CN102290883B - 一种带容错齿的冗余励磁双电枢绕组多相磁通切换型电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带容错齿的冗余励磁双电枢绕组多相磁通切换型电机，包括定子铁心、转子铁心、4m个电枢线圈和励磁线圈；定子铁心由4m个E形铁心单元和4m个永磁体交错拼接而成，永磁体的充磁方向为切向，且相邻的充磁方向相反，E形铁心单元中间凸出的齿为定子容错齿，两侧凸出的齿为永磁齿，一个永磁体与与之相接触的两个永磁齿共同构成定子永磁齿；电枢线圈套装在定子永磁齿上，相邻的2m个电枢线圈构成第一套对称m相电枢绕组，另外2m个电枢线圈构成第二套对称m相电枢绕组；励磁线圈套装在定子容错齿上，且励磁线圈依次首尾串联组成一套单相集中励磁绕组。本发明与现有技术相比，提高了电机的容错性和可靠性，具有多种工作模式。

Description

一种带容错齿的冗余励磁双电枢绕组多相磁通切换型电机

技术领域

本发明涉及一种电机，尤其涉及一种带容错齿的冗余励磁双电枢绕组多相磁通切换型电机。

背景技术

目前出现的单相或者三相电机都是采取励磁与电枢两套绕组分别放置的结构，包括转子放置励磁绕组/定子放置电枢绕组的旋转励磁式电励磁结构、转子放置永磁体/定子放置电枢绕组的旋转励磁式永磁结构、定子放置励磁绕组/转子放置电枢绕组的旋转电枢式电励磁结构、定子放置永磁体/转子放置电枢绕组的旋转电枢式永磁结构。上述四种结构除了旋转永磁励磁式都需要电刷和(或)换向器，降低了系统的可靠性，需要维护。

而近些年出现的所谓磁通切换型电机，是指随着转子位置的变化，励磁磁通切换其闭合路径，使得定子电枢绕组内匝链的磁通大小和方向均发生变化，从而产生交变的感应电势的电机。该电机有纯永磁结构(将永磁体与电枢绕组都置于定子)、纯电励磁结构(将励磁绕组与电枢绕组都置于定子)、混合励磁结构(将永磁体、励磁绕组与电枢绕组都置于定子)，转子上既无永磁体也无绕组，结构非常简单。

但是，目前的磁通切换型电机都是采用一套电枢绕组，因此当电枢绕组产生故障，将会导致电机无法运行，并对电机及负载造成冲击。而在包括风力发电、新能源电动汽车、工业驱动、多电飞机/船艇等绝大多数领域，都对驱动系统的可靠性提出了很高要求。目前的常规单电机驱动系统不能很好地解决电机转矩-转速特性与系统动力需求之间的矛盾。若功率恒定，则不能满足加速性能与最高转速的要求；若追求系统动力性能，则必须提高电机功率，使得电机体积和系统质量增加。更关键的是单电机系统无法保证可靠性要求与加强的容错运行能力。采用多电机组合结构，则又导致整个动力系统结构复杂，体积大，成本也高。基于上述背景，研制开发出一种新型带容错齿的冗余励磁双电枢多相电机驱动系统，将有助于满足上述对电驱动系统的要求。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种效率高、功率密度大、容错性能强、可靠性高的带容错齿的冗余励磁双电枢绕组多相磁通切换型电机。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种带容错齿的冗余励磁双电枢绕组多相磁通切换型电机，包括定子铁心、与定子铁心相适配的转子铁心、4m个电枢线圈和4m个励磁线圈，所述定子铁心和转子铁心为凸极结构；所述定子铁心由4m个E形铁心单元和4m个充磁用的永磁体交错拼接而成，所述永磁体的充磁方向为切向，且相邻永磁体的充磁方向相反，所述E形铁心单元中间凸出的齿为定子容错齿，两侧凸出的齿为永磁齿，一个永磁体与与之相接触的两个永磁齿共同构成定子永磁齿；所述电枢线圈套装在定子永磁齿上，相邻的2m个电枢线圈构成第一套对称m相电枢绕组，相邻的另外2m个电枢线圈构成第二套对称m相电枢绕组；所述励磁线圈套装在定子容错齿上，且励磁线圈依次首尾串联组成一套单相集中励磁绕组；所有永磁体构成永磁磁场，所有励磁线圈构成电励磁磁场；其中，m为自然数，且m≥1，其设计值可根据实际需要灵活设置。

该电机，在结构与性能上保留了传统磁通切换电机紧凑、简单、鲁棒性好、适于高速运行、效率高、功率密度大的优势；在励磁方式上，采用了电励磁和永磁体励磁两种励磁方式，设计了两套相互耦合的对称m相电枢绕组、和一套单相集中励磁绕组，使电机具有多种工作模式、较高的容错性能与可靠性。

所述转子铁心上既无永磁体也无绕组，为直槽结构或者斜槽结构；直槽结构的转子铁心可保证在采用单相集中励磁绕组和转子铁心不斜槽的条件下，就可获得正弦度非常高的磁链、感应电势和电感等静态特性；如果对电机励磁磁链、感应电势和电感等静态特性的正弦度要求较高，亦可将直槽结构的转子斜槽一定角度以提高正弦性。

所述E形铁心单元和转子铁心为硅钢片或其它导磁材质。

所述永磁体为钕铁硼或其它永磁材质。

所述定子铁心和转子铁心可根据需要设计成相配合成内转子结构或外转子结构。

所述永磁磁场和电励磁磁场为径向磁场、轴向磁场或者横向磁场中的一种磁场或其中两种磁场的组合。

该电机的机械结构可以为旋转、直线、平面、立体中的一种或几种的组合形式。

有益效果：本发明提供的一种带容错齿的冗余励磁双电枢绕组多相磁通切换型电机，与现有技术相比，具有如下有益效果：1、采用冗余励磁，可通过调节电励磁电流来调节气隙磁场，如既可增磁以产生较大的起动转矩，又可弱磁来实现恒功率宽调速运行，克服了纯永磁电机永磁磁场不可调的困难；2、采用冗余励磁，当永磁体发生退磁或失磁故障时，可以通过电励磁绕组产生的励磁磁场，维持电机运转，提高了电机的容错性能；此外，还可以通过电励磁线圈对永磁体在线充磁，进一步提高系统可靠性；3、采用双多相集中电枢绕组，即电机含有两套多相电枢绕组，且两套绕组相互解耦，单独控制，提供多种工作模式，可根据系统需要灵活控制；4、采用双多相集中电枢绕组，当任意一套电枢绕组或者功率变换电路发生故障时，另一套电枢绕组通道可正常工作，以维持电机运转，极大提高了电机的容错性能；5、该电机转子上既没有绕组，又没有永磁体，结构紧凑、坚固可靠，转动惯量小且转子为一块整体，适合于高速运行；6、采用容错齿，为电枢绕组提供磁、电、热独立回路，使得电机多相电枢绕组互感减小的同时，充分保证了其相间隔离，增加了相与相之间的独立性，进一步提高了电机的可靠性和带故障运行能力；7、该电机亦可根据需要将定子部分制造成一块整体以提高电机高速运行时的稳定性；8、电枢绕组、励磁绕组、永磁体都置于定子，易于散热，抗振动能力强，运行可靠。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为为本发明电机纯永磁励磁时，第一套电枢绕组的A相两个线圈和第二套电枢绕组的A’相的两个线圈的空载磁通图；

图3为本发明电机纯永磁励磁时，双三相电枢绕组空载磁通图；

图4为本发明电机不同励磁工况下的第一套电枢绕组A相磁通图；

图5为本发明电机不同励磁工况下的第二套电枢绕组A’相磁通图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种带容错齿的冗余励磁双电枢绕组多相磁通切换型电机，具体为一台双三相定子24槽/转子22极电机，电机的相数为m，定子槽数为P_s，转子极数为P_r；其中，m＝3。

该电机包括定子铁心1、位于定子铁心1内的转子铁心2、4m个电枢线圈3和4m个励磁线圈5，所述定子铁心1和转子铁心2为凸极结构；所述定子铁心1由4m个E形铁心单元和4m个充磁用的永磁体4交错拼接而成，所述永磁体4的充磁方向为切向，且相邻永磁体4的充磁方向相反，所述E形铁心单元中间凸出的齿为定子容错齿6，两侧凸出的齿为永磁齿7，一个永磁体4与与之相接触的两个永磁齿7共同构成定子永磁齿；所述电枢线圈3套装在定子永磁齿上，相邻的2m个电枢线圈3构成第一套对称三相电枢绕组，相邻的另外2m个电枢线圈3构成第二套对称三相电枢绕组；所述励磁线圈5套装在定子容错齿6上，且励磁线圈5依次首尾串联组成一套单相集中励磁绕组；所有永磁体4构成永磁磁场，所有励磁线圈5构成电励磁磁场。

所述永磁磁场和电励磁磁场为径向磁场、轴向磁场或者横向磁场中的一种磁场或其中两种磁场的组合；该电机的机械结构为旋转、直线、平面、立体中的一种或几种的组合形式。

在上述结构中，第一套对称三相电枢绕组包括第一电枢线圈301、第二电枢线圈302、第三电枢线圈303、第四电枢线圈304、第五电枢线圈305、和第六电枢线圈306，组成A相电枢绕组、B相电枢绕组和C相电枢绕组，第二套对称三相电枢绕组包括第七电枢线圈307、第八电枢线圈308、第九电枢线圈309、第十电枢线圈310、第十一电枢线圈311、和第十二电枢线圈312，组成A’相电枢绕组、B’相电枢绕组和C’相电枢绕组；其中每相绕组由两个电枢线圈组成，每一个电枢线圈3都横跨在对应的定子永磁齿上，电枢线圈3两个边圈在对应定子永磁齿的左右两个槽中排布，与相应的定子永磁齿在空间上垂直。其中第一套对称三相电枢绕组的具体连接方法为：第一电枢线圈301和第四电枢线圈304串联成A相永磁电枢绕组，第二电枢线圈302和第五电枢线圈305串联成B相电枢绕组，第三电枢线圈303和第六电枢线圈306串联成C相电枢绕组；第二套对称三相电枢绕组的具体连接方法为：第七电枢线圈307和第十电枢线圈310串联成A’相永磁电枢绕组，第八电枢线圈308和第十一电枢线圈311串联成B’相电枢绕组，第九电枢线圈309和第十二电枢线圈312串联成C’相电枢绕组。

励磁线圈5为集中绕组结构，共有十二个，分别为第一励磁线圈501、第二励磁线圈502、第三励磁线圈503、第四励磁线圈504、第五励磁线圈505、第六励磁线圈506、第七励磁线圈507、第八励磁线圈508、第九励磁线圈509、第十励磁线圈510、第十一励磁线圈511、和第十二励磁线圈512。

所述转子铁心2既无永磁体也无绕组，结构非常简单而坚固；可以为直槽结构或者斜槽结构；所述E形铁心单元和转子铁心2采用硅钢片冲片或者其它导磁材料压叠制成；所述永磁体4为钕铁硼或其它永磁材质。

随着转子铁心2位置的变化，对称三相电枢绕组中的每一个电枢线圈3中匝链近似正弦的磁通，所有电枢线圈3的磁通幅值相等，相位对称；

以属于A相和A’相的四个电枢线圈3为例，即A相的第一电枢线圈301和第四电枢线圈304，A’相的第七电枢线圈307和第十线圈310：由于电机结构的对称性，对任意转子位置，处于径向相对位置的两个电枢线圈3的磁通特性完全相同，即第一电枢线圈301与第七电枢线圈307的磁通特性相同，第四电枢线圈304与第十电枢线圈310的磁通特性相同；而处于非径向相对位置的两个同相电枢线圈3磁通具有绕组互补性，如第一电枢线圈301与第四电枢线圈304的磁通具有绕组互补性，第七电枢线圈307与第十电枢线圈310的磁通具有互补性，如图2所示。因此，合成的每相磁通高度正弦，且对每一套电枢绕组而言，对称三相电枢绕组磁通各相差120°(360°/m)电角度；随转子铁心旋转，相绕组中感应出高度正弦的感应电势。

上述电机中采用两套对称三相电枢绕组，且两套对称三相电枢绕组相互解耦，使得该电机的可靠性得到显著提高，十分适合电机的容错运行。对于三种励磁工况，包括纯永磁励磁、纯电励磁和混合励磁时，随转子铁心2旋转，两套对称三相电枢绕组中均能产生高度正弦三相对称感应电势。因此，任意一套对称三相电枢绕组中通入三相对称的正弦电流，均可以产生平稳的电磁转矩。在一定转速下，电磁转矩取决于励磁磁场强弱和电枢电流的大小。如图3、图4与图5所示，下面根据几种典型的电机运行情况，说明混合励磁工况和双三相电枢绕组的优势。

1、纯永磁励磁。此时的励磁磁场完全由永磁体产生，因此电机效率较高；通过调节电枢电流大小来调节转矩大小。

2、混合励磁。即励磁磁场由永磁磁场和电励磁磁场共同产生。调节电励磁电流的大小可以增强永磁磁场或削弱永磁磁场，以达到调节励磁磁场的目的。一定转速下，电励磁增磁可以提供额外的励磁磁场，电机的感应电势增加，输入同样的电枢电流可以为提供更大的输出转矩，非常适合需要大转矩输出的场合。当电励磁弱磁时，由于励磁磁场被削弱，电机感应电势减小，可以扩展电机的高速运行区。

3、故障运行。故障主要包括两种，即永磁体退磁或失磁造成的永磁体励磁故障，及电枢绕组故障。对于永磁体励磁故障，可以通过电励磁产生维持电机运行所需的励磁磁场；对于电枢故障，由于两套电枢绕组相互解耦，任意一套电枢绕组工作均可维持电机运行。电机的容错运行可以减小故障瞬间对电机和负载的冲击，维持电机运行，因此极大提高了电机的运行可靠性和安全性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种带容错齿的冗余励磁双电枢绕组多相磁通切换型电机，其特征在于：该电机包括定子铁心（1）、与定子铁心（1）相适配的转子铁心（2）、4m个电枢线圈（3）和4m个励磁线圈（5），所述定子铁心（1）和转子铁心（2）为凸极结构；所述定子铁心（1）由4m个E形铁心单元和4m个充磁用的永磁体（4）交错拼接而成，所述永磁体（4）的充磁方向为切向，且相邻永磁体（4）的充磁方向相反，所述E形铁心单元中间凸出的齿为定子容错齿（6），两侧凸出的齿为永磁齿（7），一个永磁体（4）与与之相接触的两个永磁齿（7）共同构成定子永磁齿；所述电枢线圈（3）套装在定子永磁齿上，相邻的2m个电枢线圈（3）构成第一套对称m相电枢绕组，相邻的另外2m个电枢线圈（3）构成第二套对称m相电枢绕组；所述励磁线圈（5）套装在定子容错齿（6）上，且励磁线圈（5）依次首尾串联组成一套单相集中励磁绕组；所有永磁体（4）构成永磁磁场，所有励磁线圈（5）构成电励磁磁场；其中，m为自然数，且m≥1。

2.根据权利要求1所述的带容错齿的冗余励磁双电枢绕组多相磁通切换型电机，其特征在于：所述转子铁心（2）为直槽结构或者斜槽结构。

3.根据权利要求1所述的带容错齿的冗余励磁双电枢绕组多相磁通切换型电机，其特征在于：所述E形铁心单元和转子铁心（2）为导磁材质。

4.根据权利要求3所述的带容错齿的冗余励磁双电枢绕组多相磁通切换型电机，其特征在于：所述E形铁心单元和转子铁心（2）为硅钢片。

5.根据权利要求1所述的带容错齿的冗余励磁双电枢绕组多相磁通切换型电机，其特征在于：所述永磁体（4）为钕铁硼。

6.根据权利要求1所述的带容错齿的冗余励磁双电枢绕组多相磁通切换型电机，其特征在于：所述定子铁心（1）和转子铁心（2）相配合成内转子结构或外转子结构。

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