CN104779758B - 基于单双层混合绕组的模块化多相永磁同步电机 - Google Patents
基于单双层混合绕组的模块化多相永磁同步电机 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104779758B CN104779758B CN201510212360.2A CN201510212360A CN104779758B CN 104779758 B CN104779758 B CN 104779758B CN 201510212360 A CN201510212360 A CN 201510212360A CN 104779758 B CN104779758 B CN 104779758B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- stator
- winding
- permanent magnet
- rotor
- synchronous motor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
Abstract
基于单双层混合绕组的模块化多相永磁同步电机，属于永磁电机领域，本发明为解决常规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。本发明包括定子和永磁转子，定子设置在永磁转子的内部或外部，且两者之间有气隙；定子由若干个相同的定子模块拼装而成，为圆盘形；每个定子模块包括定子铁心和2n个集中绕组；2n个集中绕组设置在2n+1个定子槽中，每个电枢齿上绕制有一个集中绕组；相邻两个电枢齿上绕制的集中绕组的匝数相等、绕制方向相反；永磁转子由永磁体和转子铁心拼装而成，永磁转子可以是表贴式结构、Halbach结构或切向式结构等。
Description
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。多相永磁同步电机由于其相数的冗余，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，进而限制了故障情况下对故障模块的更换维修。
发明内容
本发明目的是为了解决常规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多相永磁同步电机，它包括定子和永磁转子，定子设置在永磁转子的内部或者外部，且两者之间留有宽度为L的径向气隙；
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；
每个定子模块包括定子铁心和2n个集中绕组；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；相邻两个电枢齿上绕制的集中绕组的匝数相等、绕制方向相反；n为正整数；
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；
永磁转子包括2p个永磁体和转子铁心，转子铁心的面向定子表面上沿圆周方向均布有2p个永磁体；永磁体沿径向或平行方向充磁，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多相永磁同步电机。每相采用2n个相同的集中绕组，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是本发明所述的基于单双层混合绕组的模块化多相永磁同步电机的结构示意图；
图2是一个定子模块的结构示意图；
图3是本发明所述的模块化多相永磁同步电机一相定子绕组通电情况下的磁力线分布图；
图4是本发明所述模块化多相永磁同步电机的各相绕组同时通电时的气隙磁密；
图5是本发明所述模块化多相永磁同步电机的各相绕组同时通电的气隙磁密谐波分布图；
图6是基于传统双层分数槽集中绕组的三相永磁同步电机的结构示意图；
图7是传统双层分数槽集中绕组三相永磁同步电机一相定子绕组通电情况下的磁力线分布图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图3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多相永磁同步电机，它包括定子1和永磁转子2，定子1设置在永磁转子2的内部或者外部，且两者之间留有宽度为L的径向气隙；
定子1由m个相同的定子模块拼装而成，拼装后的定子1为圆盘形；m为正整数；
每个定子模块包括定子铁心3和2n个集中绕组5；定子铁心3沿顺时针依次设置第一容错齿3-1、2n个电枢齿3-2和第二容错齿3-3，上述齿围成2n+1个定子槽4，2n个集中绕组5设置在2n+1个定子槽4中，定子槽4面向永磁转子2设置；每个电枢齿3-2上绕制有一个集中绕组5；相邻两个电枢齿3-2上绕制的集中绕组5的匝数相等、绕制方向相反；n为正整数；
第一容错齿3-1和第二容错齿3-3的宽度相等，电枢齿3-2的宽度大于第一容错齿3-1的宽度；
永磁转子2包括2p个永磁体6和转子铁心7，转子铁心7的面向定子1表面上沿圆周方向均布有2p个永磁体6；永磁体6沿径向或平行方向充磁，并且其充磁方向交替相反。
永磁转子2的极对数p根据气隙磁动势的谐波次数进行选择。
在每一个定子模块中，集中绕组5的元件边位于定子槽4中，其中，与第一容错齿3-1和第二容错齿3-3相邻的两个定子槽4中分别只有集中绕组5的一个元件边，而其他每个定子槽4为相邻两个集中绕组5的共用槽。
本实施方式中定子1位于永磁转子2的外部或内部，则相应的本实施方式所述基于单双层混合绕组的模块化多相永磁同步电机采用内转子或者外转子结构。
结合图3说明本发明的工作原理。当定子1的某一定子模块的绕组通电时，磁力线10通过该定子模块内的两个电枢齿3-2、气隙、永磁体6、转子铁心7形成闭合回路，而不经过其他相定子模块的电枢齿形成闭合回路。因此，不同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3-1和第二容错齿3-3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，电机具有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。
并且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多相永磁同步电机的容错运行性能。
具体实施方式四：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3的轭部一侧端面设置半圆形凹槽8，在轭部的另一侧端面对称设置半圆形凸起件9，相邻两个定子模块通过半圆形凹槽8和半圆形凸起件9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3由硅钢片、非晶态铁磁复合材料或SMC软磁复合材料构成。
转子铁心7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。
永磁转子2采用表贴式结构、Halbach结构或切向式结构。
具体实施方式六：下面结合图1至图7说明本实施方式，给出一个具体实施例。
以三相电机为例，基于单双层混合绕组的模块化三相永磁同步电机，它包括定子1和永磁转子2，定子1设置在永磁转子2的外部，且两者之间留有长度为L的气隙；
定子1由3个相同的定子模块拼装而成，每个定子模块包括定子铁心3，两个集中绕组5；所述的定子铁心3上开有三个定子槽4，定子铁心3包括第一容错齿3-1，两个电枢齿3-2和第二容错齿3-3；在两个电枢齿3-2上分别绕制一个集中绕组5，这两个集中绕组5各有一个元件边同处于一个相同的定子槽4中，这两个集中绕组5的匝数相等并且绕制方向相反；
永磁转子2包括永磁体6和转子铁心7，永磁体6沿圆周方向分别放置在转子铁心7的外表面；永磁体6沿径向或平行方向充磁，并且其充磁方向交替相反。
正常工作时，电机的电枢绕组内通以对称三相正弦电流，经二维有限元软件分析计算，可以得到电枢绕组通电时的气隙磁密分布及其谐波分析图，如图4和图5所示。该电机可利用一对极，两对极，四对极或五对极的磁动势谐波工作，本例选用四对极的谐波作为工作谐波。对应的，永磁转子2为四对极的结构。
为了与本实施例的基于单双层混合绕组的模块化三相永磁同步电机作对比，此处给出一个传统双层分数槽集中绕组的三相永磁同步电机实例。
传统双层分数槽集中绕组三相永磁同步电机，如图6所示，它包括定子11和永磁转子12，定子11由定子铁心13和集中绕组15组成，定子铁心13上均匀开有九个定子槽14，集中绕组15位于定子槽14中，每个定子槽14为相邻的两个集中绕组15的共用槽。永磁转子12包括永磁体16和转子铁心17，永磁体16放置在转子铁心17的外表面。
如图7所示，当定子11的某一相绕组通电时，磁力线18通过定子铁心13、气隙、永磁体16、转子铁心17形成闭合回路，磁力线18与其他相绕组之间存在磁耦合。同理，当该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与其他正常相耦合，进而短路相会对其他正常相产生影响。
相对于传统的双层分数槽集中绕组的三相永磁同步电机，本申请的基于单双层混合绕组的模块化多相永磁同步电机实现了良好的相间磁隔离，有利于电机在故障状态下的故障隔离。
Claims (6)
1.基于单双层混合绕组的模块化多相永磁同步电机，其特征在于，它包括定子(1)和永磁转子(2)，定子(1)设置在永磁转子(2)的内部或者外部，且两者之间留有宽度为L的径向气隙；
定子(1)由m个相同的定子模块拼装而成，拼装后的定子(1)为圆盘形；m为正整数；
每个定子模块包括定子铁心(3)和2n个集中绕组(5)；定子铁心(3)沿顺时针依次设置第一容错齿(3-1)、2n个电枢齿(3-2)和第二容错齿(3-3)，上述齿围成2n+1个定子槽(4)，2n个集中绕组(5)设置在2n+1个定子槽(4)中，定子槽(4)面向永磁转子(2)设置；每个电枢齿(3-2)上绕制有一个集中绕组(5)；相邻两个电枢齿(3-2)上绕制的集中绕组(5)的匝数相等、绕制方向相反；n为正整数；
第一容错齿(3-1)和第二容错齿(3-3)的宽度相等，电枢齿(3-2)的宽度大于第一容错齿(3-1)的宽度；
永磁转子(2)包括2p个永磁体(6)和转子铁心(7)，转子铁心(7)的面向定子(1)表面上沿圆周方向均布有2p个永磁体(6)；永磁体(6)沿径向或平行方向充磁，并且其充磁方向交替相反；
电机具有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。
2.根据权利要求1所述基于单双层混合绕组的模块化多相永磁同步电机，其特征在于，每个定子模块的定子铁心(3)的轭部一侧端面设置半圆形凹槽(8)，在轭部的另一侧端面对称设置半圆形凸起件(9)，相邻两个定子模块通过半圆形凹槽(8)和半圆形凸起件(9)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多相永磁同步电机，其特征在于，定子铁心(3)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多相永磁同步电机，其特征在于，转子铁心(7)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多相永磁同步电机，其特征在于，永磁转子(2)的极对数p根据气隙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多相永磁同步电机，其特征在于，永磁转子(2)采用表贴式结构、Halbach结构或切向式结构。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510212360.2A CN104779758B (zh) | 2015-04-29 | 2015-04-29 | 基于单双层混合绕组的模块化多相永磁同步电机 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510212360.2A CN104779758B (zh) | 2015-04-29 | 2015-04-29 | 基于单双层混合绕组的模块化多相永磁同步电机 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104779758A CN104779758A (zh) | 2015-07-15 |
| CN104779758B true CN104779758B (zh) | 2018-01-30 |
Family
ID=53621050
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510212360.2A Active CN104779758B (zh) | 2015-04-29 | 2015-04-29 | 基于单双层混合绕组的模块化多相永磁同步电机 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104779758B (zh) |
Families Citing this family (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105429412B (zh) * | 2015-12-22 | 2018-10-19 | 珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司 | 表贴式内转子永磁同步电机 |
| CN106059225B (zh) * | 2016-05-19 | 2018-06-01 | 江苏大学 | 多模式永磁电机及其最优功率分配控制方法 |
| CN106253530B (zh) * | 2016-09-04 | 2019-04-12 | 华中科技大学 | 一种跨两齿集中绕组游标永磁电机 |
| CN106787495B (zh) * | 2016-12-26 | 2018-11-27 | 天津大学 | 一种三相永磁同步电机定子分段及组装方法 |
| CN106787282A (zh) * | 2016-12-30 | 2017-05-31 | 浙江众邦机电科技有限公司 | 一种永磁电机 |
| CN106655682A (zh) * | 2017-03-16 | 2017-05-10 | 张汝林 | 永磁多相两极高速电机 |
| CN107070016A (zh) * | 2017-04-18 | 2017-08-18 | 苏州汇川联合动力系统有限公司 | 双余度定子及双余度电机 |
| CN107634632A (zh) * | 2017-10-24 | 2018-01-26 | 江苏大学 | 一种表贴式永磁同步电机及设计方法 |
| CN108336878A (zh) * | 2018-03-21 | 2018-07-27 | 东南大学 | 一种不等匝单双层绕组铸铜转子感应电机 |
| CN108512333A (zh) * | 2018-04-24 | 2018-09-07 | 新疆金风科技股份有限公司 | 模块化定子及风力发电机组 |
| CN108768016B (zh) * | 2018-05-11 | 2020-03-17 | 南京航空航天大学 | 一种绕组错位轮毂电机定子及绕组错位轮毂电机装置 |
| CN108880014B (zh) * | 2018-05-29 | 2021-10-29 | 南方电机科技有限公司 | 一种定子、马达及自动化设备 |
| CN109586429B (zh) * | 2018-11-28 | 2020-07-28 | 南京航空航天大学 | 基于隔齿绕组和不等定子齿距的永磁容错电机 |
| CN110289717B (zh) * | 2018-12-04 | 2024-04-19 | 上海大学 | 一种永磁电机定子多相绕组 |
| CN111030329A (zh) * | 2019-11-29 | 2020-04-17 | 北京自动化控制设备研究所 | 多相永磁容错伺服电机 |
| CN112510862B (zh) * | 2020-11-11 | 2022-04-22 | 北京精密机电控制设备研究所 | 一种电热磁隔离多相容错电机 |
| CN113410927A (zh) * | 2021-05-24 | 2021-09-17 | 东南大学 | 具有相间隔磁能力的模块化电机 |
| CN113890221B (zh) * | 2021-10-08 | 2022-10-11 | 哈尔滨工业大学 | 高三次谐波电流利用率的单双层绕组径向磁通五相电机 |
| CN114268207A (zh) * | 2021-12-25 | 2022-04-01 | 上海鎏汇达高科技发展集团有限公司 | 一种双余度永磁同步电动机 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103095081A (zh) * | 2013-02-17 | 2013-05-08 | 天津大学 | 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 |
| CN104348308A (zh) * | 2013-07-23 | 2015-02-11 | 赵文明 | 电机定子扇形片多列波形正反错位多工位级进冷冲压工艺 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0744816B2 (ja) * | 1986-03-28 | 1995-05-15 | 株式会社三協精機製作所 | ブラシレスモ−タ |
| JP4399943B2 (ja) * | 2000-02-29 | 2010-01-20 | 株式会社富士通ゼネラル | 永久磁石電動機 |
-
2015
- 2015-04-29 CN CN201510212360.2A patent/CN104779758B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103095081A (zh) * | 2013-02-17 | 2013-05-08 | 天津大学 | 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 |
| CN104348308A (zh) * | 2013-07-23 | 2015-02-11 | 赵文明 | 电机定子扇形片多列波形正反错位多工位级进冷冲压工艺 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104779758A (zh) | 2015-07-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104779758B (zh) | 基于单双层混合绕组的模块化多相永磁同步电机 | |
| CN104767340B (zh) | 基于单双层混合绕组的模块化盘式多相永磁同步电机 | |
| Yang et al. | Flux adjustable permanent magnet machines: A technology status review | |
| CN104767353B (zh) | 高度模块化的圆筒型多相永磁直线电机 | |
| CN202210713U (zh) | 一种高可靠性磁通切换型电机 | |
| CN104319917B (zh) | 冗余型半齿绕磁通切换电机 | |
| KR20040105698A (ko) | 전동발전기 | |
| CN104767350B (zh) | 基于单双层混合绕组的模块化圆筒型多相永磁直线电机 | |
| CN108616203B (zh) | 错位双定子混合励磁型轴向磁场磁通切换电机 | |
| CN106487178B (zh) | 一种盘式双定子混合励磁电动机 | |
| CN110504811B (zh) | 一种错位双转子磁通切换型永磁电机及发电设备 | |
| CN104935095A (zh) | 一种u形定子混合励磁开关磁阻电机 | |
| Sui et al. | Multiphase modular fault-tolerant permanent-magnet machine with hybrid single/double-layer fractional-slot concentrated winding | |
| CN102497077B (zh) | 一种转子无齿槽开关磁阻电机 | |
| US11456643B2 (en) | Rotating electric machine, controller, vehicle system, and maintenance method of rotating electric machine | |
| CN103296798B (zh) | 一种双速绕组定子表面贴装式双凸极永磁电机 | |
| CN104779772A (zh) | 基于单双层混合绕组的模块化平板式多相永磁直线电机 | |
| CN103490583A (zh) | 定子分割式轴向磁通切换型混合励磁同步电机 | |
| CN102868266A (zh) | 一种基于余度和容错技术的高可靠永磁同步电动机 | |
| CN106787284B (zh) | 一种模块化电励磁双凸极电机 | |
| CN104767351A (zh) | 高度模块化的平板式多相永磁直线电机 | |
| CN105656267A (zh) | 双极性横向磁通永磁同步电机 | |
| CN101699728A (zh) | 混合气隙模块化定子开关磁阻电机 | |
| CN105356629A (zh) | 一种高容错性模块化开关磁阻电机及其驱动控制系统 | |
| CN102231576B (zh) | 自容错磁通切换永磁电机 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20190618 Address after: 150000 Heilongjiang Harbin Dalian economic and Trade Zone, the North Road and Xingkai Road intersection Patentee after: Harbin University of Technology Robot Group Co., Ltd. Address before: 150001 No. 92 West straight street, Nangang District, Heilongjiang, Harbin Patentee before: Harbin Institute of Technology |