CN106992652A - 270v高功率密度的五相容错直流电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种270V高功率密度的五相容错直流电机。转子和转轴同轴固定连接，转子外表面设有永磁体并套有保护套，定子开有梯形槽，相邻梯形槽之间绕制有绕组，壳体外表面开有双螺纹的通油槽，壳体外用挡油套封装，油液在通油槽内流动使得电机以壳体通油的方式冷却；永磁体以转子表贴式结构布置置于转子表面，包括沿转轴周向间隔均布布置的六列永磁条，定子上沿周向间隔均布地开有十个梯形槽，十个梯形槽在每两个相邻的梯形槽之间绕制绕组形成五相绕组，壳体端面周围边缘均布安装五个霍尔传感器。本发明设计的270V的直流智能电机，具有高冗余性、高功率密度、优良的动态性能、低转矩脉动和低噪声的优点。

Description

270V高功率密度的五相容错直流电机
技术领域
本发明涉及一种无刷直流电机，特别是涉及了一种270V高功率密度的五相容错直流电机。
背景技术
随着F-35、B787飞机的先后诞生，多电飞机相比于传统飞机，实质上的改变是用电力系统部分取代了次级功率系统。B787利用转换放大单元将230V交流电转化成270V直流电源，为电机泵等负载供电；F-22和F-35飞机则直接采用了270V直流供电系统。电源系统电压水平的提高降低了电流幅值，从而减小了线缆截面积和损耗。直流供电系统相比于三相交流供电系统，可以使得线缆数目减小，进一步降低了线缆重量。
电源系统的变化对电机泵驱动电机的选择和控制又有很大的影响，相与相之间的电、机械、磁和热均有良好的绝缘性；有高的转矩/重量比和高的转矩/电流比；相电感高(对永磁电机来说)；全转速范围内的的高效率。
相与相之间电、机械、磁和热的绝缘性，使电机有较高的可靠性，在运行过程中，不易出现短路等现象，并使电机拥有较高的容错性，在某项短路后不会影响其他相工作；高的转矩/质量比实质上是使电机拥有了高的功率密度，而高的转矩/电流比意味着电机的灵敏度很高，加减速快，且所需的控制信号小；全转速范围的高效率运行，使飞机上的能源可以尽可能的被充分利用。
根据多电飞机对飞机电源系统所提出的要求，最终决定采用永磁无刷直流电机作为电机泵的驱动电机。永磁无刷直流电机控制相比永磁同步电机相比较为简单，不需要高精度的传感器和复杂的控制器，在一定程度上提高了可靠性，加之较高的功率密度使得其更适用于电机泵驱动电机。
发明内容
鉴于目前多电飞机的发展迅猛，根据多电飞机对飞机电源系统所提出的要求以永磁无刷直流电机作为电机泵的驱动电机，本发明提出了一种270V高功率密度的五相容错直流电机，可以用于±270V的DC多电飞机电源系统，且具有高冗余性、高功率密度、低转矩脉动和低噪声等优点。
本发明的技术方案如下：
本发明包括挡油套、壳体和装在壳体内的转子、定子、转轴、永磁体、保护套和绕组，转子和转轴同轴固定连接，转子位于里层，定子套装在转子外，转子外表面设有永磁体并套有保护套，保护套防止电机高速旋转时永磁体挣脱转子。永磁体通过保护套固定在转子外表面；定子上开有梯形槽，相邻梯形槽之间绕制有绕组，定子、转子和转轴一起被壳体封装在内；所述壳体外表面开有双螺纹的通油槽，壳体外用挡油套封装，壳体和挡油套之间设有油液，油液在通油槽内流动使得电机以壳体通油的方式冷却。
电机控制器安装在电机轴尾，与电机一起被封装在通油壳体内。
所述的永磁体以转子表贴式结构布置置于转子表面，使定子与转子之间的气隙磁通密度关于电机电角度呈梯形分布。
所述永磁体包括沿转轴周向间隔均布布置的六列永磁条，每列永磁条沿转轴轴向贴附在转子外表面，六列永磁条组成三对磁极；所述定子上沿周向间隔均布地开有十个梯形槽，十个梯形槽在每两个相邻的梯形槽之间绕制绕组形成五相绕组，各相绕组分别隔齿绕制地缠绕在梯形槽的槽齿上；所述壳体一端面的周围边缘沿周向间隔均布安装五个分别与五相绕组对应的霍尔传感器，霍尔传感器位于各自对应的绕组中央的径向方向。
本发明的电机共五相绕组，分别绕制，其相与相之间具有良好的电、磁、热绝缘性，且即便某相断路，也可以输出正常转矩，有较高的冗余性。并且，本发明电机的每极每相槽数为分数，可以提高槽满率进而提高电机效率，还有利于降低齿槽转矩和转矩波动。
本发明利用五个霍尔传感器准确检测转子所处电周期的转动状态位置，并将检测信号传输给外部控制器，控制器根据转子所处电周期的状态位置对定子的绕组用对应的控制电压和控制电流控制。
所述定子的各相绕组均连接有H桥功率驱动电路，H桥功率驱动电路均与外部电机驱动器连接，外部电机驱动器对各相分别用一个H桥功率驱动电路进行控制，绕组与其连接的H桥功率驱动电路发生故障不会通过中点电压影响到其他相，保证各相之间实现电解耦。
所述的转轴一端安装有用于采集电机转子位置和速度信号的旋转变压器。
所述定子的绕组上设有用于检测定子绕组温度的集成温度探头，集成温度探头贴绕组安装。
通过本发明特定计算设计后的电机结构，使电机能够在额定转速10000rpm正反转；通过对驱动控制器的设计，使其能够配合±270VDC电源系统使用；在永磁体等材料选择上，使电机能够工作在-55～135℃的环境下。
本发明由于电机有10个槽、6个磁极和5相绕组，每极每相槽数为分数，构成了分数槽绕组，分数槽绕组可以提高槽满率进而提高电机效率，还有利于降低齿槽转矩和转矩波动。
本发明设计的270VDC直流智能电机，具有高冗余性、高功率密度、优良的动态性能、低转矩脉动和低噪声的优点，可以广泛的应用于航空航天、机器人和兵器装备等领域，其优势主要体现在以下几个方面：
(1)该直流智能电机是基于270V DC直流电源系统设计的，可以工作在-55～135℃的恶劣环境下，具有高功率密度和高可靠性；
(2)该电机利用低压液压油冷却，冷却效率高，如果与高转速的泵组合使用，会大大提高组合件的功率密度和效率；
(3)电机绕组为单层集中式定子绕组，加上电机槽极数组合为分数槽，二者结合可以提高槽满率进而提高电机效率，抑制相间短路，提高电机可靠性，还有利于降低齿槽转矩和转矩波动；
(4)该电机由5个霍尔集成电路监测转子所处状态，并用1个旋转变压器测转子绝对位置和运行速度，使驱动器对电机驱动电流的控制更加准确；
(5)驱动器用五组H桥功率驱动电路对五相绕组分别进行控制，这保证了电机各相之间的电解耦，即某一相断路故障不会通过中点电压影响到其他相，大大提高了电机运行可靠性、冗余性。
附图说明
图1是本发明主要结构图；
图2是图1的轴向剖面视图；
图3是壳体的结构图。
图4是五相的H桥功率驱动电路图。
图中：1、转子，2、永磁体，3、定子，4、挡油套，5、壳体，6、保护套，7、转轴，8、转子挡板，9、绕组，10、霍尔传感器，11、通油槽。
具体实施方式
下面结合附图1到图4和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明具体实施包括挡油套4、壳体5和装在壳体5内的转子1、定子3、转轴7、永磁体2、保护套6和绕组9，转子1和转轴7同轴固定连接，转子1位于里层，定子3套装在转子1外，转子1外表面设有永磁体2并套有保护套6，永磁体2通过保护套6固定在转子1外表面；定子3上开有梯形槽，相邻梯形槽之间绕制有绕组9，定子3、转子1、转轴7和驱动器一起被壳体5封装在内；如图3所示，壳体5外表面开有双螺纹的通油槽11，壳体5外用挡油套4封装，壳体5和挡油套4之间设有油液，油液在通油槽11内流动使得电机以壳体通油的方式冷却。
转子挡板8连接在保护套6的两个端面，保护套6用于防止电机高速旋转时，永磁体2径向挣脱转子1。转子挡板8用于对转子1、永磁体2和转子保护套6进行轴向固定，防止转子组件轴向挣脱。
如图2所示，永磁体2以转子表贴式结构布置置于转子2表面，使定子1与转子2之间的气隙磁通密度关于电机电角度呈梯形分布，包括沿转轴7周向间隔均布布置的六列永磁条，转子表贴式结构从电机横截面观察，转子表面贴有6片均匀分布的径向瓦片形永磁条，每块永磁条沿转轴7轴向贴附在转子1外表面布置，相邻永磁条间设有极间隔磁条以方便永磁条安装，六列永磁条组成三对磁极。永磁体采用径向充磁，利于保持电机气隙磁通密度处处相同。
定子3上沿周向间隔均布地开有十个梯形槽，十个梯形槽在每两个相邻的梯形槽之间绕制绕组9形成五相绕组，各相绕组9分别隔齿绕制地缠绕在梯形槽的槽齿上，隔齿绕制形成单层集中式定子绕组。
所述壳体5一端面的周围边缘沿周向间隔均布安装五个分别与五相绕组9对应的霍尔传感器10，霍尔传感器10位于各自对应的绕组9中央的径向方向。
霍尔传感器放在电机转轴的轴尾五个固定位置，根据五个霍尔传感器输出信号的组合配以对应真值表，可以检测电机处在电周期的哪个状态S1～S10。
如图4所示，定子3的各相绕组9均连接有H桥功率驱动电路，H桥功率驱动电路均与外部电机驱动器连接。
转轴7一端安装有用于采集电机转子1位置和速度信号的旋转变压器，能够用来检测电机运行过程中转子的实时位置及每相感应电动势是否过零点。
定子3的绕组9上设有用于检测定子绕组9温度的集成温度探头，集成温度探头贴绕组9安装，用以电机故障检测。
电机加工调试时，图1中所有组件及其配件约合20.6kg，而额定转速为10000rpm，额定扭矩为18N·m，即额定功率为19kw，功率密度约为0.95kw/kg；稳定运行时，电机齿槽转矩脉动频率约为5000Hz，转速基频约为167Hz，转矩脉动约为转速基频的30倍，因此转矩脉动可以被有效滤除；电机启动时间为0.4s～0.6s。
本发明的实施例及其工作过程是：
电机运行时，利用五个霍尔传感器10准确检测转子1所处电周期的状态位置，并将检测信号传输给外部控制器，控制器根据转子1所处电周期的状态位置对定子3的绕组9用对应的控制电压和控制电流控制。
将每个机械周期分为三个相同的电周期，每个电周期对应120°机械角，并被分为10个状态S1～S10，根据霍尔集成电路判断的电机所处状态数，控制驱动器为每相绕组通入对应的驱动电流，使电机输出连续转矩。
每个霍尔传感器10会根据检测到的永磁体2电磁感应强度，输出1和0两个数字量。根据五个霍尔传感器10(A、B、C、D、E)在同一时刻共同输出的一组数字量，可以判断出转子1所处的状态数。如：(A、B、C、D、E)输出值为(1、0、0、1、1)时，可以判断电机处于S1状态；当输出值为(1、0、0、0、1)时，电机处于S2状态，因此10个状态均可根据五个霍尔传感器10的输出值得到识别。
电周期的各状态S1～S10具体是：电机转轴7从初始位置起，在转过0～120°完整的电周期范围内，以0～12°为S1、12°～24°为S2、24°～36°为S3、36°～48°为S4、48°～60°为S5、60°～72°为S6、72°～84°为S7、84°～96°为S8、96°～108°为S9、108°～120°为S10。以后每个电周期都按照这个规律进行状态编码。
具体实施中外部的电机驱动器安装在电机尾部，电机驱动器用五组H桥功率驱动电路对五相绕组分别进行控制，这保证了电机各相之间的电解耦，即某一相断路故障不会通过中点电压影响到其他相的工作，使得本发明电机仍然能正常工作。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种270V高功率密度的五相容错直流电机，其特征在于：包括挡油套(4)、壳体(5)和装在壳体(5)内的转子(1)、定子(3)、转轴(7)、永磁体(2)、保护套(6)和绕组(9)，转子(1)和转轴(7)同轴固定连接，转子(1)位于里层，定子(3)套装在转子(1)外，转子(1)外表面设有永磁体(2)并套有保护套(6)，永磁体(2)通过保护套(6)固定在转子(1)外表面；定子(3)上开有梯形槽，相邻梯形槽之间绕制有绕组(9)，定子(3)、转子(1)和转轴(7)被封装在壳体(5)内；所述壳体(5)外表面开有双螺纹的通油槽(11)，壳体(5)外用挡油套(4)封装，壳体(5)和挡油套(4)之间设有油液，油液在通油槽(11)内流动使得电机以壳体通油的方式冷却。
2.根据权利要求1所述的一种270V高功率密度的五相容错直流电机，其特征在于：所述的永磁体(2)以转子表贴式结构布置置于转子(1)表面，使定子(3)与转子(1)之间的气隙磁通密度关于电机电角度呈梯形分布。
3.根据权利要求1所述的一种270V高功率密度的五相容错直流电机，其特征在于：所述永磁体(2)包括沿转轴(7)周向间隔均布布置的六列永磁条，每条永磁条沿转轴(7)轴向均匀贴附在转子(1)外表面，六列永磁条组成三对磁极；所述定子(3)上沿周向间隔均布地开有十个梯形槽，十个梯形槽在每两个相邻的梯形槽之间绕制绕组(9)形成五相绕组；所述壳体(5)一端面的周围边缘沿周向间隔均布安装五个分别与五相绕组(9)对应的霍尔传感器(10)，霍尔传感器(10)位于各自对应的绕组(9)中央的径向方向。
4.根据权利要求3所述的一种270V高功率密度的五相容错直流电机，其特征在于：利用五个霍尔传感器(10)准确检测转子(1)所处电周期的转动状态位置，并将检测信号传输给外部控制器，控制器根据转子(1)所处电周期的状态位置对定子(3)的绕组(9)用对应的控制电压和控制电流控制。
5.根据权利要求3所述的一种270V高功率密度的五相容错直流电机，其特征在于：所述定子(3)的各相绕组(9)均连接有H桥功率驱动电路，H桥功率驱动电路均与外部电机驱动器连接。
6.根据权利要求1所述的一种270V高功率密度的五相容错直流电机，其特征在于：所述的转轴(7)一端安装有用于采集电机转子(1)位置和速度信号的旋转变压器。
7.根据权利要求1所述的一种270V高功率密度的五相容错直流电机，其特征在于：所述定子(3)的绕组(9)上设有用于检测定子绕组(9)温度的集成温度探头，集成温度探头贴绕组(9)安装。
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