谐振异步电机及其控制方法

摘要

本发明涉及一种谐振异步电机及其控制方法，所述谐振异步电机包括定子绕组和至少两相转子绕组，各转子绕组设置成具有确定的空间相位差，其特征在于，还包括谐振储能元件，且各转子绕组与对应的谐振储能元件电气连接构成谐振回路，各所述谐振回路的谐振频率相对误差小于50％；通过设置辅助励磁电路可以进一步提高电机输出特性，辅助励磁电路的激励电压频率与谐振回路的谐振频率相对误差小于或等于25％。所述控制方法通过控制定子绕组的电流交变频率与转子绕组电流的交变频率间的频率差，使得各谐振回路均工作于准谐振状态或谐振状态。与现有技术相比，本发明具有结构简单可靠、低速转矩密度大、转矩动态响应极高等优点。

权利要求

1.一种谐振异步电机，包括定子绕组和至少两相转子绕组，各转子绕组间具有确定的空间相位，其特征在于，各所述转子绕组均设置有至少一个谐振储能元件，且各转子绕组与对应的谐振储能元件电气连接构成谐振回路，各所述谐振回路的谐振频率相对误差小于50％，谐振储能元件与转子同步旋转；

还包括辅助励磁电路，与所述谐振回路电气连接，并对谐振回路施加交变电压激励，激励电压频率与谐振回路的谐振频率相对误差小于或等于25％。

2.根据权利要求1所述的谐振异步电机，其特征在于，包括三相所述转子绕组，各所述转子绕组呈三角形或Y型布置。

3.根据权利要求1所述的谐振异步电机，其特征在于，所述定子绕组和转子绕组构造成直线形式。

4.根据权利要求1所述的谐振异步电机，其特征在于，所述辅助励磁电路包括非接触的原边线圈和副边线圈，所述副边线圈与所述谐振回路电气连接并与转子绕组同步旋转，通过原边线圈按需实现对副边线圈施加交变磁场激励。

5.一种如权利要求1-4任一所述的谐振异步电机的控制方法，其特征在于，该方法通过控制定子绕组的电流角频率与转子绕组的旋转角频率间的频率差，使得各谐振回路均工作于准谐振状态或谐振状态。

6.根据权利要求5所述的谐振异步电机的控制方法，其特征在于，同步调节辅助励磁电路激励电压的频率、幅值和相位，在保证各谐振回路均工作于准谐振状态或谐振状态的前提下，实现励磁电流和转矩的调节。

说明书

谐振异步电机及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电机与控制技术领域，尤其是涉及一种谐振异步电机及其控制方法。

背景技术

[0002] 当前，除永磁励磁方式外，电机转子磁场外激励主要有两种方法，分别是感应励磁和电励磁。

[0003] 感应励磁方法基于电磁感应原理传输电能，以交流感应电机为代表，转子绕组/导条短路，通过在定子线圈中注入特定形式的电流，形成磁场并依赖定转子速差感应出转子端励磁电流，感应励磁方式的明显不足是效率偏低，并且需要在定子侧注入针对励磁的特定方向电流，导致采用感应励磁方式的电机效率和功率因数相对较低。

[0004] 电励磁方法直接向电机转子线圈注入励磁电流，控制简单，效率高，可分为有刷和无刷两种。但不同的励磁控制原理，决定了电机的机电特性。

[0005] 因此，需要对现有电机励磁控制进行改进。

[0006] 近年来，另一种无线电能传输原理展示出巨大的技术潜力：即谐振式无线电能传输(Magnetically-Coupled Resonant WPT，MCR-WPT)，其特点是两个具有相同固有频率的子系统之间通过磁场强耦合完成能量传输。MCR-WPT是2007年首次提出，目前MCR-WPT在车载无线(直流)充电等领域得到了广泛的关注，研究非常活跃。

发明内容

[0007] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种谐振异步电机及其控制方法。

[0008] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

[0009] 一种谐振异步电机，包括定子绕组和至少两相转子绕组，各转子绕组间具有确定的空间相位，

[0010] 各所述转子绕组均设置有至少一个谐振储能元件，且各转子绕组与对应的谐振储能元件电气连接构成谐振回路，各所述谐振回路的谐振频率相对误差小于50％，谐振储能元件与转子同步旋转；

[0011] 还包括辅助励磁电路，与所述谐振回路电气连接，并对谐振回路施加交变电压激励，激励电压频率与谐振回路的谐振频率相对误差小于或等于25％。

[0012] 进一步地，包括三相所述转子绕组，各所述转子绕组呈三角形或Y型布置。

[0013] 进一步地，所述定子绕组和转子绕组构造成直线形式。

[0014] 进一步地，所述辅助励磁电路包括非接触的原边线圈和副边线圈，所述副边线圈与所述谐振回路电气连接并与转子绕组同步旋转，通过原边线圈按需实现对副边线圈施加交变磁场激励。

[0015] 一种如所述的谐振异步电机的控制方法，该方法通过控制定子绕组的电流角频率与转子绕组的旋转角频率间的频率差，使得各谐振回路均工作于准谐振状态或谐振状态。

[0016] 进一步地，同步调节辅助励磁电路激励电压的频率、幅值和相位，在保证各谐振回路均工作于准谐振状态或谐振状态的前提下，实现励磁电流和转矩的调节。

[0017] 与现有技术相比，本发明将转子构造成能够储能的谐振回路，通过定子磁场超前或滞后于转子特定频率，和辅助励磁激励一起构成对转子谐振回路的交变磁场激励，从而使转子谐振回路工作于准谐振或者谐振状态，具有以下有益效果：

[0018] 1)转子励磁部分通过定子磁场的空间交变激励实现，不需要特定励磁分量，提高了定子电流的利用率；

[0019] 2)在谐振状态，转子磁场空间上基本保持与定子磁场正交，转矩动态控制过程对转子参数变动不敏感；

[0020] 3)转子励磁与定子激励电流相关，理论上，转矩输出不受转子励磁容量制约；

[0021] 4)转子励磁可以调节，可以更好地兼顾低速电流约束下的转矩输出和高速电压约束下的功率输出；

[0022] 5)可以方便通过转子品质因子的优选设计，实现转矩的极高动态响应品质；

[0023] 6)在特定高速工况下，可以控制定子电流频率滞后于机械转速，进而减小定子侧涡流损耗。

附图说明

[0024] 图1为本发明实施例1中三相谐振异步交流电机定转子的结构示意图；

[0025] 图2为实施例1中三相谐振异步交流电机定转子的另一结构示意图；

[0026] 图3为实施例1中转子三相谐振式交流电机转子位置及电流空间矢量表示；

[0027] 图4为本发明实施例2转子两相正交绕组谐振式交流电机示意图；

[0028] 图5为实施例2中转子两相正交绕组谐振式交流电机空间矢量表示；

[0029] 图6为本发明实施例3中定转子电流矢量图；

[0030] 图7为实施例3中转子设置的辅助励磁线圈示意图。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0032] 本发明实现一种谐振异步电机，包括定子绕组、至少两相转子绕组和谐振储能元件，定子绕组由交流电源供电，进而激励出在空间上连续旋转的定子等效电流矢量与磁场，各转子绕组在空间成设置具有确定的空间相位，从而可以激励出沿任意方向的等效转子电流。每相转子绕组设置至少一个谐振储能元件，且各转子绕组与对应的谐振储能元件电气连接构成谐振回路，各谐振回路的谐振频率相对误差小于50％，保证各相绕组对交变磁场激励具有基本一致的谐振放大倍数。该异步电机还设置有辅助励磁电路，与所述谐振回路电气连接，并对谐振回路同步施加交变电压激励，激励电压频率与谐振回路的谐振频率相对误差不超过25％，使谐振回路准确工作于“电流谐振”状态，此时，转子励磁电流由电感上的谐振电流提供，其对激励电流/电压放大倍数最大。谐振储能元件包括但不限于电容。

[0033] 对上述谐振异步电机进行控制时，通过控制定子绕组的电流角频率与转子绕组的旋转角频率间的频率差(超前或者滞后)，使得各谐振回路均工作于准谐振状态或谐振状态，转子电流与定子电流空间上正交。进一步地，在各谐振回路均工作于准谐振状态或谐振状态时，可以调节频率差实现励磁电流和转矩的调节。在频率差与谐振回路的谐振频率一致时，达到最大转矩输出。

[0034] 根据转子谐振品质因数不同，频率差调节范围也可以调整，但均应保证电流谐振放大倍数不应过低，以确保转子励磁/电流幅值能保证转矩输出要求。

[0035] 在某些实施例中，谐振异步电机中的定子绕组和转子绕组可以构造成直线形式，具体实施可以参照常规直线电机的结构形式。

[0036] 实施例1

[0037] 如图1和图2所示，本实施例的谐振异步电机中，定子绕组和转子绕组均设置三相，转子绕组三相对称且互差120°空间(电)角度，由于转子绕组空间角度差的存在，根据电机学原理易知，当转子中有电流通过时，可以形成等效空间电流矢量。

[0038] 假定气隙磁场正弦分布，定子线圈中的电流可以用矢量表示，当定子三相电流按正弦规律注入时，电流矢量在空间旋转。具体方法为：控制定子三相电流I4(t)，IB(t)，IC(t)稳态情况下为对称交流，即各电流幅值相同、时间角频率为ωs，相位依次滞后特定角度。易知，合成定子电流矢量 是旋转空间矢量，其空间旋转角频率也为ωs。假设转子旋转角频率为ωr，转子各相谐振频率为ω0。转差频率为ωf＝ωs-ωr。

[0039] 为实现峰值转矩输出，可控制转差(超前或者滞后)频率与转子谐振频率基本一致，即ωf≈ω0，在部分负荷区域，在保证转子谐振回路(准)谐振的条件下，可以通过调节所述频率差使得转子电流谐振放大倍数低于峰值放大倍数，进而实现励磁电流和转矩调节。

[0040] 由于转子工作在(准)谐振状态下，因此转子电流矢量 在空间上与定子电流 同步旋转且接近正交。

[0041] 下面对该拓扑结构的谐振交流电机进行简要分析。如图3，其中ωs为定子电流角频率，ωr为转子角速度。下述分析中忽略了饱和、电流谐波等次要影响因素。

[0042] 三相对称形式定子电流可用如下表达式表示：

[0043] IA＝Acos(ωst)

[0044]

[0045]

[0046] 此时合成的空间电流矢量 如图3所示，可表示为：

[0047]

[0048] 设定转子各相间的互感最大值为Lm，则空间旋转的定子磁场在转子各相上的感应电动势可以表示为：

[0049]

[0050]

[0051]

[0052] 将上述三相感应电动势写成矢量形式，为 该矢量实际是在转子坐标系下的矢量表示，将该矢量转换到定子坐标系下，则为对比转子三相感应电动势与定子电流的形式，可以看出，
转子感应电动势矢量与定子电流矢量的空间角度差为π/2。

[0053] 控制定子电流频率，可使(ωs-ωr)近似等于转子谐振频率 由于转子各相电路为谐振频率一致的谐振电路，谐振状态呈现纯阻性，因此感应电动势作为激励电压，会在转子线圈中激励出与感应电动势同相的电流。于是，转子电流矢量与定子电流矢量的空间相位差也为π/2。转子电流与定子电流相差π/2，能产生稳定直流转矩。如图3所示。

[0054] 实施例2

[0055] 本实施例的谐振异步电机中，转子绕组设置为两相LC谐振绕组，分别称为d、q绕组，两绕组相互独立，相互正交，拓扑结构如图4所示。由于两绕组空间角度差的存在，当两绕组中有电流通过时，可以形成变化的空间电流矢量。

[0056] 该例中定子结构及定子电流控制方法与实施例1中一致。

[0057] 下面对该电机电气特性进行分析，见图5标示。下述分析中忽略了饱和、电流谐波等次要影响因素。

[0058] 定子电流与实施例1中一致，不再赘述。

[0059] dq坐标系为与转子固定的坐标系，d轴方向和q轴方向分别对应各自绕组。ωr为转子转速，ωf为定子电流相对于转子的转速差，在峰值转矩输出工况，应控制ωf与转子谐振频率ω0相同或接近，即定子电流 的角频率ωs满足 在部分负荷区域，在保证转子谐振回路(准)谐振的条件下，可以通过调节所述频率差使得转子电流谐振放大倍数低于峰值放大倍数，进而实现励磁电流和转矩调节。

[0060] 转子电流矢量 与定子电流矢量 同步旋转，设其与定子电流矢量角度差为β。定子电流矢量可表示为 如图5所示。

[0061] 设d轴上转子电流为Id，则谐振电路满足的电压方程为：

[0062]

[0063] 设q轴上转子电流为Iq，则谐振电路满足的电压方程为：

[0064]

[0065] 并根据谐振特性 化简上两式，可得：

[0066]

[0067]

[0068] 根据转子电流分量形式可以确定转子电流矢量超前定子电流矢量角度 转子电流矢量在定子坐标系下可表示为

[0069] 为得到简洁的磁链表达式和电压方程，建立与定转子电流矢量同步旋转的sr坐标系，其中s轴与定子电流矢量同相，r轴空间上超前s轴90度，见图5。

[0070] 该坐标系下定转子磁链如下：

[0071] ψS＝LsIs

[0072] ψR＝LmIr

[0073] ψs＝LmIs

[0074] ψr＝LrIr

[0075] 稳态时有，进一步写出电压方程：

[0076] uS＝RsIs-ωsψR

[0077] uR＝ωsψs

[0078] 0＝RrIr+ωfψs

[0079] 由稳态电压方程结合电流矢量，可以画出电压电流矢量图。进而电机转矩可表示为：

[0080]

[0081] 其中， 是定子全磁链，在忽略漏感条件下，其与气隙磁链和转子磁链相等。

[0082] 实施例3：

[0083] 本实施例的谐振异步电机中设置有辅助励磁电路/装置，以完善电机的输出特性。结合转子具有两正交线圈的设计进行分析。

[0084] 本实施例主要从两个角度分别考虑，一是转子两线圈的电流形式，二是针对上述转子线圈所需电流形式，确定转子端的控制方法。

[0085] 下面结合非接触MCR-WPT的设计进行讨论，接触式的原理与此类似。

[0086] 1)转子目标电流方程

[0087] 设定转子物理dq轴上分别有两线圈，如图6所示，设两线圈的电流分别为：

[0088] Id(t)＝Ircos(ω0t)

[0089]

[0090] 两线圈的电流可以合成一个电流矢量，其与转子d轴的角度差如图6。

[0091] 转子由于旋转，与固定坐标系有一个角度差ωrt，因此转子电流矢量在固定坐标系下与定子A轴的角度差为ωrt+ω0t，可表示为 为了使电机输出转矩，应控制定子电流矢量与转子电流矢量成一定角度，这里设定子电流滞后转子电流 如图6中所示，表示为

[0092] 2)通过交变磁场激励实现对转子目标电流的控制

[0093] 因为转子励磁通过谐振电路实现，电路示意图如图7。除了转子绕组Lr1本身外，副边绕组等效为串联的线圈Lr2用于接受外界激励磁场，称为副边辅助线圈，其与转子绕组Lr1相互独立且可采取不同的联接方式；针对串联连接方式，在回路中加入电容Cr用于谐振。设回路的等效电阻为Rr。

[0094] 在原边施加交变磁场激励时，副边线圈所匝链的全磁链同时包括自感分量和互感分量，分别为ψd2、ψq2：

[0095] ψd2＝MId2+Lr2Id

[0096] ψq2＝MIq2+Lr2Iq

[0097] 其中，M为副边线圈与其原边激励线圈之间的互感，Id2和Iq2为原边激励线圈的励磁电流，彼此之间具有确定的相位关系以使转子绕组电流满足上文1)中所述两线圈的电流关系。

[0098] 计及定子电流IS励磁效果，转子绕组Lr1匝链的磁链为：

[0099] ψd1＝Lr1Id+LmIssin(ω0t)

[0100] ψq1＝Lr1Iq-LmIscos(ω0t)

[0101] 对于包括副边线圈和转子绕组谐振回路在内的转子每相来说，其电压方程为：

[0102]

[0103]

[0104] 转换为矢量表达式：

[0105]

[0106]

[0107] 显见，此时为使转子绕组工作在谐振状态，为使回路谐振，回路中电容值的选取要同时考虑副边线圈和转子绕组的等效电感，而不应只考虑转子绕组电感。

[0108] 谐振状态下，电容两端电压与两个电感两端的电压之和抵消，电压方程变为：

[0109] jω0MId2-ω0LmIscos(ω0t)＝RrId

[0110] jω0MIq2-ω0LmIssin(ω0t)＝RrIq

[0111] 在控制中需要对Id、Iq进行控制。根据上述电压方程，可知，转子线圈回路在谐振时呈电阻态。

[0112] 回路中的电流Id、Iq决定因素为：原边激励线圈感应到回路中副边线圈上的感应电动势jω0MId2，与定子电流作用在转子绕组上的感应电动势ω0LmIscos(ω0t)，共同作用后的结果。因此在控制转子电流时，可以根据定子电流的情况，对于原边激励电流进行相应控制，实现对转子电流(矢量)的控制。

[0113] 此时定子电压方程与电流控制原理与实施例1、2基本一致，不同之处在于由于转子辅助励磁存在，定子电流可更多考虑转矩控制需要，比如专注功率因数和转矩电流比的优化控制。

[0114] 对于基于接触方式实现辅助励磁的原理与上述情况基本一致，不同之处在于，由于接触方式不完全依赖MCR-WPT的电磁谐振原理传输励磁电能，在特定应用场合，转子回路在“非谐振”状态下也可以建立转子磁场。但此时转子励磁电流仍然是交流，因此转子磁场与电机转子机械转速之间仍存在异步速差，其工作和控制仍遵循本发明的基本原理，而不同于一般的同步电励磁电机，具有完全不同的电气输入特性和机械输出特性。

[0115] 本方明将MCR-WPT技术与异步电机结合，创新性地提出了全新的机电能量转换装置及其控制方法，技术上具有本质的差异性和转矩相应极快等诸多可以想见的技术优点。

[0116] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的保护范围内。