CN101610007A - 3相12/11极永磁开关磁链电机及其短路电流抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3相12/11极永磁开关磁链电机及其短路电流抑制方法，属永磁容错电机。包括凸极定子、电枢绕组和凸极转子，定子凸极为U型定子铁块，每两个U型定子铁块之间的空隙依次间隔嵌入条形永磁体和条形铝块，上述条形永磁体和条形铝块长度相等为U型定子铁块的U型臂长，与永磁体相连的两个U型臂上缠绕定子绕组即第一线圈至第六线圈。本发明所述方法采用所述3相12/11极永磁开关磁链电机减少条形永磁体数量、降低永磁体矫顽力以及增加电机绕组匝数，使得短路电流小于额定电流。本发明在维持永磁开关磁链电机功率密度高、固有可靠性高的基础上，降低各相之间的互感减小各相之间的磁耦合，提高绕组电感以抑制短路电流，从而提高电机的容错能力。

Description

3相12/11极永磁开关磁链电机及其短路电流抑制方法

技术领域

本发明涉及一种容错电机，尤其涉及一种3相12/11极永磁开关磁链电机及其短路电流抑制方法，属于永磁容错电机领域。

背景技术

作为近空间飞行器动力***的核心部件，起动/发电机应具有结构简单、工作可靠、效率高、使用安全等优点。从起动发电机的类型来看，转子上无永磁体，无绕组，具有结构简单、坚固、成本低、工作可靠、控制灵活、运行效率高、容错能力强，具有高温和高速适应性的开关磁阻电机在该领域极具竞争力，自上世纪八十年代末以来一直成为美国在该领域的主要研究对象。美国Kentucky大学和GE、Sundstrand公司对开关磁阻起动发电机进行了大量的研究与试验，相继研制出了30kW、250kW、375kW、500kW的开关磁阻起动发电机，转速最高达到48000转/分。国内南京航空航天大学、西北工业大学针对航空飞行器也相继研制出了小功率的原理样机(不超过7.5kW)。

然而开关磁阻电机属于自励磁电机，并且是半周期工作，电机的功率密度和效率有待于进一步提高，且其振动和噪声也是其固有的缺陷，因此研究一种高效率、高功率密度、高容错能力的永磁型起动发电机来取代开关磁阻起动发电机也是科技进步的必然要求，也是该领域发展的必然趋势。

永磁电机在效率、功率密度、转矩密度方面具有相当的优势，但其永磁体置于转子上，大功率/宽转速运行时存在诸如转子防护和散热、永磁体退磁、磁场难以调节和故障时灭磁困难等问题，导致目前经典的永磁同步电机、无刷直流电机在起动/发电***应用中受到制约。

定子永磁式永磁电机的出现为新型起动发电机的研究开辟了通路。目前定子永磁式永磁电机主要包括双凸极永磁电机、开关磁链电机、磁通反相永磁电机。这其中又以开关磁链电机转矩密度和功率密度最高。开关磁链电机的优点总结如：(1)永磁体置于定子，易于冷却，不受离心力。(2)特有的“聚磁”效应使得电机在采用矫顽力较低的永磁体时也可获得较高的气隙磁密。(3)转子结构简单，易于高速运行。(4)永磁体受电枢磁场影响小，发生短路故障时，永磁体发生不可逆退磁的机率极小，而弱磁能力又优于转子永磁式电机。(5)反电势正弦度较高。(6)电机采用集中式绕组，结构简单，端部铜损小，电机效率高。上述的优越性能为开关磁链电机在起动发电领域的应用创造了条件。

从容错性能的角度来看，开关磁阻电机一相绕组出现故障时，电机随具有一定的容错性。但其不可避免的出现转矩波动，降低其容错性能。Newscastle大学的Atkinson.D.J、B.C.Mecrow教授和Shefield大学的Z.Q.Zhu教授、D.Howe教授则从***(即电机和控制融为一体的***)的高度开展永磁容错电机的研究，并将该电机首先应用于航空电力作动***。

永磁容错电机的结构与一般的永磁无刷电机相似，但它不是三相电机，而是多相电机，定子的槽口数与极对数相近，同时电枢绕组都是采用单层隔齿绕制的方式，因此永磁容错电机除了具有一般永磁电机的特点外，还具有以下优点：各相绕组之间具有热隔离、磁隔离、电气隔离的能力，每相绕组具有抑制短路电流能力。然而目前针对转子永磁式的容错电机仍然没有很好的解决诸如转子防护和散热、永磁体退磁、磁场调节和故障时灭磁等问题。这样一来，开展永磁容错开关磁链电机的研究尤显必要了。

若仿照永磁容错电机，在永磁开关磁链电机的每两个定子齿之间设置短路齿(短路齿由硅钢片叠压而成)，由于永磁开关磁链电机转子结构为双凸极结构，定、转子直接的磁导随着转子位置变化而变化，在一些转子角度，相与相之间互感较大。

本发明的目的就是在保证永磁开关磁链电机功率密度高、转矩密度高、固有可靠性高(永磁体置于定子，散热好，不受离心力)的优点下，提出一种能抑制短路电流、磁隔离能力强、定位力矩小的永磁开关磁链容错电机。

发明内容

本发明的目的提出一种能抑制短路电流、磁隔离能力强、定位力矩小的永磁开关磁链电机及其短路电流抑制方法。

一种3相12/11极永磁开关磁链电机，包括凸极定子、电枢绕组和凸极转子，其特征在于：

定子凸极为U型定子铁块，每两个U型定子铁块之间的空隙依次间隔嵌入条形永磁体和条形铝块，上述条形永磁体和条形铝块长度相等为U型定子铁块的U型臂长，与永磁体相连的两个U型臂上缠绕定子绕组即第一线圈至第六线圈。

所述的3相12/11极永磁开关磁链电机的短路电流抑制方法，其特征在于：采用所述3相12/11极永磁开关磁链电机减少条形永磁体数量、降低永磁体矫顽力以及增加电机绕组匝数，使得

$i_f=\frac{\mathrm{\&phi;}}{\mathrm{NL}}<i_L=\frac{T}{\frac{3}{2}*{\mathrm{\&phi;}}_{\max }*N}---\left(1\right)$

即使得绕组电感与额定电流乘积大于等于绕组空载永磁磁链，提高电机抑制短路电流的能力，式(1)中，φ表示线圈的空载永磁磁通，N表示每匝线圈匝数，L表示单匝线圈的电感，T表示电机的额定转矩，φ_max表示每相绕组的空载永磁磁通幅值。

与传统3相12/10永磁开关磁链电机相比，条形永磁体数量减半，可以降低电机定位力矩的幅值和频率；减少条形永磁体数量，空载永磁磁链幅值减小，转矩电流安匝增大，绕组电感与额定电流乘积大于等于绕组空载永磁磁链，提高电机抑制短路电流的能力。

与永磁体相连的两个U型臂上缠绕定子绕组，利用永磁开关磁链容错电机的绕组互补性优势，提高反电势正弦度，绕组1与绕组4串联构成A相绕组，绕组2与绕组5串联构成B相绕组，绕组3与绕组6串联构成C相绕组，转子齿数设置为11。

本发明在充分利用永磁开关磁链电机固有可靠性高(永磁体置于定子，易于冷却，不受离心力；永磁体受电枢磁场影响小，发生短路故障时，永磁体发生不可逆退磁的机率极小)的基础上，提出铝条隔离式3相12/11极永磁开关磁链容错电机，电机互感小，磁隔离能力强，电机电感大，抑制短路电流能力强，电机定位力矩的幅值和频率减小，反电势正弦度较高。该电机将在近空间飞行器、全电多电飞机等对起动发电***容错性能较高的领域有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明的结构截面示意图。

图中标号名称：1、条形永磁体，2、U型定子铁块，3、凸极转子，4、条形铝块，线圈1——线圈6均为电枢绕组的集中电枢线圈；图中条形永磁体上的箭头表示励磁方向。

具体实施方式

如图1所示，一种3相12/11极永磁开关磁链电机，包括凸极定子、电枢绕组、励磁绕组和凸极转子，其中：本发明的目的提出一种能抑制短路电流、磁隔离能力强、定位力矩小的永磁开关磁链容错电机。

一种3相12/11极永磁开关磁链电机，包括凸极定子、电枢绕组和凸极转子。

上述凸极定子齿数为12，即包括12个U型定子铁块、每两个U型定子铁块之间的空隙按奇偶数依次嵌入6个条形永磁体和6条形铝块，上述条形永磁体和条形铝块长度相等，为U型定子U型臂长，与永磁体相连的两个U型臂上缠绕定子绕组，条形铝块产生的高磁阻磁路起隔磁作用，降低永磁开关磁链容错电机各相之间的互感。

与传统3相12/10永磁开关磁链电机相比，条形永磁体数量减半，可以降低电机定位力矩的幅值和频率。

当线圈1——线圈6中任一线圈发生短路故障，短路电流i_f表达式如(1)所示：

$i_f=\frac{\mathrm{\&phi;}}{\mathrm{NL}}---\left(1\right)$

式(1)中，φ表示线圈的空载永磁磁通，N表示每匝线圈匝数，L表示单匝线圈的电感。额定电流i_L表达式如(2)所示：

$i_L=\frac{T}{\frac{3}{2}*{\mathrm{\&phi;}}_{\max }*N}---\left(2\right)$

式(2)中，T表示电机的额定转矩，φ_max表示每相绕组的空载永磁磁通幅值，N表示每个线圈匝数。

当电机的额定电流和额定转矩一定时，减少条形永磁体数量以及降低永磁体矫顽力，则线圈空载永磁磁通φ与每相绕组的空载永磁磁通幅值φ_max均减小，电机的每个线圈匝数增大，短路电流i_f减小，绕组电感与额定电流乘积大于等于绕组空载永磁磁链，提高电机抑制短路电流的能力。

与永磁体相连的两个U型臂上缠绕定子绕组，利用永磁开关磁链容错电机的绕组互补性优势，提高反电势正弦度，绕组1与绕组4串联构成A相绕组，绕组2与绕组5串联构成B相绕组，绕组3与绕组6串联构成C相绕组，转子齿数设置为11。

Claims (3)

1、一种3相12/11极永磁开关磁链电机，包括凸极定子、电枢绕组和凸极转子(3)，其特征在于：

定子凸极为U型定子铁块，每两个U型定子铁块之间的空隙依次间隔嵌入条形永磁体和条形铝块，上述条形永磁体和条形铝块长度相等为U型定子铁块的U型臂长，与永磁体相连的两个U型臂上缠绕定子绕组即第一线圈(1)至第六线圈(6)。

2、根据权利要求1所述的3相12/11极永磁开关磁链电机，其特征在于：所述3相绕组的结构如下：第一线圈(1)与线圈第四(4)串联构成A相绕组，第二线圈(2)与第五线圈(5)串联构成B相绕组，第三线圈(3)与第六线圈(6)串联构成C相绕组。

3、一种基于权利要求1或2所述的3相12/11极永磁开关磁链电机的短路电流抑制方法，其特征在于：采用所述3相12/11极永磁开关磁链电机减少条形永磁体数量、降低永磁体矫顽力以及增加电机绕组匝数，使得

$i_f=\frac{\mathrm{\&phi;}}{\mathrm{NL}}<i_L=\frac{T}{\frac{3}{2}*{\mathrm{\&phi;}}_{\max }*N}---\left(1\right)$

即使得绕组电感与额定电流乘积大于等于绕组空载永磁磁链，提高电机抑制短路电流的能力，式(1)中，φ表示线圈的空载永磁磁通，N表示每匝线圈匝数，L表示单匝线圈的电感，T表示电机的额定转矩，φ_max表示每相绕组的空载永磁磁通幅值。

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