CN115441605A

CN115441605A - 一种六相开关磁阻电机及无位置传感器转子位置估算方法和***

Info

Publication number: CN115441605A
Application number: CN202210943490.3A
Authority: CN
Inventors: 方立; 赵翰文
Original assignee: Hangzhou Siwan Intelligent Equipment Co ltd
Current assignee: Hangzhou Siwan Intelligent Equipment Co ltd
Priority date: 2022-08-08
Filing date: 2022-08-08
Publication date: 2022-12-06
Also published as: US20230198443A1; DE102023117467A1

Abstract

本发明公开了一种六相开关磁阻电机及无位置传感器转子位置估算方法和***，所述六相开关磁阻电机包括定子组件和转子组件，所述定子组件包括定子铁芯，所述定子铁芯包括定子齿和定子轭，所述定子齿上设有绕组；所述定子齿数Ns是6的倍数，六个相邻的绕组构成六相绕组，所述六相绕组设有若干组，每组所述六相绕组的一端互相连通形成公共端，另一端均连接至控制器接口。本发明改进了六相开关磁阻电机的接线方式与电机结构，通过设置公共端，减少了电机的出线数量，降低了绕线及出线的复杂度，减少了成本。

Description

一种六相开关磁阻电机及无位置传感器转子位置估算方法和 ***

技术领域

本发明涉及磁阻电机技术领域，特别是涉及一种六相开关磁阻电机及无位置传感器转子位置估算方法和***。

背景技术

开关磁阻电机是一种新型调速电机，其主要应用于调速***中实现机电能量的转换，常见的开关磁阻电机主要为双凸极结构的电机，电机定子、转子的凸极主要原材料为硅钢片或铜，不需要使用永磁体，具有结构简单，价格低廉的优点，而且可以完全避免永磁体退磁对电机性能带来的负面影响，在所有领域具有广阔的应用前景。一般开关磁阻电机的转子上既无绕组也无永磁体，定子上有绕组。同时，开关磁阻电机的运行方式主要是通过转子位置的变化来决定相绕组中电流的通断。因此，能否得到可靠性高和精度高的转子位置，决定着开关磁阻电机的性能。

现有技术中，获取转子位置的方法主要包括：有位置传感器方案和无位置传感器方案，其中，有位置传感器方案是使用位置传感器检测转子位置，常见的与开关磁阻电机配合使用的位置传感器包括霍尔传感器、光电编码器和旋转变压器等，然而，位置传感器的使用增加了电机***的装配难度和成本，而且在一些工况较为恶劣的场合，位置传感器的精度和可靠性较低，影响电机***的正常工作；无位置传感器方案主要是应用于开关磁阻电机中的无位置传感方法，其包括：电流磁链法、电感观测器法和智能控制法，但是，这些方法存在数据量大，无法移植，可靠性低的问题，例如电流磁链法，主要是利用开关磁阻电机的凸极效应，由于不同转子位置的电流-磁链曲线不一致，需要采集大量的电流-磁链特性曲线分析才能得到相对准确的结果，方法可移植性差，增加统计工作量。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，分别提供一种六相开关磁阻电机及无位置传感器转子位置估算方法和***。通过设置公共端减少了电机的出线数量，降低了绕线及出线的复杂度，减少了成本；通过无位置传感计算方法，无需提前测量大量的磁链-电流数据，减少计算量，提高稳定性，提高位置估算准确性。

为实现上述目的，首先，本发明提供了一种六相开关磁阻电机，包括定子组件和转子组件，其特征在于，所述定子组件包括定子铁芯，所述定子铁芯包括定子齿和定子轭，所述定子齿上设有绕组；

所述定子齿数Ns是6的倍数，六个相邻的绕组构成六相绕组，所述六相绕组设有若干组，每组所述六相绕组的一端互相连通形成公共端，另一端均连接至控制器接口。

优选地，所述定子齿数Ns和转子齿数Nr的关系满足：

或者

优选地，所述六相绕组缠绕方式为NNNNNN或SSSSSS或NSNSNS或 NNSSNN或NNNSSS，其中N代表绕组沿顺时针方向，S代表绕组沿逆时针反向。

优选地，当所述定子齿数Ns为12时，所述六相绕组缠绕方式为 NNNNNN或SSSSSS。

优选地，所述定子轭至少包括有宽度不等的hsy0区和hsy1区，且所述 hsy0区和所述hsy1区沿所述定子轭圆周方向间隔排列设置。

优选地，所述六相开关磁阻电机设置为外转子电机或内转子电机或直线电机或盘式电机或级联电机或异型电机。

优选地，所述定子组件或/和所述转子组件上设有辅助永磁体或/和电励磁绕组。

优选地，所述定子铁芯为凸极结构；所述转子组件包括转子铁芯，所述转子铁芯也为凸极结构。

另外，本发明还提供了一种利用上述六相开关磁阻电机实施的无位置传感器转子位置估算方法，其包括：

采集六相绕组中的电流值和电压值，六相绕组中控制波形为方波、正弦波或者正弦波形的一部分；

通过采集的电流值和电压值计算出磁链值；

通过电流值、电压值、磁链值估算出转子组件的实际位置和运行速度。

此外，本发明还提供了一种六相开关磁阻电机无位置传感器转子位置估算***，其包括：

数据采集模块，用于采集六相绕组中的电流值和电压值，六相绕组中控制波形为方波、正弦波或者正弦波形的一部分；

数据处理模块，通过采集的电流值和电压值计算出磁链值；

电感计算模块，通过电流值、电压值、磁链值估算出转子组件的实际位置和运行速度。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

上述技术方案中所提供的一种六相开关磁阻电机，减少了电机的出线数量，降低了绕线及出线的复杂度，减少了成本；此外，本发明的无位置传感器转子位置估算方法，通过数据采集模块采集六相绕组的电压、电流，通过数据处理模块计算相绕组的磁链，通过电感计算模块估算转子的实际位置及实际运行速度，计算量少，稳定性高，位置估算准确，且由于相数增多，电机的转矩波动和噪音大幅度降低，应用场景广阔。

附图说明

图1为本发明实施例提供的十二定子齿六相开关磁阻电机结构、绕组与控制器连接方式示意图。

图2为传统十二定子齿六相开关磁阻电机的结构、绕组与控制器连接方式示意图。

图3为本发明实施例提供的线圈缠绕组合方式示意图。

图4为本发明实施例提供的多种可选电机结构图。

图5为本发明实施例提供的定子轭沿圆周方向呈非均匀设置的六相开关磁阻电机结构图。

图6为本发明实施例提供的无位置传感器转子位置估算流程图。

图7为本发明实施例提供的测试得到的测功数据曲线及具体数据表。

附图标记：1、定子组件；11、定子轭；12、定子齿；2、转子组件；3、绕组。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例及相应的附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明实施例中所使用的“第一”“第二”等描述仅仅用于描述目的，不应当理解为其指示或隐含指示所限定的技术特征的数量，由此，本说明书各实施例中限定有“第一”“第二”的特征可以表明包括至少一个该被限定的技术特征。

参阅图1，本发明提出的六相开关磁阻电机，包括定子组件1和转子组件2，定子组件1包括定子铁芯，定子铁芯包括定子齿12和定子轭11，转子组件2包括转子铁芯，定子铁芯和转子铁芯均为凸极结构。定子齿12上设有绕组3，定子齿12数Ns是6的倍数。六个相邻的绕组3构成六相绕组3，六相绕组3设置有若干组，每组六相绕组3的一端互相连通形成公共端，另一端均连接至控制器接口。

在本实施例中，可以将每六个绕组3对应的电机设为最小单元电机，当定子齿12数Ns大于6时，每隔六个绕组3为1相，共六相。

在优选的实施例中，定子齿12数Ns和转子齿数Nr的关系满足：

或者

在本发明所提供的其中一个实施例中，以十二定子齿12六相开关磁阻电机为例，其每个线圈缠绕在定子齿12上，沿圆周相邻的六个绕组3分别属于 A、B、C、D、E、F六相，径向相对的两个绕组3为同一相，六相绕组3的一端互相连通形成公共端，另一端均连接至控制器接口。

参阅图2，以传统的十二定子齿12六相开关磁阻电机为例，其每个线圈绕在定子齿12上，相邻的线圈绕线方向交替排布，沿圆周相邻的六个绕组3 分别属于A、B、C、D、E、F六相，径向相对的两个绕组3为同一相，每一相的两端出线均连接至控制器中。与传统的12齿六相开关磁阻电机相比，本发明中的12齿六相开关磁阻电机通过引入公共端，使得引线数量由12个降低为6个，降低了出线的复杂度，减少了控制器的成本。

参阅图3，单元电机内的六相绕组3缠绕方式具有多样性，即相邻的线圈缠绕方向有多种组合方式，具体来说，以“N”代表绕组3沿顺时针方向、“S”代表绕组3沿逆时针方向，则缠绕组3合方式有“NNNNNNN”、“SSSSSS”、“NSNSNS”、“NNSSNN”、“NNNSSS”等方式。其中，图3-a为“NNNNNNN”或“SSSSSS”缠绕方式示意图，图3-b为“NSNSNS”缠绕方式示意图，图 3-c为“NNSSNN”缠绕方式示意图，图3-d为“NNNSSS”缠绕方式示意图。

参阅图4，六相开关磁阻电机可以设置为外转子电机或内转子电机或直线电机或盘式电机或级联电机或异型电机。其中，图4-a为十八定子齿12外转子电机；图4-b为六定子齿12异形电机；图4-c为十二定子齿12多轴电机；图4-d为级联电机，包括上下两个定子和两个转子，整个电机***共十二个定子齿12。

参阅图5，定子轭11至少包括有hsy0区和hsy1区，且hsy0区和hsy1 区沿定子轭圆周方向间隔排列设置，具体地，每间隔一个齿或多个齿，定子轭11的宽度可以缩小，即hsy1<hsy0。优选地，两者比例关系为hsy1＝1/2hsy0。在其他实施例中，定子轭11也可以包括两个以上宽度不等的区域，如hsy0 区、hsy1区、hsy2区，其宽度大小关系为hsy2<hsy1<hsy0。通过上述设置，能够在不影响电机性能的情况下，降低定子铁芯的重量，此外，呈阶梯形状的定子铁芯更有利于装配时的固定。

在其他实施例中，还可以在定子组件1上设置辅助永磁体或电励磁绕组 3，也可以在转子组件2上设置辅助永磁体或电励磁绕组3。

基于上述六相开关磁阻电机，本发明还提供了一种六相开关磁阻电机的无位置传感器转子位置估算方法及***，如图6所述，其具体包括：

(1)数据采集模块，用于采集六相绕组3中的电流值和电压值，其六相绕组3中控制波形为方波、正弦波或者正弦波形的一部分；

(2)数据处理模块，通过采集的电流值和电压值计算出磁链值；

(3)电感计算模块，通过电流值、电压值、磁链值估算出转子组件2 的实际位置和运行速度。

具体地，数据采集模块通过电流采样和电压采样的方式实时采集六相绕组3与控制器连接处的电压值、电流值；数据采集模块与数据处理模块连通，数据处理模块通过坐标变换，将六相信号转换为两相α-β静止坐标系中的信号；数据处理模块与电感计算模块连通，电感计算模块在两相α-β静止坐标系中计算出电感。由于两相α-β静止坐标系中的电感与电机的位置有关，因此可估算出转子的实时位置，再对转子位置求导数可以估算出电机的实时转速。

上述实施例阐明的***、模块，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。为了描述的方便，描述以上***时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本发明时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

其中，六相开关磁阻电机的电压方程可以如下表示：

其中，U_k、R_k、i_k、e_k、Ψ_k分别是第k相绕组的外加电压、电阻、电流、感应电动势、磁链。

采用坐标变换方法，将自然坐标下的六相信号转换到两相α-β静止坐标系，

[f_α f_β]^T＝T_αβ[f_a f_b f_c f_d f_e f_f]^T (2)

其中，f为某个信号，包括电压、电流、磁链信号、电感信号等，变换矩阵T_αβ为

因此，对六相绕组进行电流采样和电压采样并通过六相-两相坐标变化，可以计算出两相α-β静止坐标系中的U_α、U_β、i_α、i_β。

在两相α-β静止坐标系下：

所以，有

Ψ_α＝∫e_αdt＝∫(U_α-Ri_α)dt (5)

Ψ_β＝∫e_βdt＝∫(U_β-Ri_β)dt (6)

(5)和(6)式中的电阻R可以直接测量得到，因此可以直接积分出相α-β静止坐标系中Ψ_α、Ψ_β。

此外，Ψ_α，Ψ_β也可以表示为：

其中，L_u为定子凸极与转子凹槽中心重合时的相绕组电感，L(θ)k_s为变化的参数，与电机的结构、转子位置、电流大小、铁芯饱和程度等有关。

联立式(5)、(6)、(7)，消去未知数k_s，转子位置可计算为：

其中，可以得到转子位置角θ，对转子位置角θ求一阶导数，可以得到转子位置的速度ω。

图7是实物样机在采用了上述无位置传感器转子位置估算方法后，在测功机上测试得到具体点数据表格及测功数据曲线图，其最高效率点为88.4％，而相同应用场合的有位置传感器表贴式永磁电机的最高效率点为85％。由此，验证了本发明提出的六相开关磁阻电机及无位置传感器转子位置估算方法的可行性及性能优越性。

本发明改进了六相开关磁阻电机的接线方式与电机结构，通过数据采集模块对六相绕组中的电压和电流进行实时采样，通过数据处理模块计算磁链大小，通过电感计算模块估算出转子位置，具有结构简单、易于实现、实用性高、计算精度高和可靠性高的优点。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。