CN112821576A - 同步电机转子励磁能量与位置信息协同传输***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种同步电机转子励磁能量与位置信息协同传输***及方法，该***包括位于静止侧的谐振励磁发射线圈和位置信号接收线圈，以及随转子旋转的励磁能量接收线圈和位置信号反馈线圈；谐振励磁发射线圈和励磁能量接收线圈的谐振频率为基波频率，位置信号接收线圈和位置信号反馈线圈的谐振频率为谐波频率；谐振励磁发射线圈提供基波阶次能量激励和谐波阶次信号激励，励磁能量接收线圈拾取基频电磁波实现电机转子励磁，位置信号接收线圈和位置信号反馈线圈拾取谐波实现电机转子位置信息的传输。与现有技术相比，本发明能够同时实现同步电机的高效高可靠励磁及高精度位置检测，对于提高电机运行可靠性、空间利用率具有着重要的现实意义。

Description

同步电机转子励磁能量与位置信息协同传输***及方法
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其是涉及一种同步电机转子励磁能量与位置信息协同传输***及方法。
背景技术
同步电机由于其高效、转矩密度高以及无需永磁材料等技术优势，目前广泛应用在发电、大功率牵引等应用中。然而，传统同步电机需要通过电刷、滑环等低可靠结构实现转子励磁；同时，为了实现矢量控制的磁链定向，还需要由旋转变压器获取电机转子位置，使得电机结构更为复杂，同时也降低了***的可靠性。近年来兴起的无线电能传输技术(Wireless Power Transfer，WPT)，凭借其高效、高可靠等技术优势获得了广泛的关注，目前存在部分研究考虑WPT在同步电机励磁方面的应用及位置检测相关的探索，但是，为实现多套***的复用将不可避免的降低电机功率密度，其复杂结构也将带来可靠性问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述励磁***和位置检测***复杂结构及可靠性问题而提供一种同步电机转子励磁能量与位置信息协同传输***及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种同步电机转子励磁能量与位置信息协同传输***，该***包括谐振励磁发射线圈、励磁能量接收线圈、位置信号接收线圈和位置信号反馈线圈，所述的谐振励磁发射线圈和位置信号接收线圈位于静止侧，所述的励磁能量接收线圈和位置信号反馈线圈随转子旋转；
所述的谐振励磁发射线圈和励磁能量接收线圈的谐振频率为基波频率，所述的位置信号接收线圈和位置信号反馈线圈的谐振频率为谐波频率；
所述的谐振励磁发射线圈用于提供基波阶次能量激励和谐波阶次信号激励，所述的励磁能量接收线圈用于拾取气隙空间的基频电磁波实现电机转子励磁，所述的位置信号接收线圈和位置信号反馈线圈用于分别拾取气隙空间的谐波进行电子转子位置信息并进行调制与解调实现电机转子位置信息的传输。
优选地，所述的谐振励磁发射线圈连接用于提供气隙磁场能量的电源，所述的励磁能量接收线圈通过整流滤波电路连接至同步电机转子励磁绕组，所述的位置信号接收线圈连接有位置解码电路，所述的位置信号反馈线圈连接阻性负载。
优选地，所述的谐振励磁发射线圈连接有用于提供气隙磁场能量的逆变器，所述的逆变器的输出电压设置为占空比随移相角变化的方波，表示为基波与奇次谐波的叠加：
Figure BDA0002916965790000021
其中，Uinverter为逆变器输出电压，Udc为逆变器直流侧电压，k为正奇数，α为移相角，ω为电压角频率，t为时间。
优选地，所述的谐振励磁发射线圈和励磁能量接收线圈的谐振频率选择为逆变器输出电压的基波频率，所述的位置信号接收线圈和位置信号反馈线圈的谐振频率选择为逆变器输出电压的3次谐波频率。
优选地，所述的谐振励磁发射线圈、励磁能量接收线圈、位置信号接收线圈和位置信号反馈线圈均采用串联谐振拓扑补偿。
优选地，四个线圈的互感满足：M12，M23和M13始终恒定，M14，M24和M34随转子位置改变实时变化，Mij表示线圈i和线圈j的互感，i＝1，2，3，4，j＝1，2，3，4，下标1、2、3和4分别对应表示谐振励磁发射线圈、励磁能量接收线圈、位置信号接收线圈和位置信号反馈线圈。
优选地，M14随转子位置呈正弦变化。
优选地，所述的谐振励磁发射线圈和位置信号接收线圈固结在电机外壳上。
优选地，所述的励磁能量接收线圈和位置信号反馈线圈固结在电机转子上。
一种同步电机转子励磁能量与位置信息协同传输方法，该方法基于所述的同步电机转子励磁能量与位置信息协同传输***，该方法为：
谐振励磁发射线圈提供基波阶次能量激励和谐波阶次信号激励；
励磁能量接收线圈拾取气隙空间的基频电磁波实现电机转子励磁；
位置信号接收线圈和位置信号反馈线圈分别拾取气隙空间的谐波进行电子转子位置信息的并进行调制与解调实现电机转子位置信息的传输
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明利用无线电能传输原理在耦合气隙磁场下同时实现励磁能量传递和电机转子位置信息的检测，其中，励磁能量在基波频次传输，位置信号在奇次谐波频次传输，利用谐振拓扑的频率选择特性优化采样信号信噪比，有效提升***运行可靠性，通过逆变器谐波的复用，空间布置灵活，体积小，可有效改善功率密度。
附图说明
图1为本发明一种同步电机转子励磁能量与位置信息协同传输***的结构示意图；
图2为全桥逆变器输出电压谐波分布图；
图3为谐振回路增益/频率特性图；
图4为中继线圈与原边线圈互感随转子位置变换图；
图5为调制位置信号后输出波形图；
图6为位置信号反馈线圈的绕组设计实施例。
图中，1为谐振励磁发射线圈，2为励磁能量接收线圈，3为位置信号接收线圈，4为位置信号反馈线圈。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例1
如附图1所示，本实施例提供一种同步电机转子励磁能量与位置信息协同传输***，通过WPT技术原理，通过逆变器输出基波和谐波激励的气隙磁场的复用，同时实现励磁能量和位置信息线圈的激励，根据谐振拓扑的频率选择特性完成能量和信息的解耦，实现高可靠的励磁能量传输和高信噪比的位置信息传输。
其建立的具体过程如下：
***由静止端和旋转端两部分，两边各布置有两套线圈及匹配补偿拓扑，其中：静止端与电机外壳相连结，安装有谐振励磁发射线圈1和位置信号接收线圈3，谐振励磁发射线圈1连接全桥逆变器，位置信号接收线圈3连接位置解码电路；旋转段则与电机转子固连，设有励磁能量接收线圈2和位置信号反馈线圈4，励磁能量接收线圈2通过整流滤波电路连接至同步电机转子励磁绕组，位置信号反馈线圈4连接阻性负载，具体拓扑结构如附图1所示。
谐振励磁发射线圈1用于提供基波阶次能量激励和谐波阶次信号激励，所述的励磁能量接收线圈2用于拾取气隙空间的基频电磁波实现电机转子励磁，所述的位置信号接收线圈3和位置信号反馈线圈4用于分别拾取气隙空间的谐波进行电子转子位置信息并进行调制与解调实现电机转子位置信息的传输。
静止侧全桥逆变器输出电压为占空比随移相角变化的方波，可表示为基波与奇次谐波的叠加，如附图2所示，其计算值为：
Figure BDA0002916965790000041
其中，Uinverter为逆变器输出电压，Udc为逆变器直流侧电压，k为正奇数，取值为1，3，5，7，……，α为移相角，ω为电压角频率，t为时间。
***中四套线圈均采用串联谐振拓扑补偿，实现原副边补偿电容参数解耦设计，其中，谐振励磁发射线圈1和励磁能量接收线圈2的谐振频率设置为逆变器输出电压基波频率，位置信号接收线圈3和位置信号反馈线圈4的谐振频率为基频的3倍，根据WPT***的频率选择特性，励磁能量接收线圈2将拾取气隙空间的基频电磁波，位置信号接收线圈3和位置信号反馈线圈4将拾取气隙空间的3次谐波，根据逆变器输出电压方程及串联谐振输出增益，如附图2、3所示，可以得到谐振励磁发射线圈1激励3次谐波磁场应为基频幅值的k倍：
Figure BDA0002916965790000042
其中，C1和R1分别为谐振励磁发射线圈1的补偿电容值和绕组的等效串联电阻值，Rr为等效反射电阻值。
线圈间互感可根据气隙磁链计算，磁链模型如下：
Figure BDA0002916965790000043
其中
Figure BDA0002916965790000044
线圈设计时应保持M12，M23和M13始终恒定，M14，M24和M34随转子位置改变实时变化。由于线圈2、4谐振频率不同，其相互影响较小，故可忽略线圈2的干扰负效应。M14、M34随位置对应关系应保持正弦变化，如附图4所示。M13将引起位置信号的稳态误差，在设计中应尽量减小M13且计算干扰值进行补偿，对Usin/cos干扰值为
Figure BDA0002916965790000051
其中谐振频率应远高于电机旋转频率，此时选取的谐波频率为信号载波频率，调制信号波形如图5所示，进一步可求得输出电压Um与反馈线圈感应电动势U的幅值比：
Figure BDA0002916965790000052
其中k为复用的谐波阶次，ω为谐振励磁发射端谐振频率，R3为位置信号接收端电阻，R4为位置信号反馈段电阻；
反馈信号的幅值为：
Um＝U(f(M34(θ))+g(M))
其中g(M)表示发射端激励电压U的幅值变化而呈现的变激励特性，可根据全桥逆变器输出电压方程计算。
位置信号反馈线圈4与静止侧线圈间互感值设计应随位置呈现周期性变化，图6为位置信号反馈线圈4的绕组设计方案之一，通过多极线圈耦合获得特性的互感关于转子位置的理想函数，实现转子位置对输出电压信号的幅值调制，交变调制或带恒流偏置的交变调制，因此以互感能产生交变为设计思路。
本发明利用无线电能传输原理在耦合气隙磁场下同时实现励磁能量传递和电机转子位置信息的检测，其中，励磁能量在基波频次传输，位置信号在奇次谐波频次传输，利用谐振拓扑的频率选择特性优化采样信号信噪比，有效提升***运行可靠性，通过逆变器谐波的复用，空间布置灵活，体积小，可有效改善功率密度。
实施例2
本实施例提供一种同步电机转子励磁能量与位置信息协同传输方法，该方法基于实施例1中的一种同步电机转子励磁能量与位置信息协同传输***，该方法为：
谐振励磁发射线圈1提供基波阶次能量激励和谐波阶次信号激励；
励磁能量接收线圈2拾取气隙空间的基频电磁波实现电机转子励磁；
位置信号接收线圈3和位置信号反馈线圈4分别拾取气隙空间的谐波进行电子转子位置信息的并进行调制与解调实现电机转子位置信息的传输。
本发明利用无线电能传输原理在耦合气隙磁场下同时实现励磁能量传递和电机转子位置信息的检测，其中，励磁能量在基波频次传输，位置信号在奇次谐波频次传输，利用谐振拓扑的频率选择特性优化采样信号信噪比，有效提升***运行可靠性，通过逆变器谐波的复用，空间布置灵活，体积小，可有效改善功率密度。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (10)

1.一种同步电机转子励磁能量与位置信息协同传输***，其特征在于，该***包括谐振励磁发射线圈(1)、励磁能量接收线圈(2)、位置信号接收线圈(3)和位置信号反馈线圈(4)，所述的谐振励磁发射线圈(1)和位置信号接收线圈(3)位于静止侧，所述的励磁能量接收线圈(2)和位置信号反馈线圈(4)随转子旋转；
所述的谐振励磁发射线圈(1)和励磁能量接收线圈(2)的谐振频率为基波频率，所述的位置信号接收线圈(3)和位置信号反馈线圈(4)的谐振频率为谐波频率；
所述的谐振励磁发射线圈(1)用于提供基波阶次能量激励和谐波阶次信号激励，所述的励磁能量接收线圈(2)用于拾取气隙空间的基频电磁波实现电机转子励磁，所述的位置信号接收线圈(3)和位置信号反馈线圈(4)用于分别拾取气隙空间的谐波进行电子转子位置信息并进行调制与解调实现电机转子位置信息的传输。
2.根据权利要求1所述的一种同步电机转子励磁能量与位置信息协同传输***，其特征在于，所述的谐振励磁发射线圈(1)连接用于提供气隙磁场能量的电源，所述的励磁能量接收线圈(2)通过整流滤波电路连接至同步电机转子励磁绕组，所述的位置信号接收线圈(3)连接有位置解码电路，所述的位置信号反馈线圈(4)连接阻性负载。
3.根据权利要求2所述的一种同步电机转子励磁能量与位置信息协同传输***，其特征在于，所述的谐振励磁发射线圈(1)连接有用于提供气隙磁场能量的逆变器，所述的逆变器的输出电压设置为占空比随移相角变化的方波，表示为基波与奇次谐波的叠加：
Figure FDA0002916965780000011
其中，Uinverter为逆变器输出电压，Udc为逆变器直流侧电压，k为正奇数，α为移相角，ω为电压角频率，t为时间。
4.根据权利要求3所述的一种同步电机转子励磁能量与位置信息协同传输***，其特征在于，所述的谐振励磁发射线圈(1)和励磁能量接收线圈(2)的谐振频率选择为逆变器输出电压的基波频率，所述的位置信号接收线圈(3)和位置信号反馈线圈(4)的谐振频率选择为逆变器输出电压的3次谐波频率。
5.根据权利要求1所述的一种同步电机转子励磁能量与位置信息协同传输***，其特征在于，所述的谐振励磁发射线圈(1)、励磁能量接收线圈(2)、位置信号接收线圈(3)和位置信号反馈线圈(4)均采用串联谐振拓扑补偿。
6.根据权利要求1所述的一种同步电机转子励磁能量与位置信息协同传输***，其特征在于，四个线圈的互感满足：M12，M23和M13始终恒定，M14，M24和M34随转子位置改变实时变化，Mij表示线圈i和线圈j的互感，i＝1，2，3，4，j＝1，2，3，4，下标1、2、3和4分别对应表示谐振励磁发射线圈(1)、励磁能量接收线圈(2)、位置信号接收线圈(3)和位置信号反馈线圈(4)。
7.根据权利要求6所述的一种同步电机转子励磁能量与位置信息协同传输***，其特征在于，M14随转子位置呈正弦变化。
8.根据权利要求1所述的一种同步电机转子励磁能量与位置信息协同传输***，其特征在于，所述的谐振励磁发射线圈(1)和位置信号接收线圈(3)固结在电机外壳上。
9.根据权利要求1所述的一种同步电机转子励磁能量与位置信息协同传输***，其特征在于，所述的励磁能量接收线圈(2)和位置信号反馈线圈(4)固结在电机转子上。
10.一种同步电机转子励磁能量与位置信息协同传输方法，其特征在于，该方法基于权利要求1～9任意一项所述的同步电机转子励磁能量与位置信息协同传输***，该方法为：
谐振励磁发射线圈(1)提供基波阶次能量激励和谐波阶次信号激励；
励磁能量接收线圈(2)拾取气隙空间的基频电磁波实现电机转子励磁；
位置信号接收线圈(3)和位置信号反馈线圈(4)分别拾取气隙空间的谐波进行电子转子位置信息的并进行调制与解调实现电机转子位置信息的传输。
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