【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电机及其智能化控制，涉及一种基于主动式mtpa策略的类磁阻式反凸极容错电机及其驱动、设计方法。
技术介绍
1、现代机械制造、交通运输、航空航天、农业生产及家用电器等领域对高可靠强容错电机有着迫切的需求。反凸极永磁容错电机，具有高转矩输出、高效率、宽调速范围和较强的容错运行能力。该类电机通过特殊的定转子结构实现了容错能力与反凸极特性(直轴电感大于交轴电感，即ld＞lq)，使得电机获得了较强的无传感器运行能力。对于永磁同步电机，高凸极率能带来高功率密度以及较高的磁阻转矩分量，而提高磁阻转矩利用率能够进一步增加电机的输出转矩，减少电机对永磁体的依赖。然而，反凸极永磁容错电机由于采用集中绕组，凸极率往往较低，导致电机磁阻转矩分量低，交叉耦合及饱和效应明显，调速范围窄。同时，电机的转子通常采用对称结构，磁阻转矩利用率很低，导致输出转矩受限。这大大限制了该类电机的应用场合。
2、为克服电机凸极率较低的问题，相关研究采用如设置分布绕组与多层磁障的方式。其中，中国专利技术专利cn111654124b提出了一种改进的槽极配合关系，实现了较高的凸极率。然而，这些方式皆应用于传统正凸极(lq＞ld)电机，对于反凸极容错电机，容错特性限制了电机的绕组形式，反凸极特性对于转子结构也有不同要求，因此无法直接沿用现有提高凸极率的方式。此外，为克服磁阻转矩利用率低的问题，相关研究提出采用如设置不对称磁障与聚磁结构的方式。其中，中国专利技术专利cn115395691a提出了一种永磁体偏置的转子结构，提升了磁阻转矩的利用率。但是，对于反凸
3、另一方面，从控制角度，为充分利用电机的磁阻转矩，提高电机的转矩输出性能，一般采用基于虚拟信号注入的mtpa(vsi-mtpa)控制策略。然而，传统vsi-mtpa控制策略应用于正凸极电机中，未考虑电机交叉耦合及饱和效应的影响，导致mtpa控制精度受运行工况影响较大。并且，反凸极电机具有的反凸极特性使其与传统正凸极电机在vsi-mtpa控制上运行轨迹所在象限以及d轴电流的正负均不同。亟待提出一种适用于反凸极电机的高精度vsi-mtpa控制策略。
4、因此，亟待从电机设计与控制两方面，克服反凸极永磁容错电机反凸极率与磁阻转矩利用率低的问题，以降低交叉耦合及饱和效应的影响，提高电机的转矩输出能力。
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术针对现有技术中存在的问题，提出一种基于主动式mtpa策略的类磁阻式反凸极容错电机及其驱动、设计方法，将vsi-mtpa控制精度提前考虑到设计阶段，从电机设计与控制两方面，克服反凸极永磁容错电机反凸极率与磁阻转矩利用率低的问题，以降低交叉耦合及饱和效应的影响，提高电机的转矩输出能力。
2、技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术提供了一种基于主动式mtpa策略的类磁阻式反凸极容错电机驱动系统。包括：五相类磁阻式反凸极容错电机(1)、park变换模块(2)、基于补偿因子的高精度vsi-mtpa控制模块(3)、pi控制器(4)、反park变换模块(5)、svpwm模块(6)及逆变器模块(7)。具体包括以下步骤：
3、步骤1)，设计一种基于主动式mtpa策略的类磁阻式反凸极容错电机，通过在设计阶段统筹考虑vsi-mtpa控制精度，以获取良好的mtpa控制精度及容错性能；
4、步骤2)，为充分发挥所述步骤1)中类磁阻式反凸极容错电机优越的mtpa控制精度，提出相应的最优电流矢量角与基于补偿因子的高精度vsi-mtpa控制策略，进一步提升mtpa控制驱动系统的动稳态性能；
5、步骤3)，基于所述步骤1)中新型基于主动式mtpa策略的类磁阻式反凸极容错电机和步骤2)中mtpa控制方法，构建五相类磁阻式反凸极容错电机mtpa驱动控制系统。
6、进一步，所述步骤1)中，一种基于主动式mtpa策略的类磁阻式反凸极容错电机，其特征在于：所述电机由内向外依次包括转轴(8)、转子(9)、定子(10)；所述定子由定子轭(20)、电枢齿(12)、定子槽(18)、容错齿(13)组成；沿定子(10)内圆周方向间隔均匀分布电枢齿(12)和容错齿(13)，所述电枢齿(12)上绕有电枢绕组(11)，电枢绕组(11)不完全充满定子槽(18)，两相邻的电枢绕组(11)之间由容错齿(13)进行隔离；沿转子(9)外圆周方向间隔分布主永磁体(14)，所述主永磁体(14)采用内嵌式矩形永磁体；两相邻主永磁体(14)之间靠近气隙侧存在q轴磁障(16)，所述q轴磁障(16)与定子(10)内圆形成非均匀气隙；两相邻主永磁体(14)之间靠近转轴(8)侧存在不对称u型磁障(17)，所述不对称u型磁障(17)与q轴磁障(16)之间形成导磁桥(19)；，所述不对称u型磁障(17)的长端存在矩形辅助永磁体(15)，辅助永磁体(15)与相邻主永磁体(14)之间形成串联，构成一个磁极。
7、进一步，所述定子(10)和转子(9)均采用导磁材料硅钢片叠压而成，叠压系数为0.96；电枢绕组(11)采用漆包铜导体材料，转轴(8)由不导磁材料组成；
8、进一步，所述电枢绕组(11)为单层集中绕组。
9、进一步，所述定子齿的齿数是2m的倍数，且定子齿的数量与转子极数之差为4，其中m为电机的相数。
10、设计q轴磁障(16)位于两相邻主永磁体(14)之间靠近气隙侧，沿转子(9)圆周方向分布，不对称u型磁障(17)位于两相邻主永磁体(14)之间靠近转轴(8)侧。
11、进一步，所述q轴磁障(16)关于定义的电机q轴对称，不对称u型磁障(17)的轴线与定义的电机q轴之间存在偏移距离l1。
12、进一步，所述主永磁体(14)与辅助永磁体(15)为钕铁硼永磁磁钢，充磁方向为平行于永磁体厚度方向，两个相邻的主永磁体(14)充磁方向相反，其中一个为背离圆心，另一个为指向圆心；辅助永磁体(15)充磁方向沿圆周方向，相邻两个辅助永磁体(15)充磁方向相反使得辅助磁场与主磁场形成磁路串联。
13、进一步，所述主永磁体(14)的轴线与定义的电机d轴之间存在偏移距离l2。
14、进一步，所述电机由永磁体产生单一励磁源，满足电机主磁通＝漏磁通+有效主磁通。
15、进一步，q轴磁障(16)轴线的位置为定义的电机q轴，与其相差90度电角度的位置，为定义的电机d轴。
16、本专利技术提供的一种基于主动式mtpa策略的类磁阻式反凸极容错电机，其具体设计方法如下：
17、步骤1.1)利用容错电机的改进槽极配合设计方法，初步确定定子(10)齿数和转子(9)极对数，基于基波合成矢量最大原则，确定槽矢量分配，增加了电机的反凸极率与磁阻转矩利用率；
18、步骤1.2)在相邻主永磁体(14)之间设置q轴磁障(16)与不对称u型磁障(17)，增加交轴本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于主动式MTPA策略的类磁阻式反凸极容错电机，其特征在于：所述电机由内向外依次包括转轴(8)、转子(9)、定子(10)；所述定子由定子轭(20)、电枢齿(12)、定子槽(18)、容错齿(13)组成；沿定子(10)内圆周方向间隔均匀分布电枢齿(12)和容错齿(13)，所述电枢齿(12)上绕有电枢绕组(11)，电枢绕组(11)不完全充满定子槽(18)，两相邻的电枢绕组(11)之间由容错齿(13)进行隔离；沿转子(9)外圆周方向间隔分布主永磁体(14)，所述主永磁体(14)采用内嵌式矩形永磁体；两相邻主永磁体(14)之间靠近气隙侧存在q轴磁障(16)，所述q轴磁障(16)与定子(10)内圆形成非均匀气隙；两相邻主永磁体(14)之间靠近转轴(8)侧存在不对称U型磁障(17)，所述不对称U型磁障(17)与q轴磁障(16)之间形成导磁桥(19)；所述不对称U型磁障(17)的长端存在矩形辅助永磁体(15)，辅助永磁体(15)与相邻主永磁体(14)之间形成串联，构成一个磁极。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述定子(10)和转子(9)均采用导磁材料硅钢片叠压而成
3.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，q轴磁障(16)位于两相邻主永磁体(14)之间靠近气隙侧，沿转子(9)圆周方向分布，不对称U型磁障(17)位于两相邻主永磁体(14)之间靠近转轴(8)侧；所述q轴磁障(16)关于定义的电机q轴对称，不对称U型磁障(17)的轴线与定义的电机q轴之间存在偏移距离l1；所述主永磁体(14)与辅助永磁体(15)为钕铁硼永磁磁钢，充磁方向为平行于永磁体厚度方向，两个相邻的主永磁体(14)充磁方向相反，其中一个为背离圆心，另一个为指向圆心；辅助永磁体(15)充磁方向沿圆周方向，相邻两个辅助永磁体(15)充磁方向相反使得辅助磁场与主磁场形成磁路串联；所述主永磁体(14)的轴线与定义的电机d轴之间存在偏移距离l2。
4.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机由永磁体产生单一励磁源，满足电机主磁通＝漏磁通+有效主磁通。
5.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述q轴磁障(16)轴线的位置为定义的电机q轴，与其相差90度电角度的位置，为定义的电机d轴。
6.一种基于主动式MTPA策略的类磁阻式反凸极容错电机的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
7.一种基于主动式MTPA策略的类磁阻式反凸极容错电机的驱动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤2)中，通过分析五相反凸极容错电机MTPA控制的电流轨迹曲线，得到适用于该类电机MTPA控制的最优电流矢量角，具体过程为：
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤2)中，在获得最优电流矢量角的基础上，结合基于补偿因子的VSI-MTPA控制策略，进一步提升MTPA控制驱动系统的动稳态性能；具体为：
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤3)中，构建五相类磁阻式反凸极容错电机MTPA驱动控制系统的具体过程为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于主动式mtpa策略的类磁阻式反凸极容错电机，其特征在于：所述电机由内向外依次包括转轴(8)、转子(9)、定子(10)；所述定子由定子轭(20)、电枢齿(12)、定子槽(18)、容错齿(13)组成；沿定子(10)内圆周方向间隔均匀分布电枢齿(12)和容错齿(13)，所述电枢齿(12)上绕有电枢绕组(11)，电枢绕组(11)不完全充满定子槽(18)，两相邻的电枢绕组(11)之间由容错齿(13)进行隔离；沿转子(9)外圆周方向间隔分布主永磁体(14)，所述主永磁体(14)采用内嵌式矩形永磁体；两相邻主永磁体(14)之间靠近气隙侧存在q轴磁障(16)，所述q轴磁障(16)与定子(10)内圆形成非均匀气隙；两相邻主永磁体(14)之间靠近转轴(8)侧存在不对称u型磁障(17)，所述不对称u型磁障(17)与q轴磁障(16)之间形成导磁桥(19)；所述不对称u型磁障(17)的长端存在矩形辅助永磁体(15)，辅助永磁体(15)与相邻主永磁体(14)之间形成串联，构成一个磁极。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述定子(10)和转子(9)均采用导磁材料硅钢片叠压而成，叠压系数为0.96；电枢绕组(11)采用漆包铜导体材料，所述电枢绕组(11)为单层集中绕组；转轴(8)由不导磁材料组成；所述定子齿的齿数是2m的倍数，且定子齿的数量与转子极数之差为4，其中m为电机的相数。
3.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，q轴磁障(16)位于两相邻主永磁体(14)之间靠近气隙侧，沿转子(9)圆周方向分布，不对称u型磁障(17)位于两相邻主永磁体(14)之间靠近转轴(8)侧；所述q轴磁障(16)关...
【专利技术属性】
技术研发人员：张丽，李旭青，朱孝勇，项子旋，陈超，杜怿，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：
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