CN114498996B - 一种双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机 - Google Patents

一种双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机，电枢包括电枢铁心和m相电枢绕组，转子两侧的第一电枢与第二电枢空间上错开θ=180°/2m电角度，电枢中的m相电枢绕组为对称绕组，每相m相电枢绕组在空间上依次相差β=360°/m电角度，电枢中的每相绕组流过的电流在时间上依次相差β=360°/m；第一电枢的m相电枢绕组与第二电枢的m相电枢绕组中对应相的绕组电流在时间上相差φ=180°/2m。本发明构建的双m相非对称电机具有更多的可供选择的极槽配合，该电机具有转矩脉动低、转子涡流损耗小、冗余容错运行的优点。

Description

一种双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机
技术领域
本发明涉及电机技术领域，特别是涉及双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机。
背景技术
双定子轴向磁通电机具有功率密度高的优点，适合航空电源、电动汽车、风力发电等场合的运行要求，但传统的三相双定子轴向磁通电机转矩波动较大，也不满足高可靠性的容错运行要求。非对称6相绕组电机（双Y移30°绕组电机、或称双三相电机）、非对称10相绕组电机（双五相电机）、非对称14相绕组电机（双七相电机）等电机具有转矩波动小的特点，结合电机设计和控制还可实现冗余容错运行，但这些双m相电机不仅要满足m相电机极数和槽数的配合要求，还得满足双m相电机的极数和槽数的配合要求，导致可供选择的极数和槽数的方案较少。同时，传统的双m相电机的两个m相绕组在机械上相互交叉耦合，不满足高可靠性的冗余容错运行要求。
为了降低电机容错运行时电枢绕组磁动势谐波大的问题，专利（申请号CN201510116136.3）提出了一种多相电机的绕组结构，该电机绕组由两个相同绕组单元组成，绕组单元数与多相电机的定子数相同，每个绕组单元排列于一个定子中，装配时两个定子上的绕组槽相对应并且具有相同的中心线，绕组单元之间的对应相偏移相应的电角度。但该种结构的多相电机存在如下问题：1）可供选择的极数和槽数的方案较少；2）不能削弱永磁电机的齿槽转矩。
发明内容
发明目的：
本发明的目的在于提供一种低转矩波动的多相轴向磁通永磁电机，消除传统多相电机电枢绕组在机械上和电气上的耦合，提高冗余容错运行能力；提高多相电机极数和槽数选择的自由度，解决传统多相电机极数和槽数选择性少的不足。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机，包括电枢、转子、气隙、机座、转轴和轴承，电枢为两个，分别为第一电枢和第二电枢，第一电枢和第二电枢结构一致，第一电枢和第二电枢固定在机座上，转子固定在转轴上，第一电枢与第二电枢镜像分置于转子两侧，第一电枢和第二电枢与转子之间均存在气隙，机座与转轴通过轴承转动配合；转子两侧的第一电枢与第二电枢空间上错开θ=180°/2m电角度；电枢包括电枢铁心和m相电枢绕组，m相电枢绕组为对称绕组，每相m相电枢绕组在空间上依次相差β=360°/m电角度，电枢中的每相绕组流过的电流在时间上依次相差β=360°/m；第一电枢的m相电枢绕组与第二电枢的m相电枢绕组中对应相的绕组电流在时间上相差φ=180°/2m。
进一步的，所述电枢铁心包括电枢齿和电枢槽，m相电枢绕组嵌置于电枢槽内；电枢齿的数量与电枢槽的数量Z相等；电枢槽的槽数Z与相数m的关系为Z=km，k为大于等于1的自然数。
进一步的，第一电枢上的电枢齿与第二电枢上相应的电枢齿在空间上错θ=180°/2m 电角度，第一电枢上的电枢槽与第二电枢上相应的电枢槽在空间上错开θ=180°/2m电角度，第一电枢的m相电枢绕组与第二电枢的m相电枢绕组在空间上错开θ=180°/2m电角度。
进一步的，所述转子包括转子架和永磁体，根据电机的极数和槽数关系模型，转子架上开设极数为2p个永磁体安装孔，永磁体嵌置于永磁体安装孔内，相邻两块永磁体的充磁方向F相异，在转子上构造出p对极，转子架为不导磁材料。
进一步的，所述电机的极数和槽数的关系模型为：
LCM(Z,2p)/4mp=j/2，
式中，Z表示电机槽数，p表示电机极对数，LCM(Z,2p)表示电机槽数Z与极数2p的最小公倍数，j是自然数；1）当j为奇数时，电机每转动一周，电机的齿槽转矩波动期数为2LCM(Z,2p)；2）当j为偶数时，电机每转动一周，电机的齿槽转矩波动周期数为LCM(Z,2p)。
优点效果：
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
（1）本发明提出的双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机具有较多的极数和槽数选择方案，凡是满足m相绕组电机的极数和槽数配合方案都适合双m相绕组轴向磁通永磁电机。
（2）本发明提出的双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机具有更高的可靠性和冗余容错运行能力，每个m相绕组依附于一个电枢，两个m相绕组之间在机械上和电气上无耦合。
（3）本发明提出的双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机，相较于m相绕组电机而言，电机转矩波动更低。
（4）本发明提出的双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机，能够降低部分极数和槽数配合电机的齿槽转矩。
（5）本发明提出的双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机，能够降低转子涡流损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机截面示意图；
图2为本发明双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机电枢图；
图3为本发明双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机展开图（图中m=3）；
图4为本发明双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机m相电枢绕组图（图中m=3）；
图5为本发明双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机转子结构图；
图6为本发明双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机齿槽转矩图（图中m=3）；
图7为本发明双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机电磁转矩图（图中m=3）；
图8为本发明双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机转子涡流损耗图；
其中：1-电枢、11-第一电枢、12-第二电枢、101-电枢铁心、1011-第一电枢铁心、1012-二电枢铁心、102-m相电枢绕组、1021-第一电枢m相电枢绕组、1022-第二电枢m相电枢绕组、103-电枢齿、104-电枢槽、2-转子、21-转子架、22-永磁体、211-安装孔、3-气隙、31-第一气隙、32-第二气隙、4-机座、5-转轴、6-轴承。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明的目的在于提供一种低转矩波动的多相轴向磁通永磁电机，消除传统多相电机电枢绕组在机械上和电气上的耦合，提高冗余容错运行能力；提高多相电机极数和槽数选择的自由度，解决传统多相电机极数和槽数选择性少的不足。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。
如图1所示，本发明提供一种双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机，包括电枢1、转子2、气隙3、机座4、转轴5和轴承6，电枢1为两个，分别为第一电枢11和第二电枢12，电枢1固定在机座4上，转子2固定在转轴5上，第一电枢11与第二电枢12镜像分置于转子2两侧，气隙3为两个，分别为第一气隙31和第二气隙32，第一电枢11与转子2之间均存在第一气隙31，第二电枢12与转子2之间存在第二气隙32，转轴5两端安装有轴承6，电枢1与机座4称为固定体，转子2与转轴5称为转动体，固定体与转动体通过轴承6转动配合。
如图1、图3和图4所示，电枢1包括电枢铁心101和m相电枢绕组102，第一电枢11与第二电枢12沿转子2中线（垂直于轴向）镜像分置于转子两侧后并在空间上错开180°/2m电角度；电枢1中的m相电枢绕组102为对称绕组，每相m相电枢绕组102在空间上依次相差β=360°/m电角度，电枢1中的每相绕组流过的电流在时间上依次相差β=360°/m；第一电枢11的m相电枢绕组102为第一电枢m相电枢绕组1021，第二电枢12的m相电枢绕组102为第二电枢m相电枢绕组1022，第一电枢m相电枢绕组1021与第二电枢m相电枢绕组1022中对应相的绕组电流在时间上相差φ=180°/2m。
本实施例中以m取值为3进行说明，每个电枢1都包括电枢铁心101和3相电枢绕组102，所述第一电枢11与第二电枢12镜像分置于转子2两侧后，再将第一电枢11与第二电枢12空间上错开θ=180°/2m=180°/(2×3)=30°电角度，即第一电枢铁心1011与第二电枢铁心1012在空间上错开θ=180°/2m=180°/(2×3)=30°电角度，第一电枢3相电枢绕组1021与第二电枢3相电枢绕组1022在空间上错开θ=180°/2m=180°/(2×3)=30°电角度，第一电枢11与第二电枢12中的3相电枢绕组102在电气上和机械上无耦合。
优选的，如图2和图3所示，每个电枢1中的3相电枢绕组102为对称绕组，也即第一相绕组与第二相绕组相差360°/m电角度，第二相绕组与第三相绕组相差β=360°/m电角度，直至第m-1相绕组与第m相绕组相差β=360°/m电角度；本实施例中每个电枢1中的每相绕组在空间上依次相差β=360°/m=360°/3=120°电角度，也即第一相绕组与第二相绕组相差360°/m=360°/3=120°电角度，第二相绕组与第三相绕组相差β=360°/m=360°/3=120°电角度，每个电枢1中的每相绕组流过的电流在时间上依次相差β=360°/m=360°/3=120°，即第一相绕组中的电流与第二相绕组中的电流相差β=360°/m，第二相绕组中的电流与第三相绕组中的电流相差β=360°/m，直至第m-1相绕组中的电流与第m相绕组中的电流相差β=360°/m；本实施例中第一相绕组中的电流与第二相绕组中的电流相差β=360°/m=360°/3=120°，第二相绕组中的电流与第三相绕组中的电流相差β=360°/m=360°/3=120°；第一电枢m相电枢绕组1021与第二电枢m相电枢绕组1022中对应相的绕组电流在时间上相差φ=180°/2m。即第一电枢m相电枢绕组1021中第一相绕组中的电流与第二电枢m相电枢绕组1022中第一相绕组中的电流在时间上相差φ=180°/2m，依次类推，第一电枢m相电枢绕组1021中第m相绕组中的电流与第二电枢m相电枢绕组1022中第m相绕组中的电流在时间上相差φ=180°/2m，如电流，式中iL表示第一电枢m相电枢绕组1021中的电流，iR表示第二电枢m相电枢绕组1022中的电流，ω为角频率，t为时间，j=0,1,2,…m-1，φ=180°/2m。这样设置，使第一电枢11与第二电枢12中的m相电枢绕组102在电气上和机械上无耦合，也即第一电枢11与第二电枢12中的任意一个电枢发生故障后，其中的另一个电枢可以不受故障电枢的影响仍能独立工作，从而电机具有更高的可靠性和冗余容错运行能力。
本实施例中，如图4所示，电机的相数m=3，第一电枢3相电枢绕组1021（分别称为AL、BL、CL）与第二电枢3相电枢绕组1022（分别称为AR、BR、CR）中对应相的绕组电流在时间上相差φ=180°/2m=180°/(2×3)=30°电角度。即第一电枢3相电枢绕组1021中第一相绕组（AL）中的电流与第二电枢3相电枢绕组1022中第一相绕组（AR）中的电流在时间上相差φ=180°/2m=180°/(2×3)=30°电角度，依次类推，第一电枢3相电枢绕组1021中第2相绕组（BL）中的电流与第二电枢3相电枢绕组1022中第2相绕组（BR）中的电流在时间上相差φ=180°/2m=180°/(2×3)=30°电角度，如电流，，式中iL表示第一电枢3相电枢绕组1021中的电流，iR表示第二电枢3相电枢绕组1022中的电流，ω为角频率，t为时间，j=0,1,2，φ=180°/2m=180°/(2×3)=30°。
如图2所示，所述电枢1中的电枢铁心101包括电枢齿103和电枢槽104，m相电枢绕组102嵌置于电枢槽104内；电枢齿103的数量与电枢槽104的数量Z相等；电枢槽104的数量Z与相数m的关系为Z=km（k=1,2,3,…），相数m =3,5,7,…。如传统非对称双3（m=3）相绕组电机，电枢槽104的数量Z与相数m=3的关系不仅要满足Z=3k的关系，还得受到电机极数的约束，6槽2极、6槽4极、9槽8极等电机就不能设计成传统的非对称双3（m=3）相绕组电机，而本专利提到的方法就能实现非对称双3（m=3）相绕组电机，可见，本发明提出的双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机具有较多的极数和槽数选择方案。
如图3所示，所述电机中，第一电枢11上的电枢齿103与第二电枢12上相应的电枢齿在空间上错开θ=180°/2m=180°/(2×3)=30°角度，第一电枢11上的电枢槽104与第二电枢12上相应的电枢槽在空间上错开θ=180°/2m=180°/(2×3)=30°电角度，第一电枢3相电枢绕组1021与第二电枢3相电枢绕组1022在空间上错开θ=180°/2m=180°/(2×3)=30°电角度。
本实施例中，如图5所示，所述转子2包括转子架21和永磁体22；转子架21上开设2p=12个永磁体安装孔211，永磁体22嵌置于永磁体安装孔211内，相邻两块永磁体22的充磁方向F相异，在转子2上构造出p对极，电机的极对数p=6与电机的槽数Z的配合关系是按照电机基本理论来选择的，p一般选自然数；转子架21为不导磁材料。
所述电机的极数和槽数存在如下关系式：LCM(Z,2p)/4mp=j/2，式中Z表示电机槽数、p表示电机极对数、LCM(Z,2p)表示电机槽数Z与极对数2p的最小公倍数、j是自然数。1）当j为奇数时，电机每转动一周，电机的齿槽转矩波动期数为2LCM(Z,2p)；2）当j为偶数时，电机每转动一周，电机的齿槽转矩波动周期数为LCM(Z,2p)。
图6和图7是一台非对称双3相电机的齿槽转矩和电磁转矩，该电机为18槽16极，其齿槽转矩和电磁转矩结果是通过有限元仿真所得，由图6和图7可看出，与传统3相电机比较，齿槽转矩和电磁转矩的波动有极大的降低。可见，相较于m相绕组电机而言，本发明提出的双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机转矩波动更低。
图8为非对称双3相电机的转子涡流损耗，与传统3相电机比较，转子涡流损耗有一定程度的降低，图8曲线也是基于图6和图7电机仿真得到的结果。由图8可看出，相较于m相绕组电机而言，本发明提出的双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机能够降低转子涡流损耗。
本发明提供一种双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机具有更多的极、槽选择方案，具有更好的冗余容错运行能力，同时，具有转矩脉动低、转子涡流损耗小的优点。

Claims (5)

1.一种双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机，包括电枢（1）、转子（2）、气隙（3）、机座（4）、转轴（5）和轴承（6），电枢（1）为两个，分别为第一电枢（11）和第二电枢（12），第一电枢（11）和第二电枢（12）结构一致，第一电枢（11）和第二电枢（12）固定在机座（4）上，转子（2）固定在转轴（5）上，第一电枢（11）与第二电枢（12）镜像分置于转子（2）两侧，第一电枢（11）和第二电枢（12）与转子（2）之间均存在气隙（3），机座（4）与转轴（5）通过轴承（6）转动配合；其特征在于：
转子（2）两侧的第一电枢（11）与第二电枢（12）空间上错开θ=180°/2m电角度；电枢（1）包括电枢铁心（101）和m相电枢绕组（102），m相电枢绕组（102）为对称绕组，每相m相电枢绕组（102）在空间上依次相差β=360°/m电角度，电枢（1）中的每相绕组流过的电流在时间上依次相差β=360°/m；第一电枢（11）的m相电枢绕组（102）与第二电枢（12）的m相电枢绕组（102）中对应相的绕组电流在时间上相差φ=180°/2m。
2.根据权利要求1所述的双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机，其特征在于：所述电枢铁心（101）包括电枢齿（103）和电枢槽（104），m相电枢绕组（102）嵌置于电枢槽（104）内；电枢齿（103）的数量与电枢槽（104）的数量Z相等；电枢槽（104）的槽数Z与相数m的关系为Z=km，k为大于等于1的自然数。
3.根据权利要求2所述的双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机，其特征在于：第一电枢（11）上的电枢齿（103）与第二电枢（12）上相应的电枢齿（103）在空间上错开θ=180°/2m电角度，第一电枢（11）上的电枢槽（104）与第二电枢（12）上相应的电枢槽（104）在空间上错开θ=180°/2m电角度，第一电枢（11）的m相电枢绕组（102）与第二电枢（12）的m相电枢绕组（102）在空间上错开θ=180°/2m电角度。
4.根据权利要求1所述的双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机，其特征在于：所述转子（2）包括转子架（21）和永磁体（22），根据电机的极数和槽数关系模型，转子架（21）上开设极数为2p个永磁体安装孔（211），永磁体（22）嵌置于永磁体安装孔（211）内，相邻两块永磁体（22）的充磁方向F相异，在转子（2）上构造出p对极，转子架（21）为不导磁材料。
5.根据权利要求4所述的双m相绕组分离型非对称轴向磁通永磁电机，其特征在于：所述电机的极数和槽数的关系模型为：
LCM(Z,2p)/4mp=j/2，
式中，Z表示电机槽数，p表示电机极对数，LCM(Z,2p)表示电机槽数Z与极数2p的最小公倍数，j是自然数；1）当j为奇数时，电机每转动一周，电机的齿槽转矩波动期数为2LCM(Z,2p)；2）当j为偶数时，电机每转动一周，电机的齿槽转矩波动周期数为LCM(Z,2p)。
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