CN103095081B - 各相绕组间低热耦合无电磁耦合的双余度永磁同步电动机 - Google Patents
各相绕组间低热耦合无电磁耦合的双余度永磁同步电动机 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种各相绕组间低热耦合无电磁耦合的双余度永磁同步电动机，定子铁心上放置两套相互独立的三相对称绕组，这两套绕组由两个控制器单独供电，两套绕组可以同时工作，也可以分别单独工作。各相绕组的各个线圈为集中绕组，绕组端部不重叠，而且通过设置小齿以及再在小齿两侧放置耐高温的绝热材料，不仅将各相绕组从电气角度上隔离开，而且使得相绕组之间的与端部漏磁场对应的漏互感极小，也没有槽互漏电感，同时还使得各相绕组间的热耦合很低。一相绕组的偶数个线圈在定子圆周上按照正绕、反绕、……、正绕、反绕的规律连续绕制并串联连接在一起，与电枢反应磁场对应的各相绕组之间互感极小，可以近似认为各相之间无电磁耦合，可靠性提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种双余度永磁同步电动机。特别是涉及一种各相绕组间低热耦合无电磁耦合的双余度永磁同步电动机。
背景技术
永磁同步电动机具有许多优点，在航空航天得到广泛应用。而且在导弹和飞行器舵机、发动机油门控制等重要、复杂且不允许停机运行的伺服系统中，永磁同步电动机的可靠性设计至关重要。目前，为了提高飞行控制系统的可靠性，一般均采用包括并联和串联两种结构形式的双余度永磁同步电动机配置方式。其中，串联结构双余度永磁同步电动机是将两套独立的定子和转子共轴安装，其体积和重量较大，余度间难以协调控制。并联结构双余度永磁同步电动机是在同一个电机定子铁心上设置两套电枢绕组，两套电枢绕组共用一套永磁转子和位置传感器；两套定子绕组采用独立的控制系统。并联结构双余度永磁同步电动机虽然解决了体积和重量偏大的问题，但是有的并联结构双余度永磁同步电动机两套绕组间尽管消除了热耦合，但是两套绕组间存在的互感影响，即存在电磁耦合增加了系统参数变化的不确定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够使余度电机的可靠性得到提高的各相绕组间低热耦合无电磁耦合的双余度永磁同步电动机。
本发明所采用的技术方案是：一种各相绕组间低热耦合无电磁耦合的双余度永磁同步电动机，包括，由电机轴，固定在电机轴上的转子铁芯以及粘贴在转子铁芯外周的永磁体构成的转子组件，以及位于转子组件外周的由定子铁芯和定子绕组构成的定子组件，电机相数为3，所述的定子铁芯上形成有齿宽相同的Z0个大齿和等间距分布的6个齿宽相同的小齿，并且，两个相邻的小齿之间有Z0/6个大齿，其中，Z0为偶数，且小齿的齿宽小于大齿的齿宽，所述的转子组件有p0对永磁极，p0为奇数，Z0与p0之间无公约数，且Z0=2p0±2，所述的每一个小齿的两侧都分别设有一个第一类定子槽，在每个小齿两侧的第一类定子槽中还分别设置有耐高温的绝热材料，两个相邻的大齿之间设有一个第二类定子槽，所述的第一类定子槽的面积为第二类定子槽面积的二分之一，Z0个大齿的每一个大齿上绕制一个多匝线圈，两个相邻小齿之间的Z0/6个大齿上绕制Z0/6个线圈。
所述的定子铁芯上共设置有Z0-6个第二类定子槽。
所述的每个第一类定子槽内有1个线圈边，每个第二类定子槽内有2个线圈边。
所述的两个相邻小齿之间的Z0/6个大齿上绕制的Z0/6个线圈在定子铁芯圆周上按照正绕、反绕、……、正绕、反绕的规律沿固定方向连续向前绕制且串联连接在一起而构成一相绕组，所述的定子铁芯上共有6个相绕组。
所述的6个相绕组的永磁电动势大小相等相位互差60°电角度，6个相绕组中处于偶数位置的相绕组连接线首尾端颠倒构成新的6个相绕组，新的6个相绕组的永磁电动势大小相等相位互差120°电角度。
所述的新的6个相绕组的前3个相绕组Y接成一个三相对称绕组，后3个相绕组Y接成另一个三相对称绕组，共构成两套相互独立的三相对称绕组，该两套三相对称绕组由两个控制器单独供电。
本发明的各相绕组间低热耦合无电磁耦合的双余度永磁同步电动机，由于各个线圈为集中绕组，绕组端部不重叠，而且通过设置小齿以及再在小齿两侧放置耐高温的绝热材料，不仅将各相绕组从电气角度上隔离开，而且使得相绕组之间与端部漏磁场对应的漏互感极小，也没有槽互漏电感，同时还使得各相绕组之间的热耦合很低；相邻两小齿之间的构成一相绕组的2个线圈线圈在定子圆周上按照正绕、反绕、……、正绕、反绕的规律沿固定连续向前绕制并串联连接在一起，若磁路不饱和，则与电枢反应磁场对应的各相绕组之间的互感为零，即使磁路饱和，因此各相绕组之间的互感也极小，可以近似认为各相之间无电磁耦合。即使出现其中一相绕组出现短路现象，该相绕组所在的那套三相对称绕组停止工作，永磁磁场在该短路绕组中感应出的电动势产生的短路电流几乎对另一套正常工作的三相对称绕组没有电磁影响，热影响也不高，余度电机的可靠性得到提高。
附图说明
图1是本发明各相绕组间低热耦合无电磁耦合的双余度永磁同步电动机结构示意图；
图2是本发明各相绕组间低热耦合无电磁耦合的双余度永磁同步电动机剖面图；
图3是本发明各相绕组间低热耦合无电磁耦合的双余度永磁同步电动机剖面定子绕组连接示意图；
图4是本发明各相绕组间低热耦合无电磁耦合的双余度永磁同步电动机定子绕组平面展开图。
图中
13：电机轴 14：轴承
15：前端盖 16：固定螺栓
17：接线盒 18：机座
19：定子绕组 20：定子铁心
21：转子铁心 22：永磁体
23：后端盖 24：位置传感器
25：大齿 26：小齿
27：第一类定子槽 28：第二类定子槽
29：绝热材料
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的各相绕组间低热耦合无电磁耦合的双余度永磁同步电动机做出详细说明。
本发明的各相绕组间低热耦合无电磁耦合的双余度永磁同步电动机，主要是通过选择好三相永磁同步电动机定子上的大齿个数Z0（每个大齿上绕制多匝线圈）与永磁转子极对数p0之间的配合，电机相数为3，Z0为偶数，p0为奇数，Z0与p0之间无公约数，且存在Z0=2p0±2的关系；并且在定子铁心上安排有6个小齿，6个小齿两侧共有12个小槽，Z0个大齿之间有Z0-6个大槽，相邻两小齿之间的Z0/6个大齿，大齿齿宽相同，小齿齿宽相同，小齿的齿宽远远小于大齿齿宽。在每个小齿的两侧（在小槽中）还分别设置有耐高温的绝热材料。Z0个大齿的每一个大齿上绕制一个多匝线圈，两个相邻小齿之间的Z0/6个大齿上绕制Z0/6个线圈，Z0/6个线圈按照特定规律串联串联成一相绕组支路。
满足上述关系，并以Z0/(2p0)来表示时，Z0/(2p0)为12/10、12/14，24/22、24/26，36/34、36/38，48/46、48/50……的一系列电机，都可以构成相绕组间低热耦合无电磁耦合的双余度永磁同步电动机。
如图1、图2所示，本发明的各相绕组间低热耦合无电磁耦合的双余度永磁同步电动机，包括，由电机轴13，固定在电机轴13上的转子铁芯21以及粘贴在转子铁芯21外周的永磁体22构成的转子组件，以及位于转子组件外周的由定子铁芯20和定子绕组构成的定子组件。其结构形式与其他永磁同步电动机的转子相同，即可以采用表贴式、插入式或内埋式，位置传感器24的安装和运行方式与传统永磁同步电动机相同。在本发明中，电机相数为3，所述的定子铁芯20上形成有齿宽相同的Z0个大齿25和等间距分布的6个齿宽相同的小齿26，并且，两个相邻的小齿26之间有Z0/6个大齿25，其中，Z0为偶数，且小齿26的齿宽远远小于大齿25齿宽。所述的转子组件有p0对永磁极，p0为奇数，Z0与p0之间无公约数，且Z0=2p0±2，所述的每一个小齿26的两侧都分别各设有一个面积较小的第一类定子槽27，6个小齿26共设有12个面积较小的第一类定子槽27，在每个小齿26的两侧还分别设置有耐高温的绝热材料29，两个相邻的大齿25之间设有面积较大的第二类定子槽28，所述的定子铁芯20上共设置有（Z0-6）个第二类定子槽28。所述的第一类定子槽27的面积约为第二类定子槽28的面积约的二分之一，所述的每个第一类定子槽27内有1个线圈边，每个第二类定子槽28内有2个线圈边。Z0个大齿上各绕制一个多匝线圈，两个相邻小齿之间的Z0/6个大齿上绕制Z0/6个线圈。
如图3、图4所示，所述的两个相邻小齿之间的Z0/6个大齿上绕制的Z0/6个线圈在定子铁芯20圆周上按照正绕、反绕、……、正绕、反绕的规律沿固定方向连续向前绕制且串联连接在一起而构成一相绕组，所述的定子铁芯20上共有6个相绕组。所述的6个相绕组的永磁电动势大小相等相位互差60°电角度，6个相绕组中处于偶数位置的相绕组连接线首尾端颠倒构成新的6个相绕组，新的6个相绕组的永磁电动势大小相等相位互差120°电角度。所述的新的6个相绕组的前3个相绕组Y接成一个三相对称绕组，后3个相绕组Y接成另一个三相对称绕组，共构成两套相互独立的三相对称绕组，该两套三相对称绕组由两个控制器单独供电。两套绕组可以同时工作，也可以分别单独工作，从而构成一台双余度永磁同步电动机。
本发明的各相绕组间低热耦合无电磁耦合的双余度永磁同步电动机，由于各个线圈为集中绕组，绕组端部不重叠，而且通过设置小齿以及再在小齿两侧放置耐高温的绝热材料，不仅将各相绕组从电气角度上隔离开，而且使得相绕组之间与端部漏磁场对应的漏互感极小，也没有槽互漏电感，同时还使得各相绕组之间的热耦合很低；Z0/6个线圈在定子铁芯20圆周上按照正绕、反绕、……、正绕、反绕的规律沿固定连续向前绕制并串联连接在一起，若磁路不饱和，则与电枢反应磁场对应的各相绕组之间互感为零，即使磁路饱和，因此各相绕组之间的互感也极小，可以近似认为各相之间无电磁耦合。
下面以如图1～图4所示的Z0/(2p0)=12/10的各相绕组间低热耦合无电磁耦合的双余度永磁同步电动机为例，结合该电机的具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
Z0/(2p0)=12/10的低热耦合无电磁耦合的双余度永磁同步电动机，三相永磁同步电动机定子铁芯上的大齿个数Z0为12（每个大齿上绕制1个多匝线圈），永磁转子极对数p0为5，满足Z0为偶数，p0为奇数，Z0与p0之间无公约数，且存在Z0=2p0±2的关系。并且在定子铁心上安排有6个小齿，6个小齿两侧共有12个小槽（即面积较小的第一类定子槽），每个小齿两侧（小槽中）都放置有耐高温的绝热材料，两个相邻的小齿之间有2个大齿，12个大齿之间有6个大槽（即面积较大的第二类定子槽），大齿齿宽相同，小齿齿宽相同，小齿的齿宽远远小于大齿齿宽。12个小槽和6个大槽内放置必要的槽绝缘后，每一个大齿上绕制一个多匝线圈，12个大齿共绕制12个多匝线圈，每个小槽内有1个线圈边，每个大槽内有2个线圈边；于是，6个小齿将12个大齿分为6个不含2个大齿的区间，这6个区间内包含的大齿分别为如图3所示的：大齿1和大齿2、大齿3和大齿4、大齿5和大齿6、大齿7和大齿8、大齿9和齿大10、大齿11和大齿12。两个相邻小齿之间的2个大齿上绕制2个线圈，这2（偶数）个线圈在定子铁芯圆周上按照正绕、反绕、……、正绕、反绕的规律沿固定连续向前绕制并串联连接在一起而构成一相绕组。如附图3所示，（1+）代表绕制在大齿1上的嵌在小槽中的这一线圈边的导线绕制方向是由外向里，（1-）代表绕制在大齿1上的嵌在大槽中的另一线圈边的导线绕制方向是由里向外，其他线圈边也是类似表示。所有线圈的绕制过程具体来说可以这样实现，（如图3、图4所示）首先在大齿1上正绕多匝导线形成线圈1，然后串联在大齿2上反绕多匝导线形成的线圈2，得到A1X1这条相绕组支路；在大齿3上正绕多匝导线形成线圈3，然后串联在大齿4上反绕多匝导线形成的线圈4，得到Y1B1这条相绕组支路；在大齿5上正绕多匝导线形成线圈5，然后串联在大齿6上反绕多匝导线形成的线圈6，得到C1Z1这条相绕组支路；在大齿7上正绕多匝导线形成线圈7，然后串联在大齿8上反绕多匝导线形成的线圈8，得到X2A2这条相绕组支路；在大齿9上正绕多匝导线形成线圈9，然后串联在大齿10上反绕多匝导线形成的线圈10，得到B2Y2这条相绕组支路；在大齿11上正绕多匝导线形成线圈11，然后串联在大齿12上反绕多匝导线形成的线圈12，得到Z2C2这条相绕组支路。这样整个定子上共有6个相绕组支路，这6个相绕组支路就是6个相绕组；6个相绕组的永磁电动势大小相等相位互差60°电角度。将6个相绕组中处于偶数位置的3个相绕组如Y1B1、X2A2、Z2C2连接线的首尾端颠倒构成A1X1、B1Y1、C1Z1、A2X2、B2Y2、C2Z2新的6个相绕组，这新的6个相绕组的永磁电动势大小相等相位互差120°电角度；将前3个相绕组的X1、Y1、Z1连接成Y星点构成一个三相对称绕组，后3个相绕组X2、Y2、Z2连接成Y星点构成另外一个三相对称绕组，这样就构成了A1B1C1和A2B2C2两套相互独立的三相对称绕组，这两套绕组由两个控制器单独供电，两套绕组可以同时工作，也可以分别单独工作，这就是一台各相绕组间低热耦合无电磁耦合的双余度永磁同步电动机。
同理，若t为整数，当电机的大齿数Z与极对数p满足Z=tZ0=t(2p0±2)=2p±2t关系时，则该电机由t个满足Z0=2p0±2关系的被称为单元电机的各种相绕组间低热耦合无电磁耦合的双余度永磁同步电动机派生而成。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，如永磁转子由表贴式变为插入式或内埋式，又如电机拓扑结构变形得到的外转子双余度永磁同步电动机、轴向磁通双余度永磁同步电动机、直线双余度永磁同步电动机等均属于本发明的保护之内。
Claims (6)
1.一种各相绕组间低热耦合无电磁耦合的双余度永磁同步电动机，包括，由电机轴（13），固定在电机轴（13）上的转子铁芯（21）以及粘贴在转子铁芯（21）外周的永磁体（22）构成的转子组件，以及位于转子组件外周的由定子铁芯（20）和定子绕组构成的定子组件，其特征在于，电机相数为3，所述的定子铁芯（20）上形成有齿宽相同的Z0个大齿（25）和等间距分布的6个齿宽相同的小齿（26），并且，两个相邻的小齿（26）之间有Z0/6个大齿，其中，Z0为偶数，且小齿（26）的齿宽小于大齿（25）的齿宽，所述的转子组件有p0对永磁极，p0为奇数，Z0与p0之间无公约数，且Z0=2p0±2，所述的每一个小齿（26）的两侧都分别设有一个第一类定子槽（27），在每个小齿（26）两侧的第一类定子槽中还分别设置有耐高温的绝热材料（29），两个相邻的大齿（25）之间设有一个第二类定子槽（28），所述的第一类定子槽（27）的面积为第二类定子槽（28）面积的二分之一，Z0个大齿的每一个大齿上绕制一个多匝线圈，两个相邻小齿之间的Z0/6个大齿上绕制Z0/6个线圈。
2.根据权利要求1所述的各相绕组间低热耦合无电磁耦合的双余度永磁同步电动机，其特征在于，所述的定子铁芯（20）上共设置有Z0-6个第二类定子槽（28）。
3.根据权利要求1所述的各相绕组间低热耦合无电磁耦合的双余度永磁同步电动机，其特征在于，所述的每个第一类定子槽（27）内有1个线圈边，每个第二类定子槽（28）内有2个线圈边。
4.根据权利要求1所述的各相绕组间低热耦合无电磁耦合的双余度永磁同步电动机，其特征在于，所述的两个相邻小齿之间的Z0/6个大齿上绕制的Z0/6个线圈在定子铁芯（20）圆周上按照正绕、反绕、……、正绕、反绕的规律沿固定方向连续向前绕制且串联连接在一起而构成一相绕组，所述的定子铁芯（20）上共有6个相绕组。
5.根据权利要求4所述的各相绕组间低热耦合无电磁耦合的双余度永磁同步电动机，其特征在于，所述的6个相绕组的永磁电动势大小相等相位互差60°电角度，6个相绕组中处于偶数位置的相绕组连接线首尾端颠倒构成新的6个相绕组，新的6个相绕组的永磁电动势大小相等相位互差120°电角度。
6.根据权利要求5所述的各相绕组间低热耦合无电磁耦合的双余度永磁同步电动机，其特征在于，所述的新的6个相绕组的前3个相绕组Y接成一个三相对称绕组，后3个相绕组Y接成另一个三相对称绕组，共构成两套相互独立的三相对称绕组，该两套三相对称绕组由两个控制器单独供电。
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