CN106787284A - 一种模块化电励磁双凸极电机 - Google Patents

一种模块化电励磁双凸极电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模块化电励磁双凸极电机，由壳体、定子铁心、励磁绕组、A、B、C相电枢绕组、转子铁心和转轴组成；壳体由非导磁材料制成，内侧固定定子铁心；模块化的定子铁心共3X个，每个定子铁心有两个凸出的定子极，两个定子极之间由定子轭部连接，各定子铁心不直接接触；6X个定子铁心周向均布；转子铁心均布有5X个凸出的转子极；同一个定子铁心上的两个定子极极距等于转子极极距；定子铁心其中一个定子极上绕有励磁绕组，另一个定子极上绕有电枢绕组，电枢绕组依据相位不同分为A相电枢绕组、B相电枢绕组和C相电枢绕组；X为正整数。该电机的三相绕组磁路、电路独立，可以把故障限制在一相内，减小故障对其它相的影响，防止故障传播。

Description

一种模块化电励磁双凸极电机
技术领域
本发明涉及一种模块化电励磁双凸极电机，属于特种电机技术领域。
背景技术
传统的分布绕组电机一相绕组发生短路时，短路磁链会经过其它正常相绕组，从而使正常相绕组磁链和感应电动势产生畸变，从而影响电机的系统性能。因此容错电机应具备电隔离、磁隔离、热隔离、物理隔离能力。
隔离主要包括磁隔离、热隔离、电隔离、物理隔离等，隔离可以确保子系统发生的故障不扩散，从而使剩余子系统可以容错运行，是容错电机应具备的基本技术特征。
在已有技术中，英国B.C.Mecrow教授提出了的四相高效率的永磁容错电机。这种电机将传统永磁同步电机的分布式定子绕组改为隔齿绕制的集中绕组，没有绕组的电枢齿作为磁通回路起着相间热隔离和电隔离的作用。这种电机实现了相与相之间电路、磁路及温度的相对独立，电机具有一定的容错性，可以应用在可靠性要求较高的航空电机上。
美国威斯康星麦迪逊大学提出了模块化电机的概念，将电机设计为分段极靴和集中绕组，彼此电磁分离，每极配置独立的驱动电路单元，组合为完成的电机系统，该结构设计使得模块化电机具有一定的容错能力，是未来高可靠性电机驱动系统的发展方向。
模块化电机具备各自独立的标准的单元模块，各模块能组合成电机系统完成电动或发电功能。模块化电机隔离性能好，在部分模块出现故障后其余模块仍能不受影响的工作，非常适合构成容错电机。
东南大学对模块化直线电机进行了研究，但直线电机的初级本身就是一个或多个独立的模块，并未构成一个圆周，因此该技术并不能应用于设计模块化电励磁双凸极电机。另外东南大学还获得了“一种模块化转子的定子表面贴装式双凸极永磁电机”的发明专利，专利号：2013101199395，该技术的转子具有多个隔离的模块，未能实现定子各相的隔离。
传统的电励磁双凸极电机励磁绕组跨三个极，无法将三相励磁绕组分到三个模块，因此很有必要提出一种新型的拓扑结构，以实现电励磁双凸极电机的模块化设计。
发明内容
本发明目的是为了克服现有技术的不足，提供一种各相完全隔离、故障不能传播的一种模块化电励磁双凸极电机。
上述目的是通过如下技术方案实现的：
一种模块化电励磁双凸极电机，包括壳体、定子铁心、励磁绕组、A相电枢绕组、B相电枢绕组、C相电枢绕组、转子铁心和转轴，定子铁心和转子铁心同转轴设置，其中：
3X个相同的定子铁心沿壳体周向均匀排布，相邻定子铁芯之间留有间距，每个定子铁心设有两个向转轴凸出的定子极，两个定子极之间由定子轭部连接；
所述转子铁心均布有5X个向壳体方向凸出的转子极；
每个定子铁心上的两个定子极的极距与转子极的极距相等；
每个定子铁心中的一个定子极上绕有励磁绕组，另一个定子极上绕有电枢绕组，电枢绕组依据相位不同分为A相电枢绕组、B相电枢绕组和C相电枢绕组；
其中，所述X为正整数。
优选地，X优选2。
优选地，定子铁芯呈U型，由中间的定子轭部与两侧的定子极组成，各定子铁芯呈模块化，6X个定子极周向均匀分布。
优选地，壳体由非导磁材料制成。
优选地，转子极的极弧系数为0.5，定子极极宽是转子极极宽的0.66倍，所述的模块化电励磁双凸极电机依据三相六拍控制策略运行。
优选地，转子极的极弧系数为0.33，定子极极宽与转子极极宽相等，所述的模块化电励磁双凸极电机，依据三相三拍控制策略运行。
优选地，电枢绕组和励磁绕组采用集中式绕组；电枢绕组与励磁绕组的绕向相反。
优选地，励磁绕组跨相邻定子铁心上的两个定子极绕制；电枢绕组为集中式绕组，电枢绕组与同一个定子铁心上的励磁绕组的绕向相反。
本发明的优点：
1、电机的三相绕组磁路、电路均独立，且各相之间具备热隔离特征，可以把故障限制在一相内，以减小故障相对其它相造成负面影响，防止故障传播；
2、定子铁心和转子铁心的各个冲片相同而位置角度不同，模块化生产成本低，样机加工方便；
3、转子无励磁绕组或永磁体，工作可靠；
4、总的磁链较短，定子铁心磁阻小，铁损少；；
5、总的磁链较短，硅钢片用量少、电机重量轻；
6、励磁绕组和电枢绕组皆为集中式绕组，比较容易绕制，内阻小，效率高，而且励磁绕组和电枢绕组也具备热隔离特征。
附图说明
图1是本发明X＝2跨一极励磁的一种模块化电励磁双凸极电机示意图。其中，1、壳体，2、定子铁心，3、励磁绕组，4、A相电枢绕组，5、转子铁心，6、轴，7、B相电枢绕组，8、C相电枢绕组。
图2是传统的12/8极电励磁双凸极电机示意图。其中，2、定子铁心，3、励磁绕组，4、A相电枢绕组，5、转子铁心，6、轴，7、B相电枢绕组，8、C相电枢绕组。
图3是本发明X＝2的一种模块化电励磁双凸极电机仿真磁力线图。
图4是本发明X＝2的一种模块化电励磁双凸极电机仿真磁链图。可以看出，该电机的磁链图与传统的电励磁双凸极电机一致，因此可以使用传统的电励磁双凸极电机的控制方式进行控制。
图5是本发明X＝2的一种模块化电励磁双凸极电机仿真反电势图。可以看出该电机的三相电势与传统的电励磁双凸极电机一致，外接整流桥即可实现电机的直流输出。
图6是电励磁双凸极电机三相三拍控制策略图。
图7是电励磁双凸极电机三相六拍控制策略图。
图8是本发明X＝2跨两极励磁的一种模块化电励磁双凸极电机示意图。其中，1、壳体，2、定子铁心，3、励磁绕组，4、A相电枢绕组，5、转子铁心，6、轴，7、B相电枢绕组，8、C相电枢绕组。
具体实施方式
下面结合附图和实施例具体介绍本发明的优化控制方法及原理。
图1是本发明X＝2的模块化电励磁双凸极电机示意图。该电励磁双凸极电机由壳体(1)、定子铁心(2)、励磁绕组(3)、A相电枢绕组(4)、B相电枢绕组(7)、C相电枢绕组(8)、转子铁心(5)和轴(6)组成。壳体(1)由非导磁材料制成，内侧固定有定子铁心(2)。
呈模块化的定子铁心(2)共有6个，6个定子铁心沿壳体内壁周向均匀排布，即本实施例X＝2，每个定子铁心(2)有两个向内凸出的定子极，两个定子极之间由定子轭部连接，各个定子铁心(2)之间不直接接触，留有间距；6个定子铁心(2)沿圆周均布。X＝2时，所述转子铁心(5)均布有10个凸出的转子极。
同一个定子铁心(2)上的两个定子极极距等于转子极极距；定子铁心(2)顺时针方向的定子极上绕有励磁绕组(3)，所有励磁绕组(3)的绕向相同。在图1中，同一个定子铁心(2)上的两个定子极的机械角为36°，相邻定子铁心(2)的两个相邻的定子极的机械角为24°，由于本实施例定子极宽度为12°，因此可以推算出两个定子铁心(2)之间的间距最小相隔12°，如本实例中可为15°。
定子铁心(2)逆时针方向的定子极上绕有电枢绕组，电枢绕组依据相位不同可分为A相电枢绕组(4)、B相电枢绕组(7)和C相电枢绕组(8)，所有电枢绕组的绕向相同；电枢绕组和励磁绕组(3)都是集中式绕组。
在本实施例中，转子极的极弧系数为0.5，定子极极宽是转子极极宽的0.66倍，所述模块化电励磁双凸极电机依据三相六拍控制策略运行。
所述模块化电励磁双凸极电机既可以作为发电机运行又可以作为电动机运行。
图2是传统的12/8极电励磁双凸极电机示意图。传统的电励磁双突击电机励磁绕组跨三个极，无法将三相励磁绕组分到三个模块。
图3是本发明X＝2的一种模块化电励磁双凸极电机仿真磁力线图。在本实施例中，转子极的极弧系数为0.33，定子极极宽与转子极极宽相等，所述模块化电励磁双凸极电机依据三相三拍控制模式运行。
图4是本发明X＝2的一种模块化电励磁双凸极电机仿真磁链图，表明该电机的磁链图与传统的电励磁双凸极电机一致，因此可以使用传统的电励磁双凸极电机的控制方式进行控制。
图5是本发明X＝2的一种模块化电励磁双凸极电机仿真电势图，表明该电机的三相电势与传统的电励磁双凸极电机一致，外接整流桥即可实现电机的直流输出。
三相六拍控制策略如图6所示，在每一个电感周期内都存在六个导通模态，而且任意一个换相时刻只有两相绕组参与换相。
三相六拍控制策略如图7所示，在每一个电感周期内都存在三个导通模态，对应每个换相时刻都有三相绕组同时参与换相。以图中120°电角度所对应的换相时刻为例，A、B、C三相绕组同时换相，其中A相绕组的自感为最大值，电流的变化率相对较慢，换相时间较长。
图8是本发明X＝2跨两极励磁的一种模块化电励磁双凸极电机示意图。励磁绕组(3)跨相邻定子铁心(2)上的两个定子极绕制；电枢绕组为集中式绕组，电枢绕组与同一个定子铁心(2)上的励磁绕组(3)的绕向相反。
本发明模块化电励磁双凸极电机的工作原理：
所述模块化电励磁双凸极电机作为电动机运行时，通过位置传感器检测电机转子位置，将位置信号输送给控制器后，控制器控制功率变换器的相应开关管，给磁链上升的绕组通以正向电流，给磁链下降的绕组通以负向电流，电机即可实现对外输出转矩。
从图3可以看出，模块化电励磁双凸极电机各相磁链通过定子极、定子轭、转子极、转子轭导通，各相磁链独立，可以把故障限制在一相内，以减小故障相对其它相造成负面影响，防止故障传播，因此具备较高的各相隔离特性。
所述模块化电励磁双凸极电机作为发电机运行时，转子旋转时其各相磁链变回随之变化，从而使各相绕组产生感应电动势，如图5所示。调节励磁电流的大小即可控制输出电压。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种模块化电励磁双凸极电机，包括壳体、定子铁心、励磁绕组、A相电枢绕组、B相电枢绕组、C相电枢绕组、转子铁心和转轴，定子铁心和转子铁心同转轴设置，特征在于：
3X个相同的定子铁心沿壳体周向均匀排布，相邻定子铁芯之间留有间距，每个定子铁心设有两个向转轴凸出的定子极，两个定子极之间由定子轭部连接；
所述转子铁心均布有5X个向壳体方向凸出的转子极；
每个定子铁心上的两个定子极的极距与转子极的极距相等；
每个定子铁心中的一个定子极上绕有励磁绕组，另一个定子极上绕有电枢绕组，电枢绕组依据相位不同分为A相电枢绕组、B相电枢绕组和C相电枢绕组；
其中，所述X为正整数。
2.根据权利要求1所述的模块化电励磁双凸极电机，其特征在于：X优选2。
3.根据权利要求1所述的模块化电励磁双凸极电机，其特征在于：定子铁心呈U型，由中间的定子轭部与两侧的定子极组成，各定子铁心呈模块化，6X个定子极周向均匀分布。
4.根据权利要求1所述的模块化电励磁双凸极电机，其特征在于：壳体由非导磁材料制成。
5.根据权利要求1所述的模块化电励磁双凸极电机，依据三相六拍控制策略运行，其特征在于：转子极的极弧系数为0.5，定子极极宽是转子极极宽的0.66倍。
6.根据权利要求1所述的模块化电励磁双凸极电机，依据三相三拍控制策略运行，其特征在于：转子极的极弧系数为0.33，定子极极宽与转子极极宽相等。
7.根据权利要求1-6任一所述的模块化电励磁双凸极电机，其特征在于：电枢绕组和励磁绕组采用集中式绕组；电枢绕组与励磁绕组的绕向相反。
8.根据权利要求1-6任一所述的模块化电励磁双凸极电机，其特征在于：励磁绕组跨相邻定子铁心上的两个定子极绕制；电枢绕组为集中式绕组，电枢绕组与同一个定子铁心上的励磁绕组的绕向相反。
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