CN114268207A - 一种双余度永磁同步电动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双余度永磁同步电动机，涉及永磁同步电机技术领域，包括电机壳体、不导磁转轴、定子部件和转子部件，不导磁转轴、定子部件和转子部件均设于电机壳体内，定子部件环绕设于电机壳体内壁，转子部件设于定子部件内，且转子部件与定子部件之间设有可调节的第一气隙结构，不导磁转轴与转子部件连接，不导磁转轴、定子部件与转子部件均同心圆设置；定子部件包括多个E型铁芯单元，多个E型铁芯单元环绕设于电机壳体内侧壁，任意相邻的两个E型铁芯单元之间均设有可调节的第二气隙结构；电机的槽距与极距相等；本装置可以提高电机的绕组系数，从而提升电机的转矩密度，提高了机电伺服系统的安全性和可靠性。

Description

一种双余度永磁同步电动机

技术领域

本发明涉及永磁同步电机技术领域，具体而言，涉及一种双余度永磁同步电动机。

背景技术

多电/全电飞机使用电动力推进系统代替内燃机动力，从而获得了很多优点和独特品质。最突出的优点是节能环保，效率高能耗低，同时实现接近零排放，噪声和振动水平很低，乘坐舒适性好，是名符其实的环境友好飞机。此外，还具有安全可靠(不会发生爆炸和燃料泄漏)、结构简单、操作使用简便、维修性好、费用低、经济性好等特点。在设计上也有很多优势：总体布局灵活，可采用最佳布局和非常规创新布局等。但多电/全电飞机对其电机驱动系统的要求较为苛刻，主要体现在以下几个方面：1)高功率密度。这一直是电机主要发展方向之一，尤其在飞机电机中。飞机在飞行中将消耗大量的电能，对电机功率密度的要求与日俱增。传统电机的功率密度在0.5kW/kg，而飞机电机对功率密度的要求要至少达到1.5kW/kg，远期目标更是要达到7kW/kg；虽然飞机对电机的可靠性和更换周期都有严格规定，但在极端恶劣环境，如高盐度，高湿度地区等，电机仍存在提前失效的可能，在这种情况下，电机如果可以某种方式短时间容错运行，就可为操纵飞机迫降或逃生提供更多的时间，提高人员生还的可能性，更好的保证生命安全。

现有的不等齿结构电机和模块化电机都存在局限性，比如不等齿结构电机虽然能够通过提升基波绕组系数从而增加转矩密度，但是其相与相之间依旧存在耦合，模块化电机能够实现电机相与相间的物理，电磁，热隔离，但是其磁障的存在会降低电机绕组系数，从而降低转矩密度，需要解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双余度永磁同步电动机，可以提高电机的绕组系数，从而提升电机的转矩密度，提高了机电伺服系统的安全性和可靠性。

本发明的实施例是这样实现的：

本申请实施例提供一种双余度永磁同步电动机，其包括电机壳体、不导磁转轴、定子部件和转子部件，上述不导磁转轴、上述定子部件和上述转子部件均设于上述电机壳体内，上述定子部件环绕设于上述电机壳体内壁，上述转子部件设于上述定子部件内，且上述转子部件与上述定子部件之间设有可调节的第一气隙结构，上述不导磁转轴与上述转子部件连接，上述不导磁转轴、上述定子部件与上述转子部件均同心圆设置；

上述定子部件包括多个E型铁芯单元，多个上述E型铁芯单元环绕设于上述电机壳体内侧壁，任意相邻的两个上述E型铁芯单元之间均设有可调节的第二气隙结构；

上述电机的槽距与极距相等。

在本发明的一些实施例中，上述E型铁芯单元设有六个，六个上述E型铁芯单元拼接形成类圆环形，设于上述电机壳体内侧壁。

在本发明的一些实施例中，任意一个上述E型铁芯单元包括一个电枢齿构件和两个容错齿构件，两个上述容错齿构件对称设于上述电枢齿构件两侧，上述电枢齿构件上绕有一相绕组。

在本发明的一些实施例中，上述一相绕组采用单层集中绕组，上述一相绕组设于上述电枢齿构件的中心位置。

在本发明的一些实施例中，六个上述一相绕组分别构成两套独立的三相绕组，两套上述三相绕组交错设置。

在本发明的一些实施例中，两套上述三相绕组之间相差60°。

在本发明的一些实施例中，上述转子部件包括转子铁芯构件和永磁体构件，上述转子铁芯构件设于上述不导磁转轴上，上述永磁体构件环绕设于上述转子铁芯构件的圆周表面。

在本发明的一些实施例中，上述永磁体构件与上述转子铁芯构件粘接。

在本发明的一些实施例中，上述永磁体构件设有十二块，十二块上述永磁体构沿上述转子铁芯构件表面的圆周均匀分布。

在本发明的一些实施例中，十二块上述永磁体构件沿径向充磁，且其充磁方向交替相反。

本发明实施例至少具有如下优点或有益效果：

一种双余度永磁同步电动机，包括电机壳体、不导磁转轴、定子部件和转子部件，上述不导磁转轴、上述定子部件和上述转子部件均设于上述电机壳体内，上述定子部件环绕设于上述电机壳体内壁，上述转子部件设于上述定子部件内，且上述转子部件与上述定子部件之间设有可调节的第一气隙结构，上述不导磁转轴与上述转子部件连接，上述不导磁转轴、上述定子部件与上述转子部件均同心圆设置；上述定子部件包括多个E型铁芯单元，多个上述E型铁芯单元环绕设于上述电机壳体内侧壁，任意相邻的两个上述E型铁芯单元之间均设有可调节的第二气隙结构。

其中不导磁转轴、定子部件和转子部件均设于电机壳体内，通过电机壳体给各部件提供稳定支撑，使各部件能稳定工作，从而使永磁同步电机能稳定工作，提供动力，其中定子部件环绕设于电机壳体内壁，转子部件设于定子部件内，通过定子部件通电产生旋转磁场，然后作用与转子部件，使转子部件转动，不导磁转轴与转子部件连接，通过转子部件带动不导磁转轴转动，进而使不导磁转轴作为电机的动力输出轴输出动力。

具体的，上述转子部件与定子部件之间设有第一气隙结构，可以保证转子部件转动不受定子部件的干扰，第一气隙结构为预定长度的进行气隙结构，使转子部件和不导磁转轴转动更加稳定，工作效率更高。

具体的，上述定子部件包括多个E型铁芯单元，多个E型铁芯单元环绕设于电机壳体内侧壁，可以给转动部件提供稳定的磁场，任意相邻的两个E型铁芯单元之间均设有可调节的第二气隙结构，即在电机中加入礠障，可以改变磁通在定子转件中的流通路径，从而改变了电机的气隙磁场分布，加入磁障后电机的次谐波(1次和3次)得到了有效的抑制，能够降低电机的损耗，从而提升电机效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明的剖面模型结构示意图；

图2为本发明电机与已有电机的空载磁链对比图；

图3为本发明电机与已有电机的气隙磁密对比图；

图4为本发明电机与已有电机的输出转矩对比图。

图标：1-E型铁芯单元，11-电枢齿构件，12-容错齿构件，13-一相绕组，2-转子部件，21-转子铁芯构件，22-永磁体构件，3-不导磁转轴，4-电机壳体，5-第一气隙结构，6-第二气隙结构。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，“多个”代表至少2个。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

请参照图1，本实施例提供一种双余度永磁同步电动机，其包括电机壳体4、不导磁转轴3、定子部件和转子部件2，上述不导磁转轴3、上述定子部件和上述转子部件2均设于上述电机壳体4内，上述定子部件环绕设于上述电机壳体4内壁，上述转子部件2设于上述定子部件内，且上述转子部件2与上述定子部件之间设有可调节的第一气隙结构5，上述不导磁转轴3与上述转子部件2连接，上述不导磁转轴3、上述定子部件与上述转子部件2均同心圆设置；上述定子部件包括多个E型铁芯单元1，多个上述E型铁芯单元1环绕设于上述电机壳体4内侧壁，任意相邻的两个上述E型铁芯单元1之间均设有可调节的第二气隙结构6。

在本实施例中，不导磁转轴3、定子部件和转子部件2均设于电机壳体4内，通过电机壳体4给各部件提供稳定支撑，使各部件能稳定工作，从而使永磁同步电机能稳定工作，提供动力，其中定子部件环绕设于电机壳体4内壁，转子部件2设于定子部件内，通过定子部件通电产生旋转磁场，然后作用于转子部件2，使转子部件2转动，不导磁转轴3与转子部件2连接，通过转子部件2带动不导磁转轴3转动，进而使不导磁转轴3作为电机的动力输出轴输出动力。

具体的，上述转子部件2与定子部件之间设有第一气隙结构5，可以保证转子部件2转动不受定子部件的干扰，第一气隙结构5为预定长度的气隙结构，使转子部件2和不导磁转轴3转动更加稳定，工作效率更高。

具体的，上述定子部件包括多个E型铁芯单元1，多个E型铁芯单元1环绕设于电机壳体4内侧壁，可以给转动部件提供稳定的磁场，任意相邻的两个E型铁芯单元1之间均设有可调节的第二气隙结构6，即在电机中加入礠障，可以改变磁通在定子转件中的流通路径，从而改变了电机的气隙磁场分布，加入磁障后电机的次谐波(1次和3次)得到了有效的抑制，能够降低电机的损耗，从而提升电机效率。

请参照图1，在本实施例的一些实施方式中，上述E型铁芯单元1设有六个，六个上述E型铁芯单元1拼接形成类圆环形设于上述电机壳体4内侧壁。

在本实施例中，E型铁芯单元1设有六个，六个上述E型铁芯单元1拼接形成类圆环形设于上述电机壳体4内侧壁，可以更好地围绕在转子部件2外围，给转子部件2提供稳定磁场，使转子部件2转动更加顺畅。

请参照图1，在本实施例的一些实施方式中，任意一个上述E型铁芯单元1包括一个电枢齿构件11和两个容错齿构件12，两个上述容错齿构件12对称设于上述电枢齿构件11两侧，上述电枢齿构件11绕有一相绕组13。

在本实施例中，任意一个上述E型铁芯单元1包括一个电枢齿构件11和两个容错齿构件12，两个上述容错齿构件12对称设于上述电枢齿构件11两侧，上述电枢齿构件11绕有一相绕组13，可以确保电机相邻的一相绕组13与一相绕组13之间完全隔离，从而提高电机的容错运行能力。

请参照图1，在本实施例的一些实施方式中，上述一相绕组13采用单层集中绕组，上述一相绕组13设于上述电枢齿构件11的中心位置。

请参照图1，在本实施例的一些实施方式中，六个上述一相绕组13分别构成两套独立的三相绕组，两套上述三相绕组交错设置。

在本实施例中，六个上述一相绕组13分别构成两套独立的三相绕组，两套上述三相绕组交错设置，可以使他们作为独立的模块相互工作，这样当其中一套三相绕组发生故障时，另外一套三相绕组可以降负载运行，提高电机的工作能力。

使用时，在电机控制方面，对两套三相绕组采用容错的控制方式，每套三相绕组均各自配有驱动器，两套三相绕组能同时工作，当其中一套三相绕组出现故障时，另一套三相绕组仍然能够正常工作，即通过采用绕组冗余技术，提高机电伺服系统的可靠性。

请参照图1，在本实施例的一些实施方式中，两套上述三相绕组之间相差60°。

在本实施例中，两套三相绕组之间相差60°，可以保证绕组能获得最大的磁动势。

请参照图1，在本实施例的一些实施方式中，上述转子部件2包括转子铁芯构件21和永磁体构件22，上述转子铁芯构件21设于上述不导磁转轴3上，上述永磁体构件22环绕设于上述转子铁芯构件21的圆周表面。

在本实施例中，转子部件2包括转子铁芯构件21和永磁体构件22，其中转子铁芯构件21设于不导磁转轴3上，从而将转子部件2与不导磁转轴3连接在一起，使其能共同转动，永磁体构件22环绕设于转子铁芯构件21的圆周表面，可以在电机气隙中建立足够的磁场，从而得到方波形式的气隙磁通密度，提高电机的工作掉落。

在本实施例的一些实施方式中，上述永磁体结构与上述转子铁芯构件21粘接。

在上述实施方式中，永磁体结构与转子铁芯粘接，结构紧凑，生产简单方便，固定效果好。

优选地，上述永磁体构件22设有十二块，十二块上述永磁体构沿上述转子铁芯构件21表面的圆周均匀分布，布局更加合理，同时使磁场更加稳定，提高电机工作效率。

在实际使用时，沿径向对十二块永磁体构件22充磁，且其充磁方向交替相反，然后向十二块块永磁体构件22的表面注入三次谐波分量。

本发明中定子转件由6个E型铁芯组成，每个E型铁芯的电枢齿构件11上缠绕一相绕组13，构成了模块化的结构，值得注意的是，该结构使得绕组可以在机壳外完成绕线，能够降低工业绕线的困难，进一步提高定子槽的槽满率；同时，当其中一组绕组发生故障，只需要更换相应的损坏模块就可以完成整机的修复，极大的节省了维护费用；当定子磁障宽度发生改变时，其基波绕组短距系数可以表示为：

(1)

(2)

其中τp是电机极距，τt是电机槽距，β为定子磁障弧度，Ri为定子内半径，通过改变第二气隙结构6宽度，电枢齿构件11宽度和容错齿构件12宽度，能够有效增加电机的基波绕组系数，从而提高电机的转矩密度。

由于采用的是分数槽集中绕组，电机的分布系数为1，因此决定电机绕组系数的因素变为极距和槽距。当电机转子一定时，其极距也就不会发生变化，想要得到最大的基波绕组系数，就必须要使得槽矩和极距一致。对于传统等齿宽12槽10极电机而言，槽矩小于极距，无法使得基波绕组系数为1，因此采用新型模块化双三相永磁同步电机，通过调整电枢齿的宽度，使得一个E型铁芯的槽矩等于极距，从而确保基波绕组系数为1.但此时由于电枢齿齿宽较大，在保证槽面积不变的前提下，辅助齿的齿宽太窄，辅助齿过饱和，从而大大降低了电机的输出转矩。因此调整电枢齿和辅助齿的大小，在确保电机定子的最大空载磁密低于1.5T时，选择基波系数最大的定子齿宽度。

故当电机的槽距与极距相等时，可以提高电机的绕组系数，从而提升电机的转矩密度，提高了机电伺服系统的安全性和可靠性，具体请参照图2-图4，图2为本发明电机与已有电机的空载磁链对比图；两款电机除了定子模型参数不一致外，转子和绕组参数一致，可以看出本发明电机的磁链比已有电机的磁链高出16％；图3为本发明电机与已有电机的气隙磁密对比图；图4为本发明电机与已有电机的输出转矩对比图；可以看到本发明电机的输出转矩比已有电机的输出转矩多0.42Nm，且转矩波动比已发明电机低了19.2％。

综上，本申请实施例提供一种双余度永磁同步电动机，包括电机壳体4、不导磁转轴3、定子部件和转子部件2，上述不导磁转轴3、上述定子部件和上述转子部件2均设于上述电机壳体4内，上述定子部件环绕设于上述电机壳体4内壁，上述转子部件2设于上述定子部件内，且上述转子部件2与上述定子部件之间设有可调节的第一气隙结构5，上述不导磁转轴3与上述转子部件2连接，上述不导磁转轴3、上述定子部件与上述转子部件2均同心圆设置；上述定子部件包括多个E型铁芯单元1，多个上述E型铁芯单元1环绕设于上述电机壳体4内侧壁，任意相邻的两个上述E型铁芯单元1之间均设有可调节的第二气隙结构6。

其中不导磁转轴3、定子部件和转子部件2均设于电机壳体4内，通过电机壳体4给各部件提供稳定支撑，使各部件能稳定工作，从而使永磁同步电机能稳定工作，提供动力，其中定子部件环绕设于电机壳体4内壁，转子部件2设于定子部件内，通过定子部件通电产生旋转磁场，然后作用与转子部件2，使转子部件2转动，不导磁转轴3与转子部件2连接，通过转子部件2带动不导磁转轴3转动，进而使不导磁转轴3作为电机的动力输出轴输出动力。

具体的，上述转子部件2与定子部件之间设有第一气隙结构5，可以保证转子部件2转动不受定子部件的干扰，第一气隙结构5为预定长度的进行气隙结构，使转子部件2和不导磁转轴3转动更加稳定，工作效率更高。

具体的，上述定子部件包括多个E型铁芯单元1，多个E型铁芯单元1环绕设于电机壳体4内侧壁，可以给转动部件提供稳定的磁场，任意相邻的两个E型铁芯单元1之间均设有可调节的第二气隙结构6，即在电机中加入礠障，可以改变磁通在定子转件中的流通路径，从而改变了电机的气隙磁场分布，加入礠障后电机的次谐波(1次和3次)得到了有效的抑制，能够降低电机的损耗，从而提升电机效率。

本发明虽为一种双余度永磁同步电机，但也可以作为一种通用的高可靠动力转化装置，适用于其他伺服电机的应用领域，应用者可以根据其特殊的应用领域通过修改硬件参数等方式来灵活方便地实现其功能。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双余度永磁同步电动机，其特征在于，包括电机壳体、不导磁转轴、定子部件和转子部件，所述不导磁转轴、所述定子部件和所述转子部件均设于所述电机壳体内，所述定子部件环绕设于所述电机壳体内壁，所述转子部件设于所述定子部件内，且所述转子部件与所述定子部件之间设有可调节的第一气隙结构，所述不导磁转轴与所述转子部件连接，所述不导磁转轴、所述定子部件与所述转子部件均同心圆设置；

所述定子部件包括多个E型铁芯单元，多个所述E型铁芯单元环绕设于所述电机壳体内侧壁，任意相邻的两个所述E型铁芯单元之间均设有可调节的第二气隙结构；

所述电机的槽距与极距相等。

2.根据权利要求1所述的一种双余度永磁同步电动机，其特征在于，所述E型铁芯单元设有六个，六个所述E型铁芯单元拼接形成类圆环形，设于所述电机壳体内侧壁。

3.根据权利要求2所述的一种双余度永磁同步电动机，其特征在于，任意一个所述E型铁芯单元包括一个电枢齿构件和两个容错齿构件，两个所述容错齿构件对称设于所述电枢齿构件两侧，所述电枢齿构件上绕有一相绕组。

4.根据权利要求3所述的一种双余度永磁同步电动机，其特征在于：所述一相绕组采用单层集中绕组，所述一相绕组设于所述电枢齿构件的中心位置。

5.根据权利要求4所述的一种双余度永磁同步电动机，其特征在于，六个所述一相绕组分别构成两套独立的三相绕组，两套所述三相绕组交错设置。

6.根据权利要求5所述的一种双余度永磁同步电动机，其特征在于，两套所述三相绕组之间相差60°。

7.根据权利要求1所述的一种双余度永磁同步电动机，其特征在于，所述转子部件包括转子铁芯构件和永磁体构件，所述转子铁芯构件设于所述不导磁转轴上，所述永磁体构件环绕设于所述转子铁芯构件的圆周表面。

8.根据权利要求7所述的一种双余度永磁同步电动机，其特征在于，所述永磁体构件与所述转子铁芯构件粘接。

9.根据权利要求7所述的一种双余度永磁同步电动机，其特征在于，所述永磁体构件设有十二块，十二块所述永磁体构沿所述转子铁芯构件表面的圆周均匀分布。

10.根据权利要求9所述的一种双余度永磁同步电动机，其特征在于，十二块所述永磁体构件沿径向充磁，且其充磁方向交替相反。

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