CN111463930A - 一种定子永磁辅助双电枢绕组多重电磁转矩磁阻电机结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定子永磁辅助双电枢绕组多重电磁转矩磁阻电机结构，包括均为凸极结构的定子和转子，转子和定子相对转动，定子与转子间形成环形气隙；所述定子包括定子铁芯、定子电枢绕组和定子永磁体，定子铁芯包含定子齿和定子轭部，定子电枢绕组采用两相分数槽集中绕组的结构缠绕在定子齿上，每个定子齿上设置一定子永磁体；所述转子包括转子铁芯和转子电枢绕组，转子铁芯包含转子齿和转子轭部，转子电枢绕组三相分数槽集中绕组的结构缠绕在转子齿上。本发明具有高转矩密度和容错性能强的特点，在保证强容错性的同时，进一步提高转矩密度。

Description

一种定子永磁辅助双电枢绕组多重电磁转矩磁阻电机结构

技术领域

本发明属于电机领域，具体涉及一种定子永磁辅助双电枢绕组多重电磁转矩磁阻电机结构。

背景技术

近年来，随着新能源汽车和航天飞机的发展，要求所使用的电机必须具有高转矩密度(功率密度)、高效率和高容错能力等。永磁电机转矩密度大、功率因数高，但是永磁材料价格偏高，且存在高温失磁的风险。传统开关磁阻电机结构简单、价格低廉，但存在着噪声、振动和转矩脉动较大的缺陷。传统磁场调制电机具有高转矩密度的特性，但通常也只包含一套电枢绕组，一旦绕组失效，就无法产生转矩，容错性能较差。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，提供了一种定子永磁辅助双电枢绕组多重电磁转矩磁阻电机结构。本发明具有高转矩密度和容错性能强的特点，在保证强容错性的同时，转矩密度进一步提高。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种定子永磁辅助双电枢绕组多重电磁转矩磁阻电机结构，包括均为凸极结构的定子和转子，转子和定子相对转动，定子与转子间形成环形气隙；

所述定子包括定子铁芯、定子电枢绕组和定子永磁体，定子铁芯包含定子齿和定子轭部，定子电枢绕组采用两相分数槽集中绕组的结构缠绕在定子齿上，每个定子齿上设置一定子永磁体或多个所述定子齿每间隔一个设置一定子永磁体；所有的定子永磁体的磁场为径向磁场；

所述转子包括转子铁芯和转子电枢绕组，转子铁芯包含转子齿和转子轭部，转子电枢绕组采用三相分数槽集中绕组的结构缠绕在转子齿上。

作为本发明的进一步改进，所述定子电枢绕组为两相绕组，通入交流叠加直流分量的复合电流，复合电流按照i_A+、i_B+、i_A-、i_B-的顺序依次通入定子电枢绕组；转子电枢绕组为三相绕组，转子电枢绕组通入三相对称电流，并按照i_D、i_E、i_F的顺序依次通入转子电枢绕组。

作为本发明的进一步改进，各相电流表达式为：

ω_es＝N_rω_r

ω_er＝P_arω_r

其中，I_ac为定子交流分量的有效值，I_dc为定子直流分量平均值，ω_es为定子电枢绕组电角速度，а_s为定子初相角，I_acr为转子电流的有效值，ω_er为转子电枢绕组电角速度，а_r为转子初相角，N_r为转子槽数，P_ar为转子电枢绕组极对数，ω_r为机械角速度。

作为本发明的进一步改进，所述定子电枢绕组直流分量产生的极对数为P_dc的静止磁动势通过齿数为N_r的转子齿所形成的磁导波进行磁场调制后，产成的旋转磁场与定子电枢绕组交流分量产生的极对数为P_аs的基波磁动势满足如下关系时，会产生转矩；

P_as＝|N_r±P_dc|

转子电枢绕组通入交流电后，形成P_ar对极的转子旋转磁势，当与定子直流分量产生的未经调制的直流磁势极对数相同，即满足下述公式时，会产生电磁转矩；

P_dc＝P_ar

当定子槽数N_s与转子电枢绕组的极对数为P_ar满足下述公式时，将会产生类似于同步磁阻电机的磁阻转矩分量；

N_s＝2P_ar

转子电枢绕组通入交流电后，形成的P_ar对极的转子旋转磁势，经过齿数N_r的转子齿所形成的磁导波进行磁场调制后，产生的旋转磁场与定子交流分量产生的旋转磁势极对数相同，即满足下述公式时，会产生电磁转矩；

P_as＝|N_r±P_ar|

当定子永磁体产生极对数为P_pm的静止磁动势与定子电枢绕组直流分量产生的静止磁动势的极对数P_dc相同时，会产生额外的两种电磁转矩，表达式如下：

P_as＝|N_r±P_pm|

P_pm＝P_ar。

作为本发明的进一步改进，所述定转子槽数和极对数配合为：

作为本发明的进一步改进，所述定子、转子槽数满足公式：

N_s＝k₁m_s

N_r＝k₂m_r

式中，k₁、k₂为整数，m_s为定子电枢绕组交流相数，m_r为转子电枢绕组交流相数。

作为本发明的进一步改进，

所述转子齿和转子轭部外部轮廓均为同心的圆弧结构；

所述定子齿和定子轭部外部轮廓均为同心的圆弧结构；

所述转子齿和定子齿之间为所述气隙。

与现有技术相比，具有以下优点：

本发明为双凸极结构，采用磁场调制原理，定转子铁芯凹槽中均设置有绕组，定子齿中含有辅助永磁体，定子绕组通入电流包含直流部分和两相交流部分，转子绕组通入三相交流电。正常工作时，两套绕组和定子辅助永磁体叠加，输出机械转矩，具有较高的转矩密度，并且在任意一套绕组故障时也能产生转矩，提高了电机的容错能力。结构简单，鲁棒性强，转矩密度高，容错性强，进而提高电机转矩密度。

在正常运行时，定转子电枢绕组同时供电，实现高转矩密度高效率输出。在电机定子或转子电枢绕组故障时，切除故障绕组供电，仍能产生转矩。当转子电枢绕组故障时，切除转子电枢绕组供电，对定子相绕组电流重构，此时电机含有第一和第五部分转矩，电机相当于定子永磁辅助直流偏置游标磁阻电机运行，实现短时满载运行；当定子电枢绕组故障时，切除定子电枢绕组供电，对转子相绕组电流重构，此时电机含有第三和第六部分转矩，电机相当于永磁辅助磁阻同步电机运行，实现短时满载运行。该发明专利在包括但不限于车辆轮毂电机驱动系统、航空航天、深海探测等等要求电机具有高转矩密度高容错能力的应用场合将具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

其中：1、定子；1-1、定子电枢绕组；1-2、定子齿；1-3、定子永磁体；2、气隙；3、转子；3-1、转子电枢绕组；3-2、转子齿。

图2为本发明定子电枢绕组连接图；

图3为本发明转子电枢绕组连接图；

图4为本发明定子辅助永磁体改进图；

图5为改进的定子绕组连接图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明包括定子1、转子3，且定子1、转子3铁芯均为凸极结构，定子1和转子3之间具有气隙，定子1包括定子铁芯、定子电枢绕组1-1和定子永磁体1-3，转子3包括转子铁芯和转子电枢绕组3-1。

作为优选地实施例，定子包括定子铁芯、定子电枢绕组和定子永磁体，定子铁芯包含定子齿和定子轭部，定子电枢绕组采用两相分数槽集中绕组的结构缠绕在定子齿上，每个定子齿上设置一定子永磁体。转子包括转子铁芯和转子电枢绕组，转子铁芯包含转子齿和转子轭部，转子电枢绕组三相分数槽集中绕组的结构缠绕在转子齿上。

一种成本较低的实施方案为：复合电流按照i_A+、i_B+、i_A-、i_B-的顺序依次通入定子电枢绕组；转子电枢绕组通入三相对称电流，并按照i_D、i_E、i_F的顺序依次通入转子电枢绕组。转子电枢绕组为三相绕组，通过电刷滑环、旋转变压器等可行的装置通入三相对称电流，各相电流表达式为：

ω_es＝N_rω_r

ω_er＝P_arω_r

其中，I_ac为定子交流分量的有效值，I_dc为定子直流分量平均值，ω_es为定子电枢绕组电角速度，а_s为定子初相角，I_acr为转子电流的有效值，ω_er为转子电枢绕组电角速度，а_r为转子初相角，N_r为转子槽数，P_ar为转子电枢绕组极对数，ω_r为机械角速度。

定子电枢绕组直流分量产生的极对数为P_dc的静止磁动势通过齿数为N_r的转子齿所形成的磁导波进行磁场调制后，产成的旋转磁场与定子电枢绕组交流分量产生的极对数为P_аs的基波磁动势满足如下关系时，会产生转矩。

P_as＝|N_r±P_dc|

转子电枢绕组通入交流电后，形成P_ar对极的转子旋转磁势，当与定子直流分量产生的未经调制的直流磁势极对数相同，即满足下述公式时，会产生电磁转矩。

P_dc＝P_ar

当定子槽数N_s与转子电枢绕组的极对数为P_ar满足下述公式时，将会产生类似于同步磁阻电机的磁阻转矩分量。

N_s＝2P_ar

转子电枢绕组通入交流电后，形成的P_ar对极的转子旋转磁势，经过齿数N_r的转子齿所形成的磁导波进行磁场调制后，产生的旋转磁场与定子交流分量产生的旋转磁势极对数相同，即满足下述公式时，会产生电磁转矩。

P_as＝|N_r±P_ar|

当定子永磁体产生极对数为P_pm的静止磁动势与定子电枢绕组直流分量产生的静止磁动势的极对数P_dc相同时，会产生额外的两种电磁转矩，表达式如下：

P_as＝|N_r±P_pm|

P_pm＝P_ar

以上分析表明，若电机参数选择合适，将会产生六部分转矩：

一是定子电枢绕组直流分量通过转子齿部调制成的旋转磁场与定子电枢绕组交流分量产生的旋转磁势相互作用产生转矩；

二是定子电枢绕组直流分量未经调制产生的直流磁势与转子电枢绕组产生的磁势相互作用产生转矩；

三是转子电枢绕组与定子凸极所形成的磁阻转矩分量；

四是转子电枢绕组产生的磁势经过转子齿调制之后与定子电枢绕组交流分量产生的磁势相互作用产生转矩；

五是定子永磁体通过转子齿部调制成的旋转磁场与定子电枢绕组交流分量产生的旋转磁势相互作用产生转矩；

六是定子永磁体产生的磁势与转子电枢绕组产生的磁势相互作用产生转矩。当六部分转矩作用于转子的方向相同时，合成的电磁转矩最大。

满足上述三个关系的定转子槽数和极对数配合为：

其中，定子、转子槽数满足公式：

N_s＝k₁m_s

N_r＝k₂m_r

式中，k₁、k₂为整数，m_s为定子电枢绕组交流相数，m_r为转子电枢绕组交流相数。

而其他满足上述八个公式的所有槽极配合且符合本专利所述原理的，都属于本专利的保护范围内，此处不在列出。此外，本专利以内转子电机模型为例，符合本专利所述原理的包括但不限于外转子电机、轴向磁场电机，都属于本专利的保护范围内。

下面结合附图对本发明做进一步说明。

实施例

参见图1，本发明包括定子1，转子3，定子1与转子3间具有气隙2，定子1包括定子电枢绕组1-1、定子齿1-2和定子永磁体1-3，转子3包括转子电枢绕组3-1和转子齿3-2，定子电枢绕组1-1采用两相分数槽集中绕组的结构缠绕在定子齿1-2上，定子齿1-2上含有定子永磁体1-3；转子电枢绕组3-1采用三相分数槽集中绕组的结构缠绕在转子齿3-2上。

参见图2，图2为本发明定子绕组连接图，本发明定子1一共8槽，采用单层绕组，定子绕组1-1为两相集中式绕组结构，通入直流偏置电流，直流量产生4对极磁势，交流量产生5对极磁势。并且，在每个定子齿上都含有一块永磁体，各个永磁体充磁方向已在图2中标出。所有的永磁体的磁场为径向磁场，且相邻永磁体的磁场方向相反。

参见图3，图3为本发明转子绕组连接图，本发明转子3一共9槽，采用双层绕组，转子绕组3-1采用三相集中式绕组结构，产生4对极磁势。

参见图4，在定子绕组连接不变的情况下，对定子齿上的永磁体进行改进，改为间隔设置，即在定子绕组缠绕的定子齿上设置永磁体，各个永磁体充磁方向已在图5中标出。所有的永磁体的磁场为径向磁场，且均指向圆心。

复合电流按照i_A+、i_B+、i_A-、i_B-的顺序依次通入定子电枢绕组；转子电枢绕组通入三相对称电流，并按照i_D、i_E、i_F的顺序依次通入转子电枢绕组。转子电枢绕组为三相绕组，通过电刷滑环、旋转变压器等可行的装置通入三相对称电流，各相电流表达式为：

ω_es＝N_rω_r

ω_er＝P_arω_r

其中，I_ac为定子交流分量的有效值，I_dc为定子直流分量平均值，ω_es为定子电枢绕组电角速度，а_s为定子初相角，I_acr为转子电流的有效值，ω_er为转子电枢绕组电角速度，а_r为转子初相角，N_r为转子槽数，P_ar为转子电枢绕组极对数，ω_r为机械角速度。

为了更好的解释本电机的工作原理，下面结合附图1对本发明进行说明。

本发明电机定、转槽极配合为8/9，定子电枢绕组中直流分量产生4对极静止磁动势，交流分量产生5对极旋转磁动势，定子永磁体产生4对极静止磁动势，转子电枢绕组产生4对极旋转磁动势。定子电枢绕组直流分量产生的4对极静止磁动势经过转子齿磁场调制之后，产生的5对极旋转磁场和定子交流分量磁势耦合，产生第一部分转矩分量；定子电枢绕组直流分量未经调制产生的4对极磁动势与转子电枢绕组产生的4对极磁势耦合，产生第二部分转矩分量；转子电枢绕组与定子凸极所形成的第三部分磁阻转矩分量；转子电枢绕组产生的4对极磁势经过转子齿磁场调制之后，产生的5对极磁场与定子电枢绕组交流分量产生的5对极磁势耦合，产生第四部分转矩；定子永磁体产生的4对极磁势经过转子齿磁场调制之后，产生的5对极旋转磁场和定子交流分量磁势耦合，产生第五部分转矩分量；定子永磁体产生的4对极磁势与转子电枢绕组产生的4对极磁势耦合，产生第六部分转矩分量；当六部分转矩作用于转子的方向相同时，合成的电磁转矩最大。

在电机原理不变的情况下，如果把图1采用的电机定子结构换成如图4所示的改进型结构，可以使永磁体用量减少，降低成本，改善永磁体磁场分布，使电机具有更好的转矩密度。各个永磁体充磁方向已在图5中标出。

当转子电枢绕组故障时，切除转子电枢绕组供电，电机相当于定子永磁辅助两相直流偏置游标磁阻电机运行，通过对定子相电流重构实现短时满载运行；当定子电枢绕组故障时，切除定子电枢绕组供电，电机相当于8极永磁辅助磁阻同步电机运行，通过对转子相电流重构实现短时满载运行。该新型电机具有较强的容错性能，鲁棒性强。

本发明通过对电机结构的改进，加入定子辅助永磁体，使电机转矩密度进一步增大。并且本发明电机结构简单，加工方便，鲁棒性强，具有较强的容错性能，在定子或转子电枢绕组故障时，通过对健康相电流重构，仍能实现短时满载运行。本发明在高转矩密度和高容错能力的应用场合将具有广泛的应用前景。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (7)

1.一种定子永磁辅助双电枢绕组多重电磁转矩磁阻电机结构，其特征在于，包括均为凸极结构的定子和转子，转子和定子相对转动，定子与转子间形成环形气隙；

所述定子包括定子铁芯、定子电枢绕组和定子永磁体，定子铁芯包含定子齿和定子轭部，定子电枢绕组采用两相分数槽集中绕组的结构缠绕在定子齿上，每个定子齿上设置一定子永磁体或多个所述定子齿每间隔一个设置一定子永磁体；所有的定子永磁体的磁场为径向磁场；

所述转子包括转子铁芯和转子电枢绕组，转子铁芯包含转子齿和转子轭部，转子电枢绕组采用三相分数槽集中绕组的结构缠绕在转子齿上。

2.根据权利要求1所述的定子永磁辅助双电枢绕组多重电磁转矩磁阻电机结构，其特征在于，所述定子电枢绕组为两相绕组，通入交流叠加直流分量的复合电流，复合电流按照i_A+、i_B+、i_A-、i_B-的顺序依次通入定子电枢绕组；转子电枢绕组为三相绕组，转子电枢绕组通入三相对称电流，并按照i_D、i_E、i_F的顺序依次通入转子电枢绕组。

3.根据权利要求2所述的定子永磁辅助双电枢绕组多重电磁转矩磁阻电机结构，其特征在于，各相电流表达式为：

ω_es＝N_rω_r

ω_er＝P_arω_r

其中，I_ac为定子交流分量的有效值，I_dc为定子直流分量平均值，ω_es为定子电枢绕组电角速度，а_s为定子初相角，I_acr为转子电流的有效值，ω_er为转子电枢绕组电角速度，а_r为转子初相角，N_r为转子槽数，P_ar为转子电枢绕组极对数，ω_r为机械角速度。

4.根据权利要求1所述的定子永磁辅助双电枢绕组多重电磁转矩磁阻电机结构，其特征在于，所述定子电枢绕组直流分量产生的极对数为P_dc的静止磁动势通过齿数为N_r的转子齿所形成的磁导波进行磁场调制后，产成的旋转磁场与定子电枢绕组交流分量产生的极对数为P_аs的基波磁动势满足如下关系时，会产生转矩；

P_as＝|N_r±P_dc|

转子电枢绕组通入交流电后，形成P_ar对极的转子旋转磁势，当与定子直流分量产生的未经调制的直流磁势极对数相同，即满足下述公式时，会产生电磁转矩；

P_dc＝P_ar

当定子槽数N_s与转子电枢绕组的极对数为P_ar满足下述公式时，将会产生类似于同步磁阻电机的磁阻转矩分量；

N_s＝2P_ar

转子电枢绕组通入交流电后，形成的P_ar对极的转子旋转磁势，经过齿数N_r的转子齿所形成的磁导波进行磁场调制后，产生的旋转磁场与定子交流分量产生的旋转磁势极对数相同，即满足下述公式时，会产生电磁转矩；

P_as＝|N_r±P_ar|

当定子永磁体产生极对数为P_pm的静止磁动势与定子电枢绕组直流分量产生的静止磁动势的极对数P_dc相同时，会产生额外的两种电磁转矩，表达式如下：

P_as＝|N_r±P_pm|

P_pm＝P_ar。

5.根据权利要求1所述的定子永磁辅助双电枢绕组多重电磁转矩磁阻电机结构，其特征在于，所述定转子槽数和极对数配合为：

6.根据权利要求1所述的定子永磁辅助双电枢绕组多重电磁转矩磁阻电机结构，其特征在于，所述定子、转子槽数满足公式：

N_s＝k₁m_s

N_r＝k₂m_r

式中，k₁、k₂为整数，m_s为定子电枢绕组交流相数，m_r为转子电枢绕组交流相数。

7.根据权利要求1所述的定子永磁辅助双电枢绕组多重电磁转矩磁阻电机结构，其特征在于，

所述转子齿和转子轭部外部轮廓均为同心的圆弧结构；

所述定子齿和定子轭部外部轮廓均为同心的圆弧结构；

所述转子齿和定子齿之间为所述气隙。

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