一种高可靠性的模块化双三相永磁电机及其绕组设计方法技术

本发明专利技术公开了一种高可靠性的模块化双三相永磁电机及其绕组设计方法，属于永磁电机领域。永磁电机采用三相绕组结构制约了其在故障状态下的容错运行能力，而传统的双三相绕组不仅受限于特定的槽极配合，而且两套绕组存在空间交叠，相间耦合严重。本发明专利技术提出一种模块化双三相绕组结构，每套三相绕组独立的分布于一个模块单元，两套绕组在空间上不存在交叠；通过定子模块化偏移技术，减小电机的转矩脉动，提高电机的运行品质；定子主体采用硅钢片材料，模块化定子齿采用高磁饱和的钴铁合金材料，避免偏移后导致的局部饱和。本发明专利技术的优点在于拓宽了高可靠性的双三相绕组结构应用范围，两套三相绕组在磁路上实现了模块化设计，有效地提升电机容错能力。有效地提升电机容错能力。有效地提升电机容错能力。

【技术实现步骤摘要】
一种高可靠性的模块化双三相永磁电机及其绕组设计方法


[0001]本专利技术涉及电机领域，具体涉及到一种高可靠性的模块化双三相永磁电机及其绕组设计方法。本专利技术适用于电动汽车、航空航天、船舶推进等要求高可靠性的电机系统。

技术介绍

[0002]永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率和功率因数高等优点，在新能源汽车、航空航天、舰船推进等领域中越来越多的替代了传统的执行机构，上述场合对于电机系统的安全性和可靠性要求非常高，甚至要求系统能够带故障容错运行。然而，传统的永磁同步电机系统大多采用三相绕组结构，系统存在谐波含量大、可靠性不足的缺陷，电机相间耦合性较高，绕组一旦发生开路或者短路故障，电机系统面临崩溃停机的危险。
[0003]双三相绕组结构得益于低谐波含量、高转矩密度以及高可靠性能，成为高可靠电机应用领域的研究热点。双三相绕组相移结构对于电机性能具有重要的影响，相对传统三相绕组结构，双三相30
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相移结构可以提高电机的转矩密度，同时电机的转矩脉动得到有效抑制。复杂环境下电机存在较大的故障风险，双三相绕组结构提高了电机绕组的冗余度。电机发生故障后，一方面可以通过切除故障相所在的三相绕组，实现电机的容错运行，另一方面也可以通过仅切除故障相，引入容错控制策略，实现电机的无扰动运行。但是，常规的双三相绕组结构对于电机槽极配比存在一定的约束，限制了其在高可靠电机领域的进一步应用。事实上，电机采用常规的双三相绕组结构仍存在两套三相绕组交叠分布的现象，电机不能实现真正的电、磁隔离，相间耦合性会导致电机可靠性降低。电机绕组通过模块单元设计，使得每个模块单元具有一套独立的三相绕组，辅以模块偏移技术调整两套三相绕组间的相位差，电机采用独立的分布式三相绕组驱动控制，实现电机系统可靠性的提升。然而，电机绕组通过模块单元设计以实现双三相绕组拓扑结构，会导致电机基波绕组系数降低，牺牲电机的转矩密度；另外，模块化偏移会使得电机局部饱和问题加剧，导致电机性能恶化。因此，突破传统槽极配比约束，提出一种高可靠性的模块化双三相永磁电机绕组设计方法对于解决现有电机可靠性不足这一瓶颈具有的意义和应用价值。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决传统三相绕组结构存在可靠性不足的问题，提出一种高可靠性的模块化双三相永磁电机及其绕组设计方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：电机定子结构采用双模块设计，两个定子模块化间存在偏移角，电机定子采用硅钢片+钴铁合金的材料组合方案，以避免模块化偏移导致的局部饱和问题，每个模块单元拥有独立的一套三相绕组，两模块间的耦合性得到有效抑制，电机可靠性提高。
[0005]具体地说，本专利技术的电机是采取以下的技术方案来实现的：一种高可靠性的模块化双三相永磁电机绕组设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0006]步骤1：确定电机的槽极配合，设计永磁同步电机，包括定子和转子，定子和电机转子之间存在气隙；定子包括定子主体、模块化定子齿和电枢绕组；转子包括转子铁芯和永磁
体。本专利技术所述绕组设计方法不受转子结构和类型的束缚，可以是内转子结构，也可以是外转子结构，可以是表贴式类型，亦或是内置式类型；
[0007]步骤2：归纳不同槽极配合下定子模块单元的划分原则，保证每个模块的定子槽数等于6的倍数；
[0008]步骤3：根据传统定子齿均匀分布的电机槽电势星型图，以降低两套三相绕组间磁路耦合为目的，将第一套三相绕组分布在一个单独的模块里；然后，基于转矩脉动抑制或特定双三相绕组拓扑结构的需要，以模块单元一为参考位置，确定模块单元二的偏移方案，完成高可靠性的模块化双三相永磁电机绕组设计；
[0009]步骤4：针对定子模块单元偏移后，导致其中一个定子齿的尺寸减小，电机存在局部饱和的问题，提出定子铁芯材料组合方案，将存在饱和问题的模块化定子齿采用高饱和的钴铁合金材料，定子主体部分采用硅钢片材料，模块化定子间采用燕尾槽进行装配。
[0010]进一步，确定电机的槽极配合。当所述电机采用单层绕组结构，且电机存在至少两个模块单元，每个模块单元存在单独的三相绕组连接，其槽极配合可以总结为：
[0011][0012]式中z0为单元电机的槽数，2p0为单元电机的极数，z为电机的槽数，GCD(z0,3)表示单元电机槽数和3的最大公约数。同理，当所述电机采用双层绕组结构，其槽极配合可以总结为：
[0013][0014]常用的适用本专利技术所述模块化双三相单层绕组结构的单元电机槽极配合可以总结为：3/2、6/2、9/2、9/4、9/8、12/2、12/10、15/2、15/4、15/8、15/14、18/2、18/10、18/14、24/2、24/10、24/14、24/22等。
[0015]进一步，确定电机的基本结构。所述电机的定子采用模块单元设计，两个模块单元之间存在偏移角，由偏移导致尺寸减小的某个或某几个定子齿称作模块化定子齿，定子其他部分称作定子主体；转子结构的类型不受限制。
[0016]进一步，永磁电机的单元电机数可以表示为：
[0017]n＝GCD(z,p)
[0018]式中GCD(z,p)表示单元电机槽数和极对数的最大公约数，n表示单元电机数。
[0019]对于满足h＝1的槽极配比，每6个连续定子槽作为1个模块单元，为方便描述，本专利技术所述永磁电机的1槽
‑
6槽(S1‑
S6)称作模块单元一，S7‑
S
12
称作模块单元二。第一套三相绕组独立分布于模块单元一，第二套三相绕组独立分布于模块单元二，且两套三相绕组不存在跨模块分布；
[0020]对于满足h＝2的槽极配比，每12个连续定子槽作为1个模块单元，即S1‑
S
12
称作模块单元一，S
13
‑
S
24
称作模块单元二，绕组分布原则如上所述；
[0021]对于满足h＝3的槽极配比，其模块单元的划分原则要分情况确定。当该槽极配比的单元电机数为1或偶数时，每18个连续定子槽作为1个模块单元，即S1‑
S
18
为模块单元一，S
19
‑
S
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为模块单元二，绕组分布原则如上所述；当该槽极配比的单元电机数为除1外的奇数
时，每6个连续定子槽作为1个模块单元，即S1‑
S6为模块单元一，S7‑
S
12
为模块单元二，S
13
‑
S
18
为模块单元三，S
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‑
S
24
为模块单元四，S
25
‑
S
30
为模块单元五，S
31
‑
S
36
为模块单元六，第一套三相绕组分布于模块单元一、三、五、七，第二套绕组分布于模块单元二、四、六、八；
[0022]对于h满足其他情况的槽极配比，按本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高可靠性的模块化双三相永磁电机绕组设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：确定电机的槽极配合，设计永磁同步电机，包括定子和转子，定子和电机转子之间存在气隙；定子包括定子主体、模块化定子齿和电枢绕组；转子包括转子铁芯和永磁体；所述转子结构和类型是内转子结构，或者是外转子结构，或者是表贴式类型，亦或是内置式类型；步骤2：归纳不同槽极配合下定子模块单元的划分原则，保证每个模块的定子槽数等于6的倍数；步骤3：根据传统定子齿均匀分布的电机槽电势星型图，以降低两套三相绕组间磁路耦合为目的，将第一套三相绕组分布在一个单独的模块里；然后，基于转矩脉动抑制或特定双三相绕组拓扑结构的需要，以模块单元一为参考位置，确定模块单元二的偏移方案，完成高可靠性的模块化双三相永磁电机绕组设计；步骤4：针对定子模块单元偏移后，导致其中一个定子齿的尺寸减小，电机存在局部饱和的问题，提出定子铁芯材料组合方案，将存在饱和问题的模块化定子齿采用高饱和的钴铁合金材料，定子主体部分采用硅钢片材料，模块化定子间采用燕尾槽进行装配。2.根据权利要求1所述的一种高可靠性的模块化双三相永磁电机绕组设计方法，其特征在于，步骤1具体包括：步骤1.1：确定电机的槽极配合，当所述电机采用单层绕组结构，且电机存在至少两个模块单元，每个模块单元存在单独的三相绕组连接，其槽极配合总结为：式中z0为单元电机的槽数，2p0为单元电机的极数，z为电机的槽数，GCD(z0,3)表示单元电机槽数和3的最大公约数；同理，当所述电机采用双层绕组结构，其槽极配合可以总结为：常用的适用本发明所述模块化双三相单层绕组结构的单元电机槽极配合可以总结为：3/2、6/2、9/2、9/4、9/8、12/2、12/10、15/2、15/4、15/8、15/14、18/2、18/10、18/14、24/2、24/10、24/14、24/22；需要指出的是：当电机的槽极配合满足上述单元电机且其槽数为12的倍数，但是其单元电机数为奇数，此时电机的模块单元数较多，电机模块化偏移方案较复杂；步骤1.2：确定电机的基本结构：所述电机的定子采用模块单元设计，两个模块单元之间存在偏移角，由偏移导致尺寸减小的某个或某几个定子齿称作模块化定子齿，定子其他部分称作定子主体；转子结构的类型不受限制。3.根据权利要求1所述的一种高可靠性的模块化双三相永磁电机绕组设计方法，其特征在于，步骤2具体包括：永磁电机的单元电机数可以表示为：n＝GCD(z,p)式中p表示电机的极对数，GCD(z,p)表示电机槽数和极对数的最大公约数，n表示单元电机数；对于满足h＝1的槽极配比，每6个连续定子槽作为1个模块单元，为方便描述，本发明永
磁电机的1槽
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6槽S1‑
S6称作模块单元一，S7‑
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称作模块单元二；第一套三相绕组独立分布于模块单元一，第二套三相绕组独立分布于模块单元二，且两套三相绕组不存在跨模块分布；对于满足h＝2的槽极配比，每12个连续定子槽作为1个模块单元，即S1‑
S
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称作模块单元一，S
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称作模块单元二，绕组分布原则如上所述；对于满足h＝3的槽极配比，其模块单元的划分原则要分情况确定；当该槽极配比的单元电机数为1或偶数时，每18个连续定子槽作为1个模块单元，即S1‑
S
18
为模块单元一，S
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为模块单元二，绕组分布原则如上所述；当该槽极配比的单元电机数为除1外的奇数时，每6个连续定子槽作为1个模块单元，即S1‑
S6为模块单元一，S7‑
S
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为模块单元二，S
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为模块单元三，S
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为模块单元四，S
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为模块单元五，S
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为模块单元六，第一套三相绕组分布于模块单元一、三、五、七，第二套绕组分布于模块单元二、四、六、八。4.根据权利要求3所述的一种高可靠性的模块化双三相永磁电机绕组设计方法，其特征在于，还包括，对于h满足其他情况的槽极配比，按照单元电机数的奇/偶性情况，其模块单元划分方法按照上述原则类推；通过上述模块单元划分原则可知，除少部分槽极配合存在较多模块单元外，大部分电机只有两个模块单元。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉敬华，孙玉华，赵文祥，凌志健，田伟，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
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