CN110739792A - 一种双层绕组Halbach容错电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双层绕组Halbach容错电机，包括定子、转子和Halbach永磁体阵列，定子槽被槽楔沿径向分割为上层槽和下层槽，上层槽沿径向截面为扇形结构，下层槽沿径向截面为圆弧酒杯形结构，上下层槽内分别嵌有同相绕组。正常运行时，相邻定子槽的上下层绕组采用错开的方式连接；当绕组发生故障，若故障绕组与左右相邻的绕组均为同相绕组，则采用故障绕组同槽不同层绕组替代故障绕组；若故障绕组与左右相邻的绕组存在不同相，则不同相绕组和故障绕组均被同槽不同层绕组替代。定子槽的结构解决了普通定子齿局部发热的问题，绕组的双层设计提高了电机运行的安全性，使得电机结构具有较高的容错性能。

Description

一种双层绕组Halbach容错电机

技术领域

本发明涉及一种双层绕组的Halbach容错电机，属于永磁电机技术领域。

背景技术

由于机器人具有可靠稳定、工作效率高、能在高危环境下代替人工进行操作等优点，所以它的应用研究已经从传统的工业生产制造拓宽到生物工程、医疗服务、勘测探查、教育娱乐等领域。其中电机单元作为机器人最重要的零部件之一,它对机器人是否能够平稳、精准、可靠地运行至关重要。20世纪80年代Klaus Halbach教授最先提出了Halbach型永磁体阵列概念，发现该结构单侧聚磁的特性。Halbach永磁同步电机由于既包含永磁电机的体积小、调速范围宽、起动转矩大等优点，又具有Halbach永磁体阵列优点。因此，在机器人的发展中具有良好的应用前景。用于机器人关节的电机，对其容错性提出了更高的要求。S.U.Chung等人将永磁电机采用分数槽集中绕组并且引入容错齿，从而满足容错性能。但是分数槽集中绕组会使磁动势谐波增大；采用容错齿结构会降低电机的槽满率，降低了电机的效率和功率密度。因此，需要设计新型的Halbach永磁同步电机满足关节电机的容错性能的要求。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种适合于机器人关节的双层绕组的Halbach容错电机，解决Halbach永磁体阵列单边聚磁导致的磁饱和而引起的局部过热问题，增强电机容错性。

技术方案：一种双层绕组Halbach容错电机，包括定子和转子，所述转子表面布设Halbach阵列组成的永磁体，所述定子包括沿圆周均匀分布的若干定子槽，所述定子槽被槽楔沿径向分割为上层槽和下层槽，所述上层槽沿径向截面为扇形结构，所述下层槽沿径向截面为圆弧酒杯形结构，所述上层槽内嵌有上层绕组，所述下层槽内嵌有下层绕组，上下两层绕组同相；

正常运行时，相邻定子槽的上下层绕组采用错开的方式连接；当绕组发生故障，若故障绕组与左右相邻的绕组均为同相绕组，则采用所述故障绕组同槽不同层绕组替代故障绕组；若所述故障绕组与左右相邻的绕组存在不同相，则不同相绕组和故障绕组均被同槽不同层绕组替代。

进一步的，所述定子槽的底部采用左右对称的圆弧形半闭口槽。

进一步的，所述槽楔为工字型结构，顶端侧壁为矩形结构，底端侧壁为圆弧形结构。

有益效果：本发明所提出的双层绕组的Halbach容错电机，其定子槽的结构解决了普通定子齿局部发热的问题，避免了电机过载烧坏、永磁体去磁的风险，提高了电机运行的安全性。

定子槽内分为上、下两层绕组，同槽上下两层绕组同相，正常运行时，为了避免相间短路，相邻定子槽的上下层绕组采用错开的方式连接；一旦绕组发生故障，若该绕组左右相邻两个绕组与其均为同相绕组，则采用所述故障同槽不同层绕组替代故障绕组，形成新的通电回路；若所述故障与其左右相邻两个绕组，存在一个及以上为不同相绕组，则不同相绕组和故障绕组均被其同槽不同层绕组替代。该结构既减小了相间短路的风险，又确保电机能够继续正常工作，提高了电机的容错性能。

附图说明

图1为一种双层绕组Halbach容错电机的二维结构示意图；

图中有：定子1、转子2、Halbach永磁体阵列3、定子槽4、上层绕组5、下层绕组6、槽楔7；

图2为定子模块示意图；

图3为定子槽上层结构细节图；

图4为定子槽下层结构细节图；

图5为1/2模型的定子绕组线圈分布图；

图6为正常工况时电机绕组连接图；

图7为发生故障时电机绕组连接图，其中(a)为C₂₁发生故障，(b)为A₃₁发生故障；

图8为单层绕组结构磁密云图；

图9为双层绕组结构磁密云图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种双层绕组Halbach容错电机，包括定子1和转子2，转子2表面布设Halbach阵列组成的永磁体3，定子1包括沿圆周均匀分布的若干定子槽4。如图2所示，定子槽4被槽楔7沿径向分割为上层槽和下层槽。如图3所示，上层槽沿径向截面为扇形结构，其中扇形结构的顶部弧长和底部弧长I₁、I₂由公式(1)、(2)表示；该结构方便绕组的缠绕。如图4所示，下层槽沿径向截面为圆弧酒杯形结构，其侧面圆弧长I₃可由公式(3)表示。定子槽4的底部采用左右对称的圆弧形半闭口槽，圆弧半径用r表示。该槽型结构，减小定子齿部的磁密，热负荷降低，从而使得温度降低，解决了一般槽型在齿部因磁密过高而导致局部发热的问题。插槽7为工字型结构，顶端侧壁为矩形结构，底端侧壁为圆弧形结构；该插槽便于封住槽口，压紧并分隔上下两层绕组。同时顶端侧壁和底端侧壁的形状设计，适用于该定子槽上下两层不同的形状，减小电机运行时磨损，保证了电机运行时的安全性、稳定性。

上式中，L₁为扇形结构的顶部弧半径，L₂为扇形结构的底部弧半径，L₃为圆弧酒杯形结构侧面圆弧半径，α为扇形结构的内弧度角，10°<α<20°，β为圆弧酒杯形结构侧面圆弧的内弧度角，10°<β<30°。由于上下层槽形状组合不同，以及I₁、I₂、I₃、α、β、L₁、L₂、L₃参数尺寸不同的选择，可得到不同的定子槽结构。

本实施例中，定子绕组线圈分布如图5所示，以图示上下A₁₁-B₃₂这9对绕组为例，正常运行工况时的绕组连接方式如图6所示，上层槽内嵌有上层绕组5，下层槽内嵌有下层绕组6，上下两层绕组同相。

正常运行时，为了避免相间短路，相邻定子槽4的上下层绕组采用错开的方式连接。当绕组发生故障，如图7(a)情况所示，C₂₁此时发生故障，相邻的C₁₂、C₃₂与C₂₁相位相同，则选用该绕组同槽不同层绕组C₂₂替代故障绕组C₂₁，形成新的通电回路。若故障绕组与左右相邻的绕组存在不同相，如图7(b)情况所示，A₃₁此时发生故障，相邻的A₂₂与C₁₂中，存在相位不同的C₁₂，则不同相绕组C₁₂和故障绕组A₃₁均被其各自同槽不同层绕组C₁₁和A₃₂替代，确保电机能够继续正常工作。该双层绕组的设计，提高了电机的容错性、稳定性。

本实施中，转子永磁体共20块永磁体块，每块由5块Halbach永磁体阵列组成。如图8、图9所示，采用单层绕组结构的Halbach电机的齿局部磁密，最大磁密数值高达2.163，双层绕组结构的齿局部磁密减小了8.8％。局部磁密过高从而导致电机有效磁链减小、运行过热。本发明的双层绕组结构的Halbach电机通过对定子槽形状进行设计，过饱和点明显减少，不仅解决了电机的局部过热问题，而且还提高了电机容错性能。因此，该结构电机集中了永磁电机、Halbach永磁体阵列的优点，具有体积小、起动转矩大、转矩脉动小、效率高和容错能力强的特点，可实现关节电机的容错要求。

需要说明的是，本发明的定子槽双层绕组结构，还可将基本的层数进行整数倍扩充，得到3层、4层……等结构。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种双层绕组Halbach容错电机，其特征在于，包括定子(1)和转子(2)，所述转子(2)表面布设Halbach阵列组成的永磁体(3)，所述定子(1)包括沿圆周均匀分布的若干定子槽(4)，所述定子槽(4)被槽楔(7)沿径向分割为上层槽和下层槽，所述上层槽沿径向截面为扇形结构，所述下层槽沿径向截面为圆弧酒杯形结构，所述上层槽内嵌有上层绕组(5)，所述下层槽内嵌有下层绕组(6)，同槽上下两层绕组同相；

正常运行时，相邻定子槽(4)的上下层绕组采用错开的方式连接；当绕组发生故障，若故障绕组与左右相邻的绕组均为同相绕组，则采用所述故障绕组同槽不同层绕组替代故障绕组；若所述故障绕组与左右相邻的绕组存在不同相，则不同相绕组和故障绕组均被同槽不同层绕组替代。

2.根据权利要求1所述的双层绕组Halbach容错电机，其特征在于，所述定子槽(4)的底部采用左右对称的圆弧形半闭口槽。

3.根据权利要求1或2所述的双层绕组Halbach容错电机，其特征在于，所述槽楔(7)为工字型结构，顶端侧壁为矩形结构，底端侧壁为圆弧形结构。

Images