CN110556931B - 模块化多相交流容错电机 - Google Patents

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Abstract

一种模块化多相交流容错电机，属于电机容错技术领域。本发明针对现有模块化容错电机在绕组故障状态下无法实现磁、热及物理真正隔离的问题。包括转子和定子，转子与定子之间为气隙；所述定子包括沿圆周方向均匀分布的2k个定子模块；相邻定子模块之间设置隔离齿；每个定子模块包括均匀连续排列的jm个定子齿，m≥3；每个定子齿上缠绕一个线圈；所有定子齿上的线圈构成m相绕组；所述转子包括永磁体磁轭和永磁体，永磁体设置在永磁体磁轭上，永磁体个数与转子极数相对应；所述转子极数2P＝2k(jm‑1)+2i，或2P＝2k(jm‑3)+2i，其中j为奇数；或者转子极数2P＝2k(jm‑2)+2i，其中j为偶数；其中i为正整数，P为电机的极对数。本发明通过极槽结构配合实现电机的电、磁、热及物理隔离。

Description

模块化多相交流容错电机
技术领域
本发明涉及模块化多相交流容错电机，属于电机容错技术领域。
背景技术
近些年，由于永磁同步电机具有转矩密度高、功率密度高和效率高等优点，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，对永磁同步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安全运行，并防止故障影响进一步扩大。现有技术一般是通过提高电机相数和采用单层绕组来提高电机的容错性能。其中采用单层绕组或增加额外的容错齿是实现绕组物理隔离的重要手段，但是会对电机电磁性能造成较大损失。如单层绕组谐波含量丰富，会引起额外转子涡流损耗；增加容错齿改变定子齿槽结构导致定子槽面积减小，转矩密度降低，也会增加额外的加工成本。提高电机相数，如采用五相、七相或双三相结构，可以增加电机控制的冗余度，在电机发生故障如一相断路后，仍然有足够的相数自由度保证电机的运行，为故障处理争取时间，这种方法虽然可以保证故障后电机继续运行，但绕组间仍然有耦合，不能实现电磁隔离。
模块化容错电机是在传统多相交流电机的基础上加以改进，把原来一个定子圆周空间内的多相绕组划分成若干个单元，每个模块多相绕组单元配备独立的驱动控制系统，独立受控。现有的24槽16极模块化三相绕组永磁同步电机拓扑如图1所示。这种电机在正常工作状态下，可实现模块化驱动与控制；但在绕组故障状态下，各单元模块之间存在磁耦合和热耦合，不能真正实现磁、热及物理隔离。
发明内容
针对现有模块化容错电机在绕组故障状态下，由于各模块之间的磁耦合和热耦合而无法实现磁、热及物理真正隔离的问题，本发明提供一种模块化多相交流容错电机。
本发明的一种模块化多相交流容错电机，包括转子和定子，转子与定子之间为气隙；所述定子包括沿圆周方向均匀分布的2k个定子模块，所述k为正整数；相邻定子模块之间设置隔离齿；
每个定子模块包括均匀连续排列的jm个定子齿，其中j为正整数，m为电机的相数，m≥3；每个定子齿上缠绕一个线圈；所有定子齿上的线圈构成m相绕组；
所述转子包括永磁体磁轭和永磁体，永磁体设置在永磁体磁轭上，永磁体个数与转子极数相对应；
所述转子极数2P＝2k(jm-1)+2i，或2P＝2k(jm-3)+2i，其中j为奇数；或者转子极数2P＝2k(jm-2)+2i，其中j为偶数；其中i为正整数，P为电机的极对数。
根据本发明的模块化多相交流容错电机，相邻定子模块之间隔离齿的个数包括1个或2个。
根据本发明的模块化多相交流容错电机，所述隔离齿与定子齿的齿宽和齿高至少其一不等。
根据本发明的模块化多相交流容错电机，所述隔离齿两侧的隔离槽与相邻定子齿之间的定子槽的槽宽不等。
根据本发明的模块化多相交流容错电机，所述隔离齿上设置故障检测线圈。
根据本发明的模块化多相交流容错电机，每个定子模块对应配置一个用于驱动的逆变器。
根据本发明的模块化多相交流容错电机，所述逆变器的驱动形式包括H桥驱动、具有零电位的双电源多相半桥驱动或多相桥驱动。
根据本发明的模块化多相交流容错电机，相邻定子模块的对应相电流相位相同或相反。
根据本发明的模块化多相交流容错电机，所述永磁体的设置形式包括表贴式、内嵌式或Halbach阵列式。
根据本发明的模块化多相交流容错电机，每个定子模块中依次连续的j个定子齿上的线圈作为一相绕组；
或者每个定子模块中依次连续的m个定子齿作为一个定子齿组，形成j个定子齿组；每个定子齿组中相应的定子齿上缠绕的线圈作为一相绕组。
本发明的有益效果：本发明所述的模块化多相交流容错电机，主要由定子和转子构成。它通过对定转子极槽配合和电磁结构的设计，来消除定子模块之间的磁耦合和热耦合，实现电、磁、热及物理的完全隔离。具有电机结构简单，制造方便的优势。
本发明通过极槽结构配合实现的电、磁、热及物理隔离，使所述电机能有效应对开路、短路、极限故障以及多模块故障等严苛的工况。当一相或多相绕组故障时，可切断故障模块，其余模块绕组正常运行，实现故障时较长时间正常或降额运行，提高了电机的可靠性和容错性。
本发明具有驱动控制简单、转矩密度大、转矩波动小、容错能力强及可靠性高等特点，在多电/全电飞机推进、无人机推进、电动车辆驱动等航空、交通领域中具有良好的应用前景。
附图说明
图1是根据本发明所述的模块化多相交流容错电机，以40槽36极电机为例的结构示意图；
图2是根据本发明所述的模块化多相交流容错电机，以40槽28极电机为例的结构示意图；
图3是现有24槽16极模块化三相绕组永磁同步电机拓扑图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一、结合图1和图2所示，本发明提供了一种模块化多相交流容错电机，包括转子100和定子200，转子100与定子200之间为气隙；所述定子200包括沿圆周方向均匀分布的2k个定子模块210，所述k为正整数；相邻定子模块210之间设置隔离齿220；
每个定子模块210包括均匀连续排列的jm个定子齿211，其中j为正整数，m为电机的相数，m≥3；每个定子齿211上缠绕一个线圈；所有定子齿211上的线圈构成m相绕组；
所述转子100包括永磁体磁轭110和永磁体120，永磁体120设置在永磁体磁轭110上，永磁体120个数与转子极数相对应；
所述转子极数2P＝2k(jm-1)+2i，或2P＝2k(jm-3)+2i，其中j为奇数；或者转子极数2P＝2k(jm-2)+2i，其中j为偶数；其中i为正整数，P为电机的极对数。
本实施方式中定子齿211上的线圈可以根据电机设计需要，相互之间采用不同连接方式形成多相绕组；隔离齿220上没有线圈。
结合图1和图2所示电机为内转子，外定子形式；其中转子结构还包括转轴；本发明所述电机也可以为内定子外转子形式。
进一步，结合图1和图2所示，相邻定子模块210之间隔离齿220的个数包括1个或2个。根据实际使用需要，可选择隔离齿220的设置个数。2个隔离齿220的形式，可进一步增强定子模块之间的隔离效果，例如会获得更好的隔热效果。
进一步，结合图1和图2所示，所述隔离齿220与定子齿211的齿宽和齿高至少其一不等。
再进一步，所述隔离齿220两侧的隔离槽与相邻定子齿211之间的定子槽的槽宽不等。
再进一步，可以在所述隔离齿220上设置故障检测线圈。可通过故障检测线圈获得的参考量的变化对电机故障进行判断。
再进一步，每个定子模块210对应配置一个用于驱动的逆变器。
本发明将传统的三相电机设计与控制技术的成熟性与模块化容错拓扑相结合，将二者的优点集成到一起。对每个定子模块210采用独立的控制器控制，将大功率高转矩需求合理分配给各个模块，既可以有效利用传统三相电机系统技术成熟的优势，又能够减小系统中每个定子模块和驱动单元所需的电流和功率等级，用容量更小、更容易集成的多个驱动控制器，来替代一个体积大、功率等级高的驱动控制器。
再进一步，所述逆变器的驱动形式包括H桥驱动、具有零电位的双电源多相半桥驱动或多相桥驱动。
再进一步，相邻定子模块210的对应相电流相位相同或相反。
作为示例，所述永磁体120的设置形式包括表贴式、内嵌式或Halbach阵列式。
再进一步，结合图1和图2所示，每个定子模块210中依次连续的j个定子齿211上的线圈作为一相绕组；
或者每个定子模块210中依次连续的m个定子齿211作为一个定子齿组，形成j个定子齿组；每个定子齿组中相应的定子齿211上缠绕的线圈作为一相绕组。
例如，图1所示，以电机的相数为3相为例，则每个定子模块210中的前三个定子齿211上的线圈连接在一起形成一相绕组，中间三个定子齿211上的线圈连接在一起形成第二相绕组，最后三个定子齿211上的线圈连接在一起形成第三相绕组。
再例如，图2所示，将定子模块210中前三个定子齿211作为第一个定子齿组，中间三个定子齿211作为第二个定子齿组，最后三个定子齿211作为第三个定子齿组，则第一个定子齿组、第二个定子齿组及第三个定子齿组中顺序的第一个定子齿211上的线圈形成一相绕组；第一个定子齿组、第二个定子齿组及第三个定子齿组中顺序的第二个定子齿211上的线圈形成第二相绕组；第一个定子齿组、第二个定子齿组及第三个定子齿组中顺序的第三个定子齿211上的线圈形成第三相绕组。
本实施方式中定子模块化结构通过定子齿上缠绕的线圈可形成多套绕组之间不同连接方式，组成不同相数容错电机，实现绕组结构重构；并且有利于实现集成设计，让整个驱动系统体积更小，对于车用电机来说，可以为整车预留出更多的空间。
具体实施例一：结合图1所示，所述模块化多相交流容错电机主要由定子和转子构成。定子主要由定子铁心和定子绕组构成；转子主要由永磁体、永磁体磁轭和转轴构成。其定子模块数为4，电机的相数为三相。每个定子模块有9个齿连续排列，每个齿上绕一个线圈；每相邻两个定子模块间有1个隔离齿，隔离齿上没有线圈。转子极数36极。隔离齿与定子齿的齿宽或齿高不等，隔离齿两侧的隔离槽与定子齿间槽的槽宽不等。
具体实施例二：结合图2所示，所述模块化多相交流容错电机主要由定子和转子构成。定子主要由定子铁心和定子绕组构成；转子主要由永磁体、永磁体磁轭和转轴构成。其定子模块数为4，电机的相数为三相。每个定子模块有9个齿连续排列，每个齿上绕一个线圈；每相邻两个定子模块间有1个隔离齿，隔离齿上没有线圈。转子极数28极。隔离齿与定子齿的齿宽或齿高不等，隔离齿两侧的隔离槽与定子齿间槽的槽宽不等。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (6)

1.一种模块化多相交流容错电机，包括转子(100)和定子(200)，转子(100)与定子(200)之间为气隙；其特征在于，所述定子(200)包括沿圆周方向均匀分布的2k个定子模块(210)，所述k为正整数；相邻定子模块(210)之间设置隔离齿(220)；
每个定子模块(210)包括均匀连续排列的jm个定子齿(211)，其中j为正整数，m为电机的相数，m≥3；每个定子齿(211)上缠绕一个线圈；所有定子齿(211)上的线圈构成m相绕组；
所述转子(100)包括永磁体磁轭(110)和永磁体(120)，永磁体(120)设置在永磁体磁轭(110)上，永磁体(120)个数与转子极数相对应；
所述转子极数2P＝2k(jm-1)+2i，或2P＝2k(jm-3)+2i，其中j为奇数；或者转子极数2P＝2k(jm-2)+2i，其中j为偶数；其中i为正整数，P为电机的极对数；
所述隔离齿(220)与定子齿(211)的齿宽和齿高至少其一不等；
隔离齿(220)两侧的隔离槽与相邻定子齿(211)之间的定子槽的槽宽不等；
所述隔离齿(220)上设置故障检测线圈；
相邻定子模块(210)的对应相电流相位相同或相反。
2.根据权利要求1所述的模块化多相交流容错电机，其特征在于，
相邻定子模块(210)之间隔离齿(220)的个数包括1个或2个。
3.根据权利要求1或2所述的模块化多相交流容错电机，其特征在于，每个定子模块(210)对应配置一个用于驱动的逆变器。
4.根据权利要求3所述的模块化多相交流容错电机，其特征在于，所述逆变器的驱动形式包括H桥驱动、具有零电位的双电源多相半桥驱动或多相桥驱动。
5.根据权利要求1或2所述的模块化多相交流容错电机，其特征在于，所述永磁体(120)的设置形式包括表贴式、内嵌式或Halbach阵列式。
6.根据权利要求1或2所述的模块化多相交流容错电机，其特征在于，
每个定子模块(210)中依次连续的j个定子齿(211)上的线圈作为一相绕组；
或者每个定子模块(210)中依次连续的m个定子齿(211)作为一个定子齿组，形成j个定子齿组；每个定子齿组中相应的定子齿(211)上缠绕的线圈作为一相绕组。
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