器5产生用于外部供电电流Io和内部供电电流Ii的相应电压参考Vabc*o和Vabc*i。电流控制器5以及转换器6a和6b被包括在电动机1的控制装置4中。
在图1a的实施例中,电流控制器5包括主控制器5a和从控制器5b。在附图中,主控制器5a被示出为与外部转换器6a相关联,而从控制器5b与内部转换器6b相关联,但是也可以相反。基于预定义的转矩或功率分配策略,主控制器5a负责生成每个定子的操作参考(例如,P*和/或τ*)的相应操作参考分量(例如,内部定子的转矩信号Pi*/功率信号τi*)。主控制器5a向从控制器5b发送用于执行其相关联的转换器6b的转矩或电流调节所需的信息,例如,内部定子功率参考Pi*或内部定子转矩参考τi*。在计算并且发送分配信息之后,在主控制器5a和从控制器5b两者中进行电流调节,并且生成用于外部定子和内部定子的电压参考Vabc*o、Vabc*i,并且将其发送到相应转换器6a和6b。
在图1b的实施例中,中央控制器5用于生成外部供电电流Io和内部供电电流Ii两者的电压参考Vabc*o、Vabc*i。因此,在公共控制单元5中还执行转矩和/或功率分配、电流调节等。
图2a和图2b图示了磁通路径22可以如何经由定子2a和2b、以及通常定子2a和2b的齿、以及转子3的永磁体21a和21b布置的不同实施例。在附图的示例中,转子3包括表面安装的外部永磁体21a和表面安装的内部永磁体21b,但是可替代地,可以使用布置PM转子的任何其他常规方式。永磁体21的北极和南极分别表示为“N”和“S”。用虚线示意性地示出了通过外部定子2a的磁通路径22a,通过内部定子2b的磁通路径22b也如虚线所示。可以看出,外部磁通路径22a和内部磁通路径22b可以串联(如图2a所示),或可以并联(如图2b所示)。
通常,如图2a中所示的串联磁通转子配置与本发明一起用于允许两个定子2a和2b的磁性耦合。在这种意义上,与内部定子和外部定子分别相对应的相应转子磁极N/S维持相同的磁化模式。串联磁通情况和并联磁通情况的磁通路径分别如图2a和图2b所示。然而,在图2b的并联情况下,定子没有磁性耦合,因此可以独立操作,并且根据本发明,双三相绕组机器可能无法仿真。磁通路径由磁体21的取向确定,磁体21与相应定子2a或2b的相同磁极相对应,流动是通过定子从北极向南极流动。
两个定子移位30度电角度,其等于槽距机械移位的一半。在两个定子的供电电流矢量之间也引入了这种移位。由于这种情况,两个定子的等效d轴相对移位了约30°,结果,实现每安培最大转矩(MTPA)操作的最佳电流角度相差约30°。
在特殊情况下,当机器的半径接近无穷大时,机器可以视为线性电动机。两种情况的分析可以相同。在线性电动机的情况下,转子可以称为平移器(translator)。
图3a图示了具有PM转子3的双定子机器1设计的示例简化几何结构。可以看出,转子3在形成于大致同心布置的外部定子2a与内部定子2b之间的间隙31中旋转。在实践中,还在转子3与外部定子2a之间形成外部气隙,并且在转子3与内部定子2b之间形成内部气隙,这就是为什么这种双定子电动机1还可以称为双气隙电动机。
两个定子2a与2b之间的相对电移位32至少以两种方式影响了模型公式:1)将内部定子2b的等效d轴移位30度电角度,以及2)由此更改机器的MTPA映射。
图3b图示了(例如,按照图3a所布置的)外部定子2a和内部定子2b的电压参考坐标系。下标a、b和c分别是指供电电流Io或Ii的三个相,而下标o和i分别是指外部定子和内部定子。θs是电角度,以及Δθ表示每个相a、b和c的供电电流Io与Ii之间的相对角度移位。
图4a图示了具有相对移位Δθ的外部定子2a和内部定子2b的相的每单位(pu)尺度上的示例基波空载反EMF(电动势)波形。因此,内部定子2a的初始位置相关反EMF波形发生移位。附加地,由于定子空间角度差异,最大转矩区域将在转矩映射内出现倾斜。对于约等于30°的电流角度差异Δθ,将表现出最大转矩。
在双三相机器1中,如果提供中性点No/Ni,则三次谐波电流可以在机器中流动。可能必须考虑驱动控制的方面,诸如具有电流不平衡补偿的电流同步和电流控制方案。然而,已经在双三相机器中分析并且实现了这些控制问题。可以通过电压脉冲宽度调制(PWM)来实现正弦或具有三次谐波电流的正弦。理想电流波形可以表达为:
其中下标“out”是指外部定子2a,并且下标“in”是指内部定子2b,并且I3=α·Im,其中α是表示三次谐波电流分量I3与基波电流分量Im的相应幅度的比率的系数,p是极对数,t是时间,并且ωr是转子的角速度。
对于正弦电流供电,α=0,而对于三次谐波注入,│α│<1。
图4b图示了基于参考双定子机器设计的随机电流值的电流密度波形,其中Io1是外部供电电流Io的基波波形分量,Io3是外部供电电流Io的三次电流谐波分量,外部供电电流Io是这两个分量的组合,以及其中Ii1是内部供电电流Ii的基波波形分量,Ii3是内部供电电流Ii的三次电流谐波分量,内部供电电流Ii是这两个分量的组合。
三次谐波电流与供电电流Io和Ii中的任一供电电流的基波电流的比率是控制***的操作的相关参数。常用值可能如下:
-等于0.43的比率,其与方波脉冲波形的相应比率相对应。
-等于0.4的比率,其在一些文献中用于感应机器。
-等于三次谐波反EMF与基波反EMF的比率的比率。
-其他。
本文中强调了反EMF的三次谐波分量的值的影响。
通常,对于供电电流Io和Ii(平衡操作),三次谐波电流与基波电流的比率相同。然而,在一些实施例中,还可以使用不同的比率。
应当指出,相电流幅度受逆变器部件额定值的限制。因此,三次谐波注入可以以两种方式使用:(a)维持相同的峰值电流幅度并且增加rms(均方根)值;以及(b)维持相同的rms值并且降低峰值电流幅度。
如果供应有正弦和三次谐波电流的机器1的峰值电流幅度被保持为与仅有基波正弦波形的电流的幅度相同,则增加的供电电流的rms值可能影响逆变器损耗(开关损耗和传导损耗),并因此影响冷却要求。这种rms电流的增加指示与具有正弦电流相比较,具有正弦和三次谐波电流的逆变器功率密度有所提高。另外,与正弦调制相比较,正弦和三次谐波调制可以将调制指数提高14.4%。这表明当通过注入三次谐波电流来提高转矩密度时,机器1不会导致过大的功率逆变器的额定值或更高的DC母线电压。然而,由于与三次谐波电流结合的基波电流的增加,所以可能需要提高逆变器的冷却要求,从而导致逆变器损耗增加。
另一方面,当向机器1供应相同的rms电流时,峰值电流幅度被降低,并且这将通过注入具有相同rms值的电流的三次谐波电流来降低功率逆变器VA(视在功率)的额定值。而且,开关损耗(其可能与电流和电压的峰值成比例)可能减小,从而导致更高效的能量转换过程。
应当指出,外部定子2a和内部定子2b的相应额定值不必相同,这意味着在两个定子绕组中谐波注入量可以不同。
本发明可以用于大型机器1,例如,用于风力发电机或船用推进电动机,而且还可以用于较小的电动机1,例如,用于汽车牵引应用和工业机器。在风力发电应用中,功率密度较高可以导致发电机1较小,并因此对于给定功率额定值,导致机舱尺寸较小,这简化了机械塔架和机舱构造。在船舶推进中,减少体积会减少水中阻力。
双定子概念的可能优点是相对于逆变器或一个定子绕组故障具有更好的容错能力。在这些条件下,可以在功率降低的情况下继续机器1的操作,直到可以维护为止。对于离岸风力发电或船舶推进而言,这尤其重要,在离岸风力发电或船舶推进中,连续操作非常重要,并且快速维护响应并非总是可能的。
因为可以共享两个定子芯的功率产生并因此实现每个定子2a和2b的效率更高的操作点,所以与单定子机器的部分负载条件相比较,双定子概念的部分负载操作可以更优越,即使整个机器1在部分负载条件下工作,定子2a和2b也可能更靠近它们各自的操作点工作。
附加地,双定子技术与三次谐波注入相结合可能带来以下益处:
-由三次谐波分量产生的附加转矩密度增加。这种转矩密度的增加不会潜在地带来附加铁损或机器的饱和度曲线的劣化。
-随着逆变器的开关损耗的减少和/或功率逆变器6a和6b的额定值的降低,转矩密度增加。
而且,与本文中所讨论的三次谐波相同的考虑因素也可以应用于五次谐波电流注入,尤其是,在机器1的反EMF表现出此类谐波的情况下。尤其是,在一些实施例中,可以使用三次电流谐波和五次电流谐波的组合,例如,在反EMF包含五次谐波(其通常取决于每个特定机器拓扑)的情况下。
在本发明的一些实施例中,控制装置4包括:外部电力电子转换器6a,用于基于外部电压参考Vabc*o来输出外部供电电流Io;以及内部电力电子转换器6b,用于基于内部电压参考Vabc*i来输出内部供电电流Ii。
在本发明的一些实施例中,控制装置包括:电流控制器5,用于基于机器的至少一个操作参考P*和/或τ*来输出外部电压参考和内部电压参考。
在本发明的一些实施例中,电流控制器5包括与图1a的实施例相对应的主控制器5a和从控制器5b。主控制器用于向其电力电子转换器输出外部电压参考和内部电压参考中的一个电压参考,并且向从控制器输出用于外部电压参考和内部电压参考中的另一电压参考的至少一个操作参考的分量。从控制器用于基于至少一个操作参考的分量来向其电力电子转换器输出外部电压参考和内部电压参考中的另一电压参考。
在本发明的一些实施例中,转子3设有面向外部定子2a的外部永磁体21a和面向内部定子2b的内部永磁体21b。
在本发明的一些实施例中,通过外部定子的磁通路径22a与通过内部定子的磁通路径22b串联。
在本发明的一些实施例中,控制装置4还被配置为用于控制外部供电电流和内部供电电流,使得五次电流谐波分量在外部定子与内部定子之间循环,即,使用三次谐波和五次谐波的组合。
在本发明的一些实施例中,三次电流谐波分量Io3和/或Ii3的幅度在外部供电电流Io和/或内部供电电流Ii的基波分量Io1和/或Ii1的幅度的0.3-0.5的范围之内,例如,0.40或0.43。
更一般地,本发明的实施例涉及一种双定子PM机器1,双定子PM机器1包括:外部定子2a,根据外部三相供电电流Io来生成外部电磁场;内部定子2b,根据内部三相供电电流Ii来生成内部电磁场;PM转子3,通过外部定子与内部定子之间的外部电磁场和内部电磁场而被旋转;以及控制装置4,控制外部供电电流和内部供电电流。外部定子和内部定子的中性点No与Ni之间存在电连接7。控制装置4被配置为用于控制外部供电电流和内部供电电流,使得外部供电电流与内部供电电流之间存在30°的相对角度移位Δθ并且使得三次电流谐波分量在外部定子与内部定子之间循环。
上文主要参考一些实施例对本公开进行了描述。然而,如本领域技术人员容易领会的,在由所附权利要求所限定的本公开的范围之内,除了上文所公开的实施例以外的其他实施例同样是可能的。
Claims (9)
1.一种双定子PM机器(1),包括:
外部定子(2a),包括外部芯上的外部三相绕组,所述外部定子被配置为根据供应给所述外部定子的外部三相供电电流(Io)来生成外部电磁场;
内部定子(2b),同心地位于所述外部定子的内部,所述内部定子包括内部芯上的内部三相绕组,所述内部定子被配置为根据供应给所述内部定子的内部三相供电电流(Ii)来生成内部电磁场;
永磁体PM转子(3),被配置为通过在间隙(31)中的所述外部电磁场和所述内部电磁场而被旋转,所述间隙(31)被形成在所述外部定子与所述内部定子之间;
控制装置(4),被配置为分别控制所述外部供电电流(Io)和所述内部供电电流(Ii);
其中所述外部定子与所述内部定子之间存在与30°的电角度相对应的相对机械移位(32);
其中所述外部定子的中性点(No)与所述内部定子的中性点(Ni)之间存在电连接(7);以及
其中所述控制装置(4)被配置为控制所述外部供电电流(Io)和所述内部供电电流(Ii),使得所述外部供电电流与所述内部供电电流之间存在与所述相对机械移位(32)相对应的30°的相对角度移位(Δθ),并且使得三次电流谐波分量(Io3,Ii3)在所述外部定子与所述内部定子之间循环。
2.根据权利要求1所述的机器,其中所述控制装置(4)包括:
外部电力电子转换器(6a),被配置为基于外部电压参考(Vabc*o)来输出所述外部供电电流(Io);以及
内部电力电子转换器(6b),被配置为基于内部电压参考(Vabc*i)来输出所述内部供电电流(Ii)。
3.根据权利要求2所述的机器,其中所述控制装置(4)包括:电流控制器(5),被配置为基于所述机器(1)的至少一个操作参考(P*;τ*)来输出所述外部电压参考(Vabc*o)和所述内部电压参考(Vabc*i)。
4.根据权利要求3所述的机器,其中所述电流控制器(5)包括:
主控制器(5a),被配置为:将所述外部电压参考(Vabc*o)和所述内部电压参考(Vabc*i)中的一个电压参考输出到相应的外部电力电子转换器(6a)或内部电力电子转换器(6b),并且将针对所述外部电压参考(Vabc*o)和所述内部电压参考(Vabc*i)中的另一电压参考的所述至少一个操作参考(P*;τ*)的分量(Pi*;τi*)输出到从控制器(5b),
所述从控制器(5b)被配置为:基于所述至少一个操作参考的所述分量(Pi*;τi*),将所述外部电压参考(Vabc*o)和所述内部电压参考(Vabc*i)中的所述另一电压参考输出到相应的外部电力电子转换器(6a)或内部电力电子转换器(6b)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的机器,其中所述转子(3)设置有面向所述外部定子(2a)的外部永磁体(21a)、以及面向所述内部定子的内部永磁体(21b)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的机器,其中通过所述外部定子(2a)的磁通路径(22a)与通过所述内部定子(2b)的磁通路径(22b)串联。
7.根据前述权利要求中任一项所述的机器,其中所述控制装置(4)还被配置为控制所述外部供电电流(Io)和所述内部供电电流(Ii),使得五次电流谐波分量在所述外部定子与所述内部定子之间循环。
8.一种控制双定子PM机器(1)的方法,所述机器包括:
外部定子(2a),包括外部芯上的外部三相绕组,所述外部定子(2a)根据供应给所述外部定子的外部三相供电电流(Io)来生成外部电磁场;
内部定子(2b),包括内部芯上的内部三相绕组,所述内部定子(2b)同心地位于所述外部定子的内部,所述内部定子(2b)根据供应给所述内部定子的内部三相供电电流(Ii)来生成内部电磁场;
永磁体PM转子(3),通过在间隙(31)中的所述外部电磁场和所述内部电磁场来旋转,所述间隙(31)被形成在所述外部定子与所述内部定子之间;以及
控制装置(4),分别控制所述外部供电电流(Io)和所述内部供电电流(Ii);
其中所述外部定子与所述内部定子之间存在与30°的电角度相对应的相对机械移位(32),并且所述外部供电电流与所述内部供电电流之间存在对应的相对角度移位(Δθ);
其中所述外部定子的中性点(No)与所述内部定子的中性点(Ni)之间存在电连接(7);
所述方法包括:
所述控制装置(4)控制所述外部供电电流(Io)和所述内部供电电流(Ii),使得三次电流谐波分量(Io3,Ii3)在所述外部定子与所述内部定子之间循环。
9.根据权利要求8所述的方法,其中所述三次电流谐波分量(Io3,Ii3)的幅度在所述外部供电电流(Io)和/或所述内部供电电流(Ii)的基波分量(Io1,Ii1)的幅度的0.3-0.5的范围之内,例如,0.40或0.43。
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