高绕组因数永磁无刷电机及其设计与容错控制方法技术

本发明专利技术公开了一种高绕组因数永磁无刷电机及其设计与容错控制方法，包括定子、电枢绕组、转子、永磁体。定子上开有电枢槽，电枢绕组放置在电枢槽中，采用双层绕组。定子与转子之间以气隙间隔，永磁体贴于转子表面，永磁体充磁方式采用了Halbach阵列结构。电机按照八相电机，相带角为45°均匀分配各相，经过分相之后，引出四个相线端和一个公共中性点。本发明专利技术的电机的单相开路容错算法解决了在普通四相电机在单相开路故障状态只能利用与故障相相差180°的那一相实施容错算法，针对本发明专利技术电机提出的容错控制策略可以减小逆变器的容量和电机绕组绝缘等级。最后本发明专利技术的电机以及所提出的控制算法容错效果良好，容错后平均转矩与正常运行基本保持一致。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及到永磁无刷电机及获得较大的绕组系数的永磁无刷电机设计方法以及针对该电机开路故障状态下补偿控制算法，适用于航空航天和新能源汽车等领域，属于电机制造及控制

技术介绍
永磁无刷电机具有体积小，效率高，功率因数高，启动力矩大，温升低的特点，而传统永磁无刷电机一般采用分布绕组，能削弱磁极磁场非正弦分布所产生的高次谐波电势；减小了因气隙磁导变化引起的每极磁通的脉振幅值，减少了磁极表面的脉振损耗；能有效地削弱齿谐波电势的幅值，改善电动势的波形，其缺点是分数槽绕组的磁动势存在奇数次和偶数次谐波，在某些情况下它们和主极磁场相互作用可能产生一些干扰力，当某些干扰力的频率和定子机座固有振动频率重合时，将引起共振，导致定子铁芯振动。另一方面，多相永磁无刷电机不同于常见的三相永磁无刷电机。研究发现，多相电机尤其适合低压大功率的应用场合，对比普通三相电机，多相电机的脉动转矩的频率更快，幅值更小，此外相数的增加带来了更多的控制自由度，使得所提出的永磁无刷电机在容错控制上更有优势，多相永磁无刷电机非常适合于新能源汽车以及航空航天等要求高可靠性的场合。文献《四相永磁容错电机的两种容错控制方法》(控制与决策第28卷第7期)提出一种带容错齿结构的四相永磁无刷电机，每个定子齿上只绕了一组线圈，这种绕法称为隔齿绕，实现了磁路、热量、物理上的近似完全隔离，某一相绕组故障既不会影响，也不会传递到其他相，从而提高了系统的可靠性。但是容错齿的引入带来了反电动势的含有丰富的谐波含量，并且该电机采用了四相电机，相带角为90°方式分相使得该电机在开路故障状态下，只能使用与故障相互差90°的正常相去实施补偿算法，这就需要更大容量的逆变器才能实现容错算法。另外，文献提出电机绕组因数较低，较高的绕组因数带来了更高的绕组利用率和平均转矩等一系列优势。因此，采用合适的方法提高四相永磁无刷电机的绕组因数以及改进现有的四相电机开路容错控制策略具有重要的意义和实用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是，针对现有高性能四相永磁无刷电机的不足，提出一种半八相高绕组因数的永磁无刷电机的设计方法及其开路容错控制策略。具体地说，本专利技术的电机是采取以下的技术方案来实现的：一种高绕组因数永磁无刷电机，包括定子与转子，定子与转子之间以气隙相间隔；定子包括电枢绕组、定子铁芯、电枢槽；转子包括转子铁芯、永磁体；所述定子铁芯上设有电枢槽，电枢槽内有放置电枢绕组；所述转子铁芯外侧表贴有永磁体；该电机为八相电机，内部按照A相、B相、C相、D相、E相、F相、G相、H相平均分配各相，按照一定的相带角画出槽电动势星形图，分别将径向相对的A相和E相，B相和F相，C相和G相，D相和H相电枢绕组串联连接，电机只引出四个正端子A+、B+、C+、D+和四个负端子A-、B-、C-、D-，负端子连接为一点作为电机的公共中性点。进一步，所述永磁无刷电机所述永磁体采用了Halbach阵列，永磁体的充磁方向沿着瞬时针，或者沿着逆时针方向磁化，将两个永磁体阵列的磁场叠加得到合成磁场。进一步，所述相带角为45°。进一步，所述电枢绕组为双层绕组。进一步，电机每极每相槽数z为电枢槽数，p为极对数，m为相数，则电机每极每相槽数槽距角将槽位进行编号，假设1号槽位于0°位置，则2号槽位于3*45°＝135°位置；3号槽位、4号槽位、5号槽位、6号槽位、7号槽位、8号槽位沿逆时针以此类推，相差135°位置。本专利技术的设计方法技术方案为：一种高绕组因数永磁无刷电机的设计方法，包括以下步骤：步骤1，先根据电机的电枢槽数和永磁体极对数计算本专利技术电机的槽距角，每极每相槽数等参数；其中槽距角z为电枢槽数；由于电机为3对极，将槽位进行编号，假设1号槽位于0°位置，则2号槽位于3*45°＝135°位置；3号槽位、4号槽位、5号槽位、6号槽位、7号槽位、8号槽位沿逆时针以此类推，相差135°位置，在空间上分成八相，即A相、B相、C相、D相、E相、F相、G相、H相；步骤2，根据槽距角画出本专利技术电机的槽电动势星形图；步骤3，根据槽电动势星形图平均分配各相，每相相带角为45°，因此一对极下正好平均分为八相；步骤4，将径向相对的槽内绕组链接为一相，最终只留有4个引出相线端子；步骤5，根据上述步骤的分相方式和绕组连接方式计算电机的短距系数；针对所述的电机，因为采用的是分数槽集中绕组，因此y＝1，节距系数即可求出：其中，y代表元件节距，既绕在一个定子齿上的距离，τ代表极距z代表定子槽数，p为极对数；步骤6，所述电机为分数槽集中绕组电机，电机的每极每相槽数将电机等效为一个每极每相槽数为1，槽距角为45°的整数槽电机，并利用整数槽电机公式计算电机的分布系数：kd=sinqα2qsinα2=sinqα2qsinα2=1]]>步骤7，根据步骤5和步骤6求出的节距系数和分布系数可以求出所述电机的绕组系数kw＝kykp＝0.924。本专利技术的控制方法技术方案为：一种高绕组因数永磁无刷电机的容错控制方法，包括以下步骤：步骤1，先根据电机的特性写出电机每相通入的正弦电流表达式；ia＝Imsin(ωt)ib＝Imsin(ωt-pi/4)ic＝Imsin(ωt-pi/2)id＝Imsin(ωt-3*pi/4)其中：ω为角频率，Im为每相电流幅值，pi＝180°；步骤2，根据电机旋转磁动势公式写出每相磁动势表达式；MMFa=12Niasin(θ)]]>MMFb=12Nibsin(θ-pi/4)]]>MMFc=12Nicsin(θ-pi/2)]]>MMFd=12Nidsin(θ-3*pi/4)]]>其中：MMFii＝a，b，c，d代表每相磁动势，N每相绕组匝数，θ空间角度；iaibicid为每相通入的正弦电流；步骤3，将电机每相旋转磁动势相加，相加的结果为电机的旋转磁动势；MMF＝MMFa+MMFb+MMFc+MMFd＝NImcos(ωt-θ)步骤4，假设任意相开路，根据故障前后旋转磁动势不变的原则，需要重新给出剩余正常三相的正弦电流表达式现假设A相开路，此时A相电流为0，A相的磁动势也为0，为了保证故障前后的旋转磁动势不变，必须改变剩余正常相的电流幅值和相位；MMFb′=12Nib′sin(θ-pi/4)]]>MMFc′=12Nic′sin(θ-pi/2)]]>MMFd′=12Nid′sin(θ-3pi/4)]]>MMFb′+MMFc′+MMFd′＝MMF＝NImcos(ωt-θ)MMF′b，MMF′c，MMF′d为开路之后的单相磁动势。步骤7，将等式分解后得到两个含有3个未知数的方程，未知数即为步骤4中重新给出的三相正弦电流表达式；2ib′+ic′=2*Im[sin(ωt)-cos(ωt)]ic′+2id′=-2*Im[sin(ωt)+cos(ωt)]]]>步骤8，根据所提出电机的特点，摒弃与故障相垂直的那一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高绕组因数永磁无刷电机，包括定子与转子，定子与转子之间以气隙相间隔；定子包括电枢绕组(1)、定子铁芯(2)、电枢槽(3)；转子包括转子铁芯(4)、永磁体(5)；所述定子铁芯(2)上设有电枢槽(3)，电枢槽(1)内有放置电枢绕组(1)；所述转子铁芯(4)外侧表贴有永磁体(5)；其特征在于：该电机为八相电机，内部按照A相、B相、C相、D相、E相、F相、G相、H相平均分配各相，按照一定的相带角画出槽电动势星形图，分别将径向相对的A相和E相，B相和F相，C相和G相，D相和H相电枢绕组(3)串联连接，电机只引出四个正端子A+、B+、C+、D+和四个负端子A‑、B‑、C‑、D‑，负端子连接为一点作为电机的公共中性点。

【技术特征摘要】
1.一种高绕组因数永磁无刷电机，包括定子与转子，定子与转子之间以气隙相间隔；定子包括电枢绕组(1)、定子铁芯(2)、电枢槽(3)；转子包括转子铁芯(4)、永磁体(5)；所述定子铁芯(2)上设有电枢槽(3)，电枢槽(1)内有放置电枢绕组(1)；所述转子铁芯(4)外侧表贴有永磁体(5)；其特征在于：该电机为八相电机，内部按照A相、B相、C相、D相、E相、F相、G相、H相平均分配各相，按照一定的相带角画出槽电动势星形图，分别将径向相对的A相和E相，B相和F相，C相和G相，D相和H相电枢绕组(3)串联连接，电机只引出四个正端子A+、B+、C+、D+和四个负端子A-、B-、C-、D-，负端子连接为一点作为电机的公共中性点。2.根据权利要求1所述的一种高绕组因数永磁无刷电机，其特征在于：所述永磁无刷电机所述永磁体(5)采用了Halbach阵列，永磁体(5)的充磁方向沿着瞬时针，或者沿着逆时针方向磁化，将两个永磁体阵列的磁场叠加得到合成磁场。3.根据权利要求1所述的一种高绕组因数永磁无刷电机，其特征在于：所述相带角为45°。4.根据权利要求1所述的一种高绕组因数永磁无刷电机，其特征在于：所述电枢绕组(1)为双层绕组。5.根据权利要求3所述的一种高绕组因数永磁无刷电机，其特征在于：电机每极每相槽数z为电枢槽数，p为极对数，m为相数，则电机每极每相槽数槽距角将槽位进行编号，假设1号槽位于0°位置，则2号槽位于3*45°＝135°位置；3号槽位、4号槽位、5号槽位、6号槽位、7号槽位、8号槽位沿逆时针以此类推，相差135°位置。6.一种如权利要求1所述的高绕组因数永磁无刷电机的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，先根据电机的电枢槽数和永磁体极对数计算本发明电机的槽距角，每极每相槽数等参数；其中槽距角z为电枢槽数；由于电机为3对极，将槽位进行编号，假设1号槽位于0°位置，则2号槽位于3*45°＝135°位置；3号槽位、4号槽位、5号槽位、6号槽位、7号槽位、8号槽位沿逆时针以此类推，相差135°位置，在空间上分成八相，即A相、B相、C相、D相、E相、F相、G相、H相；步骤2，根据槽距角画出本发明电机的槽电动势星形图；步骤3，根据槽电动势星形图平均分配各相，每相相带角为45°，因此一对极下正好平均分为八相；步骤4，将径向相对的槽内绕组链接为一相，最终只留有4个引出相线端子；步骤5，根据上述步骤的分相方式和绕组连接方式计算电机的短距系数；针对所述的电机，因为采用的是分数槽集中绕组，因此y＝1，节距系数即可求出：其中，y代表元件节距，既绕在一个定子齿上的距离，τ代表极距z代表定子槽数，p为极对数；步骤6，所述电机为分数槽集中绕组电机，电机的每极每相槽数将电机等效为一个每极每相槽数为1，槽距角为45°的整数槽电机...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵文祥，陶涛，朱纪洪，吉敬华，胡德水，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32