CN113422491A

CN113422491A - 一种容错型磁场调制初级永磁直线电机

Info

Publication number: CN113422491A
Application number: CN202110509336.0A
Authority: CN
Inventors: 徐媚媚; 吉敬华; 赵文祥
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2021-05-11
Filing date: 2021-05-11
Publication date: 2021-09-21

Abstract

本发明公开了一种容错型磁场调制初级永磁直线电机，包括初级铁芯、次级铁芯、永磁体和非导磁体，初级铁芯和次级铁芯之间具有气隙；初级铁芯上开槽形成齿槽结构，电枢槽内排布有电枢绕组，初级铁芯由多个单元模块构成，模块单元与模块单元之间填充非导磁体，单元模块的齿端嵌入永磁体阵列；次级铁芯包含由多个凸极构成的调制齿；电机采用非常规的槽极组合，选择分布式非对称绕组连接方式，根据槽电势星型图进行绕组分相，保证每个模块单元内包含一套完整的三相绕组。本发明的优点在于在结构上实现了真正的模块化，且采用了非常规槽极分布式模块化绕组连接，在保证电机高容错性能的同时，兼顾了高推力密，具有重要的意义和实用价值。

Description

一种容错型磁场调制初级永磁直线电机

技术领域

本发明涉及一种高容错性能的磁场调制初级永磁直线电机，属于永磁电机领域。

背景技术

传统永磁直线电机因其高推力密度、高效率和高功率因数等诸多优点成为轨道交通领域的研究焦点。然而，传统永磁直线电机的永磁磁极与电枢绕组分别放置于电机的两侧。对于长行程领域而言，无论是采用永磁体或绕组沿轨道铺设，都将导致工程造价和维护成本急剧增加。初级永磁型直线电机的出现，为长行程轨道交通牵引用电机提供了新的思路。初级永磁型直线电机的永磁体和绕组均安置于短初级侧，而长次级仅由导磁铁心构成。因此，该类电机不仅继承了传统永磁型直线电机的优点，还大大降低了工程造价。近年来，随着城镇化的加剧，轨道交通的运力需求不断提升，车辆运行需要依靠直线电机提供更大的牵引力。虽然初级永磁型直线电机具有一定的优势，但其推力密度仍难以满足运行需求。

此外，随着城轨交通的运行规模不断加大，车辆的维护难度不断提升。牵引电机不仅需要高推力密度，而且对可靠性也有较高的要求，即当电机发生故障时，确保电机仍能容错运行一段时间，保证车辆“跛行”至安全区域。

文献IEEE Transaction on Industry Applications，55(4)：3660-3670，2019(Investigation of different winding configurations and displacements of anine-phase permanent-magnet-synchronous motor with unbalanced AC windingstructure)在旋转永磁电机上采用非常规槽极分布绕组设计，不仅有效降低了转矩脉动，还实现了电机在转矩密度上的提升。但是，所提出的非常规槽极分布绕组设计未能突破分布式绕组永磁电机自身容错性能差的弊端，因此其存在可靠性不高的问题。

中国发明专利CN201810390721.6公开了一种模块化分布式绕组设计方法，该绕组设计方法有效解决分布式绕组结构电机低容错性能的缺点，但是该方法改变了通过电机的磁路走向，从而引起大的脉动，降低了电机品质。

综上所述，采用分布绕组在提升电机推力密度方面有突出优势，但难以实现容错运行能力；采用模块化设计有助于提升电机可靠性，但牺牲了电机推力品质。因此，出于对轨道交通车辆运行高牵引力和高可靠性的考虑，研究具有高推力品质、高容错性能的磁场调制初级永磁直线电机已经迫在眉睫。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷，本发明提出一种容错型磁场调制初级永磁直线电机，由此解决现有技术中磁场调制初级永磁直线电机难以在保证高推力密度的同时兼顾高可靠性的技术问题。

为实现上述目的，本发明的设计方案如下：

一种容错型磁场调制初级永磁直线电机，该电机包括：初级铁芯(1)、次级铁芯(2)、永磁体(3)和非导磁体(4)，初级铁芯(1)和次级铁芯(2)之间具有气隙；

所述初级铁芯(1)上开槽形成齿槽结构，电枢槽内排布有电枢绕组，初级铁芯(1)由多个单元模块构成，模块单元与模块单元之间填充非导磁体(4)，单元模块的齿端嵌入永磁体(3)阵列；次级铁芯(2)包含由多个凸极(5)构成的调制齿；

所述电机采用非常规的槽极组合，选择分布式非对称绕组连接方式，根据电机槽极组合选择合适的模块单元数量；

所述采用非常规的槽极组合分布式非对称绕组连接方式，其相邻槽的间距v＝(m×N×k+m)/d，其中k为使v为整数的最小整数(包括0)，m为相数，N和d分别为每极每相槽数q的分子和分母

因此，第一行的定子槽编号可以按1，1+v，1+2v，……，1+(N-1)v进行排列。如果计算的定子槽编号大于N，则需要减去N；第二行定子槽编号由第一行定子槽编号加N获得，以此类推直至所有槽编号都被填满；相邻槽的电角度表示为

据此可画出所述非常规槽极分布式绕组的槽电势星型图。

根据槽电势星型图进行绕组分相，保证所述模块单元内包含一套完整的三相绕组，n个模块单元代表包含n套三相绕组；

进一步，电枢绕组极对数Pa，永磁体极对数Pm，次级调制齿数ns满足ns＝Pa+Pm；

进一步，次级调制齿形状可以为矩形或梯形；

进一步，每个模块单元内三相绕组采用星形接法连接而成；

进一步，不同相的绕组节距可以相等，或者不相等；

进一步，所述永磁体采用钕铁硼材料，或两边永磁体采用铁氧体材料，中间永磁体采用钕铁硼材料；

本发明采用上述技术方案后具有如下有益效果：

1.采用非常规槽极组合，增大了电机的调制比，有效电机推力密度；

2.采用非常规槽极组合，增大了电机推力脉动的周期数，有效提升电机推力品质；

3.电机的初级齿端部嵌入永磁体阵列，其聚磁效应有助于降低齿端漏磁，提高磁路的有效磁密，提升电机推力密度；

4.初级模块单元采用独立的分布式绕组连接，使得模块单元间相互解耦，提升电机的容错性能。

5.由于非导磁体的引入，在结构上实现了真正的模块化，模块间独立性高，提高电机可靠性。

6.采用非常规模块化分布绕组连接方式，可以实现电机在具备容错性能的同时，兼具高推力密度。

附图说明

下列附图为本发明的实施例，其中：

图1为本发明容错型磁场调制初级永磁直线电机结构示意图；

图2为容错型磁场调制初级永磁直线电机模块化绕组连接槽排布及槽电势星型图；(a)为绕组连接槽排布；(b)为槽电势星型图；

图3为容错型磁场调制初级永磁直线电机模块化绕组连接方式；(a)为第一模块；(b)为第二模块；(c)为第三模块；

图4为传统磁场调制初级永磁直线电机的截面及绕组连接图；

图5为传统和提出磁场调制初级永磁直线电机推力对比图；

图6为传统磁场调制初级永磁直线电机第一套绕组故障和提出磁场调制初级永磁直线电机模块I故障时的磁密云图；

图7为提出容错型磁场调制初级永磁直线电机模块I正常和开路故障下磁链对比图；

图8为提出容错型磁场调制初级永磁直线电机模块I正常和短路故障下磁链对比图；

图中，1：初级；2：磁极；3：永磁体；4：非导磁体；5：凸极。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出一种容错型磁场调制初级永磁直线电机，图1为本发明容错型磁场调制初级永磁直线电机的实施例。如图1所示，本发明实施例的容错型磁场调制初级永磁直线电机包括初级铁芯(1)、次级铁芯(2)、永磁体(3)和非导磁体(4)，初级铁芯(1)和次级铁芯(2)之间具有气隙。本发明所述实施例容错型磁场调制初级永磁直线电机的电枢绕组极对数Pa为3，永磁体极对数Pm为39，次级调制齿数ns为42，满足ns＝Pa+Pm。本发明实施例的初级铁芯(1)上开槽形成齿槽结构，初级铁芯(1)由三个单元模块构成，每个模块单元采用三相分布式绕组连接，模块单元与模块单元之间填充非导磁体(4)，单元模块的齿端嵌入永磁体(3)阵列。本发明所述实施例的次级铁芯(2)包含由多个凸极(5)构成的调制齿。

上述次级调制齿形状可以为矩形或梯形。

上述永磁体采用钕铁硼材料，或两边永磁体采用铁氧体材料，中间永磁体采用钕铁硼材料。

图2为为容错型磁场调制初级永磁直线电机模块化绕组连接槽排布及槽电势星型图，图3为容错型磁场调制初级永磁直线电机模块化绕组具体的连接方式。如图3所示，本发明实施例的容错型磁场调制初级永磁直线电机由9相构成，每个模块单元内包含一套完整的三相绕组且绕组采用左右相对的分布形式，可以实现模块化绕组的独立，有利于提升电机的容错性能。

上述绕组在槽电势星型图进行绕组分相的基础上采用非常规分布式绕组连接方式，由图3可知，每个模块内的三相是不对称的。设计上述绕组时，采用双层绕组设计，双层绕组的线圈节距可调，不同相的绕组节距可以选择相等或者不相等，且可采用适当的短距系数来削弱电势谐波，改善电机电磁性能。为了进一步对本发明所提的方法进行说明，将采用传统绕组结构的磁场调制初级永磁直线电机与本发明提出的容错型磁场调制初级永磁直线电机进行对比。如图4所示，为采用传统绕组结构的磁场调制初级永磁直线电机的截面图及绕组连接。

图5为传统和提出磁场调制初级永磁直线电机推力对比图。由于采用非常规槽极分布绕组连接，有效增大电机的调制比，从而提升了电机的推力密度。

图6为传统磁场调制初级永磁直线电机第一套绕组故障和提出磁场调制初级永磁直线电机模块I故障时的磁密云图；由于传统磁场调制初级永磁直线电机采用分布式绕组连接，初级磁路之间相互交错。因此，当第一套绕组发生故障时，会对另外两套绕组产生较大的影响。而对于提出的容错型磁场调制初级永磁直线电机而言，由于初级的模块与模块之间是断开的，且采用了模块化独立绕组连接，因此，当模块I发生故障时，模块II和模块III基本没有受到影响，仍可以继续正常运行。

图7和图8分别为传统和提出磁场调制初级永磁直线电机在正常工作时和在开路、短路故障下的磁链图。从图中可知，模块II在模块I故障发生后，产生的磁链基本与无故障运行时产生的磁链重合，实现了真正意义上模块间的独立，容错性能大大提升。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种容错型磁场调制初级永磁直线电机，其特征在于，包括初级铁芯(1)、次级铁芯(2)、永磁体(3)和非导磁体(4)，初级铁芯(1)和次级铁芯(2)之间具有气隙；

所述电机采用非常规的槽极组合，选择分布式非对称绕组连接方式；

所述采用非常规的槽极组合分布式非对称绕组连接方式，其相邻槽的间距为v＝(m×N×k+m)/d，其中k为使v为整数的最小整数(包括0)，m为相数，N和d分别为每极每相槽数q的分子和分母，满足

因此，第一行的定子槽编号按照1，1+v，1+2v，……，1+(N-1)v进行排列；其中，Qs为定子槽数，Pa为电枢绕组极对数，如果计算的定子槽编号大于N，则需要减去N；第二行定子槽编号由第一行定子槽编号加N获得，以此类推直至所有槽编号都被填满；相邻槽的电角度表示为

据此画出非常规槽极分布式绕组的槽电势星型图。

3.根据权利要求1所述的一种容错型磁场调制初级永磁直线电机，其特征在于，电枢绕组极对数Pa，永磁体极对数Pm，次级调制齿数ns满足ns＝Pa+Pm。

4.根据权利要求1所述的一种容错型磁场调制初级永磁直线电机，其特征在于，次级调制齿形状可以为矩形或梯形。

5.根据权利要求1所述的一种容错型磁场调制初级永磁直线电机，其特征在于，每个模块单元内三相绕组采用星形接法连接而成。

6.根据权利要求1所述的一种容错型磁场调制初级永磁直线电机，其特征在于，不同相的绕组节距可以不相等。

7.根据权利要求1所述的一种容错型磁场调制初级永磁直线电机，其特征在于，所述永磁体采用钕铁硼材料，或两边永磁体采用铁氧体材料，中间永磁体采用钕铁硼材料。