專利名稱：籠障拼裝外轉(zhuǎn)子定子電勵磁同步電機及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
:本發(fā)明涉及一種同步電機，特別是一種籠障拼裝外轉(zhuǎn)子定子電勵磁同步電機及其控制方法。該電機既可作電動機運行，又可作發(fā)電機運行。
背景技術(shù)：
:籠障拼裝外轉(zhuǎn)子定子電勵磁同步電機的定子上包括2p極的三相對稱電樞繞組和2q極的單相對稱勵磁繞組(或者2q極的三相對稱電樞繞組和2p極的單相對稱勵磁繞組)，且滿足2p_2q ^ 4，兩套繞組之間的耦合是由PfP+q對極特殊設(shè)計的轉(zhuǎn)子來實現(xiàn)的，因此該種電機無需安裝電刷滑環(huán)，即可通過勵磁繞組磁場與電樞繞組磁場的相互作用實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換，與常規(guī)同步電機相比電機運行可靠性高、維護成本低。可用于該種電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要包括繞線式和磁阻式兩大類。其中繞線式包括單層同心式短路繞組，齒諧波雙層分布繞組；磁阻類包括具有齒槽的徑向疊片凸極磁阻轉(zhuǎn)子、軸向疊片磁阻轉(zhuǎn)子。繞線類轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是制造工藝與常規(guī)電機類似，缺點是對定子兩套繞組的耦合完全是以犧牲轉(zhuǎn)子繞組銅耗為代價的，而且對定子兩套繞組耦合能力欠佳，電機的動態(tài)性能也較差，而齒諧波雙層分布繞組的工藝性欠佳。磁阻類轉(zhuǎn)子的優(yōu)點是轉(zhuǎn)子上沒有任何銅損耗，對定子兩套繞組耦合能力和加工復(fù)雜程度各異。具有齒槽的徑向疊片凸極磁阻轉(zhuǎn)子易于加工，但對定子兩套繞組的耦合效果欠佳；軸向疊片磁阻轉(zhuǎn)子的耦合能力強，但制造工藝復(fù)雜，在大型定子雙繞組交流電機中應(yīng)用困難。此外，此外，定子安放有雙套繞組的常規(guī)交流電機的控制系統(tǒng)受不確定性參數(shù)變化和擾動影響較大，具有抗干擾能力差等缺點。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的:本發(fā)明提供一種籠障拼裝外轉(zhuǎn)子定子電勵磁同步電機及其控制方法，其目的在于提出了一種既便于加工制造，又可使得對定子兩套繞組耦合能力實現(xiàn)最大化，從而具有高功率密度和優(yōu)良穩(wěn)態(tài)與動態(tài)性能的新型籠障拼裝外轉(zhuǎn)子定子電勵磁同步電機結(jié)構(gòu)，同時也大大提高了該種交流電機的抗干擾能力。技術(shù)方案:本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:籠障拼裝外轉(zhuǎn)子定子電勵磁同步電機，主要包括定子、外轉(zhuǎn)子、可控直流電源、軸承和端蓋，其特征在于:在定子上安放2p極的三相對稱電樞繞組和2q極的單相對稱勵磁繞組，電樞繞組的極數(shù)和勵磁繞組的極數(shù)亦可互換，且均滿足2p_2q ^ 4，外轉(zhuǎn)子由p,=p+q個相同的籠障外轉(zhuǎn)子模塊沿圓周方向拼成一個具有個內(nèi)凸極型的外轉(zhuǎn)子，每個籠障外轉(zhuǎn)子模塊外側(cè)通過定位槽與非導(dǎo)磁材料制成的套筒相連，套筒通過定位銷與支撐軸同軸連接，外轉(zhuǎn)子軸向兩側(cè)與端蓋相連接，端蓋通過軸承與支撐軸相連；每個籠障外轉(zhuǎn)子模塊內(nèi)表面開有多個徑向梯形槽，徑向梯形槽間距可以相等也可以不等，每個梯形槽沿徑向具有數(shù)個不等的階梯槽寬，每個梯形槽內(nèi)放入若干根導(dǎo)體組成短路籠條；相鄰籠障外轉(zhuǎn)子模塊相接處為階梯型豁口，相鄰籠障外轉(zhuǎn)子模塊拼接后在其相接處形成h個公共梯形槽，且公共梯形槽底部的間隙深度一直達到套筒內(nèi)表面，每個公共梯形槽沿徑向具有數(shù)個不等的階梯槽寬，每個公共梯形槽內(nèi)放入若干根導(dǎo)體組成公共籠條；公共籠條和短路籠條端部分別采用端部導(dǎo)電環(huán)連接形成導(dǎo)電回路；籠障外轉(zhuǎn)子模塊中心處開有多組切向隔磁層，分別于各自兩側(cè)嵌放短路籠條的梯形槽組合形成多組徑向疊片磁障，在籠障轉(zhuǎn)子模塊內(nèi)形成多個導(dǎo)磁層。電樞繞組與電網(wǎng)相連，勵磁繞組與可控直流電源的一端相連?；\障外轉(zhuǎn)子兩端裝有壓板，壓板與外轉(zhuǎn)子間加絕緣層隔離，壓板上鉆有與籠障外轉(zhuǎn)子定位孔位置相同定位孔，非導(dǎo)磁材料制成的壓緊螺桿沿軸向穿過全部定位孔，在壓板兩端利用螺母壓緊固定。放置公共籠條和短路籠條的梯形槽的槽口處開有內(nèi)豁口并嵌放槽楔；公共籠條端部鏈接形式可以為:端部導(dǎo)電環(huán)將公共梯形槽內(nèi)同層的公共籠條兩側(cè)端部全部連在一起；也可以將公共梯形槽內(nèi)單層公共籠條分成兩部分，兩部分公共籠條分別與相鄰公共梯形槽內(nèi)同層的公共籠條通過端部導(dǎo)電環(huán)相連；也可以外內(nèi)層公共籠條與單側(cè)相鄰倒梯形槽內(nèi)的外層公共籠條通過端部導(dǎo)電環(huán)相連；也可以在相鄰兩個公共梯形槽內(nèi)放置多匝線圈導(dǎo)體；短路籠條端部鏈接形式可以為:以籠障外轉(zhuǎn)子模塊徑向?qū)ΨQ線為中心，將兩側(cè)相對應(yīng)的同層短路籠條端部通過導(dǎo)體相連，形成多組獨立的同心式環(huán)形導(dǎo)電回路；也可以將內(nèi)層短路籠條與相對應(yīng)梯形槽的外層短路籠條通過導(dǎo)體相連，形成多組獨立的交叉型同心式環(huán)形回路；也可以在相對應(yīng)的兩個同層梯形槽內(nèi)放置多匝線圈導(dǎo)體，同一轉(zhuǎn)子模塊上的多組線圈導(dǎo)體匝數(shù)可以相同也可不同。整個轉(zhuǎn)子安裝繞組后余下的公共梯形槽縫隙和模塊內(nèi)磁障縫隙內(nèi)可澆注耐高溫非導(dǎo)磁材料或者不澆筑。套筒開槽形式可以為矩形槽或燕尾槽。

隔磁層的形狀可以為弧形磁障式外轉(zhuǎn)子或U形磁障式外轉(zhuǎn)子。一種如上所述籠障拼裝外轉(zhuǎn)子定子電勵磁同步電機的控制方法，其特征在于:控制方式采用PIMD控制方法來實現(xiàn)籠障拼裝外轉(zhuǎn)子定子電勵磁同步電機的轉(zhuǎn)速跟蹤，其控制思想是針對籠障拼裝外轉(zhuǎn)子定子電勵磁同步電機具有不確定性參數(shù)變化和擾動影響的特點，利用負延遲方法，通過調(diào)整延遲時間來消除不確定干擾信號，并引入了 H00控制策略，進而提高系統(tǒng)的魯棒性；具體為:采用電樞繞組dq坐標(biāo)系，則籠障拼裝外轉(zhuǎn)子定子電勵磁同步電機的電磁轉(zhuǎn)矩方程為/:.=吾(Pv + 凡) = 譽 + 叫 +^i⑴式中，Pp和P。分別表示電樞繞組和勵磁繞組的極對數(shù)，Wdp為電樞繞組磁鏈的d軸分量，iqc為勵磁繞組電流的q軸分量，為轉(zhuǎn)速輸出，J為外轉(zhuǎn)子機械慣量，B為轉(zhuǎn)動阻尼系數(shù)，Te為總電磁轉(zhuǎn)矩，T1為負載轉(zhuǎn)矩。對式(I)兩邊進行拉氏變換，可得標(biāo)稱模型的傳遞函數(shù)P(S)為P{s) = —^—(2)
Js+ B控制器的傳遞函數(shù)可表示為K(S) = ^ = KpA-K 廣(3)
E(S)s
式中，E (或e)為誤差，U (或u)為控制輸入信號，K(S)為控制器，Kp、Ki, Kd為控制參數(shù)，Td為延遲時間。對式(3)進行拉氏反變換，可得
權(quán)利要求
1.籠障拼裝外轉(zhuǎn)子定子電勵磁同步電機，主要包括定子(I)、外轉(zhuǎn)子(2)、可控直流電源(3)、軸承(8)和端蓋(9)，其特征在于:在定子(I)上安放2p極的三相對稱電樞繞組(5)和2q極的單相對稱勵磁繞組(6)，或者電樞繞組(5)的極數(shù)和勵磁繞組(6)的極數(shù)互換，且均滿足2p_2q ^ 4，外轉(zhuǎn)子(2)由p^p+q個相同的籠障外轉(zhuǎn)子模塊沿圓周方向拼成一個具有P1 個內(nèi)凸極型的外轉(zhuǎn)子，每個籠障外轉(zhuǎn)子模塊外側(cè)通過定位槽(15)與非導(dǎo)磁材料制成的套筒(16)相連，套筒(16)通過定位銷與支撐軸(7)同軸連接，外轉(zhuǎn)子(2)軸向兩側(cè)與端蓋(9)相連接，端蓋(9)通過軸承(8)與支撐軸相連；每個籠障外轉(zhuǎn)子模塊內(nèi)表面開有多個徑向梯形槽，徑向梯形槽間距相等或者不等，每個梯形槽沿徑向具有數(shù)個不等的階梯槽寬，每個梯形槽內(nèi)放入若干根導(dǎo)體組成短路籠條(13);相鄰籠障外轉(zhuǎn)子模塊相接處為階梯型豁口，相鄰籠障外轉(zhuǎn)子模塊拼接后在其相接處形成h個公共梯形槽，且公共梯形槽底部的間隙(17)深度一直達到套筒(16)內(nèi)表面，每個公共梯形槽沿徑向具有數(shù)個不等的階梯槽寬，每個公共梯形槽內(nèi)放入若干根導(dǎo)體組成公共籠條(12);公共籠條(12)和短路籠條(13)端部分別采用端部導(dǎo)電環(huán)(19)連接形成導(dǎo)電回路；籠障外轉(zhuǎn)子模塊中心處開有多組切向隔磁層(10)，分別于各自兩側(cè)嵌放短路籠條(13)的梯形槽組合形成多組徑向疊片磁障，在籠障轉(zhuǎn)子模塊內(nèi)形成多個導(dǎo)磁層(11)。
2.權(quán)利要求1所述籠 障拼裝外轉(zhuǎn)子定子電勵磁同步電機，其特征在于:電樞繞組(5)與電網(wǎng)(4 )相連，勵磁繞組(6 )與可控直流電源(3 )相連。
3.權(quán)利要求1所述籠障拼裝外轉(zhuǎn)子定子電勵磁同步電機，其特征在于:放置公共籠條(12)和短路籠條(13)的梯形槽的槽口處開有內(nèi)豁口并嵌放槽楔(18);公共籠條(12)端部鏈接形式可以為:端部導(dǎo)電環(huán)(19)將公共梯形槽內(nèi)同層的公共籠條(12)兩側(cè)端部全部連在一起；也可以將公共梯形槽內(nèi)單層公共籠條(12)分成兩部分，兩部分公共籠條(12)分別與相鄰公共梯形槽內(nèi)同層的公共籠條(12)通過端部導(dǎo)電環(huán)(19)相連；也可以外內(nèi)層公共籠條(12)與單側(cè)相鄰倒梯形槽內(nèi)的外層公共籠條(12)通過端部導(dǎo)電環(huán)(19)相連；也可以在相鄰兩個公共梯形槽內(nèi)放置多匝線圈導(dǎo)體；短路籠條(13)端部鏈接形式可以為:以籠障外轉(zhuǎn)子模塊徑向?qū)ΨQ線為中心，將兩側(cè)相對應(yīng)的同層短路籠條(13)端部通過導(dǎo)體相連，形成多組獨立的同心式環(huán)形導(dǎo)電回路；也可以將內(nèi)層短路籠條與相對應(yīng)梯形槽的外層短路籠條通過導(dǎo)體相連，形成多組獨立的交叉型同心式環(huán)形回路；也可以在相對應(yīng)的兩個同層梯形槽內(nèi)放置多匝線圈導(dǎo)體，同一轉(zhuǎn)子模塊上的多組線圈導(dǎo)體匝數(shù)可以相同也可不同。
4.權(quán)利要求1所述籠障拼裝外轉(zhuǎn)子定子電勵磁同步電機，其特征在于:籠障轉(zhuǎn)子兩端裝有壓板，壓板與轉(zhuǎn)子間加絕緣層隔離，壓板上鉆有與籠障轉(zhuǎn)子定位孔(14)位置相同定位孔(14)，非導(dǎo)磁材料制成的壓緊螺桿沿軸向穿過全部定位孔(14)，在壓板兩端利用螺母壓緊固定。
5.權(quán)利要求1所述籠障拼裝外轉(zhuǎn)子定子電勵磁同步電機，其特征在于:整個轉(zhuǎn)子安裝繞組后余下的公共梯形槽縫隙和模塊內(nèi)磁障縫隙內(nèi)可澆注耐高溫非導(dǎo)磁材料或者不澆筑。
6.權(quán)利要求1所述籠障拼裝外轉(zhuǎn)子定子電勵磁同步電機，其特征在于:套筒(16)的開槽形式可以為矩形槽或燕尾槽。
7.權(quán)利要求1所述籠障拼裝外轉(zhuǎn)子定子電勵磁同步電機，其特征在于:隔磁層的形狀可以為弧形磁障式外轉(zhuǎn)子或U形磁障式外轉(zhuǎn)子。
8.—種如權(quán)利要求1所述籠障拼裝外轉(zhuǎn)子定子電勵磁同步電機的控制方法，其特征在于:控制方式采用PIMD控制方法來實現(xiàn)籠障拼裝外轉(zhuǎn)子定子電勵磁同步電機的轉(zhuǎn)速跟蹤，其控制思想是針對籠障拼裝外轉(zhuǎn)子定子電勵磁同步電機具有不確定性參數(shù)變化和擾動影響的特點，利用負延遲方法，通過調(diào)整延遲時間來消除不確定干擾信號，并引入了 H00控制策略，進而提高系統(tǒng)的魯棒性；具體為:采用電樞繞組dq坐標(biāo)系，則籠障拼裝外轉(zhuǎn)子定子電勵磁同步電機的電磁轉(zhuǎn)矩方程為
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的籠障拼裝外轉(zhuǎn)子定子電勵磁同步電機的控制方法，其特征在于:在PMD控制中加入權(quán)值函數(shù)，即可將其轉(zhuǎn)化為H00控制問題；設(shè)權(quán)值函數(shù)的狀態(tài)空間形式為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種籠障拼裝外轉(zhuǎn)子定子電勵磁同步電機及其控制方法。其特征在于外轉(zhuǎn)子位于定子外側(cè)，定子外表面槽內(nèi)安放一套三相電樞繞組和一套單相勵磁繞組，外轉(zhuǎn)子由相同的籠障外轉(zhuǎn)子模塊通過定位槽與非導(dǎo)磁材料制成的套筒相連，沿圓周方向拼裝成一個具有內(nèi)凸極型的外轉(zhuǎn)子；籠障外轉(zhuǎn)子模塊內(nèi)表面開有徑向梯形槽，沿徑向具有數(shù)個不等的階梯槽寬，槽內(nèi)放入短路籠條；相鄰轉(zhuǎn)子模塊拼接后在其相接處形成公共梯形槽，且槽底部的間隙深度達到套筒內(nèi)表面，沿徑向具有數(shù)個不等的階梯槽寬，槽內(nèi)放入公共籠條；其目的在于提出了一種既便于加工制造，又可實現(xiàn)定子側(cè)勵磁，從而具有高功率密度和優(yōu)良穩(wěn)態(tài)與動態(tài)性能的籠障拼裝外轉(zhuǎn)子定子電勵磁同步電機。
文檔編號H02K19/16GK103166404SQ20131010867
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月29日
發(fā)明者張鳳閣, 賈廣隆, 劉光偉, 金石, 王秀平 申請人:沈陽工業(yè)大學(xué)