CN108448753B - 一种容错型模块化永磁辅助同步磁阻电机 - Google Patents

一种容错型模块化永磁辅助同步磁阻电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种容错型模块化永磁辅助同步磁阻电机，包括模块化定子和转子；所述模块化定子间通过非导磁体连接，所述非导磁体两侧的槽都有不同角度的偏移；所述定子模块单元采用独立的三相分布式绕组连接；所述转子包含转子铁芯和不对称磁障，永磁体内嵌于磁障结构内，相邻的永磁体N极、S极交替排列。本发明针对传统绕组分布式结构的PMa‑SynRM电机自身不具有容错性能，将模块化思想应用到电机设计中，实现模块与模块间的解耦，以满足在电动汽车领域对驱动电机系统高可靠性的要求。

Description

一种容错型模块化永磁辅助同步磁阻电机
技术领域
本发明涉及电机领域，更具体地，涉及一种永磁辅助同步磁阻电机。
背景技术
电机驱动系统作为电动汽车的关键组成部分，它的性能直接关系到电动汽车的动力性能和转化效率。目前，对应用于电动汽车的驱动电机研究较多的是分布式绕组结构的内置式永磁同步电机(IPMSM)。然而，钕铁硼等稀土材料价格昂贵，会大幅度增加电机成本，并且在高温环境下容易引发退磁，导致电机驱动系统无法正常运行，会在一定程度上限制IPMSM电机在电动汽车领域的应用。永磁辅助同步磁阻电机(PMa-SynRM)作为一种特殊的IPMSM电机，永磁体只是辅助改善电机的功率因数，因而可以采用磁性能较弱，成本低廉的铁氧体，有效的解决了上述问题。
对于电动汽车而言，车用电机驱动系统的可靠性和安全性至关重要。传统的三相电机在绕组开路、绕组短路等故障发生时，电机转矩会急剧下降并伴随着剧烈振动，以至电机不能正常工作，严重时会对整个电动汽车以及车内人员的安全造成极大的威胁。然而，采用分布式绕组的PMa-SynRM虽然能在更小尺寸下拥有与其他电机相同的功率密度，但是毫无容错性能。因此，研究具有良好容错性能的PMa-SynRM电机就具有重要的意义和实用价值。
发明内容
本发明的目的是，针对传统绕组分布式结构的PMa-SynRM电机自身不具有容错性能，无法满足电动汽车高可靠性的应用需求，提出一种具有容错性能的模块化PMa-SynRM电机，其采用模块化的设计思想，大大降低了电机间的耦合，实现模块与模块间的解耦，以满足在电动汽车领域对驱动电机系统高可靠性的要求。
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种具有容错性能的模块化PMa-SynRM电机，适用于电动汽车乃至轨道交通领域。
本发明的具体技术方案如下：
容错型模块化永磁辅助同步磁阻电机，它由多个模块单元组成，包含定子1和转子2；定子1包括定子铁芯1-1、电枢绕组3、非导磁体4和沿圆周方向上的多个齿部和槽部；所述非导磁体4两侧最近的槽分别沿圆周向远离非导磁体4的方向偏移；转子2包括转子铁芯2-1、磁障5和永磁体6，所述磁障5由多个张角不同的磁障构成，所述永磁体6置于磁障结构内，相邻的永磁体N极、S极交替排列。
进一步，每个模块单元采用独立的三相分布式绕组连接，为单层或者双层。
进一步，所述永磁体6采用铁氧体、钕铁硼材料。
进一步，非导磁体4两侧最近的槽1-2和槽1-3偏移角度不同，非导磁体4两侧除去最近的槽，其余槽的槽间距相同。
进一步，电机由n个模块单元构成，n≥3，相邻的模块单元之间设置有非导磁体4。
进一步，当转子的极对数p为奇数时，以任一模块单元的磁障张角角度β为基准，沿基准模块磁障中心线顺时针磁障张角依次为：β+θ，β+2θ，…，沿基准模块磁障中心线逆时针磁障张角依次为：β-θ，β-2θ，…，p＝n；当转子的极对数p为偶数时，以任一模块单元的磁障张角角度β为基准，沿该模块磁障中心线顺时针磁障张角依次为：β+θ，β+2θ，…，β，β-θ，β-2θ，…，p＝n。
进一步，非导磁体4两侧最近的槽1-2和槽1-3偏移角度θ1为2.2度，θ2为2度。
定子采用整数槽分布式绕组结构，其中槽极配合满足q＝S/(2*p*m)为整数的关系，S为定子槽数，P为极对数，m≥3。
有益效果：
1.本发明中的定子采用模块化、非连续定子设计且加入非导磁体，有效降低模块之间的磁耦合，提升电机的容错性能。
2.每个模块单元具有独立的三相绕组，正常工作时由标准的三相逆变器驱动；在故障时多个模块单元可协调工作，使电机具有容错运行的能力。
3.模块化、非连续定子结构，一方面使得各模块单元的耦合降低，另一方面会使通过定子的磁力线产生畸变，增大转矩脉动。通过采用对电机定转子的不对称设计，使各个模块产生的脉动相互抵消，从而降低电机的转矩脉动。
4.非导磁体两侧槽进行偏移后，不仅可以通过不对称设计消除转矩脉动，还可以进一步提高电机的容错性能。
5.模块化设计方便装配，易于低成本大批量生产。
附图说明
下列附图为本发明的实施例，其中：
图1为本发明模块化永磁辅助同步磁阻电机结构示意图；
图2为定子的展开示意图；
图3为转子的二维示意图；
图4为模块单元的绕组连接示意图；
图5为已提出电机的磁密云图；
图6为θ1与转矩和转矩脉动的关系图；
图7为θ2与转矩和转矩脉动的关系图；
图8本发明电机各模块转矩图；
图中，1：定子；1-1：定子铁芯；1-2：非导磁体左侧槽；1-3：非导磁体右侧槽；2：转子；2-1：转子铁芯；2-2：磁障M2；2-3：磁障M3；2-4：磁障M1；3：电枢绕组；4：非导磁体；5：磁障；6：永磁体。
具体实施方式
下面参照附图1，对本发明提出的模块化永磁辅助同步磁阻电机的结构特点和有益效果进行详细描述。如图1所示，包括模块化定子1和转子2。结合图2，所述模块化定子包含定子铁芯1-1、电枢绕组3、非导磁体4和沿圆周方向上的多个齿部和槽部结构。所示非导磁体两侧最近的槽1-2和槽1-3分别沿圆周向远离非导磁体4的方向偏移。结合图3，转子包含转子铁芯2-1、磁障5和永磁体6，永磁体置于磁障结构内，相邻的永磁体N极、S极交替排列。图4展示了定子的每个模块单元采用的绕组连接方式。为了实现模块与模块间的隔离，每个模块单元采用独立的三相分布式绕组连接。
图例中，定子由三个模块构成，每个模块包含12个定子槽，转子由6个双层U型磁障构成，内嵌铁氧体材料。
如图3所示，2-1为转子铁芯，磁障5由三种张角不同的磁障构成，分别为磁障M22-2、磁障M32-3和磁障M12-4，当转子的极对数p为奇数时，以任一模块单元的磁障张角角度β为基准，沿基准模块磁障中心线顺时针磁障张角依次为：β+θ，β+2θ，…，沿基准模块磁障中心线逆时针磁障张角依次为：β-θ，β-2θ，…，p＝n；当转子的极对数p为偶数时，以任一模块单元的磁障张角角度β为基准，沿该模块磁障中心线顺时针磁障张角依次为：β+θ，β+2θ，…，β，β-θ，β-2θ，…，p＝n。电机由n个模块单元构成，n≥3，相邻的模块单元之间设置有非导磁体4。
图5为本发明提出电机模块二不通电工况下的磁密云图。由图可知，所提出的模块化电机是模块二与模块一和模块三之间的影响很小，模块之间已基本实现了解耦。
图6和图7分别为θ1和θ2与转矩和转矩脉动的关系。非导磁体4两侧最近的槽1-2和槽1-3偏移角度不同,其余槽的槽间距相同(如图2所示)，因为1-2和1-3都偏移了随着θ1的增大，转矩先下降再上升，转矩脉动关于θ1呈现上升趋势，随后趋于平缓。由图6可以看出θ1的最优值为2.2度。随着θ2的增大，转矩先有略微的上升趋势后开始呈现下降趋势，转矩脉动是下降到一定值后趋于平缓。由图7可以看出，在兼顾转矩和转矩脉动特性的情况下，θ2的最优值为2度。
图8为提出PMa-SynRM电机各模块转矩，由于每个模块磁障张角不相同(即θ≠0)，每个模块产生的转矩具有一定的相位差，每个模块的转矩脉动相互抵消，从而有效削弱转矩谐波，起到抑制转矩脉动的作用。
综上，本发明将定转子不对称结构设计与定子模块化设计相结合，既能大大降低模块间耦合，又能消除由于模块化设计导致的转矩脉动的增大，有效提升了电机的整体性能
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.容错型模块化永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，它由多个模块单元组成，包含定子(1)和转子(2)；定子(1)包括定子铁芯(1-1)、电枢绕组(3)、非导磁体(4)和沿圆周方向上的多个齿部和槽部；所述非导磁体(4)两侧最近的槽分别沿圆周向远离非导磁体(4)的方向偏移；转子(2)包括转子铁芯(2-1)、磁障(5)和永磁体(6)，所述磁障(5)由多个张角不同的磁障构成，所述永磁体(6)置于磁障结构内，相邻的永磁体N极、S极交替排列；
所述容错型模块化永磁辅助同步磁阻电机电机由n个模块单元构成，n≥3，相邻的模块单元之间设置有非导磁体(4)；
当所述转子(2)的极对数p为奇数时，以任一模块单元的磁障张角角度β为基准，沿基准模块磁障中心线顺时针磁障张角依次为：沿基准模块磁障中心线逆时针磁障张角依次为：p＝n；当转子的极对数p为偶数时，以任一模块单元的磁障张角角度β为基准，沿该模块磁障中心线顺时针磁障张角依次为：p＝n。
2.根据权利要求1所述的容错型模块化永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，每个模块单元采用独立的三相分布式绕组连接，为单层或者双层。
3.根据权利要求1所述的容错型模块化永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，所述永磁体(6)采用铁氧体或钕铁硼材料。
4.根据权利要求1所述的容错型模块化永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，非导磁体(4)两侧最近的槽(1-2)和槽(1-3)偏移角度不同，非导磁体(4)两侧除去最近的槽，其余槽的槽间距相同。
5.根据权利要求4所述的容错型模块化永磁辅助同步磁阻电机，其特征在于，非导磁体(4)两侧最近的槽(1-2)和槽(1-3)偏移角度θ1为2.2度，θ2为2度。
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