专利名称：多齿容错永磁磁通切换电机及其容错方法
技术领域：
本发明涉及一种容错电机及方法，尤其涉及一种多齿容错永磁磁通切换电机及其
容错方法，属于永磁容错电机领域。
背景技术：
起动/发电机应具有结构简单、工作可靠、效率高、使用安全等优点。从起动发电 机的类型来看，转子上无永磁体，无绕组，具有结构简单、坚固、成本低、工作可靠、控制灵 活、运行效率高、容错能力强，具有高温和高速适应性的开关磁阻电机在该领域极具竞争 力，自上世纪八十年代末以来一直成为美国在该领域的主要研究对象。美国Kentucky大 学和GE、 Sundstrand公司对开关磁阻起动发电机进行了大量的研究与试验，相继研制出了 30kW、250kW、375kW、500kW的开关磁阻起动发电机，转速最高达到48000转/分。国内南京 航空航天大学、西北工业大学针对航空飞行器也相继研制出了小功率的原理样机(不超过 7. 5kW)。 然而开关磁阻电机属于自励磁电机，并且是半周期工作，电机的功率密度和效率 有待于进一步提高，且其振动和噪声也是其固有的缺陷，因此研究一种高效率、高功率密 度、高容错能力的永磁型起动发电机来取代开关磁阻起动发电机也是科技进步的必然要 求，也是该领域发展的必然趋势。 永磁电机在效率、功率密度、转矩密度方面具有相当的优势，但其永磁体置于转子 上，大功率/宽转速运行时存在诸如转子防护和散热、永磁体退磁、磁场难以调节和故障时 灭磁困难等问题，导致目前经典的永磁同步电机、无刷直流电机在起动/发电系统应用中 受到制约。 定子永磁式永磁电机的出现为新型起动发电机的研究开辟了通路。目前定子永磁 式永磁电机主要包括双凸极永磁电机、磁通切换电机、磁通反相永磁电机。这其中又以磁通 切换电机转矩密度和功率密度最高。磁通切换电机的优点总结如(l)永磁体置于定子，易 于冷却，不受离心力。(2)特有的"聚磁"效应使得电机在采用矫顽力较低的永磁体时也可 获得较高的气隙磁密。(3)转子结构简单，易于高速运行。(4)永磁体受电枢磁场影响小， 发生短路故障时，永磁体发生不可逆退磁的机率极小，而弱磁能力又优于转子永磁式电机。 (5)反电势正弦度较高。(6)电机采用集中式绕组，结构简单，端部铜损小，电机效率高。上 述的优越性能为磁通切换电机在起动发电领域的应用创造了条件。 从容错性能的角度来看，开关磁阻电机一相绕组出现故障时，电机随具有一定的 容错性。但其不可避免的出现转矩波动，降低其容错性能。Newscastle大学的Atkinson. D. J、 B. C. Mecrow教授和Shef ield大学的Z. Q. Zhu教授、D. Howe教授则从系统(即电机和 控制融为一体的系统)的高度开展永磁容错电机的研究，并将该电机首先应用于航空电力 作动系统。 永磁容错电机的结构与一般的永磁无刷电机相似，但它不是三相电机，而是多相 电机，定子的槽口数与极对数相近，同时电枢绕组都是采用单层隔齿绕制的方式，因此永磁
3容错电机除了具有一般永磁电机的特点外，还具有以下优点各相绕组之间具有热隔离、磁 隔离、电气隔离的能力，每相绕组具有抑制短路电流能力。然而目前针对转子永磁式的容错 电机仍然没有很好的解决诸如转子防护和散热、永磁体退磁、磁场调节和故障时灭磁等问 题。这样一来，开展永磁容错磁通切换电机的研究尤显必要了 。 隔齿励磁型磁通切换电机虽然实现了电机定子绕组的热隔离、电磁隔离和磁隔 离，但其空载永磁磁链小与电机的自感L比值较大，即短路电流if较大。要使得短路电流 if小于额定电流，必须大大降低永磁体剩磁和增加绕组匝数，导致电机的功率密度和效率 较低。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，在保证永磁磁通切换电机功率密度高、转 矩密度高、固有可靠性高(永磁体置于定子，散热好，不受离心力)的优点下，提出一种空载 永磁磁链小与电机的自感L比值较小、磁隔离能力强、定位力矩小的永磁磁通切换容错电 机及其容错方法。 多齿容错永磁磁通切换电机，包括凸极定子、电枢绕组、凸极转子，其特征在于
定子凸极为E型定子铁块，每两个E型定子铁块之间的空隙依次嵌入条形永磁体， 上述条形永磁体相连的两个E型臂上缠绕定子绕组即第一线圈至第六线圈。
所述的多齿容错永磁磁通切换电机，其特征在于所述E型定子铁块的隔磁齿为 "Y"型结构，定子齿数为条形永磁体个数的4倍；转子采用多齿结构，其齿数可为17或18或 19。
所述的多齿容错永磁磁通切换电机的容错方法，其特征在于采用所述多齿容错
永磁磁通切换电机，减小相邻线圈之间的互感和所述多齿容错永磁磁通切换电机的定位力
矩，增加了所述电枢绕组自感，当所述多齿容错永磁磁通切换电机在使用高矫顽力永磁体
时，无需大量增加电枢绕组匝数即可将短路电流if抑制在额定电流^以内
"上<"^^ (1) 即使得电枢绕组电感与额定电流的乘积大于等于电枢绕组空载永磁磁链，从而 提高所述多齿容错永磁磁通切换电机的功率密度和效率， 式(1)中，小表示线圈的空载永磁磁通，N表示每匝线圈匝数，L表示单匝线圈的
电感，T表示电机的额定转矩，小_表示每相绕组的空载永磁磁通幅值。 E型定子铁块的隔磁齿为"Y"型结构，增加了隔磁齿的磁路磁导，减小了电机的电
枢绕组相邻线圈的互感。 本发明与隔齿励磁型容错永磁磁通切换电机相比，在电机体积、长径比、电机绕组 匝数一致时，多齿容错永磁磁通切换电机的空载永磁磁链小与电机的自感L比值大大减 小，即短路电流if大大减小。要将短路电流if抑制在额定电流^以内，多齿容错永磁磁通 切换电机增加的绕组匝数比隔齿励磁型容错永磁磁通切换电机要少，这样一来，电机的铜 损要小，效率要高。要保证电机的电压一定，隔齿励磁型容错永磁磁通切换电机需进一步减
4小永磁体矫顽力，从而其功率密度、转矩密度降低。 本发明在充分利用永磁磁通切换电机固有可靠性高(永磁体置于定子，易于冷 却，不受离心力；永磁体受电枢磁场影响小，发生短路故障时，永磁体发生不可逆退磁的机 率极小)的基础上，提出多齿容错永磁磁通切换电机，其空载永磁磁链小与电机的自感L 比值要远远小于隔齿励磁型容错永磁磁通切换电机；电机的定、转子多齿结构使得电机互 感小，磁隔离能力强，电机电感大，抑制短路电流能力强，电机定位力矩减小。该电机将在近 空间飞行器、全电多电飞机等对起动发电系统容错性能较高的领域有广泛的应用前景。
图1是本发明的结构截面示意图。 图中标号名称1、E型定子铁块，2、凸极转子，3、条形永磁体，第一线圈——第六线 圈均为电枢绕组的集中电枢线圈；图中条形永磁体上的箭头表示励磁方向。
具体实施例方式
如图1所示，多齿容错永磁磁通切换电机，包括凸极定子、电枢绕组、凸极转子2， 其特征在于 定子凸极为E型定子铁块1，每两个E型定子铁块之间的空隙依次嵌入条形永磁体
3，上述条形永磁体相连的两个E型臂上缠绕定子绕组即第一线圈至第六线圈。 E型定子铁块的隔磁齿为"Y"型结构，使得定子齿数为条形永磁体个数的4倍。"Y"
型结构隔磁齿使得隔齿回路的磁导大大增加，减小了定子绕组相邻线圈的互感。 转子采用多齿结构，其齿数可为17或18或19。定、转子多齿结构使得电机的电枢
绕组自感增加，同时减小电机的定位力矩。自感的增加使得电机的功率密度、转矩密度、效
率提高，具体实施方式
如下 当线圈1——线圈6中任一线圈发生短路故障，短路电流if表达式如(1)所示
式(1)中，小表示线圈的空载永磁磁通，N表示每匝线圈匝数，L表示单匝线圈的
电感。额定电流^表达式如(2)所示
式(2)中，T表示电机的额定转矩，小_表示每相绕组的空载永磁磁通幅值，N表 示每个线圈匝数。 当电机的额定电流和额定转矩一定时，减少条形永磁体数量以及降低永磁体矫顽 力，则线圈空载永磁磁通小与每相绕组的空载永磁磁通幅值小，均减小，电机的每个线圈 匝数增大，短路电流if减小。 由于多齿容错永磁磁通切换电机的电感较大，因此要使得绕组电感与额定电流乘 积大于等于绕组空载永磁磁链，需要增加的电机绕组匝数要远远少于隔齿励磁型永磁磁通切换电机，从而多齿容错永磁磁通切换电机的铜损和成本要低于隔齿励磁型永磁磁通切换 电机。 由于多齿容错永磁磁通切换电机增加的绕组匝数较少，那么保证电机额定电压一 定，降低的电机永磁体矫顽力程度较小，从而隔齿励磁型永磁磁通切换电机的功率密度、转
矩密度要高。
权利要求
一种多齿容错永磁磁通切换电机，包括凸极定子、电枢绕组、凸极转子(2)，其特征在于定子凸极为E型定子铁块(1)，每两个E型定子铁块之间的空隙依次嵌入条形永磁体(3)，上述条形永磁体相连的两个E型臂上缠绕定子绕组即第一线圈至第六线圈。
2. 根据权利要求l所述的多齿容错永磁磁通切换电机，其特征在于所述E型定子铁 块的隔磁齿为"Y"型结构，定子齿数为条形永磁体个数的4倍。
3. 根据权利要求l所述的多齿容错永磁磁通切换电机，其特征在于所述凸极转子(2) 采用多齿结构，其齿数为17或18或19。
4. 一种基于权利要求1所述的多齿容错永磁磁通切换电机的容错方法，其特征在于 采用所述多齿容错永磁磁通切换电机，减小相邻线圈之间的互感和所述多齿容错永磁磁通 切换电机的定位力矩，增加了所述电枢绕组自感，当所述多齿容错永磁磁通切换电机在使 用高矫顽力永磁体时，无需大量增加电枢绕组匝数即可将短路电流if抑制在额定电流i^以内服即使得电枢绕组电感与额定电流k的乘积大于等于电枢绕组空载永磁磁链，从而提高 所述多齿容错永磁磁通切换电机的功率密度和效率，式(1)中，小表示线圈的空载永磁磁通，N表示每匝线圈匝数，L表示单匝线圈的电感， T表示电机的额定转矩，小_表示每相绕组的空载永磁磁通幅值。
全文摘要
本发明公开了一种多齿容错永磁磁通切换电机及其容错方法，属永磁容错电机及方法。所述电机包括凸极定子、电枢绕组、凸极转子。定子凸极为E型定子铁块，每两个E型定子铁块之间的空隙依次嵌入条形永磁体，与条形永磁体相连的两个E型臂上缠绕定子绕组即第一线圈至第六线圈。本发明方法采用所述多齿容错永磁磁通切换电机，增加了所述电枢绕组自感，当所述多齿容错永磁磁通切换电机在使用高矫顽力永磁体时，无需大量增加电枢绕组匝数即可将短路电流if抑制在额定电流iL以内。本发明可靠性高，永磁体受电枢磁场影响小，电机的定、转子多齿结构使得电机互感小，磁隔离能力强，电机电感大，抑制短路电流能力强，电机定位力矩减小。
文档编号H02K1/12GK101697431SQ20091018494
公开日2010年4月21日 申请日期2009年10月21日 优先权日2009年10月21日
发明者王宇, 王晓琳, 邓智泉 申请人:南京航空航天大学;