环形绕组磁阻电机、系统及其控制方法

1.本发明涉及电机设备领域，具体地，涉及一种开关磁阻电机、系统及其控制方法。尤其是涉及一种正弦电流驱动的环形绕组开关磁阻电机。


背景技术：

2.随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展，开关磁阻电机的应用越来越多。典型的开关磁阻电机为定转子双凸极结构，定子上有电枢绕组但转子上既无绕组也无永磁体，电枢绕组线圈为集中式绕组结构，端部短、结构紧凑；电机配合不对称半桥电路以加载单极性方波电流完成机电能量转换。开关磁阻电机结构简单、鲁棒性强、容错性好，在运行工况恶劣、运行转速高、容错能力要求高的场合具有很好的竞争力。
3.但是，由于开关磁阻电机采用双凸极铁心结构和单极性方波电流驱动，其切向转矩和径向磁拉力波动变化都较大，相应的，开关磁阻电机具有较为明显的振动噪声问题，这限制了其在某些场合的应用。相比之下，采用正弦电流驱动电机有利于降低振动噪声，但是将传统开关磁阻电机的单极性方波电流简单替换成正弦电流，会严重削弱电机转矩能力、降低电机转矩密度。另一方面，与开关磁阻电机配合的基于不对称半桥电路拓扑的功率变换器并不常见，这给该类型电机的大规模推广也带来障碍。因此，找到一种可以采用正弦电流驱动、且保持电机转矩密度高、结构简单的优势的磁阻电机，是一个学术界和工业界都关心的问题。针对此问题，本发明提出一种可以适配常规多相全桥电路拓扑功率变换器、采用正弦电流驱动的环形绕组磁阻电机。
4.专利文献cn107534325a公开了一种采用环形绕组的开关磁阻电机结构，该电机包括定子铁心、缠绕于定子铁心的环形绕组线圈、转子铁心。需要指出的是，该中国专利文献所公开的结构来源于传统开关磁阻电机，其将传统开关磁阻电机中缠绕于定子凸极齿的绕组简单替换为缠绕于定子轭的环形绕组，该专利目标在于利用直接替换绕组结构形式，发挥环形绕组的槽满率优势、冷却优势和便于加工的优势，但所公开结构的电机相数、定转子极槽数配合、运行原理、所连接的功率变换器类型、加载电流性质均与传统开关磁阻电机相同。所公开结构仍然采用传统开关磁阻电机适配的不对称半桥功率变换器拓扑以加载单极性方波电流；或采用多相h桥功率变换器拓扑以加载双极性方波电流。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种环形绕组磁阻电机、系统及其控制方法。
6.为了实现上述发明目的，本发明提出了一种环形绕组磁阻电机，其包括：定子铁心、转子铁心、电枢绕组：
7.所述定子铁心与所述转子铁心为同心布置；
8.所述电枢绕组放置于定子铁心上，电枢绕组的线圈采用端部无重叠的环形绕组结构，嵌套于定子铁心的轭部；
9.定子铁心、转子铁心均为凸极结构，分别具有朝向气隙侧的定子凸极齿、转子凸极齿且定子凸极齿的个数和转子凸极齿的个数不相等，转子凸极齿个数为奇数或偶数。
10.本发明所述的环形绕组磁阻电机的定子铁心和转子铁心均为凸极结构，两者的凸极齿均朝向气隙侧，且两者凸极齿个数不相等；更重要的是，转子凸极齿个数的选取规则不同于传统开关磁阻电机的转子凸极齿个数选择规则，本发明电机的转子凸极齿个数可以为偶数，也可以为奇数。
11.本发明所述的环形绕组磁阻电机的电枢绕组能够加载正弦电流实现机电能量转换，完成电动或发电运行。
12.在本发明所述的环形绕组磁阻电机，针对现有技术存在的缺陷，通过灵活调整电机转子凸极齿数，配合放置于电机定子铁心轭部的环形绕组线圈以发挥绕组端部短、结构紧凑的优势，进而加载正弦电流。这样，本发明所述的环形绕组磁阻电机在继承开关磁阻电机结构简单紧凑、鲁棒性好的特点的基础上，还能够利用正弦电流激励以同时实现高转矩密度、低转矩脉动和低振动噪声。
13.优选地，在本发明所述的环形绕组磁阻电机中，放置于定子铁心上的电枢绕组线圈为端部无重叠的集中式绕组线圈，其嵌套于定子铁心轭部。
14.优选地，在本发明所述的环形绕组磁阻电机中，电枢绕组的相数能够灵活选取。多相电枢绕组采用对称排列、两两间隔的方式布置，即每相邻的两个电枢绕组线圈属于同一相。
15.优选地，在本发明所述的环形绕组磁阻电机中，定子凸极齿个数和转子凸极齿个数能够灵活选取，且选择规则能够不同于传统开关磁阻电机；具体来看，若记电机相数m，则定子凸极齿数ns＝2nm，转子凸极齿数能够满足nr＝ns
±
n，其中n为任意正整数，这样，本发明所述的环形绕组磁阻电机的定子凸极齿个数和转子凸极齿个数相比于传统开关磁阻电机更接近。
16.优选地，在本发明所述的环形绕组磁阻电机中，定子铁心和转子铁心能够采用传统硅钢冲片叠压制成。
17.优选地，在本发明所述的环形绕组磁阻电机中，定子铁心和转子铁心能够采用内转子结构、或外转子结构、或双定子结构、或双转子结构。
18.优选地，在本发明所述的环形绕组磁阻电机中，能够采用径向磁场旋转电机结构、或轴向磁场旋转电机结构、或直线电机结构。
19.优选地，在本发明所述的环形绕组磁阻电机中，电机能够作电动运行或发电运行。
20.优选地，在本发明所述的环形绕组磁阻电机中，定子铁心能够采用模块化定子结构。
21.相应地，为了实现上述发明目的，本发明还提出了一种环形绕组磁阻电机系统，其包括上述的环形绕组磁阻电机以及与环形绕组磁阻电机电连接的控制器，该控制器包括功率变换器，该功率变换器与环形绕组磁阻电机的电枢绕组作电连接。
22.优选地，在本发明所述的环形绕组磁阻电机系统中，控制器的功率变换器能够采用多相全桥电路拓扑，也能够采用多相独立h桥电路拓扑等，功率变换器的相数等于环形绕组磁阻电机中电枢绕组的相数。
23.相应地，为了实现上述发明目的，本发明还提出了一种环形绕组磁阻电机的控制
方法，在本发明所述的环形绕组磁阻电机中，能够在电枢绕组加载正弦电流以实现电机的机电能量转换，也能够加载双极性方波电流以实现电机的机电能量转换。
24.与现有技术相比，本发明所述的环形绕组磁阻电机、电机系统及其控制方法具有如下所述的优点以及有益效果：
25.1、本发明所述的环形绕组磁阻电机通过灵活融合绕组形式和转子凸极齿个数的创新，可以实现对于正弦电枢电流的最优适配，使电机兼具高转矩密度、低转矩脉动和低振动噪声的优点。
26.2、本发明所述的环形绕组磁阻电机系统可以配合基于成熟的多相全桥电路拓扑的功率变换器以加载正弦电流，大大提升该类型电机控制器的通用性和规模效应。
27.3、本发明所述的环形绕组磁阻电机的电枢绕组采用环形绕组结构，无重叠端部且端部短、电机槽满率高、电机绕组散热方式灵活，而且电机定子可以方便地实现模块化加工。
28.4、本发明所述的环形绕组磁阻电机的相数、定子凸极齿数、转子凸极齿数的选取灵活，适用范围广，设计自由度高。
29.5、本发明所述的环形绕组磁阻电机由于只对电枢绕组形式和转子凸极齿个数进行了结构改良和调整，因此，该电机保持了结构简单紧凑、绕组端部短、电机鲁棒性强、转矩密度高的优势。
附图说明
30.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
31.图1为本发明所述的环形绕组磁阻电机在一种实施方式下的横向剖视结构示意图；
32.图2为本发明所述的环形绕组磁阻电机系统在一种实施方式下的控制器中功率变换器的电路拓扑示意图；
33.图3示意性地显示了本发明所述的环形绕组磁阻电机系统在一种实施方式下加载正弦电流时的电磁转矩与采用传统集中式齿绕组的开关磁阻电机加载单极性方波电机时的电磁转矩的对比波形。
34.图1中示出：
35.定子铁心1
36.转子铁心2
37.电枢绕组3
38.电枢绕组3a相(包括电枢绕组线圈3a-1、3a-2、3a-3、3a-4)
39.电枢绕组3b相(包括电枢绕组线圈3b-1、3b-2、3b-3、3b-4)
40.电枢绕组3c相(包括电枢绕组线圈3c-1、3c-2、3c-3、3c-4)
具体实施方式
41.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术
人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
42.实施例1
43.图1为本发明所述的环形绕组磁阻电机在一种实施方式下的横向剖视结构示意图。
44.如图1所示，在本实施例中，环形绕组磁阻电机为径向磁场旋转电机、内转子结构。定子十二槽、转子十极、电枢绕组三相且包含十二个电枢绕组线圈。
45.具体来看，其包含定子铁心1、转子铁心2、电枢绕组3。其中，转子铁心2位于定子铁心1的内部以构成内转子结构(当然，在一些其他的实施方式中，也可以做成外转子结构，即转子铁心2位于定子铁心1的外部)。定子铁心1和转子铁心2都可采用硅钢冲片压叠制成。
46.进一步参考图1可以看出，电枢绕组3包括十二个电枢绕组线圈：即电枢绕组线圈3a-1、电枢绕组线圈3a-2、电枢绕组线圈3a-3和电枢绕组线圈3a-4，它们依序串联、或并联、或串并混联构成电枢绕组3a相；电枢绕组线圈3b-1、电枢绕组线圈3b-2、电枢绕组线圈3b-3和电枢绕组线圈3b-4，它们依序串联、或并联、或串并混联构成电枢绕组3b相；电枢绕组线圈3c-1、电枢绕组线圈3c-2、电枢绕组线圈3c-3和电枢绕组线圈3c-4，它们依序串联、或并联、或串并混联构成电枢绕组3c相。三相电枢绕组对称排列、两两间隔，即每相邻的两个电枢绕组线圈属于同一相。
47.在本实施例中，还提供了一种环形绕组磁阻电机系统，其包括上述的环形绕组磁阻电机以及与环形绕组磁阻电机作电连接的控制器。
48.其中，控制器中的功率变换器的电路拓扑结构可以参考图2。图2为本发明所述的环形绕组磁阻电机系统在一种实施方式下的控制器中功率变换器电路拓扑示意图。
49.如图2所示，控制器中功率变换器采用经典三相全桥电路拓扑，每个桥臂的中点与环形绕组磁阻电机的电枢绕组3中的一相作电连接。这样，该功率变换器可以方便地给环形绕组磁阻电机的电枢绕组3加载三相对称正弦电流。由此，本发明所述环形绕组磁阻电机即可依靠磁阻转矩稳定地运行。
50.为了更好地说明本案的实施效果，图3示意性地对比显示了传统基于齿绕组的开关磁阻电机加载单极性方波电流时的转矩波形和本案所提的环形绕组磁阻电机加载正弦电流时的转矩波形。从图中可以看出，通过采用环形绕组并配合正弦电流，本案所提出的环形绕组磁阻电机的输出转矩明显提高、且转矩脉动明显降低。
51.实施例2
52.实施例2中的环形绕组磁阻电机系统，其结构与实施例1中的环形绕组磁阻电机系统的结构基本一致，其区别在于，实施例2的环形绕组磁阻电机的定子槽数为六、转子极数为五，相应的，电机的电枢绕组3包括六个电枢绕组线圈，构成对称的三相绕组。需要指出的是，与实施例1类似，在实施例2中，电枢绕组3与基于三相全桥电路拓扑的功率变换器作电连接，进而加载三相对称正弦电流以实现电机的稳定运行。
53.需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本技术文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。
54.此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或
是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
55.还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。
56.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。