混合转子大转矩直驱同步电机及其控制方法技术

混合转子大转矩直驱同步电机及其控制方法,该同步电机主要由外定子（1）、内定子（2）和转子（3）构成，转子（3）设置在外定子（1）和内定子（2）之间；该方法通过估测混合转子中磁阻转子位置来获得整个转子位置，进而实现无位置传感器控制。所提出的无位置传感器矢量控制方法无需坐标变换，结构简单，克服了传统矢量控制的复杂性和对电机参数依赖性强的问题。

High Torque Direct-Driven Synchronous Motor with Hybrid Rotor and Its Control Method

Hybrid rotor direct drive synchronous motor with large torque and its control method are mainly composed of external stator (1), internal stator (2) and rotor (3). The rotor (3) is located between external stator (1) and internal stator (2). This method obtains the whole rotor position by estimating the reluctance rotor position in the hybrid rotor, and then realizes sensorless control. The proposed sensorless vector control method does not need coordinate transformation and has simple structure. It overcomes the complexity of traditional vector control and the strong dependence on motor parameters.

【技术实现步骤摘要】
混合转子大转矩直驱同步电机及其控制方法
：本专利技术涉及一种混合转子大转矩直驱同步电机及其控制系统。属于电机设计及其控制系统领域。
技术介绍
：现代工业中有大量需要低速大转矩传动系统的装备，例如数控机床、重矿机械、石油钻探机械、大型工业传送带和起重类设备等，这类系统是典型的高耗能机电设备，耗电量约占工业总耗电量的10％。目前，我国低速大转矩传动装备大多采用“常规转速电机+减速齿轮机构”的驱动方式，但多出的减速传动环节不仅会使驱动系统体积庞大、维护成本增加、系统可靠性和运行效率降低(整个传动链的效率一般为75％～85％)，而且冗余的齿轮机构也会带来加工制造、运输装配等方面的技术难题，亦会产生润滑油渗漏、噪声污染等问题，因此取消减速齿轮机构的直接驱动方式是未来发展高端机械装备、提高传动系统整体性能的必然选择。永磁同步电机近年来得到了飞速发展，国内外的研究工作也异常活跃，由于无论作为电动还是发电运行，永磁同步电机与感应电机、电励磁同步电机和开关磁阻电机相比均具有结构简单、无刷可靠、效率和功率因数高、起动转矩大、经济运行范围宽等突出的优良性能，因此在许多领域得到了大规模的推广应用，特别是在低速大转矩直驱系统中应用前景十分广阔。为提高转矩密度，充分利用低速大转矩直驱永磁同步电机较大的内腔空间，降低其成本，研发新型永磁同步电机结构和新型转子结构是重要发展趋势。此外，低速大转矩直驱永磁同步电机常运行于变载、重载等多种复杂工况下，因此寻找一种针对性强、响应速度快、鲁棒性强的调速控制方法对高端装备的性能提升具有十分重要的现实意义。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术提供一种混合转子大转矩直驱同步电机及其控制系统，其目的在于解决传统低速大转矩传动装备中的减速传动环节存在系统可靠性差、运行效率低、成本高等问题。同时本专利技术采用双定子结构设计，转子为永磁/磁阻混合转子结构，可提高转矩密度，降低电机成本。技术方案：本专利技术采用以下技术方案：混合转子大转矩直驱同步电机，其特征在于：该同步电机主要由外定子(1)、内定子(2)和转子(3)构成，转子(3)设置在外定子(1)和内定子(2)之间；转子(3)包括永磁体、磁障式磁阻转子结构(6)和隔磁环(5)；转子(3)外侧为磁障式磁阻转子结构(6)，该磁障式磁阻转子结构(6)由导磁层(6-1)与非导磁层(6-2)相间排列构成，各磁障通过燕尾槽与隔磁环(5)相连，隔磁环(5)套在内定子(2)外围，各磁障式磁阻转子结构(6)设置在隔磁环(5)外侧壁，各磁障式磁阻转子结构(6)处在外定子(1)与隔磁环(5)之间；永磁体(10)表贴在隔磁环(5)内表面上；磁障结构、隔磁环(5)与永磁体(10)共同组成完整的转子结构；外定子(1)内表面与内定子(2)外表面均匀开槽，外定子(1)与内定子(2)槽内均各自嵌放一套三相对称绕组(这个是所有槽内的绕组整体统称为一套三相对称绕组，实际上一共内外加起来就只有两套绕组。)，内外定子槽内的绕组采用串联或并联方式进行联结，形成该电机的总定子绕组。磁障式磁阻转子结构(6)中的导磁层(6-1)与非导磁层(6-2)均采用U形结构(U形结构是根据磁障式磁阻转子的形状命名的)；磁障式磁阻转子结构(6)是由U形的导磁层(6-1)与非导磁层(6-2)相互交替组成，各导磁层(6-1)之间通过连接筋(6-3)相连，相邻的两层导磁层(6-1)之间形成非导磁层(6-2)。连接筋(6-3)的宽度只要刚好满足机械强度的条件即可。各导磁层(6-1)为由中间到两侧宽度逐渐增加的结构。(也就是说宽度由内到外逐渐增加，如图3所示，最内层的宽度窄、然后最内层外层的次内层宽度比最内层宽，然后，次内层外围的再次内层宽度比次内层宽，依次递进，这种结构的作用已在具体实施方式结合图3进行了说明，其作用如下：磁障中的各导磁层(6-1)宽度不等，按照由两侧到中间厚度依次减小的方式组合，使得磁障两侧导磁层(6-1)流过的磁通多而中间少，更合理的分配了磁通量，更好地限制了磁通路径，减小了气隙磁场中的谐波含量，提高了电机气隙磁场的正弦性，降低了转矩脉动，提高了电机的性能。)转子(3)内侧的每极永磁体(10)采用多块分块的异向充磁的方式，即将每极永磁体分成多块，每块为一个区域，可形成多个区域，且各区域的充磁方向由两边向中间与竖直方向夹角逐渐减小，中间的竖向箭头方向为转子(3)的径向。(如图4所示)为使内外定子与新型转子更好地配合，外定子(1)采用分布绕组结构，内定子(2)采用分数槽绕组结构。应用上述的混合转子大转矩直驱同步电机的无位置传感器控制策略，其特征在于：本策略通过估测转子(3)中磁障式磁阻转子结构(6)位置来获得整个转子位置，进而实现无位置传感器控制。首先由转子位置估测模块(18)(转子位置估测模块是在控制器中实现的，并不在电机中)得到转子位置估测值和转速估测值，将转子位置估测值和转速估测值分别与转子位置给定值和转速给定值进行比较，得到转子位置误差值和转速误差值，转子位置误差值和转速误差值分别通过位置调节器(11)和转速调节器(12)得到转速给定值和转矩给定值，同时由定子电流空间矢量计算模块(19)和转矩计算模块(20)得到电机的实际输出转矩，将计算得到的电机实际输出转矩输入到转矩调节器(13)，将转矩调节器(13)的输出信号作为三相电流参考值计算模块(14)的输入信号，从而得到三相定子电流的给定值，最后通过电流调节器(15)得到电流可控PWM逆变器(16)的控制信号来控制本专利技术的新型同步电机。优点效果：本专利技术混合转子大转矩直驱同步电机的转子采用永磁体与磁阻相结合的混合转子结构，转子外侧为导磁层与非导磁层相间的U形磁阻结构，转子内侧表贴分块异向充磁的永磁体。磁阻与永磁体通过隔磁环相连在一起，隔磁环还使得转子内外侧的磁路相互独立。电机采用双定子结构，外定子内表面与内定子外表面均匀开槽，内外定子槽内各有一套三相绕组，且两套绕组采用串联或并联方式联结，形成该种电机的总定子绕组。外定子采用分布绕组结构，内定子采用分数槽结构。本专利技术混合转子大转矩直驱同步电机采用无位置传感器矢量控制方法，通过估测混合转子中磁阻转子位置来获得整个转子位置，进而实现无位置传感器控制。由转子位置估测模块得到转子位置估测值和转速估测值，将转子位置估测值和转速估测值分别与转子位置给定值和转速给定值进行比较，得到转子位置误差值和转速误差值，转子位置误差值和转速误差值分别通过位置调节器和转速调节器得到转速给定值和转矩给定值，同时由定子电流空间矢量计算模块和转矩计算模块得到电机的实际输出转矩，将计算得到的电机实际输出转矩输入到转矩调节器，将转矩调节器的输出信号作为三相电流参考值计算模块的输入信号，从而得到三相定子电流的给定值，最后通过电流调节器得到电流可控PWM逆变器的控制信号来控制本专利技术的新型同步电机。该种电机采用双定子单转子结构，充分利用低速大转矩直驱同步电机较大的内腔空间，大大提高了电机的转矩密度和材料利用率，并且在同等功率下可大幅度减小电机的体积和重量。在不考虑散热条件变化的前提下，双定子电机的转矩密度与常规单定转子电机相比可提高40％左右；或者说在相同功率下，电机体积可减小30％左右。所提出的新型混合转子双定子低速大转矩直驱同步电机不仅结构可靠、成本低本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.混合转子大转矩直驱同步电机，其特征在于：该同步电机主要由外定子(1)、内定子(2)和转子(3)构成，转子(3)设置在外定子(1)和内定子(2)之间；转子(3)包括永磁体、磁障式磁阻转子结构(6)和隔磁环(5)；转子(3)外侧为磁障式磁阻转子结构(6)，该磁障式磁阻转子结构(6)由导磁层(6‑1)与非导磁层(6‑2)相间排列构成，各磁障通过燕尾槽与隔磁环(5)相连，隔磁环(5)套在内定子(2)外围，各磁障式磁阻转子结构(6)设置在隔磁环(5)外侧壁，各磁障式磁阻转子结构(6)处在外定子(1)与隔磁环(5)之间；永磁体(10)表贴在隔磁环(5)内表面上；磁障结构、隔磁环(5)与永磁体(10)共同组成完整的转子结构；外定子(1)内表面与内定子(2)外表面均匀开槽，外定子(1)与内定子(2)槽内均各自嵌放一套三相对称绕组，内外定子槽内的绕组采用串联或并联方式进行联结，形成该电机的总定子绕组。

【技术特征摘要】
1.混合转子大转矩直驱同步电机，其特征在于：该同步电机主要由外定子(1)、内定子(2)和转子(3)构成，转子(3)设置在外定子(1)和内定子(2)之间；转子(3)包括永磁体、磁障式磁阻转子结构(6)和隔磁环(5)；转子(3)外侧为磁障式磁阻转子结构(6)，该磁障式磁阻转子结构(6)由导磁层(6-1)与非导磁层(6-2)相间排列构成，各磁障通过燕尾槽与隔磁环(5)相连，隔磁环(5)套在内定子(2)外围，各磁障式磁阻转子结构(6)设置在隔磁环(5)外侧壁，各磁障式磁阻转子结构(6)处在外定子(1)与隔磁环(5)之间；永磁体(10)表贴在隔磁环(5)内表面上；磁障结构、隔磁环(5)与永磁体(10)共同组成完整的转子结构；外定子(1)内表面与内定子(2)外表面均匀开槽，外定子(1)与内定子(2)槽内均各自嵌放一套三相对称绕组，内外定子槽内的绕组采用串联或并联方式进行联结，形成该电机的总定子绕组。2.根据权利要求1所述的混合转子大转矩直驱同步电机，其特征在于：磁障式磁阻转子结构(6)中的导磁层(6-1)与非导磁层(6-2)均采用U形结构；磁障式磁阻转子结构(6)是由U形的导磁层(6-1)与非导磁层(6-2)相互交替组成，各导磁层(6-1)之间通过连接筋(6-3)相连，相邻的两层导磁层(6-1)之间形成非导磁层(6-2)。3.根据权利要求2所述的混合转子大转矩直驱同步电机，其特征在于：连接筋(6-3)的宽度只要刚好满足机械强度的条件即可。4.根据权利要求1所述的混合转子...

【专利技术属性】
技术研发人员：金石，于思洋，刘光伟，张凤阁，罗皓，张兆宇，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21