一种新型高容错性电机的制作方法

1.本发明涉及机电一体化技术领域，尤其是指一种新型高容错性电机。


背景技术：

2.关于航空飞行器的需求，为实现更高的可靠性并且降低运维成本，采用多电发动机的多电飞机已经成为发展趋势。高效大功率的机载发电机系统是美、俄、英等国家正积极研发的六代机先进功能有效实现的基础保障。越来越丰富的机载武器和电子设备要求更大功率的能量来源，使得机载电源容量越来越大，因此大功率高功率密度发电机已成为多电飞机的研究技术之一。
3.基于经典的电磁理论可以知道，电机的功率密度主要取决于其所能选择的电负荷和磁负荷。为实现电机的高磁负荷，通常采用永磁式电机转子。然而，永磁式电机存在故障后的灭磁问题，电机容错性能低。


技术实现要素：

4.为解决高功率密度永磁式电机在故障状态下存在的灭磁问题，同时保证电机的高功率密度与高容错性能，本发明提供一种新型高容错性电机。采用多三相环形电枢绕组与永磁式转子相结合的电机拓扑，通过在故障状态下引入额外的环轭电感，降低故障绕组的短路电流，进而提高电机的容错能力。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种新型高容错性电机，包括沿径向由内向外依次分布的转子铁心、永磁体、气隙、定子铁心，所述定子铁芯外侧端周向分布有定子铁心槽，所述定子铁心槽中设有环形电枢绕组，所述环形电枢绕组包括环形电枢线圈，每相每匝环形电枢线圈位于单独的定子铁心槽中。
6.在本发明的一种实施方式中，所述新型高容错性电机为双三相电机，电机极对数为奇数，环形电枢绕组按60
°
相带排布，所述环形电枢绕组按双三相平分，每个三相包含半圈60
°
相带。
7.在本发明的一种实施方式中，所述新型高容错性电机为18槽3对极电机，共设置了n套m相绕组，其中n=2，m＝3，相应地，每极每相槽数q＝1。
8.在本发明的一种实施方式中，绕组相带设计为360
°
/(2m)＝60
°
，一对极下的绕组相带包括3个正相带和3个负相带。
9.在本发明的一种实施方式中，所述新型高容错性电机包括三相绕组一和三相绕组二，所述三相绕组一包含a1 、z1-、b1 、x1-、c1 、y1-、u1 、v1-与w1 9个相带，所述三相绕组二包含u2-、v2 、w2-、a2 、z2-、b2 、x2-、c2 与y2-9个相带，其中，“ ”表示正相带，
“‑”
表示负相带，a1 、x1-与u1 对应同一相绕组，b1 、y1-与w1 对应同一相绕组，z1-、c1 与v1-对应同一绕组，u2-、a2 与x2-对应同一绕组，w2-、b2 与y2-对应同一绕组，v2 、z2-与c2 对应同一绕组，同一相绕组所对应的正相带和负相带下绕组的电流相位相差180
°
电角度。
10.在本发明的一种实施方式中，所述三相绕组一和三相绕组二正常工作时，所有环
形电枢线圈的绕向相同，且三相电流之和为0，根据安培环路定律，在环轭路径上有：∮hdl＝nia1-niz1 nib1-nix1 nic1-niy1 niu1-niv1 niw1-niu2 niv2-niw2 nia2-niz2 nib2-nix2 nic2-niy2＝n(ia1
‑ꢀ
ix1 ib1
‑ꢀ
iy1 ic1
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iz1) n(iu1
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iu2 iv2
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iv1 iw1
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iw2) n(ia2
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ix2 ib2
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iy2 ic2
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iz2)=0其中，n表示每个线圈匝数，每套三相绕组中，有ia=ix= iu，ib=iy= iv，ic1=iz1= iw1，ia、ib、ic分别表示三相电流，h表示磁场强度，l表示环轭路径的长度，两套三相绕组同步正常工作时，ia1= ia2、ib1= ib2、ic1= ic2，d是微分符号，dl表示的时环轭路径上的微分。
11.在本发明的一种实施方式中，所述任意一套三相绕组发生单相短路、匝间短路或三相对称短路时，环轭路径上的磁链分量n(iu1
‑ꢀ
iu2 iv2
‑ꢀ
iv1 iw1
‑ꢀ
iw2)不再为0，引入环轭漏磁。
12.在本发明的一种实施方式中，所述永磁体采用halbach磁钢阵列结构或spoke聚磁结构。
13.在本发明的一种实施方式中，所述转子铁心、定子铁心均采用铁磁材料。
14.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：本发明所述的一种新型高容错性电机，采用双三相或多三相电枢绕组，当其中一套三相故障时电机仍能输出部分功率；当三相绕组发生故障时，轭部回路引入环轭电感，能能有效降低故障短路电流，进而提高了电机的容错性能。相较常规永磁同步电机，本发明电机同时兼顾高功率密度与高容错性能。
附图说明
15.为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中图1是本发明的新型高容错性电机拓扑原理图。
16.图2是双三相环形电枢绕组分布图。
17.说明书附图标记说明：1、转子铁心；2、永磁体；3、定子铁心；4、环形电枢绕组。
具体实施方式
18.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
19.参照图1所示，本发明的一种新型高容错性电机，包括：沿径向由内向外依次分布的转子铁心1、永磁体2、气隙、定子铁心3；所述定子铁芯外侧端周向分布有定子铁心槽，所述定子铁心槽中设有环形电枢绕组4，每相每匝环形电枢线圈位于单独的定子铁心槽中。其中，所述转子铁心1、所述定子铁心3均采用铁磁材料。本发明采用永磁式转子结构，能有效提高电机气隙磁负荷，进而提高电机功率密度；采用环形电枢线圈，每相每匝线圈位于单独的定子槽中，实现各相绕组物理隔离、热隔离，降低电机绕组故障率并提高电机容错性能；采用双三相或多个三相结构，当一套三相故障时电机仍能输出部分功率，进一步提高电机的容错性能。
20.以双三相电机为例，电机极对数为奇数。环形电枢绕组4按正常60
°
相带排布，环形电枢绕组4按双三相平分，每个三相必然包含半圈60
°
相带。当双三相绕组同时正常工作时，两个三相中的半圈60
°
相带所产生的磁链，在环形铁轭中相互抵消，不存在环轭电感，电机此时工作状态与正常永磁式电机无异，保持了永磁式电机的高功率密度特点。当双三相电机中其中一套三相绕组发生故障时，两套三相绕组在轭部中的磁链无法相互抵消，故障态绕组中会产生额外的环轭电感，该电感值较大，能有效降低故障短路电流，进而提高了电机的容错性能。
21.为了解决现有的基于环形绕组的永磁容错电机中绕组系数低、难以实现高功率密度及无法实现m相对称短路的容错处理等技术问题，在本发明的一个实施例中，提供了一种新型永磁容错电机，该永磁容错电机为整数槽电机，即每极每相槽数为整数。以下结合图2对本实施例的技术方案作进一步的解释说明。
22.可选地，本实施例所提供的新型永磁容错电机，是一个18槽3对极电机，且其中共设置了n=2套m＝3相绕组，相应地，每极每相槽数为q＝1；本实施例中，绕组相带设计为360
°
/(2m)＝60
°
，一对极下的绕组相带具体包括3个正相带和3个负相带。
23.为了提高电机的功率密度，作为优选的实施方式，永磁体2可采用halbach磁钢阵列结构或spoke聚磁结构，这两种结构能有效增加电机磁负荷，从而实现电机的轻量化。
24.如图2所示，为本实施案例提供的绕组分相图。三相绕组一包含a1 、z1-、b1 、x1-、c1 、y1-、u1 、v1-与w1 9个相带，三相绕组二包含u2-、v2 、w2-、a2 、z2-、b2 、x2-、c2 与y2-9个相带。其中，“ ”表示正相带，
“‑”
表示负相带；a1 、x1-与u1 对应同一相绕组，b1 、y1-与w1 对应同一相绕组，z1-、c1 与v1-对应同一绕组，u2-、a2 与x2-对应同一绕组，w2-、b2 与y2-对应同一绕组，v2 、z2-与c2 对应同一绕组，容易理解的是，同一相绕组所对应的正相带和负相带下绕组的电流相位相差180
°
电角度。
25.在绕组串并联关系上，由于相带个数为奇数，每相绕组只存在全串联与全并联两种形式，全并联的并联支路数与每相绕组的相带数相同。以a1 、x1-与u1 这一相绕组为例，全串联结构中a1 、u1 正向串联、x1-反向串联，全并联结构中a1 、u1 正向并联、x1-反向并联，并联支路数为3。
26.以下对本实施例实现容错的原理进行解释说明：当电机两套三相绕组同步正常工作时，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：∮hdl＝nia1-niz1 nib1-nix1 nic1-niy1 niu1-niv1 niw1-niu2 niv2-niw2 nia2-niz2 nib2-nix2 nic2-niy2＝n(ia1
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ix1 ib1
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iy1 ic1
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iz1) n(iu1
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iv1 iw1
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iw2) n(ia2
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ix2 ib2
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iy2 ic2
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iz2)=0其中，n表示每个线圈匝数，每套三相绕组中，有ia=ix= iu，ib=iy= iv，ic1=iz1= iw1，ia、ib、ic分别表示三相电流，h表示磁场强度，l表示环轭路径的长度，两套绕组同步正常工作时，ia1= ia2、ib1= ib2、ic1= ic2。
27.可以看出，当电机两套三相绕组同步正常工作时，无环轭漏磁产生，附加电感为0，只有与转子交链的主磁通和少量的漏磁；当其中一套三相绕组发生单相短路、匝间短路或
三相对称短路时，环轭路径上的磁链分量n(iu1
‑ꢀ
iu2 iv2
‑ꢀ
iv1 iw1
‑ꢀ
iw2)不再为0，这会引起环轭漏磁的出现；环轭漏磁的出现使得电机故障态三相电枢绕组中出现一个附加的环轭电感，由于铁轭采用导磁材料，环轭磁阻很小，环轭电感的数值远高于同步电感，可以有效抑制短路电流。同样，正常态三相绕组中也会存在环轭电感与环轭磁链，通过合理设计轭部厚度，减小轭部磁饱和对正常态三相绕组输出性能的影响。忽略磁饱和情况下，当一套三相绕组发生短路故障后，电机仍有一半的功率输出能力。
28.总的来说，本实施案例提出的双三相环形绕组设计方案可以利用短路时激发出的环轭漏感有效的抑制各类短路故障电流，同时保证了电机在正常工作时的高功率密度与故障时的高容错能力。本实案施例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等领域。
29.最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。