CN104779754B - 双绕组轴向磁场磁通切换容错电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双绕组轴向磁场磁通切换容错电机，属于永磁电机领域。该电机包括2个凸极定子和1个凸极转子，定子由定子固定盘、定子模块、主绕组和辅助绕组组成；每个定子模块包括一个带磁桥的2U定子铁芯和1块永磁体，主绕组和辅助绕组分别组成三相绕组，各相绕组采用单独的H桥拓扑结构进行供电，定子模块间隔离槽的设置不但可提高容错能力，而且与定子固定盘一起提供放置辅助绕组空间，为主绕组故障时提供备选，加工、装配简单，控制灵活。转子上既没有永磁体也没有线圈，结构简单，提高了电机的动态性能。该电机结合了轴向磁通切换永磁电机和容错电机的优点，提高了电机的运行性能与可靠性。

Description

双绕组轴向磁场磁通切换容错电机

技术领域

本发明涉及一种双绕组轴向磁场磁通切换容错电机，属于永磁电机技术领域。

背景技术

随着科学技术与社会经济的发展，电机的应用领域越来越广泛，研发体积小、可靠性高、容错能力强的电机是航空、交通、医疗等领域的一个重要研究方向。为了解决电机的容错能力，英国的B.C.Mecrow教授首先提出了容错永磁(FTPM)电机的概念。采用集中绕组的FTPM电机实现相与相之间电路、磁路以及温度的相对独立，大大提高了电机的容错能力和可靠性，但是这种电机的永磁体安装在转子上，当电机高速运行时，转子冷却困难，容易出现永磁体退磁等故障。轴向磁场磁通切换型永磁（AFFSPM）电机是一种新型结构的定子永磁型双凸极电机，综合了轴向磁场电机（AFPM）和磁通切换型电机（FSPM）的优点，将永磁体和绕组均置于定子，转子上既无永磁体也无绕组，解决了去磁的问题，便于电机的散热。对于三相AFFSPM电机，若一相电枢绕组出现断路故障时，电机不可避免的出现转矩波动，降低了输出转矩；若一相电枢绕组出现短路故障时，可能造成其他两相也不能正常工作，因此需要提高电机的容错性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的电机驱动系统在运行过程中可能出现故障，导致电机无法正常运行的缺陷，提供一种双绕组轴向磁场磁通切换容错电机，提高了电机驱动系统的容错性，确保故障发生时，电机仍能正常运行。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：双绕组轴向磁场磁通切换容错电机，包括2个凸极定子和1个凸极转子，定子和转子同轴安装，转子设置于2个定子之间，两个定子的结构完全相同，并且关于转子对称，所述的定子由定子固定盘、均匀设置在定子固定盘上的定子模块、安装于定子模块上的主绕组、以及绕置在定子模块上的辅助绕组组成；所述的定子模块包括一个由2个U型铁芯通过磁桥连接构成的2U型铁芯和1块设置于两个U型铁芯之间的永磁体；两个定子相对称的永磁体励磁方向相反；所述的主绕组绕在永磁体和与永磁体相邻的2个U型铁芯的定子齿上；所述的定子固定盘和所述的定子模块之间存在空隙，用于放置辅助绕组；

所述的转子由非导磁圆环和均匀设置在非导磁圆环外圆周上的转子极组成。

进一步地，相邻的定子模块之间设置隔离槽。

进一步地，所述的定子由6个定子模块、6个主绕组、6个辅助绕组和1个定子固定盘组成；所述的转子由非导磁圆环和均匀设置在非导磁圆环外圆周上的10个转子极组成；1个定子固定盘、6个定子模块、6个主绕组、6个辅助绕组以及10个转子极组合成“基本电机”，将基本电机的定子模块/转子极进行整数倍扩充，可得到6a/10a结构电机，a为整数，或不同转子极的组合6/10，6/11，6/13，6/14结构电机，或扩充为多相电机。

进一步地，6个主绕组中径向相对的主绕组相串联组成一相，6个主绕组依次分成三相；绕置在定子模块上的6个辅助绕组分成相对应的三相。

进一步地，电机的各相绕组采用单独的H桥拓扑结构进行供电。

本发明的有益效果：本发明的双绕组轴向磁场磁通切换容错电机，结合了容错电机和轴向磁通切换永磁电机的优点。功率密度、效率高，采用定子模块设计，便于安装和批量生产，转子结构简单，其上既无永磁体又无绕组，转动惯量很小，提高了电机的动态性能；同时隔离槽的设置大大减小了磁通切换永磁电机主绕组之间的互感，一旦电机发生故障，主绕组与辅助绕组之间能够实现切换，使电机能持续正常工作，提高了电机的容错性能。本发明的双绕组轴向磁场磁通切换容错电机适用于一些要求薄型安装且可靠性高、连续工作的场合，如航空航天、电动汽车和风力发电等领域。

附图说明

图1为双绕组轴向磁场磁通切换容错电机的三维结构示意图。

图中1-第一定子、2-转子、3-第二定子、4-2U形铁芯、5-主绕组、6-永磁体、7-辅助绕组、8-隔离槽、9-转子极、10-转子非导磁圆环、11-非导磁第一定子固定盘、12-非导磁第一定子固定盘。

图2为定子模块的结构示意图。

图3为控制系统主电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作详细说明。

如图1所示的一种双绕组轴向磁场磁通切换容错电机，由两个凸极定子和一个凸极转子2构成的双气隙永磁电机，两个凸极定子分别为设置于转子2两侧的第一定子1和第二定子3，第一定子1、转子2和第二定子3同轴安装，第一定子1和第二定子3的结构完全相同，并且关于转子2对称。

第一定子1（或第二定子3）由第一定子固定盘11（或第二定子固定盘12）、均匀设置在第一定子固定盘11（或第二定子固定盘12）上的定子模块、安装于定子模块上的主绕组5、以及绕置在定子模块上的辅助绕组7组成。如图2所示，定子模块包括一个由2个U型铁芯通过磁桥连接构成的2U型铁芯4和1块设置于两个U型铁芯之间的永磁体6；两个定子相对称的永磁体6励磁方向相反。主绕组5绕在永磁体6和与永磁体6相邻的2个U型铁芯的定子齿上；第一定子固定盘11（或第二定子固定盘12）与定子模块之间存在空隙，用于放置辅助绕组7。

转子2由非导磁圆环10和均匀设置在非导磁圆环10外圆周上的转子极9组成。转子上既没有永磁体又没有线圈，转子极9由高导磁率的硅钢片冲叠构成。

在本实施方式中，第一定子1（或第二定子3）由6个定子模块、6个主绕组5、6个辅助绕组7和1个第一定子固定盘11（或第二定子固定盘12）组成；6个主绕组5分别绕在6个永磁体6和与永磁体6相邻的U型铁芯的定子齿上，径向相对的两个线圈串联构成一相绕组，依次组成三相绕组，永磁体6沿着圆周方向交替充磁。绕置在定子模块上的6个辅助绕组7分成相对应的三相。辅助绕组7作为主绕组5的冗余绕组, 一旦发生故障可实现切换。转子2由非导磁圆环和均匀设置在非导磁圆环外圆周上的10个转子极组成。1个定子固定盘、6个定子模块、6个主绕组、6个辅助绕组以及10个转子极组合成“基本电机”，将基本电机的定子模块/转子极进行整数倍扩充，可得到6a/10a结构电机，a为整数，如6/10、12/20、18/30……等结构电机，或不同转子极的组合6/10，6/11，6/13，6/14结构电机，或扩充为多相电机如四相、五相、六相……。

在本实施方式中，相邻的定子模块之间设置隔离槽8。隔离槽8的设置增加了磁路磁导，减小了电机定子绕组相邻线圈之间的互感。

在本实施方式中，电机的各相绕组采用单独的H桥拓扑结构进行供电。虽然会增加所使用的功率开关的数量，但是功率开关器件所承受的电压减小，功率开关损耗也会降低，不仅降低了对散热的要求，而且也减少了使用的空间和重量。

如图3所示的控制系统主电路图中，Ra、Rb、Rc代表电机主绕组；Raf、Rbf、Rcf代表电机辅助绕组；S1～S6是切换开关，S1、S3、S5为主绕组开关，正常工作时为主绕组提供三相电源，S2、S4、S6是辅助绕组开关，主绕组出现故障时，辅助绕组开关闭合，保证电机正常运行，提高了系统容错性。从图3中可以看出，各相绕组采用单独的H桥拓扑结构进行供电，消除相与相之间的电气耦合。当一相绕组出现故障，其余两相绕组正常工作时，使用H桥供电将消除电流矢量总和为零的限制，通过恒磁链矢量控制方法可以使输出转矩不变或者稍微降额运行；当出现两相故障时，通过切换主绕组/辅助绕组开关，就可以保证电机的正常运行，采用这种控制就可以增加电机故障的包容性，提高电机驱动的性能。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.双绕组轴向磁场磁通切换容错电机，包括2个凸极定子和1个凸极转子，定子和转子同轴安装，转子设置于2个定子之间，两个定子的结构完全相同，并且关于转子对称，其特征在于：所述的定子包括1个定子固定盘和均匀设置在定子固定盘上的6个定子模块，每个定子模块上安装1个主绕组和辅助绕组 ；6个主绕组中径向相对的主绕组相串联组成一相，6个主绕组依次分成三相；绕置在定子模块上的6个辅助绕组分成相对应的三相；电机的各相绕组采用单独的H桥拓扑结构进行供电；所述的定子模块包括一个由2个U型铁芯通过磁桥连接构成的2U型铁芯和1块设置于两个U型铁芯之间的永磁体，永磁体沿着圆周方向交替充磁；两个定子相对称的永磁体励磁方向相反；所述的主绕组绕在永磁体和与永磁体相邻的2个U型铁芯定子齿上；所述的定子固定盘和所述的定子模块之间存在空隙，用于放置辅助绕组，一旦电机发生故障，主绕组与辅助绕组之间能够实现切换；相邻的定子模块之间设置隔离槽；所述的转子由非导磁圆环和均匀设置在非导磁圆环外圆周上的10个转子极组成；所述的定子由6个定子模块、6个主绕组、6个辅助绕组和1个定子固定盘组成；1个定子固定盘、6个定子模块、6个主绕组、6个辅助绕组以及10个转子极组合成“基本电机”，将基本电机的定子模块/转子极进行整数倍扩充，可得到6a/10a结构电机，a为正整数，或不同转子极的组合6/11，6/13，6/14结构电机，或扩充为N相电机，N＞3。