CN105680651A - 一种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。每一个定子模块都是由一个带磁桥的2U定子铁芯、一块永磁体组成，带磁桥的2U定子铁芯由硅钢片冲制而成，相邻U型铁芯定子齿上绕有六个主绕组，六个定子模块上绕有六个辅助绕组，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计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，十个转子极均匀设置在转子非导磁圆环外圆周上，结构简单。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

一种双绕组轴向磁场磁通切换容错电机

技术领域：

本发明涉及永磁电机技术领域，尤其涉及一种双绕组轴向磁场磁通切换容错电机。

背景技术：

永磁电机与电励磁电机相比，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，因而应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。

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，两种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：

为了解决上述问题，本发明提供了一种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，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的技术方案：

一种双绕组轴向磁场磁通切换容错电机，包括两个定子和一个转子，两定子结构相同，以对称方式分布在转子两侧，定子由六个定子模块和一个定子固定盘组成，每个定子模块均匀放置在定子固定盘上，定子模块之间通过隔离槽隔离；所述定子模块由一个2U型定子铁芯以及一块永磁体组成。

作为优选，电机的三相绕组分成主绕组和辅助绕组，当一相绕组出现故障时，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，保证电机的正常运行，实现双绕组容错控制。

作为优选，绕组采用单独的H桥拓扑结构进行供电。

作为优选，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，永磁体和与永磁体相邻的定子齿上的六个绕组为主绕组，径向相对的绕组相串联组成一相，依次将六个主绕组分成三相，同样将绕置在定子模块上的六个辅助绕组分成相对应的三相。

作为优选，转子共有十个齿，称为十个转子极，均匀设置在转子非导磁圆环的外圆周上。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明所提出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，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。

（2）本发明中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。

附图说明：

图1为本发明双绕组轴向磁场磁通切换容错电机的三维结构示意图；

图2为定子模块结构示意图；

图3为控制系统主电路图。

具体实施方式：

为使本发明的发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

双绕组轴向磁场磁通切换容错电机是由两个定子和一个转子构成的双气隙永磁电机，如图1所示。每一个定子都是由六个2U形铁芯4、六块永磁体6、一个非导磁定子固定盘11或12、六个主绕组5和六个辅助绕组7组成。一个2U铁芯4和一块永磁体6组成一个定子模块，定子模块三维图如图2所示。六个主绕组5分别绕在六个永磁体和与永磁体相邻的定子齿上，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。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，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。

转子上既没有永磁体又没有线圈，转子上共有10个齿，称为10个转子极，转子极9均匀设置在转子非导磁圆环10的外圆周上，转子极由高导磁率的硅钢片冲叠构成。

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。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。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (5)

1.一种双绕组轴向磁场磁通切换容错电机，其特征在于：包括两个定子和一个转子，两定子结构相同，以对称方式分布在转子两侧；所述定子由六个定子模块和一个定子固定盘组成，每个定子模块均匀放置在定子固定盘上，定子模块之间通过隔离槽隔离；

所述定子模块由一个2U型定子铁芯以及一块永磁体组成。

2.根据权利要求1所述的一种双绕组轴向磁场磁通切换容错电机，其特征在于：所述电机的三相绕组分成主绕组和辅助绕组，当一相绕组出现故障时，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，保证电机的正常运行，实现双绕组容错控制。

3.根据权利要求1或2所述的一种双绕组轴向磁场磁通切换容错电机，其特征在于：所述绕组采用单独的H桥拓扑结构进行供电。

4.根据权利要求1所述的一种双绕组轴向磁场磁通切换容错电机，其特征在于：所述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；

所述永磁体和与永磁体相邻的定子齿上的六个绕组为主绕组，径向相对的绕组相串联组成一相，依次将六个主绕组分成三相，同样将绕置在定子模块上的六个辅助绕组分成相对应的三相。

5.根据权利要求1所述的一种双绕组轴向磁场磁通切换容错电机，其特征在于：所述转子共有十个齿，称为十个转子极，均匀设置在转子非导磁圆环的外圆周上。