CN103795203A - 一种新型的两段式七相永磁容错电动机 - Google Patents

Abstract

本发明是一种新型的两段式七相永磁容错电动机，属于永磁同步电动机技术领域。电动机包括机壳、两个转子组件、两个定子组件、转轴、轴承、衬套、绝缘套筒、隔磁板和端盖。两个定、转子组件同轴共壳体安装。两个定子组件分别是三相绕组和四相绕组，分别通过一个转子组件与转轴连接，构成三相、四相永磁容错电动机段。两个电动机段之间安装有隔磁板。定子组件的相绕组为隔齿嵌放的集中单层绕组方式，每相绕组通过独立的H桥驱动方式供电。本发明的电动机具有良好的物理隔离、磁场隔离、热场隔离和电气隔离能力，有效地抑制永磁电动机的短路电流，大大提高了永磁电动机的可靠性，满足***“一次故障工作，二次故障工作，三次故障安全”的要求。

Description

一种新型的两段式七相永磁容错电动机

技术领域

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

背景技术

随着功率电传（Power-By-Wire，PBW）概念的提出，以及高磁能积永磁材料、大功率驱动器件的发展，由永磁电机直接驱动的电力作动器以其重量轻、效率高、可维护性好、全寿命周期成本低等优点，被广泛应用于航空航天、电动汽车、医疗器械、工业自动化等高可靠伺服作动领域。

作为未来高可靠伺服作动***的发展方向，更高的可靠性和容错能力已经成为新型电力作动器必须具备的技术特征。而永磁同步电动机作为电力作动器的核心部件，其可靠性直接决定整个伺服作动***的可靠性。因此，开展高可靠永磁同步电动机的研究具有重要的理论意义和实用价值。

目前，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***的容错能力。

发明内容

针对上述传统的多余度永磁同步电动机存在的导致***余度之间相互干扰，故障隔离能力差，以及严重影响***的容错能力等问题，本发明提供了一种新型的两段式七相永磁容错电动机。本发明通过对永磁电动机结构以及关键部件的设计创新，使所设计的永磁电动机，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。

本发明一种新型的两段式七相永磁容错电动机，采用同轴两段式结构，电动机包括：机壳、两个转子组件、两个定子组件、转轴、轴承、衬套、绝缘套筒、隔磁板和端盖。转子组件包括Halbach结构形式永磁体和转子铁心。第一个定子组件的定子绕组为三相绕组，第二个定子组件的定子绕组为四相绕组。第一个定子组件通过第一个转子组件与转轴连接，构成三相永磁容错电动机段。第二个定子组件通过第二个转子组件与转轴连接，构成四相永磁容错电动机段。两个电动机段之间安装有隔磁板。两个转子组件的转子铁心通过转轴上的键限位固定，并通过套在转轴上的衬套进行轴向定位；两个定子组件的定子铁心通过设置在机壳内侧的绝缘套筒进行轴向定位；转轴通过轴承与机壳和端盖固定一起。

定子组件的相绕组采用隔齿嵌放的集中单层绕组方式，相绕组之间通过容错齿相互隔离，每相绕组通过独立的H桥驱动方式供电。

本发明的两段式七相永磁容错电动机，相对现有技术，具有如下优点和积极效果：

（1）本发明采用两段定、转子同轴共壳体安装，两段电动机分别为三相永磁容错电动机和四相永磁容错电动机，形成机械非相似余度结构，有效地解决了相似余度结构无法抑制同态故障的问题；每段电动机定子绕组采用隔齿嵌放的集中单层绕组结构，两段定子中的七相绕组之间相互备份构成电气容错结构形式，大大提高电动机的容错能力，实现电动机内部各绕组之间良好的物理隔离、磁隔离、热隔离和电气隔离能力，能够满足***“一次故障工作，二次故障工作，三次故障安全”的容错要求。

（2）本发明的定子组件中定子槽设计成窄而深的槽型和槽口，同时尽量提高电机绕组线圈匝数，可以显著提高电动机的相绕组电感，以有效抑制永磁电动机的短路电流，降低电动机故障时的转矩脉动，实现永磁电动机在短路故障时的容错运行。

（3）转子永磁体采用Halbach阵列结构形式，提高了气隙磁场的正弦度，减小了电动机的转矩脉动，同时有效地减低了永磁电动机的转子涡流损耗。

附图说明

图1本发明的两段式七相永磁容错电动机的整体结构示意图；

图2为本发明三相永磁容错电动机段定转子结构示意图；

图3为本发明四相永磁容错电动机段定转子结构示意图；

图4为本发明三相永磁容错电动机永磁体充磁方向示意图；

图5为本发明四相永磁容错电动机永磁体充磁方向示意图；

图6为本发明转轴结构示意图。

图中：

1、定子铁心  2、定子绕组   3、Halbach阵列永磁体 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

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的新型的两段式七相永磁容错电动机，采用同轴两段式结构，包括：同轴串联的两个定子组件、两个转子组件、轴承5、转轴6、衬套7、绝缘套筒8、隔磁板9、端盖10和机壳11。定子组件包括定子铁心1和定子绕组2。转子组件包括Halbach结构形式永磁体3和转子铁心4。

两个定子组件和两个转子组件同轴共壳体安装，其中第一个定子组件和第一个转子组件构成三相永磁容错电动机段，第二个定子组件和第二个转子组件构成四相永磁容错电动机段，构成非相似机械余度结构形式。两个电动机段之间安装有隔磁板9。非相似机械余度结构形式有效地解决了相似余度无法抑制同态故障的问题；同时两段永磁容错电动机的相绕组之间相互备份，构成电气容错结构形式，大大提高永磁电动机的容错能力和可靠性。两段电动机之间通过高磁导率、高电阻率的软磁材料制成的隔磁板9，实现隔离，有效地解决相似余度结构无法抑制同态故障的问题，大大提高了***的可靠性。

如图2所示，三相永磁容错电动机段的定子绕组2为三相绕组，图中A1、B1和C1表示三相永磁容错电动机的相绕组。如图3所示，四相永磁容错电动机段的定子绕组2为四相绕组，A2、B2、C2和D2表示四相永磁容错电动机的相绕组。

定子铁心1采用高磁饱和、低铁心损耗的电工硅钢制成。定子绕组2采用耐高温漆包线。定子铁心1中的相绕组采用隔齿嵌放的集中单层绕组方式，使得每个定子槽中只有电动机的一相绕组，有效地实现相绕组之间的物理隔离。相绕组之间通过隔齿嵌放形成的容错齿13相互隔离，容错齿13为各相绕组的磁场提供闭合回路，使得相绕组之间不存在磁场耦合现象，实现永磁容错电动机的磁隔离，同时这种绕组结构具有很强的热隔离能力，故障相绕组产生的热量通过相绕组绕制的定子齿和容错齿传递到机壳，而难以传递到其他相绕组。每相绕组通过独立的H桥驱动方式供电，实现了相绕组之间的电气隔离。因此，本发明的两段式七相永磁容错电动机可以有效地实现相绕组之间的物理隔离、磁场隔离、热场隔离和电气隔离，不仅具有很强的故障隔离能力，而且有效地解决了两段电机之间存在同态故障难以解决的问题。

两段电动机的定子铁心1中的A1相绕组和A2相绕组在圆周方向上互差45度，尽量减小了电动机缺相运行时的转矩脉动。

本发明的三相永磁容错电动机段采用8极6槽的三相永磁容错电动机结构形式，另一段定、转子组件采用6极8槽的四相永磁容错电动机结构形式，两段定子组件中的相绕组相互备份，构成电气容错结构。

本发明通过合理的永磁容错电动机的齿槽结构尺寸设计，将定子槽设计成窄而深的槽型和槽口，增加永磁容错电动机的相绕组漏感，从而达到增大电动机相绕组电感的目的，以有效地抑制电动机的短路电流。

根据电动机定子槽漏抗X_slot计算公式：

$X_{\mathrm{slot}}=2\mathrm{\πf}{N}_s^2{l}_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\μ}}_0(\frac{h_s}{{3W}_s}+\frac{h_0}{b_0})$

通过合理设计定子齿槽结构尺寸b₀，h₀，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。其中，f为频率；N_s为电枢绕组的每相串联匝数；μ₀为空气磁导率；l_eff为电枢绕组轴向有效长度；b₀为槽口宽度；h₀为槽口高度；h_s为槽高；W_s为槽的平均宽度。

转子铁心4采用高磁导率的电工硅钢，通过车削加工而成，永磁体3设置在转子铁心4的转子定位槽14中。本发明采用Halbach结构形式永磁体3，所示永磁体3采用高性能的稀土永磁材料，其磁化方法：将粘结的各向同性磁体模塑成磁环，随后利用充磁装置在正弦分布磁场下进行脉冲充磁，各磁体块的充磁方向由公式θ_mi＝(1±p)θ_i决定。其中，θ_i为第i块永磁体中心线与水平方向的角度；θ_mi为第块永磁体的充磁方向，p为极对数。这种形式的永磁体结构形式大大提高了气隙磁场的正弦度，减小了电动机的转矩脉动，同时这种结构永磁体可以有效地减小永磁电动机的转子涡流损耗。

如图2和3所示，每个转子组件中的永磁体采用面贴式Halbach阵列永磁体结构形式，增大了电动机有效气隙，减弱从定子侧耦合到转子侧的磁场，进一步提高了相绕组之间的磁隔离能力；同时永磁体采用Halbach阵列永磁体结构设计，有效地提高了气隙磁场的正弦度，减小电动机的转矩脉动，而且这种分块式的永磁体可以很好地降低电动机转子涡流损耗。

图4为三相永磁容错电动机段永磁体3充磁方向的示意图；图5为四相永磁容错电动机段永磁体3充磁方向示意图。

转轴6采用不导磁的圆钢，通过车削加工而成，如图6所示。转轴6上加工有键12，用于实现转子组件在圆周方向的定位。

衬套7采用不导磁的铝棒材料，通过车削加工而成。衬套7套在转轴6上，实现两个转子组件的轴向定位。

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。绝缘套筒8设置在机壳11的内侧，实现两个定子组件的轴向定位。

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。

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。

在机壳11与端盖10的轴承室中都设置轴承5，实现对转轴6的支撑。

如图1所示，定子组件通过转子组件与转轴6固定，转子铁心4通过转轴的键12限位固定，两个转子铁心4通过衬套7进行轴向定位，两个定子铁心1通过绝缘套筒8进行轴向定位，转轴6通过轴承5与机壳11和端盖10固定一起。

本发明的两段式七相永磁容错电动机，通过对电动机结构以及关键部件的设计创新，使得所设计的永磁容错电动机，具有良好的故障隔离能力，同时可以有效地抑制永磁电动机的短路电流，实现永磁电动机短路故障的容错运行，大大提高永磁同步电动机的可靠性，适用于高可靠性、高功率密度等伺服作动领域。

Claims (6)

1.一种两段式七相永磁容错电动机，其特征在于，包括：两个定子组件、两个转子组件、转轴、轴承、绝缘套筒、隔磁板、衬套、机壳和端盖；转子组件包括Halbach结构形式永磁体和转子铁心；两个转子组件的转子铁心通过转轴上的键限位固定，并通过套在转轴上的衬套进行轴向定位；两个定子组件的定子铁心通过设置在机壳内侧的绝缘套筒进行轴向定位；转轴通过轴承与机壳和端盖固定一起；

所述的定子组件和转子组件同轴，第一个定子组件的定子绕组为三相绕组，第二个定子组件的定子绕组为四相绕组；第一个定子组件通过第一个转子组件与转轴连接，构成三相永磁容错电动机段；第二个定子组件通过第二个转子组件与转轴连接，构成四相永磁容错电动机段；两个电动机段之间安装有隔磁板；

所述的定子组件的相绕组采用隔齿嵌放的集中单层绕组方式，相绕组之间通过容错齿相互隔离，每相绕组通过独立的H桥驱动方式供电。

2.根据权利要求1所述的两段式七相永磁容错电动机，其特征在于，所述的第一个定子组件的第一相绕组和第二个定子组件的第一相绕组，在圆周方向上互差45度。

3.根据权利要求1所述的两段式七相永磁容错电动机，其特征在于，所述的Halbach结构形式永磁体中的每块永磁体的充磁方向根据公式θ_mi=(1±p)θ_i得到，其中，θ_i为第i块永磁体中心线与水平方向的角度；θ_mi为第i块永磁体的充磁方向，p为极对数。

4.根据权利要求1或3所述的两段式七相永磁容错电动机，其特征在于，所述的绝缘套筒采用环氧玻璃布板。

5.根据权利要求1或3所述的两段式七相永磁容错电动机，其特征在于，所述的隔磁板采用软磁材料。

6.根据权利要求1或3所述的两段式七相永磁容错电动机，其特征在于，所述的衬套采用不导磁的铝棒。

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