CN112510862B - 一种电热磁隔离多相容错电机 - Google Patents

一种电热磁隔离多相容错电机 Download PDF

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Abstract

一种电热磁隔离多相容错电机，包括定子、转子、壳体、端盖、旋转变压器和轴承；定子包括电机外壳和定子铁芯，定子铁芯共包括五个模块，每个模块上绕制一相绕组，每个模块包括两个大齿和两个小齿，绕组线圈绕制在两个大齿上，两个小齿用于磁隔离，两个小齿的外侧涂有隔热胶，在定子模块组装后实现各相绕组的弱热耦合，各相绕组热量先散到外壳壳体上；电机转子包括电机轴等；电机轴承安装于电机轴两侧，旋转变压器同轴安装于电机轴的一端，对电机转子的位置进行检测；定子铁芯安装于电机外壳内部，电机的端盖分为前端盖和后端盖，前端盖径向上与电机外壳一端过盈配合，前端盖轴向上通过电机外壳内壁的止口端面限位，后端盖安装于外壳另一端。

Description

一种电热磁隔离多相容错电机
技术领域
本发明涉及一种电热磁隔离多相容错电机，属于液体运载火箭电工、电机技术领域。
背景技术
一体化起动/发电系统是集起动和发电功能于一身，具有能源利用效率高、集成度高、比功率高等特点。在航空飞机、汽车等系统中，由于发动机的工作特性和整个系统的供电需要，系统中需要同时存在起动系统和发电系统。过去，起动系统和发电系统之间是相互独立的，起动部分通常采用冷气、液压或电起动的方法带动发动机工作，而发电部分则由发动机拖动发电机发电，进而为系统中的电气负载供电。由于工作需要，这种分离式系统中的起动电机一般只在起动阶段运行较短时间，当发动机达到起动转速之后，系统会切掉起动电机。因此，起动电机的利用效率低，致使起动发电系统的集成度低，经济性不高。通过多年地技术发展，目前在航空飞机、汽车等领域，起动发电一体化系统已经广泛应用。在航天液体运载火箭系统中，同时存在着起动系统和供电系统，为了提升系统比功率，起动发电一体化电源系统成为主要研究方向之一。
电机作为起动/发电一体化电源系统的核心单机，是影响起动/发电一体化电源系统综合可靠性的关键环节。基于运载火箭高可靠性需求，电机需要具备容错运行能力。多相电机作为容错电机设计的主要方案，在设计时需要充分考虑电热磁隔离，使故障相多正常相的影响最小，实现高可靠容错运行。
中国实用新型专利申请号201420309144.0公开了一种混合磁材料Halbach永磁容错电机，定子采用单层集中式绕组和容错齿，使该电机在结构上具有自解耦作用。转子采用Halbach阵列产生正弦分布的气隙磁场，在Halbach阵列的外侧通过不锈钢套筒加固，增强了转动部件的机械鲁棒性。上述专利没有考虑短路故障下故障相热量对其他相及永磁体造成的影响，电机转矩密度小且Halbach阵列对磁材料的需求大，制造工艺复杂。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种满足高可靠性需求的液体运载火箭起动/发电一体化电源系统用电磁隔热多相容错电机，全面考虑了电隔离、磁隔离和热隔离，最大程度上降低了各相之间的耦合程度。制造工艺简单，且兼顾电机性能，在具备容错能力的同时实现更高的转矩密度。
本发明的技术解决方案是：
一种电热磁隔离多相容错电机，包括定子、转子、壳体、端盖、旋转变压器和轴承；
定子包括电机外壳和定子铁芯，定子铁芯共包括五个模块，每个模块上绕制一相绕组，每个模块包括两个大齿和两个小齿，绕组线圈绕制在两个大齿上，两个小齿用于磁隔离，两个小齿的外侧涂有隔热胶，在定子模块组装后实现各相绕组的弱热耦合，各相绕组热量先散到外壳壳体上；
电机转子包括电机轴、磁轭、永磁体；电机轴承安装于电机轴两侧，旋转变压器同轴安装于电机轴的一端，对电机转子的位置进行检测；定子铁芯安装于电机外壳内部，电机的端盖分为前端盖和后端盖，前端盖径向上与电机外壳一端过盈配合，前端盖轴向上通过电机外壳内壁的止口端面限位，后端盖安装于电机外壳的另一端。
进一步的，绕组线圈绕制在两个大齿上，具体为：绕组线圈采用集中式绕制方式，按照正向反向串联模式绕制在两个大齿上，同时绕组线圈的个数为偶数，以上因素共同实现消除各相绕组之间的电枢反应互感。
进一步的，各相绕组间均有小齿进行隔离，绕组线圈的槽漏磁通经小齿闭合，各相绕组间的互感为零，相邻两相绕组间无磁耦合。
进一步的，各相绕组不直接与其他相绕组连接，形成五相开绕组结构，实现电机的电气隔离。
进一步的，采用陶瓷轴承使电机的轴电流无法形成回路，进而保护轴承不受轴电流腐蚀。
进一步的，采用12极10槽的极槽配合形式，并通过优化小齿角度，使得线圈跨距是整距，基波和各次谐波的绕组系数均为1，基波电动势的幅值达到最大。
进一步的，所述隔热胶为环氧胶粘剂，导热系数0.1W/m.k，厚度0.1～0.2mm，具有隔热及隔磁能力。
进一步的，电机转子为V字型内置式结构，使得永磁电动势的波形为平顶波，采用各相绕组注入三次谐波电流的方式，利用转子三次谐波磁场与三次谐波电流分量的相互作用提高转矩密度。转子采用V字型内置式结构以提高其同步电感从而限制永磁同步电机稳态短路电流，提高永磁电机永磁体抗去磁能力，同时，转子采用的V字型内置式结构的挤磁效应可增加气隙磁密。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明中规划了热传导路径，各相绕组热量先散到壳体上，实现电机定子各相之间热隔离。电机定子按模块化设计思路，绕组采用集中式绕制方式，实现各相绕组的磁隔离。采用开绕组五相永磁同步电机结构，实现电机的电气隔离。采用陶瓷轴承阻断了轴电流回路，解决了开绕组结构或容错运行时轴电流大的问题。因而本发明能更好的满足液体运载火箭起动/发电一体化电源系统高可靠性的需求。
(2)本发明采用绕组因数为1的定子结构和V字型内置式转子结构，转子采用V字型内置式结构以提高其同步电感从而限制永磁同步电机稳态短路电流，提高永磁电机永磁体抗去磁能力，同时，转子采用的V字型内置式结构的挤磁效应可增加气隙磁密。采用各相绕组注入三次谐波电流的方式，利用转子三次谐波磁场与三次谐波电流分量的相互作用提高转矩密度。
附图说明
图1隔热胶位置示意图；
图2绕组线圈展开图；
图3电机内部轴承位置示意图；
图4定子模块图；
图5五相永磁同步电机横截面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
如图1、5所示，本发明提出的电热磁隔离的多相容错电机为五相永磁同步电机，包括定子、转子、壳体、端盖、旋转变压器和轴承；
参照图1、2，本发明电机定子按模块化设计思路，定子包括电机外壳和定子铁芯，定子铁芯共包括五个模块，图1为其中一个模块，每个模块上绕制一相绕组，每个模块包括两个大齿和两个小齿，绕组线圈绕制在两个大齿上，两个小齿用于磁隔离，两个小齿的外侧涂有隔热胶，在定子模块组装后实现各相绕组的弱热耦合，各相绕组热量先散到外壳壳体上；
电机定子按模块化设计思路，绕组线圈采用集中式绕制方式，按照正向反向串联模式绕制在两个大齿上。绕组线圈的个数为偶数，消除各相绕组之间的电枢反应互感。
各相绕组间均有小齿进行隔离，绕组线圈的槽漏磁通经小齿闭合，各相绕组间的互感为零，相邻两相绕组间无磁耦合。
各相绕组不直接与其他相绕组连接，形成五相开绕组结构，实现电机的电气隔离。具体见图2中A、a为A相绕组的两个抽头，B、b为B相绕组的两个抽头，C、c为C相绕组的两个抽头，D、d为D相绕组的两个抽头，E、e为E相绕组的两个抽头。各相绕组不直接与其他相绕组连接，形成五相开绕组结构，实现电机的电气隔离。
电机转子按6对极设计，为V字型内置式结构，包括电机轴、磁轭、永磁体；电机轴承安装于电机轴两侧，旋转变压器同轴安装于电机轴的一端，对电机转子的位置进行检测；定子铁芯安装于电机外壳内部，电机的端盖分为前端盖和后端盖，前端盖径向上与电机外壳一端过盈配合，前端盖轴向上通过电机外壳内壁的止口端面限位，后端盖安装于电机外壳的另一端。
电机轴承为陶瓷轴承，安装于电机轴两侧，用陶瓷轴承可以起到阻断轴电流的作用。参照图3，陶瓷具有良好的电绝缘性，采用陶瓷轴承使电机的轴电流无法形成回路，进而保护轴承不受轴电流腐蚀。
图4中，b0为定子槽口宽度，bst为定子小齿宽度，这两个参数影响电枢反应电感的大小。b1为定子槽下部宽度，b2为定子槽上部宽度，bs1为定子槽下部的一半，bs2为定子槽上部的一半，h1、h2和h0共同构成槽深。上述参数共同影响槽漏电感。
参照图4、5，本发明采用12极10槽的极槽配合形式，并通过优化小齿角度，使得线圈跨距是整距，基波和各次谐波的绕组系数均为1，基波电动势的幅值达到最大，转矩密度较大。
优选的，本发明中隔热胶为环氧胶粘剂，导热系数0.1W/m.k，厚度0.1～0.2mm，具有隔热及隔磁能力。
同时，电机绕组的永磁谐波电动势中三次谐波也最强，电机转子为V字型内置式结构，使得永磁电动势的波形近似平顶波，可以采用各相绕组注入三次谐波电流的控制策略，利用转子三次谐波磁场与三次谐波电流分量的相互作用来提高转矩密度。
转子采用V字型内置式结构一方面提高其同步电感从而限制永磁同步电机稳态短路电流，提高永磁电机永磁体抗去磁能力，另一方面利用其挤磁效应来增加气隙磁密。此外，还可以对其采用最大转矩电流比控制策略，利用磁阻转矩来提高转矩密度。
本发明上述方案的特点如下：
(1)通过电机定子的模块化设计思路，每个模块上绕制一相绕组，并在各定子模块两侧涂隔热胶，规划了热传导路径，实现电机定子各相之间热隔离，各相绕组热量先散到壳体上。
(2)针对开绕组结构或容错运行时轴电流大的问题，提出陶瓷轴承解决方案，阻断了轴电流回路。
(3)提出一种定子模块化设计思路，绕组线圈按照正向反向串联模式集中式绕制方式，实现各相绕组的磁隔离。
(4)提出一种多极少槽的极槽配合形式，并通过优化小齿角度，实现绕组因数为1，提高了电机转矩密度。
(5)提出一种V字型内置式电机转子结构，利用其挤磁效应，提高电机转矩密度。
(6)提出一种开绕组五相永磁同步电机结构，实现电机的电气隔离。

Claims (7)

1.一种电热磁隔离多相容错电机，其特征在于：包括定子、转子、壳体、端盖、旋转变压器和轴承；
定子包括电机外壳和定子铁芯，定子铁芯共包括五个模块，每个模块上绕制一相绕组，每个模块包括两个大齿和两个小齿，绕组线圈绕制在两个大齿上，两个小齿用于磁隔离，两个小齿的外侧涂有隔热胶，在定子模块组装后实现各相绕组的弱热耦合，各相绕组热量先散到外壳壳体上；
电机转子按六对极设计，包括电机轴、磁轭、永磁体；电机轴承安装于电机轴两侧，旋转变压器同轴安装于电机轴的一端，对电机转子的位置进行检测；定子铁芯安装于电机外壳内部，电机的端盖分为前端盖和后端盖，前端盖径向上与电机外壳一端过盈配合，前端盖轴向上通过电机外壳内壁的止口端面限位，后端盖安装于电机外壳的另一端；
所述隔热胶为环氧胶粘剂，导热系数0.1W/m.k，厚度0.1～0.2mm，具有隔热及隔磁能力；
电机转子为V字型内置式结构，使得永磁电动势的波形为平顶波，采用各相绕组注入三次谐波电流的方式，利用转子三次谐波磁场与三次谐波电流分量的相互作用提高转矩密度；
转子采用V字型内置式结构以提高其同步电感从而限制永磁同步电机稳态短路电流，提高永磁电机永磁体抗去磁能力，同时，转子采用的V字型内置式结构的挤磁效应可增加气隙磁密。
2.根据权利要求1所述的一种电热磁隔离多相容错电机，其特征在于：绕组线圈绕制在两个大齿上，具体为：绕组线圈采用集中式绕制方式，按照正向反向串联模式绕制在两个大齿上，消除各相绕组之间的电枢反应互感。
3.根据权利要求2所述的一种电热磁隔离多相容错电机，其特征在于：绕组线圈的个数为偶数。
4.根据权利要求3所述的一种电热磁隔离多相容错电机，其特征在于：各相绕组间均有小齿进行隔离，绕组线圈的槽漏磁通经小齿闭合，各相绕组间的互感为零，相邻两相绕组间无磁耦合。
5.根据权利要求3所述的一种电热磁隔离多相容错电机，其特征在于：各相绕组不直接与其他相绕组连接，形成五相开绕组结构，实现电机的电气隔离。
6.根据权利要求1所述的一种电热磁隔离多相容错电机，其特征在于：采用陶瓷轴承使电机的轴电流无法形成回路，进而保护轴承不受轴电流腐蚀。
7.根据权利要求1所述的一种电热磁隔离多相容错电机，其特征在于：采用12极10槽的极槽配合形式，并通过优化小齿角度，使得线圈跨距是整距，基波和各次谐波的绕组系数均为1，基波电动势的幅值达到最大。
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