CN103762759A - 具有高磁隔离能力的径向磁通模块化多相电机 - Google Patents

Abstract

具有高磁隔离能力的径向磁通模块化多相电机，属于电机领域，本发明为解决现有多相永磁同步电机的一相绕组短路时，容错控制难度大；由于绕组空间分散分布，导致不利于进行故障隔离以及设计成模块化结构的问题。本发明包括模块化定子、转子、机壳和主轴，转子设置在主轴上，模块化定子设置在转子的外部，且模块化定子与转子之间有气隙；模块化定子的外圆表面固定在机壳的内圆表面上；每个模块化定子包括N个相同的定子模块，所述N个相同的定子模块拼接成一个圆盘形；每个定子模块包括定子铁心、五个定子齿和两个集中绕制绕组；转子：在转子铁心的外圆表面沿圆周方向设置交替相反径向充磁的2N±2块永磁体。

Description

具有高磁隔离能力的径向磁通模块化多相电机

技术领域

本发明涉及具有高磁隔离能力的径向磁通模块化多相电机，属于电机领域。

背景技术

多相永磁同步电机由于相数冗余，具有容错运行能力，适用于多电飞机、纯电动车、电力推进舰船等对驱动电机可靠性要求较高的应用场合。采用分布式绕组或普通分数槽集中绕组结构的多相永磁同步电机，都存在相间磁耦合较大的缺点。当电机一相绕组发生短路故障时，由于绕组间存在磁耦合，短路相绕组产生的磁通会在剩余相绕组中感生反电势，影响剩余相绕组的控制效果，增加了容错控制的难度。另一方面，大多数采用分布式绕组或普通分数槽集中绕组结构的多相永磁同步电机，某一相绕组在空间上分散分布，不利于进行故障隔离以及设计成模块化结构。

发明内容

本发明目的是为了解决现有多相永磁同步电机的一相绕组短路时，容错控制难度大；由于绕组空间分散分布，导致不利于进行故障隔离以及设计成模块化结构的问题，提供了一种具有高磁隔离能力的径向磁通模块化多相电机。

本发明所述具有高磁隔离能力的径向磁通模块化多相电机，它包括模块化定子、转子、机壳和主轴，

转子设置在主轴上，模块化定子设置在转子的外部，且模块化定子与转子之间有气隙，所述气隙长度为L；

模块化定子的外圆表面固定在机壳的内圆表面上；

每个模块化定子包括N个相同的定子模块，所述N个相同的定子模块拼接成一个圆盘形；每个定子模块包括定子铁心、五个定子齿和两个集中绕制绕组；定子铁心上设置五个定子齿；所述五个定子齿依次为第一矩形定子齿、第二宽极靴定子齿、第三矩形定子齿、第四宽极靴定子齿、第五矩形定子齿，第一矩形定子齿、第三矩形定子齿和第五矩形定子齿沿圆周方向宽度依次为：[(0.055±0.01)πd/N]°、[(0.11±0.02)πd/N]°和[(0.055±0.01)πd/N]°；第二宽极靴定子齿和第四宽极靴定子齿的极靴所在扇面夹角为[360×(0.35±0.01)/N]°；其中：d为模块化定子的直径；

在第二宽极靴定子齿和第四宽极靴定子齿上各绕制一个集中绕制绕组；两个集中绕制绕组的缠绕方向相反；

转子包括转子铁心和2N±2块永磁体，在转子铁心的外圆表面沿圆周方向设置2N±2块永磁体，2N±2块永磁体充磁方向交替相反，所有永磁体均沿径向充磁，永磁体采用钕铁硼永磁材料构成；

其中：N为大于或等于3的自然数。

本发明的优点：本发明公开一种具有高磁隔离能力的径向磁通模块化多相电机。每相采用相邻的两个集中绕制绕组排布，达到了较好的磁隔离效果，减小了故障相对剩余相的影响。另外，定子采用模块化设计，方便大规模加工制造，并可以在某一模块发生故障的情况下进行替换，降低维护、维修成本。该电机是一种可靠性高、功率密度大、制造维护成本低廉的多相电机本体结构方案。

附图说明

图1是本发明所述具有高磁隔离能力的径向磁通模块化多相电机的结构示意图；

图2是定子模块的结构示意图；

图3是一个定子模块中的集中绕制绕组展开图；

图4是一个定子模块中定子齿的分布图；

图5是一个定子模块绕组通电时磁通路径图；

图6是所有绕组通电时气隙磁密图；

图7是所有绕组通电时谐波分布图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述具有高磁隔离能力的径向磁通模块化多相电机，它包括模块化定子1、转子2、机壳3和主轴11，

转子2设置在主轴11上，模块化定子1设置在转子2的外部，且模块化定子1与转子2之间有气隙，所述气隙长度为L；

模块化定子1的外圆表面固定在机壳3的内圆表面上；

每个模块化定子1包括N个相同的定子模块，所述N个相同的定子模块拼接成一个圆盘形；每个定子模块包括定子铁心4、五个定子齿5和两个集中绕制绕组6；定子铁心4上设置五个定子齿5；所述五个定子齿5依次为第一矩形定子齿、第二宽极靴定子齿、第三矩形定子齿、第四宽极靴定子齿、第五矩形定子齿，第一矩形定子齿、第三矩形定子齿和第五矩形定子齿沿圆周方向宽度依次为：[(0.055±0.01)πd/N]°、[(0.11±0.02)πd/N]°和[(0.055±0.01)πd/N]°；第二宽极靴定子齿和第四宽极靴定子齿的极靴所在扇面夹角为[360×(0.35±0.01)/N]°；其中：d为模块化定子1的直径；

在第二宽极靴定子齿和第四宽极靴定子齿上各绕制一个集中绕制绕组6；两个集中绕制绕组6的缠绕方向相反；

转子2包括转子铁心7和2N±2块永磁体8，在转子铁心7的外圆表面沿圆周方向设置2N±2块永磁体8，2N±2块永磁体8充磁方向交替相反，所有永磁体8均沿径向充磁，永磁体8采用钕铁硼永磁材料构成；

其中：N为大于或等于3的自然数。

为解决背景技术中涉及的问题，本实施方式采用具有高磁隔离能力的径向磁通模块化多相电机（如附图1、2所示），模块化定子1每相由一个定子模块组成，定子模块包含五个定子齿5、两个空间上相邻的集中绕制绕组6。该定子结构可使一相绕组产生的磁通通过五个定子齿5、气隙、转子铁心7、转子永磁体8构成的空间路径闭合，而不铰链其它相绕组，从而达到较好的磁隔离效果，最大程度地避免了短路故障下，故障相对剩余相绕组的影响。同时，由于采用了模块化设计，可以大大提升加工制造的便捷程度，并方便在某一模块发生故障的情况下进行替换。

工作原理：如图5所示，当模块化定子1的某一相绕组通电时，通过气隙的磁力线通过定子模块内的五个定子齿5、定子铁心4、气隙、转子2的永磁体8、转子铁心7形成闭合回路，而不经由其他定子模块形成闭合回路。理论上，不同模块间不存在磁耦合。

同理，当电机某一相绕组发生短路故障时，短路绕组产生的磁力线也通过上述路径闭合，不经由其他定子模块形成闭合回路，从而消除了对剩余相绕组的影响，实现了较好的磁隔离效果。

同时，由于短路电流带来的绕组发热也可以被有效地控制在定子模块内，不会马上扩散到其他定子模块，有利于保护其余定子模块。

正常工作时，N个模块内的绕组依次通以如下正弦电流：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a=I_m\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ i_b=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/N)\\ i_c=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-4\mathrm{\π}/N)\\ i_d=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-6\mathrm{\π}/N)\\ i_e=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-8\mathrm{\π}/N)\\ i_f=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-10\mathrm{\π}/N)\\ \·\·\·\·\·\·\end{array}\right.$

其中：i_a、i_b、i_c、i_d、i_e和i_f分别为第1、2、3、4、5和6个定子模块中绕组的电流；

ω为电机旋转角速度；

I_m为电流有效值。

经二维有限元分析，可得到上述电机绕组通电时的气隙磁密分布图及谐波分析，如图6和图7所示。该电机可利用5次或7次磁动势谐波工作，由于采用7次磁动势谐波时可增大绕组跨距，改善电机的绕组系数，故最佳的工作谐波为7次。对应的，转子永磁体应采用14极结构。

对于N相电机（N=3,4,5…）而言，转子永磁体极数可为(2N±2)，且应取(2N＋2)为最优。

当电机发生绕组开路或短路故障时，可调整剩余模块的电流激励幅值及相位，重新构成圆形旋转磁势，从而实现平稳的容错控制。

对于N相电机（N=3,4,5…）而言，配套的控制器可为N相半桥结构、N相全桥结构。

定子模块加工时，可采用软磁复合材料一次成型而成。该实施方式工序简单，可提升加工制造的速度，有利于大规模生产。或者，加工成如图3所示的硅钢片，再沿径向叠压而成。

具体实施方式二：下面结合图2和图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，每个定子模块的定子铁心4的轭部一侧设置半圆形凸起件9，在轭部的另一侧对称设置半圆形凹槽10，相邻两个定子模块通过半圆形凸起件9和半圆形凹槽10相互配合拼接在一起。

半圆形凸起件9和半圆形凹槽10采用间隙配合，将N个定子模块沿圆周方向拼接后，利用热套技术，嵌套在机壳3内。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，永磁体8采用表贴式、Halbach阵列式或内置式结构。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式一作进一步说明，定子铁心4和转子铁心7均采用软磁复合材料铸成或硅钢片沿轴向叠压构成。

本实施方式这种设置方式，减小电机铁心的涡流损耗。

具体实施方式五：下面结合图1至图7说明本实施方式，给出一个具体实施例，本实施例中N=6。

每个模块化定子（见附图2）六个定子模块，每个定子模块包括定子铁心4、五个定子齿2与两个集中绕制绕组6，中间及两端的三个直齿较窄，所在宽度依次为[(0.055±0.01)πd/6]°、[(0.11±0.02)πd/6]°、[(0.055±0.01)πd/6]°，其中d为模块化定子1的直径。另外两个定子齿的极靴较宽，所在扇面夹角为(21±0.6)°，并在这两个宽极靴定子齿上分别绕制两个集中绕制绕组6。

转子2（见附图1）的外圆表面设置10块或14块充磁交替相反的永磁体8，永磁体8采用钕铁硼永磁材料构成并沿径向充磁。

正常工作时，六个定子模块内的绕组依次通以如下正弦电流：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a=I_m\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ i_b=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/3)\\ i_c=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)\\ i_d=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π})\\ i_e=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-4\mathrm{\π}/3)\\ i_f=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-5\mathrm{\π}/3)\end{array}\right.$

经二维有限元分析，可得到上述电机绕组通电时的气隙磁密分布图及谐波分析，如图6所示。该电机可利用5次或7次磁动势谐波工作，由于采用7次磁动势谐波时可增大绕组跨距，改善电机的绕组系数，故最佳的工作谐波为7次。对应的，转子永磁体应采用14极结构。

相对于典型的24槽22极分数槽集中绕组六相永磁同步电机，上述具有高磁隔离能力的径向磁通模块化六相电机有效地抑制了绕组合成磁动势1次谐波，有利于减小电机的涡流损耗。

与电机相配套的控制器可为六相半桥结构、六相全桥结构、六相八桥臂结构、六相九桥臂结构。

Claims (4)

1.具有高磁隔离能力的径向磁通模块化多相电机，其特征在于，它包括模块化定子（1）、转子（2）、机壳（3）和主轴（11），

转子（2）设置在主轴（11）上，模块化定子（1）设置在转子（2）的外部，且模块化定子（1）与转子（2）之间有气隙，所述气隙长度为L；

模块化定子（1）的外圆表面固定在机壳（3）的内圆表面上；

每个模块化定子（1）包括N个相同的定子模块，所述N个相同的定子模块拼接成一个圆盘形；每个定子模块包括定子铁心（4）、五个定子齿（5）和两个集中绕制绕组（6）；定子铁心（4）上设置五个定子齿（5）；所述五个定子齿（5）依次为第一矩形定子齿、第二宽极靴定子齿、第三矩形定子齿、第四宽极靴定子齿、第五矩形定子齿，第一矩形定子齿、第三矩形定子齿和第五矩形定子齿沿圆周方向宽度依次为：[(0.055±0.01)πd/N]°、[(0.11±0.02)πd/N]°和[(0.055±0.01)πd/N]°；第二宽极靴定子齿和第四宽极靴定子齿的极靴所在扇面夹角为[360×(0.35±0.01)/N]°；其中：d为模块化定子（1）的直径；

在第二宽极靴定子齿和第四宽极靴定子齿上各绕制一个集中绕制绕组（6）；两个集中绕制绕组（6）的缠绕方向相反；

转子（2）包括转子铁心（7）和2N±2块永磁体（8），在转子铁心（7）的外圆表面沿圆周方向设置2N±2块永磁体（8），2N±2块永磁体（8）充磁方向交替相反，所有永磁体（8）均沿径向充磁，永磁体（8）采用钕铁硼永磁材料构成；

其中：N为大于或等于3的自然数。

2.根据权利要求1所述具有高磁隔离能力的径向磁通模块化多相电机，其特征在于，每个定子模块的定子铁心（4）的轭部一侧设置半圆形凸起件（9），在轭部的另一侧对称设置半圆形凹槽（10），相邻两个定子模块通过半圆形凸起件（9）和半圆形凹槽（10）相互配合拼接在一起。

3.根据权利要求1所述具有高磁隔离能力的径向磁通模块化多相电机，其特征在于，永磁体（8）采用表贴式、Halbach阵列式或内置式结构。

4.根据权利要求1所述具有高磁隔离能力的轴向磁通模块化多相电机，其特征在于，定子铁心（4）和转子铁心（7）均采用软磁复合材料铸成或硅钢片沿轴向叠压构成。

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