一种高起动转矩的次谐波励磁同步无刷电机 |
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| 申请号 | CN202311291509.1 | 申请日 | 2023-10-08 | 公开(公告)号 | CN117335626A | 公开(公告)日 | 2024-01-02 |
| 申请人 | 哈尔滨工业大学(威海); | 发明人 | 柴文萍; 李煜辉; 张正楷; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种高 起动转矩 的次谐波励磁同步无刷 电机 ，属于电励磁同步电机领域。该电机包括 定子 和 转子 ；定子包括定子 铁 芯和定子 电枢绕组 ；定子铁芯具有多个定子齿；定子电枢绕组缠绕在定子齿上；转子包括转子铁芯、转子励磁绕组和转子谐波绕组；转子铁芯采用转子凸极结构；转子铁芯具有多个转子齿和由相邻转子齿形成的转子 齿槽 ；转子励磁绕组缠绕在转子齿上；转子谐波绕组分布在转子齿槽中；转子励磁绕组和转子谐波绕组之间通过旋转 整流器 相连接。本发明完全依赖电励磁，不依赖 永磁体 ，同时取消了电刷滑环和励磁机，实现了无刷励磁，结构简单、运行可靠、成本较低、性能良好，适用于电动 汽车 等应用领域。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高起动转矩的次谐波励磁同步无刷电机，该电机包括定子和转子；其特征在于，所述定子包括定子铁芯和定子电枢绕组；所述定子铁芯具有多个定子齿；所述定子电枢绕组缠绕在所述定子齿上； |
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| 说明书全文 | 一种高起动转矩的次谐波励磁同步无刷电机技术领域[0001] 本发明涉及电励磁同步电机技术领域，具体涉及一种高起动转矩的次谐波励磁同步无刷电机。 背景技术[0002] 近年来，作为能量转换关键装置的电机被越来越多地应用于各种工业领域。相比于直流电机，作为交流电机的同步电机容量更大，且具有较好的调速性能和稳定的运行特性，从而得到普遍应用。 [0003] 根据转子励磁方式的不同，同步电机有永磁同步电机和电励磁同步电机之分。永磁同步电机具有运行可靠、结构简单、损耗小、效率高等显著优点，但同时也存在着一些缺陷。首先，稀土永磁材料日益稀缺，成本愈发高昂；其次，永磁体的自身特点会限制永磁同步电机的使用场合，例如温度过高、遭受强烈冲击或强磁场等极端情况都可能会使永磁体失磁；此外，永磁同步电机的气隙磁场调节困难，不易进行弱磁调速控制。这些缺陷都阻碍了永磁同步电机的广泛应用。相比于永磁同步电机，传统的电励磁同步电机不需要使用稀土永磁材料，可降低使用成本；同时还可以通过改变通入的励磁电流大小来调节励磁磁场，因此其具有良好的调速性能。但是电励磁同步电机本身也存在许多问题：传统电励磁同步电机采用电刷和滑环的方式为转子励磁绕组通入直流电，不仅容易引起火花和电弧等现象，长期使用还会造成电刷磨损，影响电机的绝缘性能和使用寿命；此外，在中小功率应用领域中，需要借助额外的励磁机来实现电励磁，大大增加了装置的体积和成本。这些问题都限制了传统电励磁同步电机的应用范围。 [0004] 因此，谐波励磁同步无刷电机具有明显的优势。为降低附加谐波带来的额外铁损，采用次谐波磁场作为谐波励磁磁场。然而，电机起动时的初始转速为零，而且变频起动时频率较低，导致谐波励磁绕组很难得到足够大的励磁电流，故而很难产生足够大的起动转矩，出现起动困难现象。 发明内容[0005] 为了解决现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种高起动转矩的次谐波励磁同步无刷电机。 [0006] 为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案： [0008] 进一步的，所述定子电枢绕组为三相分数槽集中绕组。 [0009] 进一步的，所述定子铁芯为12槽结构。 [0010] 进一步的，所述三相分数槽集中绕组的每相绕组有四个匝数相等的线圈组，其中，一对位于相对位置的两个线圈组并联后与另外两个线圈组串联。该绕组分布方式使得定子在气隙中建立的气隙磁动势除了主要的基波旋转磁动势之外还有大量的次谐波旋转磁动势成分。 [0011] 进一步的，所述定子和所述转子之间的间隙为气隙；定子在气隙中建立气隙磁动势。所述定子电枢绕组通入电流后在所述气隙中产生气隙磁场，所述气隙磁场包括基波磁场和次谐波磁场。 [0012] 进一步的，所述转子包括转子铁芯、转子励磁绕组和转子谐波绕组；所述转子铁芯采用转子凸极结构；所述转子铁芯具有多个转子齿和由相邻所述转子齿形成的转子齿槽；所述转子励磁绕组缠绕在所述转子齿上；所述转子谐波绕组分布在所述转子齿槽中；所述转子励磁绕组和所述转子谐波绕组之间通过旋转整流器相连接。所述转子凸极结构为高凸极比结构，其采用气隙磁障；所述气隙磁障，用于增强转子凸极结构的凸极比。采用高凸极比结构目的是产生高磁阻转矩，进而提高电机的启动转矩和稳定运行时的转矩密度。转子谐波绕组通过与次谐波旋转磁动势相互作用，产生感应交流电动势，再经旋转整流器处理成直流通入转子励磁绕组形成磁极，最终与气隙基波磁动势相互作用产生输出电磁转矩。 [0013] 进一步的，所述转子谐波绕组的各线圈串联连接，且所述转子谐波绕组的节距为所述励磁绕组节距的二倍。 [0014] 进一步的，所述转子励磁绕组的各励磁线圈串联连接，且各转子励磁线圈的极性设置使得相邻两个磁极的磁动势极性相反，转子励磁绕组节距为1。 [0015] 进一步的，所述旋转整流器采用桥式不控整流电路；所述桥式不控整流电路中的开关器件采用二极管；所述谐波绕组连接在所述桥式不控整流电路的交流侧，所述励磁绕组连接在所述桥式不控整流电路的直流侧。这样设计能够将谐波绕组感应的交流电动势转换为直流供给转子励磁绕组形成磁极，进而与气隙中基本磁动势作用产生转矩。 [0016] 进一步的，所述定子电枢绕组中通入三相对称的正弦基波电流； [0017] 所述谐波绕组和所述励磁绕组中电流均通过气隙磁场感应得到。 [0018] 和现有技术相比，本发明的优点为： [0019] (1)本发明所述电机无需使用稀土永磁材料，成本低廉，具有较高的经济价值和环保意义，克服了永磁电机调磁困难的缺陷；不依赖电刷和滑环，不会出现电弧、环火等现象，避免了摩擦损耗，运行可靠；也无需使用额外的励磁机，励磁系统设计简单，占地面积小，节省成本的同时又能可靠运行。 [0020] (2)本发明所述电机利用次谐波励磁技术实现了励磁无刷化以及电机的可靠运行。本发明采用的次谐波励磁技术本质上属于感应励磁，具有良好的动态稳定性、较快的反应速度和较短的电压恢复时间，且次谐波磁动势频率更低，可以大幅减少电机的附加铁芯损耗。 [0021] (3)本发明所述电机中的定子电枢绕组采用集中式的绕线方式，提高了绕组系数，减少了端部绕线，降低了电机的电阻损耗，且结构简单，成本较低。 [0022] (4)本发明选用频率仅为基波一半的次谐波磁场作为无刷电机的谐波励磁磁场，相较于常见的三次谐波励磁和五次谐波励磁，具有更低的附加铁耗。谐波励磁电机由于初始转速为0，无法建立初始励磁，故无法正常启动，因此本发明中的转子凸极结构采用高凸极比结构，能够获得磁阻转矩成分，提高谐波励磁电机的启动转矩和转矩密度，降低了谐波励磁电机的附加铁损。本发明所述电机采用高凸极比结构，由于磁力线总是走磁阻最小的路径，因此这种结构可以使得磁力线主要沿直轴(d轴)磁路流通，流经交轴(q轴)磁路的磁阻加大，从而增加了凸极比xq/xd的比值，可以确保该电机获得较大的起动转矩，进而顺利起动。此外，凸极式转子的磁极更容易与定子气隙磁场相互作用，使所述电机具有更高的平均转矩。附图说明 [0023] 图1为本发明中高起动转矩的次谐波励磁同步无刷电机的转子部分的结构示意图； [0024] 图2为本发明中高起动转矩的次谐波励磁同步无刷电机的结构示意图； [0025] 图3为中高起动转矩的次谐波励磁同步无刷电机的定子绕线示意图；A、B和C分别表示定子三相电枢绕组的每一相绕组，每一相绕组包含四个线圈组(以A相为例，A1，A2，A3，A4)，每个线圈组匝数相等，其中A1线圈A3线圈并联，然后与A2线圈和A4线圈串联； [0026] 图4为本发明中高起动转矩的次谐波励磁同步无刷电机的定子绕组通入三相正弦电流后产生的电枢磁动势图； [0027] 图5为本发明中高起动转矩的次谐波励磁同步无刷电机的定子电枢磁动势分量图； [0028] 图6为本发明中高起动转矩的次谐波励磁同步无刷电机的电机转子上绕组布置示意图，F表示转子励磁绕组，H表示转子谐波绕组，两者通过整流装置连接； [0029] 图7为本发明中高起动转矩的次谐波励磁同步无刷电机的下感应产生的转子励磁电流波形图； [0031] 其中： [0032] 1、转子铁芯，2、转子励磁绕组，3、转子谐波绕组，4、气隙磁障，5、定子铁芯，6、三相电枢绕组。 具体实施方式[0033] 下面结合附图对本发明做进一步说明： [0034] 如图1和图2所示的一种高起动转矩的次谐波励磁同步无刷电机，该电机包括定子和转子。 [0035] 具体地说，所述定子包括定子铁芯和定子电枢绕组；所述定子铁芯具有多个定子齿；所述定子电枢绕组缠绕在所述定子齿上。所述定子电枢绕组中通入三相对称的正弦基波电流。所述定子铁芯为12槽结构，且不使用永磁体。所述定子电枢绕组为三相分数槽集中绕组。所述三相分数槽集中绕组均匀缠绕在各所述定子齿上；所述三相分数槽集中绕组的每相绕组有四个匝数相等的线圈组，呈串联、并串、串联的连接方式，即每一相电枢绕组中间并联两个线圈组，前后再分别串联一个线圈组，这样定子电枢绕组通入电流后可以在气隙中产生基波磁场和次谐波磁场。 [0036] 在本实施例中，定子上包含定子铁芯5和三相电枢绕组6，电枢绕组6的每一相都有四个线圈组。如图3所示，在每一相绕组中，前后两个线圈组串联连接，中间两个线圈组并联连接，例如，A相绕组的线圈组A1和A3在相绕组的前后部位串联连接，线圈组A2和A4在相绕组中间并联连接。所述电机的定子电枢绕组首端连接一个三相逆变器，用于给所述电机提供三相对称的正弦电流，产生如图4所示的电枢磁动势波形图，其主要由基波磁场和次谐波磁场构成，分量图如图5所示。 [0037] 进一步的，所述转子包括转子铁芯1、转子励磁绕组2和转子谐波绕组3。所述转子铁芯1为8极结构，每极结构上缠绕转子励磁绕组2，每两极结构上缠绕转子谐波绕组3，转子谐波绕组3通过安装在转子外围的旋转桥式整流装置与转子励磁绕组2相连接，每极以轴为中心呈放射状设置气隙磁障4。 [0038] 所述的转子铁芯1通过在其q轴磁路上增加气隙磁障4形成高凸极比结构，且无需设置电刷滑环。所述转子铁芯1具有多个转子齿和由相邻所述转子齿形成的转子齿槽；所述转子励磁绕组2缠绕在所述转子齿上；所述转子谐波绕组3分布在所述转子齿槽中；所述转子励磁绕组2和所述转子谐波绕组3之间通过旋转整流器相连接。为提高起动转矩和电机效率，拟在避免使用永磁材料或其他耗能辅助的情况下，所述转子铁芯1采用高凸极比结构来获取较高的辅助磁阻转矩。同时，高磁阻转矩也可弥补由于次谐波磁场所带来的附加铁损。 [0039] 永磁同步电机优势显著但需要用到稀土资源，而交流异步电机成本略低但性能与效率有待提高。故而，无永磁的电励磁技术和少永磁的混合励磁技术开始成为了学术界和产业界前沿的研究热点。传统绕线式电励磁同步电机获取直流励磁电流时，需要经由电刷和滑环与直流励磁电源连接，可靠性低、清洁度差、很难实现高速运行。因此，对无刷励磁问题的研究成为电励磁同步电机的研究重要方向之一。利用次谐波磁场实现传统电励磁同步电机的无刷化，同时相较于其他次数谐波更具有低附加铁损的特点。以往提高启动转矩都是采用附加永磁材料来实现，本发明采用高凸极比结构，无需采用永磁材料，即可解决谐波励磁无刷电机的低启动转矩的技术难题。 [0040] 本发明不依赖永磁体，取消电刷滑环和额外的励磁机，在转子上增设次谐波绕组和旋转整流器，实现电机的无刷运行；并采用高凸极比结构使得次谐波励磁同步无刷电机具有较高的辅助磁阻转矩，从而提高起动转矩和电机效率。同时，高磁阻转矩也可弥补由于次谐波磁场所带来的附加铁损。与普通电励磁同步电机相比，本实施例所述的电机在转子上增加一套谐波绕组3，该谐波绕组能够利用定子产生的次谐波磁场产生谐波磁场感应谐波电动势，谐波电势通过旋转整流器给励磁绕组2提供励磁电流，从而实现无刷励磁。本实施例所述电机完全基于电励磁，不使用附加的永磁材料和独立励磁机，成本低廉，可靠性高。 [0041] 进一步的，转子励磁绕组2和转子谐波绕组3均布置在转子齿上，所述转子谐波绕组中各线圈串联连接，且所述谐波绕组的节距为所述励磁绕组节距的二倍，从而使得谐波绕组与次谐波磁场充分匝链，相互切割。 [0042] 所述转子励磁绕组2的各励磁线圈串联连接，且各励磁线圈的极性设置要使得相邻两个磁极的磁动势极性相反，转子励磁绕组2的节距为1。所述旋转整流器采用桥式不控整流电路；所述桥式不控整流电路中的开关器件采用二极管；所述转子谐波绕组3连接在所述桥式不控整流电路的交流侧，所述转子励磁绕组2连接在所述桥式不控整流电路的直流侧。所述转子谐波绕组3和所述转子励磁绕组2均单独不施加电流激励。 [0043] 下面具体说明定子电枢绕组和转子谐波绕组之间的电磁作用。 [0044] 给图3所示的三相电枢绕组6系统通入三相对称的正弦基波电流。定子线圈组通过串联、并联、串联的连接方式相连，这样会使得在一相内的不同线圈组上流过不同的电流。考虑到每个线圈组的匝数相等，根据基尔霍夫电流定律，每一相的2号线圈和4号线圈上流过的电流为额定电流，而1号线圈和3号线圈由于并联布置，电流被平均分配。根据电磁感应定律，电枢绕组中的电流会在气隙中产生磁动势。因为在每一相的线圈上流过的电流大小不同，所以在额定电流流过的线圈区域中(例如A相绕组中的线圈A2和A4)会产生磁动势的高峰值；在有一半额定电流流过的线圈区域中(例如A相绕组中的线圈A1和A3)会产生磁动势的低峰值。因此，整个电机总磁动势包括一个正序基波磁动势和一个负序次谐波磁动势分量。忽略所有高次谐波磁动势分量，则所述电机的气隙磁动势的表达式为： [0045] [0046] 式(1)中，前后两项分别表示正序基波磁动势和负序次谐波磁动势。可以看出，基波磁动势旋转速度与所述电机的额定转速相等，次谐波磁动势旋转速度为所述电机额定转速的一半。 [0047] 气隙磁动势波形以及电机定子和转子绕组布置如图6所示。考虑到次谐波磁动势频率为基波磁动势频率的一半，因此，为了与磁场充分匝链，设置转子谐波绕组极距为转子励磁绕组极距的二倍。主要考虑基波磁场和次谐波磁场，忽略齿谐波等高次谐波磁场的影响。当所述电机工作在额定状态时，基波磁场与转子一起以额定转速旋转。转子谐波绕组和转子励磁绕组也会随转子一起以额定转速旋转，因此，转子谐波绕组和转子励磁绕组不会切割基波磁场，也就不会产生感应电动势。对于次谐波磁场，它的旋转速度仅为基波磁场旋转速度的二分之一，因此转子谐波绕组会与次谐波磁场相互切割，产生感应电动势。对于转子励磁绕组，各励磁线圈串联连接，同一极下的励磁线圈的两边所产生的感应电动势大小方向均相同，因而对于整个线圈组感应电动势相互抵消，所以次谐波磁场在转子励磁绕组中不会产生感应电动势。次谐波磁场在转子谐波绕组中感应出交流电动势后，通过旋转整流器进行整流。该旋转整流器采用二极管桥式不控整流电路，电路原理图如图6所示。谐波绕组上生成的感应电动势e经过绕组内阻分压后，得到整流装置交流侧电压u。经过整流电路后，可以在转子励磁绕组中建立稳定的直流电流if。 [0048] 结合上述说明，通过在集中式的定子电枢绕组中通入三相对称的正弦基波电流，会在电机气隙中产生基波磁场和次谐波磁场；转子谐波绕组与次谐波磁场相互切割，产生交流的感应电动势，再通过旋转整流器后可以在转子励磁绕组上得到励磁电流，建立转子磁极，然后与基波磁场作用，形成电励磁转矩。 [0049] 建立本发明所述电机的有限元仿真模型，给其定子电枢绕组通入三相对称的正弦基波电流时，在转子励磁绕组上得到如图7所示的励磁电流波形。由于励磁绕组本身具有较大的电感，因此励磁电流会从零开始建立，并逐渐趋于稳态，稳态时含有较多的直流成分和少量的脉振电流成分。仿真结果说明了本发明提出的次谐波励磁同步无刷电机的可行性。 [0050] 为了提高次谐波励磁同步无刷电机的起动转矩和电机效率，拟在避免使用永磁材料或其他耗能辅助的情况下，采用高凸极比结构来获取较高的辅助磁阻转矩。这种结构可以使得气隙磁场主要沿直轴磁路流通，流经交轴磁路的磁阻加大，从而增加了凸极比xq/xd的比值。 [0051] 当在所述电机的定子电枢绕组中通入三相对称电流时，会在气隙中产生以额定转速旋转的基波磁场。考虑到转子具有沿定子磁场磁阻最小方向上移动的趋势，这样在定子基波旋转磁场的作用下，转子便会产生磁阻转矩。磁阻转矩与上述说明的电励磁转矩叠加，共同作为电机的电磁转矩，可以确保该电机获得较大的起动转矩，进而拖动负载以额定转速旋转。 [0052] 本发明所述电机的总电磁转矩表达式为 [0053] [0054] 本发明所述高凸极比同步电机的总电磁转矩、电励磁转矩和磁阻转矩与电流相位角之间的关系示意如图8所示，图8是为了说明提高磁阻转矩能够提升总输出转矩。从电磁转矩表达式以及图8中可以看出，高凸极比同步电机的总电磁转矩由电励磁转矩分量与磁阻转矩分量两个部分组成。电励磁转矩分量是由气隙基波旋转磁场与通过次谐波励磁建立的转子磁极相互作用而产生的转矩。而磁阻转矩分量的产生则是由于磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，从而产生磁拉力，进而形成磁阻性质的转矩。磁阻转矩在凸极式同步电机中起着重要的作用，它可以提供额外的辅助转矩，使电机能够获得更大的起动转矩以及输出转矩，并输出所需的功率。 [0055] 综上所述，本发明是为了解决现有技术中永磁电机要依赖昂贵的永磁材料，电励磁同步电机依靠电刷滑环或独立励磁，谐波励磁电机高附加铁损和启动转矩低的问题。本发明在每两励磁极为一个谐波极，相应槽嵌有谐波绕组，利用定子绕组中的电流在电机气隙中产生次谐波磁场，在谐波绕组中产生感应电流，实现无刷励磁。此外，为了提高起动转矩和电机效率，本发明中的转子铁芯采用高凸极比结构使电机获得高起动转矩，其性能良好。本发明完全依赖电励磁，不依赖永磁体，同时取消了电刷滑环和励磁机，实现了无刷励磁，结构简单、运行可靠、成本较低、性能良好，适用于电动汽车等应用领域。 |
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