CN110048573A - 一种失磁容错的双定子电励磁双凸极电机及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种失磁容错的双定子电励磁双凸极电机及其方法，电机具有内、外两个同心式定子结构，中间为一个杯形转子。内、外两个同心式定子分别为开关磁阻电机定子结构和电励磁双凸极电机定子结构。本发明的突出特点是能有效利用转子内部和外部空间，通过双定子的结构增加一套内定子绕组，该绕组参考开关磁阻电机设计；两套绕组可同时工作也可独立控制，控制灵活多变。转子设有隔磁桥，主磁通经外定子、转子和内定子闭合，使电励磁双凸极电机在失磁故障时也可提供足够的磁阻转矩，实现电机的失磁容错运行。本发明所述双定子电励磁双凸极电机具有更高的转矩密度，尤其适合用作对可靠性要求较高的场合。

Description

一种失磁容错的双定子电励磁双凸极电机及其方法

技术领域

本发明涉及高可靠性特种电机本体设计领域，尤其涉及一种失磁容错的双定子电励磁双凸极电机及其方法。

背景技术

双凸极电机是开关磁阻电机的新发展。上世纪90年代美国学者提出了永磁双凸极电机，电励磁双凸极电机正是在此基础上发展而来。电励磁双凸极电机转子结构简单、无绕组和永磁体，高温、高速运行能力强，以及定子上各相绕组在物理和电磁上独立，容错能力强、可靠性高的优点，又具有电励磁同步电机发电控制简单、控制电路可靠性高的优点，在航空航天、汽车舰船、风力发电等领域具有广阔的应用前景。

电励磁双凸极电机应用于航空航天、汽车舰船等领域，对电机的可靠性要求较高。稳定励磁是电励磁双凸极电机系统正常运行的前提条件，但目前针对电励磁双凸极电机的研究主要集中在电机正常运行时的本体设计和控制方法，容错运行的研究相对较少，励磁故障的研究尚较缺乏。

目前已有的技术中，双定子电励磁双凸极电机新结构的提出多围绕减小转矩脉动或电压脉动、提高电机功率密度等方面进行研究。中国发明专利：内外双定子双凸极无刷直流电机，申请号：200710020866.9，提出一种外定子、内定子、转子均为凸极结构的双定子电机，且转子向外侧的凸极齿与转子向内侧的凸极齿两两错开60°/4n机械角，内外侧的齿错开一定机械角，使所形成的内外两个双凸极电机电势波形或转矩波形错开相应合理的电角度，从而在电机发电工作状态下能有效减小输出直流电压的电压脉动值，在电动状态下能抑制输出转矩脉动值。中国发明专利：三相（6/4N/4N/6）k结构双定子双凸极电机，申请号：201110073792.1，提出了一种三相（6/4N/4N/6）k结构双定子双凸极电机，以充分地利用电机空间，提高电机功率密度。中国发明专利：一种内外双定子电励磁双凸极起动发电机，申请号：201210471608.3，提出了一种能有效利用转子内部和外部空间的双定子电励磁双凸极起动发电机，其单元电机为12/8/6极结构，电机外定子与转子为传统的6/4极单元电机极数匹配，外定子极弧系数为0.5。电机内定子与转子为6/8极单元电机极数匹配，内定子极弧系数为0.25。电机内外电枢绕组的相位差为60°电角度，可以实现较小的换相转矩脉动。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种失磁容错的双定子电励磁双凸极电机及其方法，充分地利用电机空间，可实现电励磁双凸极电机的失磁容错运行，并提高电机转矩密度。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种失磁容错的双定子电励磁双凸极电机，包含壳体、定子、转子、转轴、第一轴承、第二轴承、前端盖和后端盖；

所述定子包含内定子和外定子，所述内定子、外定子为同心式定子；电机的外定子极数为6N，转子极数为4N，内定子极数为6N, N为正整数；

所述壳体为两端开口的空心柱状体，且内壁呈圆柱状；所述前端盖、后端盖分别和所述壳体的两端固连；所述前端盖上设有供所述转轴穿出的通孔；

所述外定子包含外定子铁心、设置在外定子铁心上的A相、B相、C相三相外定子电枢绕组、以及在外定子铁心上跨三个定子极缠绕的励磁绕组；所述内定子包含内定子铁心、以及设置在内定子铁心上的D相、E相、F相三相内定子电枢绕组；所述外定子铁心、内定子铁心均为两端开口的空心圆柱体；

所述转子采用杯形转子，包含转子铁心和以及设置在转子铁心上的隔磁桥；所述转子铁心呈空心杯状、即一端开口一端封闭的空心圆柱体，其封闭端端面的中心设有供所述转轴穿过的通孔；隔磁桥起到隔磁作用并提供转子一定的刚度，保证主磁通主要通过外定子铁心、转子磁极和内部定子铁心回路闭合；

所述壳体、外定子铁心、转子铁心、内定子铁心、转轴由外至内依次同轴设置，其中，所述外定子铁心的外壁和所述壳体的内壁固连；所述转轴穿过转子铁心封闭端端面中心的通孔、和所述转子铁心固连，且转轴一端通过所述第二轴承和所述后端盖的中心相连、另一端穿过所述前端盖中心的通孔且通过所述第一轴承和前端盖相连；所述内定子铁心的一端和所述后端盖固连；

所述A相、B相、C相三相外定子电枢绕组和D相、E相、F相三相内定子电枢绕组均为集中绕组。

作为本发明一种失磁容错的双定子电励磁双凸极电机进一步的优化方案，所述外定子铁心、内定子铁心的极弧系数均为0.5，转子铁心的极弧系数为0.33。

作为本发明一种失磁容错的双定子电励磁双凸极电机进一步的优化方案，所述内定子为电励磁双凸极电机定子结构，外定子为开关磁阻电机定子结构。

作为本发明一种失磁容错的双定子电励磁双凸极电机进一步的优化方案，所述外定子为电励磁双凸极电机定子结构，内定子为开关磁阻电机定子结构。

作为本发明一种失磁容错的双定子电励磁双凸极电机进一步的优化方案，所述双定子电励磁双凸极电机采用H桥变换器控制，其中，所述A相、B相、C相三相外定子电枢绕组及D相、E相、F相三相内定子电枢绕组分别与H桥变换器的六个桥臂的中点连接。

本发明还公开了一种该失磁容错的双定子电励磁双凸极电机的工作方法，包含以下工作过程：

励磁绕组正常励磁时，双定子电励磁双凸极电机工作在电励磁双凸极电机状态，此时A相、B相、C相三相外定子电枢绕组单独工作、或D相、E相、F相三相内定子电枢绕组单独工作、或A相、B相、C相三相外定子电枢绕组和D相、E相、F相三相内定子电枢绕组同时工作；

励磁绕组失磁故障时，双定子电励磁双凸极电机工作在开关磁阻电机状态，此时A相、B相、C相三相外定子电枢绕组单独工作出力有限，D相、E相、F相三相内定子电枢绕组单独工作，或A相、B相、C相三相外定子电枢绕组和D相、E相、F相三相内定子电枢绕组同时工作。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、继承了电励磁双凸极电机与开关磁阻电机转子结构简单、无绕组和永磁体，高温、高速运行能力强的优点；

2、电机在运行过程中一旦发生励磁绕组故障，电机可工作在开关磁阻电机状态，实现电机失磁容错运行，提高了电机的可靠性；

3、充分利用电机内部空间，提高了电机的转矩密度；同时可采用导磁性能良好的转轴，充分利用转轴提供磁路，使系统结构更为紧凑；

4、两套电枢绕组由H桥变换器控制，无论是正常励磁还是励磁故障的情况下，均可实现电枢绕组单独工作或同时工作，控制方式灵活多变。

附图说明

图1 为本发明的实施例一可实现失磁容错运行的双定子12/8/12极电励磁双凸极电机轴向剖视示意图；

图2 为本发明实施例一的外定子定子铁心及绕组立体分解视图；

图3 为本发明实施例一的杯型转子部分立体分解视图；

图4 为本发明实施例一的内定子部分立体分解视图；

图5 为本发明实施例一的电机立体分解视图；

图6 为本发明电机的H桥变换器拓扑；

图7 为本发明双凸极电机正常励磁电动运行时控制策略的导通示意图；

图8 为本发明双凸极电机励磁故障电动运行时控制策略的导通示意图；

图9 为本发明实施例二的电机轴向剖面示意图。

图中，1-前端盖，2-壳体，3-外定子铁心，4-励磁绕组，5-A相、B相、C相三相外定子电枢绕组，6-转轴，7-第一轴承，8-转子铁心，9-第二轴承，10-D相、E相、F相三相内定子电枢绕组，11-内定子铁心，12-后端盖，13-隔磁桥。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

本发明公开了一种失磁容错的双定子电励磁双凸极电机，主要包括内、外两个同心式定子结构，中间为一个杯形转子。原理如下：由于电励磁双凸极电机和开关磁阻电机结构上的相似性，在运行过程中一旦发生励磁绕组故障，电励磁双凸极电机输出转矩仅为磁阻转矩，即工作在开关磁阻状态，这就给电励磁双凸极电机失磁容错运行提供了一定条件，但传统电励磁双凸极电机相绕组匝数少，出力有限。通过双定子的结构在电机内部增加一套绕组，该绕组参考开关磁阻电机的设计，匝数较多，使电机在失磁时也可提供足够的磁阻转矩，实现电机的失磁容错运行。另外，电励磁双凸极电机转子铁心轭部铁磁材料饱和程度低，内部空间大，为加入内定子提供了条件，必要时可采用磁性转轴充当磁路，充分利用电机内部空间。提出了一种可实现失磁容错运行的双定子电励磁双凸极电机，外定子结构与电励磁双凸极电机一致，内定子结构与开关磁阻电机一致。正常励磁时，可作为电励磁双凸极电机工作，定子极与转子极啮合时,通以正向电流，定子极与转子极脱离时,通以负向电流；励磁故障时，可工作在开关磁阻状态，定子极与转子极啮合时,通以正向电流，均能提供较大的电磁转矩。

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

实施例一

失磁容错的双定子12/8/12极电励磁双凸极电机，如图1、图5 所示，包含壳体、定子、转子、转轴、第一轴承、第二轴承、前端盖和后端盖。定子包含内定子和外定子，内定子、外定子为同心式定子，中间为一个杯形转子，该示例所述电机为两个6/4/6极结构单元电机组成。内定子、外定子分别为开关磁阻电机定子结构和电励磁双凸极电机定子结构。

如2、图5所示，外定子包含外定子铁心、设置在外定子铁心上的A相、B相、C相三相外定子电枢绕组、以及在外定子铁心上跨三个定子极缠绕的励磁绕组；A相、B相、C相三相外定子电枢绕组为集中绕组，绕组匝数参考电励磁双凸极的设计，外定子极的极弧系数为0.5；

如图4所示，内定子包含内定子铁心、以及设置在内定子铁心上的D相、E相、F相三相内定子电枢绕组；所述外定子铁心、内定子铁心均为两端开口的空心圆柱体；D相、E相、F相三相内定子电枢绕组为集中绕组，绕组匝数参考开关磁阻设计，内定子极的极弧系数为0.5，并通过螺栓固定于后端盖上。

如图3、图5所示，转子采用杯形转子，包含转子铁心和以及设置在转子铁心上的隔磁桥；转子铁心呈空心杯状、即一端开口一端封闭的空心圆柱体，其封闭端端面的中心设有供所述转轴穿过的通孔；隔磁桥起到隔磁作用并提供转子一定的刚度，保证主磁通主要通过外定子铁心、转子磁极和内部定子铁心回路闭合。

壳体、外定子铁心、转子铁心、内定子铁心、转轴由外至内依次同轴设置，其中，外定子铁心的外壁和所述壳体的内壁固连；转轴穿过转子铁心封闭端端面中心的通孔、和转子铁心固连，且转轴一端通过第二轴承和所述后端盖的中心相连、另一端穿过前端盖中心的通孔且通过第一轴承和前端盖相连；内定子铁心的一端和后端盖固连。

如图6所示，双定子电励磁双凸极电机采用H桥变换器控制，所述A相、B相、C相三相外定子电枢绕组及D相、E相、F相三相内定子电枢绕组分别与两组三相H桥变换器的六个桥臂的中点连接。

如图7、图8所示，励磁绕组正常励磁时，电机工作在电励磁双凸极电机状态，电感上升的相通正电流，电感下降的相通负电流。此时可实现A相、B相和C相三相外定子电枢绕组单独工作，D相、E相和F相三相内定子电枢绕组单独工作，及两套电枢绕组同时工作。励磁绕组失磁故障时，电机工作在开关磁阻电机状态，电感上升的相通正电流，此时A相、B相和C相三相外定子电枢绕组单独工作出力有限，可实现D相、E相和F相三相内定子电枢绕组单独工作，及两套电枢绕组同时工作。

实施例二

实施例一所述内、外两个同心式定子分别是开关磁阻电机定子结构和电励磁双凸极电机定子结构，实施例二采用外开关磁阻电机定子和内电励磁双凸极电机定子结构，如图9所示。并通过对实施例一和例二所示电机静态转矩的初步对比，励磁绕组位置并不影响电机的转矩输出。但考虑到内定子槽满率紧张，建议采用外定子为电励磁双凸极电机定子，内定子为开关磁阻电机定子结构。

其余部件结构及作用与实施例一相同，在此不再一一赘述。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种失磁容错的双定子电励磁双凸极电机，其特征在于，包含壳体、定子、转子、转轴、第一轴承、第二轴承、前端盖和后端盖；

所述定子包含内定子和外定子，所述内定子、外定子为同心式定子；电机的外定子极数为6N，转子极数为4N，内定子极数为6N, N为正整数；

所述壳体为两端开口的空心柱状体，且内壁呈圆柱状；所述前端盖、后端盖分别和所述壳体的两端固连；所述前端盖上设有供所述转轴穿出的通孔；

所述外定子包含外定子铁心、设置在外定子铁心上的A相、B相、C相三相外定子电枢绕组、以及在外定子铁心上跨三个定子极缠绕的励磁绕组；所述内定子包含内定子铁心、以及设置在内定子铁心上的D相、E相、F相三相内定子电枢绕组；所述外定子铁心、内定子铁心均为两端开口的空心圆柱体；

所述转子采用杯形转子，包含转子铁心和以及设置在转子铁心上的隔磁桥；所述转子铁心呈空心杯状、即一端开口一端封闭的空心圆柱体，其封闭端端面的中心设有供所述转轴穿过的通孔；

所述壳体、外定子铁心、转子铁心、内定子铁心、转轴由外至内依次同轴设置，其中，所述外定子铁心的外壁和所述壳体的内壁固连；所述转轴穿过转子铁心封闭端端面中心的通孔、和所述转子铁心固连，且转轴一端通过所述第二轴承和所述后端盖的中心相连、另一端穿过所述前端盖中心的通孔且通过所述第一轴承和前端盖相连；所述内定子铁心的一端和所述后端盖固连；

所述A相、B相、C相三相外定子电枢绕组和D相、E相、F相三相内定子电枢绕组均为集中绕组。

2.根据权利要求1所述的失磁容错的双定子电励磁双凸极电机，其特征在于，所述外定子铁心、内定子铁心的极弧系数均为0.5，转子铁心的极弧系数为0.33。

3.根据权利要求1所述的失磁容错的双定子电励磁双凸极电机，其特征在于，所述内定子为电励磁双凸极电机定子结构，外定子为开关磁阻电机定子结构。

4.根据权利要求1所述的失磁容错的双定子电励磁双凸极电机，其特征在于，所述外定子为电励磁双凸极电机定子结构，内定子为开关磁阻电机定子结构。

5.根据权利要求1所述的失磁容错的双定子电励磁双凸极电机，其特征在于，所述双定子电励磁双凸极电机采用H桥变换器控制，其中，所述A相、B相、C相三相外定子电枢绕组及D相、E相、F相三相内定子电枢绕组分别与H桥变换器的六个桥臂的中点连接。

6.基于权利要求4所述的失磁容错的双定子电励磁双凸极电机的工作方法，其特征在于，包含以下工作过程：

励磁绕组正常励磁时，双定子电励磁双凸极电机工作在电励磁双凸极电机状态，此时A相、B相、C相三相外定子电枢绕组单独工作、或D相、E相、F相三相内定子电枢绕组单独工作、或A相、B相、C相三相外定子电枢绕组和D相、E相、F相三相内定子电枢绕组同时工作；

励磁绕组失磁故障时，双定子电励磁双凸极电机工作在开关磁阻电机状态，此时A相、B相、C相三相外定子电枢绕组单独工作出力有限，D相、E相、F相三相内定子电枢绕组单独工作，或A相、B相、C相三相外定子电枢绕组和D相、E相、F相三相内定子电枢绕组同时工作。