基于单双层混合绕组的模块化圆筒型多相永磁直线电机.pdf

基于单双层混合绕组的模块化圆筒型多相永磁直线电机，属于永磁电机领域，本发明为解决常规多相永磁直线电机在发生绕组短路等故障时，故障隔离难度大，以及由于相间电磁耦合程度高导致的电机模块化设计难度大的问题。本发明包括定子和永磁动子，定子可以设置在永磁动子的内部或者外部，且两者之间有气隙；定子由m个相同的定子模块拼装而成，所述的定子模块沿轴向拼装成一个圆筒形；每个定子模块包括定子铁心，2n个电枢齿、两个容错齿和4n个环形集中绕组；永磁动子由永磁体和动子铁心拼装而成，永磁动子可以是表贴式结构、Halbach结构或轴向充磁式结构等。

1.  基于单双层混合绕组的模块化圆筒型多相永磁直线电机，其特征在于，它包括定子(1)和永磁动子(2)，定子(1)设置在永磁动子(2)的内部或者外部，且两者之间留有宽度为L的径向气隙；
定子(1)由m个相同的定子模块拼装而成，拼装后的定子(1)为沿轴向设置的圆筒结构；m为正整数；
每个定子模块包括定子铁心(3)和4n个环形集中绕组(5)；定子铁心(3)设置有两个容错齿(3-1)和2n个电枢齿(3-2)，电枢齿(3-2)沿轴向方向的长度大于容错齿(3-1)沿轴向方向的长度；n为正整数；
两个容错齿(3-1)分别位于定子铁心(3)的左右圆环端，并与中间设置的2n个电枢齿(3-2)共同构成(2n+1)个环形的定子槽(4)；4n个环形集中绕组(5)设置在2n+1个定子槽(4)中，定子槽(4)面向永磁动子(2)设置；
位于定子铁心(3)左右两端的两个定子槽(4)中各设置一个环形集中绕组(5)，其余中间位置的定子槽(4)中均设置两个环形集中绕组(5)，4n个环形集中绕组(5)匝数相同，同一定子槽(4)中的环形集中绕组(5)的绕制方向相同，相邻定子槽(4)中的环形集中绕组(5)的绕制方向相反；
永磁动子(2)包括动子铁心(6)和永磁体(7)，动子铁心(6)和永磁体(7)均为圆环形，永磁体(7)设置在动子铁心(6)的面向定子(1)的表面；永磁体(7)沿径向方向充磁，并且相邻永磁体(7)的充磁方向交替相反。

2.  根据权利要求1所述基于单双层混合绕组的模块化圆筒型多相永磁直线电机，其特征在于，定子(1)具有m相绕组，每个定子模块内部的所有环形集中绕组(5)共同构成一相绕组。

3.  根据权利要求1所述基于单双层混合绕组的模块化圆筒型多相永磁直线电机，其特征在于，m≥3，环形集中绕组(5)为三相或三相以上的集中绕组。

4.  根据权利要求1所述基于单双层混合绕组的模块化圆筒型多相永磁直线电机，其特征在于，定子铁心(3)由硅钢片、非晶态铁磁复合材料或SMC软磁复合材料构成。

5.  根据权利要求1所述基于单双层混合绕组的模块化圆筒型多相永磁直线电机，其特征在于，动子铁心(6)由实心钢、硅钢片、非晶态铁磁复合材料或SMC软磁复合材料构成。

6.  根据权利要求1所述基于单双层混合绕组的模块化圆筒型多相永磁直线电机，其特征在于，永磁动子(2)的极数可根据气隙中磁动势的谐波次数进行选择。

7.  根据权利要求1所述基于单双层混合绕组的模块化圆筒型多相永磁直线电机，其特征在于，永磁动子(2)可以采用表贴式结构、Halbach结构或轴向充磁式结构。

基于单双层混合绕组的模块化圆筒型多相永磁直线电机
技术领域
本发明涉及一种模块化多相永磁容错电机，属于永磁电机领域。
背景技术
21世纪以来，随着能源危机和环境污染问题的日益严重，节能和环保逐渐成为当今汽车发展的两大主题，以混合动力汽车为代表的新能源汽车获得了越来越多的关注。按照驱动系统结构的不同，混合动力汽车可分为串联式、并联式和混联式三种。在串联式混合动力汽车中，将自由活塞发动机与直线电机相结合，形成自由活塞式直线发电系统，取代了传统的基于曲轴连杆机构的活塞式内燃机，在实现内燃机的高效率低排放的同时减少了中间的机械传动机构，使整个电驱动系统更紧凑、可靠、系统效率也得到大幅提升。对于电动汽车而言，其电驱动系统的安全性和可靠性至关重要。目前，传统的三相永磁直线电机在发生绕组开路或短路故障的时候，电机的推力输出会发生剧烈变化，甚至于不能工作，这将对电驱动系统的性能造成严重影响。而多相永磁直线电机由于其相数的冗余，因而具有良好的容错运行能力，适用于电动汽车等对电驱动系统可靠性要求较高的场合。所谓容错是指电机系统在发生故障的情况下，通过调整电机的控制策略，可以使该系统仍然保持一定的输出能力，同时还具有在故障状态下防止故障恶化和扩散的能力。通过采用多相容错永磁直线电机，可以使电动汽车在电机发生故障的情况下继续运行，直到故障解除，这将大大提高电动汽车的安全性和可靠性，是电动汽车的理想选择。
为了使电机能够在绕组开路、短路等故障状态下继续运行，多相容错永磁直线电机在设计时需要满足以下条件：相间要具有良好的电隔离、磁隔离、热隔离和物理隔离。采用常规分布式绕组或分数槽集中绕组的多相永磁直线电机，其相间电磁耦合程度大，在发生绕组短路等故障的时候，短路相会对其他正常相造成影响，增大了容错控制的难度。此外，采用分布式绕组或普通分数槽绕组的电机，由于其绕组的空间分布问题，难以对电机进行模块化设计。
发明内容
本发明目的是为了解决常规多相永磁直线电机在发生绕组短路等故障时，故障隔离难度大，以及由于相间电磁耦合程度高导致的电机模块化设计难度大的问题，提供了一种基于单双层混合绕组的模块化圆筒型多相永磁直线电机。
本发明所述基于单双层混合绕组的模块化圆筒型多相永磁直线电机，它包括定子和永 磁动子，定子设置在永磁动子的内部或者外部，且两者之间留有宽度为L的径向气隙；
定子由m个相同的定子模块拼装而成，拼装后的定子为沿轴向设置的圆筒结构；m为正整数；
每个定子模块包括定子铁心和4n个环形集中绕组；定子铁心设置有两个容错齿和2n个电枢齿，电枢齿沿轴向方向的长度大于容错齿沿轴向方向的长度；n为正整数；
两个容错齿分别位于定子铁心的左右圆环端，并与中间设置的2n个电枢齿共同构成2n+1个环形的定子槽；4n个环形集中绕组设置在2n+1个定子槽中，定子槽面向永磁动子设置；
位于定子铁心左右两端的两个定子槽中各设置一个环形集中绕组，其余中间位置的定子槽中均设置两个环形集中绕组，4n个环形集中绕组匝数相同，同一定子槽中的环形集中绕组的绕制方向相同，相邻定子槽中的环形集中绕组的绕制方向相反；
永磁动子包括动子铁心和永磁体，动子铁心和永磁体均为圆环形，永磁体设置在动子铁心的面向定子的表面；永磁体沿径向方向充磁，并且相邻永磁体的充磁方向交替相反。
本发明的优点：本发明公开一种基于单双层混合绕组的模块化圆筒型多相永磁直线电机。每相采用4n个相同的集中绕组，并且结合容错齿的采用，使得相间达到了良好的磁隔离效果，有效遏制了电机在故障状态下故障相对其他相的影响。基于单双层混合绕组的模块化圆筒型多相永磁直线电机定子采用模块化设计方式，有利于大规模的加工制造，并且可以在某一模块发生故障的情况下迅速更换，降低系统的维护成本。该电机是一种可靠性高，功率密度大，加工制造及维护成本较低的多相电机本体结构方案。本发明适用于三相及三相以上的多相永磁直线电机。
附图说明
图1是本发明所述的基于单双层混合绕组的模块化圆筒型多相永磁直线电机的结构示意图；
图2是一相定子绕组通电情况下的磁力线分布；
图3是Halbach式动子结构示意图；
图4是轴向充磁式动子结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述基于单双层混合绕组的模块化圆筒型多相永磁直线电机，它包括定子1和永磁动子2，定子1设置在永磁动子2的内部或者外部，且两者之间留有宽度为L的径向气隙；
定子1由m个相同的定子模块拼装而成，拼装后的定子1为沿轴向设置的圆筒结构；m为正整数；
每个定子模块包括定子铁心3和4n个环形集中绕组5；定子铁心3设置有两个容错齿3-1和2n个电枢齿3-2，电枢齿3-2沿轴向方向的长度大于容错齿3-1沿轴向方向的长度；n为正整数；
两个容错齿3-1分别位于定子铁心3的左右圆环端，并与中间设置的2n个电枢齿3-2共同构成2n+1个环形的定子槽4；4n个环形集中绕组5设置在2n+1个定子槽4中，定子槽4面向永磁动子2设置；
位于定子铁心3左右两端的两个定子槽4中各设置一个环形集中绕组5，其余中间位置的定子槽4中均设置两个环形集中绕组5，4n个环形集中绕组5匝数相同，同一定子槽4中的环形集中绕组5的绕制方向相同，相邻定子槽4中的环形集中绕组5的绕制方向相反；
永磁动子2包括动子铁心6和永磁体7，动子铁心6和永磁体7均为圆环形，永磁体7设置在动子铁心6的面向定子1的表面；永磁体7沿径向方向充磁，并且相邻永磁体7的充磁方向交替相反。
参见图1，给出的为外定子结构，则定子槽4设置在定子铁心3的内圆表面，永磁体7设置在永磁动子2的外圆表面。第一个定子槽4由一个容错齿3-1和一个电枢齿3-2构成，其内部设置一个环形集中绕组5；第二个定子槽4则由两个电枢齿3-2构成，其内部设置两个环形集中绕组5，依此类推。在同一个定子模块中，相邻两个定子槽4中环形集中绕组5的匝数相同、绕制方向相反，在同一个定子槽4中的两个环形集中绕组5的匝数相同、绕制方向相同。
结合图2说明本发明的工作原理。当定子1的某一定子模块的绕组通电时，磁力线8通过该定子模块内的两个容错齿3-1，两个电枢齿3-2、气隙、动子铁心6、永磁体7形成闭合回路，而不经过其他相的定子模块形成闭合回路。因此，不同模块间不存在磁耦合。同理，当电机的某一相绕组发生短路故障的时候，短路相绕组产生的磁力线也通过上述路径闭合，不经由其他相的绕组形成闭合回路，从而消除了短路相对其他正常相的影响，实现了良好的磁隔离。此外，由于两个容错齿3-1的存在，使得绕组短路带来的绕组发热被有效的控制在发生短路的定子模块之内，进而有利的保护了其他正常相的定子模块。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，定子1具有m相绕组，每个定子模块内部的所有环形集中绕组5共同构成一相绕组。不同的定子模块之间没有磁 耦合。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，m≥3，环形集中绕组5为三相或三相以上的集中绕组。绕组的相数由定子模块的数量决定。
采用多相绕组，可以提高所述基于单双层混合绕组的模块化圆筒型多相永磁直线电机的容错运行性能。
具体实施方式四：本实施方式对实施方式一作进一步说明，定子铁心3由硅钢片、非晶态铁磁复合材料或SMC软磁复合材料构成。
动子铁心6由实心钢、硅钢片、非晶态铁磁复合材料或SMC软磁复合材料构成。
具体实施方式五：下面结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，永磁动子2的极数可根据气隙中磁动势的谐波次数进行选择。在永磁动子2相对于定子1做相对运动时，位于定子1两个端部之间的永磁体7为有效工作的，位于定子1端部之外的永磁体7不工作，因此，本实施方式中永磁动子2的极数对应的是位于定子1两个端部之间的永磁体7的数量。
且永磁动子2可以采用表贴式结构、Halbach结构或轴向充磁式结构。
Halbach式动子结构如图3所示，所述Halbach式动子由若干块不同充磁方向的Halbach永磁体9和动子支架10组成，Halbach永磁体9放置在动子支架10的外表面；轴向充磁式动子如图4所示，所述轴向充磁式动子由动子支架10、导磁块11，以及轴向充磁永磁体12组成，导磁块11和轴向充磁永磁体12沿轴向交替排列并放置在动子支架10的外表面，相邻的轴向充磁永磁体12的充磁方向交替相反；动子支架10由钛合金、铝合金等非导磁材料制造。