[發明專利]一種梯形轉子齒結構正弦化雙凸極電機及其設計方法

在審

• 申請號: 201410852974.2
• 申請日: 2014-12-31
• 公開（公告）號: CN104578491A
• 公開（公告）日: 2015-04-29
• 發明（設計）人: 魏佳丹;周波;史立偉
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H02K1/24
• 分類號: H02K1/24
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

技術領域

本發明涉及雙凸極電機的結構設計及優化，屬于電機結構設計領域。

背景技術

近年來，隨著稀土永磁材料價格的逐年攀升，永磁同步電機的成本越發成為其成為在各種應用場合受限的重要因素，并且由于永磁電機自身存在的磁場調節困難的問題，弱磁實現轉速范圍的擴展，需要在直軸施加反向電流以實現弱磁控制，不僅要對永磁電機的磁鋼設計加以調整以改變其交、直軸電感值，并且通過直流電流實現弱磁既增加了驅動變換器的容量，又可能會導致永磁體的永久性去磁，在高速運行階段還將極大的降低電機運行效率，因此永磁同步電機的勵磁調節實現其弱磁控制和提高高速運行階段運行效率的關鍵。

正是由于永磁電機存在的固有問題，在目前的寬轉速運行范圍的電機驅動領域，磁阻類型的電機，如開關磁阻電機、雙凸極電機等，相比較永磁電機雖然其運行效率相比較低一些，但是其結構簡單，成本低、磁場調節方便、高速運行特性好等優勢，能夠有效解決永磁電機的磁鏈難以調節的問題，并且在高速運行場合具有更好的運行效率。尤其在目前電動汽車驅動領域，寬轉速運行范圍對驅動電機提出苛刻的要求，傳統永磁電機難以滿足其轉速范圍的需求，磁阻電機的轉速范圍和成本優勢越發明顯，因此在電動汽車驅動領域采用無永磁體或少永磁體結構電機成為發展的趨勢。

雖然磁阻類電機在轉速范圍具有突出的優勢，但是仍然存在固有的缺陷——轉矩脈動大的問題，開關磁阻電機由于為半周出力方式，電機電流為脈沖形狀，使得其輸出轉矩存在明顯的轉矩脈動和噪聲，這也成為其在高性能驅動、伺服領域應用的最大障礙。雙凸極電機是在開關磁阻電機的基礎上衍生而來，增加勵磁回路之后使得電機能夠在電感上升、下降區間均能夠輸出力矩，并且其工作方式類似于無刷直流電機，但是傳統結構的雙凸極電機的反電勢仍然為非理想方波，并且其反電勢波形受到電機電樞反應的嚴重影響，在高速、大電流運行條件下出現嚴重畸變。雙凸極電機采用的方波電流控制方式，由于是在電機繞組電感的峰值區域電流換相，大電感導致電流換相時間變長，在高速階段再加上反電勢的影響，使得雙凸極電機的正負半軸電流的非對稱性問題更加嚴重，結合畸變的反電勢，雙凸極電機的輸出轉矩脈動也是非常明顯，同樣約束了雙凸極電機驅動應用場合。

因此，在雙凸極電機驅動應用場合，為改善其輸出轉矩脈動，國內外學者在電機結構設計、換相邏輯和電流控制方式方面作了很多工作，能夠通過控制方式一定程度上改善電機繞組換相過程中的轉矩脈動，或者通過電機轉子齒的斜槽設計，通過改變反電勢的諧波含量，但是電機固有的轉矩脈動仍然達到了電機輸出轉矩的15～30％，并且該轉矩脈動抑制方式增加電機結構及控制的復雜性，然而作為電動機仍然較難以滿足驅動系統的需求。因此，2013年英國謝菲爾德大學褚自強教授針對可變磁阻電機(電勵磁雙凸極電機)分析其轉子極數對電機磁路特性的影響，對6定子極電機，分析其轉子極數分別為5、6、7、8時，電機磁路特性的變化，并通過勵磁繞組的分布設置，消除了傳統開關磁阻、雙凸極電機的定、轉子數N_s±2n的約束關系，并驗證了定子6極、轉子5極結構雙凸極電機不僅能夠使得可變磁阻電機的磁鏈為規則圓，有效消除了N_s±2n結構下電機反電勢中的明顯的低次諧波，使得電機反電勢基本趨于正弦化，并對其采用交流電機的矢量控制方式，可大幅減小其輸出轉矩脈動，實現了磁阻電機的正弦化驅動。在此基礎上，針對5、7轉子極結構電機存在的奇數極導致了高振動特性和噪音問題，采用定轉子齒數翻倍的方式，即采用12定子極，10或14轉子極結構，并通過定轉子極數、弧長、繞組分布的優化，可進一步減小可變磁阻電機的反電勢畸變和驅動轉矩脈動。然而，該可變磁阻電機由于勵磁繞組的夸單個齒分布，即定子每槽均嵌入勵磁繞組，使得對應12極定子結構中勵磁繞組的分布較為復雜，其端部也大幅增加，對應定子槽的槽滿率也隨之增加；為提高電機反電勢的正弦化，還需要對定子、轉子結構繼續進行優化，并且為防止極數極帶來的不對稱振動影響，使得轉子極數至少為10極，高極數在高速驅動運行過程中對逆變器的開關頻率提出了更高的要求，在當前開關器件如IGBT開關頻率受限的條件下，高極數限制了該電機在高速運行階段的控制性能。

發明內容

所要解決的技術問題：

本發明旨在提出一種梯形轉子齒結構正弦化雙凸極電機及其設計方法，使得雙凸極電機的輸出反電勢呈正弦化，結合交流電機的矢量控制策略，有效降低雙凸極電機作為驅動電機的轉矩脈動。

技術方案：