CN114285204A

CN114285204A - 一种永磁容错电机

Info

Publication number: CN114285204A
Application number: CN202111671000.0A
Authority: CN
Inventors: 李大伟; 王润宇; 曲荣海; 范兴纲; 陈健颖
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2021-12-31
Filing date: 2021-12-31
Publication date: 2022-04-05
Anticipated expiration: 2041-12-31
Also published as: CN114285204B

Abstract

本发明公开了一种永磁容错电机，属于容错电机领域，该电机为整数槽电机，其中，绕组相带为360°/(2m)，包括m个第一相带和m个第二相带；m为绕组相数；每一相绕组对应一个第一相带和一个第二相带，且包括环形绕组和同心式绕组，环形绕组嵌放在第一相带下的槽内，同心式绕组的两侧元件边分别位于两个相带下的槽内；同一相绕组对应的两种相带下绕组的电流相位相差180°电角度；每一相绕组中，q个环形绕组和q个同心式绕组分别串联后，再串联到一起构成一条并联支路；q为每极每相槽数；第一相带下的槽为大槽，第二相带下的槽为小槽，大槽的槽面积大于小槽；大槽向两侧相邻第二相带下的小槽倾斜。本发明能够在有效抑制短路电流的同时，提高电机的功率密度。

Description

一种永磁容错电机

技术领域

本发明属于容错电机领域，更具体地，涉及一种永磁容错电机。

背景技术

随着环境污染和能源枯竭问题日益严重，碳排放量较多的交通运输业迎来全面电气化变革。电机作为载运工具的核心推进部件，有着高功率密度和高可靠性的严苛要求，特别是航空航天、电动汽车等领域。高功率密度使得电机处于高电磁负荷的运行状态，电机整体温度较高，系统可靠性较低，因此在保证高功率密度的同时兼顾电机容错设计成为亟待解决的问题。

为了提高电机的容错能力，通常在电机本体设计时尽可能的实现电隔离、磁隔离、热隔离和物理隔离。分数槽集中绕组相比同心式绕组更有利于隔离设计，尤其是单层分数槽集中绕组，并且具有齿槽转矩小、端部短及效率高的优势，在容错电机中应用广泛。为了保障故障情况下电机仍能正常运行，可对绕组进行多相设计，常见的有五相、六相、九相、十相等。每套三相绕组由独立的三相全桥或者H桥驱动电路进行驱动。虽然多相绕组的设计有利于增强系统的容错性，但是独立电源和逆变器数量增多也会带来系统空间和体积增加以及控制复杂化的问题。

电机本体故障发生概率最高的是匝间短路和单相短路，为了抑制上述故障引起的短路电流，增加绕组的每相串联匝数可以增加绕组电感从而产生很好的抑制效果。但对于航空航天等特殊领域，母线电压较低，绕组电感的增大受到限制，相应地，短路电流的抑制效果较差。例如，在专利文件CN109510558A中，公开了一种永磁容错电机驱动系统，如图1所示，该电机由两套三相全桥驱动电路分别控制三相单层集中式隔离齿绕制的电枢绕组，图1中，I表示永磁容错电机，I-1表示定子，I-2表示转子，I-3表示永磁体。在系统出现故障时，将对应的双向晶闸管处于开通状态，构成带中性点的半桥功率电路，从而实现系统容错运行的控制。整个系统具有磁隔离、物理隔离、热隔离、齿槽转矩脉动小的优点，但是，在低母线电压的情况下，电机绕组电感较小，短路电流的抑制效果较差。

针对低母线电压的环境下，绕组电感的增大受到限制的问题，有研究人员提出了利用环形绕组替代分数槽集中绕组的方案，环形绕组是绕定子轭部制成的，因此，相比于集中绕组，在保证母线电压不变的情况下，绕组匝数可以增加一倍，相应地，绕组电感能够得到有效增加。但是，环形绕组实际只利用了一半的线圈边，电机铜耗较大，效率较低，很难实现高功率密度。

在专利文件CN106230213A中，公开了一种定子匝间短路故障自动容错多相同步发电机，其使用环形绕组，并将每相绕组按360°/m相带分布(m表示绕组相数)，如图2所示，其中，II-1表示定子铁心，II-2表示定子环形绕组，II-3表示永磁体，II-4表示转子铁心，II-5表示转轴。在电机铁心不饱和情况下，电机短路发生后会出现环轭漏磁，电机的漏感增大，对短路电流抑制效果很好，可以近似维持发电机的正常输出能力。但是，该结构要实现短路电流的有效抑制必须在短路后电机轭部不饱和的情况下才可以，这使得电机铁心轭部较厚，在正常工作时，轭部磁密较小，电机铁心利用率较低，无法实现电机功率密度的提高。同时采用环形绕组的电机铜耗较大，电机效率较低。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种永磁容错电机，其目的在于，在有效抑制短路电流的同时，进一步提高电机的功率密度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种永磁容错电机，该永磁容错电机为整数槽电机，其中，绕组相带为360°/(2m)，包括m个第一相带和m个第二相带；m为绕组相数；

每一相绕组对应一个第一相带和一个第二相带，且包括环形绕组和同心式绕组，其中，环形绕组嵌放在第一相带下的槽内，同心式绕组的一侧元件边位于第二相带下的槽内，同心式绕组的另一侧元件边位于第一相带下的槽内；同一相绕组所对应的第一相带和第二相带下绕组的电流相位相差180°电角度；

每一相绕组中，q个环形绕组和q个同心式绕组构成一条并联支路；在一条并联支路中，q个环形绕组串联，q个同心式绕组串联，且串联的环形绕组与串联的同心式绕组串联；q为每极每相槽数。

进一步地，第一相带下的槽为大槽，第二相带下的槽为小槽，大槽的槽面积大于小槽。

进一步地，大槽向两侧相邻第二相带下的小槽倾斜。

进一步地，环形绕组在定子铁心轭部的绕制区域，位于相邻的第二相带下小槽对应的铁心轭部。

进一步地，转子磁钢采用Halbach磁钢阵列结构。

进一步地，定子铁心内侧设置有紧贴定子齿部且两端密封的隔油套。

按照本发明的另一个方面，提供了上述永磁容错电机在航空航天或电动汽车领域的应用。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明提供的永磁容错电机，其中的定子绕组由环形绕组和同心式绕组组合而成，并且通过特定的绕组连接方式，即按照每极每相槽数q，将q个环形绕组串联，q个同心式绕组串联，并将串联后的q个环形绕组和q个同心式绕组串联，组成一个并联支路，这就在保证各并联支路的电感相同的情况下，实现了最多的并联支路，由此能够利用环形绕组实现容错，对短路电流进行有效抑制，同时在同心式绕组的配合下，有效降低了绕组铜耗，提高了电机的功率密度。

(2)本发明提供的永磁容错电机，其中的相带设计为360°/(2m)，相比于现有的360°/m的设计，在同样实现m相绕组的情况下，本发明中，绕组的相带谐波含量较少，永磁体损耗得到有效抑制，效率进一步提高。

(3)本发明提供的永磁容错电机，采用大小槽的设计，保证了各相带内的电流密度；在其优选方案中，大槽向两侧相邻第二相带下的小槽倾斜，由此能够避免大槽对应的轭部厚度较薄，从而有效增大铁心利用率，让电机的轭部各处保持一定的厚度，防止短路发生时，电机轭部过于饱和导致短路电流抑制效果变差。

(4)本发明提供的永磁容错电机，转子磁钢采用Halbach磁钢阵列，由于Halbach磁钢阵列的屏蔽作用，可以省去转子轭部，从而实现电机的轻量化。

附图说明

图1为CN109510558A中提供的永磁容错电机驱动系统；其中，I表示永磁容错电机，I-1表示定子，I-2表示转子，I-3表示永磁体；

图2为CN106230213A中提供的定子匝间短路故障自动容错多相同步发电机；其中，II-1表示定子铁心，II-2表示定子环形绕组，II-3表示永磁体，II-4表示转子铁心，II-5表示转轴；

图3为本发明实施例提供的48槽4极槽电动势星形图；

图4为本发明实施例提供的A1相带和X1相带下槽内绕组的连接关系示意图；

图5为本发明实施例提供的普通槽型的电磁拓扑示意图；

图6为本发明实施例提供的特殊槽型的电磁拓扑示意图；

图7为本发明实施例提供的短路发生时刻磁链分布图；

图8为本发明实施例提供的单相短路时短路相电流波形示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

100-定子铁心，200-绕组，300-大槽，400-小槽，500-隔油套，600-转子护套，700-转子磁钢，800-环轭磁链；

1～48表示电机定子中的48个槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

为了解决现有的基于环形绕组的永磁容错电机中铜耗较大、效率较低、难以实现高功率密度的技术问题，在本发明的一个实施例中，提供了一种永磁容错电机，该永磁容错电机为整数槽电机，即每极每相槽数为整数。以下结合图3～图8对本实施例的技术方案作进一步的解释说明。

可选地，本实施例所提供的永磁容错电机，是一个48槽4极电机，且其中共设置了m＝6相绕组，相应地，每极每相槽数为q＝2；

本实施例中，绕组相带设计为360°/(2m)＝30°，绕组相带具体包括6个正相带和6个负相带，且每一相绕组对应一个正相带和一个负相带，容易理解的是，同一相绕组所对应的正相带和负相带下绕组的电流相位相差180°电角度；

图3所示，为本实施例提供的永磁容错电机的槽电动势星形图，其中，A1与X1对应同一相绕组，A2与X2对应同一相绕组，B1与Y1对应同一相绕组，B2与Y2对应同一相绕组，C1与Z1对应同一相绕组，C2与Z2对应同一相绕组；图3中，1～48分别表示电机中的48个槽；相比于现有的360°/m的设计，在同样实现m相绕组的情况下，本实施例中，绕组的相带谐波含量较少，永磁体损耗得到有效抑制，效率进一步提高；

本实施例中，每一相绕组由环形绕组和同心式绕组组合而成；同一相绕组所对应的两个相带中，环形绕组嵌放在正相带下的槽内，同心式绕组的一侧元件边位于负相带下的槽内，同心式绕组的另一侧元件边位于正相带下的槽内，这使得正相带下的槽中匝数较多；应当说明的是，在本发明其他一些实施例中，相带与绕组的对应关系也可以反过来，即环形绕组嵌放在负相带下的槽内，同心式绕组的一侧元件边位于正相带下的槽内，同心式绕组的另一侧元件边位于负相带下的槽内，此时负相带下的槽中匝数较多；应当注意的是，无论绕组与相带采用哪一种对应关系，都需要保证所有绕组采用的对应关系是一致的；

在绕组串并联关系上，虽然当q个环形绕组的串联匝数为q个同心式绕组的串联匝数的两倍时，可以保证二者产生的感应电势相同，但是由于同一相绕组所对应的正相带和负相带下的匝数不同，会导致二者电感实际并不相同，因此环形绕组和同心式绕组不能并联，也即是说，环形绕组和同心式绕组不可简单叠加；本实施例中，为了保证最多的并联支路，由每一相绕组中的q个环形绕组和q个同心式绕组构成一条并联支路，并且在一条并联支路中，q个环形绕组串联，q个同心式绕组串联，且串联的环形绕组与串联的同心式绕组串联；

以A1相带和X1相带下的绕组连接关系为例，如图4所示，其中槽1和槽2的上层边为环形绕组，下层为同心式绕组的正的元件边；槽13和14为同心式绕组的负的元件边；这些槽内的环形绕组串联，同心式绕组也串联，并且串联的环形绕组与串联的同心式绕组也串联，构成一条并联支路；

图4中，槽25、26、37、38中的绕组连接与槽1、2、13、14中的绕组连接一样，构成另一条并联支路；

其余相绕组的连接关系与A1相带和X1相带下的绕组连接关系相同，在此将不作赘述。

为了保证电机的电流密度在合理的范围内，需要增大正相带下的槽面积，因此，本实施例中，环形绕组所在的槽，即正相带下的槽，为大槽，负相带下的槽，为小槽，大槽的槽面积大于小槽。

图5和图6所示为两种不同的槽型设计，图5为普通槽型的电磁拓扑，其通过提高槽深来增大槽面积，但是，若按照图5所示的槽型设计，会使得大槽对应的轭部厚度较薄，当短路发生时，环轭漏磁路径的磁阻较大，极大地限制了短路电流抑制的效果；因此，本实施例提供了一种如图6所示的特殊槽型的电磁拓扑，其中，位于正相带下的大槽往相邻负相带的小槽倾斜，尽可能的增大铁心利用率，让电机的轭部保持一定的厚度，防止短路发生时，电机轭部过于饱和导致短路电流抑制效果变差；作为一种优选的实施方式，如图6所示，本示例中，环形绕组在定子铁心轭部的绕制区域，位于相邻的第二相带下小槽对应的铁心轭部，由此能够进一步防止大槽对应的铁心轭部过薄；

图5和图6中，100表示定子铁心，200表示绕组，300表示大槽，400表示小槽，500表示隔油套，600表示转子护套，700表示转子磁钢；隔油套500设置于定子铁心100内侧，紧贴定子齿部且两端密封；转子护套600设置于转子磁钢700的周向外表面。

以下对本实施例实现容错的原理进行解释说明：

当电机正常工作时，所有环形线圈的绕向相同，且三相电流之和为0，根据安培环路定律，在环轭路径上有：

∮Hdl＝Ni_a+Ni_b+Ni_c＝N(i_a+i_b+i_c)＝0

其中，N表示每相串联匝数，i_a、i_b、i_c分别表示ABC三相电流，H表示磁场强度，l表示环轭路径的长度；

可以看出，在ABC三相电流对称时，无环轭漏磁产生，附加电感为0，只有与转子交链的主磁通和少量的漏磁；当电机发生单相短路或者匝间短路时，ABC三相电流出现不对称的分量，这会引起环轭漏磁的出现，如图7所示，其中，800表示环轭磁链；环轭漏磁的出现使得电机出现一个附加电感，由于环轭磁阻很小，附加电感的数值远高于同步电感，短路电流得到有效抑制，发生短路后的电流波形如图8所示；根据图8可知，本实施例所提供的永磁容错电机，在发生单相短路故障后，相电流的最大值与额定值几乎相等，这说明了本实施例提供的永磁容错电机可以有效抑制短路电流。

环形绕组是本实施例的容错关键，但自身存在铜耗大的缺点，此外环形绕组只有一侧的元件边在正常工作时起作用，这不利于电机轻量化；同心式绕组两个原件边均在定子内侧槽内，和环形绕组组合设计有利于减轻电机重量，降低绕组铜耗，进一步提高电机的功率密度；但需要注意的是，环形绕组和同心式绕组不可简单叠加，需要在串并联关系和定子槽型上进行相应的设计；一般情况下，环形绕组匝数越多，电机的容错性越强，而同心式绕组的匝数越多，则电机的功率密度越高，因此，本实施例可以通过合理分配环形绕组和同心式绕组的匝数来平衡电机的容错性和高功率密度，让整个驱动系统总体性能最优。

参阅图5和图6，为了进一步使电机轻量化，作为一种优选的实施方式，转子磁钢700采用Halbach磁钢阵列结构；由于Halbach磁钢阵列的磁屏蔽作用，可以省去转子轭部，从而实现电机的轻量化。

总的来说，本实施例提出的环形绕组和同心式绕组组合设计方案可以利用短路时激发出的环轭漏感有效的抑制单相或者匝间短路电流，并充分发挥了同心式绕组的优势，减弱了环形绕组的劣势，有效的降低了绕组铜耗，提升了电机的效率和功率密度；提出的定子大小槽型设计可以提高电机铁心的利用率，并有效避免了电机短路时因轭部饱和而导致的短路电流过大的问题；提出的环形绕组和同心式绕组组合设计每个相带所占角度为360°/(2m)，比传统环形绕组相带所占的360°/m小一倍，绕组的相带谐波含量少，磁钢涡流损耗低，电机效率进一步提升。本实施例适用于对电机功率密度和可靠性要求极高的电动汽车和航空航天等领域。

在本发明的另一个实施例中，提供了上述永磁容错电机在航空航天、电动汽车等领域的应用。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种永磁容错电机，其特征在于，所述永磁容错电机为整数槽电机，其中，绕组相带为360°/(2m)，包括m个第一相带和m个第二相带；m为绕组相数；

2.如权利要求1所述的永磁容错电机，其特征在于，第一相带下的槽为大槽，第二相带下的槽为小槽，大槽的槽面积大于小槽。

3.如权利要求2所述的永磁容错电机，其特征在于，大槽向两侧相邻第二相带下的小槽倾斜。

4.如权利要求3所述的永磁容错电机，其特征在于，环形绕组在定子铁心轭部的绕制区域，位于相邻的第二相带下小槽对应的铁心轭部。

5.如权利要求1～4任一项所述的永磁容错电机，其特征在于，转子磁钢采用Halbach磁钢阵列结构。

6.如权利要求1～4任一项所述的永磁容错电机，其特征在于，定子铁心内侧设置有紧贴定子齿部且两端密封的隔油套。

7.如权利要求1～5任一项所述的永磁容错电机在航空航天或电动汽车领域的应用。