低脉动强容错高功率密度多相永磁电机制造技术

本发明专利技术公开了一种低脉动强容错高功率密度多相永磁电机，包括模块化定子、电枢绕组和转子；模块化定子和转子从外至内或从内至外同轴套设，且两者间具有气隙；模块化定子包括定子齿部和定子轭部；定子齿部包括4n个电枢齿对、4n个容错齿和闭口槽；每个电枢齿对均包括两个电枢齿；两个电枢齿间形成大槽；在相邻两个电枢齿对间布设一个容错齿；每个容错齿与相邻电枢齿间形成小槽；小槽中心角小于大槽中心角，进而使得定子齿部具有不等定子齿距；每个电枢齿对与两侧相邻的半个容错齿构成一个相单元。本发明专利技术将定子齿部和轭部分离设计，简化绕线工艺，提高定子槽满率，进而提高功率密度。另外，闭口槽的设计，能抑制齿槽转矩，还能增加漏感及相自感。漏感及相自感。漏感及相自感。

【技术实现步骤摘要】
低脉动强容错高功率密度多相永磁电机


[0001]本专利技术涉及电机设计和制造领域，特别是一种低脉动强容错高功率密度多相永磁电机。

技术介绍

[0002]永磁电机具有高转矩/功率密度、高效率和高功率因素等优点，已在家用电器、电动汽车和工业生产等多个领域得到应用。然而，数控机床、航空航天等高端装备不仅要求永磁电机具有高功率密度和高效率，更要求其具有高可靠性和强容错能力；其中的执行机构为伺服系统，对转矩脉动还有着很高的要求。
[0003]常用的三相电机容错能力较差，当其中一相绕组发生故障（如短路或开路）而退出运行时，剩余两相难以满足正常运行要求；当其中两相绕组发生故障后，电机系统甚至无法运行。此外，传统的三相电机没有对绕组进行相间隔离设计（物理隔离、电磁隔离、热隔离），这使得发生故障的绕组会将故障扩散至相邻绕组。
[0004]为便于绕组嵌线，现有永磁电机大多采用开口槽设计；同时，为尽可能降低永磁磁路磁阻和增加绕组相自感，在满足嵌线条件的前提下，槽开口设计的尽可能小。因此，槽满率、永磁利用率和相自感三者之间存在设计矛盾。
[0005]因此，研发低转矩脉动强容错高功率密度永磁电机一直是电机系统应用于高端装备的热点课题，对促进数控机床、卫星通信、载人航天和太空探测等事业的快速发展具有重要意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种低脉动强容错高功率密度多相永磁电机，该低脉动强容错高功率密度多相永磁电机将定子齿部和轭部分离设计，简化绕线工艺，提高定子槽满率，进而提高功率密度。另外，闭口槽的设计，能抑制齿槽转矩，还能增加漏感及相自感。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种低脉动强容错高功率密度多相永磁电机，包括模块化定子、电枢绕组和转子。
[0008]模块化定子和转子从外至内或从内至外同轴套设，且两者间具有气隙。
[0009]模块化定子包括定子齿部和定子轭部。
[0010]定子齿部包括4n个电枢齿对、4n个容错齿和闭口槽；其中，n≥1。
[0011]4n个电枢齿对沿定子轭部的周向均匀布设，每个电枢齿对均包括两个电枢齿；两个电枢齿之间形成大槽。
[0012]在相邻两个电枢齿对之间布设一个容错齿；每个容错齿与相邻电枢齿之间形成小槽；小槽的中心角小于大槽的中心角，进而使得定子齿部具有不等定子齿距。
[0013]每个电枢齿和每个容错齿背离气隙的一侧均与环形的所述定子轭部可拆卸连接。
[0014]每个电枢齿和每个容错齿朝向气隙的一侧均通过所述闭口槽相连接。
[0015]每个电枢齿对与两侧相邻的半个容错齿构成一个相单元，进而使得定子齿部具有4n个相单元。
[0016]电枢绕组绕设在每个相单元的两个电枢齿上。
[0017]转子包括沿轴向同轴布设的2i组转子，每组转子的轴向长度均相等；其中，i≥1。
[0018]设转子极对数为p，每个转子极对均包括A磁极和B磁极，A磁极和B磁极中至少一个为永磁极；则其中i组转子的A磁极中心线与剩余i组转子的B磁极中心线在同一周向位置；A磁极和B磁极中至少一个为永磁极；当A磁极或B磁极为永磁极时，则其中i组转子的A磁极或B磁极充磁方向与剩余i组的A磁极或B磁极充磁方向相反。
[0019]转子为交替极转子，A磁极为永磁极，B磁极为铁心极，其中i组转子的A磁极充磁方向与剩余i组的A磁极充磁方向相反。
[0020]转子为永磁极转子，A磁极为永磁极一，B磁极为永磁极二；其中i组转子的A磁极充磁方向与剩余余i组的A磁极充磁方向相反，其中i组转子的B磁极充磁方向与剩余i组的B磁极充磁方向相反。
[0021]转子为分段斜极转子，每组转子均包括沿轴向依次同轴布设的4个转子节段，每个转子节段的轴向长度相等，相邻两个转子节段周向偏移的机械角度设为θ，则θ的计算公式为：θ=360/(32
×
p)。
[0022]永磁极为表贴式永磁极或内置式永磁极。
[0023]大槽的面积为小槽面积的两倍。
[0024]电枢绕组的相数为4的倍数。
[0025]电枢绕组中通入有基波电流和谐波电流；其中，基波电流用于做功，产生转矩； 谐波电流的相位与基波电流的相位相反，谐波电流与基波反电动势相互作用，从而产生一个4次转矩脉动，所述4次转矩脉动与多相永磁电机固有的四次转矩脉动相位相反，从而能抑制或消除多相永磁电机固有的四次转矩脉动。
[0026]谐波电流为三次谐波电流或五次谐波电流。
[0027]本专利技术具有如下有益效果：1、定子进行定子齿部和轭部分离的模块化设计，简化绕线工艺的同时，提高了定子槽满率，进而提高功率密度。其中的闭口槽设计，不仅利于齿槽转矩（齿槽转矩是转矩脉动的一部分）抑制，还可通过增加漏感而增加相自感（利于抑制短路电流）。
[0028]2、定子齿部采用不等定子齿距的相间隔离设计，相间互感近乎为0（低互感表明一相发生故障对其它相的影响小），结合多相绕组，提高了电机可靠性和容错能力。
[0029]3、转子采用交替极结构，电枢磁路的磁阻降低，可有效增加相自感，进而有效抑制短路电流。同时，采用轴向磁路互补的交替极转子，不存在齿槽转矩奇次谐波、反电动势偶次谐波和不平衡磁拉力。
[0030]4、结合分段斜极设计和谐波电流注入，有效抑制了转矩脉动。
[0031]5、本专利技术适用于对功率密度、容错能力、可靠性和转脉动均有较高要求的数控机床、机器人和航空航天执行机构等高端装备。
附图说明
[0032]图1显示了本专利技术实施例1中一种低脉动强容错高功率密度多相永磁电机的结构
示意图。
[0033]图2显示了本专利技术实施例1中定子齿部的结构示意图。
[0034]图3显示了本专利技术实施例1中定子轭部的结构示意图。
[0035]图4
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1显示了本专利技术实施例1与传统三相电机的转子位置互感对比分析图。
[0036]图4
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2显示了本专利技术实施例1与传统三相电机的转子位置自感对比分析图。
[0037]图5
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1显示了本专利技术实施例1中第一、二组转子的充磁方向以及磁极中心线示意图。
[0038]图5
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2显示了本专利技术实施例1中第一、二组转子的磁极中心线的位置示意图。
[0039]图5
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3显示了本专利技术实施例1中第一、二组转子的三维图。
[0040]图6
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1显示了本专利技术实施例1中转子与常规转子在绕组仅通入基波电流后的对比图。
[0041]图6
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2显示了常规转子在注入三次和五次谐波电流后的分析图。
[0042]图6
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3显示了本专利技术实施例1中分段斜极转子在注入三次和五次谐波电流后的分析图。
[0043]图7
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1显示了本专利技术实施例2中永磁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低脉动强容错高功率密度多相永磁电机，其特征在于：包括模块化定子、电枢绕组和转子；模块化定子和转子从外至内或从内至外同轴套设，且两者间具有气隙；模块化定子包括定子齿部和定子轭部；定子齿部包括4n个电枢齿对、4n个容错齿和闭口槽；其中，n≥1；4n个电枢齿对沿定子轭部的周向均匀布设，每个电枢齿对均包括两个电枢齿；两个电枢齿之间形成大槽；在相邻两个电枢齿对之间布设一个容错齿；每个容错齿与相邻电枢齿之间形成小槽；小槽的中心角小于大槽的中心角，进而使得定子齿部具有不等定子齿距；每个电枢齿和每个容错齿背离气隙的一侧均与环形的所述定子轭部可拆卸连接；每个电枢齿和每个容错齿朝向气隙的一侧均通过所述闭口槽相连接；每个电枢齿对与两侧相邻的半个容错齿构成一个相单元，进而使得定子齿部具有4n个相单元；电枢绕组绕设在每个相单元的两个电枢齿上。2.根据权利要求1所述的低脉动强容错高功率密度多相永磁电机，其特征在于：转子包括沿轴向同轴布设的2i组转子，每组转子的轴向长度均相等；其中，i≥1；设转子极对数为p，每个转子极对均包括A磁极和B磁极，A磁极和B磁极中至少一个为永磁极；则其中i组转子的A磁极中心线与剩余i组转子的B磁极中心线在同一周向位置；A磁极和B磁极中至少一个为永磁极；当A磁极或B磁极为永磁极时，则其中i组转子的A磁极或B磁极充磁方向与剩余i组的A磁极或B磁极充磁方向相反。3.根据权利要求2所述的低脉动强容错高功率密度多相永磁电机，其特征在于：转子为交替极转子，A磁极为永磁极，B磁极为铁心极，其中i组转子的A磁极充磁方向与剩余i组的A...

【专利技术属性】
技术研发人员：李健，王凯，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：