CN107070016A - 双余度定子及双余度电机 - Google Patents

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阮波
李庆旭
章正昌
李富强
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K3/28—Layout of windings or of connections between windings

Abstract

本发明提供了一种双余度定子及双余度电机，所述双余度定子包括定子铁芯，所述定子铁芯的内周具有6k个沿圆周方向均匀分布的第一齿，所述k为正整数，且每一第一齿上绕设有线圈；由3k个第一齿上的3k个线圈构成的第一套绕组连接到第一供电单元，由另外3k个第一齿上的3k个线圈构成的第二套绕组连接到第二供电单元；所述定子铁芯的内周还具有6k个第二齿，且所述6k个第二齿和所述6k个第一齿沿圆周方向交替分布。本发明通过在定子铁芯上相邻的第一齿之间增加不绕线圈的第二齿，可实现两个相邻的线圈的物理热隔离。并且，本发明通过对两套绕组进行合理布局，实现了两套绕组间完全磁路解耦，可对两套绕组进行同时解耦控制。

Description

双余度定子及双余度电机
技术领域
本发明涉及电机领域，更具体地说，涉及一种双余度定子及双余度电机。
背景技术
在多电/全电飞机、电动汽车、舰船等的推进系统中，电机系统的可靠性至关重要，为提高可靠性，目前多采用双余度电机或多相电机系统。并且双余度电机或多相电机系统已经逐渐成为高可靠电机应用领域的一种趋势。
目前的双余度电机系统中，通常将传统电机的单套电枢绕组改为两套独立供电的电枢绕组；在正常工况时，由第一套电枢绕组输出功率或两套电枢绕组同时输出功率；当第一套电枢绕组发生故障时，切换为第二套电枢绕组单独工作，以保证持续功率输出。
公开号为102035271 A的中国专利公开了一种采用集中绕组结构的双冗余绕组电机，其两套绕组线圈共用同一个齿槽。公开号为104617687 A的中国专利申请则公开了一种采用双层集中绕组结构的双绕组电机定子，其定子同一个齿上分内外层绕有两套绕组。公开号为103269137 A的中国专利申请则公开了一种同样采用双层集中绕组结构的双绕组电机结构，其两套绕组同样位于一个齿槽内。
在上述的双绕组方案中，由于两套电枢绕组位于同一个齿槽内，存在热耦合，当一套绕组故障烧毁时，另一套绕组烧毁风险较大。并且两套绕组之间还需使用大量的绝缘材料，增加了电机系统成本。此外，上述双绕组方案中还存在两套绕组间互感较大，磁路相互耦合，解耦控制算法难度较大等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述双余度电机的两套绕组位于同一槽内，存在热耦合，同时两绕组间互感较大，磁路相互耦合，解耦控制算法难度较大等问题，提供一种新的双余度定子及双余度电机。
本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种双余度定子，包括定子铁芯，所述定子铁芯的内周具有6k个沿圆周方向均匀分布的第一齿，所述k为正整数，且每一所述第一齿上绕设有线圈；由3k个第一齿上的3k个线圈构成的第一套绕组连接到第一供电单元，由另外3k个第一齿上的3k个线圈构成的第二套绕组连接到第二供电单元，且所述第一套绕组和所述第二套绕组在所述6k个第一齿上呈交替分布；所述定子铁芯的内周还具有6k个第二齿，且所述6k个第二齿和所述6k个第一齿沿圆周方向交替分布，以对相邻的第一齿上的两个线圈进行物理隔离。
在本发明所述的双余度定子中，所述第一套绕组和所述第二套绕组中同一相的线圈相隔6个齿槽。
在本发明所述的双余度定子中，所述第一套绕组包括第一U相线圈、第一V相线圈、第一W相线圈，且所述第一U相线圈、第一V相线圈、第一W相线圈分别相隔4个齿槽；所述第二套绕组包括第二U相线圈、第二V相线圈、第二W相线圈，且所述第二U相线圈、第二V相线圈、第二W相线圈分别相隔4个齿槽。
在本发明所述的双余度定子中，所述第一套绕组中的各个线圈的匝数相同；所述第二套绕组中的各个线圈的匝数相同。
在本发明所述的双余度定子中，所述第二齿的宽度与所述第一齿的宽度之比为0.2～1。
本发明还提供一种双余度电机，包括转子、两个逆变器以及如上任一项所述的双余度定子，所述两个逆变器分别连接到第一供电单元和第二供电单元。
在本发明所述的双余度电机中，所述转子的极数为10k，所述双余度定子的齿槽数为12k，所述第二套绕组的各相线圈绕向与第一套绕组的各相线圈绕向相反。
在本发明所述的双余度电机中，所述转子的极数为8k，所述双余度定子的齿槽数为12k，所述第二套绕组的各相线圈绕向与第一套绕组的各相线圈绕向相同。
在本发明所述的双余度电机中，所述双余度电机还包括切换单元，所述切换单元分别与两个逆变器连接，并用于切换两个逆变器的工作状态。
在本发明所述的双余度电机中，所述转子为表贴式转子、内置径向式转子、内置切向式转子、多层磁钢转子、混合磁路转子或海尔贝克阵列转子。
本发明所述的双余度定子及双余度电机，通过在定子铁芯上相邻的第一齿之间增加不绕线圈的第二齿，可实现两个相邻的线圈的物理热隔离，省去了相邻线圈的绝缘材料。并且，本发明通过对两套绕组进行合理布局，实现了两套绕组间完全磁路解耦，可对两套绕组进行同时解耦控制。
附图说明
图1是本发明双余度定子实施例的示意图；
图2是本发明双余度定子中第一套绕组和第二套绕组的接线示意图；
图3是本发明双余度电机实施例的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，是本发明双余度定子实施例的示意图，本发明一实施例中的双余度定子采用24齿槽集中绕组结构，并绕有两套三相对称绕组，该双余度定子可应用于具有高可靠性的电机中。本实施例的双余度定子包括定子铁芯10，该定子铁芯10的内周具有交替分布的12个第一齿11和12个第二齿12，上述12个第一齿11在定子铁芯的内周上沿圆周方向均匀分布。上述定子铁芯10由硅钢片冲叠而成，可采用一体式结构、拼接式结构或齿轭分离式结构，或者其它可实现方式，在此不做限制。第一齿11和第二齿12则与定子铁芯10的轭部(即环形部分)一体构成整个定子铁芯10。
上述第二齿12的宽度(即周向的尺寸)与第一齿11的宽度(即周向的尺寸)之比可为0.2～1，通过该方式，可保证第一齿11和第二齿12的磁通密度基本相同，同时增大第一齿11和第二齿12之间的齿槽的宽度，提高功率密度。
上述12个第一齿11中的每一个齿上绕设有一个线圈，第二齿12则不绕线圈，即整个定子铁芯10上具有12个线圈U1-1、U1-2、V1-1、V1-2、W1-1、W1-2、U2-1、U2-2、V2-1、V2-2、W2-1、W2-2。由于绕设有线圈的第一齿11之间具有不绕线圈的第二齿12相隔，第二齿12可作为部分磁路及容错齿，可对相邻的第一齿11上的两个线圈进行物理隔离，可靠性更高，同时节省了电机系统绝缘材料。
12个线圈U1-1、U1-2、V1-1、V1-2、W1-1、W1-2、U2-1、U2-2、V2-1、V2-2、W2-1、W2-2分为两套电枢绕组(两套电枢绕组中的线圈间隔分布)，其中：第一套绕组包括两个第一U相线圈U1-1、U1-2、两个第一V相线圈V1-1、V1-2和两个第一W相线圈W1-1、W1-2，且第一套绕组中的6个线圈U1-1、U1-2、V1-1、V1-2、W1-1、W1-2连接到第一供电单元(如图2所示，第一套绕组中的6个线圈U1-1、U1-2、V1-1、V1-2、W1-1、W1-2连接到第一供电单元的U1、V1、W1及O1四个接线端子)；第二套绕组包括两个第二U相线圈U2-1、U2-2、两个第二V相线圈V2-1、V2-2、两个第二W相线圈W2-1、W2-2，且该第二套绕组中的6个线圈U2-1、U2-2、V2-1、V2-2、W2-1、W2-2则连接到第二供电单元(如图2所示，第二套绕组中的6个线圈U2-1、U2-2、V2-1、V2-2、W2-1、W2-2则连接到第二供电单元的U2、V2、W2及O2四个接线端子)。且第一套绕组中的线圈与第二套绕组中的线圈交替排列。由于第一套绕组和第二套绕组分别由相互独立的第一供电单元和第二供电单元供电(第一供电单元和第二供电单元分别连接不同逆变器，且该第一供电单元和第二供电单元的供电电压可相同或不同)，因此当第一套绕组发生故障甚至烧毁时，第二套绕组可立刻切入工作，实现双余度容错功能。由于两套绕组间具有物理隔离，可实现电、磁、热三重解耦，可靠性高。
特别地，第一套绕组中的各线圈U1-1、U1-2、V1-1、V1-2、W1-1、W1-2的匝数相同，第二套绕组中的各线圈U2-1、U2-2、V2-1、V2-2、W2-1、W2-2匝数相同。而第一套绕组中的各线圈U1-1、U1-2、V1-1、V1-2、W1-1、W1-2的匝数与第二套绕组中的各线圈U2-1、U2-2、V2-1、V2-2、W2-1、W2-2可相同或不同，具体可根据两套绕组的功率分配关系确定两套绕组各线圈匝数比。
为便于解耦控制，可使第一套绕组和第二套绕组中同一相的线圈间隔6个齿槽。在本实施例中，采用转子极数和定子槽数为10k/12k的配合(即转子极数为10k，定子槽数为12k)，且k＝2，则同一相的线圈分别位于间隔90°的第一齿11上，且绕向相反，例如第一套绕组中的线圈U1-1与第二套绕组中的线圈U2-1所在的第一齿11间隔90°，第一套绕组中的线圈U1-2与第二套绕组中的线圈U2-2所在的第一齿11间隔90°，第一套绕组中的线圈W1-1与第二套绕组中的线圈W2-1所在的第一齿11间隔90°。通过上述方式，使得两套绕组互感几乎为0，无磁路耦合，很容易实现两套绕组同时解耦控制。
在上述的双余度定子中，第一套绕组和第二套绕组中的同一相的两个线圈可根据功率需求、应用场合等采取并联或串联方式(如图2所示，第一套绕组的同一相的两个线圈串联连接，第二套绕组的同一相的两个线圈并联连接)，且该两个线圈间隔180°。例如第一套绕组中的两个第一U相线圈U1-1、U1-2分别位于间隔180°的两个第一齿11上；两个第一V相线圈V1-1、V1-2分别位于间隔180°的两个第一齿11上；两个第一W相线圈W1-1、W1-2分别位于间隔180°的两个第一齿11上。
在第一套绕组和第二套绕组中，各相绕组间可采用Y形拓扑连接或三角形拓扑连接方式。第一套绕组的U1相线圈、V1相线圈、W1相线圈分别相隔4个齿槽，第二套绕组的U2相线圈、V2相线圈、W2相线圈分别相隔4个齿槽。例如在本实施例中，第一U相线圈U1-1、U1-2、第一V相线圈V1-1、V1-2、第一W相线圈W1-1、W1-2分别位于间隔120°的第一齿11上；同样地，在第二套绕组中，第二U相线圈U2-1、U2-2、第二V相线圈V2-1、V2-2、第二W相线圈W2-1、W2-2分别位于间隔120°的第一齿上11。
上述结构不仅可应用于两套三相绕组的双余度电机，还可应用于其他类型的双余度电机，例如每一套绕组中的每一相可以为一个线圈或超过两个线圈，此时只要调整定子铁芯10上的第一齿11和第二齿12的数量以及第一齿11上的线圈的分布方式即可。即定子铁芯的内周具有6k个沿圆周方向均匀分布的第一齿和6k个第二齿(k为正整数)，且6k个第一齿和6k个第二齿沿圆周方向交替分布；每一第一齿上绕设有线圈，由3k个第一齿上的3k个线圈构成的第一套绕组连接到第一供电单元，由另外3k个第一齿上的3k个线圈构成的第二套绕组连接到第二供电单元，且第一套绕组和第二套绕组在第一齿上呈交替排列。
如图3所示，本发明还提供一种双余度电机，该双余度电机包括转子20、两个逆变器以及上述的双余度定子10，其中两个逆变器分别连接到第一供电单元和第二供电单元，从而分别为双余度定子10上的第一套绕组和第二套绕组独立供电，实现双余度容错功能。
在双余度电机采用10k/12k结构(即转子20的极数为10k，双余度定子10的齿槽数为12k)时，第二套绕组的各相线圈绕向与第一套绕组的各相线圈绕向相反。而在双余度电机采用8k/12k结构(即转子20的极数为8k，双余度定子10的齿槽数为12k)时，第二套绕组的各相线圈绕向与第一套绕组的各相线圈绕向相同。上述双余度电机还可包括切换单元，该切换单元分别与两个逆变器连接，并用于切换两个逆变器的工作状态。例如当第一套绕组发生故障甚至烧毁时，切换单元使连接第一供电单元的逆变器停止输出并使连接第二供电单元的逆变器向第二套绕组输出驱动信号，使第二套绕组立刻切入工作。
在上述的双余度电机中，转子20可采用各种磁路结构，例如转子可以为表贴式转子、内置径向式转子(I型)、内置切向式转子(Spoke型)、多层磁钢转子、混合磁路转子(“V”、“V+I”等)或海尔贝克(Halbach)阵列转子等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种双余度定子，包括定子铁芯，所述定子铁芯的内周具有6k个沿圆周方向均匀分布的第一齿，所述k为正整数，且每一所述第一齿上绕设有线圈；由3k个第一齿上的3k个线圈构成的第一套绕组连接到第一供电单元，由另外3k个第一齿上的3k个线圈构成的第二套绕组连接到第二供电单元，且所述第一套绕组和所述第二套绕组在所述6k个第一齿上呈交替分布；其特征在于：所述定子铁芯的内周还具有6k个第二齿，且所述6k个第二齿和所述6k个第一齿沿圆周方向交替分布，以对相邻的第一齿上的两个线圈进行物理隔离。
2.根据权利要求1所述的双余度定子，其特征在于：所述第一套绕组和所述第二套绕组中同一相的线圈相隔6个齿槽。
3.根据权利要求1所述的双余度定子，其特征在于：所述第一套绕组包括第一U相线圈、第一V相线圈、第一W相线圈，且所述第一U相线圈、第一V相线圈、第一W相线圈分别相隔4个齿槽；所述第二套绕组包括第二U相线圈、第二V相线圈、第二W相线圈，且所述第二U相线圈、第二V相线圈、第二W相线圈分别相隔4个齿槽。
4.根据权利要求1所述的双余度定子，其特征在于：所述第一套绕组中的各个线圈的匝数相同；所述第二套绕组中的各个线圈的匝数相同。
5.根据权利要求1所述的双余度定子，其特征在于：所述第二齿的宽度与所述第一齿的宽度之比为0.2～1。
6.一种双余度电机，其特征在于：包括转子、两个逆变器以及如权利要求1-5中任一项所述的双余度定子，所述两个逆变器分别连接到第一供电单元和所述第二供电单元。
7.根据权利要求6所述的双余度电机，其特征在于：所述转子的极数为10k，所述双余度定子的齿槽数为12k，所述第二套绕组的各相线圈绕向与所述第一套绕组的各相线圈绕向相反。
8.根据权利要求6所述的双余度电机，其特征在于：所述转子的极数为8k，所述双余度定子的齿槽数为12k，所述第二套绕组的各相线圈绕向与第一套绕组的各相线圈绕向相同。
9.根据权利要求6所述的双余度电机，其特征在于：所述双余度电机还包括切换单元，所述切换单元分别与两个逆变器连接，并用于切换两个逆变器的工作状态。
10.根据权利要求6所述的双余度电机，其特征在于：所述转子为表贴式转子、内置径向式转子、内置切向式转子、多层磁钢转子、混合磁路转子或海尔贝克阵列转子。
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