CN108448774A - 一种高容错性的永磁辅助同步磁阻电机模块化绕组设计方法 - Google Patents

一种高容错性的永磁辅助同步磁阻电机模块化绕组设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高容错性的永磁辅助同步磁阻电机模块化绕组设计方法。属于永磁辅助同步磁阻电机领域。针对PMa‑SynR电机定子模块化的设计，通过在槽电势星型图分相基础上，改变每相绕组线圈的进出口，使得每个模块单元拥有独立的一套绕组，每个模块的绕组采用左右相对的分布形式。本发明的优点在于在结构上实现了真正的模块化，模块间独立性高，有效避免模块间磁力线发生交叠，提高电机的容错性能和可靠性。因此，可以解决分布式绕组结构电机低容错性能的缺点，具有重要的意义和实用价值。

Description

一种高容错性的永磁辅助同步磁阻电机模块化绕组设计方法
技术领域
本发明涉及一种利用模块化绕组设计实现永磁辅助同步磁阻电机的容错性能的提升，属于永磁辅助同步磁阻电机领域。
背景技术
传统的采用分布式绕组结构的内置式永磁(IPMS)电机因其高效率、高功率密度等诸多优点成为电动汽车驱动电机领域的研究焦点。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IPMS电机在电动汽车领域的应用。永磁辅助同步磁阻电机(PMa-SynR)作为一种特殊的IPMS电机，永磁体只是辅助改善电机的功率因数，因而可以少量采用钕铁硼等稀土材料或者采用磁性能较弱，成本低廉的铁氧体等，有效的解决了上述问题。
另外，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。而电机采用分布式绕组会导致相与相之间磁路交叠，从而使电机不具备容错性能和带故障运行能力。近两年来，提升分布式绕组永磁电机容错性能的重要性受到英国谢菲尔德大学J.B.Wang教授的肯定和关注。文献IEEE Transactions on Industrial Electronics，DOI:10.1109/TIE.2018.2793229(A general modelling technique for a triple redundant3x3-phase PMA SynRM)提出的PMa-SynR容错电机通过改变电机的绕组连接方式，得到在空间上相对独立的三套三相绕组，来实现每套绕组与每套绕组间一定的物理隔离、磁隔离和热隔离。然而，所提出的PMa-SynR电机在一定程度上解决了分布式绕组永磁电机自身毫无容错性能的弊端，但模块间的耦合依然存在。所以，如何突破分布式绕组PMa-SynR电机的低容错性能这一瓶颈是有重要的意义和实用价值。
发明内容
本发明的目的是为了解决分布式绕组PMa-SynR电机自身不存在容错性能的问题，提出一种高容错性的PMa-SynR电机模块化绕组设计方法，可以有效提升PMa-SynR电机容错性能。为了实现上述效果，本发明的技术方案为：
一种高容错性的永磁辅助同步磁阻电机模块化绕组设计方法，包括以下步骤：
步骤1，设计永磁辅助同步磁阻电机，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)、和沿圆周方向上的多个齿部和槽部；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；
步骤2，选择分布式绕组，根据电机槽极配合选择合适的模块单元数量，每个模块单元包含的定子槽数大于等于2m，m≥3；
步骤3，通过槽电势星型图进行绕组分相，保证每个模块单元拥有独立的一套绕组，该套绕组占用的定子槽都是同一模块内的；为了不改变电机的绕组因数，绕组节距与传统连接时绕组节距相同，模块单元内绕组采用左右相对的分布形式；
步骤4，为了实现电机定子的模块化设计，在模块单元与模块单元之间插入将非导磁体(4)进行隔离。
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，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。
进一步，每个模块单元的绕组由三相绕组采用星型接法连接而成。
进一步，所述永磁体(6)采用铁氧体、钕铁硼材料。
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：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。
本发明的技术方案具有如下效果：
1.由于非导磁体的引入，在结构上实现了真正的模块化，模块间独立性高，有效避免模块间磁力线发生交叠，提高电机可靠性。
2.本发明中的定子模块单元采用独立的分布式绕组连接，有效降低模块之间的磁耦合，提升电机的容错性能。
3.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。
4.每个定子模块都有独立控制的绕组，发生故障时可以通过切除故障绕组来实现带故障运行。
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PMa-SynR电机采用本发明提出的模块化绕组连接方式；
图3为PMa-SynR电机的传统绕组连接方式；
图4为采用传统绕组连接的PMa-SynR电机一相故障时磁密云图；
图5为采用提出方法的PMa-SynR电机模块二故障时磁密云图；
图6为采用传统绕组连接的PMa-SynR电机正常与A相开路时另两相磁链；
图7为采用提出方法的PMa-SynR电机正常与A相开路时另两相磁链；
图8采用传统绕组连接的PMa-SynR电机正常与A相短路时另两相磁链；
图9采用提出方法的PMa-SynR电机正常与A相短路时另两相磁链；
图10为转子的二维示意图
图中，1：定子；2：转子；3：电枢绕组；4：非导磁体；5：磁障；6：永磁体；2-1：转子铁芯；2-2：磁障M2；2-3：磁障M3；2-4：磁障M1。
具体实施方式
下面参照附图，对本发明提出的一种高容错性的PMa-SynR电机模块化绕组设计方法进行详细描述。图1为本发明PMa-SynR的实施例。如图1所示，PMa-SynR电机包括模块化定子1、转子2、电枢绕组3、非导磁体4、磁障5和永磁体6。本发明所述实施例PMa-SynR电机定子由3个模块构成，每个模块采用3相分布式绕组连接。如图2所示，模块内绕组采用左右相对的分布形式，可以实现模块化绕组的独立，有利于提升电机的容错性能。本发明所述实施例PMa-SynR电机转子由2层U型磁障结构。
设计上述绕组时，对绕组的形式进行选择，常见的种类分为单层绕组和双层绕组。与单层绕组相比，双层绕组的线圈节距可调，可采用适当的短距系数来削弱电势谐波，改善电机电磁性能。为了进一步对本发明所提的方法进行说明，将采用传统绕组结构的PMa-SynR电机与采用本发明提出的模块化绕组结构的PMa-SynR电机进行对比。如图3所示，为采用传统绕组结构的PMa-SynR电机的截面图。
图4为采用传统绕组连接的PMa-SynR电机一相故障时磁密云图。由于采用传统分布绕组连接，磁路之间相互交错。因此，一相发生故障够对其他相仍有较大的影响。图5为采用提出方法的PMa-SynR电机模块二故障时磁密云图。可以看到由于电机定子模块化，且采用了模块化独立绕组连接，因此当模块二发生故障时，模块一和模块三基本没有收到影响，仍然能保持正常工作。
图6和图7分别为采用传统绕组连接的PMa-SynR电机和采用本发明提出的模块化绕组分布的PMa-SynR电机在正常工作时和开路故障时的磁链图。从图6可以看出，当A相发生开路故障时，BC相的磁链发生了畸变，相与相之间耦合较大。从图7可以看出，当模块二发生开路故障时，模块一和模块三的磁链仍然和正常运行时一致，说明模块间磁路相对独立且实现了模块间的解耦。图8和图9分别为采用传统绕组连接的PMa-SynR电机和采用本发明提出的模块化绕组分布的PMa-SynR电机在正常工作时和短故障时的磁链图。从图8可以看出，采用传统绕组连接的PMa-SynR电机在A相发生短路故障时，相与相之间的影响较大，类似与开路故障。而图9显示了采用本发明提出的模块化绕组分布的PMa-SynR电机在短路故障时磁链间几乎没有影响，说明通过采用本发明提出的种高容错性的PMa-SynR电机模块化绕组设计方法，PMa-SynR电机模块间实现独立，容错性能大大提升。
图10为转子的二维示意图；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： 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。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。
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 (6)

1.一种高容错性的永磁辅助同步磁阻电机模块化绕组设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，设计永磁辅助同步磁阻电机，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)、和沿圆周方向上的多个齿部和槽部；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；
步骤2，选择分布式绕组，根据电机槽极配合选择合适的模块单元数量，每个模块单元包含的定子槽数大于等于2m，m≥3；
步骤3，通过槽电势星型图进行绕组分相，保证每个模块单元拥有独立的一套绕组，该套绕组占用的定子槽都是同一模块内的；为了不改变电机的绕组因数，绕组节距与传统连接时绕组节距相同，模块单元内绕组采用左右相对的分布形式；
步骤4，为了实现电机定子的模块化设计，在模块单元与模块单元之间插入将非导磁体(4)进行隔离。
2.根据权利要求1所述的一种高容错性的永磁辅助同步磁阻电机模块化绕组设计方法，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所述的一种高容错性的永磁辅助同步磁阻电机模块化绕组设计方法，其特征在于，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。
4.根据权利要求1所述的一种高容错性的永磁辅助同步磁阻电机模块化绕组设计方法，其特征在于，每个模块单元的绕组由三相绕组采用星型接法连接而成。
5.根据权利要求1所述的一种高容错性的永磁辅助同步磁阻电机模块化绕组设计方法，其特征在于，所述永磁体(6)采用铁氧体、钕铁硼材料。
6.根据权利要求1所述的一种高容错性的永磁辅助同步磁阻电机模块化绕组设计方法，其特征在于，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，沿基准模块磁障中心线逆时针磁障张角依次为：β-θ，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，β-θ，p＝n。
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