双定子双凸极复合励磁电机驱动系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种双定子双凸极复合励磁电机驱动系统，包括故障重构五相T型三电平逆变器和双定子双凸极复合励磁电机；双定子双凸极复合永磁电机的两套绕组分别由两组故障重构五相T型三电平逆变器供电，两组故障重构五相T型三电平逆变器相互独立。双定子双凸极复合励磁电机采用双定子结构，包括外定子，内定子，双凸极转子，钕铁硼永磁体，铝镍钴永磁体，调磁线圈和电枢绕组；双定子共用一个双凸极转子。本发明专利技术提出一种双定子双凸极复合励磁电机系统，并提供了此种驱动系统的控制方法，可以具有功率密度高、效率高、可靠性高、调磁能力强等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电工、电机、电力电子领域，特别是一种新型基于双定子双凸极复合励磁电机驱动系统及其控制方法。
技术介绍
随着现代电机驱动系统对功率密度、效率、可靠性等要求的不断提高，传统的电机系统遇到瓶颈。几种传统的电机中，异步电机由于需要定子电枢绕组产生励磁电流，因此效率和功率因数较低。永磁同步电机由于采用永磁体产生气隙磁场，电枢绕组只需提供转矩电流，因此效率较高。但是永磁体产生的磁场很难调节，因此不利于新能源汽车驱动的弱磁调速运行或电力牵引通过磁场调节实现效率优化。传统的转子永磁型电机的永磁体位于转子上，在旋转过程中转子易遭受离心力和磁化现象。开关磁阻电机同样需要电枢电流产生气隙磁场，并利用交变磁阻来产生力矩。其效率和功率因数较低，而且转矩脉动较大。近期出现的双凸极电机由于将永磁体或励磁线圈放置在定子上，而转子采用结构简单的凸极结构，因此兼具了永磁电机和开关磁阻电机的优点，效率高、调磁能力强、可靠性高。但是目前双定子双凸极电机都局限于单定子结构，且采用三相系统，因此系统的功率密度不够高，冗余度不够高，不利于现代大功率电机驱动高功率密度和高可靠性要求。
技术实现思路
专利技术目的：针对上述现有电机系统中在功率密度、效率、可靠性、调磁能力等方面存在不能兼顾的问题，本专利技术提出一种新型双定子双凸极复合励磁电机系统，可以具有功率密度高、效率高、可靠性高、调磁能力强等优点。技术方案：本专利技术提供以下技术方案：一种基于双定子双凸极复合励磁电机的多端口电机驱动系统，包括故障重构五相T型三电平逆变器和双定子双凸极复合励磁电机；双定子双凸极复合永磁电机的两套绕组分别由两组故障重构五相T型三电平逆变器供电，两组故障重构五相T型三电平逆变器相互独立。作为优化，所述双定子双凸极复合励磁电机采用双定子结构，包括：外定子，内定子，双凸极转子，钕铁硼永磁体，铝镍钴永磁体，调磁线圈和电枢绕组；双
定子共用一个双凸极转子，外定子和内定子中均采用多相电枢绕组，所述电枢绕组连接结构包括：五相独立绕组和五相串联绕组，采用五相独立绕组，构成双定子双五相电机运行方式；采用五相串联绕组，形成双定子五相开绕组运行方式。作为优化，所述双定子双凸极复合励磁电机的外定子采用铝镍钴永磁体，内定子采用钕铁硼永磁体，铝镍钴永磁体和钕铁硼永磁体通过双凸极转子在磁路上实现串联；在铝镍钴永磁体周围布置有可以对铝镍钴永磁体进行充磁和去磁的调磁线圈。作为优化，所述双定子双凸极复合励磁电机包括：电励磁绕组，外定子，双凸极转子，永磁体，电枢绕组和内定子；在外定子上安置电励磁绕组，利用电励磁绕组来调节气隙磁场，在内定子上采用永磁体，形成混合励磁。作为优化，故障重构五相T型三电平逆变器包括：IGBT，晶闸管，熔断器，电解电容和箝位电路；故障重构五相T型三电平逆变器每相上下桥臂均只采用1个IGBT，而采用全控器件和二极管构成箝位电路连接至母线电解电容中点。作为优化，所述外定子和内定子均为凸极结构，两个定子在空间上有机械角度偏差。作为优化，基于双定子双凸极复合励磁电机的多端口电机驱动系统包括速度调节器，转矩滞环，磁链滞环，扇区判断模块，定子磁链和电磁转矩估计模块，电压矢量选择与合成模块，电压采样模块，电压重构模块，3/2变换，直流母线，电解电容，故障重构三电平逆变器和双定子双凸极电机。一种双定子双凸极复合励磁电机驱动系统的控制方法，包括以下步骤：1)根据对转矩和磁链的增减要求选择相应的参考电压矢量；2)当前磁链处在任意位置点都能确保磁链圆形轨迹的切线与参考电压矢量夹角恒定；3)依据简化后的五相三电平空间电压矢量图选取初始矢量合成参考电压矢量；4)该合成矢量幅值恒定，始终坐落在参考电压矢量的轨迹上。作为优化，用于合成参考电压矢量的初始矢量包括大矢量，中矢量，小矢量，零矢量。有益效果：本专利技术与现有技术相比具有以下优点：(1)该双定子双凸极复合励磁电机将两个双凸极永磁电机完美地结合为一体，充分利用了电机内部空间，因此在有限空间内使电机产生更多的出力，提高了电机的转矩密度和功率密度。两个定子的相对机械位置可以进行调节，可以进一步减小电机的转矩脉动。(2)在该双定子双凸极复合励磁电机的两个定子上分别安置有励磁装置，两个定子的励磁磁化方向相反，因此在空间上磁路形成串联，增大了串联磁路上的磁动势。另外，当某个定子上励磁装置发生去磁现象时，另一个定子上励磁装置仍能够提供气隙磁场能量，因此起着互为备用的能力。(3)该双定子双凸极复合励磁电机采用端部较小的集中绕组，可以节省用铜量，减小绕组电阻和铜耗，提高运行效率。(4)与转子用此行电机相比，该双定子双凸极复合励磁电机由于永磁体安装在定子上，更有利于冷却，不容易发生退磁。对于环境温度较高的环境依然适用。(5)双定子双凸极复合励磁电机共用一个凸极结构转子，转子由简单结构的硅钢片构成，既无永磁体也无绕组，机械强度高。因此该类电机适合高速运行。(6)该双定子双凸极复合励磁电机的励磁方式可以通过在定子上安置电励磁线圈来取代永磁体，利用电励磁线圈来调节气隙磁场。而且可以在一个定子上采用电励磁线圈，另一个定子上采用永磁体，形成混合励磁，不仅保证了电机具有较强的磁场，而且可以通过电励磁线圈调节气隙磁场。该电机还也可以在两个定子上分别采用钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体，形成混合励磁，并通过钕镍钴两侧的励磁绕组对钕镍钴永磁体进行充磁和去磁，进行电机气隙的磁场调节。(7)提出的与双定子双凸极永磁电机相适应的故障重构T型三电平逆变器可以输出多电平电压，改善了系统输出电压谐波特性。而且相比中压驱动系统中常用的中点箝位型三电平逆变器，故障重构T型三电平逆变器开关器件的电压应力更低，开关数更少。(8)提出的故障重构T型三电平逆变器，与传统二极管箝位式三电平逆变器相比，导通损耗可以有效降低，连接直流母线中点的IGBT耐压等级要求
仅为桥臂上IGBT的一半，且无需额外二极管进行箝位，减少逆变器成本的同时也提升了系统的可靠性。(9)该双定子双凸极电机系统具有更强的容错能力。双定子结构具有两套电机绕组，两套三相绕组互为备用。当器件发生开路或短路故障，故障重构T型三电平逆变器通过晶闸管和熔断器配合，将故障器件隔离，维持电路剩余器件继续工作。(10)提出的基于双定子双凸极复合励磁电机T型三电平直接转矩控制的转矩脉动优化控制策略可以实现对传统直接转矩控制的转矩脉动的优化，减小转矩脉动，增加转矩脉动规律性。附图说明图1为基于基于双定子双凸极复合励磁电机的多端口电机驱动系统示意图；其中，11为故障重构三相T型三电平逆变器，12为双定子混合励磁双凸极电机图2为双定子双凸极永磁电机绕组接线示意图；其中，21为独立接线，22为串联接线图3为双定子双凸极永磁电机结构示意图；其中，31为外定子，32为内定子，33为双凸极转子，34为钕铁硼永磁体，35为铝镍钴永磁体，36为调磁线圈，37为电枢绕组图4为双定子双凸极复合励磁电机结构示意图；其中，41为电励磁绕组，42为外定子，43为转子，44为永磁体，45为电枢绕组，46为内定子图5为故障重构三相T型三电平逆变器；其中，51为IGBT，52为晶闸管，53为熔断器，54为电解电容，55为箝位电路图6为基于双定子双凸极复合励磁电机T型三电平直接转本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双定子双凸极复合励磁电机驱动系统，包括故障重构五相T型三电平逆变器(11)和双定子双凸极复合励磁电机(12)；其特征在于，双定子双凸极复合永磁电机(12)的两套绕组分别由两组故障重构五相T型三电平逆变器(11)供电，两组故障重构五相T型三电平逆变器(11)相互独立。

【技术特征摘要】
1.一种双定子双凸极复合励磁电机驱动系统，包括故障重构五相T型三电平逆变器(11)和双定子双凸极复合励磁电机(12)；其特征在于，双定子双凸极复合永磁电机(12)的两套绕组分别由两组故障重构五相T型三电平逆变器(11)供电，两组故障重构五相T型三电平逆变器(11)相互独立。2.根据权利要求1所述的双定子双凸极复合励磁电机驱动系统，其特征在于，所述双定子双凸极复合励磁电机(12)采用双定子结构，包括：外定子(31)，内定子(32)，双凸极转子(33)，钕铁硼永磁体(34)，铝镍钴永磁体(35)，调磁线圈(36)和电枢绕组(37)；双定子共用一个双凸极转子(33)，外定子(31)和内定子(32)中均采用多相电枢绕组(37)，所述电枢绕组连接结构包括：五相独立绕组(21)和五相串联绕组(22)，采用五相独立绕组(21)，构成双定子双五相电机运行方式；采用五相串联绕组(22)，形成双定子五相开绕组运行方式。3.根据权利要求1所述的双定子双凸极复合励磁电机驱动系统，其特征在于，所述双定子双凸极复合励磁电机(12)的外定子(31)采用铝镍钴永磁体(35)，内定子(32)采用钕铁硼永磁体(34)，铝镍钴永磁体(35)和钕铁硼永磁体(34)通过双凸极转子(33)在磁路上实现串联；在铝镍钴永磁体(35)周围布置有可以对铝镍钴永磁体(35)进行充磁和去磁的调磁线圈(36)。4.根据权利要求1所述的双定子双凸极复合励磁电机驱动系统，其特征在于，所述双定子双凸极复合励磁电机(12)包括：电励磁绕组(41)，外定子(42)，双凸极转子(43)，永磁体(44)，电枢绕组(45)和内定子(46)；在外定子(42)上安置电励磁绕组(41)，利用电励磁绕组(41)来调节气隙磁场，在内定子(46)上采...

【专利技术属性】
技术研发人员：王政，王学庆，曹佳伟，程明，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32