CN103746532B - 具有高磁隔离能力的轴向磁通模块化多相电机 - Google Patents

Abstract

具有高磁隔离能力的轴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。本发明包括两个模块化定子、盘式转子、机壳和主轴，两个模块化定子和盘式转子设置在机壳内部；一个模块化定子、盘式转子和另一个模块化定子依次沿轴向设置在主轴上；两个模块化定子和盘式转子之间沿轴向方向均有气隙；每个模块化定子：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；盘式转子：在转子铁心的任一侧圆盘面上均设置径向交替相反充磁2N±2块永磁体。

Description

具有高磁隔离能力的轴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轴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轴向磁通模块化多相电机。

本发明所述具有高磁隔离能力的轴向磁通模块化多相电机，它包括两个模块化定子、盘式转子、机壳和主轴，两个模块化定子和盘式转子设置在机壳内部；一个模块化定子、盘式转子和另一个模块化定子依次沿轴向设置在主轴上；两个模块化定子和盘式转子之间沿轴向方向均有气隙，所述气隙长度为L；

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；所述五个定子齿所在扇面夹角沿圆周依次为[360×(0.065±0.01)/N]°、[360×(0.35±0.01)/N]°、[360×(0.13±0.01)/N]°、[360×(0.35±0.01)/N]°和[360×(0.065±0.01)/N]°，

在扇面角度为[360×(0.35±0.01)/N]°的两个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；

盘式转子包括转子铁心和4N±4块永磁体，在转子铁心的任一侧圆盘面上均设置2N±2块永磁体，所述一侧圆盘面上沿圆周方向设置的2N±2块永磁体充磁方向交替相反，且两侧圆盘面相同位置的永磁体充磁方向相反，所有永磁体均沿轴向充磁，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轴向磁通模块化多相电机，采用轴向磁通结构，可以有效提高电机的功率密度。每相采用相邻的两个集中绕组线圈排布，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轴向磁通模块化多相电机的结构示意图，此图为六相电机；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是定子模块的结构示意图；

图4是定子模块中绕组展开图；

图5是图3的C-C剖视图；

图6是盘式转子结构示意图；

图7是图6的俯视图；

图8是图1的B-B剖视图；

图9是一个定子模块绕组通电时磁通路径图；

图10是所有绕组通电时气隙磁密图；

图11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11说明本实施方式，本实施方式所述具有高磁隔离能力的轴向磁通模块化多相电机，它包括两个模块化定子1、盘式转子2、机壳3和主轴11，两个模块化定子1和盘式转子2设置在机壳3内部；一个模块化定子1、盘式转子2和另一个模块化定子1依次沿轴向设置在主轴11上；两个模块化定子1和盘式转子2之间沿轴向方向均有气隙，所述气隙长度为L；

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所在扇面夹角沿圆周依次为[360×(0.065±0.01)/N]°、[360×(0.35±0.01)/N]°、[360×(0.13±0.01)/N]°、[360×(0.35±0.01)/N]°和[360×(0.065±0.01)/N]°，

在扇面角度为[360×(0.35±0.01)/N]°的两个定子齿5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；

盘式转子2包括转子铁心7和4N±4块永磁体8，在转子铁心7的任一侧圆盘面上均设置2N±2块永磁体8，所述一侧圆盘面上沿圆周方向设置的2N±2块永磁体8充磁方向交替相反，且两侧圆盘面相同位置的永磁体8充磁方向相反，所有永磁体8均沿轴向充磁，永磁体8采用钕铁硼永磁材料构成；

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轴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，每个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。

其中：N为大于或等于3的自然数。

工作原理：如图9所示，当定子某一相绕组通电时，通过气隙的磁力线通过定子模块内的五个齿、定子铁心4、气隙、转子的永磁体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，不同定子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，对于N相电机（N=3,4,5…）而言，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10和图11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。

具体实施方式二：下面结合图2、图3、图5和图8说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，在每个定子模块的角度为[360×(0.13±0.01)/N]°的定子齿5所在的定子轭部加工一个楔形件9，在机壳3内圆表面设置N个燕尾槽10，所述楔形件9与燕尾槽10配合固定。

N个定子模块在加工、安装时，采用可拆卸结构。

需在每个定子模块的轭部加工楔形件9，并在机壳3上开燕尾槽10，机壳3内径尺寸等于模块化定子1外径尺寸，二者采用间隙配合，将N个定子模块嵌套在机壳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，定子铁心4和转子铁心7均采用软磁复合材料构成。

方便加工制造，并减小涡流损耗。

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。

具体实施方式四：下面结合图1至图11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1（见附图2）包括六个定子模块，图中虚线框中为一个定子模块，每个定子模块包括五个齿5与两个集中绕制绕组6，中间及两端的三个齿面较窄，所在扇面夹角依次为(3.9±0.6)°、(7.8±0.6)°、(3.9±0.6)°，另外两个齿面较宽，所在扇面夹角为(21±0.6)°，并在这两个定子齿5上分别绕制两个集中绕制绕组6。

盘式转子2（见附图6）由10块或14块充磁交替相反的永磁体8构成，永磁体8采用钕铁硼永磁材料构成并沿轴向充磁；

六个定子模块加工、安装时，采用可拆卸结构。需在模块轭部加工楔形件9，并在机壳3上开燕尾槽10，机壳3内径尺寸等于模块化定子1外径尺寸，二者采用间隙配合，将六个定子模块嵌套在机壳3内。

如图9所示，当定子某一相绕组通电时，通过气隙的磁力线通过定子模块内的五个齿、定子铁心4、气隙、转子的永磁体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，不同定子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，六个模块内的绕组依次通以如下正弦电流：

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

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10和图11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轴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。

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。

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 (3)

1.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，它包括两个模块化定子（1）、盘式转子（2）、机壳（3）和主轴（11），两个模块化定子（1）和盘式转子（2）设置在机壳（3）内部；一个模块化定子（1）、盘式转子（2）和另一个模块化定子（1）依次沿轴向设置在主轴（11）上；两个模块化定子（1）和盘式转子（2）之间沿轴向方向均有气隙，所述气隙长度为L；

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)所在扇面夹角沿圆周依次为[360×(0.065±0.01)/N]°、[360×(0.35±0.01)/N]°、[360×(0.13±0.01)/N]°、[360×(0.35±0.01)/N]°和[360×(0.065±0.01)/N]°，

在扇面角度为[360×(0.35±0.01)/N]°的两个定子齿(5)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；

盘式转子（2）包括转子铁心（7）和4N±4块永磁体（8），在转子铁心（7）的任一侧圆盘面上均设置2N±2块永磁体（8），所述一侧圆盘面上沿圆周方向设置的2N±2块永磁体（8）充磁方向交替相反，且两侧圆盘面相同位置的永磁体（8）充磁方向相反，所有永磁体（8）均沿轴向充磁，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轴向磁通模块化多相电机，其特征在于，在每个定子模块的角度为[360×(0.13±0.01)/N]°的定子齿(5)所在的定子轭部加工一个楔形件（9），在机壳（3）内圆表面设置N个燕尾槽（10），所述楔形件（9）与燕尾槽（10）配合固定。

3.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构成。