CN109873511A - 反凸极式切向充磁型多相永磁容错电机 - Google Patents

Abstract

反凸极式切向充磁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。本发明电机直轴电抗大于交轴电抗；转子的转子铁心的外表面均匀开有p个完全一致的转子凹槽，在2p个转子凹槽之间形成2p个铁磁极，在相邻两个铁磁极之间的转子铁心的轭部沿径向方向交替开有2p个槽；p个第一永磁体以及p个第二永磁体交错嵌入在2p个槽中；隔磁环固定在转轴上，转子铁心固定在隔磁环的外圆表面上；通过调整定子绕组中的电流来改变p个第二永磁体的工作点，以改变磁通大小或方向，进而实现p个第二永磁体对p个第一永磁体在气隙L中的永磁磁场进行正向或反向叠加。

Description

反凸极式切向充磁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反凸极式切向充磁型多相永磁容错电机。

本发明的反凸极式切向充磁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之间存在径向气隙L；定子6设置有多相绕组；电机直轴电抗大于交轴电抗；

转子4包括转子铁心4-1、隔磁环4-2、p个第一永磁体4-5以及p个第二永磁体4-6；转子铁心4-1的外表面均匀开有2p个完全一致的转子凹槽4-3，在2p个转子凹槽4-3之间形成2p个铁磁极4-4，在相邻两个铁磁极4-4之间的转子铁心4-1的轭部沿径向方向开有p个矩形的第一永磁磁极槽4-1-1和p个矩形的第二永磁磁极槽4-1-2，其中p个第一永磁磁极槽4-1-1和p个第二永磁磁极槽4-1-2为交替排列；p个第一永磁体4-5以及p个第二永磁体4-6均为矩形，且分别嵌入在p个第一永磁磁极槽4-1-1和p个第二永磁磁极槽4-1-2中；隔磁环4-2固定在转轴1上，转子铁心4-1固定在隔磁环4-2的外圆表面上；

通过调整定子6绕组中的电流来改变p个第二永磁体4-6的工作点，以改变磁通大小或方向，进而实现p个第二永磁体4-6对p个第一永磁体4-5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，2p个铁磁极4-4上还开有多个弧形的磁障槽4-7，多个磁障槽4-7沿径向方向依次布置且关于第一永磁磁极槽4-1-1或第二永磁磁极槽4-1-2对称。

优选地，p个第一永磁体4-5为磁化状态不可调的高矫顽力永磁体，p个第二永磁体4-6为磁化状态可调的低矫顽力永磁体。

优选地，p个第一永磁体4-5的充磁方向相同，p个第二永磁体4-6的充磁方向相同，p个第一永磁体4-5和p个第二永磁体4-6的充磁方向相反或相同，以实现在气隙L中的永磁磁场正向或反向叠加。

优选地，转轴1和隔磁环4-2采用非导磁材料，转子铁心4-1采用硅钢片材料并沿转轴1的轴向方向叠压而成。

优选地，所述电机采用多相全桥逆变器进行供电。

本发明的有益效果：本发明公开一种反凸极式切向充磁型多相永磁容错电机，与传统的多相永磁容错电机相比，本发明的反凸极式切向充磁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。此外，与传统内置式永磁同步电机不同的是，本发明的反凸极式切向充磁型多相永磁容错电机的直轴电抗大于交轴电抗，可以通过施加正的直轴电流得到正磁阻转矩，有利于克服传统永磁电机运行在弱磁扩速区时的永磁体退磁风险。

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是实施方式二的结构示意图。

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。

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、转子4、机壳5、定子6、右端盖7和第二轴承8，电机直轴电抗大于交轴电抗；

机壳5的左右两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之间存在径向气隙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包括转子铁心4-1、隔磁环4-2、p个第一永磁体4-5以及p个第二永磁体4-6；转子铁心4-1的外表面均匀开有2p个完全一致的转子凹槽4-3，在2p个转子凹槽4-3之间形成2p个铁磁极4-4，在相邻两个铁磁极4-4之间的转子铁心4-1的轭部沿径向方向开有p个矩形的第一永磁磁极槽4-1-1和p个矩形的第二永磁磁极槽4-1-2，其中p个第一永磁磁极槽4-1-1和p个第二永磁磁极槽4-1-2为交替排列；p个第一永磁体4-5以及p个第二永磁体4-6均为矩形，且分别嵌入在p个第一永磁磁极槽4-1-1和p个第二永磁磁极槽4-1-2中；隔磁环4-2固定在转轴1上，转子铁心4-1固定在隔磁环4-2的外圆表面上。

p个第一永磁体4-5为磁化状态不可调的高矫顽力永磁体，p个第二永磁体4-6为磁化状态可调的低矫顽力永磁体。

p个第一永磁体4-5的充磁方向相同，p个第二永磁体4-6的充磁方向相同，p个第一永磁体4-5和p个第二永磁体4-6的充磁方向相反或相同，以实现在气隙L中的永磁磁场正向或反向叠加。

转轴1和隔磁环4-2采用非导磁材料，转子铁心4-1采用硅钢片材料并沿转轴1的轴向方向叠压而成。

所述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和图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4-5属于高矫顽力永磁体，其磁状态不可调；p个第二永磁体4-6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。在本实施方式中，p个第一永磁体4-5和p个第二永磁体4-6共同作用并分别产生磁力线。

p个第一永磁体4-5产生的磁力线路径为：磁力线从第一永磁体4-5的N极出发，经过转子铁心4-1的轭部、铁磁极4-4，穿过气隙L，进入定子铁心6-2的齿部，继而通过定子铁心6-2的轭部、齿部，然后再次穿过气隙L，到达相邻的铁磁极4-4，最后通过转子铁心4-1的轭部，回到第一永磁体4-5的S极，于此形成p条由第一永磁体4-5发出的磁力线的闭合路径，在p条磁力线闭合路径中，每个第一永磁体4-5和与其相邻的两个铁磁极4-4分别构成一条闭合路径。

p个第二永磁体4-6产生的磁力线路径为：磁力线从第二永磁体4-6的N极出发，经过转子铁心4-1的轭部、铁磁极4-4，穿过气隙L，进入定子铁心6-2的齿部，继而通过定子铁心6-2的轭部、齿部，然后再次穿过气隙L，到达相邻的铁磁极4-4，最后通过转子铁心4-1的轭部，回到第二永磁体4-6的S极，于此形成磁力线的闭合路径，在p条磁力线闭合路径中，每个第二永磁体4-6和与其相邻的两个铁磁极4-4分别构成一条闭合路径。

铁磁极4-4同时配合与其相邻的第一永磁体4-5和第二永磁体4-6构成磁力线闭合路径，两个永磁体产生的磁力线在铁磁极4-4中形成叠加，根据上述磁力线的路径可知，正常工作情况下，本实施方式中第一永磁体4-5和第二永磁体4-6的充磁方向相反，与二者配合的铁磁极4-4上的两组磁力线同向，在气隙L中的磁场形成正向叠加，且永磁磁场的极对数为p，其中p个铁磁极4-4的磁力线是同时向外的，p个铁磁极的磁力线是同时向内的，磁力线向外的铁磁极和磁力线向内的铁磁极交替排列。

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。

实施方式二：下面结合图1和图3说明本实施方式。与实施方式一不同的是，在本实施方式中，2p个铁磁极4-4上还开有多个弧形的磁障槽4-7，多个磁障槽4-7沿径向方向依次布置且关于第一永磁磁极槽4-1-1或第二永磁磁极槽4-1-2对称。

通过设置多个磁障槽4-7，可以进一步增大直轴电感与交轴电感之间的差，有利于增大电机的磁阻转矩。

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个第二永磁体4-6的磁状态进行控制，使p个第二永磁体4-6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i_d＝0控制时，定子绕组A、B、C、D、E相通以幅值为I_m、角频率为ω、初相角为的五相对称正弦电流i_A，i_B，i_C，i_D，i_E，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；k_dp为电机绕组因数；Φ_pm-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，可以对第二永磁体4-6的磁状态进行控制，使p个第二永磁体4-6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。

具体实施方式四：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个第二永磁体4-6的磁状态进行控制，使p个第二永磁体4-6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 (7)

1.反凸极式切向充磁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)之间存在径向气隙L；定子(6)设置有多相绕组；电机直轴电抗大于交轴电抗；

其特征在于，转子(4)包括转子铁心(4-1)、隔磁环(4-2)、p个第一永磁体(4-5)以及p个第二永磁体(4-6)；转子铁心(4-1)的外表面均匀开有2p个完全一致的转子凹槽(4-3)，在2p个转子凹槽(4-3)之间形成2p个铁磁极(4-4)，在相邻两个铁磁极(4-4)之间的转子铁心(4-1)的轭部沿径向方向开有p个矩形的第一永磁磁极槽(4-1-1)和p个矩形的第二永磁磁极槽(4-1-2)，其中p个第一永磁磁极槽(4-1-1)和p个第二永磁磁极槽(4-1-2)为交替排列；p个第一永磁体(4-5)以及p个第二永磁体(4-6)均为矩形，且分别嵌入在p个第一永磁磁极槽(4-1-1)和p个第二永磁磁极槽(4-1-2)中；隔磁环(4-2)固定在转轴(1)上，转子铁心(4-1)固定在隔磁环(4-2)的外圆表面上；

p个第一永磁体(4-5)以及p个第二永磁体(4-6)均为切向平行充磁，

通过调整定子(6)绕组中的电流来改变p个第二永磁体(4-6)的工作点，以改变磁通大小或方向，进而实现p个第二永磁体(4-6)对p个第一永磁体(4-5)在气隙L中的永磁磁场进行正向或反向叠加。

2.根据权利要求1所述反凸极式切向充磁型多相永磁容错电机，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述反凸极式切向充磁型多相永磁容错电机，其特征在于，2p个铁磁极(4-4)上还开有多个弧形的磁障槽(4-7)，多个磁障槽(4-7)沿径向方向依次布置且关于第一永磁磁极槽(4-1-1)或第二永磁磁极槽(4-1-2)对称。

4.根据权利要求1所述反凸极式切向充磁型多相永磁容错电机，其特征在于，p个第一永磁体(4-5)为磁化状态不可调的高矫顽力永磁体，p个第二永磁体(4-6)为磁化状态可调的低矫顽力永磁体。

5.根据权利要求4所述反凸极式切向充磁型多相永磁容错电机，其特征在于，p个第一永磁体(4-5)的充磁方向相同，p个第二永磁体(4-6)的充磁方向相同，p个第一永磁体(4-5)和p个第二永磁体(4-6)的充磁方向相反或相同，以实现在气隙L中的永磁磁场正向或反向叠加。

6.根据权利要求1所述反凸极式切向充磁型多相永磁容错电机，其特征在于，转轴(1)和隔磁环(4-2)采用非导磁材料，转子铁心(4-1)采用硅钢片材料并沿转轴(1)的轴向方向叠压而成。

7.根据权利要求1至6任一权利要求所述反凸极式切向充磁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。