[发明专利]一种梯形转子齿结构正弦化双凸极电机及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及双凸极电机的结构设计及优化，属于电机结构设计领域。

背景技术

近年来，随着稀土永磁材料价格的逐年攀升，永磁同步电机的成本越发成为其成为在各种应用场合受限的重要因素，并且由于永磁电机自身存在的磁场调节困难的问题，弱磁实现转速范围的扩展，需要在直轴施加反向电流以实现弱磁控制，不仅要对永磁电机的磁钢设计加以调整以改变其交、直轴电感值，并且通过直流电流实现弱磁既增加了驱动变换器的容量，又可能会导致永磁体的永久性去磁，在高速运行阶段还将极大的降低电机运行效率，因此永磁同步电机的励磁调节实现其弱磁控制和提高高速运行阶段运行效率的关键。

正是由于永磁电机存在的固有问题，在目前的宽转速运行范围的电机驱动领域，磁阻类型的电机，如开关磁阻电机、双凸极电机等，相比较永磁电机虽然其运行效率相比较低一些，但是其结构简单，成本低、磁场调节方便、高速运行特性好等优势，能够有效解决永磁电机的磁链难以调节的问题，并且在高速运行场合具有更好的运行效率。尤其在目前电动汽车驱动领域，宽转速运行范围对驱动电机提出苛刻的要求，传统永磁电机难以满足其转速范围的需求，磁阻电机的转速范围和成本优势越发明显，因此在电动汽车驱动领域采用无永磁体或少永磁体结构电机成为发展的趋势。

虽然磁阻类电机在转速范围具有突出的优势，但是仍然存在固有的缺陷——转矩脉动大的问题，开关磁阻电机由于为半周出力方式，电机电流为脉冲形状，使得其输出转矩存在明显的转矩脉动和噪声，这也成为其在高性能驱动、伺服领域应用的最大障碍。双凸极电机是在开关磁阻电机的基础上衍生而来，增加励磁回路之后使得电机能够在电感上升、下降区间均能够输出力矩，并且其工作方式类似于无刷直流电机，但是传统结构的双凸极电机的反电势仍然为非理想方波，并且其反电势波形受到电机电枢反应的严重影响，在高速、大电流运行条件下出现严重畸变。双凸极电机采用的方波电流控制方式，由于是在电机绕组电感的峰值区域电流换相，大电感导致电流换相时间变长，在高速阶段再加上反电势的影响，使得双凸极电机的正负半轴电流的非对称性问题更加严重，结合畸变的反电势，双凸极电机的输出转矩脉动也是非常明显，同样约束了双凸极电机驱动应用场合。

因此，在双凸极电机驱动应用场合，为改善其输出转矩脉动，国内外学者在电机结构设计、换相逻辑和电流控制方式方面作了很多工作，能够通过控制方式一定程度上改善电机绕组换相过程中的转矩脉动，或者通过电机转子齿的斜槽设计，通过改变反电势的谐波含量，但是电机固有的转矩脉动仍然达到了电机输出转矩的15～30％，并且该转矩脉动抑制方式增加电机结构及控制的复杂性，然而作为电动机仍然较难以满足驱动系统的需求。因此，2013年英国谢菲尔德大学褚自强教授针对可变磁阻电机(电励磁双凸极电机)分析其转子极数对电机磁路特性的影响，对6定子极电机，分析其转子极数分别为5、6、7、8时，电机磁路特性的变化，并通过励磁绕组的分布设置，消除了传统开关磁阻、双凸极电机的定、转子数N_s±2n的约束关系，并验证了定子6极、转子5极结构双凸极电机不仅能够使得可变磁阻电机的磁链为规则圆，有效消除了N_s±2n结构下电机反电势中的明显的低次谐波，使得电机反电势基本趋于正弦化，并对其采用交流电机的矢量控制方式，可大幅减小其输出转矩脉动，实现了磁阻电机的正弦化驱动。在此基础上，针对5、7转子极结构电机存在的奇数极导致了高振动特性和噪音问题，采用定转子齿数翻倍的方式，即采用12定子极，10或14转子极结构，并通过定转子极数、弧长、绕组分布的优化，可进一步减小可变磁阻电机的反电势畸变和驱动转矩脉动。然而，该可变磁阻电机由于励磁绕组的夸单个齿分布，即定子每槽均嵌入励磁绕组，使得对应12极定子结构中励磁绕组的分布较为复杂，其端部也大幅增加，对应定子槽的槽满率也随之增加；为提高电机反电势的正弦化，还需要对定子、转子结构继续进行优化，并且为防止极数极带来的不对称振动影响，使得转子极数至少为10极，高极数在高速驱动运行过程中对逆变器的开关频率提出了更高的要求，在当前开关器件如IGBT开关频率受限的条件下，高极数限制了该电机在高速运行阶段的控制性能。

发明内容

所要解决的技术问题：

本发明旨在提出一种梯形转子齿结构正弦化双凸极电机及其设计方法，使得双凸极电机的输出反电势呈正弦化，结合交流电机的矢量控制策略，有效降低双凸极电机作为驱动电机的转矩脉动。

技术方案：