专利名称：具有双笼障转子的定子自励磁同步电机及其控制方法
技术领域：
:本发明涉及一种交流电机，特别是一种具有双笼障转子的定子自励磁同步电机及其控制方法。该电机既可作电动机运行，又可作发电机运行。
背景技术：
:具有双笼障转子的定子自励磁同步电机的定子上包括2p极的三相对称电枢绕组和2q极的单相对称励磁绕组(或者2q极的三相对称电枢绕组和2p极的单相对称励磁绕组)，且满足2p_2q ^ 4，两套绕组之间的耦合是由PfP+q对极特殊设计的转子来实现的，因此该种电机无需安装电刷滑环，即可通过励磁绕组磁场与电枢绕组磁场的相互作用实现机电能量转换，与常规同步电机相比电机运行可靠性高、维护成本低。可用于该种电机的转子结构主要包括绕线式和磁阻式两大类。其中绕线式包括单层同心式短路绕组，齿谐波双层分布绕组；磁阻类包括具有齿槽的径向叠片凸极磁阻转子、轴向叠片磁阻转子。绕线类转子结构的优点是制造工艺与常规电机类似，缺点是对定子两套绕组的耦合完全是以牺牲转子绕组铜耗为代价的，而且对定子两套绕组耦合能力欠佳，电机的动态性能也较差，而齿谐波双层分布绕组的工艺性欠佳。磁阻类转子的优点是转子上没有任何铜损耗，对定子两套绕组耦合能力和加工复杂程度各异。具有齿槽的径向叠片凸极磁阻转子易于加工，但对定子两套绕组的耦合效果欠佳；轴向叠片磁阻转子的耦合能力强，但制造工艺复杂，在大型定子双绕组交流电机中应用困难。此外，常规定子双绕组交流电机的控制系统受不确定性参数变化和扰动影响较大，具有抗干扰能力差等缺点。
发明内容
发明目的:本发明提供一种具有双笼障转子的定子自励磁同步电机及其控制方法，其目的在于提出了一种 既便于加工制造，又可使得对定子两套绕组耦合能力实现最大化，从而具有高功率密度和优良稳态与动态性能的新型具有双笼障转子的定子自励磁同步电机结构，同时也大大提高了该种交流电机的抗扰动能力。技术方案:本发明采用以下技术方案:具有双笼障转子的定子自励磁同步电机，主要包括定子、内转子、外转子双向逆变器，其特征在于:内转子和外转子分别位于定子的内外两侧，两个转子通过法兰盘同轴连接在一起，其中定子内外两侧均安放2p极的三相对称电枢绕组和2q极的三相对称励磁绕组，电枢绕组的极数和励磁绕组的极数亦可互换，且均满足2p_2q ^ 4 ;内转子和外转子分别由p^p+q个相同的笼障转子模块沿圆周方向拼成具有!^个凸极型的转子，笼障内转子模块内侧通过定位槽与非导磁材料制成的套筒相连，套筒通过转轴上的定位销与转轴固定在一起；外转子笼障模块外侧通过定位槽与非导磁材料制成的套筒相连；每个笼障内转子模块外表面开有多个径向梯形槽，每个笼障外转子模块内表面开有多个径向梯形槽，径向梯形槽间距可以相等也可以不等，对于内转子和外转子，所有梯形槽沿径向具有数个不等的阶梯槽宽，每个梯形槽内放入若干根导体组成短路笼条，相邻笼障转子模块相接处为阶梯型豁口，相邻笼障转子模块拼接后在其相接处形成h个公共梯形槽，且公共梯形槽底部的间隙深度一直达到套筒表面，每个公共梯形槽沿径向具有数个不等的阶梯槽宽，每个公共梯形槽内放入若干根导体组成公共笼条；公共笼条和短路笼条分别采用端部导电环连接形成导电回路；笼障内转子模块和笼障外转子模块中心处都开有多组切向隔磁层，分别与各自两侧嵌放短路笼条的梯形槽组合形成多组径向叠片磁障，在笼障转子模块内形成多个导磁层。电枢绕组与电网相连，励磁绕组与双向逆变器的一端相连，双向逆变器另一端与电网相连。放置公共笼条和短路笼条的梯形槽的槽口处开有内豁口并嵌放槽楔；公共笼条端部链接形式可以为:端部导电环将公共梯形槽内同层的公共笼条两侧端部全部连在一起；也可以将公共梯形槽内单层公共笼条分成两部分，两部分公共笼条分别与相邻公共梯形槽内同层的公共笼条通过端部导电环相连；也可以将公共梯形槽内外层公共笼条与单侧相邻公共梯形槽内的内层公共笼条通过端部导电环相连；也可以在相邻两个公共梯形槽内放置多匝线圈导体；短路笼条端部链接形式可以为:以笼障转子模块径向对称线为中心，将两侧相对应的同层短路笼条端部通过导体相连，形成多组独立的同心式环形导电回路；也可以将外层短路笼条与相对应梯形槽的内层短路笼条通过导体相连，形成多组独立的交叉型同心式环形回路；也可以在相对应的两个同层梯形槽内放置多匝线圈导体，同一转子模块上的多组线圈导体匝数可以相同也可不同。笼障内转子和外转子的两端分别装有压板，压板与转子间加绝缘层隔离，压板上钻有与笼障转子定位孔位置相同的定位孔，非导磁材料制成的压紧螺杆沿轴向穿过全部定位孔，在压板两端利用螺母压紧固定。内转子和外转子安装绕组后余下的公共梯形槽缝隙和模块内磁障缝隙内可浇注耐高温非导磁材料或者不浇筑。套筒上用于安装转 子模块的定位槽形式为矩形槽或燕尾槽；内转子套筒的形式可以为圆形套筒或多边形套筒。转子模块隔磁层的形状可以为弧形磁障缝隙或U形磁障缝隙。一种如上所述具有双笼障转子的定子自励磁同步电机的控制方法，其特征在于:控制方式采用PIMD控制方法来实现具有双笼障转子的定子自励磁同步电机的转速跟踪，其控制思想是针对具有双笼障转子的定子自励磁同步电机具有不确定性参数变化和扰动影响的特点，利用负延迟方法，通过调整延迟时间来消除不确定干扰信号，并引入了 H00控制策略，进而提高系统的鲁棒性；具体为:采用电枢绕组dq坐标系，则具有双笼障转子的定子自励磁同步电机的电磁转矩方程为re = |(/,r+ /々 )<“ =J ^ ++T1(I)式中，Pp和P。分别表示电枢绕组和励磁绕组的极对数，ψφ为电枢绕组磁链的d轴分量，iqc为励磁绕组电流的q轴分量，为转速输出，J为转子机械惯量，B为转动阻尼系数，Te为总电磁转矩，T1为负载转矩。对式(I)两边进行拉氏变换，可得标称模型的传递函数P(S)为
权利要求
1.具有双笼障转子的定子自励磁同步电机，主要包括定子(I)、内转子(2)、外转子(3)可控直流电源(4)，其特征在于:内转子(2 )和外转子(3 )分别位于定子(I)的内外两侧，两个转子通过法兰盘同轴连接在一起，其中定子(I)内外两侧均安放2p极的三相对称电枢绕组(6)和2q极的单相对称励磁绕组(7)，或者电枢绕组(6)的极数和励磁绕组(7)的极数互换，且均满足2p_2q ^ 4 ;内转子(2)和外转子(3)分别由p^p+q个相同的笼障转子模块沿圆周方向拼成具有K个凸极型的转子，笼障内转子模块内侧通过定位槽(13)与非导磁材料制成的套筒(14)相连，套筒(14)通过转轴上的定位销与转轴(15)固定在一起；外转子笼障模块外侧通过定位槽(13)与非导磁材料制成的套筒(14)相连；每个笼障内转子模块外表面开有多个径向梯形槽，每个笼障外转子模块内表面开有多个径向梯形槽，径向梯形槽间距相等或者不等，对于内转子和外转子，所有梯形槽沿径向具有数个不等的阶梯槽宽，每个梯形槽内放入若干根导体组成短路笼条(11)，相邻笼障转子模块相接处为阶梯型豁口，相邻笼障转子模块拼接后在其相接处形成h个公共梯形槽，且公共梯形槽底部的间隙(16)深度一直达到套筒(14)表面，每个公共梯形槽沿径向具有数个不等的阶梯槽宽，每个公共梯形槽内放入若干根导体组成公共笼条(10);公共笼条(10)和短路笼条(11)分别采用端部导电环(18)连接形成导电回路；笼障内转子模块和笼障外转子模块中心处都开有多组切向隔磁层(8)，分别与各自两侧嵌放短路笼条(11)的梯形槽组合形成多组径向叠片磁障，在笼障转子模块内形成多个导磁层(9)。
2.权利要求1所述具有双笼障转子的定子自励磁同步电机，其特征在于:电枢绕组(6)与电网(5)相连，励磁绕组(7)与双向逆变器(4)的一端相连，双向逆变器(4)另一端与电网(5)相连。
3.权利要求1所述具有双笼障转子的定子自励磁同步电机，其特征在于:放置公共笼条(10)和短路笼条(11)的梯形槽的槽口处开有内豁口并嵌放槽楔(17);公共笼条(10)端部链接形式可以为: 端部导电环(18)将公共梯形槽内同层的公共笼条(10)两侧端部全部连在一起；也可以将公共梯形槽内单层公共笼条(10)分成两部分，两部分公共笼条(10)分别与相邻公共梯形槽内同层的公共笼条(10)通过端部导电环(18)相连；也可以将公共梯形槽内外层公共笼条(9)与单侧相邻公共梯形槽内的内层公共笼条(10)通过端部导电环(18)相连；也可以在相邻两个公共梯形槽内放置多匝线圈导体；短路笼条(11)端部链接形式可以为:以笼障转子模块径向对称线为中心，将两侧相对应的同层短路笼条(11)端部通过导体相连，形成多组独立的同心式环形导电回路；也可以将外层短路笼条与相对应梯形槽的内层短路笼条通过导体相连，形成多组独立的交叉型同心式环形回路；也可以在相对应的两个同层梯形槽内放置多匝线圈导体，同一转子模块上的多组线圈导体匝数可以相同也可不同。
4.权利要求1所述具有双笼障转子的定子自励磁同步电机，其特征在于:笼障内转子和外转子的两端分别装有压板，压板与转子间加绝缘层隔离，压板上钻有与笼障转子定位孔(11)位置相同的定位孔(11)，非导磁材料制成的压紧螺杆沿轴向穿过全部定位孔(11)，在压板两端利用螺母压紧固定。
5.权利要求1所述具有双笼障转子的定子自励磁同步电机，其特征在于:内转子和外转子安装绕组后余下的公共梯形槽缝隙和模块内磁障缝隙内可浇注耐高温非导磁材料或者不浇筑。
6.权利要求1所述具有双笼障转子的定子自励磁同步电机，其特征在于:套筒(13)上用于安装转子模块的定位槽形式为矩形槽或燕尾槽；内转子套筒(13)的形式可以为圆形套筒或多边形套筒。
7.权利要求1所述具有双笼障转子的定子自励磁同步电机，其特征在于:转子模块隔磁层的形状可以为弧形磁障缝隙或U形磁障缝隙。
8.—种如权利要求1所述具有双笼障转子的定子自励磁同步电机的控制方法，其特征在于:控制方式采用PIMD控制方法来实现具有双笼障转子的定子自励磁同步电机的转速跟踪，其控制思想是针对具有双笼障转子的定子自励磁同步电机具有不确定性参数变化和扰动影响的特点，利用负延迟方法，通过调整延迟时间来消除不确定干扰信号，并引入了H00控制策略，进而提高系统的鲁棒性；具体为:采用电枢绕组dq坐标系，则具有双笼障转子的定子自励磁同步电机的电磁转矩方程为
9.根据权利要求8所述的具有双笼障转子的定子自励磁同步电机的控制方法，其特征在于:在PIMD控制中加入权值函数，即可将其转化为H00控制问题，设权值函数的状态空间形式为
全文摘要
本发明涉及一种具有双笼障转子的定子自励磁同步电机。其特征在于内转子和外转子分别位于定子内外两侧，在定子内外表面槽内均安放三相对称电枢绕组和单相励磁绕组，转子靠近定子侧采用相同的笼障转子模块沿圆周方向拼成一个具有凸极型的转子，每个笼障转子模块通过定位槽与套筒相连；笼障转子模块开有多个梯形槽，梯形槽内放入短路笼条，相邻笼障转子模块相接处为阶梯型豁口，相邻模块拼接后在其相接处形成公共梯形槽，槽底部的间隙深度达到套筒表面，槽内放入公共笼条；其目的在于提出了一种既便于加工制造，又可实现定子无刷自励磁，从而具有高功率密度和优良稳态与动态性能的新型具有双笼障转子的定子自励磁同步电机。
文档编号H02P21/00GK103166395SQ20131010857
公开日2013年6月19日 申请日期2013年3月29日 优先权日2013年3月29日
发明者张凤阁, 刘光伟, 贾广隆, 彭薇, 杜光辉 申请人:沈阳工业大学