[发明专利]各相电感对称的四相双凸极无刷直流电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种各相电感对称的四相双凸极无刷直流电机，属于特种电机本体设计领域。

背景技术

双凸极电机是一种由位置传感器、电力电子功率变换器、永磁或电磁励磁单元、控制器和凸极定转子结构的电机本体组成的新式电机。作为一种新型的变磁阻电机，其磁阻最大值和最小值比值大，有良好的机电能量转换特性和应用前景。

传统的双凸极电机为三相电机，采用内转子的6N/4N极结构，定子极数为6N，转子极数为4N，N为自然数，表示单元电机数。为了进一步提高电机的可靠性，要求电机能在故障后主动重构系统的软硬件结构，在不损失性能或仅降低部分性能指标的情况下，使系统实现容错运行。四相电机拥有四相定子绕组，这种相数冗余的设计使得四相电机成为容错电机的研究热点和发展方向。

目前已有的技术中，研究最多的为三相6N/4N结构的电励磁双凸极电机，该电机的励磁绕组跨3个定子极绕制。也有一些其他新式的双凸极电机研究，例如授权的中国发明专利ZL200410014568.5：8/6极双凸极电机的转矩脉动减小方法及其8/6极双凸极电机，公开了一种转子斜极结构的8/6极四相双凸极电机，并利用正弦波驱动等方法减小转矩脉动。申请号为201110062872.7的中国发明专利：四相双凸极电机，公开了一种单元电机为8/6结构的四相双凸极电机，其定子上每隔4个凸极齿槽内嵌绕励磁绕组或安放永磁磁钢，每个定子的凸极齿上分别套装有集中电枢绕组。授权的发明专利CN201120430138.7：一种四相双凸极电机，也公开了一种8/6极结构，定子上每隔4个凸极齿槽内装有嵌绕励磁绕组的电励磁双凸极电机。

以上技术所涉及的四相电机皆为8/6极结构的双凸极电机，该电机有两个励磁元件，每个励磁元件匝链四相定子绕组，这四相定子绕组有两相位于励磁元件中间，另外两相位于励磁元件的边缘，各相磁路路径长短不一，导致位于励磁元件中间的两相磁导小，因此这种四相双凸极电机四相电感不均衡。而且，传统的四相双凸极电机是由四相开关磁阻电机发展来，其定转子的极弧系数匹配使得电机各相电感上升的电角度为135°，这种电机设计没有考虑双凸极电机的励磁绕组和永磁体使得电机具有较大的定位转矩，这也加大了电机总的转矩脉动。

发明内容

本发明为解决传统四相双凸极电机存在的定位转矩和各相电感不对称等问题，提供一种各相电感对称的四相双凸极无刷直流电机，其单元电机为新型的12/9或12/15凸极结构，每个励磁元件跨三个定子极绕制，每相定子绕组的每个定子线圈的分布位置不同，这种四相定子绕组对称分布的方式达到了各相电感的对称；利用理论分析和仿真验证的方法确定电机定转子的极弧系数匹配尺寸，使得电机各相电感上升和下降的电角度为180°，励磁绕组总磁导基本保持不变，电机定位转矩小，且可以四相同时通电工作。另外，由于四相定子绕组两两独立，电机在单相故障后也可以只用两相独立工作，容错性能好；而且由于励磁元件的总磁导不变，故而具有定位转矩小等优点。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：一种各相电感对称的四相双凸极无刷直流电机，包括同转轴设置的定子组件和转子铁心，定子组件包括定子铁心、励磁元件以及A、B、C、D四相定子绕组，定子铁心上设置有定子极，励磁元件以及A、B、C、D四相定子绕组嵌装在相对应的定子极中，而转子铁心上设置有转子极；所述定子铁心上设置的定子极数目为12n个，而转子铁心上设置的转子极数目为9n或者15n个；励磁元件的数目为4n个，分别跨三个定子极分布，且相邻励磁元件的极性相反，同时各励磁元件相互串联；各相定子绕组由同相位的3n个定子线圈串联或并联而成，且各相定子绕组间的相位角相差为90°；每个励磁元件分别与A、B、C、D四相定子绕组中相应的三相定子绕组的定子线圈匝链，该定子线圈按照所匝链的励磁元件的极性进行绕制，且励磁元件与其所匝链的定子绕组的极性一致；另外，当电机极数采用12n/9n匹配时，定子极弧系数为0.667，转子极弧系数为0.5；当电机极数采用12n/15n匹配时，定子极弧系数为0.4，转子极弧系数为0.5；其中，n为自然数，表示单元电机个数。

另外，本申请所述励磁元件可以为励磁绕组、永磁体或者由励磁绕组、永磁体构成的混合励磁元件。

所述四相定子绕组分别与四个H桥变换器的桥臂中点连接；或者相差为180°相位角的两相定子绕组反串联后分别与四相全桥变换器两个桥臂的中点连接。

根据以上的技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下的有益效果：