CN109713868B - 轴向并列型多相永磁容错电机 - Google Patents
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Abstract
轴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。本发明的转子包括两个可调磁永磁单元和不可调磁永磁单元，三者并列设置在转轴上，且结构相同的两个可调磁永磁单元分别固定在不可调磁永磁单元的左右两侧端面上，两个可调磁永磁单元均沿外圆周交错设置有p个永磁磁极和p个铁磁磁极，且两个可调磁永磁单元的永磁磁极沿周向错开180/p度；电机直轴电抗等于交轴电抗；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气隙L中的永磁磁场进行正向或反向叠加。
Description
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轴向并列型多相永磁容错电机。
本发明的轴向并列型多相永磁容错电机包括转轴1、转子4、机壳5和定子6，定子6固定在机壳5的内侧壁上，转子4固定在转轴1上，转子4和定子6之间有径向气隙L；定子6设置多相绕组；
转子4包括第一可调磁永磁单元、第二可调磁永磁单元和不可调磁永磁单元，三者并列设置在转轴1上，且结构相同的第一可调磁永磁单元、第二可调磁永磁单元分别固定在不可调磁永磁单元的左右两侧端面上，第一可调磁永磁单元、第二可调磁永磁单元均沿外圆周交错设置有p个永磁磁极和p个铁磁磁极，且两个可调磁永磁单元的永磁磁极沿周向错开180/p度；电机直轴电抗等于交轴电抗；
不可调磁永磁单元中的永磁体的充磁方向为轴向；两个可调磁永磁单元中的永磁体的充磁方向为平行充磁，每个永磁体中点的充磁方向为径向，且两个可调磁永磁单元中的永磁体的充磁方向相反；
通过调整定子6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气隙L中的永磁磁场进行正向或反向叠加。
优选地，定子6包括定子铁心6-2和m相定子绕组6-1，定子绕组6-1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6-1通有m相对称交流电流，m为大于3的整数。
优选地，第一可调磁永磁单元包括第一转子铁心4-2、第三转子铁心4-3和p个第一永磁体4-1；第二可调磁永磁单元包括第二转子铁心4-7、第四转子铁心4-6、和p个第二永磁体4-8；
第一转子铁心4-2和第二转子铁心4-7的外圆表面分别均匀分布p个弧度为a的第一转子铁心凹槽4-2-1和第二转子铁心凹槽4-7-1，a＝180/p，每两个第一转子铁心凹槽4-2-1之间形成一个第一铁磁极4-2-2，每两个第二转子铁心凹槽4-7-1之间形成一个第二铁磁极4-7-2；第三转子铁心4-3固定在转轴1上，第一转子铁心4-2固定在第三转子铁心4-3的外圆表面，p个第一永磁体4-1沿圆周方向均匀嵌入在第一转子铁心凹槽4-2-1内，第一永磁体4-1的弧度为b，且b≤a；第四转子铁心4-6固定在转轴1上，第二转子铁心4-7固定在第四转子铁心4-6的外圆表面，p个第二永磁体4-8沿圆周方向均匀嵌入在第二转子铁心凹槽4-7-1内，第二永磁体4-8的弧度为b；第一转子铁心4-2和第二转子铁心4-7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4-4和转子骨架4-5，环形永磁体4-4固定在转轴1上，转子骨架4-5固定在环形永磁体4-4的外圆表面上。
优选地，p个第一永磁体4-1和p个第二永磁体4-8为磁化状态可调的低矫顽力永磁体，环形永磁体4-4为磁化状态不可调的高矫顽力永磁体。
优选地，第一永磁体4-1和第二永磁体4-8为平行充磁，且中点位置的充磁方向为径向；p个第一永磁体4-1的充磁方向相同，p个第二永磁体4-8的充磁方向相同，第一永磁体4-1和第二永磁体4-8的充磁方向相反，环形永磁体4-4为轴向充磁。
优选地，转轴1和转子骨架4-5采用非导磁材料，第一转子铁心4-2、第三转子铁心4-3、第四转子铁心4-6和第二转子铁心4-7采用硅钢片材料，第三转子铁心4-3和第四转子铁心4-6沿转轴1的圆周方向卷绕而成，第一转子铁心4-2和第二转子铁心4-7沿转轴1的轴向方向叠压而成。
优选地，p个第一永磁体4-1、第一转子铁心4-2、第三转子铁心4-3分别和p个第二永磁体4-8、第二转子铁心4-7、第四转子铁心4-6的外形尺寸完全一致，第三转子铁心4-3和第四转子铁心4-6为圆柱形，第三转子铁心4-3和第四转子铁心4-6的径向方向长度小于环形永磁体4-4的径向方向长度，且环形永磁体4-4的径向方向长度小于第一转子铁心4-2和第三转子铁心4-3的径向方向长度之和。
优选地，电机采用多相全桥逆变器进行供电。
优选地，定子6的m相绕组中任一相绕组发生短路时，通过调整定子绕组6-1的电流来降低第一永磁体4-1和第二永磁体4-8的工作点，以减小磁场正向叠加的幅度，来减小绕组短路电流；
或改变第一永磁体4-1和第二永磁体4-8的充磁方向，通过磁场负向叠加来减小绕组短路电流。
本发明的有益效果：本发明公开一种轴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，本发明的轴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第一永磁体和第二永磁体的工作点，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，通过调磁电流控制第一永磁体和第二永磁体的磁状态，使其工作点降低或磁通反向，减小永磁磁通，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；
图3是图1的B-B剖视图；
图4是图1的C-C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。
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，减小永磁磁通，解决绕组短路电流过大的问题。
实施方式一：下面结合图1至图4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、转子4、机壳5、定子6、右端盖7和第二轴承8，其特征在于，
机壳5的左右侧端口分别设置有左端盖3和右端盖7；定子6固定在机壳5的内侧壁上，转子4固定在转轴1上，转轴1通过第一轴承2和第二轴承8分别转动固定在左端盖3和右端盖7上，转子4和定子6之间有径向气隙L；
定子6包括定子铁心6-2和m相定子绕组6-1，定子绕组6-1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6-1通有m相对称交流电流，m为大于3的整数；
转子4包括p个第一永磁体4-1、第一转子铁心4-2、第二转子铁心4-7、第三转子铁心4-3、第四转子铁心4-6、环形永磁体4-4、转子骨架4-5和p个第二永磁体4-8；第一转子铁心4-2和第二转子铁心4-7的外圆表面分别均匀分布p个弧度为a的第一转子铁心凹槽4-2-1和第二转子铁心凹槽4-7-1，a＝180/p，每两个第一转子铁心凹槽4-2-1之间形成一个第一铁磁极4-2-2，每两个第二转子铁心凹槽4-7-1之间形成一个第二铁磁极4-7-2；第三转子铁心4-3固定在转轴1上，第一转子铁心4-2固定在第三转子铁心4-3的外圆表面，p个第一永磁体4-1沿圆周方向均匀嵌入在第一转子铁心凹槽4-2-1内，第一永磁体4-1的弧度为b，且b≤a；环形永磁体4-4固定在转轴1上，转子骨架4-5固定在环形永磁体4-4的外圆表面上；第四转子铁心4-6固定在转轴1上，第二转子铁心4-7固定在第四转子铁心4-6的外圆表面，p个第二永磁体4-8沿圆周方向均匀嵌入在第二转子铁心凹槽4-7-1内，第二永磁体4-8的弧度为b；在转轴1的轴线方向上，环形永磁体4-4和转子骨架4-5的一侧是第一永磁体4-1、第一转子铁心4-2、第三转子铁心4-3，另一侧是第二永磁体4-8、第二转子铁心4-7以及第四转子铁心4-6；第一转子铁心4-2和第二转子铁心4-7沿周向错开180/p度；
p个第一永磁体4-1和p个第二永磁体4-8为磁化状态可调的低矫顽力永磁体，环形永磁体4-4为磁化状态不可调的高矫顽力永磁体，第一永磁体4-1和第二永磁体4-8为径向或平行充磁，p个第一永磁体4-1的充磁方向相同，p个第二永磁体4-8的充磁方向相同，第一永磁体4-1和第二永磁体4-8的充磁方向相反，环形永磁体4-4为轴向充磁。
转轴1和转子骨架4-5采用非导磁材料，第一转子铁心4-2、第三转子铁心4-3、第四转子铁心4-6和第二转子铁心4-7采用硅钢片材料，第三转子铁心4-3和第四转子铁心4-6沿转轴1的圆周方向卷绕而成，第一转子铁心4-2和第二转子铁心4-7沿转轴1的轴向方向叠压而成。
p个第一永磁体4-1、第一转子铁心4-2、第三转子铁心4-3、分别和p个第二永磁体4-8、第二转子铁心4-7、第四转子铁心4-6的外形尺寸完全一致，第三转子铁心4-3和第四转子铁心4-6为圆柱形，第三转子铁心4-3和第四转子铁心4-6的径向方向长度小于环形永磁体4-4的径向方向长度，且环形永磁体4-4的径向方向长度小于第一转子铁心4-2和第三转子铁心4-3的径向方向长度之和。
轴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4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，环形永磁体4-4属于高矫顽力永磁体，其磁状态不可调；p个第一永磁体4-1和p个第二永磁体4-8属于低矫顽力永磁体，其磁状态可以通过在定子绕组6-1中施加调磁电流进行控制。在图1～4中，p个第一永磁体4-1中点的充磁方向为径向向外，p个第二永磁体4-8中点的充磁方向为径向向内，环形永磁体4-4轴向向右。在本实施方式中，环形永磁体4-4、p个第一永磁体4-1以及p个第二永磁体4-8共同作用并分别产生磁力线。
环形永磁体4-4作用时产生的磁力线路径为：磁力线从环形永磁体4-4的右侧端面出发，先后途经第四转子铁心4-6和第二转子铁心4-7，通过p个第二铁磁极4-7-2后，穿过气隙L进入定子铁心6-2右半部分的齿部，然后汇入定子铁心6-2的轭部，继而在定子铁心6-2的轭部沿轴向方向流向定子铁心6-2左半部分的轭部、齿部，穿过气隙L进入p个第一铁磁极4-2-2中，然后通过第一转子铁心4-2和第三转子铁心4-3，达到环形永磁体4-4的左侧端面，于此形成磁力线的闭合路径。
第一永磁体4-1作用时产生的磁力线路径为：磁力线从第一永磁体4-1靠近气隙L的外表面出发，穿过气隙L，先后经过定子铁心6-2左半部分的齿部、轭部、齿部，然后穿过气隙L，到达第一铁磁极4-2-2，然后经过第一转子铁心4-2，回到第一永磁体4-1靠近第一转子铁心凹槽4-2-1的内侧表面，从而形成磁力线的闭合路径。
第二永磁体4-8作用时产生的磁力线路径为：磁力线从第二永磁体4-8靠近第二转子铁心凹槽4-7-1的内侧表面出发，经过第二转子铁心4-7，到达第二铁磁极4-7-2，穿过气隙L，先后经过定子铁心6-2右半部分的齿部、轭部、齿部，然后穿过气隙L，到达第二永磁体4-8靠近气隙L的外表面，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4-4产生的磁力线在气隙L的左侧和右侧部分分别与第一永磁体4-1和第二永磁体4-8产生的磁力线形成正向叠加，也就是说环形永磁体4-4、p个第一永磁体4-1以及p个第二永磁体4-8对气隙中永磁磁场的产生形成正向叠加效应，且永磁磁场的极对数为p。
若p个第一永磁体4-1和p个第二永磁体4-8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6-1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6-1中的电流，对p个第一永磁体4-1以及p个第二永磁体4-8的磁状态进行控制，进而影响气隙中合成磁场的大小，改善轴向并列型多相永磁容错电机在正常运行状态下的工作特性，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6-1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6-1中剩余的m-1相正常绕组中的电流，对p个第一永磁体4-1以及p个第二永磁体4-8的磁状态进行控制，使p个第一永磁体4-1和p个第二永磁体4-8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
的五相对称正弦电流iA，iB，iC，iD，iE，即
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：
其中中间变量
式中：
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6-1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6-1中剩余的m-n相正常绕组中的电流，对p个第一永磁体4-1以及p个第二永磁体4-8的磁状态进行控制，使p个第一永磁体4-1和p个第二永磁体4-8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 (9)
1.轴向并列型多相永磁容错电机，其特征在于，包括转轴(1)、转子(4)、机壳(5)和定子(6)，定子(6)固定在机壳(5)的内侧壁上，转子(4)固定在转轴(1)上，转子(4)和定子(6)之间有径向气隙L；定子(6)设置多相绕组；
其特征在于，转子(4)包括第一可调磁永磁单元、第二可调磁永磁单元和不可调磁永磁单元，三者并列设置在转轴(1)上，且结构相同的第一可调磁永磁单元、第二可调磁永磁单元分别固定在不可调磁永磁单元的左右两侧端面上，第一可调磁永磁单元、第二可调磁永磁单元均沿外圆周交错设置有p个永磁磁极和p个铁磁磁极，且两个可调磁永磁单元的永磁磁极沿周向错开180/p度；电机直轴电抗等于交轴电抗；
不可调磁永磁单元中的永磁体的充磁方向为轴向；两个可调磁永磁单元中的永磁体的充磁方向为平行充磁，每个永磁体中点的充磁方向为径向，且两个可调磁永磁单元中的永磁体的充磁方向相反；
通过调整定子(6)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气隙L中的永磁磁场进行正向或反向叠加；
定子(6)包括定子铁心(6-2)和m相定子绕组(6-1)，定子绕组(6-1)为多相分数槽集中绕组，不同相绕组间满足电、磁、热隔离条件，定子绕组(6-1)通有m相对称交流电流，m＝5；
任一相短路故障时的调磁策略：
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
的五相对称正弦电流iA，iB，iC，iD，iE，即
当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：
其中中间变量
式中：
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，通过调整定子绕组(6-1)的电流来降低第一永磁体(4-1)和第二永磁体(4-8)的工作点，以减小磁场正向叠加的幅度，来减小绕组短路电流。
2.根据权利要求1所述轴向并列型多相永磁容错电机，其特征在于，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，通过调整定子绕组(6-1)的电流进一步改变第一永磁体(4-1)和第二永磁体(4-8)的充磁方向，通过磁场负向叠加来减小绕组短路电流。
3.根据权利要求1所述轴向并列型多相永磁容错电机，其特征在于，第一可调磁永磁单元包括第一转子铁心(4-2)、第三转子铁心(4-3)和p个第一永磁体(4-1)；第二可调磁永磁单元包括第二转子铁心(4-7)、第四转子铁心(4-6)、和p个第二永磁体(4-8)；
第一转子铁心(4-2)和第二转子铁心(4-7)的外圆表面分别均匀分布p个弧度为a的第一转子铁心凹槽(4-2-1)和第二转子铁心凹槽(4-7-1)，a＝180/p，每两个第一转子铁心凹槽(4-2-1)之间形成一个第一铁磁极(4-2-2)，每两个第二转子铁心凹槽(4-7-1)之间形成一个第二铁磁极(4-7-2)；第三转子铁心(4-3)固定在转轴(1)上，第一转子铁心(4-2)固定在第三转子铁心(4-3)的外圆表面，p个第一永磁体(4-1)沿圆周方向均匀嵌入在第一转子铁心凹槽(4-2-1)内，第一永磁体(4-1)的弧度为b，且b≤a；第四转子铁心(4-6)固定在转轴(1)上，第二转子铁心(4-7)固定在第四转子铁心(4-6)的外圆表面，p个第二永磁体(4-8)沿圆周方向均匀嵌入在第二转子铁心凹槽(4-7-1)内，第二永磁体(4-8)的弧度为b；第一转子铁心(4-2)和第二转子铁心(4-7)沿周向错开180/p度。
4.根据权利要求3所述轴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(4-4)和转子骨架(4-5)，环形永磁体(4-4)固定在转轴(1)上，转子骨架(4-5)固定在环形永磁体(4-4)的外圆表面上。
5.根据权利要求4所述轴向并列型多相永磁容错电机，其特征在于，p个第一永磁体(4-1)和p个第二永磁体(4-8)为磁化状态可调的低矫顽力永磁体，环形永磁体(4-4)为磁化状态不可调的高矫顽力永磁体。
6.根据权利要求4所述轴向并列型多相永磁容错电机，其特征在于，第一永磁体(4-1)和第二永磁体(4-8)为平行充磁，且中点位置的充磁方向为径向；p个第一永磁体(4-1)的充磁方向相同，p个第二永磁体(4-8)的充磁方向相同，第一永磁体(4-1)和第二永磁体(4-8)的充磁方向相反，环形永磁体(4-4)为轴向充磁。
7.根据权利要求4所述轴向并列型多相永磁容错电机，其特征在于，转轴(1)和转子骨架(4-5)采用非导磁材料，第一转子铁心(4-2)、第三转子铁心(4-3)、第四转子铁心(4-6)和第二转子铁心(4-7)采用硅钢片材料，第三转子铁心(4-3)和第四转子铁心(4-6)沿转轴(1)的圆周方向卷绕而成，第一转子铁心(4-2)和第二转子铁心(4-7)沿转轴(1)的轴向方向叠压而成。
8.根据权利要求4所述轴向并列型多相永磁容错电机，其特征在于，p个第一永磁体(4-1)、第一转子铁心(4-2)、第三转子铁心(4-3)分别和p个第二永磁体(4-8)、第二转子铁心(4-7)、第四转子铁心(4-6)的外形尺寸完全一致，第三转子铁心(4-3)和第四转子铁心(4-6)为圆柱形，第三转子铁心(4-3)和第四转子铁心(4-6)的径向方向长度小于环形永磁体(4-4)的径向方向长度，且环形永磁体(4-4)的径向方向长度小于第一转子铁心(4-2)和第三转子铁心(4-3)的径向方向长度之和。
9.根据权利要求1至8任一权利要求所述轴向并列型多相永磁容错电机，其特征在于，电机采用多相全桥逆变器进行供电。
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| CN201910159516.3A CN109713868B (zh) | 2019-03-04 | 2019-03-04 | 轴向并列型多相永磁容错电机 |
Publications (2)
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