CN113644769A - 一种聚磁型永磁容错游标轮缘推进电机 - Google Patents

一种聚磁型永磁容错游标轮缘推进电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚磁型永磁容错游标轮缘推进电机，具体包括：具体包括转子、定子和螺旋桨，所述转子包括凸极转子、小转子齿、第一切向励磁永磁体、第二切向励磁永磁体和径向励磁永磁体，所述第一切向励磁永磁体和第二切向励磁永磁体设置在径向励磁永磁体的两侧；该装置采用凸极转子，小转子齿，切向励磁永磁体、径向励磁永磁体的结构可以拥有聚磁效应，增强气隙磁密的基波幅值，同时凸极转子的轭部为低次谐波提供磁通路径，增强磁场调制效应，从而在不增加永磁体用量的前提下提升了输出转矩，降低了齿槽转矩与转矩脉动；同时定子隔离槽的存在切断了某相绕组磁力线耦合到其余相的路径，从而降低了相间互感，提高了容错性能。

Description

一种聚磁型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，尤其涉及一种聚磁型永磁容错游标轮缘推进电机。
背景技术
目前轮缘推进电机大多采用永磁同步电机，该类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。但是轮辐式转子的永磁容错游标轮缘推进电机在气隙长度较大时输出转矩急剧下降，增加永磁体用量虽然会使转矩提升，但成本也随之上升，而且，轮辐式转子会导致相间互感增大，影响容错性能。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种聚磁型永磁容错游标轮缘推进电机，具体包括转子、定子和螺旋桨；
所述转子包括凸极转子、小转子齿、第一切向励磁永磁体、第二切向励磁永磁体和径向励磁永磁体，
所述第一切向励磁永磁体和第二切向励磁永磁体设置在径向励磁永磁体的两侧，其中第一切向励磁永磁体和第二切向励磁永磁体充磁方向相反且均指向径向励磁永磁体；所述小转子齿设置在第一切向励磁永磁体和第二切向励磁永磁体与径向励磁永磁体之间的缝隙中；其中径向励磁永磁体的励磁方向均相同且指向定子方向，第一切向励磁永磁体和第二切向励磁永磁体设置在转子的槽中，径向励磁永磁体与小转子齿堆叠设置，所述切向励磁永磁体与凸极转子的轭部之间放置不导磁材料；
所述定子包括电枢齿、隔离齿和六相单层集中绕组，所述电枢齿与隔离齿沿圆周方向交替排列，其中每个电枢齿的端部均延伸出两个第一调制齿，所述隔离齿端部延伸出第二调制齿，第一调制齿和第二调制齿的宽度不相等，每个第二调制齿上均设置隔离槽；所述螺旋桨焊接在转子的内表面。
所述第一切向励磁永磁体和第二切向励磁永磁体的宽度与径向励磁永磁体的宽度的比值在0-5之间、厚度的比值在0-5之间。
所述六相单层集中绕组的绕组分别为A相、B相、C相、U相、V相、W相，其中绕组A相、B相、C相、U相、V相、W相所占的槽数为2km，其中第一调制齿和第二调制齿的总数为3km，径向励磁永磁体的个数为k(2m±1/2)，切向励磁永磁体的个数k(4m±1)，其中m为相数，k为大于0的偶数。
所述凸极转子内径与定子内径之比大于0.85，所述凸极转子外径与定子外径之比大于0.65。
所述两个调制齿的宽度相同、在圆周上不均匀分布设置。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种聚磁型永磁容错游标轮缘推进电机，该电机采用凸极转子，小转子齿，切向励磁永磁体、径向励磁永磁体的结构可以拥有聚磁效应，增强气隙磁密的基波幅值，同时凸极转子的轭部为低次谐波提供磁通路径，增强磁场调制效应，从而在不增加永磁体用量的前提下提升了输出转矩，降低了齿槽转矩与转矩脉动；同时定子隔离槽的存在切断了某相绕组磁力线耦合到其余相的路径，从而降低了相间互感，提高了容错性能。
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为本发明中聚磁型永磁容错游标轮缘推进电机结构图
图2为本发明中转子结构局部放大图
图3为对比结构的永磁容错游标轮缘推进电机图
图4为两种结构空载气隙磁密及其傅里叶分析图
图5为实施例电磁转矩图
图6为对比结构电磁转矩图
图7为实施例电感图
图8为对比结构电感图
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：
如图1所示的一种聚磁型永磁容错游标轮缘推进电机，本实施例选择六相绕组，也即m＝6，k＝2的情况进行说明。第一调制齿12和第二调制齿10-1的总数为36，调制齿的作用是对永磁体磁场和电枢绕组磁场进行调制，改变其在气隙中的分布。径向励磁永磁体7的个数为25，切向励磁永磁体的个数为50。电枢齿9与隔离齿10个数均为25。
定子2包括电枢齿9、隔离齿10和六相单层集中绕组11，电枢齿9与隔离齿10沿圆周方向交替排列，电枢齿9主要用来缠放六相单层集中绕组11，隔离齿10可以实现物理隔离，热隔离，磁隔离。两个第一调制齿12的宽度相同、在圆周上不均匀分布设置，这就导致气隙磁导的周期数与电枢齿9的数量有关，从而改变了气隙磁密的谐波次数。第一调制齿12和第二调制齿10-1的宽度不相等，每个第二调制齿10-1上均设置隔离槽13；六相单层分数槽集中绕组，增强了电机的容错能力，减少了绕组端部长度，降低了铜耗；六相绕组有两套，排布形式为YY移30°，一套绕组正向绕制，另一套反向绕制，可以降低相间互感。
由于电机基于磁场调制原理运行，其定子调制极数Zs＝36，永磁体极对数Pr＝25，电枢绕组极对数Pw＝11满足以下关系：
Zs＝Pr+Pw
转子1包括凸极转子4、小转子齿5、第一切向励磁永磁体6-1、第二切向励磁永磁体6-2和径向励磁永磁体7，第一切向励磁永磁体6-1和第二切向励磁永磁体6-2设置在径向励磁永磁体7的两侧，其中第一切向励磁永磁体6-1和第二切向励磁永磁体6-2充磁方向相反且均指向径向励磁永磁体7。这样可以增强气隙磁密的基波幅值，产生聚磁效应。切向励磁永磁体优化后的宽度与厚度分别是6.5mm和4.8mm，径向励磁永磁体7优化后的宽度与厚度分别是6.3mm和7mm。第一切向励磁永磁体6-1和第二切向励磁永磁体6-2的宽度与径向励磁永磁体7的宽度的最优比值为0.7、厚度的最优比值为1.0。小转子齿5设置在第一切向励磁永磁体6-1和第二切向励磁永磁体6-2与径向励磁永磁体7之间的缝隙中，起到导磁的作用；其中径向励磁永磁体7的励磁方向均相同且指向定子2，第一切向励磁永磁体6-1和第二切向励磁永磁体6-2设置在转子槽中，径向励磁永磁体7与小转子齿5堆叠设置，切向励磁永磁体与凸极转子4的轭部之间放置不导磁材料8，这样可以减小永磁体磁体底部漏磁，增强气隙磁密。根据等效磁路法求得转子磁动势为：
Figure BDA0003233500650000041
则空载气隙磁密为：
Figure BDA0003233500650000042
从上式可以看出，经过调制齿的调制后气隙磁密的主要谐波成分为Pr次，Pr+iZa次，Pr+iZa次，3Pr次，i＝1,2,3…。代入电机参数可以得到谐波次数为：1，11，13，25，37，49，61次等。同时绕组磁动势产生的谐波次数为12k+1,k＝0,1,-1,2,-2…。可以看出两者对应谐波次数相同，旋转速度也相同，可以相互作用输出平均转矩。实现了多谐波磁场调制效应，降低了转矩脉动，提高了转矩密度。
进一步的，螺旋桨3直接焊接在转子1内表面。为了保证转子1内部有足够大的空间可以安置螺旋桨，同时保证整台电机体积不至于过大，凸极转子4内径与定子2内径之比大于0.85，凸极转子4外径与定子2外径之比大于0。
实施例与对比结构绕组排布相同，基波绕组系数均为0.94，且永磁体用量相同。图4为空载气隙磁密及其傅里叶分析图，可以看出实施例25次磁密幅值比对比结构高约10％，这是因为特殊的转子结构产生了较强的聚磁效应。再者出现了1次谐波，这是由于转子轭为1次谐波提供了路径，虽然1次谐波幅值较小，但是其极比较大，是转子转速的25倍，对转矩输出产生较大贡献。而其余次谐波幅值几乎相等，所以实施例的转矩高于对比结构。图5为是实施例与对比结构的转矩波形图，可以看出实施例转矩比对比结构高约30％，且转矩脉动更小，这主要由于多谐波磁场调制作用。图6为实施例与对比结构的电感波形，可以看出实施例自感更高，故其抑制短路电流的能力更强；同时实施例互感更小其耦合系数为2.6％，低于对比结构的6.2％，故实施例容错能力更好。
电机气隙相对较大，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与轮辐式转子结构参数如表1所示。
表1实施例以及对比结构参数
Figure BDA0003233500650000051
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 (5)

1.一种聚磁型永磁容错游标轮缘推进电机，其特征在于包括：转子(1)、定子(2)和螺旋桨(3)；
所述转子(1)包括凸极转子(4)、小转子齿(5)、第一切向励磁永磁体(6-1)、第二切向励磁永磁体(6-2)和径向励磁永磁体(7)，
所述第一切向励磁永磁体(6-1)和第二切向励磁永磁体(6-2)设置在径向励磁永磁体(7)的两侧，其中第一切向励磁永磁体(6-1)和第二切向励磁永磁体(6-2)充磁方向相反且均指向径向励磁永磁体(7)；所述小转子齿(5)设置在第一切向励磁永磁体(6-1)和第二切向励磁永磁体(6-2)与径向励磁永磁体(7)之间的缝隙中；其中径向励磁永磁体(7)的励磁方向均相同且指向定子(2)方向，第一切向励磁永磁体(6-1)和第二切向励磁永磁体(6-2)设置在转子(1)的槽中，径向励磁永磁体(7)与小转子齿(5)堆叠设置，所述切向励磁永磁体(6)与凸极转子(4)的轭部之间放置不导磁材料(8)；
所述定子(2)包括电枢齿(9)、隔离齿(10)和六相单层集中绕组(11)，所述电枢齿(9)与隔离齿(10)沿圆周方向交替排列，其中每个电枢齿(9)的端部均延伸出两个第一调制齿(12)，所述隔离齿(10)端部延伸出第二调制齿(10-1)，第一调制齿(12)和第二调制齿(10-1)的宽度不相等，每个第二调制齿(10-1)上均设置隔离槽(13)；
所述螺旋桨(3)焊接在转子(1)的内表面。
2.根据权利要求1所述的聚磁型永磁容错游标轮缘推进电机，其特征在于：所述第一切向励磁永磁体(6-1)和第二切向励磁永磁体(6-2)的宽度与径向励磁永磁体(7)的宽度的比值在0-5之间、厚度的比值在0-5之间。
3.根据权利要求1所述的聚磁型永磁容错游标轮缘推进电机，其特征在于：所述六相单层集中绕组(11)的绕组分别为A相、B相、C相、U相、V相、W相，其中绕组A相、B相、C相、U相、V相、W相所占的槽数为2km，其中第一调制齿(12)和第二调制齿(10-1)的总数为3km，径向励磁永磁体(7)的个数为k(2m±1/2)，切向励磁永磁体(6)的个数k(4m±1)，其中m为相数，k为大于0的偶数。
4.根据权利要求1所述的聚磁型永磁容错游标轮缘推进电机，其特征在于：所述凸极转子(4)内径与定子(2)内径之比大于0.85，所述凸极转子(4)外径与定子(2)外径之比大于0.65。
5.根据权利要求1所述的聚磁型永磁容错游标轮缘推进电机，其特征在于：所述两个调制齿(12)的宽度相同、在圆周上不均匀分布设置。
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