CN109687674B - 径向并列型多相永磁容错电机 - Google Patents

径向并列型多相永磁容错电机 Download PDF

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Abstract

径向并列型多相永磁容错电机，属于永磁容错电机领域，本发明为解决传统多相永磁容错电机中正常运行性能与容错能力相互制约的问题。本发明包括转轴、定子、机壳和转子，定子固定在机壳的一侧端盖上，转子固定在转轴，定子和转子之间存在轴向气隙L；定子设置多相绕组；转子包括两个可调磁永磁单元，内、外可调磁永磁单元的面向轴向气隙L的端面上均沿圆周方向交错设置有p个永磁磁极和p个铁磁磁极；两个可调磁永磁单元的永磁磁极周向错开180/p度；通过调整定子绕组中的电流来改变两个可调磁永磁单元的永磁体的工作点，以改变磁通大小或方向，进而实现两个可调磁永磁单元对不可调磁单元在轴向气隙L中的永磁磁场进行正向或反向叠加。

Description

径向并列型多相永磁容错电机
技术领域
本发明属于永磁容错电机领域。
背景技术
永磁电机以其高效率和高功率密度的优势在电动汽车、风力发电等很多领域获得广泛应用。与传统的三相永磁同步电机相比，多相永磁容错电机因其相数冗余的特点而具有良好的容错运行能力。与传统永磁电机不同的是，在设计多相永磁容错电机时，需保证其不同相绕组之间满足电、磁、热以及物理隔离条件，只有这样才可以在发生故障时，将故障绕组与其他正常相绕组进行有效隔离。同时通过控制其他正常相绕组的电流，以保证多相永磁容错电机在故障状态下的容错运行。对于多相永磁容错电机来说，绕组短路故障是危害最严重的故障类型。为了抑制绕组短路电流，通常设计窄而深的槽型来增大槽漏感，但这会严重影响多相永磁容错电机的运行性能，比如会导致电机功率因数以及过载能力降低等。如何解决多相永磁容错电机中正常运行性能与容错能力相互制约的问题，对于多相永磁容错电机的广泛应用至关重要。
发明内容
本发明目的是为了解决传统多相永磁容错电机中正常运行性能与容错能力相互制约的问题，提供了一种兼具优良运行性能和容错能力的径向并列型多相永磁容错电机。
本发明的径向并列型多相永磁容错电机包括转轴1、定子4、机壳5和转子7，定子4固定在机壳5的一侧端盖上，转子7固定在转轴1，定子4和转子7之间存在轴向气隙L；定子4设置多相绕组；
转子7包括内可调磁永磁单元、外可调磁永磁单元、不可调磁永磁单元和隔磁环7-6，内可调磁永磁单元、不可调磁永磁单元和外可调磁永磁单元内外嵌套设置，并通过隔磁环7-6固定在转轴1上，
内、外可调磁永磁单元的面向轴向气隙L的端面上均沿圆周方向交错设置有p个永磁磁极和p个铁磁磁极；
两个可调磁永磁单元的永磁磁极周向错开180/p度；
不可调磁永磁单元的永磁体的充磁方向为径向；内、外可调磁永磁单元的永磁体的充磁方向为轴向，同一可调磁永磁单元中的永磁体的充磁方向相同，不同可调磁永磁单元的永磁体的充磁方向相反；
通过调整定子绕组中的电流来改变两个可调磁永磁单元的永磁体的工作点，以改变磁通大小或方向，进而实现两个可调磁永磁单元对不可调磁永磁单元在轴向气隙L中的永磁磁场进行正向或反向叠加。
优选地，定子4包括定子铁心4-2和m相定子绕组4-1，定子绕组4-1为多相分数槽集中绕组，不同相绕组间满足电、磁、热和物理隔离条件，定子绕组4-1通有m相对称交流电流，m为大于3的整数。
优选地，外可调磁永磁单元包括第一转子铁心7-2和p个第一永磁体7-1，内可调磁永磁单元包括第二转子铁心7-5和p个第二永磁体7-7；第一转子铁心7-2和第二转子铁心7-5面向轴向气隙L的端面分别均匀开有p个弧度为a、扇形的第一转子铁心凹槽7-2-1和第二转子铁心凹槽7-5-1，a＝180/p，每两个第一转子铁心凹槽7-2-1之间形成一个扇面形的第一铁磁极7-2-2，每两个第二转子铁心凹槽7-5-1之间形成一个扇面形的第二铁磁极7-5-2；p个第一永磁体7-1和p个第二永磁体7-7沿圆周方向均匀嵌入在第一转子铁心凹槽7-2-1和第二转子铁心凹槽7-5-1内；第一永磁体7-1和第二永磁体7-7为扇面形，弧度为b，且b≤a；隔磁环7-6固定在转轴1上，第二转子铁心7-5固定在隔磁环7-6的外圆表面上，第一转子铁心7-2和第二转子铁心7-5之间设置不可调磁永磁单元；
第一转子铁心7-2和第二转子铁心7-5的永磁磁极沿周向错开180/p度。
优选地，不可调磁永磁单元包括环形永磁体7-4和转子骨架7-3，转子骨架7-3、环形永磁体7-4和隔磁环7-6均为圆环形，转子骨架7-3和环形永磁体7-4沿转轴1的轴向方向并列放置并同时固定在第二转子铁心7-5的外圆表面上，第一转子铁心7-2固定在转子骨架7-3和环形永磁体7-4的外圆表面上。
优选地，转子骨架7-3邻近定子4，环形永磁体7-4背离定子4。
优选地，转子骨架7-3沿转轴1轴向方向的厚度大于第一永磁体7-1和第二永磁体7-7的充磁方向长度。
优选地，p个第一永磁体7-1和p个第二永磁体7-7为磁化状态可调的低矫顽力永磁体，环形永磁体7-4为磁化状态不可调的高矫顽力永磁体。
优选地，转轴1、转子骨架7-3、隔磁环7-6采用非导磁材料，第一转子铁心7-2和第二转子铁心7-5采用硅钢片材料，第一转子铁心7-2和第二转子铁心7-5围绕转轴1的圆周方向卷绕而成。
优选地，所述电机采用多相全桥逆变器进行供电。
优选地，任一相定子绕组发生短路时，通过调整定子中剩余正常相绕组的电流来降低两个可调磁永磁单元中的永磁体的工作点，以减小磁场正向叠加的幅度，来减小定子绕组短路电流；
或改变两个可调磁永磁单元中的永磁体的充磁方向，通过磁场负向叠加来减小定子绕组短路电流。
本发明的有益效果：本发明公开一种径向并列型多相永磁容错电机，与传统的多相永磁容错电机相比，本发明的径向并列型多相永磁容错电机兼具优良的正常运行性能和容错运行能力，具体表现在：在正常运行情况下可通过调整低矫顽力永磁体的工作点，满足改变气隙磁密、增大输出转矩、改善效率分布特性、增加弱磁扩速范围等不同工况需要；在短路故障情况下，通过调磁电流控制低矫顽力永磁体的磁状态，使其工作点降低或磁通反向，减小气隙中的永磁磁通，解决绕组短路电流过大的问题。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
在正常运行情况下可通过调整低矫顽力永磁体的工作点，满足改变气隙磁密、增大输出转矩、改善效率分布特性、增加弱磁扩速范围等不同工况需要；在短路故障情况下，通过调磁电流控制低矫顽力永磁体的磁状态，使其工作点降低或磁通反向，减小气隙中的永磁磁通，解决绕组短路电流过大的问题。
具体实施方式一：下面结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式包括转轴1、第一轴承2、左端盖3、定子4、机壳5、右端盖6、转子7和第二轴承8，
机壳5的左右两端分别连接左端盖3和右端盖6，定子4固定在左端盖3上，转子7固定在转轴1上，转轴1的两端分别穿过左端盖3和右端盖6，并分别通过第一轴承2和第二轴承8与两个端盖活动连接，定子4和转子7之间存在轴向气隙L；
定子4包括定子铁心4-2和m相定子绕组4-1，定子绕组4-1为多相分数槽集中绕组，不同相绕组间满足电、磁、热和物理隔离条件，定子绕组4-1通有m相对称交流电流，m为大于3的整数；
转子7包括p个第一永磁体7-1、第一转子铁心7-2、转子骨架7-3、环形永磁体7-4、第二转子铁心7-5、隔磁环7-6和p个第二永磁体7-7；
第一转子铁心7-2和第二转子铁心7-5面向轴向气隙L的端面分别均匀开有p个弧度为a、扇形的第一转子铁心凹槽7-2-1和第二转子铁心凹槽7-5-1，a＝180/p，每两个第一转子铁心凹槽7-2-1之间形成一个扇面形的第一铁磁极7-2-2，每两个第二转子铁心凹槽7-5-1之间形成一个扇面形的第二铁磁极7-5-2；p个第一永磁体7-1和p个第二永磁体7-7沿圆周方向均匀嵌入在第一转子铁心凹槽7-2-1和第二转子铁心凹槽7-5-1内；第一永磁体7-1和第二永磁体7-7为扇面形，弧度为b，且b≤a；转子骨架7-3、环形永磁体7-4和隔磁环7-6均为圆环形，隔磁环7-6固定在转轴1上，第二转子铁心7-5固定在隔磁环7-6的外圆表面上，转子骨架7-3和环形永磁体7-4沿转轴1的轴向方向并列放置并同时固定在第二转子铁心7-5的外圆表面上，第一转子铁心7-2固定在转子骨架7-3和环形永磁体7-4的外圆表面上；转子骨架7-3邻近定子4，环形永磁体7-4背离定子4；
第一转子铁心7-2和第二转子铁心7-5的永磁磁极沿周向错开180/p度；p个第一永磁体7-1和p个第二永磁体7-7为磁化状态可调的低矫顽力永磁体，环形永磁体7-4为磁化状态不可调的高矫顽力永磁体，第一永磁体7-1和第二永磁体7-7为轴向充磁，环形永磁体7-4为径向充磁；p个第一永磁体7-1的充磁方向相同，p个第二永磁体7-7的充磁方向相同，第一永磁体7-1和第二永磁体7-7的充磁方向相反；转子骨架7-3沿转轴1轴向方向的厚度大于第一永磁体7-1和第二永磁体7-7的充磁方向长度。
转轴1、转子骨架7-3、隔磁环7-6采用非导磁材料，第一转子铁心7-2和第二转子铁心7-5采用硅钢片材料，第一转子铁心7-2和第二转子铁心7-5围绕转轴1的圆周方向卷绕而成。
径向并列型多相永磁容错电机采用多相全桥逆变器进行供电。
为了说明本发明的工作原理，本实施方式以图1至图2结构为例进行说明。
根据永磁体矫顽力的特性，可以将本实施方式中的永磁体分为两大类，分别是高矫顽力永磁体和低矫顽力永磁体。
其中，p个第一永磁体7-1和p个第二永磁体7-7为低矫顽力永磁体，其磁化状态可以通过在定子绕组4-1中施加调磁电流进行控制；图中，p个第一永磁体7-1的充磁方向为沿轴向左S右N，p个第二永磁体7-7的充磁方向为沿轴向左N右S，环形永磁体7-4为高矫顽力永磁体，其磁化状态不可调，图中给出的环形永磁体7-4充磁方向为径向向外。在本实施方式中，p个第一永磁体7-1、p个第二永磁体7-7以及环形永磁体7-4分别产生磁力线并共同作用。
环形永磁体7-4作用时产生的磁力线路径为：磁力线从环形永磁体7-4的靠近第一转子铁心7-2的表面出发，先后途经第一转子铁心7-2的轭部和p个第一铁磁极7-2-2，穿过气隙L进入定子铁心4-2靠近其外缘部分的齿部，继而汇入定子铁心4-2的轭部，然后在定子铁心4-2的轭部沿径向流向定子铁心4-2靠近其内缘部分的轭部、齿部，穿过气隙L进入p个第二铁磁极7-5-2，然后通过第二转子铁心7-5的轭部，到达环形永磁体7-4靠近第二转子铁心7-5的表面，于此形成磁力线的闭合路径。
第一永磁体7-1作用时产生的磁力线路径为：磁力线从第一永磁体7-1靠近第一转子铁心凹槽(7-2-1)的表面出发，先后经过第一转子铁心7-2的轭部和与第一永磁体7-1相邻的第一铁磁极7-2-2，继而穿过气隙L，然后先后经过定子铁心4-2靠近其外缘部分的齿部、轭部、齿部，最后穿过气隙L，回到第一永磁体7-1靠近气隙L的外表面，从而形成磁力线的闭合路径。
第二永磁体7-7作用时产生的磁力线路径为：磁力线从第二永磁体7-7靠近气隙L的外表面出发，穿过气隙L，先后经过定子铁心4-2靠近其内缘部分的齿部、轭部、齿部，然后穿过气隙L，到达与第二永磁体7-7相邻的第二铁磁极7-5-2，然后经过第二转子铁心7-5的轭部，回到第二永磁体7-7靠近第二转子铁心凹槽7-5-1的内侧表面，从而形成磁力线的闭合路径。
根据上述磁力线的路径可知，本实施方式中环形永磁体7-4产生的磁力线在气隙L中远离轴1的外缘部分和靠近轴1的内缘部分分别与第一永磁体7-1和第二永磁体7-7产生的磁力线形成正向叠加，也就是说环形永磁体7-4、p个第一永磁体7-1以及p个第二永磁体7-7对气隙中永磁磁场的产生形成正向叠加效应，永磁磁场的极对数为p。
若p个第一永磁体7-1和p个第二永磁体7-7的充磁方向与图中相反，则在气隙中磁场形成反向叠加效应。
电机正常工作情况下，m相定子绕组4-1中通有m相对称交流电流，产生的旋转磁动势作用在气隙上形成电枢磁场，电枢磁场中极对数为p的成分与永磁磁场相互作用，进而产生转矩，通过多相全桥逆变器控制m相定子绕组4-1中的电流，对p个第一永磁体7-1以及p个第二永磁体7-7的磁状态进行控制，进而影响气隙中合成磁场的大小，改善径向并列型多相永磁容错电机的工作特性，所述特性包括改变气隙磁密、增大输出转矩、改善效率分布特性、增加弱磁扩速范围等。
具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，本实施方式中，m相定子绕组4-1中的某一相绕组发生了短路故障，通过多相全桥逆变器将该故障相绕组的端部短路，同时控制定子绕组4-1中剩余的m-1相正常绕组中的电流，对p个第一永磁体7-1以及p个第二永磁体7-7的磁状态进行控制，使p个第一永磁体7-1以及p个第二永磁体7-7的工作点降低，甚至使其反向充磁，减小气隙中永磁磁场的大小，进而抑制故障相绕组的短路电流。
实施例：
以五相电机为例，在正常运行状态，采用直轴电流id＝0控制时，定子绕组A、B、C、D、E相通以幅值为Im、角频率为ω、初相角为
Figure GDA0002500978640000061
的五相对称正弦电流iA，iB，iC，iD，iE，即
Figure GDA0002500978640000062
Figure GDA0002500978640000063
Figure GDA0002500978640000064
Figure GDA0002500978640000065
Figure GDA0002500978640000066
假设A相绕组发生短路故障，控制剩余四相正常绕组通以如下电流：
Figure GDA0002500978640000067
Figure GDA0002500978640000068
Figure GDA0002500978640000069
Figure GDA00025009786400000610
其中中间变量
Figure GDA00025009786400000611
式中：
Figure GDA00025009786400000612
R0为短路相绕组电阻；L0为短路相绕组电感；N为电机绕组匝数；kdp为电机绕组因数；Φpm-D为与短路相绕组耦合的永磁磁通；K为电流系数。
当A相发生短路故障时，采用五相全桥逆变器将A相绕组端部短路，同时对剩余B、C、D、E相绕组按照上述电流形式进行供电，可以对两个可调磁永磁单元中永磁体的磁状态进行控制，使这两个可调磁永磁单元中永磁体的工作点降低，甚至反向充磁，从而达到减小气隙中永磁磁场的大小，进而抑制故障相绕组的短路电流的目的。
具体实施方式三：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，本实施方式中，m相定子绕组4-1中的某n相绕组发生了短路故障，且m-n≥3，通过多相全桥逆变器将n个故障相绕组的端部短路，同时控制定子绕组4-1中剩余的m-n相正常绕组中的电流，对p个第一永磁体7-1以及p个第二永磁体7-7的磁状态进行控制，使p个第一永磁体7-1以及p个第二永磁体7-7的工作点降低，甚至使其反向充磁，减小气隙中永磁磁场的大小，进而抑制故障相绕组的短路电流。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.径向并列型多相永磁容错电机，包括转轴(1)、定子(4)、机壳(5)和转子(7)，定子(4)固定在机壳(5)的一侧端盖上，转子(7)固定在转轴(1)，定子(4)和转子(7)之间存在轴向气隙L；定子(4)设置多相绕组；
其特征在于，转子(7)包括内可调磁永磁单元、外可调磁永磁单元、不可调磁永磁单元和隔磁环(7-6)，内可调磁永磁单元、不可调磁永磁单元和外可调磁永磁单元内外嵌套设置，并通过隔磁环(7-6)固定在转轴(1)上，
内、外可调磁永磁单元的面向轴向气隙L的端面上均沿圆周方向交错设置有p个永磁磁极和p个铁磁磁极；
两个可调磁永磁单元的永磁磁极周向错开180/p度；
不可调磁永磁单元的永磁体的充磁方向为径向；内、外可调磁永磁单元的永磁体的充磁方向为轴向，同一可调磁永磁单元中的永磁体的充磁方向相同，不同可调磁永磁单元的永磁体的充磁方向相反；
通过调整定子绕组中的电流来改变两个可调磁永磁单元的永磁体的工作点，以改变磁通大小或方向，进而实现两个可调磁永磁单元对不可调磁永磁单元在轴向气隙L中的永磁磁场进行正向或反向叠加。
2.根据权利要求1所述径向并列型多相永磁容错电机，其特征在于，定子(4)包括定子铁心(4-2)和m相定子绕组(4-1)，定子绕组(4-1)为多相分数槽集中绕组，不同相绕组间满足电、磁、热和物理隔离条件，定子绕组(4-1)通有m相对称交流电流，m为大于3的整数。
3.根据权利要求1所述径向并列型多相永磁容错电机，其特征在于，外可调磁永磁单元包括第一转子铁心(7-2)和p个第一永磁体(7-1)，内可调磁永磁单元包括第二转子铁心(7-5)和p个第二永磁体(7-7)；第一转子铁心(7-2)和第二转子铁心(7-5)面向轴向气隙L的端面分别均匀开有p个弧度为a、扇形的第一转子铁心凹槽(7-2-1)和第二转子铁心凹槽(7-5-1)，a＝180/p，每两个第一转子铁心凹槽(7-2-1)之间形成一个扇面形的第一铁磁极(7-2-2)，每两个第二转子铁心凹槽(7-5-1)之间形成一个扇面形的第二铁磁极(7-5-2)；p个第一永磁体(7-1)和p个第二永磁体(7-7)沿圆周方向均匀嵌入在第一转子铁心凹槽(7-2-1)和第二转子铁心凹槽(7-5-1)内；第一永磁体(7-1)和第二永磁体(7-7)为扇面形，弧度为b，且b≤a；隔磁环(7-6)固定在转轴(1)上，第二转子铁心(7-5)固定在隔磁环(7-6)的外圆表面上，第一转子铁心(7-2)和第二转子铁心(7-5)之间设置不可调磁永磁单元；
第一转子铁心(7-2)和第二转子铁心(7-5)的永磁磁极沿周向错开180/p度。
4.根据权利要求3所述径向并列型多相永磁容错电机，其特征在于，不可调磁永磁单元包括环形永磁体(7-4)和转子骨架(7-3)，转子骨架(7-3)、环形永磁体(7-4)和隔磁环(7-6)均为圆环形，转子骨架(7-3)和环形永磁体(7-4)沿转轴(1)的轴向方向并列放置并同时固定在第二转子铁心(7-5)的外圆表面上，第一转子铁心(7-2)固定在转子骨架(7-3)和环形永磁体(7-4)的外圆表面上。
5.根据权利要求4所述径向并列型多相永磁容错电机，其特征在于，转子骨架(7-3)邻近定子(4)，环形永磁体(7-4)背离定子(4)。
6.根据权利要求5所述径向并列型多相永磁容错电机，其特征在于，转子骨架(7-3)沿转轴(1)轴向方向的厚度大于第一永磁体(7-1)和第二永磁体(7-7)的充磁方向长度。
7.根据权利要求3所述径向并列型多相永磁容错电机，其特征在于，p个第一永磁体(7-1)和p个第二永磁体(7-7)为磁化状态可调的低矫顽力永磁体，环形永磁体(7-4)为磁化状态不可调的高矫顽力永磁体。
8.根据权利要求4所述径向并列型多相永磁容错电机，其特征在于，转轴(1)、转子骨架(7-3)、隔磁环(7-6)采用非导磁材料，第一转子铁心(7-2)和第二转子铁心(7-5)采用硅钢片材料，第一转子铁心(7-2)和第二转子铁心(7-5)围绕转轴(1)的圆周方向卷绕而成。
9.根据权利要求1～8任一权利要求所述径向并列型多相永磁容错电机，其特征在于，所述电机采用多相全桥逆变器进行供电。
10.根据权利要求9所述径向并列型多相永磁容错电机，其特征在于，任一相定子绕组发生短路时，通过调整定子中剩余正常相绕组的电流来降低两个可调磁永磁单元中的永磁体的工作点，以减小磁场正向叠加的幅度，来减小定子绕组短路电流；
或改变两个可调磁永磁单元中的永磁体的充磁方向，通过磁场负向叠加来减小定子绕组短路电流。
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