CN109586429A - 基于隔齿绕组和不等定子齿距的永磁容错电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于隔齿绕组和不等定子齿距的永磁容错电机，定子具有Ns/3个容错齿和2Ns/3个电枢齿，Ns/3个容错齿沿定子的内圆周或外圆周均匀布设，相邻两个容错齿之间均布设两个电枢齿，分别为电枢齿一和电枢齿二；电枢齿一和电枢齿二之间形成大齿槽，容错齿与相邻的电枢齿一和电枢齿二之间均形成小齿槽，大齿槽的容积大于小齿槽的容积；每个电枢齿上均缠绕电枢线圈，电枢齿一上电枢线圈中通电方向与电枢齿二上电枢线圈中通电方向相反。本发明针对绕组因数较高的Ns’=2p’±1的分数槽电机，利用隔齿绕组和不等定子齿距相结合的方法，来实现相间隔离，从而提升电机的容错能力；且增加每相自感，从而增加短路电流抑制能力和弱磁能力。

Description

基于隔齿绕组和不等定子齿距的永磁容错电机

技术领域

本发明涉及电机设计领域，特别是一种基于隔齿绕组和不等定子齿距的永磁容错电机。

背景技术

近些年，由于永磁电机具有高转矩密度、高功率密度和高效率等优点，已被广泛应用于家电、电动汽车、风力发电和航空航天等众多领域。而安全性和可靠性要求较高的应用场合，对永磁电机提出了具有容错能力这一要求（即，电机发生某种故障后，仍然能以一定的性能运行，并防止故障进一步扩大）。

如2004年发表在IEE Proceedings - Electric Power Applications的论文“Favourable slot and pole number combinations for fault-tolerant PM machines”所述的，现有的永磁容错电机，基于极槽配合为Ns’=2p’±2（其中Ns’=Ns/t、p’=p/t，t为定子槽数Ns和转子极对数p的最大公约数）的分数槽电机，采用1个容错齿和1个电枢齿（注：电枢齿上绕有线圈，容错齿上没有线圈）交替排列，从而实现了相间隔离。

另外，交流电机的基波相反电势和基波电流作用而产生有效的电磁转矩。而现有文献表明，交流电机的相反电势谐波（如：3次谐波）和同阶次的谐波电流作用，也可以产生有效的电磁转矩。而且，在保证电流幅值不变的情况下，相绕组中注入三次谐波电流可以提高基波电流幅值。从而，可以在不提高逆变器容量（成本）的条件下，提高电机的转矩密度和功率密度。如2014年发表在IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION 中的论文“Torqueimprovement of five-phase surface-mounted permanent magnet machine usingthird-order harmonic”所述。

然而，采用Ns’=2p’±2的电机的绕组因数和每相自感均低于Ns’=2p’±1的电机。因此，通过合理的设计，Ns’=2p’±1的电机更容易获得高的转矩密度、好的短路电流抑制能力和弱磁能力。但是，Ns’=2p’±1电机的相间隔离是个设计难点。与此同时，如何进一步提高Ns’=2p’±1电机的短路电流抑制能力和弱磁能力，也是需要重点研究的方向。此外，电机的高转矩密度和高功率密度是一直追求的目标。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于隔齿绕组和不等定子齿距的永磁容错电机，该基于隔齿绕组和不等定子齿距的永磁容错电机针对绕组因数较高的Ns’=2p’±1的分数槽电机，利用隔齿绕组和不等定子齿距相结合的方法，来实现相间隔离（物理隔离、电磁隔离和热隔离），从而提升电机的容错能力；且增加每相自感，从而增加短路电流抑制能力和弱磁能力。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于隔齿绕组和不等定子齿距的永磁容错电机，包括同轴套装的定子和转子；永磁容错电机的极槽配合满足Ns’=2p’±1，其中Ns’=Ns/t，p’=p/t，Ns为定子槽数，p为转子极对数，t为Ns和p的最大公约数。

定子具有Ns/3个容错齿和2Ns/3个电枢齿，Ns/3个容错齿沿定子的内圆周或外圆周均匀布设，相邻两个容错齿之间均布设两个电枢齿，相邻两个容错齿之间的电枢齿分别为电枢齿一和电枢齿二；电枢齿一和电枢齿二之间形成大齿槽，容错齿与相邻的电枢齿一和电枢齿二之间均形成小齿槽，大齿槽的容积大于小齿槽的容积；每个电枢齿上均缠绕电枢线圈，电枢齿一上电枢线圈中通电方向与电枢齿二上电枢线圈中通电方向相反。

电枢齿一和电枢齿二相对一侧的齿顶上各设置一个加长齿靴，使得定子齿靴向着大齿槽偏移。

转子采用交替极拓扑结构，包括交替设置的p个铁心极和p个永磁体极。

永磁体极中的永磁体为表贴式、halbach阵列、内置式或Spoke结构。

定子和转子铁心均为导磁材料。

本发明具有如下有益效果：

针对绕组因数较高的Ns’=2p’±1（其中Ns’=Ns/t、p’=p/t，t为定子槽数Ns和转子极对数p的最大公约数）的分数槽电机（其中，分数槽是定子槽数/极数/相数），如9槽8极电机（t=1）、30槽28极电机（t=2）等，利用隔齿绕组和不等定子齿距相结合的方法，来实现相间隔离（物理隔离、电磁隔离和热隔离），从而提升电机的容错能力；且增加每相自感，从而增加短路电流抑制能力和弱磁能力。进一步，采用定子齿靴偏移的方法，增加相反电势中的三次谐波，通过在绕组中注入三次谐波电流，在不增加逆变器容量的前提下，增加电机的转矩密度和功率密度。采用交替极转子，每相自感可以进一步提高，电机的短路电流抑制能力和弱磁能力可得到进一步增强。

附图说明

图1显示了传统30槽28极五相内转子电机。

图2显示了本发明实施例中所述的30槽28极五相内转子电机的结构示意图。

图3显示了传统电机与本发明永磁容错电机采用传统转子时的互感对比示意图。

图4显示了传统电机与本发明永磁容错电机采用传统转子时的自感对比示意图。

图5显示了本发明永磁容错电机采用传统转子时转矩随齿靴偏移角度的变化图。

图6显示了本发明永磁容错电机采用传统转子时相反电动势三次谐波随齿靴偏移角度的变化图。

图7显示了传统电机、本发明（采用传统转子）、本发明（采用传统转子）注入三次谐波电流的转矩波形。

图8显示了传统电机和本发明（采用交替极转子）的自感。

其中有：

10.定子；11.容错齿；12.电枢齿；121.电枢齿一；122.电枢齿二；123.加长齿靴；13.大齿槽；14.小齿槽；15.电枢线圈；

20.转子；21.永磁体。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1 内转子电机

如图2所示，一种基于隔齿绕组和不等定子齿距的永磁容错电机，包括同轴套装的定子10和转子20，定子套装在转子的外周。

永磁容错电机的极槽配合满足Ns’=2p’±1，其中Ns’=Ns/t，p’=p/t，Ns为定子槽数，p为转子极对数，t为Ns和p的最大公约数。如图2所示的30槽28极电机，此时t=2，Ns=30，p=14。另外，还如9槽8极电机（t=1）等。

定子具有Ns/3个容错齿11和2Ns/3个电枢齿12，Ns/3个容错齿沿定子的内圆周均匀布设。在图2中，具有10个容错齿和20个电枢齿。

相邻两个容错齿之间均布设两个电枢齿，也即两个电枢齿和一个容错齿交替排列，两个电枢齿上的线圈归属为同一相绕组，且两个线圈通入的电流方向相反。这样，相间通过容错齿实现了隔离（几乎无互感）。且每相自感有一定的增加，从而增加短路电流抑制能力和弱磁能力。

相邻两个容错齿之间的电枢齿分别为电枢齿一121和电枢齿二122；电枢齿一和电枢齿二之间形成大齿槽13，容错齿与相邻的电枢齿一和电枢齿二之间均形成小齿槽14，大齿槽的容积大于小齿槽的容积。

大齿槽13的数量为Ns/3个，小齿槽的数量为2Ns/3个。在图2中大齿槽为10个，小齿槽为20个。

每个电枢齿上均缠绕电枢线圈15，电枢齿一上电枢线圈中通电方向与电枢齿二上电枢线圈中通电方向相反。

上述大齿槽和小齿槽的设置，也即形成了不等定子齿距（即，两个电枢齿的齿距大于容错齿和电枢齿的齿距）。

从图2中可以观察到，本发明每相绕组只有（m为相数）个线圈，在图2中，每相具有4个线圈。而的传统的Ns’=2p’±1电机每相绕组有个线圈，如图1所示，每相具有6个线圈。在不改变匝数和电流的前提下，本发明电机的转矩输出能力必然低于传统电机。由于本发明大齿槽中有两个线圈边，小齿槽中只有一个线圈边；如果简单的增加本发明线圈的匝数，必然会导致两个槽的槽满率（线圈截面积占槽截面积的比例）不一样，这就会导致无法下线。

因此，为保证两个槽中的槽满率（线圈截面积占槽截面积的比例）相同，以及两个电枢齿上线圈总的安匝数与传统电机3个电枢齿上线圈总的安匝数相等，本发明采用了不等定子齿距。其中，安匝数表示为电流与线圈匝数的乘积。

本发明利用隔齿绕组和不等定子齿距相结合的方法，来实现相间隔离（物理隔离、电磁隔离和热隔离），从而提升电机的容错能力；且增加每相自感，从而增加短路电流抑制能力和弱磁能力。传统电机和本发明（采用传统转子）的互感、自感，如图3和图4所示。

进一步，本发明中的转子优选采用交替极拓扑结构，包括交替设置的p个铁心极和p个永磁体极。永磁体极中的永磁体优选为表贴式、halbach阵列、内置式或Spoke结构等。定子和转子铁心均优选为导磁材料。

上述转子采用交替极拓扑来进一步提高每相自感，从而进一步增强电机的短路电流抑制能力和弱磁能力。（注：交替极拓扑是由一个永磁极和一个铁心极构成一对磁极。）传统电机和本发明（采用交替极转子）的自感，如图8所示。

另外，本发明由于采用了不等定子齿距（即，两个电枢齿的齿距大于容错齿和电枢齿的齿距），绕组系数有一定程度的降低，从而导致转矩输出能力的少量降低。

因而，本发明在电枢齿一和电枢齿二相对一侧的齿顶上各设置一个加长齿靴123，使得定子齿靴向着大齿槽偏移。

本发明通过采用定子齿靴偏移的方法，来逼近等齿距的绕组系数，从而增加转矩输出能力。（定子齿靴偏移：两个电枢齿靴向两个电枢齿的中心线偏移一定的角度）。本发明（采用传统转子）转矩随齿靴偏移角的变化，如图5所示。

另外，定子齿靴偏移可以同时增加相反电动势中的基波和三次谐波。本发明（采用传统转子）的相反电动势三次谐波随齿靴偏移角的变化，如图6所示。可以通过在绕组中注入三次谐波电流，在不增加逆变器容量的前提下，增加电机的转矩密度和功率密度。传统电机、本发明（采用传统转子）、本发明（采用传统转子）注入三次谐波电流的转矩波形，如图7所示。

本电机即可电动运行，也可发电运行。

实施例2 外转子电机

转子同轴套装在定子的外周，Ns/3个容错齿沿定子的外圆周均匀布设，其余结构与实施例1相同。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于隔齿绕组和不等定子齿距的永磁容错电机，包括同轴套装的定子和转子；永磁容错电机的极槽配合满足Ns’=2p’±1，其中Ns’=Ns/t，p’=p/t，Ns为定子槽数，p为转子极对数，t为Ns和p的最大公约数；其特征在于：

定子具有Ns/3个容错齿和2Ns/3个电枢齿，Ns/3个容错齿沿定子的内圆周或外圆周均匀布设，相邻两个容错齿之间均布设两个电枢齿，相邻两个容错齿之间的电枢齿分别为电枢齿一和电枢齿二；电枢齿一和电枢齿二之间形成大齿槽，容错齿与相邻的电枢齿一和电枢齿二之间均形成小齿槽，大齿槽的容积大于小齿槽的容积；每个电枢齿上均缠绕电枢线圈，电枢齿一上电枢线圈中通电方向与电枢齿二上电枢线圈中通电方向相反。

2.根据权利要求1所述的基于隔齿绕组和不等定子齿距的永磁容错电机，其特征在于：电枢齿一和电枢齿二相对一侧的齿顶上各设置一个加长齿靴，使得定子齿靴向着大齿槽偏移。

3.根据权利要求1或2所述的基于隔齿绕组和不等定子齿距的永磁容错电机，其特征在于：转子采用交替极拓扑结构，包括交替设置的p个铁心极和p个永磁体极。

4.根据权利要求3所述的基于隔齿绕组和不等定子齿距的永磁容错电机，其特征在于：永磁体极中的永磁体为表贴式、halbach阵列、内置式或Spoke结构。

5.根据权利要求1所述的基于隔齿绕组和不等定子齿距的永磁容错电机，其特征在于：定子和转子铁心均为导磁材料。