CN108322002B - 一种容错式双转子双极性永磁同步电机及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种容错式双转子双极性永磁同步电机及方法，它解决了现有技术中电机输出转矩受限的问题，具有增大了气隙表面积，进一步提高电机的转矩密度的有益效果，其方案如下：一种容错式双转子双极性永磁同步电机，包括定子和转子，定子沿圆周方向的内侧和外侧均匀分布用于设置定子绕组的定子槽，沿径向方向定子外圆周槽和内圆周槽的导体属于同一相线圈，转子包括设于定子内侧的内转子和设于定子外侧的外转子，内转子永磁磁极数是外转子永磁磁极数的三倍，内外转子永磁体皆按径向充磁，构成双极性永磁电机。

Description

一种容错式双转子双极性永磁同步电机及方法
技术领域
本发明涉及电机领域，特别是涉及一种容错式双转子双极性永磁同步电机及方法。
背景技术
多相电机及其系统以其独特的优点成为近年来的研究热点，与传统三相电机系统相比，多相电机及其调速系统具有以下突出优点：首先可采用低电压等级的功率器件实现大功率驱动，从而降低变频器成本，提高系统可靠性；其次随着相数的增加，转矩脉动频率提高，幅值下降，进而降低电机的振动和噪声；相冗余特性保证多相电机具有很高的容错能力，提高电机运行的安全性和可靠性；最后在相同的电流有效值情况下，可以通过谐波电流注入提高转矩输出，同时提高变频器直流母线电压利用率，从而扩大恒功率运行范围，提高转速比。
近年来永磁电机及其系统以其高效率、高功率密度和高转矩密度的特点，在很多行业得到广泛的应用，但现有多相电机因结构限制，最终转速输出受限。
因此，需要对一种容错式双转子双极性永磁同步电机进行新的研究设计。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种容错式双转子双极性永磁同步电机，具有低速大转矩高速宽恒功率范围的优点。
一种容错式双转子双极性永磁同步电机的具体方案如下：
一种容错式双转子双极性永磁同步电机，包括定子和转子，定子沿圆周方向的内侧和外侧均匀分布用于设置定子绕组的定子槽，沿径向方向定子外圆周槽和内圆周槽的导体属于同一相线圈，转子包括设于定子内侧的内转子和设于定子外侧的外转子，内转子永磁磁极数是外转子永磁磁极数的三倍，内外转子永磁体皆按径向充磁，构成双极性永磁电机。
上述的同步电机，内、外转子在定子绕组中自动感应出基波反电动势和三次谐波反电动势，相比于传统永磁同步电机，本发明电机的三次谐波反电动势所占比例相对较大，从而为电机实现自动变极奠定基础，而且在电流有效值不变的前提下，七相双极性永磁电机由于三次谐波电流的注入，真正意义上增加了对电机控制的自由度，不但提高电机的容错能力，而且提高了电机的转矩密度。
进一步地，所述定子的一端沿轴向固定于端盖，端盖通过轴承与转轴一端连接，端盖与转轴垂直设置。
进一步地，所述外转子通过端面圆盘设于转轴，所述内转子固设于转轴，端面圆盘与转轴垂直设置。
进一步地，所述转轴另一端通过轴承支撑于静止座，静止座与转轴垂直设置。
进一步地，所述定子包括定子铁心轭，定子铁心轭沿轴向固定于端盖，环形绕组的两个有效边分别设于内外定子槽中。
进一步地，所述外转子与所述定子形成外气隙，内转子与定子形成内气隙，电机的内外气隙磁场都以定子铁心轭作为其闭合磁路的一部分，并且在定子铁心轭中具有相同的方向，这样两个气隙相互独立，互不影响，保证电机的工作效果。
进一步地，所述定子为圆筒形结构。
进一步地，所述外转子内侧设置所述的外转子永磁磁极，内转子外侧设置所述的内转子永磁磁极，永磁体采用径向充磁表贴方式进行固定。
进一步地，所述外转子永磁磁极的极弧系数为4/5，内转子永磁磁极的极弧系数为2/3，可以在一定程度上控制反电动势谐波。相比于传统的七相电机，该电机在缺失一相或两相供电时，可以通过控制基波和三次谐波电流分配得到较低转矩脉动，且同时保证输出转矩值较大。
本发明提供的永磁电机，相比于传统永磁同步电机能提高变频器直流母线电压的利用率。首先，相比于正弦波反电动势电机，本发明电机反电动势是由基波反电动势叠加三次谐波反电动势，其合成的反电动势最大值小于原基波反电动势的值；其次，同样的原理对于施加的电流也是如此，即基波和三次谐波合成的电流的幅值小于原基波电流的幅值。基于以上两个原因，本发明电机可以提高变频器直流母线电压的利用率。
一种容错式双转子双极性永磁同步电机的使用方法，在输入电流有效值为设定值时，通过优化控制(最大转矩电流比MTPA)输入基波电流和三次谐波电流的比例，提高转矩输出，使电机具有自动变极功能，从而使电机具有低速时转矩大、恒功率运行范围宽的特点，不仅极大的简化了绕组设置，而且使得控制方式更加高效。
进一步地，通入基波电流时，外转子旋转并对外输出机械功率；通入三次谐波电流时，内转子旋转并对外输出机械功率；当同时通入基波电流和三次谐波电流时，内、外转子以相同的速度同步旋转，一起对外输出机械功率。
本发明的双转子永磁电机具有内外两个气隙，从而增大了气隙表面积，进一步提高了电机的转矩密度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明通过两组转子的设置，使得电机具有内外两个气隙，从而增大了气隙表面积，进一步提高了电机的转矩密度。
2)本发明通过采用七相环形绕组，绕组得到充分利用，电机转矩密度高。
3)本发明电机的内转子磁极极对数是外转子极对数磁极的三倍，即双极性转子结构，所以可以通过控制输入基波电流和三次谐波电流的比例，更改电机运行时内外转子对电机输出的贡献，使电机具有自动变极功能，从而使得电机具有低速时转矩大、高速运行范围宽的特点。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明实例双转子永磁电机横截面图；
图2为本发明实例双转子永磁电机装配图；
图3为本发明实例双转子永磁电机的磁场分布图；
图4为本发明实例空载反电动势，其中柱状图幅值以基波反电动势为基值；
图5为本发明实例智能变极速度-转矩性能曲线。
其中，1-外转子铁心轭，2-外转子永磁磁极，3-定子铁心轭齿，4-定子外气隙有效绕组，5-定子铁心轭，6-定子内气隙有效绕组，7-内转子永磁磁极，8-内转子铁心轭，箭头为永磁体磁化方向，9-定子，10-端盖，11-端盖轴承，12-转轴，13-端部圆盘，14-轴承，15-静止座。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种容错式双转子双极性永磁同步电机。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种容错式双转子双极性永磁同步电机，包括定子9和转子，定子9包括定子铁心轭5，定子铁心轭5沿圆周方向的内侧和外侧均匀分布用于设置定子绕组的定子槽，定子槽由定子铁心轭圆周的定子铁心轭齿3形成，沿径向方向定子外圆周槽和内圆周槽的导体属于同一相线圈，转子包括设于定子内侧的内转子和设于定子外侧的外转子，内转子包括内转子铁心轭8，外转子包括外转子铁心轭1，内转子永磁磁极数7是外转子永磁磁极数2的三倍，内外转子永磁体皆按径向充磁，构成双极性永磁电机。
上述的同步电机，内、外转子在定子绕组中自动感应出基波反电动势和三次谐波反电动势，相比于传统永磁同步电机，本发明电机的三次谐波反电动势所占比例相对较大。
为了实现内外转子在端部固定在一起同步旋转，定子的一端沿轴向固定于端盖10，如图2所示，端盖10通过端盖轴承11与转轴12一端连接，端盖10与转轴12垂直设置。外转子通过端面圆盘13设于转轴12，内转子固设于转轴12，端面圆盘13与转轴12垂直设置。转轴12另一端通过轴承14支撑于静止座15，静止座15与转轴12垂直设置。
定子包括定子铁心轭5，定子铁心轭5沿轴向固定于端盖10，七相toroidal环形绕组的两个有效边分别设于内外定子槽中，形成定子外气隙有效绕组4和定子内气隙有效绕组6，环形绕组线圈端部短、省铜、铜耗少，能够提高效率和功率密度，节约成本。
外转子与定子形成外气隙，内转子与定子形成内气隙，电机的内外气隙磁场都以定子铁心轭作为其闭合磁路的一部分，并且在定子铁心轭中具有相同的方向。定子为圆筒形结构。
外转子内侧设置所述的外转子永磁磁极2，内转子外侧设置所述的内转子永磁磁极7，永磁体采用径向充磁表贴方式进行固定。
外转子永磁磁极2的极弧系数为4/5，内转子永磁磁极7的极弧系数为2/3，可以在一定程度上控制反电动势谐波。相比于传统的七相电机，该电机在缺失一相或两相供电时，可以通过控制基波和三次谐波电流分配得到较低转矩脉动，且同时保证输出转矩值较大。本发明的双转子永磁电机具有内外两个气隙，从而增大了气隙表面积，进一步提高了电机的转矩密度。
本发明提供的永磁电机，相比于传统永磁同步电机能提高变频器直流母线电压的利用率。
一种容错式双转子双极性永磁同步电机的使用方法，在输入电流有效值为设定值时，通过优化控制(MTPA)输入基波电流和三次谐波电流的比例，提高转矩输出，使电机具有自动变极功能，即通过控制基波电流和三次谐波电流，就可以控制电机在p对极和3p对极之间切换，或者同时通入基波和三次谐波电流，则同时存在p对极和3p对极，从而使电机具有低速时转矩大、恒功率运行范围宽的特点。
其中由图5可知，低速运行时3p对极电机起主要作用，输出转矩大，高速时p对极起主要作用，运行范围广，即该电机实现了低速大转矩，高速时恒功率运行范围广的特点。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种容错式双转子双极性永磁同步电机，其特征在于，包括定子和转子，定子沿圆周方向的内侧和外侧均匀分布用于设置定子绕组的定子槽，沿径向方向定子外圆周槽和内圆周槽的导体属于同一相线圈，转子包括设于定子内侧的内转子和设于定子外侧的外转子，内转子永磁磁极数是外转子永磁磁极数的三倍，内外转子永磁体皆按径向充磁，构成双极性永磁电机；
所述定子的一端沿轴向固定于端盖，端盖通过轴承与转轴一端连接；所述外转子通过端面圆盘设于转轴，所述内转子固设于转轴；
所述定子包括定子铁心轭，定子铁心轭沿轴向固定于端盖，定子绕组采用环形绕组，环形绕组的两个有效边分别设于内外定子槽中；所述外转子与所述定子形成外气隙，内转子与定子形成内气隙，电机的内外气隙磁场都以定子铁心轭作为其闭合磁路的一部分，并且在定子铁心轭中具有相同的方向；
所述外转子永磁磁极的极弧系数为4/5，内转子永磁磁极的极弧系数为2/3。
2.根据权利要求1所述的一种容错式双转子双极性永磁同步电机，其特征在于，所述转轴另一端通过轴承支撑于静止座。
3.根据权利要求1所述的一种容错式双转子双极性永磁同步电机，其特征在于，所述定子为圆筒形结构。
4.根据权利要求1所述的一种容错式双转子双极性永磁同步电机，其特征在于，所述外转子内侧设置所述的外转子永磁磁极，内转子外侧设置所述的内转子永磁磁极。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种容错式双转子双极性永磁同步电机的使用方法，其特征在于，在输入电流有效值为设定值时，通过优化控制输入基波电流和三次谐波电流的比例，提高转矩输出；通过控制基波电流和三次谐波电流，控制电机在p对极和3p对极之间切换，或者同时通入基波电流和三次谐波电流，电机同时存在p对极和3p对极。
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