基于转子磁极调制的有级分区自调磁无级调速系统及方法
阅读说明：本技术 基于转子磁极调制的有级分区自调磁无级调速系统及方法 (Stepped-region self-regulating magnetic stepless speed regulating system and method based on rotor magnetic pole modulation ) 是由 李健 王凯 刘凡 于 2021-01-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于转子磁极调制的有级分区自调磁无级调速系统及方法,包括转子磁极调制型混合励磁电机、逆变器、电源、有级无功励磁装置和切换组件；转子磁极调制型混合励磁电机包括定子、励磁绕组、电枢绕组和磁极调制型转子；励磁绕组绕设在定子中,且为交流绕组；电枢绕组通过逆变器与电源相连接；有级无功励磁装置包括并列设置的若干级无功器件,每级无功器件的相数均等于励磁绕组的相数；励磁绕组通过切换组件能与任意一级无功器件相导通。本发明仅需要电枢绕组端的电源和功率变换器。励磁绕组端省去了电源和功率变换器,通过有级无功励磁装置实现了有级分区自调磁。(The invention discloses a stepped region self-regulating magnetic stepless speed regulating system and method based on rotor magnetic pole modulation, comprising a rotor magnetic pole modulation type hybrid excitation motor, an inverter, a power supply, a stepped reactive excitation device and a switching assembly; the rotor magnetic pole modulation type hybrid excitation motor comprises a stator, an excitation winding, an armature winding and a magnetic pole modulation type rotor; the excitation winding is wound in the stator and is an alternating current winding; the armature winding is connected with a power supply through an inverter; the stepped reactive power excitation device comprises a plurality of stages of reactive power devices which are arranged in parallel, and the phase number of each stage of reactive power device is equal to that of the excitation winding; the excitation winding can be conducted with any one stage of reactive device through the switching assembly. The invention requires only a power supply and a power converter at the armature winding end. The excitation winding end omits a power supply and a power converter, and the stepped regional self-regulation of magnetism is realized through a stepped reactive excitation device.)
技术领域
本发明涉及电机设计和制造领域，特别是一种基于转子磁极调制的有级分区自调磁无级调速系统及方法。
背景技术
永磁电机具有高转矩/功率密度、高效率和高功率因素等优点，已在许多场合得到应用。然而，永磁电机的弱磁是通过控制电枢绕组中的直轴电流分量（-i d ）来实现，永磁体有着不可逆退磁的风险，且弱磁能力有限。
混合励磁电机具有两个磁势源（励磁绕组和永磁体），即具备电励磁电机磁场调节方便的优点，又具有永磁电机的高功率密度和高效率等优点。
然而，现有的转子永磁型（永磁体位于转子）混合励磁电机多采用直流励磁，无刷化励磁的实现方式较为复杂。而且，在实现永磁和电励磁磁势呈并联关系的同时也引入了附加磁路。永磁磁通会通过附加磁路而短路，形成了漏磁，降低了永磁材料的利用率。而且，附加磁路大多为实心的导磁部件，增加了涡流损耗。
此外，现有的混合励磁电机用于调速系统时，需要额外的电源和功率变换器来给励磁绕组供电。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于转子磁极调制的有级分区自调磁无级调速系统及方法，该基于转子磁极调制的有级分区自调磁无级调速系统及方法仅需要电枢绕组端的电源和功率变换器。励磁绕组端省去了电源和功率变换器，通过有级无功励磁装置实现了有级分区自调磁。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于转子磁极调制的有级分区自调磁无级调速系统，包括转子磁极调制型混合励磁电机、逆变器、电源、有级无功励磁装置和切换组件。
转子磁极调制型混合励磁电机包括定子、励磁绕组、电枢绕组和磁极调制型转子。
励磁绕组和电枢绕组均绕设在定子槽中，且均为交流绕组。
电枢绕组通过逆变器与电源相连接。
有级无功励磁装置包括并列设置的若干级无功器件，每级无功器件的相数均等于励磁绕组的相数。励磁绕组通过切换组件能与任意一级无功器件相导通。
若干级无功器件包括短路级、开路级、若干级电抗器和若干级电容器。若干级电抗器所对应的电感互不相同，若干级电容器所对应的电容互不相同。
有级无功励磁装置包括并列设置的五级无功器件，五级无功器件分别为一档位、二档位、三档位、四档位和五档位，则一档位为短路级，二档位和三档位均为电抗器，对应电感分别为L2和L3，且L2＜L3。四档位为开路级，五档位为电容器。
切换组件为切换开关或继电器。
磁极调制型转子包括沿周向均匀布设的k个转子单元，每个转子单元的极对数均为p 0。每个转子单元中的永磁极对数和铁心极对数分别为p 0m 和p 0i 。则：
p= k×p 0 (1)
p 0=2n+1 (2)
p 0m =n (3)
p 0i =n+1 (4)
式中，n和k均为正整数，p为磁极调制型转子的极对数。
在每个转子单元中，2p 0m 个永磁极不相接。2p 0i 个铁心极中，存在两组相接的铁心极。
电枢绕组的极对数等于磁极调制型转子的极对数p，励磁绕组的极对数等于k。
一种基于转子磁极调制的有级分区自调磁无级调速方法，结合有级分区自调磁和电枢绕组的弱磁控制，实现无级调速。其中，有级分区自调磁则是通过切换组件，将励磁绕组与有级无功励磁装置中的对应无功器件相导通，由于铁心极的磁导率远大于永磁体的磁导率，励磁绕组的每极磁动势能同时调节磁极调制型转子中p 0i 个铁心极的磁通。
有级分区自调磁的具体调磁方法为：
A、增磁模式：当切换组件将励磁绕组与有级无功励磁装置中的任一电抗器或短路级相导通时，励磁绕组在磁极调制型转子的铁心极上产生的磁通与相邻永磁体在永磁极上产生的磁通沿径向上方向相反，电机工作在增磁模式。
B、永磁单独励磁模式：当切换组件将励磁绕组与有级无功励磁装置中的开路级相导通时，电机工作在永磁单独励磁模式。
C、弱磁模式：当切换组件将励磁绕组与有级无功励磁装置中的电容器组相导通时，励磁绕组在磁极调制型转子的铁心极上产生的磁通与相邻永磁体在永磁极上产生的磁通沿径向上方向相同，故此时的电机工作在弱磁模式。
有级分区自调磁的具体调磁方法为：
A、增磁模式，具体调节方法为：
（1）当切换组件将励磁绕组与有级无功励磁装置中的一档位相导通时，电机工作在增磁模式，电机在低速区的转矩得到明显提高，电机的速度范围为V1。
（2）当切换组件将励磁绕组与有级无功励磁装置中的二档位或三档位相导通时，电机工作在增磁模式，电机的速度范围为V2，且V2包含V1。
B、永磁单独励磁模式：当切换组件将励磁绕组与有级无功励磁装置中的四档位相导通时，电机工作在永磁单独励磁模式。此时，电机的速度范围为V3，且V3包含V2。
C、弱磁模式：当切换组件将励磁绕组与有级无功励磁装置中的五档位相导通时，电机工作在弱磁模式，电机的转速范围为V4，则V4包含V3。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明仅需要电枢绕组端的电源和功率变换器，励磁绕组端省去了电源和功率变换器，通过有级无功励磁装置实现了有级分区自调磁。
2、本发明调速系统的混合励磁电机为转子磁极调制型混合励磁电机，其励磁绕组为位于定子上的交流励磁绕组，无附加磁路。
3、由于铁心极的磁导率远大于永磁体的磁导率，交流励磁绕组的每极磁动势可同时调节p 0i 个铁心极的磁通，调磁效率高。
附图说明
图1显示了本发明一种基于转子磁极调制的有级分区自调磁无级调速系统的原理图。
图2显示了本发明中有级无功励磁装置的电路拓扑图。
图3显示了本发明的有级分区自调磁无级调速系统在不同模式下的转矩-转速曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
本发明以电枢绕组和交流励磁绕组均为三相，p=3（k=1）为例，进行详细说明。
如图1所示，一种基于转子磁极调制的有级分区自调磁无级调速系统，包括转子磁极调制型混合励磁电机、逆变器（也称功率变换器）、电源、有级无功励磁装置和切换组件。
转子磁极调制型混合励磁电机包括定子、励磁绕组、电枢绕组和磁极调制型转子。
励磁绕组和电枢绕组均绕设在定子槽中，且均为交流绕组，交流绕组的相数可为三相，也可为五相、双三相等多相。
电枢绕组通过逆变器与电源相连接。
有级无功励磁装置包括并列设置的若干级无功器件，无功器件的级数，具体可根据不同应用要求，灵活改变有级无功励磁装置中无功器件的级数（组数）。
每级无功器件的相数均等于励磁绕组的相数。励磁绕组通过切换组件能与任意一级无功器件相导通。
若干级无功器件包括短路级、开路级、若干级电抗器和若干级电容器。若干级电抗器所对应的电感互不相同，若干级电容器所对应的电容互不相同。
本实例以五级为例，如图2所示，五级按顺序编号为档位。其中，第一档为短路，也即电抗器的电感为0。第二档和第三档均为电抗器，且第二档的电感L2小于第二档的电感L3。第四档为开路。第五档为电容器。
优选实施例，如图2所示，有级无功励磁装置包括并列设置的五级无功器件，五级无功器件分别为一档位、二档位、三档位、四档位和五档位，则一档位为短路级，二档位和三档位均为电抗器，对应电感分别为L2和L3，且L2＜L3。四档位为开路级，五档位为电容器。
进一步，切换组件优选为切换开关或继电器。
磁极调制型转子包括沿周向均匀布设的k个转子单元，每个转子单元的极对数均为p 0。每个转子单元中的永磁极对数和铁心极对数分别为p 0m 和p 0i 。则：
p= k×p 0 (1)
p 0=2n+1 (2)
p 0m =n (3)
p 0i =n+1 (4)
式中，n和k均为正整数，p为磁极调制型转子的极对数。在本实施例中，k=1，n=1.p=3。
在每个转子单元中，2p 0m 个永磁极不相接。2p 0i 个铁心极中，存在两组相接的铁心极。
电枢绕组的极对数等于磁极调制型转子的极对数p，励磁绕组的极对数等于k。
如图3所示，一种基于转子磁极调制的有级分区自调磁无级调速方法，结合有级分区自调磁和电枢绕组的弱磁控制，实现无级（连续）调速。其中，有级分区自调磁则是通过切换组件，将励磁绕组与有级无功励磁装置中的对应无功器件相导通，由于铁心极的磁导率远大于永磁体的磁导率，励磁绕组的每极磁动势能同时调节磁极调制型转子中p 0i 个铁心极的磁通，调磁效率高。而且，通过有级无功励磁装置实现了有级分区自调磁（即不需要额外的电源和功率变换器）。
有级分区自调磁的具体调磁方法为：
A、增磁模式：当切换组件将励磁绕组与有级无功励磁装置中的任一电抗器或短路级（注：交流励磁绕组本身具有电抗特性）相导通时，励磁绕组在磁极调制型转子的铁心极上产生的磁通与相邻永磁体在永磁极上产生的磁通沿径向上方向相反，电机工作在增磁模式。
B、永磁单独励磁模式：当切换组件将励磁绕组与有级无功励磁装置中的开路级相导通时，电机工作在永磁单独励磁模式。
C、弱磁模式：当切换组件将励磁绕组与有级无功励磁装置中的电容器组相导通时，励磁绕组在磁极调制型转子的铁心极上产生的磁通与相邻永磁体在永磁极上产生的磁通沿径向上方向相同，故此时的电机工作在弱磁模式。
有级分区自调磁的具体调磁方法为：
A、增磁模式，具体调节方法为：
（1）当切换组件将励磁绕组与有级无功励磁装置中的一档位相导通时，电机工作在增磁模式，电机在低速区的转矩得到明显提高，电机的速度范围为V1，较窄，如图3所示，不超过4500r/min。
（2）当切换组件将励磁绕组与有级无功励磁装置中的二档位或三档位相导通时，电机工作在增磁模式，电机的速度范围为V2，且V2包含V1。
B、永磁单独励磁模式：当切换组件将励磁绕组与有级无功励磁装置中的四档位相导通时，电机工作在永磁单独励磁模式。此时，电机的速度范围为V3，且V3包含V2，也即比增磁时的转速范围宽，如图3所示，不超过6000r/min。
C、弱磁模式：当切换组件将励磁绕组与有级无功励磁装置中的五档位相导通时，电机工作在弱磁模式，电机的转速范围为V4，则V4包含V3，也即此时转速范围最宽，如图3所示，能达到8000 r/min。
如对电动汽车来说，当要求低速具有良好的爬坡能力时，则就需要电机输出大转矩，而本发明的增磁模式在低速时正可以提高输出转矩。电动汽车在高速公路运行时，会要求良好的高速巡航能力，这就需要更宽的运行转速范围，而本发明在弱磁模式时可以拓宽运行转速范围，增加恒功率巡航能力。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
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