CN104767340B - 基于单双层混合绕组的模块化盘式多相永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

基于单双层混合绕组的模块化盘式多相永磁同步电机，属于永磁电机领域，本发明为解决常规盘式多相永磁同步电机在发生绕组短路等故障时，故障隔离难度大，以及由于相间电磁耦合程度高导致的电机模块化设计难度大的问题。本发明包括主轴、轴承、机壳、一个或两个定子和盘式永磁转子，定子和盘式永磁转子设置在机壳的内部，定子由m个相同的定子模块拼装而成，每个定子模块包括2n个集中绕组和定子铁心，定子铁心设置2n+1个定子槽，每个电枢齿上绕制有一个集中绕组；相邻两个集中绕组的匝数相等并且其绕制方向相反；盘式永磁转子包括盘式转子铁心和多块永磁体，永磁体沿轴向充磁，并且其充磁方向交替相反。

Description

基于单双层混合绕组的模块化盘式多相永磁同步电机

技术领域

本发明涉及一种模块化多相永磁容错电机，属于永磁电机领域。

背景技术

21世纪以来，随着能源危机和环境污染问题的日益严重，节能和环保逐渐成为当今汽车发展的两大主题，以电动汽车为代表的新能源汽车获得了越来越多的关注。对于电动汽车而言，其电驱动系统的安全性和可靠性至关重要。目前，传统的三相永磁同步电机在电机发生绕组开路或短路故障的时候，电机的转矩输出会发生剧烈变化，甚至于不能工作，这有可能对车辆本身和车内人员的安全构成严重威胁。而多相永磁同步电机由于其相数的冗余，因而具有良好的容错运行能力，适用于电动汽车、舰船推进等对电驱动系统可靠性要求较高的场合。所谓容错是指电机系统在发生故障的情况下，通过调整电机的控制策略，可以使该系统仍然保持一定的输出能力，同时还具有在故障状态下防止故障恶化和扩散的能力。通过采用多相容错永磁同步电机，可以使电动汽车在电机发生故障的情况下继续运行，直到故障解除，这将大大提高电动汽车的安全性和可靠性，是电动汽车的理想选择。

为了使电机能够在绕组开路、短路等故障状态下继续运行，多相容错永磁同步电机在设计时需要满足以下条件：相间要具有良好的电隔离、磁隔离、热隔离和物理隔离。采用常规分布式绕组或分数槽集中绕组的多相永磁同步电机，其相间电磁耦合程度大，在发生绕组短路等故障的时候，短路相会对其他正常相造成影响，增大了容错控制的难度。此外，采用分布式绕组或普通分数槽绕组的电机，由于其绕组的空间分布问题，难以对电机进行模块化设计。

发明内容

本发明目的是为了解决常规盘式多相永磁同步电机在发生绕组短路等故障时，故障隔离难度大，以及由于相间电磁耦合程度高导致的电机模块化设计难度大的问题，提供了一种基于单双层混合绕组的模块化盘式多相永磁同步电机。

本发明所述基于单双层混合绕组的模块化盘式多相永磁同步电机，它包括主轴、轴承、机壳、一个或两个定子和盘式永磁转子，定子和盘式永磁转子设置在机壳的内部，

电机采用单定子结构时，定子沿轴向设置在盘式永磁转子的一侧；

电机采用双定子结构时，两个定子沿轴向设置在盘式永磁转子的两侧；

定子和盘式永磁转子之间沿轴向方向有长度为L的气隙；

定子由m个相同的定子模块拼装而成，拼装后的定子为圆盘形；m为正整数；

每个定子模块包括2n个集中绕组和定子铁心，n为正整数，定子铁心沿顺时针依次设置第一容错齿，2n个电枢齿和第二容错齿，上述齿围成2n+1个定子槽，2n个集中绕组设置在2n+1个定子槽中，定子槽面向永磁转子设置；每个电枢齿上绕制有一个集中绕组；相邻两个集中绕组的匝数相等并且绕制方向相反；

第一容错齿和第二容错齿的宽度相等，电枢齿的宽度大于第一容错齿的宽度；

盘式永磁转子包括盘式转子铁心和多块永磁体，盘式转子铁心的面向定子表面上沿圆周方向均布有2p块永磁体；永磁体沿轴向充磁，并且其充磁方向交替相反。

本发明的优点：本发明公开一种基于单双层混合绕组的模块化盘式多相永磁同步电机。每相采用2n个相邻的集中绕组，并且结合容错齿的采用，使得相间达到了良好的磁隔离效果，有效遏制了电机在故障状态下故障相对其他相的影响。本发明的这种单双层混合绕组与单层绕组相比，其气隙中谐波成分少，电机效率高；与双层绕组相比，其绕组因数较高，电机的功率密度更大。此外，基于单双层混合绕组的模块化盘式多相永磁同步电机定子采用模块化设计方式，有利于大规模的加工制造，并且可以在某一模块发生故障的情况下迅速更换，降低系统的维护成本。该电机是一种可靠性高，功率密度大，加工制造及维护成本较低的多相电机本体结构方案。本发明适用于三相及三相以上的多相永磁同步电机。

附图说明

图1是本发明所述基于单双层混合绕组的模块化盘式多相永磁同步电机的结构示意图；电机为双定子结构；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1的B-B剖视图；

图4是一个定子模块绕组通电时的磁通路径示意图；

图5是一个定子模块的结构示意图；

图6是Halbach盘式永磁转子的结构示意图；

图7是Halbach盘式永磁转子的充磁方向示意图；

图8是切向结构盘式永磁转子的结构示意图；

图9是切向结构盘式永磁转子的充磁方向示意图；

图10是本发明所述基于单双层混合绕组的模块化盘式多相永磁同步电机的结构示意图；电机为单定子结构；

图11是图10的C-C剖视图；

图12是图10的D-D剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图5、图10至图12说明本实施方式，本实施方式所述基于单双层混合绕组的模块化盘式多相永磁同步电机，它包括主轴1、轴承2、机壳3、一个或两个定子4和盘式永磁转子7，定子4和盘式永磁转子7设置在机壳3的内部，

电机采用单定子结构时，定子4沿轴向设置在盘式永磁转子7的一侧；

电机采用双定子结构时，两个定子4沿轴向设置在盘式永磁转子7的两侧；

定子4和盘式永磁转子7之间沿轴向方向有长度为L的气隙；

定子4由m个相同的定子模块拼装而成，拼装后的定子4为圆盘形；m为正整数；

每个定子模块包括2n个集中绕组5和定子铁心6，n为正整数，定子铁心6沿顺时针依次设置第一容错齿6-1，2n个电枢齿6-2和第二容错齿6-3，上述齿围成2n+1个定子槽10，2n个集中绕组5设置在2n+1个定子槽10中，定子槽10面向永磁转子7设置；每个电枢齿6-2上绕制有一个集中绕组5；相邻两个集中绕组5的匝数相等并且绕制方向相反；

第一容错齿6-1和第二容错齿6-3的宽度相等，电枢齿6-2的宽度大于第一容错齿6-1的宽度；

盘式永磁转子7包括盘式转子铁心8和多块永磁体9，盘式转子铁心7的面向定子4表面上沿圆周方向均布有2p块永磁体9；永磁体9沿轴向充磁，并且其充磁方向交替相反。

定子铁心6上开有2n+1个定子槽10，在每一个定子模块中，集中绕组5的元件边位于定子槽10中，其中，与第一容错齿6-1和第二容错齿6-3相邻的两个定子槽10中分别只有集中绕组5的一个元件边，而其他每个定子槽10为相邻的两个集中绕组5的共用槽。

本实施方式中，电机可以是单定子结构(如图10所示)，也可以是双定子结构(如图1所示)，若为单定子结构的电机，定子4沿轴向设置在盘式永磁转子7的一侧，盘式永磁转子7面向定子4的表面设置2p个永磁体9；若为双定子结构的电机，两个定子4沿轴向设置在盘式永磁转子7的两侧，盘式永磁转子7两侧表面均设置2p个永磁体9。

结合图4说明本发明的工作原理。图4相邻两个电枢齿6-2上绕制方向相反的绕组5-1和5-2，当定子4某一定子模块的电枢绕组通电时，电枢绕组产生的磁力线按照磁通路径可以分为两类，一是通过气隙进入到盘式永磁转子7一侧的磁通路径13，磁通路径13通过两个电枢齿6-2、气隙、永磁体9以及盘式转子铁心8形成闭合回路；二是不通过气隙而经由槽口形成闭合回路的磁通路径14，磁通路径14分别通过第一容错齿6-1、两个电枢齿6-2、第二容错齿6-3，以及对应的槽口形成闭合回路。磁通路径13和磁通路径14均集中在一个定子模块内，不经过其他相的定子模块形成闭合回路。因此，不同定子模块间不存在磁耦合。同理，当电机的某一相绕组发生短路故障的时候，短路相绕组产生的磁力线也通过上述路径闭合，不经由其他相的绕组形成闭合回路，从而消除了短路相对其他正常相的影响，实现了良好的磁隔离。此外，由于第一容错齿6-1和第二容错齿6-3的存在，使得绕组短路带来的绕组发热被有效的控制在发生短路的定子模块之内，进而有利的保护了其他正常相的定子模块。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，定子4具有m相绕组，每个定子模块内部的所有集中绕组5共同构成一相绕组。不同的定子模块之间没有磁耦合。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，m≥3，集中绕组5为三相或三相以上的集中绕组。绕组的相数由定子模块的数量决定。

采用多相绕组，可以提高所述基于单双层混合绕组的模块化盘式多相永磁同步电机的容错运行性能。

具体实施方式四：下面结合图5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6的第一容错齿6-1和第二容错齿6-3分别设置半圆形凸起件11和半圆形凹槽12，相邻的定子模块通过半圆形凸起件11和半圆形凹槽12相互配合拼接在一起。

具体实施方式五：本实施方式对实施方式一作进一步说明，定子铁心6由硅钢片、非晶态铁磁复合材料或SMC软磁复合材料构成。

盘式转子铁心8由实心钢、硅钢片、非晶态铁磁复合材料或SMC软磁复合材料构成。

具体实施方式六：下面结合图3，图6至图9说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，盘式永磁转子7的极对数p可根据气隙中磁动势的谐波次数进行选择。且盘式永磁转子7可以采用表贴式结构、切向式结构或Halbach结构等。表贴式转子的充磁方式如图3所示。Halbach盘式永磁转子如图6、图7所示，所述Halbach盘式永磁转子由若干块不同充磁方向的Halbach永磁体15和盘式永磁转子铁心8组成，Halbach永磁体15放置在盘式转子铁心8的两侧表面。切向结构盘式永磁转子如图8、图9所示，所述切向式转子由若干块切向充磁永磁体16和导磁块17组成，切向充磁永磁体16和导磁块17沿周向交替相间排列并形成圆环形转子。

Claims (6)

1.基于单双层混合绕组的模块化盘式多相永磁同步电机，其特征在于，它包括主轴(1)、轴承(2)、机壳(3)、一个或两个定子(4)和盘式永磁转子(7)，定子(4)和盘式永磁转子(7)设置在机壳(3)的内部，

电机采用单定子结构时，定子(4)沿轴向设置在盘式永磁转子(7)的一侧；

电机采用双定子结构时，两个定子(4)沿轴向设置在盘式永磁转子(7)的两侧；

定子(4)和盘式永磁转子(7)之间沿轴向方向有长度为L的气隙；

定子(4)由m个相同的定子模块拼装而成，拼装后的定子(4)为圆盘形；m为正整数；

每个定子模块包括2n个集中绕组(5)和定子铁心(6)，n为正整数，定子铁心(6)沿顺时针依次设置第一容错齿(6-1)，2n个电枢齿(6-2)和第二容错齿(6-3)，上述齿围成2n+1个定子槽(10)，2n个集中绕组(5)设置在2n+1个定子槽(10)中，定子槽(10)面向永磁转子(7)设置；每个电枢齿(6-2)上绕制有一个集中绕组(5)；相邻两个集中绕组(5)的匝数相等并且绕制方向相反；

定子(4)具有m相绕组，每个定子模块内部的所有集中绕组(5)共同构成一相绕组；

m≥3，集中绕组(5)为三相或三相以上的集中绕组；

第一容错齿(6-1)和第二容错齿(6-3)的宽度相等，电枢齿(6-2)的宽度大于第一容错齿(6-1)的宽度；

盘式永磁转子(7)包括盘式转子铁心(8)和多块永磁体(9)，盘式转子铁心(7)的面向定子(4)表面上沿圆周方向均布有2p块永磁体(9)，p为极对数；永磁体(9)沿轴向充磁，并且其充磁方向交替相反。

2.根据权利要求1所述基于单双层混合绕组的模块化盘式多相永磁同步电机，其特征在于，每个定子模块的定子铁心(6)的第一容错齿(6-1)和第二容错齿(6-3)分别设置半圆形凸起件(11)和半圆形凹槽(12)，相邻的定子模块通过半圆形凸起件(11)和半圆形凹槽(12)相互配合拼接在一起。

3.根据权利要求1所述基于单双层混合绕组的模块化盘式多相永磁同步电机，其特征在于，定子铁心(6)由硅钢片、非晶态铁磁复合材料或SMC软磁复合材料构成。

4.根据权利要求1所述基于单双层混合绕组的模块化盘式多相永磁同步电机，其特征在于，盘式转子铁心(8)由实心钢、硅钢片、非晶态铁磁复合材料或SMC软磁复合材料构成。

5.根据权利要求1所述基于单双层混合绕组的模块化盘式多相永磁同步电机，其特征在于，盘式永磁转子(7)的极对数p根据气隙中磁动势的谐波次数进行选择。

6.根据权利要求1所述基于单双层混合绕组的模块化盘式多相永磁同步电机，其特征在于，盘式永磁转子(7)采用表贴式结构、切向式结构或Halbach结构。