CN112688454B - 一种交替极转子表面形状优化的永磁容错游标轮缘推进电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交替极转子表面形状优化的永磁容错游标轮缘推进电机，属于舰船、无人艇、水下机器人、潜艇和鱼雷等水面、水下航行器的电力推进系统领域，包括转子、螺旋桨和定子；转子包括磁化方向均为同向的永磁体、转子齿和转子轭；转子齿均匀分布在转子轭上，每相邻的两个转子齿之间形成转子槽；磁化方向均为同向的永磁体嵌入转子槽中；转子齿与磁化方向均为同向的永磁体表面均有形状弯曲；转子齿与磁化方向均为同向的永磁体最大厚度相等；螺旋桨固定在转子轭内表面；定子上设置有多个电枢齿、隔离齿、绕组槽和电枢绕组；电枢绕组为单层集中绕组；永磁容错游标电机与轮缘推进器相结合，构成永磁容错游标轮缘推进电机，提升了电机的电磁性能。

Description

一种交替极转子表面形状优化的永磁容错游标轮缘推进电机

技术领域

本发明涉及舰船、无人艇、水下机器人、潜艇和鱼雷等水面、水下航行器的电力推进系统领域，尤其涉及一种交替极转子表面形状优化的永磁容错游标轮缘推进电机。

背景技术

CN107733106A一种集成电机推进器用永磁容错轮缘推进电机，属水下推进器用电机，本电机包括定子铁芯，定子槽，电枢齿，隔离齿，电枢绕组，大气隙，磁极保护套筒，磁极保护层，离心式永磁体，转子铁芯，焊接在转子铁芯内侧的螺旋桨。定子槽数为2km，其中k为正整数，m为电机相数，定子上有不等距电枢齿和隔离齿，转子极数为2k(m±1)。电机的特点是可以在电机绕组发生开路故障或短路故障后继续稳定地运行。相比于目前其它的集成电机推进器用电机，本发明首先提出了具有容错能力的轮缘推进电机，首次将永磁容错电机应用于水下航行器，有效地提高了船舶推进系统的可靠性。本发明所涉及的永磁容错轮缘推进电机具有转矩脉动小，容错性能强、结构相对简单，制造方便等特点。

CN101546931A一种集成推进器，属于水面或水下运行设备或装置的推进技术领域。它包括多相永磁电机、螺旋桨和导管；所述的导管与多相永磁电机定子集成，其导管分为三段，导管前段、导管中段、导管后段通过螺钉连接形成一个中间有导管凹槽的整体导管，导管中段作为多相永磁电机机座，包括定子铁芯和定子绕组的电机定子安装在机座内；所述的螺旋桨与多相永磁电机转子集成，其螺旋桨是一种固定螺距多叶桨，该螺旋桨的外圆有端环，端环外壁开有“凹”型槽口，永磁电机转子的永磁体和形成磁路的转子背铁嵌入端环外壁的“凹”型槽口内与螺旋桨融合为一个整体。本发明集成推进器优点在于：空间利用率高，无需联结轴和支撑轴，装配技术简单，建造和维修方便，降低了螺旋桨运行的振动和噪声。

CN102710078A容错式永磁游标电机，包括同轴的内定子和外转子,永磁体沿圆周方向固定贴于外转子的内表面上,永磁体的充磁方向为径向且N极和S极交替排列,内定子圆周上布置彼此相交错的10个电枢齿和10个容错齿,电枢齿上绕有单层集中电枢绕组,径向相对两电枢齿上的集中电枢绕组串联成一相,电枢绕组为五相绕组；电枢齿的齿宽和容错齿的齿宽不相等,在电枢齿和容错齿的齿顶上设有沿圆周方向上均匀分布的40个调制极；在大幅度提高了转矩密度的同时保留并加强了容错性能,有助于减小电机体积,提高电机可靠性和带故障运行能力。

目前轮缘推进电机大多采用永磁容错电机，永磁容错电机在低速大转矩输出时槽数极数较多，降低了定子铁心和电枢绕组的利用率。永磁容错游标电机的优点是低速大转矩输出，槽数较少，低速时定子铁心利用率高，转矩脉动小，可以将永磁容错游标电机与轮缘推进器相结合，构成永磁容错游标轮缘推进电机，实现低速大转矩输出和直驱的功能，进一步提高船舶推进系统的可靠性。但是永磁容错游标轮缘推进电机永磁体极对数过多，成本较高，极间漏磁严重，永磁体利用率不高，电机电磁性能下降，采用传统交替极转子，由于永磁体表面和转子齿表面均没有表面形状，其反电动势正弦度相对不高，电磁转矩脉动相对较大。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种交替极转子表面形状优化的永磁容错游标轮缘推进电机，包括转子、螺旋桨和定子；

所述转子包括磁化方向均为同向的永磁体、转子齿和转子轭；

所述转子齿均匀分布在转子轭上，每相邻的两个转子齿之间形成转子槽；

所述磁化方向均为同向的永磁体嵌入转子槽中；所述转子齿与所述磁化方向均为同向的永磁体表面均有形状弯曲；

所述转子齿与所述磁化方向均为同向的永磁体最大厚度相等，周向宽度不等；

所述螺旋桨固定在转子轭内表面；

所述定子上设置有多个电枢齿、隔离齿、绕组槽和电枢绕组；

所述电枢绕组设置在所述绕组槽的内部；

所述电枢绕组为单层集中绕组；

所述电枢齿和所述隔离齿在定子的圆周上交替分布，所述电枢齿和所述隔离齿宽度相等；

所述电枢齿和所述隔离齿的顶齿上均开出调制齿Ⅰ和调制齿Ⅱ，所述调制齿Ⅰ和调制齿Ⅱ在定子的圆周上成不均匀分布；

所述绕组槽的个数为2km；所述调制齿Ⅰ和所述调制齿Ⅱ的个数均为2km，所述磁化方向均为同向的永磁体极数为k(3m±1/2)，其中m为相数，k为大于0的偶数。

进一步地，所述转子齿的表面与所述磁化方向均为同向的永磁体的表面均设置有防腐保护层，所述防腐保护层的外部设置有保护套筒。

进一步地，所述调制齿Ⅰ和所述调制齿Ⅱ中间设置有辅助槽；所述调制齿Ⅰ和调制齿Ⅱ的高度与所述辅助槽的深度相等，周向宽度不等。

进一步地，所述转子轭内径与所述定子内径之比大于0.85，所述转子轭外径与所述定子外径之比大于0.65。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种交替极转子表面形状优化的永磁容错游标轮缘推进电机，首次将永磁容错游标电机与轮缘推进器相结合，构成永磁容错游标轮缘推进电机，并进行改进，采用交替极转子减少了永磁体用量与极数，并进行永磁体和转子齿表面形状优化，提升了电机的电磁性能，相较于永磁容错轮缘推进电机成本更低，电磁性能更好，容错能力更强，该交替极转子表面形状优化的永磁容错游标轮缘推进电机可以在短路故障或开路故障后继续稳定的运行，通过将永磁容错游标电机和轮缘推进器结合，发挥低速大转矩的优点，采用磁化方向均为同向的永磁体减少了永磁体的用量，降低了电机的成本，采用带离心高度的永磁体与转子齿，具有更好的电磁性能，更小的转矩脉动，更强的抑制短路电流的能力，进一步提高了船舶电力推进系统的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明交替极转子表面形状优化的永磁容错游标轮缘推进电机图；

图2为表面形状优化的交替极转子局部放大图；

图3为空载反电动势图；

图4为对比结构空载反电动势图；

图5为电磁转矩图；

图6为对比结构电磁转矩图；

图7为短路电流图；

图8为对比结构短路电流图。

图中：1、转子，2、螺旋桨，3、定子，4、磁化方向均为同向的永磁体，5、转子齿，6、转子轭，7、防腐保护层，8、保护套筒，9、电枢齿，10、隔离齿，11、绕组槽，12、电枢绕组，13、调制齿Ⅰ，14、调制齿Ⅱ，15、辅助槽。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：

图1为为本发明交替极转子表面形状优化的永磁容错游标轮缘推进电机，图2为表面形状优化的交替极转子局部放大图；一种交替极转子表面形状优化的永磁容错游标轮缘推进电机，包括转子1、螺旋桨2和定子3；

所述转子1包括磁化方向均为同向的永磁体4，转子齿5和转子轭6；

所述转子齿5均匀分布在转子轭6上，每相邻的两个转子齿5之间形成转子槽，所述磁化方向均为同向的永磁体4嵌入转子槽中；所述转子齿5与所述磁化方向均为同向的永磁体4表面均有形状弯曲，其弯曲程度均可用离心高度来表示；所述转子齿5与所述磁化方向均为同向的永磁体4最大厚度相等，周向宽度不等；所述转子轭6内径与所述定子3内径之比大于0.85，所述转子轭6的外径与所述定子3的外径之比大于0.65，所述螺旋桨2直接焊接在转子轭6内表面。

所述定子3上设置有多个电枢齿9、隔离齿10、绕组槽11和电枢绕组12，所述电枢绕组12为单层集中式绕组；所述电枢绕组12仅绕在所述电枢齿9上。

所述电枢齿9和所述隔离齿10在圆周上交替分布，其宽度相等，所述电枢齿9和所述隔离齿(10)的齿顶上均布置有调制齿Ⅰ13和调制齿Ⅱ14，

其中所述绕组槽11的个数为2Km，所述调制齿Ⅰ13和所述调制齿Ⅱ14的个数均为2km，所述磁化方向均为同向的永磁体4极数为K(3m±1/2)，m为相数，K为大于0的偶数。

进一步地，所述转子齿5的表面与所述磁化方向均为同向的永磁体4的表面均设置有防腐保护层7，所述防腐保护层7的外部设置有保护套筒8。

进一步地，所述调制齿Ⅰ13和所述调制齿Ⅱ14中间设置有辅助槽15；所述调制齿Ⅰ13和调制齿Ⅱ14在定子3的圆周上成不均匀分布，所述调制齿Ⅰ13和调制齿Ⅱ14的高度与所述辅助槽15的深度相等，周向宽度不等。

定转子间气隙相对较小，海水通过气隙及辅助槽可以自由流溢，便于散热。

本发明的实施例结构参数如表1所示，对比结构参数如表2所示：

表1实施例结构参数

表2对比结构参数

实施例与对比结构绕组排布相同，绕组系数均为0.966。实施例采用磁化方向均为同向的永磁体，其用量为180cm3,对比结构用量为262.2cm3，永磁体用量减少了31.3％，降低了成本。图3为空载反电动势图；图4为对比结构空载反电动势图；图5为电磁转矩图；在永磁体用量减少的情况下，反电势有效值提高了8.6％,且实施例空载反电动势THD为0.9％，对比结构空载反电动势THD为6％，可以看出，选择具有离心高度的磁化方向均为同向的永磁体及转子齿可以降低反电动势谐波畸变率。

图6为对比结构电磁转矩图；图7为短路电流图；图8为对比结构短路电流图，在永磁体用量减少的情况下电磁转矩提高了6％，实施例转矩脉动为0.5％，对比结构转矩脉动为2％，故实施例具有更高的电磁转矩和更小的转矩脉动。

本发明实施例有更小的短路电流，故本发明容错能力更强。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种交替极转子表面形状优化的永磁容错游标轮缘推进电机，其特征在于：包括转子(1)、螺旋桨(2)和定子(3)；

所述转子(1)包括磁化方向均为同向的永磁体、转子齿(5)和转子轭(6)；

所述转子齿(5)均匀分布在转子轭(6)上，每相邻的两个转子齿(5)之间形成转子槽；

所述磁化方向均为同向的永磁体嵌入转子槽中；所述转子齿(5)与所述磁化方向均为同向的永磁体表面均有形状弯曲；

所述转子齿(5)与所述磁化方向均为同向的永磁体最大厚度相等，周向宽度不等；

所述螺旋桨(2)固定在转子轭(6)内表面；

所述定子(3)上设置有多个电枢齿(9)、隔离齿(10)、绕组槽(11)和电枢绕组(12)；

所述电枢绕组(12)设置在所述绕组槽(11)的内部；

所述电枢绕组(12)为单层集中绕组；

所述电枢齿(9)和所述隔离齿(10)在定子(3)的圆周上交替分布，所述电枢齿(9)和所述隔离齿(10)宽度相等；

所述电枢齿(9)和所述隔离齿(10)的顶齿上均开出调制齿Ⅰ(13)和调制齿Ⅱ(14)，所述调制齿Ⅰ(13)和调制齿Ⅱ(14)在定子(3)的圆周上成不均匀分布；

所述绕组槽(11)的个数为2km；所述调制齿Ⅰ(13)和所述调制齿Ⅱ(14)的个数均为2km，所述磁化方向均为同向的永磁体极数为k(3m±1/2)，其中m为相数，k为大于0的偶数；

所述调制齿Ⅰ(13)和所述调制齿Ⅱ(14)中间设置有辅助槽(15)；所述调制齿Ⅰ(13)和调制齿Ⅱ(14)的高度与所述辅助槽(15)的深度相等，周向宽度不等；

所述转子轭(6)内径与所述定子(3)内径之比大于0.85，所述转子轭(6)外径与所述定子(3)外径之比大于0.65；

所述转子齿(5)的表面与所述磁化方向均为同向的永磁体的表面均设置有防腐保护层(7)，所述防腐保护层(7)的外部设置有保护套筒(8)。

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