一种环形绕组永磁容错电机及其设计方法

1.本发明属于容错电机领域，更具体地，涉及一种环形绕组永磁容错电机及其设计方法。


背景技术：

2.交通运输业对于碳排放的限制更为严格，全面电气化变革成为必然趋势。电机作为载运工具的核心驱动部件，有着高功率密度和高可靠性的严苛要求。永磁电机由于具有高功率密度、高效率、易控制和易维护的优异性能成为航空航天、电动汽车、船舶舰艇领域驱动电机的首选类型。然而，永磁电机难以调节的励磁磁场也引起了对其可靠性的关注和担忧。
3.在永磁电机可能发生的各种故障中，匝间和单相短路是发生概率最高的故障类型。槽内的绕组因为局部过热、机械应力、功率过载等原因会导致绝缘失效，进而导致匝间短路故障的发生。突然的短路会让短路匝之间会形成一个阻抗较小的回路，然而故障后的转子因为惯性会继续旋转，短路匝感应的反电势会使得短路回路中的电流飙升，并引起局部过热和绝缘的进一步损坏。正反馈使得故障不断扩大，不仅降低了电机电磁性能，而且严重威胁到了系统的安全。因此，有效抑制永磁电机单相短路和匝间短路故障下的短路电流成为亟待解决的问题。
4.高阻抗设计是永磁容错电机实现短路电流有效抑制的常用方法。分数槽集中绕组因为具有电磁隔离程度强，电感大、齿槽转矩低等优势已经成为永磁容错电机的主流拓扑。结构上辅以隔离齿的设计也进一步提高了绕组之间的电磁及温度隔离程度。槽口处填充磁性槽楔或者设计成闭口槽也可增大绕组漏感。然而对于常见的匝间短路和单相短路故障而言，由于短路回路阻抗较小，短路电流会达到额定电流的几十倍甚至更高。高阻抗设计仅能在一定程度上缓解故障的危险程度，但是不能从本质上解决大短路电流的问题。而且，高阻抗的设计也会降低电机的功率密度。例如，在申请公布号为cn109510558a的专利文件中提供了一种六相永磁容错电机及其驱动系统，如图1所示，其采用集中绕组提高隔离能力，并且用两套三相全桥驱动电路分别控制电枢绕组；图1中，i-1表示定子，i-2表示转子， i-3表示永磁体。在系统出现故障时，将对应的双向晶闸管处于开通状态，构成带中性点的半桥功率电路，从而实现系统容错运行的控制，整个系统具有磁隔离、物理隔离、热隔离、齿槽转矩小的优点。但是，以上六相永磁容错电机及其驱动系统在短路故障发生后，由于短路回路阻抗较小，短路电流会达到额定电流的数十倍，这使得电机可靠性较低。所以，如何让永磁电机在短路故障发生后阻抗由低变高成为提高其容错性能的关键。
5.一台理想的永磁容错电机应具备正常工作时呈现低阻抗，短路故障时呈现超高阻抗的特性。环形绕组因为其缠绕轭部的特点恰好具备这种特性。在发生匝间或者单相短路故障后，环形绕组永磁电机会在轭部激发出环轭漏磁，这一较大的环轭漏感可以有效抑制短路电流。目前环形绕组拓扑主要分为2π/m相带和π/m相带两种，其中，m表示绕组相数。采用π/m相带拓扑的环形绕组电机，不具备单相短路容错性能，采用2π/m相带拓扑的环形绕组
电机具有较好的容错性能，但其相带谐波大且分布系数低，在高速高频的场合下难以得到应用。例如，在申请公布号为cn106230213a的专利文件中提供了一种定子匝间短路故障自动容错多相同步发电机，如图2 所示，其采用2π/m相带环形绕组拓扑(m表示绕组相数)，图2中，ii-1 表示定子铁心，ii-2表示定子环形绕组，ii-3表示永磁体，ii-4表示转子铁心，ii-5表示转轴；在电机短路故障发生后会出现环轭漏磁，电机的漏感增大，对短路电流抑制效果很好，可以近似维持发电机的正常输出能力，但是，相带谐波较大，在高速运用的场合下，永磁体损耗较大，电磁性能较差。
6.总体而言，现有的环形绕组电机无法兼具优异的电磁性能和容错性能。


技术实现要素：

7.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种环形绕组永磁容错电机及其设计方法，其目的在于，使环形绕组电机同时具备强容错性能和良好的电磁性能。
8.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种环形绕组永磁容错电机，其绕组拓扑结构中，每一相绕组对应正、负两个相带；
9.若绕组相数m为大于等于6的偶数，则绕组拓扑结构为大小相带拓扑结构或正负相带下线圈数不对称拓扑结构；否则，绕组拓扑结构为大小相带拓扑结构；
10.大小相带拓扑结构中，每一相绕组对应的正、负相带角度不相等；
11.正负相带下线圈数不对称拓扑结构中，每一相绕组对应的正、负相带角度相等，但每一相绕组对应的正、负相带下的线圈组数量不相等。
12.进一步地，正负相带下线圈数不对称拓扑结构中，极对数p为奇数，以有利于各套绕组间的物理隔离。
13.进一步地，正负相带下线圈数不对称拓扑结构中，每一相绕组在对应的正、负相带下的线圈数量相差1。
14.进一步地，电机为整数槽电机时，大小相带拓扑结构中，每极每相槽数q≥2。
15.按照本发明的另一个方面，提供了本发明所提供的上述环形绕组永磁容错电机的设计方法，电机为整数槽电机，且该设计方法包括如下步骤：
16.(s1)在满足预设条件的情况下，根据绕组相数m和指标参数确定环形绕组永磁容错电机的拓扑结构，以及一组或多组极槽配合参数，将每一组极槽配合参数及相应的拓扑结构作为一个候选电机结构；
17.预设条件包括：电机槽数z＝kmp且极对数k为正整数，f
max
表示表示考虑控制器的开关频率和电机自身散热能力后的最高频率，n表示转速；
18.(s2)确定每一个候选电机结构的尺寸参数；尺寸参数包括：定子内径、电枢长度、气隙长度、转子外径和轭部厚度；
19.(s3)结合尺寸参数解析计算每一个候选电机结构的电磁性能和容错性能，并综合电磁性能和容错性能筛选出最优的候选电机结构，输出其拓扑结构、极槽配合参数以及尺寸参数。
20.进一步地，预设条件还包括：电机槽数z为偶数，以避免较大的单边磁拉力的产生。
21.进一步地，在步骤(s3)之后，还包括：
22.(s4)根据步骤(s3)所确定拓扑结构、极槽配合参数以及尺寸参数，建立环形绕组永磁容错电机的有限元模型，以计算环形绕组永磁容错电机的性能参数，并根据预设的指标参数判断各项性能参数是否均满足指标要求，若是，则设计结束；否则，转入步骤(s1)。
23.进一步地，步骤(s3)中，容错性能通过短路电流if衡量，短路电流 if的计算公式为：
[0024][0025][0026][0027][0028][0029][0030][0031]
其中，λ表示故障比例，t0表示短路发生的时刻，l
yoke
表示环轭漏感， l
co1
表示单个线圈的自感，ω表示电角速度，u()表示阶跃函数，表示永磁磁链的幅值，kq表示分布系数，θ1表示相反电势和发生短路线圈反电势的相位差，m
col2
表示发生短路的线圈和该相其余线圈之间的互感，m
ph
表示相与相之间的互感，iq表示q轴电流，id表示d轴电流，rc表示每个线圈的电阻，rf表示短路接触电阻。
[0032]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0033]
(1)本发明所提供的环形绕组永磁容错电机，根据其绕组相数的不同，可能具有两种拓扑：其一，为大小相带拓扑，该拓扑结构下，每一相绕组中的正、负相带的角度不相等；其二，为正负相带下线圈数不对称拓扑，该拓扑结构下，每一相绕组下的正、负相带角度相同而线圈数不同；在这两种拓扑下，通过特殊的极槽配合设计，每一相绕组中正、负相带下的线圈数量不相等，在发生单相短路故障时，同一相绕组中，正、负两个相带下绕组的安匝数大小不等，磁场强度在环轭路径上的积分不为0，从而会产生环轭漏磁，该环轭漏磁会在电机短路回路上附加一个环轭漏感，有效抑制短路电流，因此，本发明提供的环形绕组永磁电机具备较好的容错性能；并且，由于这两种拓扑结构下，相带谐波较小，且分布系数较高，因此，本发明所提供的环形绕组永磁容错电机同时具备较好的电磁性能。
[0034]
(2)本发明所提供的环形绕组永磁容错电机的设计方法，从容错角度出发，首先筛选出具备容错性能的绕组拓扑结构和极槽配合，之后利用解析方法快速评估电磁和容错性能，最后选出容错性能和电磁性能综合最优的方案，确保了所设计的环形绕组永磁容错电机同时具备较好的容错性能和电磁性能。
附图说明
[0035]
图1为现有的六相永磁容错电机及其驱动系统示意图；
[0036]
图2为现有的定子匝间短路故障自动容错多相同步发电机示意图；
[0037]
图3为现有的三相环形绕组拓扑示意图；其中，(a)为2π/m相带拓扑，(b)为π/m相带拓扑；
[0038]
图4为本发明实施例提供的大小相带拓扑示意图；
[0039]
图5为本发明实施例提供的本发明实施例提供的大小相带拓扑与π/m 相带拓扑的单相短路电流对比示意图；
[0040]
图6为本发明实施例提供的正负相带下线圈数不对称拓扑示意图；
[0041]
图7为本发明实施例提供的整数槽环形绕组永磁容错电机的设计方法流程图。
具体实施方式
[0042]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0043]
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
[0044]
在详细解释本发明的技术方案之前，先对环形绕组永磁容错电机的容错原理进行如下简要分析：
[0045]
当电机正常工作时，以三相绕组电机为例，由于所有环形线圈的绕向相同，且三相电流之和为0，根据安培环路定律，在环轭路径上有：
[0046]
∮hdl＝nia nib nic＝n(ia ib ic)＝0
[0047]
其中，n表示每相串联匝数，ia、ib、ic分别表示abc三相电流，h表示磁场强度，l表示环轭路径的长度。
[0048]
根据经典交流绕组理论，环形绕组拓扑常被分为如图3中的(a)所示的2π/m相带和如图3中的(b)所示的π/m相带。在发生单相短路故障时，对于2π/m相带拓扑而言，此时m相电流之和不为0，这会引起环轭漏磁的出现，电机短路回路上便会附加一个环轭漏感。由于环轭磁阻很小，这个环轭漏感会远高于同步电感，短路电流可以得到较好的抑制。然而2π/m相带拓扑在相数较少的情况下相带谐波很大，这会导致永磁体损耗激增，降低了电机的效率并增加了永磁体的退磁风险。相比之下，π/m相带拓扑中，每一相对应两个相带，即正、负相带，正、负相带下绕组的电流相位相差 180
°
电角度，且每相绕组对应的正、负相带的角度相同，分布系数较高且相带谐波较小，因此，π/m相带拓扑的电磁性能较好，电机输出的功率密度较大，π/m相带拓扑也是现在主流的绕组拓扑。但是，当π/m相带环形绕组拓扑出现单相短路故障时，同一相对应的两个相带下绕组的安匝数互为相反数，磁场强度在环轭路径上的积分为0，没有环轭漏磁产生。因此，如果不经过特殊的绕组拓扑设计，常规的π/m相带拓扑不具备单相短路容错性能。
[0049]
为了解决现有的环形绕组电机拓扑结构无法同时具备良好的容错性能和电磁性能的问题，本发明提供了一种环形绕组永磁容错电机及其设计方法，其整体思路在于：对环
形绕组电机的绕组拓扑结构进行特殊设计，使得每相绕组中分别位于正、负相带下的线圈数量不相等，以保证短路后环轭路径上的安匝数之和不为0，从而使得环形绕组电机在具备较优的电磁性能的同时具备较优的容错性能。
[0050]
以下为实施例。
[0051]
实施例1：
[0052]
一种环形绕组永磁容错电机，如图4所示，其绕组拓扑结构为大小相带拓扑结构，每一相绕组对应正、负两个相带，其中，每一相绕组对应的正、负相带角度不相等，但同一相绕组对应的正、负相带角度之和为2π/m；为了保证绕组可以被分为不对称的正、负相带，对于整数槽绕组，极槽配合选取时需保证每极每槽相槽数q≥2。本实施例所提供的环形绕组永磁容错电机为48槽8极电机，其相数为3，每极每相槽数为q＝2；每一相绕组对应的正相带角度为90度，负相带角度为30度。
[0053]
本实施例中，由于同一相绕组对应的正、负相带角度不同，使得同一相绕组中分别位于正、负相带下的线圈数量不相等，因此，在发生单相短路故障后，环轭路径上的安匝数不相等，磁场强度在环轭路径上的积分为0，会引起环轭漏磁的出现，从而有效抑制短路电流。
[0054]
本实施例所提供的环形绕组永磁容错电机与图3中的(b)所示的π/m 相带拓扑的单相短路电流对比示意图如图5所示，从图5可以看出，不对称的大小相带环形绕组拓扑相比于传统的π/m相带拓扑而言单相短路容错性能大大提升，同时其电磁性能也优于2π/m相带拓扑。
[0055]
实施例2：
[0056]
一种环形绕组永磁容错电机，如图6所示，其绕组相数为m＝6，其绕组拓扑结构为正负相带下线圈数不对称拓扑结构，每一相绕组对应正、负两个相带，其中，每一相绕组对应的正、负相带角度相等，但每一相绕组对应的正、负相带下的线圈组数量不相等；本实施例中，每一相的正、负相带角度之和为120度。
[0057]
本实施例中，由于同一相绕组对应的正、负相带的线圈组数量不相等，使得同一相绕组中分别位于正、负相带下的线圈数量不相等；本实施例中，电机也可以看做是双三相电机，为了有利于各套绕组间的物理隔离，降低两套三相绕组之间的耦合性，作为一种优选的实施方式，本实施例中，极对数p为奇数，并且如图6所示，同一相绕组在正、负两个相带下的线圈组数量相差1；当发生单相短路故障时，环轭路径的安匝数不能完全抵消而产生环轭漏磁，具有抑制单相短路电流的能力。应当说明的是，此处关于极对数p，以及同一相绕组在正、负两个相带下的线圈组数量之间的差值，仅为一种优选的实施方式，不应理解为对本发明的唯一限定；在本发明其他的一些实施例中，只要保证每一相绕组对应的正、负相带下的线圈组数量不相等，极对数p也可设置为偶数。
[0058]
在绕组相数为大于等于6的偶数时，均可采用正负相带下线圈数不对称拓扑结构；此外，也可以采用上述实施例1提供的大小相带拓扑结构。
[0059]
实施例3：
[0060]
如上述实施例1或实施例2所提供的环形绕组永磁容错电机的设计方法，本实施例中，电机具体为整数槽电机，如图7所示，本实施例所提供的设计方法包括如下步骤：
[0061]
(s0)确定指标参数；指标参数包括：额定功率pn、额定转矩tn、相数m、转速n等；
[0062]
(s1)在满足预设条件的情况下，根据绕组相数m和指标参数确定环形绕组永磁容错电机的拓扑结构，以及一组或多组极槽配合参数，将每一组极槽配合参数及相应的拓扑结构作为一个候选电机结构；
[0063]
在每极每相槽数为整数的前提下，槽数应该是极对数和相数乘积的整数倍，同时，为了避免较大的单边磁拉力的产生，槽数应该为偶数；此外，电机极数的增加会带来重量和短路电流的降低，同时需考虑电机的高频损耗问题，因此电机的极数需要根据转速和最高频率来进行合理选择；基于以上考虑，本实施例中，预设条件包括：
[0064]
电机槽数z＝kmp且电机槽数z为偶数；k为正整数，
[0065]
极对数f
max
表示表示考虑控制器的开关频率和电机自身散热能力后的最高频率，n表示转速；
[0066]
若相数m为大于等于6的偶数，则可以选择正负相带下线圈数不对称拓扑结构或者大小相带拓扑结构；其他情况下，则选择大小相带拓扑结构；
[0067]
(s2)确定每一个候选电机结构的尺寸参数；尺寸参数包括：定子内径、电枢长度、气隙长度、转子外径和轭部厚度；
[0068]
可选地，定子内径和电枢长度可根据电机常数方程确定；气隙长度可根据实际的应用情况和经验知识确定；在确定气隙长度后，可进一步确定转子外径和轭部厚度；
[0069]
(s3)结合尺寸参数解析计算每一个候选电机结构的电磁性能和容错性能，并综合电磁性能和容错性能筛选出最优的候选电机结构，输出其拓扑结构、极槽配合参数以及尺寸参数；
[0070]
电磁性能可通过转矩、分布系数和谐波含量等进行衡量；
[0071]
容错性能通过短路电流if衡量，短路电流if越小，容错性能越好；短路电流if的计算公式为：
[0072][0073][0074][0075][0076][0077][0078][0079]
其中，λ表示故障比例(即短路匝数除以每个线圈的匝数)，t0表示短路发生的时刻，l
yoke
表示环轭漏感，l
co1
表示单个线圈的自感，ω表示电角速度，u()表示阶跃函数，
表示永磁磁链的幅值，kq表示分布系数，θ1表示相反电势和发生短路线圈反电势的相位差，m
col2
表示发生短路的线圈和该相其余线圈之间的互感，m
ph
表示相与相之间的互感，iq表示q轴电流， id表示d轴电流，rc表示每个线圈的电阻，rf表示短路接触电阻；上述短路电流的计算公式中，充分考虑了发生单相短路故障时，环轭漏感对于短路电流的影响，有效提高了短路电流计算的准确度，实现了对电机容错性能的准确衡量；
[0080]
在解析计算得到电磁性能和容错性能后，可根据实际的应用场景对电磁性能和容错性能予以不同的权重，以对电机的整体性能进行综合评判；
[0081]
为了进一步保障所设计的电机的可靠性，本实施例在步骤(s3)之后，还包括：
[0082]
(s4)根据步骤(s3)所确定拓扑结构、极槽配合参数以及尺寸参数，建立环形绕组永磁容错电机的有限元模型，以计算环形绕组永磁容错电机的性能参数，并根据预设的指标参数判断各项性能参数是否均满足指标要求，若是，则设计结束；否则，转入步骤(s1)；
[0083]
容易理解的是，每次在步骤(s1)中，所确定的候选电机结构不完全相同。
[0084]
总体而言，本实施例提出的环形绕组永磁电机设计方法有效的兼顾了电机本体的高可靠性和高功率密度。通过解析方法可以快速评估方案的电磁和容错性能。提出的不对称的绕组拓扑设计使得电机在具有单相短路容错性能的同时电磁性能不会显著降低，适用于对电机功率密度和可靠性要求极高的电动汽车和航空航天领域。
[0085]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。