CN102231576A - 自容错磁通切换永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自容错磁通切换永磁电机，以提高电机及其驱动系统的可靠性。自容错磁通切换永磁电机结构是定子永磁型电机，定子(1)的三相电枢绕组由A相电枢绕组、B相电枢绕组和C相电枢绕组构成；A相电枢绕组的绕组A1与绕组A2互相垂直，绕组A3与绕组A4互相垂直，将绕组A1、绕组A2串联为A相第一通道(5)，将绕组A3、绕组A4串联为A相第二通道(6)；A相第一通道(5)与A相第二通道(6)并联；B相电枢绕组、C相电枢绕组采取与A相电枢绕组相同的连接方式。本发明的有益效果是：结构简单，自容错性能好，可靠性高、功率密度高；由自容错磁通切换永磁电机构成的驱动系统尤其适用于如航空航天、军事领域、矿井轧钢等要求连续操作的高可靠性领域。

Description

自容错磁通切换永磁电机

技术领域

本发明属于电机制造技术领域，具体涉及一种基于双凸极结构、坚固、成本低、适用于高速和高温运行环境的、对系统连续运行要求高可靠性领域的自容错磁通切换永磁电机。

背景技术

随着电机在军事、工业、民用等领域的应用范围不断扩大，电机驱动系统的可靠性问题得到了相关领域学者越来越广泛的关注，特别是在航空航天、军事装备、矿井轧钢等对连续操作有较高要求的场合，可靠性尤显重要。就技术层面而言，提高系统可靠性的途径主要可以分为冗余和容错两种。在电机本体方面，双绕组的冗余式结构虽然提高了电机的可靠性，但由于结构较为复杂，并未得到广泛的采用。容错式电机主要分为两类：一是电机本体结构与容错控制策略的配合，即硬件、软件的配合；二是仅依靠电机本体结构而不需要特殊的容错控制策略，称此类容错式电机为自容错电机。开关磁阻电机采用双凸极结构，具有结构简单、相与相之间电路和磁路相互独立性等特点，具有容错性能技术基础；同时考虑到永磁电机无励磁损耗、效率高、功率密度高等优点，将自容错概念引入到永磁电机，研发出集高可靠性、高功率密度和高容错性能于一体的新型自容错永磁电机，成为当前热点。

永磁电机中转子永磁型电机是目前较成熟的，并且在此基础上出现了定子采用集中绕组的容错结构。相关研究结果(能否引用相关文献？)表明该种电机的容错性能较好，且具有功率密度高、效率高的优点，但由于永磁体安装在转子表面，当电机处于高速旋转发热时，因其冷却较困难而易出现故障，导致电机的可靠性下降，故在其主要应用的高可靠性领域的应用受到了很大限制。

定子永磁型电机的研究始于上世纪九十年代中期，发展至今出现了多种电机结构，如双凸极永磁电机、磁通反向电机以及磁通切换永磁电机等，可靠性高、功率密度高，为新型定子永磁式自容错电机驱动系统的研究奠定了基础。常规的双通道磁通切换永磁电机将径向相对的两个线圈组成一个通道，每相电枢绕组由两个并联的通道组成，因此缺相故障将导致这种互补性被破坏，使得故障相反电势不对称，需要通过调整非故障相绕组电流的相位和幅值，实现容错控制。

发明内容

本发明公开一种新型绕组结构的磁通切换电机，即自容错磁通切换永磁电机，以提高电机及其驱动系统的可靠性。

本发明自容错磁通切换永磁电机结构是定子永磁型电机，定子(1)的三相电枢绕组由A相电枢绕组、B相电枢绕组和C相电枢绕组构成；A相电枢绕组的绕组A1与绕组A2互相垂直，绕组A3与绕组A4互相垂直，将绕组A1、绕组A2串联为A相第一通道(5)，将绕组A3、绕组A4串联为A相第二通道(6)；A相第一通道(5)与A相第二通道(6)并联；所述B相电枢绕组、C相电枢绕组采取与A相电枢绕组相同的连接方式。

所述自容错磁通切换永磁电机定子12极、转子10极。

所述自容错磁通切换电机的励磁方式是电励磁方式、或是永磁体励磁方式、或是混合励磁方式。

本发明的有益效果是：

①自容错磁通切换永磁电机的电枢绕组结构简单，其电路和磁路独立性好，当系统发生断路故障时，非故障相的运行不会受到影响，不需要繁琐的容错控制策略即可实现电机系统的自容错运行，具有较强的带故障运行能力，电机的工作特性接近于正常运行状态，转矩输出性能大为提高；

②与同等输出转矩能力的串联线圈型磁通切换电机相比，自容错磁通切换永磁电机具有更小的端电压，约为同等输出转矩能力的磁通切换电机的1/2；

③正常运行状态时，每相电枢绕组两个通道的两个线圈感应电势之和近似正弦分布，电枢绕组可以通正弦交流电，应用矢量控制思想，电机转矩脉动小。

④定子永磁体易于冷却，不易发生高温退磁。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细说明。

图1是定子12极、转子10极的自容错磁通切换永磁电机结构图；

图2是A相绕组连接电路图；

附图中图标：定子1、转子2、永磁体3、电枢绕组4、绕组A1、绕组A2、绕组A3、绕组A4、A相第一通道5、A相第二通道6。

具体实施方式

以一台12/10极自容错磁通切换永磁电机为例，其截面图如附图1所示。自容错磁通切换永磁电机由定子1、转子2、永磁体3和电枢绕组4所构成；定子1由12个“U”形定子铁心和镶嵌在“U”形定子铁心中间的12个永磁体3组合而成，永磁体3对称于定子1的圆心分布。“U”形定子铁心和转子铁心是用硅钢片按图1所示形状，分别冲压成定子铁心冲片和转子铁心冲片，再用足够数量的铁心冲片和转子铁心冲片分别叠压制成定子铁心和转子铁心的。电枢绕组4为集中绕组，每个线圈绕组横跨在两个定子1齿上。三相电枢绕组(A相电枢绕组、B相电枢绕组和C相电枢绕组)的12个线圈共分成了六组，互相垂直的两个线圈串联构成一个通道，径向相对的两个通道并联构成一相绕组。如图1所示的A相电枢绕组的四个线圈中绕组A1与绕组A2互相垂直，绕组A3与绕组A4互相垂直；如图1、图2所示，将绕组A1、绕组A2串联为A相第一通道5，将绕组A3、绕组A4串联为A相第二通道6，A相第一通道5与A相第二通道6并联组成A相电枢绕组。以此类推，B相电枢绕组、C相电枢绕组采取与A相电枢绕组相同的连接方式。

转子2有10个齿，称为10极，对于定子永磁型电机而言，其转子极数决定了转子周期。在正常运行状态，自容错磁通切换永磁电机每一相绕组的两个通道所通电流相位和幅值相同，A、B、C三相互差120度，电机正常工作。

在正常运行状态下，同一相的两个通道通入相同的绕组电流，在输出同样转矩的条件下，自容错磁通切换永磁电机比串联线圈型磁通切换电机具有较小的端电压。当系统发生断路故障时，即使不采取任何动作，自容错磁通切换永磁电机仍能保持较好的运行特性，并且不需要引入繁琐的容错控制策略。如A相绕组A1发生短路，则A相第一通道5绕组A1和绕组A2均没有电流流过；但是A相第二通道6的绕组A3和绕组A4仍然正常工作，A相感应电势不发生变化仍然为近似正弦，且幅值不变，则三相反电势仍能保持正弦对称，不需要修改其他参数即实现了容错控制，只是A相电流变为原来的1/2，三相电流不再对称，中性线中有电流流过，使得电机在故障状态下仍可以提高运行特性，保证该电机驱动系统具备较高的可靠性。该自容错磁通切换电机构成的驱动系统尤其适用于一些可靠性要求较高，如航空航天、军事领域、矿井轧钢等要求连续操作的高可靠性领域。

定子12极/转子10极磁通切换永磁电机的励磁方式是电励磁方式，或是永磁体励磁方式，或是混合励磁方式，绕有电枢绕组4的永磁体3和电枢绕组4组合成一个整体，永磁体3沿着圆周切向被交替磁化。

Claims (3)

1.一种自容错磁通切换永磁电机，结构是定子永磁型电机，其特征在于：所述定子(1)的三相电枢绕组由A相电枢绕组、B相电枢绕组和C相电枢绕组构成；A相电枢绕组的绕组A1与绕组A2互相垂直，绕组A3与绕组A4互相垂直，将绕组A1、绕组A2串联为A相第一通道(5)，将绕组A3、绕组A4串联为A相第二通道(6)；A相第一通道(5)与A相第二通道(6)并联；所述B相电枢绕组、C相电枢绕组采取与A相电枢绕组相同的连接方式。

2.根据权利要求1所述自容错磁通切换永磁电机，其特征在于：所述自容错磁通切换永磁电机定子12极、转子10极。

3.根据权利要求1或2所述自容错磁通切换永磁电机，其特征在于：所述自容错磁通切换电机的励磁方式是电励磁方式、或是永磁体励磁方式、或是混合励磁方式。

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