CN114726180A - 一种宽窄定子极轴向磁通开关磁阻电机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种宽窄定子极轴向磁通开关磁阻电机及其控制方法，涉及开关磁阻电机技术领域，提供一种轴向长度小，磁通路径短，运行可靠，功率密度高，转速范围广的轴向磁通开关磁阻电机方案。采用了双宽窄定子极和分块转子结构，相邻定子磁极之间形成了短磁路，获得了较高的转矩和功率密度，而通过切换左右定子串联或并联的连接方式可获得较宽的转速范围。本发明适用于电动汽车轮内直驱电机应用领域。

Description

一种宽窄定子极轴向磁通开关磁阻电机及其控制方法
技术领域
本发明属于开关磁阻电机技术领域，具体涉及一种宽窄定子极轴向磁通开关磁阻电机及其控制方法。
背景技术
开关磁阻电机结构简单坚固、控制灵活、无需维护，但也存在转矩密度低、转矩脉动大和噪声大等问题。近年来由于永磁电机所需的稀土材料日益短缺且价格上涨，开关磁阻电机驱动的吸引力显著增加，尤其对于注重成本和可靠性的电动汽车行业更具吸引力。轴向磁通电机具有输出转矩大、轴向长度短、结构紧凑等特点，在体积、重量及噪声等方面都优于同样的传统径向磁场电机，适用于要求紧急起动、紧急停止、准确定位等各类机械装置中。
将开关磁阻电机与轴向磁场结构相结合，形成轴向磁通开关磁阻电机，具有开关磁阻电机和轴向磁场电机的综合优势。轴向磁通开关磁阻电机从定子外径到定子内径的径向长度是电机产生转矩的有效区域。通过适当的磁路设计，定子和转子铁心可以被充分利用。轴向磁通电机通常能够比同样的径向磁通电机提供更高的转矩密度和功率密度。同时轴向长度小的轴向磁通开关磁阻电机适用于对电机体积有特殊要求的应用场合，例如电动汽车轮毂电机。
发明内容
本发明的实施例提供一种宽窄定子极轴向磁通开关磁阻电机及其控制方法，提供一种轴向长度小，磁通路径短，运行可靠，功率密度高，转速范围广的轴向磁通开关磁阻电机方案。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
本发明实施例的宽窄定子极轴向磁通开关磁阻电机中，电机铁心包括轴向排列的左侧定子、分块转子和右侧定子。左侧定子和右侧定子具有完全相同的凸极结构，由定子轭、定子宽极和定子窄极组成，定子宽极与定子窄极间隔出现，两者之间设置有槽。定子宽极上缠绕集中式励磁绕组，定子窄极上则不缠绕绕组只为励磁磁通提供路径。一侧定子上空间径向相对的绕组线圈相串联，再与另一侧相同位置的绕组线圈相串联或并联。左侧定子和右侧定子齿极相对的放置在转子的两侧，中间留有气隙。转子采用分块结构，由数个分块转子铁心***在一个转子固定盘中组成，由既不导磁也不导电的环氧树脂材料制成的转子固定盘表面光滑，起到隔离磁路、降低损耗和风阻的作用。
本发明将宽窄定子极开关磁阻电机与轴向磁场结构相结合，形成宽窄定子极轴向磁通开关磁阻电机，具有开关磁阻电机和轴向磁场电机的综合优势。通过适当的磁路设计，定子和转子铁心可以被充分利用。轴向磁通电机通常能够比同样的径向磁通电机提供更高的转矩密度和功率密度。同时轴向长度小的轴向磁通开关磁阻电机适用于对电机体积有特殊要求的应用场合，例如电动汽车轮毂电机。
本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：
1、将宽窄定子极开关磁阻电机与轴向磁场结构相结合，形成宽窄定子极轴向磁通开关磁阻电机，在具有开关磁阻电机结构简单、控制灵活等优点的同时，也具有轴向磁场电机轴向长度短，功率密度高的优点。
2、本发明通过新颖磁路设计，将定子极设计为宽极和窄极两种结构，励磁绕组缠绕在定子宽极上，窄极上则不缠绕绕组只为励磁磁通提供路径。左右定子绕组线圈相反的极性配置和分块转子结构设计使电机获得了较短的磁通路径，同时具有较大的最大最小电感比，提高了电机运行效率和功率密度。
3、转子采用分块结构，由数个分块转子铁心***在一个由环氧树脂材料制成的转子固定盘中组成，转子固定盘表面光滑，能起到隔离磁路、降低损耗和风阻的作用。环氧树脂材料既不导磁也不导电且密度较低，可降低转子转动惯量，提高电机动态响应速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例所述的宽窄定子极轴向磁通开关磁阻电机的结构整体示意图；
图2(a)为本发明实施例提供的电机沿外径圆周展开的左定子NNNSSS、右定子SSSNNN绕组配置示意图；
图2(b)为本发明实施例提供的电机沿外径圆周展开的左定子NSNSNS、右定子SNSNSN绕组配置示意图；
图3是为本发明实施例提供的电机结构的转子平面图；
图4(a)为本发明实施例提供的电机B相对齐位置(最大电感位置)的主磁通示意图；
图4(b)为本发明实施例提供的电机B相不对齐位置(最小电感位置)的主磁通示意图；
图5(a)为本发明实施例提供的电机所采用外电路工作在串联模式下的开关示意图；
图5(b)为本发明实施例提供的电机所采用外电路工作在并联模式下的开关示意图；
图6为本发明实施例提供的电机混合调速控制方法下的控制***框图；
图7为本发明实施例提供的电机混合调速控制方法下的控制方式切换示意图；
附图中的各个标号分别表示：1—左定子铁心、2—右定子铁心、3—转子铁心、1-1—左定子轭、1-2—左定子宽极、1-3—左定子窄极、2-1—右定子轭、2-2—右定子宽极、2-3—右定子窄极、3-1—分块转子、3-2—转子固定盘、4—不对齐位置磁通路径、5—对齐位置磁通路径。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明的实施例提供一种宽窄定子极轴向磁通开关磁阻电机，如图1所示，所述电机中包括：左侧定子1、右侧定子2、转子3和集中式励磁绕组。
左侧定子1和右侧定子2具有完全相同的结构，左侧定子1由定子轭1-1、定子宽极1-2和定子窄极1-3组成，右侧定子2由定子轭2-1、定子宽极2-2和定子窄极2-3组成，定子宽极与定子窄极间隔出现，两者之间设置有槽。
每个槽内都设置有集中式绕组，但只缠绕在定子宽极1-2和2-2上，定子窄极1-3和2-3则不缠绕绕组，只为励磁磁通提供路径。
左侧定子1和右侧定子2齿极相对的放置在转子3的两侧，中间留有气隙。
在本实施例中，所述的单侧定子槽数为Ns，分块转子数量为Nr，m为电机相数。则有Ns＝2km，
Figure BDA0003639855000000031
或
Figure BDA0003639855000000032
其中k为正整数。在单侧定子中，宽极数量和窄极数量相等，均是
Figure BDA0003639855000000033
Nr个分块转子沿圆周等间距分布，分布间距为360°/Nr。
在本实施例的优选方案中，所述轴向磁通开关磁阻电机为12k/10k的三相结构，其中，定子极(槽)数目为12k，转子极数目为10k，其中k为正整数。
例如：如图1所示，采用12槽10极的宽窄定子极的双定子轴向磁通开关磁阻电机结构，即单侧定子极数目为12，分块转子数目为10。
在本实施例中，共有两种绕组极性配置：一是如图2(a)所示，左侧定子采用NNNSSS的极性配置，右侧定子采用照SSSNNN的极性配置；二是如图2(b)所示，左侧定子采用NSNSNS的极性配置，右侧定子采用SNSNSN的极性配置。
在本实施例的优选方案中，所述轴向磁通开关磁阻电机采用NNNSSS的绕组极性配置。
图3为所述宽窄定子极轴向磁通开关磁阻电机结构的转子平面截图，可见所述轴向磁通开关磁阻电机的转子3由分块转子铁心3-1和不导磁固定盘3-2构成，所有的分块转子铁心3-1均嵌于不导磁固定盘3-2上。转子固定盘3-2由既不导磁也不导电的环氧树脂材料叠压而成，起到隔离磁路和降低涡流损耗的作用。
现有技术中，轴向磁通开关磁阻电机的励磁磁路较长，导致励磁效率低，增加了损耗。
本发明实施例中的宽窄定子极轴向磁通开关磁阻电机的定子铁心为宽极与窄极交错出现的凸极结构，转子铁心为分块结构，集中式绕组缠绕在定子宽极上，如图2所示，两侧定子在相同位置的槽内绕组线圈极性相反。由于每槽只放置一相绕组线圈的特性，同时转子采用了分块转子结构，励磁磁通在相邻的定子宽极和定子窄极之间形成了短磁通路径。
定义不对齐位置：定义定子宽极中线和分块转子铁心中线对齐位置为电机的不对齐位置；
定义对齐位置：定义定子宽极中线和分块转子槽的中线对齐位置为电机的对齐位置。
图4(a)所示为所述宽窄定子极轴向磁通开关磁阻电机的对齐位置磁通路径，图4(b)所示为所述宽窄定子极轴向磁通开关磁阻电机的不对齐位置磁通路径。
可以发现，电机主磁通由安装在定子槽内的励磁绕组产生。在转子对齐位置，左定子槽内绕组产生的磁通由左定子宽极1-2出发，经过左定子轭1-1，经过相邻的定子窄极1-3，并穿过左定子窄极1-3与转子块3之间的气隙，进入转子块3，再穿过转子块3与左定子宽极1-2之间的气隙，回到定子宽极1-2，形成闭合磁路4。右侧定子绕组线圈产生的磁通路径与左侧定子产生的磁路相同。
在转子不对齐位置，由于相对位置的定子槽极性相反，左定子槽内绕组产生的磁通由左定子宽极1-2出发，经过左定子轭1-1，经过相邻的定子窄极1-3，并穿过左定子窄极1-3与转子块3之间的气隙，进入转子块3；同时，右定子槽内绕组产生的磁通由右定子宽极2-2出发，经过右定子轭2-1，经过相邻的定子窄极2-3，并穿过右定子窄极2-3与转子块3之间的气隙，也进入转子块3，形成了磁路5。可见，两侧定子产生的磁通在不对齐位置相互抵消，这使电机获得了较小的不对齐磁链。
本发明还提供了一种轴向磁通开关磁阻电机的励磁控制电路及调速控制方法。如图2所示，电机两侧定子同相的绕组线圈串联或并联，不同的连接方式会获得不同的性能。
对于本实施例的优选方案，三相12槽10极双宽窄极定子极轴向磁通开关磁阻电机，共有12根绕组出线，具体如图2所示。每侧定子的一相绕组线圈有两个连接端，分别为第一连接端和第二连接端。
每个定宽子极1-1绕有励磁线圈，励磁线圈按照图2所示的接线依次串联构成励磁绕组。每套线圈绕制方式相同，共有两个连接端，分别为第一连接端和第二连接端，
以左侧定子A相为例，空间径向相对的两套线圈为同一组，第一套线圈的第一连接端作为该组绕组的第一出线端AL+，第一套线圈的第二连接端与同组第二套线圈的第一连接端相连，该组第二套绕组的第二连接端作为第二出线端AL-。对于左侧定子B相和C相，也包括第一出线端BL+和CL+与第二出线端BL-和CL-。
按照同样方式，右侧定子A相、B相和C相，均有两个出线端，分别是第一出线端AR+、BR+和CR+与第二出线端AR-、BR-和CR-。
本实施例中，所述励磁控制电路为一种能提供串联-并联模式切换的不对称半桥电路。在低速时选择串联模式，在高速时则切换到并联模式，扩大了电机高效转速范围，特别适用于电动汽车轮毂电机等应用场合。
不对称半桥就不在此赘述。主要介绍由两侧定子绕组线圈和开关组成的绕组模式选择电路。本文所述开关是继电器。
具体来说：如图5所示的励磁控制电路，以A相为例：MOSFET开关管SA1的源极与绕组AR的第一出线端AR+想连，MOSFET开关管SA1的源极同时与继电器SA3的一端想连，绕组AR的第二出线端AR-与继电器SA4的一端和继电器SA5的一端想连，继电器SA3的另一端与继电器SA4的另一端想连，继电器SA3的另一端同时与绕组AL的第一出线端AL+想连，绕组AL的第二出线端AL-与继电器SA5的另一端想连，绕组AL的第二出线端AL-同时与MOSFET开关管SA2的漏极想连。
B相和C相的励磁控制电路与A相相同。
在串联模式下，如图5(a)所示，SA4、SB4、SC4闭合，SA3、SB3、SC3、SA5、SB5、SC5则开路。在并联模式下，如图5(a)所示，SA4、SB4、SC4开路，SA3、SB3、SC3、SA5、SB5、SC5则闭合。
本实施例中，所述调速控制方法，包括：通过安装在电机转轴上的旋转编码器，检测所述电机的转子位置角，得到电机的实际转速。通过电流传感器检测得到所述电机的AL相、AR相、BL相、BR相、CL相、CR相的电流。
结合图6与图7，本发明所述的混合调速控制方法的过程描述如下，不对称半桥中MOSFET开关管的工作状态在此不赘述，主要介绍继电器的开合状态：所述电机开始运行时，SA4、SB4、SC4闭合，SA3、SB3、SC3、SA5、SB5、SC5则开路，电机工作在串联模式下；当电机的实际转速值n小于参考转速n1时，同时MOSFET开关管选择绕组串联模式下的电流斩波控制方法；当所述电机继续加速，电机的实际转速大于n1而小于n2时，SA4、SB4、SC4闭合，SA3、SB3、SC3、SA5、SB5、SC5则开路，同时MOSFET开关管选择绕组串联模式下的角度位置控制方法；所述电机继续加速，电机的实际转速大于n2而小于n3时，电机需要从串联模式切换到并联模式，SA4、SB4、SC4开路，SA3、SB3、SC3、SA5、SB5、SC5则闭合，同时MOSFET开关管选择绕组并联模式下的电流斩波控制方法；当电机继续加速，电机的实际转速大于n3时，SA4、SB4、SC4开路，SA3、SB3、SC3、SA5、SB5、SC5则闭合，同时MOSFET开关管选择绕组并联模式下的角度位置控制方法。
本调速方法通过控制继电器的开路与闭合，实现了电机绕组串联与并联模式的自由切换。所述控制方法简单，拓宽了所述宽窄定子极轴向磁通开关磁阻电机的转速范围。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种宽窄定子极轴向磁通开关磁阻电机。其组成包括：左侧定子1、右侧定子2和转子3。左侧定子1和右侧定子2具有完全相同的结构，以左侧定子1为例，由定子轭1-1、定子宽极1-2和定子窄极1-3组成，定子宽极与定子窄极间隔出现，两者之间设置有槽。集中式绕组只缠绕在定子宽极1-2和2-2上，而定子窄极1-3和2-3则不缠绕绕组，只为磁通提供路径。一侧定子上空间径向相对的绕组线圈相串联，再与另一侧相同位置的绕组线圈相串联或并联。左侧定子1和右侧定子2齿极相对的放置在转子3的两侧，中间留有气隙。转子3由数个分块转子构成，这些分块转子固定在圆形转子固定盘中。
2.根据权利要求1所述的宽窄定子极轴向磁通开关磁阻电机，其特征在于，采用了双定子盘和单转子盘结构，两侧定子齿极相对的安装在转子盘的两侧。假设Ns为电机定子槽数，Nr为转子铁心块数量，m为电机相数。则有Ns＝2km，
Figure FDA0003639854990000011
或
Figure FDA0003639854990000012
其中k为正整数。
3.根据权利要求1所述的宽窄定子极轴向磁通开关磁阻电机，其特征在于，定子宽窄和定子窄极均从定子轭上延伸且交错排列，定子宽极和定子窄极的数量相等，均是
Figure FDA0003639854990000013
4.根据权利要求1所述的宽窄定子极轴向磁通开关磁阻电机，其特征在于，为了保证励磁通路的流通，定子宽极在不同半径下的极弧角度是定子窄极的2倍，转子块极弧宽度和定子宽齿极宽度相等且是定子窄极宽度的2倍。
5.根据权利要求1所述的宽窄定子极轴向磁通开关磁阻电机，其特征在于，为了保证电机在不同半径处的槽满率相同，相邻定子齿极间的的定子开槽是平行槽结构。定子窄极在内外径中线处的极弧宽度和定子轭高相等，转子极高是定子轭高的两倍。
6.根据权利要求1所述的宽窄定子极轴向磁通开关磁阻电机，其特征在于，Nr个分块转子嵌入在由既不导磁也不导电的环氧树脂材料制成的转子固定盘中，起到隔离磁路、降低损耗和风阻、提升效率的作用。
7.根据权利要求1所述的宽窄定子极轴向磁通开关磁阻电机，其特征在于，集中式线圈只缠绕在定子宽极上，定子窄极上则不缠绕线圈只提供闭合磁路，且每个槽只放置一相绕组线圈。
8.根据权利要求1所述的宽窄定子极轴向磁通开关磁阻电机，其特征在于，同一侧定子径向相对的集中式线圈相串联构成励磁绕组，两侧定子绕组可以相互串联或并联，不同的绕组连接方式获得的电机特性不同。根据不同的工况要求，两侧定子的同一相线圈可以切换串联和并联两种工作模式。励磁绕组与外部主电路连接，所述外部主电路为改进的不对称半桥电路。
9.根据权利要求1所述的宽窄定子极轴向磁通开关磁阻电机，其特征在于，根据电机不同转速来选择不同的控制方法，即在低速下采用左右绕组串联的电流斩波控制方法，在中低速下采用左右绕组串联的角度位置控制方法，在中高速下采用左右绕组并联的电流斩波控制方法，在高速下采用左右绕组并联的角度位置控制方法。绕组连接方式和控制方法之间的自由切换保证了电机在较宽转速范围下的高效运行。
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