冗余型半齿绕磁通切换电机制造技术

本发明专利技术公开一种冗余型半齿绕磁通切换电机，包括定子铁心、永磁体、电枢线圈、励磁线圈、转子铁心和轴。定子铁心上设置有容错齿和永磁齿，集中式电枢线圈与集中式励磁线圈均绕制于容错齿上，其中励磁线圈可通过功率变换电路，构成第二套电枢绕组；转子由转子铁心和轴构成，转子铁心上既无永磁体也无电枢绕组，结构简单，适合高速运行。本发明专利技术的冗余型半齿绕磁通切换电机，具有转矩（功率）密度高、转矩输出能力强、可靠性高的优点，永磁体上既无电枢绕组也无励磁绕组，能有效避免因绕组发热而引起的永磁体高温退磁；励磁线圈可通过变换电路构成第二套电枢绕组，提高了电机运行的容错性能，具有多种工作模式。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开一种冗余型半齿绕磁通切换电机，包括定子铁心、永磁体、电枢线圈、励磁线圈、转子铁心和轴。定子铁心上设置有容错齿和永磁齿，集中式电枢线圈与集中式励磁线圈均绕制于容错齿上，其中励磁线圈可通过功率变换电路，构成第二套电枢绕组；转子由转子铁心和轴构成，转子铁心上既无永磁体也无电枢绕组，结构简单，适合高速运行。本专利技术的冗余型半齿绕磁通切换电机，具有转矩（功率）密度高、转矩输出能力强、可靠性高的优点，永磁体上既无电枢绕组也无励磁绕组，能有效避免因绕组发热而引起的永磁体高温退磁；励磁线圈可通过变换电路构成第二套电枢绕组，提高了电机运行的容错性能，具有多种工作模式。【专利说明】冗余型半齿绕磁通切换电机
本专利技术涉及一种基于磁通切换原理的无刷电机，特别是涉及一种冗余型半齿绕磁通切换电机，属于电机制造
。
技术介绍
传统定子永磁型磁通切换电机具有转矩(功率)密度高、转矩输出能力强、效率高等优点，永磁体和集中式电枢绕组均置于定子侧，易于冷却和散热，转子侧既无永磁体也无电枢绕组，结构简单、机械强度高、适合高速运行，且能够运行在环境较为恶劣的条件下。电枢绕组具有一致性和互补性，能有效抵消每相永磁磁链与空载感应电动势中的高次谐波，提高永磁磁链与空载感应电动势波形的正弦性。 然而，在风力发电、新能源电动汽车、工业驱动、多电飞机/舰艇等应用领域，不但要求电机具有很好的转矩转速特性，满足设备运行工况多变的条件，而且对电机系统的可靠性有极高需求。目前，传统磁通切换永磁电机均采用一套电枢绕组。当电枢绕组发生故障时，将导致电机无法正常运行，且对负载造成冲击；此外,永磁型磁通切换电机仅由永磁体励磁，存在高温不可逆退磁的风险，且磁场不可调节，不能很好地满足电机运行环境多变的需求。 文件CN102290883A中提出了一种带容错齿的冗余励磁双电枢绕组多相磁通切换型电机，具有两套电枢绕组和一套励磁绕组，使得电机具有多种工作方式，有效提高了电机的容错能力和可靠性。但是，两套电枢绕组分布采用径向对称结构，在仅有一套绕组工作模式下，由于气隙内存在单边电枢磁场，将产生较大的径向磁拉力，进而引起较大的转矩脉动和噪声。 此外，传统定子永磁型磁通切换电机与文件CN102290883A中所提出的一种带容错齿的冗余励磁双电枢绕组多相磁通切换型电机存在如下共性:定子磁极均由定子导磁单元与永磁体共同构成，集中式电枢绕组线圈绕制于定子磁极上，且把永磁体包含其中。在电机工作过程中，电枢绕组因通入交流电产生铜耗、铁耗等损耗而发热，电枢绕组产生的热量将直接传递给与其相接触的永磁体，进而引起永磁体温度上升，影响永磁体性能，甚至产生不可逆退磁。此外，由于定子永磁型磁通切换电机的电枢绕组线圈绕制于由定子导磁单元与永磁体共同构成的定子磁极上，形成一个相对封闭的空间，减小了永磁体的表面散热系数，以及永磁体与冷却系统中空气或冷却液之间的导热系数，不利于永磁体与冷却系统之间的热量传递。基于上述背景与瓶颈问题，本专利技术提出了一种冗余型半齿绕磁通切换电机，以抑制电机运行过程中的发热并避免永磁体发生不可逆退磁，从而全面满足上述应用领域对电机系统的性能需求。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提出了一种转矩(功率)密度高、效率高、转矩输出能力、容错性能强、可靠性高的冗余型半齿绕磁通切换电机，能够有效避免电机运行过程中所产生的热量对永磁体造成不可逆退磁，同时在电枢绕组发生故障时，可以通过绕组重构，全方面提高电机系统的容错性能与可靠性。 为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是:本专利技术冗余型半齿绕磁通切换电机包括定子和转子，所述定子和转子均为凸极结构，且两者之间具有气隙；所述定子由定子铁心、永磁体组合而成，所述定子铁心由一个容错齿、两个导磁齿构成，所述容错齿位于两个所述导磁齿之间构成“E”型铁心结构；相邻所述定子铁心之间嵌入所述永磁体，所述永磁体充磁方向为切向，且相邻所述永磁体的充磁方向相反；采用半齿绕结构的电枢线圈和励磁线圈并行设置于所述容错齿上，且所述电枢线圈和励磁线圈为集中绕组；每个电枢线圈与其圆心角分别相隔90°、180°和270°的三个电枢线圈构成一相电枢绕组；各相电枢绕组中的各个电枢线圈内的永磁磁链为单极性变化；各相电枢绕组中圆心角相隔180°的两个电枢线圈内的永磁磁链相位相同，且平均值相同，磁链变化具有一致性，同时圆心角相隔90°的两个电枢线圈内的永磁磁链相位相差180°,且平均值相同,磁链变化具有互补性；各相电枢绕组中圆心角分别为0°和90°的两个电枢线圈顺向串联组成第一线圈组，圆心角分别为180°和270°的两个电枢线圈顺向串联组成第二线圈组，所述第一线圈组和所述第二线圈组顺向串联或并联；每个励磁线圈与每个电枢线圈在位置上一一对应，每相电枢绕组中与电枢线圈对应的位置的每个励磁线圈顺向串联构成一个励磁线圈组；针对一台m相的冗余励磁半齿绕磁通切换电机，应构成m个励磁线圈组。其连接方式可根据电机运行情况有两种选择:1)各励磁线圈组顺向串联成为一套直流励磁绕组，实现电机冗余励磁运行；2)各励磁线圈组采用与电枢绕组完全相同的连接方式“星”形连接，构成另外一套电枢绕组，实现电机冗余电枢运行。总之，不论是冗余励磁或者冗余电枢，均可提高电机的容错运行能力、可靠性及控制灵活性。 所述的双层设置于所述容错齿上电枢线圈和励磁线圈位置可以交换。 所述转子由转子铁心和轴构成，所述转子铁心设置在定子铁心内部构成内转子结构，或者设置在定子铁心外部构成外转子结构。转子铁心可以为直槽结构或斜槽结构。 所述的定子铁心、容错齿、永磁齿和转子铁心均为导磁材料。永磁体为钕铁硼、钐钴及铁氧体永磁材料。 与现有技术相比，本专利技术的有益效果是:I)冗余型半齿绕磁通切换电机具有传统定子永磁型磁通切换电机转矩(功率)密度高、转矩输出能力强、效率高等优点。 2)永磁体切向充磁，且相邻两块永磁体充磁方向相反，即一个磁极下容错齿中的磁通由相邻两块永磁体并联提供，具有聚磁特性，有效提高了永磁体的利用率，增加了输出转矩密度与功率密度。 3)电枢绕组与励磁绕组均为集中式线圈组成，采用半齿绕结构，减小了端部绕组的长度，与文件CN101079557A中提出的传统定子永磁型磁通切换电机相比，本专利技术电机的电枢线圈与励磁线圈均设置在容错齿上，端部绕组跨度较小，降低了铜耗，提高了电机运行效率。 4)每相电枢绕组具有互补特性。每相绕组的两套线圈组所匝链的永磁磁链中的高次谐波，特别是偶次谐波可以互相抵消，优化了永磁磁链的正弦性，抑制了空载感应电势的谐波含量。 5)电枢线圈与励磁线圈均设置在容错齿上，永磁体与电枢线圈及励磁线圈分离，能有效防止电机工作过程中，电枢线圈与励磁线圈发热而引起的永磁体高温退磁。 6)电枢线圈与励磁线圈均设置在容错齿上，增加了永磁体的散热面积，提高了永磁体的表面散热系数以及永磁体与冷却系统中空气或冷却液之间的导热系数，抑制了永磁体的温升；此外，电枢线圈与励磁线圈产生的热量通过容错齿、定子铁心轭部以及定子永磁齿传递。在冷却系统运行正常的条件下，仅有一部分热量传递给永磁体，有效减小了永磁体温度的上升。 7)在气隙磁场需要调节的工况下，可通过变换本文档来自技高网...

【技术保护点】
冗余型半齿绕磁通切换电机，包括定子和转子，所述定子和转子均为凸极结构，且两者之间具有气隙；所述定子由定子铁心（1）、永磁体（4）组合而成，所述定子铁心（1）由一个容错齿（2）、两个导磁齿（3）构成，所述容错齿（2）位于两个所述导磁齿（3）之间构成“E”型铁心结构；相邻所述定子铁心（1）之间嵌入所述永磁体（4），所述永磁体（4）充磁方向为切向，且相邻所述永磁体（4）的充磁方向相反；其特征在于，采用半齿绕结构的电枢线圈（5）和励磁线圈（6）并行设置于所述容错齿（2）上，且所述电枢线圈（5）和励磁线圈（6）为集中绕组；每个电枢线圈（5）与其圆心角分别相隔90°、180°和270°的三个电枢线圈（5）构成一相电枢绕组；各相电枢绕组中的各个电枢线圈（5）内的永磁磁链为单极性变化；各相电枢绕组中圆心角相隔180°的两个电枢线圈（5）内的永磁磁链相位相同，且平均值相同，磁链变化具有一致性，同时圆心角相隔90°的两个电枢线圈（5）内的永磁磁链相位相差180o，且平均值相同，磁链变化具有互补性；各相电枢绕组中圆心角分别为0°和90°的两个电枢线圈（5）顺向串联组成第一线圈组，圆心角分别为180°和270°的两个电枢线圈（5）顺向串联组成第二线圈组，所述第一线圈组和所述第二线圈组顺向串联或并联；每个励磁线圈（6）与每个电枢线圈（5）在空间位置上一一对应，每相电枢绕组中与各电枢线圈（5）对应位置的各个励磁线圈（6）顺向串联构成一个励磁线圈组；各个励磁线圈组采用顺向串联构成能够调节气隙磁场的一套励磁绕组，或者各个励磁线圈组采用“星”型连接构成一套电枢绕组。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：花为，苏鹏，张淦，程明，王宝安，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32