CN118157366A - 基于附加绕组的定子绕组匝间短路故障容错同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于附加绕组的定子主绕组匝间短路故障容错同步电机，属于容错电机领域。该电机为外转子内定子结构，电机的定子部分除定子铁心和定子主绕组外还包括附加绕组。在正常运行时，定子主绕组线圈轭部漏磁等效串联匝数为零，故主绕组漏抗较小，不会对电机正常工况下的转矩密度产生影响。而在匝间短路工况时，轭部漏磁路中的漏磁通不再为零，较大的漏磁通有助于抑制定子主绕组的短路电流。通过向所述附加线圈中通入特定的电流，可以进一步将定子主绕组短路匝内的电流抑制到接近额定电流，同时保证电机具有与正常工况时几乎相同的各相电流及转矩，使得电机在定子主绕组匝间短路故障容错运行工况下实现不降容运行。

Description

基于附加绕组的定子绕组匝间短路故障容错同步电机

技术领域

本发明属于容错电机领域，更具体地，涉及基于附加绕组的定子主绕组匝间短路故障容错同步电机及抑制短路匝电流的控制方法。

技术背景

在同步电机的各种故障中，匝间短路故障是最常见的故障，约占总故障的39％。匝间短路故障可使电机输出能力下降，同时导致机体振动、过热、甚至绕组烧毁，并且其也是其他故障的源头之一，故其危害巨大。然而，由于短路位置不定，匝间短路是同步电机最难以处理的故障。

目前对于同步电机的匝间短路故障容错运行方案主要有以下几种：

1.使用冗余结构：这种电机采用电枢绕组模块，定子绕组由若干个模块构成，相邻的两个模块间设置一个隔离齿，每个模块的绕组单元都可以独立运行并且控制系统相互独立。当电机中的某一相绕组发生匝间短路故障后，将故障所在模块做端部短路处理，而其他模块正常运行。该方法使电机在匝间短路故障后可以继续运行，并且端部短路后可以大大减小短路电流。但是由于切除了部分绕组，短路后电机的输出功率将会显著减小。

2.增大电机的绕组漏抗：通过使用深槽、增厚槽肩等措施，以增大电机的漏抗，从而抑制电机短路时的短路电流，然而大漏抗会严重牺牲电机的过载能力以及电机的转矩密度，匝间短路故障容错运行时电机也无法维持原有输出能力，同时无法有效抑制少匝短路时的短路电流。

3.注入电流：通过向故障相绕组中注入去磁电流，以减小短路电流。该方法可以在一定程度上减小短路电流，但是该方法有使永磁体退磁的风险，并且电机输出能力也会明显降低。

可见，上述匝间短路故障容错运行方案都会牺牲电机的输出能力，并且无法有效抑制少匝短路工况下的短路电流，这些问题亟待解决。

发明内容

(一)解决的技术问题

本发明要解决的问题是技术背景所阐述的问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明所提出的技术方案是：

基于附加绕组的定子主绕组匝间短路故障容错同步电机，为圆形旋转电机，径向磁通外转子结构，其包括转子、定子和气隙；定子包括机壳、定子铁心、定子主绕组、定子附加绕组；定子铁心为圆环形，定子铁心靠近外表面的一侧沿轴向开有通槽(简称为外槽，下同)，其靠近内表面的一侧也沿轴向开有通槽(简称为内槽，下同)；内槽为闭口槽；内槽的槽数至少为2；外槽的槽数是内槽的槽数的z倍，其中z为正整数，且不小于2；定子主绕组由至少两相绕组构成，每相定子主绕组由至少两个线圈连接构成；附加绕组由附加线圈构成，附加线圈的数量等于内槽的槽数；每个定子主绕组线圈的一条线圈边放置于外槽中，另一条线圈边放置于内槽中，形成环形绕组结构；附加绕组的每个线圈的一条线圈边放置于内槽中，另一条线圈边放置于定子内孔中或内孔槽中，形成环形绕组结构；每个内槽中放置至少两条定子主绕组线圈边和一条附加绕组线圈边；同置于一个内槽的所有定子主绕组线圈边的所属线圈串联连接，且其轭部漏磁等效串联匝数为零；同置于一个内槽的所有定子主绕组线圈边的所属线圈同属于一相绕组；定子主绕组为电机的电枢绕组，当电机处于正常工况时，定子主绕组作为电枢绕组通电，而附加绕组不通电；

需要说明的是，本文所述的定子铁心内孔是指，定子铁心内径表面构成的圆形孔，内孔槽是指内孔表面沿着轴向所开的开口槽；

需要说明的是，本文所述的轭部漏磁路是指，定子铁心轭部构成的环形磁路，定子铁心轭部的中心线即是轭部漏磁路的中心线，如图5中的标号8所指；轭部漏磁路中的环形磁场即为轭部漏磁；

需要说明的是，本文所述的轭部漏磁等效串联匝数是指，对于串联连接的若干个所述定子主绕组线圈，其流过的电流在电机的定子铁心轭部漏磁路中激发的磁动势所对应的等效串联匝数，其计算式为

式中：N_eq——轭部漏磁等效串联匝数；

F——串联连接的若干个定子主绕组线圈流过的电流在电机的定子铁心轭部漏磁路中激发的磁动势；

i——串联连接的若干个定子主绕组线圈流过的电流；

本文所述的若干个串联连接的定子主绕组线圈的轭部漏磁路等效串联匝数为零是指，当电流流过这些个串联的定子主绕组线圈时，这些通电线圈一起在定子铁心轭部漏磁路中激发的磁动势为零；

由磁动势公式可知，若干个串联的定子主绕组线圈轭部漏磁路等效串联匝数为零等价于：这些线圈中的一部分线圈绕向与另一部分线圈的绕向相反，且二者的匝数相等；举例说明，m个串联连接的定子主绕组线圈，其中的k个线圈的绕向一致，其余的m-k个线圈的绕向与这k个线圈相反，且满足其中m、k、m-k均为正整数，/>分别为k个线圈的匝数，/>分别为m-k个线圈的匝数；由以上可知，当定子主绕组线圈流过电流时，所述k个线圈与所述m-k个线圈在定子铁心轭部漏磁路中产生的磁动势方向相反，大小相等，从而相抵消，即所述m个串联的定子主绕组线圈轭部漏磁路等效串联匝数为零；

当电机主绕组发生匝间短路故障后，三相绕组的电路图如图4(b)所示，在电机的定子轭部漏磁路中的磁动势为：

式中：ΔF——定子主绕组发生匝间短路后，其在电机的定子铁心轭部漏磁路中产生的磁动势；

λ——短路的匝数与定子主绕组每相总串联匝数的比值；

i_a1——发生匝间短路后短路匝中的电流，见图4(b)；

i_a0——发生匝间短路后的短路电流，见图4(b)；

i_as、i_bs、i_cs——发生匝间短路后A、B、C三相定子主绕组的相电流；

由上式可知，当定子主绕组发生匝间短路故障后，所述电机的定子铁心轭部漏磁路中的总磁动势不为零，会在轭部漏磁路中生成轭部漏磁通；由于定子铁心轭部漏磁路的磁导率很高，故具有很大的漏磁通，因而定子主绕组的漏电抗值很大，从而可以一定程度地抑制短路电流和短路匝电流；

然而，当短路匝数很少时，短路电流很大，单靠上述的高漏电抗，不足以有效抑制短路电流和短路匝电流；此时对短路故障线圈所放置的内槽中的附加线圈通入附加电流，其产生的磁通被短路线圈所交链，如果通入适当数值的附加电流则可以进一步抑制短路电流，其原理如下：

电机正常运行时，定子附加线圈不通电，定子三相主绕组的电路图如图4(a)所示，此时三相主绕组的稳态电压方程为：

式中：——正常运行状态下定子A、B、C三相绕组相电压的相量值；

——A、B、C三相绕组空载电动势的相量值；

——正常运行状态下定子A、B、C三相主绕组相电流的相量值；

L——定子主绕组每相自感；

M——定子主绕组相间互感；

R——定子主绕组每相绕组的电阻；

ω——定子主绕组每相电流的角频率；

当定子主绕组的A相的A1线圈发生匝间短路后，三相主绕组的电路图如图4(b)所示，短路匝的电压方程为：

可简化为：

式中：——发生匝间短路后定子主绕组短路匝的电流的相量值；

——发生匝间短路后定子主绕组A、B、C三相的相电流的相量值；

——发生匝间短路后定子主绕组的短路电流的相量值；

此时，向短路故障线圈所放置的内槽中的附加线圈通入值为的电流，短路匝的电压方程变为：

式中：——附加线圈通入电流后定子主绕组短路匝的电流的相量值；

——附加线圈通入电流后定子主绕组A、B、C三相的相电流的相量值；

——附加线圈通入的电流的相量值；

N——电机定子主绕组每相总串联匝数；

N_s——电机附加绕组的单个附加线圈的匝数；

式(5)可简化为：

式中：——附加线圈通入电流后的短路电流的相量值；

定子主绕组未短路部分的三相电压方程变为：

联立式(4)与式(6)得：

由以上方程可知，等式右侧项形式相同，当两式左侧值相同时，即

联立的两式右侧项不仅形式相同，其值也相同，即

此时，电机定子主绕组三相电流维持不变，其输出能力也保持不变；除保证电动机的输出能力不变以外，还应保证短路电流降为零；此时由基尔霍夫电流定律可得

将与/>代入上式，可得：

将式(12)代入式(9)，可得：

将式(10)、(12)、(13)代入式(7)，可得：

由上可见，式(14)与电机正常工况时的电压方程形式相同；因此可知，附加线圈通入附加电流

之后，可以使短路匝的电流降到接近额定电流，且此时定子主绕组三相电压、三相电流与短路前保持一致，故电机具有与正常工况时几乎相同的转矩，从而实现容错运行。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

(1)在正常运行时，定子主绕组线圈轭部漏磁路的等效串联匝数为零，故在轭部漏磁路中的漏磁为零，因此电机正常运行时的漏抗很小，不会对电机正常工况下的转矩密度产生影响；而在匝间短路工况时，轭部漏磁路中的漏磁不再为零，有助于抑制短路电流；

(2)通过向短路故障的定子主绕组线圈所放置的内槽中的附加线圈通入特定的电流，可以进一步将短路匝内的电流抑制到接近额定电流，同时保证电机具有与正常工况时相同的电流及转矩，故可以使电机在匝间短路故障下实现不降容容错运行。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于附加绕组的定子主绕组匝间短路故障容错同步电机的爆炸示图；

图2为本发明实施例提供的电机定转子结构的正视示意图；

图3为本发明实施例提供的电机截面及绕组排布示意图；

图4为本发明实施例提供的匝间短路前(a)、匝间短路后(b)的电机定子主绕组电路图；

图5为本发明实施例提供的用以标示电机定子轭部漏磁路及隔磁沟的电机截面示意图；

图6为具有定子内孔槽结构的电机截面示意图；

图7为附加绕组的一个附加线圈的驱动结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案、优点更加清楚明白，以下将结合附图和具体的实施例来对本发明进行详细的说明。此处所描述的具体实施例仅用于说明本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明所提出的容错电机的一个实施例；该电机为外转子永磁同步电机；转子1与现有结构相一致；除了外侧开槽之外，定子铁心2的内侧增设了闭口槽，共有12个外槽，和6个内槽；定子主绕组3由定子主绕组线圈(如图2中的标号5、6所指)构成，为三相绕组，共包含12个线圈，定子主绕组每相包含4个线圈，定子主绕组的每个线圈的一条线圈边放置于外槽中，其另一条线圈边放置于内槽中，形成环形绕组结构；附加绕组4由6个相同的附加线圈7组成，其每个线圈的一条线圈边放置于内槽，其另一条线圈边放置于定子铁心内孔中，形成环形绕组结构；每个外槽放置一条定子主绕组线圈边，而每个内槽放置两条定子主绕组线圈边和一条附加绕组线圈边；为了增大附加电流产生的磁通与主绕组短路线圈的交链，相邻内槽之间有隔磁沟9，其内填充物为空气，也可采用其他隔磁材料作为填充物；

该实施例的定子主绕组的A相包含4个线圈，分别为A1线圈、A2线圈、A3线圈与A4线圈，A1线圈的一条线圈边与A2的一条线圈边同置于一个内槽中，A3线圈的一条线圈边与A4的一条线圈边同置于另一个内槽中，这两个内槽中都没有定子主绕组其他两相的线圈边；A1线圈与A2线圈的绕向相反，如图3所示，二者串联连接，A1线圈匝数是32匝，A2线圈匝数也是32匝；A3线圈与A4线圈的绕向相反，二者串联连接，A3线圈匝数是32匝，A4线圈匝数也是32匝；该实施例的定子主绕组的B相包含4个线圈，分别为B1线圈、B2线圈、B3线圈与B4线圈，B1线圈的一条线圈边与B2的一条线圈边同置于一个内槽中，B3线圈的一条线圈边与B4的一条线圈边同置于另一个内槽中，这两个内槽中都没有定子主绕组其他两相的线圈边；B1线圈与B2线圈的绕向相反，如图3所示，二者串联连接，B1线圈匝数是32匝，B2线圈匝数也是32匝；B3线圈与B4线圈的绕向相反，二者串联连接，B3线圈匝数是32匝，B4线圈匝数也是32匝；该实施例的定子主绕组的C相包含4个线圈，分别为C1线圈、C2线圈、C3线圈与C4线圈，C1线圈的一条线圈边与C2的一条线圈边同置于一个内槽中，C3线圈的一条线圈边与C4的一条线圈边同置于另一个内槽中，这两个内槽中都没有定子主绕组其他两相的线圈边；C1线圈与C2线圈的绕向相反，如图3所示，二者串联连接，C1线圈匝数是32匝，C2线圈匝数也是32匝；C3线圈与C4线圈的绕向相反，二者串联连接，C3线圈匝数是32匝，C4线圈匝数也是32匝；

附加绕组4由6个相同的附加线圈7组成，每个附加线圈的匝数都是8匝；6个附加线圈相互独立，每个附加线圈由单独的驱动回路进行供电，其中的一个附加线圈的驱动结构框图如图7所示，其余附加线圈的驱动结构框图与之相同；当电机正常运行时，附加绕组不通电，当电机发生匝间短路故障后，对短路故障线圈所放置的内槽中的附加线圈通入附加电流

例如当A相绕组的A1线圈发生1匝短路后，该实施例的短路匝的电流有效值为124A，为正常运行时的相电流有效值的3.2倍。若对与A1线圈同置于一个内槽中的附加线圈通入电流，由上式可求得该电流为44.21∠90°A(假设发生匝间短路故障的时刻A电压相位为0)，此时短路线圈总电流的有效值降为42A，为正常运行时的相电流有效值的1.1倍；与此同时，输出转矩的值与正常运行时相比近似相等。可见通过向附加线圈通入电流可大大减小短路电流，并且与此同时能够达到不降容输出的效果。

如果电机的内孔也开有通槽，每个附加线圈的一条线圈边置于内槽中，另一条线圈边置于内孔槽中，形成环形绕组结构，见图6所示。

Claims (2)

1.基于附加绕组的定子主绕组匝间短路故障容错同步电机，包括转子、定子以及定子和转子之间的气隙；定子包括机壳、定子铁心、定子主绕组、定子附加绕组；其特征在于：所述电机为圆形旋转电机，径向磁通外转子结构；定子铁心为圆环形，定子铁心靠近外径的一侧沿轴向开有外槽，其靠近内径的一侧也沿轴向开有内槽；内槽为闭口槽；内槽的槽数至少为2；外槽的槽数是内槽的槽数的z倍，其中z为正整数，且不小于2；定子主绕组由至少两相绕组构成，每相定子主绕组由至少两个线圈连接构成；附加绕组由附加线圈构成，附加线圈的数量等于内槽的槽数；每个定子主绕组线圈的一条线圈边放置于外槽中，另一条线圈边放置于内槽中，形成环形绕组结构；附加绕组的每个线圈的一条线圈边放置于内槽中，另一条线圈边放置于定子内孔中或内孔槽中，形成环形绕组结构；每个内槽中放置至少两条定子主绕组线圈边和一条附加绕组线圈边；同置于一个内槽的所有定子主绕组线圈边的所属线圈串联连接，且其轭部漏磁等效串联匝数为零；同置于一个内槽的所有定子主绕组线圈边的所属线圈同属于一相绕组；定子主绕组是电机的电枢绕组。

2.根据权利要求1所述的基于附加绕组的定子主绕组匝间短路故障容错同步电机的短路电流抑制方法，其特征在于，当电机处于正常工况时，定子主绕组作为电枢绕组通电，而附加绕组不通电；当定子主绕组发生匝间短路故障后，定子主绕组通电方式与正常工况时相同，与定子主绕组故障线圈的线圈边同置于一个内槽中的附加线圈通入附加电流以抑制短路电流，附加电流为正弦交流，其频率和定子主绕组中电流的频率相同，其数值如下

其余附加线圈不通电；

式中：N_s——附加绕组每个附加线圈的匝数；

N——定子主绕组每相总串联匝数；

L——定子主绕组每相电感；

——定子主绕组发生匝间短路故障的故障相的相电压的相量值；

——附加线圈所通入的附加电流的相量值；

ω——定子主绕组中每相电流的角频率。