CN110729869A - 模块化双三相永磁同步电机装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种模块化双三相永磁同步电机装置，包括：电机壳体、不导磁转轴4、定子部件1和转子部件2；所述定子部件1截面与转子部件2的截面呈同心圆形状；所述定子部件1与转子部件2设置于电机壳体所限制的空间内；所述转子部件2包括：转子铁芯构件3和永磁体构件；所述转子部件2与定子部件1之间存在预定长度的径向气隙结构；所述永磁体构件黏贴于转子部件2的外表面；所述永磁体构件沿铁芯表面的圆周均匀分布；定子部件1包括：E型铁芯单元；所述E型铁芯单元包括：电枢齿构件601、容错齿构件602；所述电枢齿构件601与容错齿构件602交错排列；不导磁转轴4与转子部件2相连。本发明能够提高电机系统的可靠性。

Description

模块化双三相永磁同步电机装置
技术领域
本发明涉及同步电机领域，具体地，涉及一种模块化双三相永磁同步电机装置，尤其涉及一种新型模块化双三相永磁同步电机装置。
背景技术
多电/全电飞机使用电动力推进系统代替内燃机动力，从而获得了很多优点和独特品质。最突出的优点是节能环保，效率高能耗低，同时实现接近零排放，噪声和振动水平很低，乘坐舒适性好，是名符其实的环境友好飞机。此外，还具有安全可靠(不会发生爆炸和燃料泄漏)、结构简单、操作使用简便、维修性好、费用低、经济性好等特点。在设计上也有很多优势：总体布局灵活，可采用最佳布局和非常规创新布局等。但多电/全电飞机对其电机驱动系统的要求较为苛刻，主要体现在以下几个方面：1)高功率密度。这一直是电机主要发展方向之一，尤其在飞机电机中。飞机在飞行中将消耗大量的电能，对电机功率密度的要求与日俱增。传统电机的功率密度在0.5kW/kg，而飞机电机对功率密度的要求要至少达到1.5kW/kg，远期目标更是要达到7kW/kg；虽然飞机对电机的可靠性和更换周期都有严格规定，但在极端恶劣环境，如高盐度，高湿度地区等，电机仍存在提前失效的可能，在这种情况下，电机如果可以某种方式短时间容错运行，就可为操纵飞机迫降或逃生提供更多的时间，提高人员生还的可能性，更好的保证生命安全。
基于双三相永磁电机的EHA和EMA在多电/全电飞机的应用已经非常广泛。而对于中国进行技术封锁，因此中国用于飞机上的EHA和EMA多来源于进口，极大的制约了新型EHA和EMA的国产化。然而，新型伺服机构的多余度设计在国外航天领域同样处于起步阶段。因此，我国未来载人运载火箭伺服机构技术可针对需求，在追赶国外先进技术的基础上实现适度跨越式发展。针对EHA和EMA应用场合的双余度永磁电机的设计已经迫在眉睫。双余度永磁同步电机是将余度技术与永磁同步电机相结合而形成的产物。它既具备了永磁同步电机调速范围宽、动态响应快以及功率密度高等优点，又能提高电机系统的安全性和可靠性。
专利文献CN109980799A公开了一种同步电机，包括带有定子线圈的定子以及带有转子极和永磁体的转子，其中每个转子极的面对定子的端侧具有叠加于基本轮廓的径向的波动。该专利在提高电机系统的安全性和可靠性上仍有改善的空间。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种模块化双三相永磁同步电机装置。
根据本发明提供的一种模块化双三相永磁同步电机装置，包括：电机壳体、不导磁转轴4、定子部件1和转子部件2；所述定子部件1截面与转子部件2的截面呈同心圆形状；所述定子部件1与转子部件2设置于电机壳体所限制的空间内；所述转子部件2包括：转子铁芯构件3和永磁体构件；所述转子部件2与定子部件1之间存在预定长度的径向气隙结构；所述永磁体构件黏贴于转子部件2的外表面；所述永磁体构件沿铁芯表面的圆周均匀分布；定子部件1包括：E型铁芯单元；所述E型铁芯单元包括：电枢齿构件601、容错齿构件602；所述电枢齿构件601与容错齿构件602交错排列；不导磁转轴4与转子部件2相连。
优选地，所述径向气隙结构为长度可调节的径向气隙结构。
优选地，E型铁芯单元的数量为6个；所述6个E型铁芯单元拼接形成类圆环形。
优选地，所述E型铁芯单元包括：1个电枢齿构件601、2个容错齿构件602；
优选地，所述电枢齿构件601绕有一相集中的绕组5；所述绕组5的匝数为预定数值；绕组5设置于电枢齿构件601的中心位置。
优选地，每一个E型铁芯单元的容错齿构件602与相邻两个E型铁芯单元的容错齿构件602之间设置有预定气隙间隔；确保电机相与相之间完全隔离，从而提高电机的容错运行能力，
优选地，所述永磁体构件的数量为12块；所述12块永磁体构件沿铁芯表面的圆周均匀分布；所述12块永磁体构件沿径向充磁，且其充磁方向交替相反；所述12块永磁体构件的表面注入三次谐波分量。
优选地，所述绕组5分别构成两套三相绕组，两套三相绕组之间相差30°。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明避免了现有的不等齿结构电机和模块化电机都存在局限性，通过增加电机的基波绕组系数从而提升电机的转矩密度；
2、本发明避免了气隙间隔的引入对电机齿槽转矩带来的严重影响；本发明避免了磁通间隙过大对齿槽转矩周期性的影响，提高了电机系统的安全性和可靠性。
3、本发明将余度技术应用在电机绕组上，即在一套电机系统中，同时采用两套电枢绕组。在电机控制方面，对两套绕组采用容错的控制方式，每套绕组均各自配有驱动器。两套绕组能同时工作，当其中一套绕组出现故障时，另一套绕组仍然能够正常工作。即通过采用绕组冗余技术，提高电机系统的可靠性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的剖面模型结构示意图。
图2为本发明电机的剖面模型中三相绕组示意图；
图3为本发明电机与已有电机的空载磁链对比图；
图4为本发明电机与已有电机的气隙磁密对比图；
图5为本发明电机与已有电机的输出转矩对比图
图中：
定子部件 1 绕组 5
转子部件 2； 一套三相绕组 501
转子铁芯构件 3 电枢齿构件 601
不导磁转轴 4 容错齿构件 602
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种模块化双三相永磁同步电机装置，包括：电机壳体、不导磁转轴4、定子部件1和转子部件2；所述定子部件1截面与转子部件2的截面呈同心圆形状；所述定子部件1与转子部件2设置于电机壳体所限制的空间内；所述转子部件2包括：转子铁芯构件3和永磁体构件；所述转子部件2与定子部件1之间存在预定长度的径向气隙结构；所述永磁体构件黏贴于转子部件2的外表面；所述永磁体构件沿铁芯表面的圆周均匀分布；定子部件1包括：E型铁芯单元；所述E型铁芯单元包括：电枢齿构件601、容错齿构件602；所述电枢齿构件601与容错齿构件602交错排列；不导磁转轴4与转子部件2相连。
优选地，所述径向气隙结构为长度可调节的径向气隙结构。
优选地，E型铁芯单元的数量为6个；所述6个E型铁芯单元拼接形成类圆环形。
优选地，所述E型铁芯单元包括：1个电枢齿构件601、2个容错齿构件602；
优选地，所述电枢齿构件601绕有一相集中的绕组5；所述绕组5的匝数为预定数值；绕组5设置于电枢齿构件601的中心位置。
优选地，每一个E型铁芯单元的容错齿构件602与相邻两个E型铁芯单元的容错齿构件602之间设置有预定气隙间隔；确保电机相与相之间完全隔离，从而提高电机的容错运行能力，
优选地，所述永磁体构件的数量为12块；所述12块永磁体构件沿铁芯表面的圆周均匀分布；所述12块永磁体构件沿径向充磁，且其充磁方向交替相反；所述12块永磁体构件的表面注入三次谐波分量。
优选地，所述绕组5分别构成两套三相绕组，两套三相绕组之间相差30°。
具体地，在一个实施例中，电机的定子由6个E型铁芯组成，相邻的E型铁芯之间由气隙隔断，非隔断的定子齿为电枢齿，绕组采用单层集中绕组，每一个电枢齿上是一相绕组，绕组501构成一套三相绕组，其余绕组构成另一套三相绕组，两套绕组之间相差30°。调整电枢齿、容错齿和气隙间隔的宽度，使得电机的槽距与极距相等，提高电机的绕组系数，从而提升电机的转矩密度。
图3为本发明电机和已有电机的空载磁链对比图，两款电机除了定子模型参数不一致外，转子和绕组参数一致，可以看出本发明电机的磁链比已有电机的磁链高出16％。图4为本发明电机和已有电机的气隙磁密对比图。图5为本发明电机和已有电机的输出转矩对比图，可以看到本发明电机的输出转矩比已有电机的输出转矩多0.42Nm，且转矩波动比已发明电机低了19.2％。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
本发明虽为一种新型模块化双三相永磁同步电机，但也可以作为一种通用的高可靠动力转化装置，适用于其他伺服电机的应用领域。应用者可以根据其特殊的应用领域通过修改硬件参数等方式来灵活方便地实现其功能。
由于采用的是分数槽集中绕组，电机的分布系数为1，因此决定电机绕组系数的因素变为极距和槽距。当电机转子一定时，其极距也就不会发生变化，想要得到最大的基波绕组系数，就必须要使得槽矩和极距一致。对于传统等齿宽12槽10极电机而言，槽矩小于极距，无法使得基波绕组系数为1，因此采用新型模块化双三相永磁同步电机，通过调整电枢齿的宽度，使得一个E型铁芯的槽矩等于极距，从而确保基波绕组系数为1.但此时由于电枢齿齿宽较大，在保证槽面积不变的前提下，辅助齿的齿宽太窄，辅助齿过饱和，从而大大降低了电机的输出转矩。因此调整电枢齿和辅助齿的大小，在确保电机定子的最大空载磁密低于1.5T时，选择基波系数最大的定子齿宽度。
本发明避免了现有的不等齿结构电机和模块化电机都存在局限性，通过增加电机的基波绕组系数从而提升电机的转矩密度；本发明避免了气隙间隔的引入对电机齿槽转矩带来的严重影响；本发明避免了磁通间隙过大对齿槽转矩周期性的影响，提高了电机系统的安全性和可靠性。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种模块化双三相永磁同步电机装置，其特征在于，包括：电机壳体、不导磁转轴(4)、定子部件(1)和转子部件(2)；
所述定子部件(1)截面与转子部件(2)的截面呈同心圆形状；
所述定子部件(1)与转子部件(2)设置于电机壳体所限制的空间内；
所述转子部件(2)包括：转子铁芯构件(3)和永磁体构件；
所述转子部件(2)与定子部件(1)之间存在预定长度的径向气隙结构；
所述永磁体构件黏贴于转子部件(2)的外表面；
所述永磁体构件沿铁芯表面的圆周均匀分布；
定子部件(1)包括：E型铁芯单元；
所述E型铁芯单元包括：电枢齿构件(601)、容错齿构件(602)；
所述电枢齿构件(601)与容错齿构件(602)交错排列；
不导磁转轴(4)与转子部件(2)相连。
2.根据权利要求1所述的模块化双三相永磁同步电机装置，其特征在于，所述径向气隙结构为长度可调节的径向气隙结构。
3.根据权利要求1所述的模块化双三相永磁同步电机装置，其特征在于，E型铁芯单元的数量为6个；
所述6个E型铁芯单元拼接形成类圆环形。
4.根据权利要求3所述的模块化双三相永磁同步电机装置，其特征在于，所述E型铁芯单元包括：1个电枢齿构件(601)、2个容错齿构件(602)。
5.根据权利要求1所述的模块化双三相永磁同步电机装置，其特征在于，所述电枢齿构件(601)绕有一相集中的绕组(5)；
所述绕组(5)的匝数为预定数值；
绕组(5)设置于电枢齿构件(601)的中心位置。
6.根据权利要求4所述的模块化双三相永磁同步电机装置，其特征在于，每一个E型铁芯单元的容错齿构件(602)与相邻两个E型铁芯单元的容错齿构件(602)之间设置有预定气隙间隔。
7.根据权利要求1所述的模块化双三相永磁同步电机装置，其特征在于，所述永磁体构件的数量为12块；
所述12块永磁体构件沿铁芯表面的圆周均匀分布；
所述12块永磁体构件沿径向充磁，且其充磁方向交替相反；
所述12块永磁体构件的表面注入三次谐波分量。
8.根据权利要求5所述的模块化双三相永磁同步电机装置，其特征在于，所述绕组(5)分别构成两套三相绕组，两套三相绕组之间相差30°。
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