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定子永磁式雙凸極容錯(cuò)電機(jī)的制作方法

文檔序號(hào):7287441閱讀:219來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:定子永磁式雙凸極容錯(cuò)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及電工、電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域,特指一種新型定子永磁式雙凸極容錯(cuò)電機(jī)。
背景技術(shù)
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,如飛機(jī)、導(dǎo)彈及航天器等先進(jìn)飛行器中得到越來(lái)越廣泛應(yīng)用的電動(dòng)舵機(jī)(EMA),以及近年快速發(fā)展的電動(dòng)汽車等對(duì)連續(xù)操作有較高要求的應(yīng)用領(lǐng)域,在這些應(yīng)用領(lǐng)域不僅要求電機(jī)體積小,重量輕,效率高,而且還要求電機(jī)可靠性高,容錯(cuò)能力強(qiáng),免維護(hù),以滿足飛機(jī)、電動(dòng)汽車能源有限、工作環(huán)境惡劣等特點(diǎn)。
開關(guān)磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固,采用集中繞組,端部連接短,可靠性高,具有較高的容錯(cuò)性能。因而,最早的被應(yīng)用于容錯(cuò)式電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),美國(guó)國(guó)家航空和航天局一直至力于研究將開關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。但是開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行效率和材料利用率較低,與永磁電機(jī)相比功率密度較低。但是,傳統(tǒng)的永磁電機(jī)(如永磁同步電機(jī))由于采用了分布繞組其電路和磁路的耦合性較強(qiáng),其帶故障運(yùn)行能力受到限制。為了將永磁電機(jī)的高功率密度和開關(guān)磁阻電機(jī)的高容錯(cuò)性相結(jié)合,英國(guó)的B.C.Mecrow等人于1996年提出了容錯(cuò)永磁電機(jī)的概念,該電機(jī)結(jié)構(gòu)是將開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)模式與永磁同步電機(jī)相結(jié)合,將傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)分布繞組改為集中繞組,且每個(gè)定子槽中只有一套繞組如附圖1所示,沒(méi)有繞組的電樞齒作為磁通同路同時(shí)也起著隔離的作用。集中繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)相與相之間實(shí)現(xiàn)了電路、磁路以及溫度的隔離,大大提高了電機(jī)的容錯(cuò)能力和可靠性。但是這種電機(jī)永磁體是一個(gè)整體套在軸上,電機(jī)的等效氣隙很大,很難實(shí)現(xiàn)弱磁調(diào)速。而且永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上不容易冷卻,特別是在高速、高溫的應(yīng)用環(huán)境中。
相對(duì)于轉(zhuǎn)子永磁型電機(jī),定子永磁型電機(jī)由于將永磁體放在了定子上,永磁體制冷容易,且不需要考慮轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)作用在永磁體上的離心拉力,提高了永磁體的可靠性。定子永磁同步電機(jī)典型的代表就是雙凸極永磁電機(jī)。雙凸極永磁電機(jī)是上世紀(jì)90年代中期由美國(guó)威斯康辛-麥迪遜大學(xué)的Lipo教授提出的,其基本結(jié)構(gòu)與開關(guān)磁阻電機(jī)相似,轉(zhuǎn)子無(wú)繞組,永磁體放置在定子軛部,永磁體的個(gè)數(shù)N=P/q,P為電機(jī)定子極數(shù),q為電機(jī)相數(shù),為了使永磁體提供足夠的勵(lì)磁磁場(chǎng),必須保證永磁體具有一定的體積,因此雙凸極永磁電機(jī)電機(jī)體積相對(duì)較大,如附圖2所示。1997年另一種雙凸極式定子永磁型電機(jī)——磁通切換永磁電機(jī)被提出如附圖3所示,磁通切換永磁電機(jī)永磁體的個(gè)數(shù)與定子極數(shù)相等及N=P,永磁體的寬度與定子齒寬相等,這樣永磁體的體積就被確定了。若要調(diào)整永磁體的勵(lì)磁磁場(chǎng),只能通過(guò)調(diào)整永磁體的磁能積。然而實(shí)驗(yàn)表明即使采用低磁能積的永磁體,電機(jī)磁場(chǎng)也很飽和,電機(jī)磁負(fù)荷較高,則高速運(yùn)行渦流損耗較大。還有由于永磁體的比重大于硅鋼片,過(guò)多的永磁體也增加了電機(jī)的重量。在相與相的獨(dú)立性方面,雙凸極永磁電機(jī)和磁通切換永磁電機(jī)相間耦合較為嚴(yán)重,電機(jī)的互感約為自感的一半,相獨(dú)立性較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了提高定子永磁型電機(jī)的容錯(cuò)性和功率密度,結(jié)合容錯(cuò)永磁電機(jī)提出了一種定子永磁式雙凸極容錯(cuò)電機(jī)。
本發(fā)明在雙凸極永磁電機(jī)的基礎(chǔ)上,通過(guò)采用不同的定子齒結(jié)構(gòu)和繞組連接方式,使得電機(jī)相與相之間實(shí)現(xiàn)了電路、磁路和溫度場(chǎng)的獨(dú)立,具有較高的可靠性和帶故障運(yùn)行能力。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)減小電機(jī)的齒槽寬度的方法,降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。另外使電機(jī)的永磁體體積適中,電機(jī)鐵心可以運(yùn)行在磁化曲線的拐點(diǎn)。該電機(jī)尤其適用于一些可靠性要求較高,如航空航天、軍事領(lǐng)域、礦井軋鋼等要求連續(xù)操作的高可靠性領(lǐng)域。
本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)與磁通切換永磁電機(jī)相同,定子由定子鐵心和永磁體組成,永磁體沿圓周夾在鐵心中間,鐵心和永磁體與機(jī)座采用過(guò)盈配合,以保證鐵心和永磁體的位置固定。轉(zhuǎn)子上既沒(méi)有繞組也沒(méi)有永磁體,定轉(zhuǎn)子鐵心均由硅鋼片疊壓而成。繞有繞組的永磁體和電樞齒組合成一個(gè)整體。永磁體切向磁化并按照極性為N、S、S、N、N、——S、S、N的形式兩兩相對(duì)分布。
本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)在于將磁通切換永磁電機(jī)鐵心和永磁體分開考慮,將磁通切換永磁電機(jī)U字形鐵心,設(shè)計(jì)成山字形,每個(gè)鐵心增加了一個(gè)容錯(cuò)齒。山字型鐵心兩邊的電樞齒和永磁體一起繞有繞組,容錯(cuò)齒上無(wú)繞組,徑向相對(duì)的兩極繞組相串聯(lián)構(gòu)成一相,相與相繞組之間通過(guò)容錯(cuò)齒隔離。勵(lì)磁磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生,容錯(cuò)齒為永磁體和電樞繞組提供磁回路。
設(shè)hm為永磁體寬度,βsw為繞有繞組的電樞齒極弧寬度,βsf為容錯(cuò)齒的極弧寬度,βsf=360°/(6Zq),q為電機(jī)相數(shù),Z為每項(xiàng)極數(shù)。根據(jù)不同的電機(jī)尺寸,永磁體的寬度hm和電樞齒極弧寬度βsw可以在(0.8~1.2)βsf范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整,轉(zhuǎn)子極弧寬度取值范圍為1.6βsf≥βr≥βsf’以保證電機(jī)的反電勢(shì)波形為較好的正弦形。而磁通切換永磁電機(jī)的永磁體寬度為hm=βsw=360°/(4Zq),因此與相同尺寸和極數(shù)的磁通切換永磁電機(jī)相比,定子永磁式雙凸極容錯(cuò)電機(jī)的永磁體寬度、槽口寬度以及繞組的端部都減小了1/3。
本發(fā)明具有以下有益效果1.本發(fā)明繼承了開關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)點(diǎn),轉(zhuǎn)子上無(wú)電刷、無(wú)永磁體、無(wú)繞組,可靠性高,高速性能好。定子上的電樞繞組為集中式繞組,端部短,安裝方便。電樞繞組和永磁體均位于定子上,比較容易進(jìn)行冷卻設(shè)計(jì)。
2.每個(gè)定子槽中只有一套繞組,沒(méi)有繞組的容錯(cuò)齒作為磁通回路同時(shí)也起著隔離的作用。顯然相與相之間實(shí)現(xiàn)了電路、溫度的隔離。電機(jī)的某一相繞組由于發(fā)生短路故障時(shí),其短路電流將導(dǎo)致溫度急速上升,由于有容錯(cuò)齒的存在,不會(huì)引起磁鋼以及其他相繞組溫度的變化,因此實(shí)現(xiàn)了更好的獨(dú)立性。
3.容錯(cuò)齒為電樞繞組提供了磁回路使得電機(jī)的互感很小,近似于零。這表明每相之間的磁路也相互獨(dú)立,因此當(dāng)某相繞組發(fā)生故障時(shí)對(duì)其他相繞組影響甚小,提高了電機(jī)的可靠性和帶故障運(yùn)行能力。
4.定子永磁式雙凸極容錯(cuò)電機(jī)的永磁體寬度較磁通切換永磁電機(jī)減小了1/3,另外容錯(cuò)齒增加了永磁體的磁回路,克服了雙凸極永磁電機(jī)勵(lì)磁磁場(chǎng)欠飽和,和磁通切換永磁電機(jī)磁場(chǎng)過(guò)飽和的弊端,可以使電機(jī)鐵心運(yùn)行在磁化曲線的拐點(diǎn),降低了渦流損耗。
5.永磁體用量的減少降低了電機(jī)的重量使得電機(jī)更適合在一些對(duì)重量要求較嚴(yán)格的場(chǎng)合如航空航天等領(lǐng)域。
6.定子永磁式雙凸極容錯(cuò)電機(jī)的齒槽寬度較磁通切換永磁電機(jī)減小了1/3,可以顯著降低永磁電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩。
7.電機(jī)反電勢(shì)波形為正弦形,繞組可以通正弦交流電,矢量控制可以有效地應(yīng)用于該電機(jī),這也為基于矢量控制的容錯(cuò)智能控制策略的應(yīng)用提供了可能。


圖1容錯(cuò)永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)28/6極雙凸極永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)3磁通切換永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)4本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)5本發(fā)明單個(gè)山字形型鐵心圖6本發(fā)明電感曲線圖7本發(fā)明與磁通切換永磁電機(jī)定位轉(zhuǎn)矩比較由圖中可以看出本發(fā)明的定位轉(zhuǎn)矩約為磁通切換永磁電機(jī)定位轉(zhuǎn)矩的1/6。
圖8某相斷路時(shí)本發(fā)明與磁通切換永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出波形比較以上圖中有1、定子鐵心2、繞組3、轉(zhuǎn)子鐵心4、永磁體5、轉(zhuǎn)軸6、容錯(cuò)齒7、電樞齒8、定子永磁式雙凸極容錯(cuò)電機(jī)通額定電流時(shí)的自感9、定子永磁式雙凸極容錯(cuò)電機(jī)通額定電流時(shí)與相鄰相的互感10、定子永磁式雙凸極容錯(cuò)電機(jī)電樞繞組電流為零時(shí)定位轉(zhuǎn)矩11、磁通切換永磁電機(jī)電樞繞組電流為零時(shí)定位轉(zhuǎn)矩12、定子永磁式雙凸極容錯(cuò)電機(jī)某相斷路時(shí)轉(zhuǎn)矩波形13、磁通切換永磁電機(jī)某相斷路時(shí)轉(zhuǎn)矩波形具體實(shí)施方式
以一臺(tái)四相定子永磁式雙凸極容錯(cuò)電機(jī)為例,其截面圖如附圖4所示,定子由8個(gè)山字形定子鐵心1和8個(gè)永磁體4組合而成。山字形定子鐵心1和轉(zhuǎn)子鐵心3分別用厚度為0.37mm的硅鋼片按圖5所示的形狀和圖4所示的轉(zhuǎn)子形狀沖成沖片,用足夠的沖片疊壓成定子鐵心1和轉(zhuǎn)子鐵心3。定子繞組2為集中繞組,繞在夾有永磁體4的電樞齒上,且每槽只有一相繞組2,徑向相對(duì)的兩極繞組2相串聯(lián)構(gòu)成一相,相與相繞組之間由容錯(cuò)齒6隔離,容錯(cuò)齒6上無(wú)繞組,無(wú)永磁體。
以下是一臺(tái)額定功率PN=800W,額定轉(zhuǎn)速nN=12000rpm,額定相電壓峰值110V,額定相電流3.2A的四相定子永磁式雙凸極容錯(cuò)電機(jī)的主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)定子鐵心1外徑55m,轉(zhuǎn)子鐵心3內(nèi)徑14mm,硅鋼片疊片長(zhǎng)75mm,氣隙長(zhǎng)0.5mm,容錯(cuò)齒6極弧寬度βsf=7.5°,電樞齒7極弧寬度βsw=0.9βsf,永磁體4寬度hm=1.1βsf,定子1極高8mm,轉(zhuǎn)子3極弧βr=10°,轉(zhuǎn)子3極高6mm。每相繞組匝數(shù)為48匝。永磁體4采用稀土釹鐵硼,尺寸為10mm×75mm×2.4mm,永磁體切向充磁。
當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),永磁體4產(chǎn)生的基波磁場(chǎng)在電樞繞組2中感應(yīng)出四相正弦反電勢(shì),因此矢量控制的方法亦可以用于定子永磁式雙凸極容錯(cuò)電機(jī),當(dāng)使電機(jī)電樞繞組2電流波形與反電勢(shì)波形一致時(shí),電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小。通過(guò)先進(jìn)的有限元電路磁路聯(lián)合仿真計(jì)算軟件對(duì)樣機(jī)的電感和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了計(jì)算,當(dāng)繞組通額定電流時(shí)電感波形如附圖6所示,從圖中可以看出電機(jī)的互感很小,實(shí)現(xiàn)了相與相之間的磁路隔離。附圖7給出了四相定子永磁式雙凸極容錯(cuò)電機(jī)與四相磁通切換永磁電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩比較曲線,從圖中可以看出永磁式雙凸極容錯(cuò)電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩約為磁通切換永磁電機(jī)定位轉(zhuǎn)矩的1/6。為了進(jìn)一步驗(yàn)證定子永磁式雙凸極容錯(cuò)電機(jī)的容錯(cuò)能力,附圖8給出了定子永磁式雙凸極容錯(cuò)電機(jī)和磁通切換永磁電機(jī)A相繞組開路時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波形,從圖中可以看出當(dāng)某相繞組出現(xiàn)故障時(shí)定子永磁式雙凸極容錯(cuò)電機(jī)仍然有較好的轉(zhuǎn)矩輸出,雖然平均轉(zhuǎn)矩有所降低,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有所增加,但是可以通過(guò)改變繞組電流的幅值和相位等容錯(cuò)控制策略加以優(yōu)化。
權(quán)利要求
1.定子永磁式雙凸極容錯(cuò)電機(jī),由定子鐵心構(gòu)成,其特征在于定子鐵心(1)設(shè)計(jì)成山字形,每個(gè)定子鐵心(1)增加了一個(gè)容錯(cuò)齒(6),每槽只有一相繞組,容錯(cuò)齒上無(wú)繞組。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定子永磁式雙凸極容錯(cuò)電機(jī),其特征在于容錯(cuò)齒(6)的極弧寬度βsf=360°/(6Zq),q為電機(jī)相數(shù),Z為每項(xiàng)極數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的定子永磁式雙凸極容錯(cuò)電機(jī),其特征在于永磁體(4)的寬度hm和電樞齒(7)極弧寬度βsw為(0.8~1.2)βsf,轉(zhuǎn)子(8)極弧寬度取值范圍為1.6βsf≥βr≥βsf。
全文摘要
定子永磁式雙凸極容錯(cuò)電機(jī),涉及電工、電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)在于將定子鐵心設(shè)計(jì)成山字形,每個(gè)鐵心增加了一個(gè)容錯(cuò)齒。山字型鐵心兩邊的電樞齒和永磁體一起繞有繞組,容錯(cuò)齒上無(wú)繞組,徑向相對(duì)的兩極繞組相串聯(lián)構(gòu)成一相,相與相繞組之間通過(guò)容錯(cuò)齒隔離。勵(lì)磁磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生,容錯(cuò)齒為永磁體和電樞繞組提供磁回路。本發(fā)明使得電機(jī)相與相之間實(shí)現(xiàn)了電路、磁路和溫度場(chǎng)的獨(dú)立,具有較高的可靠性和帶故障運(yùn)行能力。通過(guò)減小電機(jī)的齒槽寬度的方法,降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。另外使電機(jī)的永磁體體積適中,電機(jī)鐵心可以運(yùn)行在磁化曲線的拐點(diǎn)。該電機(jī)尤其適用于一些可靠性要求較高,如航空航天、軍事領(lǐng)域、礦井軋鋼等要求連續(xù)操作的高可靠性領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H02K15/03GK1937356SQ20061004157
公開日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2006年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月15日
發(fā)明者孫玉坤, 吉敬華, 趙文祥, 朱紀(jì)洪, 劉國(guó)海, 黃振躍 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)
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