CN111010009A - 一种多相高可靠性永磁盘式电机 - Google Patents

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赵博
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张存山
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Abstract

本发明公开了一种多相高可靠性永磁盘式电机，其包括：位于上部的机盖、位于下部的机底和布置在机盖与机底之间的左定子、转子、右定子，转子处于左定子和右定子中间，左定子和右定子分布在转子左右两旁，左定子和右定子上缠绕绕组，左定子、转子、右定子上穿过轴承实现连接，从左定子方向看，转子按着顺时针方向向里转。本发明定子绕组分为两套独立的三相绕组，彼此中性点绝缘，各对应相绕组间互差60°电角度，当六相绕组其中一套三相绕组发生短路、断路故障时，不影响另外一套三相绕组工作；在直径尺寸受限时，盘式电机可以通过轴向串联方式来增加整机功率。

Description

一种多相高可靠性永磁盘式电机
技术领域
本发明属于多相电机技术领域，涉及一种多相高可靠性永磁盘式电机。
背景技术
多相电机及其系统以其独特的优点成为近年来研究的热点，与传统三相电机系统相比，多相电机及其调速系统具有以下突出优点：首先可采用低电压等级的功率器件实现大功率驱动，从而降低变频器成本，提高系统可靠性；其次随着相数的增加，转矩脉动频率提高，幅值下降，进而降低电机的噪声和振动；绕组的冗余可保证多相电机具有较高的容错能力，提高电机运行的安全性和可靠性；最后在相同的电流有效值情况下，可以通过谐波电流注入提高转矩输出，同时提高变频器直流母线电压利用率，扩大恒功率运行范围，提高转速比。
传统三相盘式永磁电机中任意一相烧毁电机便会停止工作，在短时间内无法解决故障来使得电机继续运行，并且电机每极每相槽数越大，绕组端部越大，使得绕组的利用率越低并且铜耗越大，这就导致了传统三相盘式永磁电机功率容量不可能超越几个千瓦。
现有的多相电机技术方案类型主要包括以下两种类型：
CN108321999A七相盘式永磁同步电机：该电机至少三组转子，转子共用一个定子，定子绕组为七相环形绕组，定子铁心沿径向方向定子外圆周槽和内圆周槽的导体属于同一相线圈。永磁体放置在转子铁心轭内，为表贴式结构。第一转子铁心轭内侧设置第一永磁体，第二转子铁心轭设置第二永磁体，第三转子铁心轭设置第三永磁体，第二永磁体和第三永磁体的磁极数相等，均为第一永磁体的三分之一，这构成了双极性转子结构。三个转子永磁体磁路在定子铁心中方向相同，为并联磁路，相互独立，互不影响。但是若该电机某一相绕组过热发生故障时，与之在同一个电枢槽里的另一相绕组也将面临烧毁的可能，这使得电机可靠性降低。
在结构方面对盘式电机进行改进：现有的技术方案有CN104767340A基于单双层混合绕组的模块化盘式多相永磁同步电机，解决了常规盘式多相永磁同步电机在发生绕组短路等故障时，故障隔离难度大的问题。但是该电机需要每相之间具有良好的电隔离、磁隔离、热隔离和物理隔离，这使得电机生产过程复杂，难于实现和制造。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种多相高可靠性永磁盘式电机，解决现有电机可靠性不足的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种多相高可靠性永磁盘式电机，其包括：位于上部的机盖4、位于下部的机底5和布置在机盖4与机底5之间的左定子2、转子1、右定子3，转子1处于左定子2和右定子3中间，左定子2和右定子3分布在转子1左右两旁，左定子2和右定子3上缠绕绕组8，左定子2、转子1、右定子3上穿过轴承6实现连接，从左定子2方向看，转子1按着顺时针方向向里转。
其中，所述左定子2上周向均布设置有12个电枢槽7，相邻的两两电枢槽7为一组，绕组8缠绕在一组电枢槽7里，将绕组布满左定子2的12个电枢槽7，形成A、B、C三相绕组，A、B、C三相绕组彼此相差120°。
其中，所述右定子3上周向均布设置有12个电枢槽，相邻的两两电枢槽为一组，绕组缠绕在一组电枢槽里，将绕组布满右定子3的12个电枢槽，形成D、E、F三相绕组，D、E、F三相绕组彼此相差120°；D相绕组与A相绕组相差60°布置，E、F两相绕组与D相绕组彼此相差120°。
其中，所述右定子3上周向均布设置有12个电枢槽，相邻的两两电枢槽为一组，绕组缠绕在一组电枢槽里，将绕组布满右定子3的12个电枢槽，形成D、E、F三相绕组，D、E、F三相绕组彼此相差120°；D相绕组与A相绕组相差30°布置，E、F两相绕组与D相绕组彼此相差120°。
其中，所述转子1上沿周向镶嵌有交替排列的N极和S极永磁体。
其中，所述永磁体均为轴向充磁，且永磁体磁路在转子铁心中方向相同，为并联磁路，相互独立；磁路从转子1上的N极出发，经过左定子铁心，回到转子S极上，同时，也经过右定子铁心，回到转子S极，在转子铁心中形成并联磁路。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的多相高可靠性永磁盘式电机，相比与传统径向多相电机，其中任何一相烧毁，会在槽内、端部位置连带其他相绕组跟随烧毁，新型高可靠性盘式电机定子绕组在空间上并不相邻，当一相绕组发生过热损毁时，其他相绕组不受干扰，仅需从外部将故障绕组所在桥臂功率器件封锁即可，剩余非故障绕组仍可通过特定的控制算法实现多相电机的降功率运行；新型高可靠性盘式电机定子绕组分为两套独立的三相绕组，彼此中性点绝缘，各对应相绕组间互差60°电角度，当六相绕组其中一套三相绕组发生短路、断路故障时，不影响另外一套三相绕组工作；在直径尺寸受限时，盘式电机可以通过轴向串联方式来增加整机功率。
附图说明
图1为本发明实例总装图
图2-1、2-2、2-3为本发明实例新型多相高可靠性永磁盘式电机60°相带分布图
图3-1、3-2、3-3为本发明实例新型多相高可靠性永磁盘式电机30°相带分布图
图4为电机绕组原理图
图5-1、5-2为本发明实例永磁体分布图和永磁体剖面图
图6为电机的磁力线图
其中，1-转子，2-左定子，3-右定子，4-机盖，5-机底，6-转轴，7-电枢槽，8-绕组。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1所示，本发明多相高可靠性永磁盘式电机包括：位于上部的机盖4、位于下部的机底5和布置在机盖4与机底5之间的左定子2、转子1、右定子3，转子1处于左定子2和右定子3中间，左定子2和右定子3分布在转子1左右两旁，左定子2和右定子3上缠绕绕组8，左定子2、转子1、右定子3上穿过轴承6实现连接，从左定子2方向看，转子1按着顺时针方向向里转。
如图2-1、2-2、2-3所示，本实施例中，左定子2上周向均布设置有12个电枢槽7，相邻的两两电枢槽7为一组，绕组8缠绕在一组电枢槽7里，将绕组布满左定子2的12个电枢槽7，形成A、B、C三相绕组，A、B、C三相绕组彼此相差120°。同样地，右定子3上周向均布设置有12个电枢槽，相邻的两两电枢槽为一组，绕组缠绕在一组电枢槽里，将绕组布满右定子3的12个电枢槽，形成D、E、F三相绕组，D、E、F三相绕组彼此相差120°；D相绕组与A相绕组相差60°布置，E、F两相绕组与D相绕组彼此相差120°。装配时，左定子2和右定子3的绕组分布完成后，将左定子2布置在左面，中间放置转子1，右定子3布置在右面，左定子2的A相绕组与右定子3的D相绕组要始终相差60°。
图2-1、2-2、2-3中，两个定子绕组之间相差60°，形成了60°相带。
如图3所示，两个定子绕组之间相差30°，该电机便成为30°相带。图3中，左定子2上周向均布设置有12个电枢槽7，相邻的两两电枢槽7为一组，绕组8缠绕在一组电枢槽7里，将绕组布满左定子2的12个电枢槽7，形成A、B、C三相绕组，A、B、C三相绕组彼此相差120°。同样地，右定子3上周向均布设置有12个电枢槽，相邻的两两电枢槽为一组，绕组缠绕在一组电枢槽里，将绕组布满右定子3的12个电枢槽，形成D、E、F三相绕组，D、E、F三相绕组彼此相差120°；D相绕组与A相绕组相差30°布置，E、F两相绕组与D相绕组彼此相差120°。装配时，左定子2的A相绕组与右定子3的D相绕组要始终相差30°。
多相高可靠性永磁盘式电机，通常有30°相带和60°相带两种相带分布，通过两个定子之间不同角度的对接实现不同相带的分布，即如图2-1、2-2、2-3所示的永磁盘式电机60°相带分布图和图3所示的永磁盘式电机30°相带分布图，对于十二槽电机，一个绕组缠绕在两个相邻的电枢槽里，形成了两套绕组，分别为ABC和DEF，并且绕组之间彼此不重叠。
如图4所示，本实施例多相高可靠性永磁盘式电机，至少包括两套绕组，分别为ABC和DEF，相比于传统盘式电机，电机的两套绕组之间相互独立，当一套三相绕组发生短路、断路故障时，不影响另外一套三相绕组工作，这使得电机可靠性得到进一步提高。
六相绕组中，绕组之间彼此中性点绝缘，当一相绕组烧毁或开路时，该绕组所在的定子组件可直接从控制器中切除，另外的定子组件仍可正常工作。具体地，当ABC中有任意的电感发生短路或断路故障时并不会影响DEF绕组正常工作。同理当DEF中发生故障时也不会影响ABC的正常工作。一个电枢槽里只缠绕一个绕组，并且相近的两个槽里缠绕一组线圈，当电机工作时产生的热量不会对绕组产生附加影响，增加了电机的可靠性。
由于定子绕组在空间上并不相邻，所以当一相绕组发生过热损毁时，其他相绕组不受干扰，仅需从外部将故障绕组所在桥臂功率器件封锁即可，剩余非故障绕组仍可通过特定的控制算法实现多相电机的降功率运行。
如图5-1、5-2所示，为永磁体在转子1上镶嵌的平面图，N极和S极在转子1上交替排列。上述电机中所使用的永磁体均采用高性能永磁材料制成，具有耐高温的特性。永磁体均是轴向充磁，且永磁体磁路在转子铁心中方向相同，为并联磁路，相互独立，互不影响，使电机具有高可靠性。
如图6所示，磁路是从转子上的N极出发，经过左定子铁心，回到转子S极上，同时，也经过右定子铁心，回到转子S极，在转子铁心中形成并联磁路，增加了电机的可靠性。
本申请的新型永磁盘式电机结构扁平，只需要轴向串联电机便可增大功率，同时若其中一个电机损坏，可以降功率使用，增加了可靠性，由此解决直径尺寸受限和功率不高的问题。
上述多相永磁盘式电机中，一套组合由两个定子和一个转子组成，并且两个定子共用一个转子，相比于传统盘式电机，新型盘式电机由多个气隙磁场组成，且都以转子铁心轭作为其闭合磁路的一部分，并且新型电机的磁场在转子铁心轭中具有相同的方向，这使得定转子之间的磁路并联，增加了该新型盘式电机的可靠性。
由上述技术方案可以看出，本发明相比于传统盘式电机，电机具有高可靠性。
新型永磁盘式电机六相绕组彼此独立工作，当ABC绕组里某相绕组发生故障时，并不会影响DEF绕组正常工作，电机因此不会停止。同理，当DEF绕组发生故障时也不会影响ABC绕组正常工作。
传统电机一个电枢槽里会有两个或多个绕组缠绕，当电机工作时，彼此相接触的绕组会因为热量发生意外因素，影响电机的可靠性，该新型永磁盘式电机避免了这一问题的发生。
本申请的新型永磁盘式电机结构扁平，可以在直径尺寸受限的时候通过轴向串联增加功率，以满足不同情况的需要。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种多相高可靠性永磁盘式电机，其特征在于，包括：位于上部的机盖(4)、位于下部的机底(5)和布置在机盖(4)与机底(5)之间的左定子(2)、转子(1)、右定子(3)，转子(1)处于左定子(2)和右定子(3)中间，左定子(2)和右定子(3)分布在转子(1)左右两旁，左定子(2)和右定子(3)上缠绕绕组(8)，左定子(2)、转子(1)、右定子(3)上穿过轴承(6)实现连接，从左定子(2)方向看，转子(1)按着顺时针方向向里转。
2.如权利要求1所述的多相高可靠性永磁盘式电机，其特征在于，所述左定子(2)上周向均布设置有12个电枢槽(7)，相邻的两两电枢槽(7)为一组，绕组(8)缠绕在一组电枢槽(7)里，将绕组布满左定子(2)的12个电枢槽(7)，形成A、B、C三相绕组，A、B、C三相绕组彼此相差120°。
3.如权利要求2所述的多相高可靠性永磁盘式电机，其特征在于，所述右定子(3)上周向均布设置有12个电枢槽，相邻的两两电枢槽为一组，绕组缠绕在一组电枢槽里，将绕组布满右定子(3)的12个电枢槽，形成D、E、F三相绕组，D、E、F三相绕组彼此相差120°；D相绕组与A相绕组相差60°布置，E、F两相绕组与D相绕组彼此相差120°。
4.如权利要求2所述的多相高可靠性永磁盘式电机，其特征在于，所述右定子(3)上周向均布设置有12个电枢槽，相邻的两两电枢槽为一组，绕组缠绕在一组电枢槽里，将绕组布满右定子(3)的12个电枢槽，形成D、E、F三相绕组，D、E、F三相绕组彼此相差120°；D相绕组与A相绕组相差30°布置，E、F两相绕组与D相绕组彼此相差120°。
5.如权利要求3或4所述的多相高可靠性永磁盘式电机，其特征在于，所述转子(1)上沿周向镶嵌有交替排列的N极和S极永磁体。
6.如权利要求5所述的多相高可靠性永磁盘式电机，其特征在于，所述永磁体均为轴向充磁，且永磁体磁路在转子铁心中方向相同，为并联磁路，相互独立；磁路从转子(1)上的N极出发，经过左定子铁心，回到转子S极上，同时，也经过右定子铁心，回到转子S极，在转子铁心中形成并联磁路。
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