CN102868266A - 一种基于余度和容错技术的高可靠永磁同步电动机 - Google Patents

Abstract

一种基于余度和容错技术的高可靠永磁同步电动机，包括机壳、两个转子组件、两个定子组件、转轴、轴承、绝缘套筒、隔磁板和端盖，两个定子组件同轴串联，每个定子组件中绕组采用隔齿嵌放的分数槽、集中单层绕组并使相绕组之间形成电气容错结构；结合定子齿槽结构尺寸设计，增大电动机相绕组电感，有效抑制短路电流；两个转子组件串联在同一轴上，分别置于两个定子组件中；每个转子组件中磁钢采用不等厚磁钢结构，相邻两个定子组件之间放置隔磁板，隔绝两端定、转子之间的电磁干扰；两轴承分别置于机壳与端盖的轴承室中，机壳与端盖共同将上述组件封装在一起。本发明具有良好的物理隔离、磁隔离、热隔离和电气隔离能力，大大提高了电动机的可靠性。

Description

一种基于余度和容错技术的高可靠永磁同步电动机

（一）技术领域

本发明属于永磁同步电动机技术领域，具体涉及一种基于余度和容错技术的高可靠永磁同步电动机。

（二）背景技术

随着电力电子技术、永磁材料和电机控制技术的发展，永磁同步电动机以其高效、高功率密度、高可靠性、控制简单等优势，被广泛应用于航空航天、电动汽车、医疗器械、工业自动化等领域。

作为未来飞机发展的主要趋势，多电/全电飞机对直接影响其飞行安全性和机动性能的机载作动***提出了更高的要求，更高的可靠性和容错能力已经成为新型机载作动***必须具备的技术特征。永磁同步电动机作为机载作动***的核心部件，其可靠性在很大程度上直接决定了整个机载作动***的可靠性。近年来，为了提高永磁同步电动机的可靠性，针对电动机故障率最高的绕组故障，永磁同步电动机普遍采用多余度结构设计，实现***的故障容错运行。

但是，传统的多余度永磁同步电动机，由于余度之间存在严重的电、磁、热耦合问题，导致***余度之间相互干扰，故障隔离能力差；同时当永磁同步电动机发生短路故障时，由于永磁体无法及时灭磁，大幅值的短路电流将产生很大的制动转矩，这些都严重影响***的工作性能，限制永磁同步电动机可靠性的进一步提高。

（三）发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于余度和容错技术的高可靠永磁同步电动机，通过对电动机结构以及关键部件的设计创新，使所设计的永磁同步电动机，具有良好的物理隔离、磁隔离、热隔离和电气隔离能力，并且能够有效抑制电动机的短路电流，大大提高永磁同步电动机的可靠性，以满足***“一次故障工作，二次故障工作，三次故障安全”的要求。

为了实现上述发明目的，本发明一种基于余度和容错技术的高可靠永磁同步电动机，包括：机壳、两个转子组件、两个定子组件、转轴、轴承、绝缘套筒、隔磁板和端盖。它们之间的位置连接及结构关系是：该高可靠永磁同步电动机的两个定子组件同轴串联置于机壳内；两个绝缘套筒与定子组件同轴串联置于两个定子组件之间，实现两个定子组件的轴向定位；两个定子组件之间由绝缘套筒实现轴向定位；隔磁板同轴置于两个定子组件的中间位置，实现两个定子组件的磁场隔离；两个转子组件同轴串联，分别置于两个定子组件中；两个轴承分别位于机壳和端盖的轴承室中，实现对转轴的支撑；机壳和端盖共同将以上各部分封装在一起，对高可靠永磁同步电动机的各个部分起固定和保护作用。

所述机壳是采用钢板材料通过车削加工而成的中空的圆筒形结构件，实现对电动机内部各个部件的固定和保护功能，同时实现电动机良好的散热能力。

所述转子组件是由不等厚永磁磁钢3、转子铁心4和衬套7组成，其间关系是不等厚永磁磁钢通过高强度胶粘到转子铁心外表面，两段转子铁心之间同轴放置衬套，实现其轴向定位；该不等厚永磁磁钢3是由高性能稀土永磁材料制成的径向不等厚的扇形磁极，为永磁同步电动机提供必需的磁势和磁通；该转子铁心4是采用高磁导率电工硅钢材料，通过车削而成的中空圆柱形结构，为电动机的转子磁场提供闭合磁回路；该衬套是由不导磁材料制成的中空圆柱形套筒，实现两段转子组件的轴向定位。

所述定子组件是由定子铁心1和定子绕组2组成，其间关系是每相定子绕组嵌放于定子铁心相邻的两个槽内；该定子铁心1是采用高磁饱和的电工硅钢材料制成，其上开有10个定子槽，为电动机的定子磁场提供闭合磁回路；该定子绕组2是耐高温的漆包线绕制而成，每相定子绕组采用独立H桥供电，实现定子相绕组之间的电气隔离。

所述转轴是由不导磁的圆钢经过车削加工而成的圆柱形结构件，实现转子组件的同轴安装与固定，同时完成高可靠永磁同步电动机的转矩输出。

所述轴承是根据转轴的尺寸选择大小合适的深沟球轴承，实现对转轴的支撑。

所述绝缘套筒是通过车削加工而成的中空的圆柱形套筒件，实行两段定子组件之间的轴向定位。

所述端盖是采用钢板经过车削加工而成的盘状件，与机壳共同将电动机的各部分封装在一起，实现对电动机各部分的固定和保护功能，同时通过在端盖上加工定位孔，便于实现电动机与其它机械机构的连接。

首先，通过合理的设计永磁同步电动机的磁路结构和绕组结构，实现电动机良好的物理隔离、磁隔离、热隔离和电气隔离能力。采用同轴两段式结构，构成机械双余度结构形式，两段之间通过高磁导率、高电阻率软磁材料制成的隔磁板，实现两段之间完全的隔离，大大提高电动机的可靠性。

其中，高可靠永磁同步电动机的每段定、转子组件采用8极10槽的五相永磁同步电动机结构形式，绕组采用隔齿嵌放的五相集中单层绕组，这种磁路结构使每个定子槽中只有电动机的一相绕组，实现相绕组之间的物理隔离；同时相绕组之间隔齿嵌放形成的容错齿为各相绕组的磁场提供了闭合回路，保证相绕组之间的磁隔离，且每相绕组产生的热量通过容错齿经过电动机定子表面散热，故障相产生的热量很难传递到其他相绕组，实现相绕组之间的热隔离；最后，电动机的每相绕组通过独立的H桥驱动的方式独立供电，实现相绕组之间的电气隔离，从而使本发明高可靠永磁同步电动机具有良好的物理隔离、磁隔离、热隔离和电气隔离能力。这种电气容错结构使五相永磁同步电动机在出现一相绕组故障时，通过对非故障的四相绕组电流的合理控制，实现四相永磁同步电动机的正常运行，大大提高电动机的容错能力。

其次，通过合理设计永磁同步电动机的齿槽结构尺寸，增大电动机的相绕组电感，有效地抑制电动机短路电流。

永磁同步电动机在负载运行时，气隙合成基波磁通在电枢绕组中产生的气隙合成电动势E_δ（V）为：

E_δ=4.44fNK_dpφδ_NKφ

其中，f为电频率；N为每相绕组串联匝数；K_dp为绕组因数；K_φ为气隙磁通的波形系数；φ_δN为每极气隙合成磁通。

电枢端电压U表示为：

U=E_δ-I(R_a+jX_σ)

其中，I为每相绕组电流；R_a为每相绕组电阻；X_σ为每相绕组漏电抗。

当永磁同步电动机发生短路时，由于X_σ＞＞R_a，近似为纯感性负载，则稳态短路电流值为：

$I_{\mathrm{du}}=\frac{E_{\mathrm{\δ}}}{R_a+X_{\mathrm{\σ}}}\≈\frac{E_{\mathrm{\δ}}}{X_{\mathrm{\σ}}}=\frac{0.707N{K}_{\mathrm{dp}}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\δN}}{K}_{\mathrm{\φ}}}{{N_s}^2{\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{\σ}}}$

其中N_s为线圈匝数；Λ_σ为每相绕组漏磁导。

从上式中可见，增大绕组漏磁导可以有效抑制永磁同步电动机的短路电流值。绕组漏抗主要由槽漏抗、气隙漏抗、绕组端部漏抗等组成，其中槽漏抗占得比例比较大。通过增大槽漏抗，可以显著提高电动机的绕组漏抗。将电动机定子槽简化后，定子槽漏抗X_slot可以表示为：

$X_{\mathrm{slot}}=2\mathrm{\πf}{N_s}^2{l}_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\μ}}_0(\frac{h_s}{3W_s}+\frac{h_o}{b_o})$

其中，l_eff为电枢绕组轴向有效长度；b_o为槽口宽度；h_o为槽口高度；h_s为槽高；W_s为槽的平均宽度。

基于以上分析，本发明通过合理设计定子齿槽结构尺寸b_o、h_o、h_s和W_s，尽量减小槽口宽度和槽宽，增大槽深和槽口高度，可以显著增大电动机的槽漏抗，有效抑制电动机的短路电流。

最后，每段转子组件中永磁体采用面贴式永磁体结构，增大电动机有效气隙，减弱从定子侧耦合到转子侧的磁场，进一步提高相绕组之间的磁隔离能力；同时永磁体采用偏心设计，形成不等厚永磁体，提高气隙磁场的正弦度，减小电动机的转矩脉动。两段转子组件采用错极结构设计，有效地抑制永磁同步电动机的齿槽转矩。

本发明的创新之处在于：

（1）本发明一种基于余度和容错技术的高可靠永磁同步电动机采用两段定、转子同轴共壳体，形成机械余度结构；每段电动机为五相永磁同步电动机，定子绕组采用隔齿嵌放、集中单层绕组结构，相绕组之间故障隔离能力强，形成电气容错结构，大大提高电动机的容错能力，满足***“一次故障工作，二次故障工作，三次故障安全”的要求。

（2）定子组件中定子槽设计成窄而深的槽型，同时尽量减小槽口宽度，增大槽口高度，显著提高电动机的相绕组电感，有效地抑制永磁同步电动机的短路电流。

（3）转子永磁体采用不等厚永磁体设计，提高气隙磁场的正弦度，同时两段转子组件采用错极结构，以减小永磁同步电动机的转矩脉动。

本发明一种基于余度和容错技术的高可靠永磁同步电动机，其优点及功效在于：通过对电动机结构以及关键部件的设计创新，使所设计的永磁同步电动机，具有良好的物理隔离、磁隔离、热隔离和电气隔离能力，并且能够有效抑制电动机的短路电流，大大提高永磁同步电动机的可靠性，以满足***“一次故障工作，二次故障工作，三次故障安全”的要求，适用于高可靠性、高功率密度伺服控制。

（四）附图说明

图1本发明的整体结构示意图；

图2本发明的定转子结构示意图；

图3本发明两段转子错极结构示意图；

图4本发明转轴结构示意图。

图中符号说明如下:

1、定子铁心  2、定子绕组  3、不等厚永磁磁钢  4、转子铁心

5、轴承    6、转轴    7、衬套    8、绝缘套筒

9、隔磁板    10、端盖    11、机壳    12、转轴的键

13、容错齿  14、转子定位槽

图中A、B、C、D、E表示五相永磁同步电动机的五相绕组，分别为A相绕组、B相绕组、C相绕组、D相绕组和E相绕组。

(五)具体实施方式

本发明一种基于余度和容错技术的高可靠永磁同步电动机，包括：机壳11、两个转子组件、两个定子组件、转轴6、轴承5、绝缘套筒8、隔磁板9和端盖10。它们之间的位置连接及结构关系是：该高可靠永磁同步电动机的两个定子组件同轴串联置于机壳11内；两个绝缘套筒8与定子组件同轴串联置于两个定子组件之间，实现两个定子组件的轴向定位；两个定子组件之间由绝缘套筒8实现轴向定位；隔磁板9同轴置于两个定子组件的中间位置，实现两个定子组件的磁场隔离；两个转子组件同轴串联，分别置于两个定子组件中；两个轴承5分别位于机壳11和端盖10的轴承室中，实现对转轴6的支撑；机壳11和端盖10共同将以上各部分封装在一起，对高可靠永磁同步电动机的各个部分起固定和保护作用。

下面结合附图详细说明本发明的技术方案。

图1为本发明一种基于余度和容错技术的高可靠永磁同步电动机，由同轴串联的两个定子组件（定子铁心1和定子绕组2）、两个转子组件（不等厚永磁磁钢3、转子铁心4和衬套7）、轴承5、转轴6、绝缘套筒8、隔磁板9、端盖10和机壳11构成。

其中，定子组件由定子铁心1和定子绕组2构成。定子铁心1采用高磁饱和的电工硅钢制成；定子绕组2采用耐高温漆包线，五相绕组采用隔齿嵌放、集中式单层绕组方式绕制，并且每相绕组通过单独的H桥驱动方式供电，有效地实现相绕组之间物理隔离、磁隔离、热隔离和电气隔离，如图2所示。其上设有容错齿13。

其中，转子组件由转子铁心4、不等厚永磁磁钢3和衬套7构成。转子铁心4采用高磁导率的电工硅钢，通过车削加工而成；不等厚永磁磁钢3采用高性能的稀土永磁材料，并通过胶粘到转子铁心4的表面，充磁方向为平行充磁；衬套7采用不导磁的铝棒，通过车削加工而成，实现两段转子组件的轴向定位。

其中，转子错极通过在转子铁心4内侧车削加工转子定位槽14来实现，如图3所示，转子错极时沿圆周方向偏移的角度（偏移角）可以通过下述公式计算得到：

其中，θ_py为转子错极偏移角度；θ_ct为永磁同步电动机齿槽转矩周期；M_d为高可靠永磁同步电动机的分段数；LCM{}代表取最小公倍数；2p为永磁同步电动机的极数；z为永磁同步电动机的槽数。在本发明中，θ_py=4.5°。

其中，轴承5是根据转轴的尺寸选择大小合适的深沟球轴承，实现对转轴的支撑。

其中，转轴6采用不导磁的圆钢，通过车削加工而成，如图4所示。其上加工有键槽，供放置转轴的键12.

其中，绝缘套筒8采用不导磁、耐高温的绝缘材料环氧玻璃布板，通过车削加工而成，实现两段定子组件的轴向定位。

其中，隔磁板9采用高磁导率、高电阻率的软磁材料，通过车削加工而成，它将两段永磁同步电动机之间的磁场完全隔离，使每段永磁同步电动机形成独立的磁路，屏蔽两段电动机之间的磁场干扰。

其中，端盖10和机壳11采用钢板，通过车削加工而成，通过在端盖加工定位孔，可以实现电动机与其他机构的机械连接以及位移传感器的安装。

Claims (1)

1.一种基于余度和容错技术的高可靠永磁同步电动机，其特征在于：它包括：机壳、两个转子组件、两个定子组件、转轴、轴承、绝缘套筒、隔磁板和端盖；两个定子组件同轴串联置于机壳内；两个绝缘套筒与定子组件同轴串联置于两个定子组件之间，实现两个定子组件的轴向定位；两个定子组件之间由绝缘套筒实现轴向定位；隔磁板同轴置于两个定子组件的中间位置，实现两个定子组件的磁场隔离；两个转子组件同轴串联，分别置于两个定子组件中；两个轴承分别位于机壳和端盖的轴承室中，实现对转轴的支撑；机壳和端盖共同将以上各部分封装在一起，对高可靠永磁同步电动机的各个部分起固定和保护作用；

所述机壳是采用钢板材料通过车削加工而成的中空的圆筒形结构件，实现对电动机内部各个部件的固定和保护功能，同时实现电动机良好的散热能力；

所述转子组件是由不等厚永磁磁钢、转子铁心和衬套组成，不等厚永磁磁钢通过高强度胶粘到转子铁心外表面，两段转子铁心之间同轴放置衬套，实现其轴向定位；该不等厚永磁磁钢是由高性能稀土永磁材料制成的径向不等厚的扇形磁极，为永磁同步电动机提供必需的磁势和磁通；该转子铁心是采用高磁导率电工硅钢材料，通过车削而成的中空圆柱形结构，为电动机的转子磁场提供闭合磁回路；该衬套是由不导磁材料制成的中空圆柱形套筒，实现两段转子组件的轴向定位；

所述定子组件是由定子铁心和定子绕组组成，每相定子绕组嵌放于定子铁心相邻的两个槽内；该定子铁心是采用高磁饱和的电工硅钢材料制成，其上开有10个定子槽，为电动机的定子磁场提供闭合磁回路；该定子绕组是耐高温的漆包线绕制而成，每相定子绕组采用独立H桥供电，实现定子相绕组之间的电气隔离；

所述转轴是由不导磁的圆钢经过车削加工而成的圆柱形结构件，实现转子组件的同轴安装与固定，同时完成高可靠永磁同步电动机的转矩输出；

所述轴承是根据转轴的尺寸选择的深沟球轴承，实现对转轴的支撑；

所述绝缘套筒是通过车削加工而成的中空的圆柱形套筒件，实行两段定子组件之间的轴向定位；

所述端盖是采用钢板经过车削加工而成的盘状件，与机壳共同将电动机的各部分封装在一起，实现对电动机各部分的固定和保护功能，同时通过在端盖上加工定位孔，便于实现电动机与其它机械机构的连接。

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