专利名称：一种低耦合双余度永磁无刷直流电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种永磁无刷直流电机。
背景技术：
随着稀土永磁材料和电机理论的进一步发展，永磁无刷直流电机以其高磁能积 (BH)、高矫顽力(He)和大剩磁密度(Br)而被广泛应用于对系统可靠性要求较高的航空、航天领域。尤其是在飞机电动舵机、发动机油门控制等复杂且不允许停机运行的伺服系统中， 其可靠性设计至关重要。系统的可靠性取决于元器件的可靠性，为减少系统或设备的故障率以提高其可靠性，常采用冗余(余度)设计技术，即在系统中的关键部位增加一套以上完成相同功能的元件，当该部分出现故障后，系统仍能正常工作。对于复杂的、有高可靠和长寿命要求的系统或设备更应采用冗余技术。永磁无刷直流电机的主要结构包括定子铁芯、电枢绕组、永磁体、转子铁芯和转轴，其中定子铁芯由带槽的定子冲片叠压而成，电枢绕组嵌放于定子铁芯槽内；转子铁芯由叠片叠压而成，其轴向长度与定子铁芯的轴向长度相同，将呈瓦片形的永磁体嵌于转子铁芯外表面，并将转子铁芯固定于电机转轴上。永磁无刷直流电机现有的余度配置方式主要包括并联和串联两种结构形式，其中，串联结构双余度永磁无刷直流电机是将两套独立的定子和转子共轴安装，两套独立的电枢绕组分别嵌放于两套独立的定子槽内，定、转子数量的增加必将导致电机的体积和重量偏大，结构复杂，余度间难以协调控制，因此很难应用于对体积和重量要求严格的场合； 而并联结构双余度永磁无刷直流电机仅包括一套定转子和两套独立的电枢绕组，其中将两套相互独立的电枢绕组隔槽嵌放于电机的定子槽内，每套绕组分别与其相应的控制系统构成独立的通道。该结构简单、余度间控制方便，由于仅有一套定转子而大大减小了电机体积、降低了电机重量，因而在余度控制领域得到了广泛的应用。然而，并联结构双余度永磁无刷直流电机由于隔槽嵌放的电枢绕组在空间上的交叉重叠，使电机产生较大的互感，增加了系统参数变化的不确定性，严重恶化电机的控制性能。因此，如何降低并联结构的双余度永磁无刷直流电机两套电枢绕组间的耦合度成为工程实践的主要难题。目前，在国内外大量的专利与文献中，均未曾涉及到一种低耦合并联结构的双余度永磁无刷直流电机。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种低耦合并联结构的双余度永磁无刷直流电机，结构简单且具有高可靠性能。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是对于槽数为12N(N> I)的并联结构双余度永磁无刷直流电机，其定子铁芯、永磁体、转子铁芯、转轴的结构与材料均保持不变，仅对其电枢绕组的结构做进一步的改进。取定子铁芯上任意一槽为I号槽，按逆时针方向依次标记各槽为2、3、……12N-1、 12N号槽。将传统并联结构的双余度永磁无刷直流电机重叠嵌放的1#和2#两套定子的三相绕组分开，1#三相绕组嵌放在定子铁芯的I 6N号槽内，2#三相绕组则分别嵌放在定子铁芯的(6N+1) 12N号槽内。其中，1#三相绕组通过与其相应的1#控制系统而构成独立的通道，2#三相绕组通过与其相应的2#控制系统而构成独立的通道，两套控制系统完全相同但相互独立。正常工况下，两套控制系统同时工作，等额分担负载；当某套控制系统出现故障后，此控制系统将被切除，负载将由另一套控制系统独自承担。控制系统包括位置传感器、控制电路、驱动电路和逆变电路。其中，位置传感器将转子铁芯的位置信息反馈给控制电路中的DSP芯片，DSP在经过逻辑运算及处理后发出控制信号，通过驱动电路将控制信号放大，最终控制逆变电路中开关管的开通与关断，从而实现绕组的顺序导通，保证电机的正常工作。将1#三相绕组的A相绕组嵌放于定子铁芯的Zil和Zi2号槽内，Zil = (1,2,…， N)，Zi2 = Zn+3N ；1#三相绕组的C相绕组嵌放于定子铁芯的Zjl和Zj2号槽内，Zjl = (N+1， N+2，……，2N)，Zj2 = Ζ^+3Ν；1#三相绕组的B相绕组嵌放于定子铁芯的Zkl和Zk2号槽内， Zkl = (2N+L2N+2,……，3N)，Zk2 = Zkl+3N。并将I号槽内1#三相绕组的A相绕组的输入端、(2N+1)号槽内1#三相绕组的B相绕组的输入端、5N号槽内的1#三相绕组的C相绕组的输入端分别接入与1#三相绕组相对应的1#控制系统的逆变电路，将4N号槽内1#三相绕组的A相绕组的输出端、6N号槽内的1#三相绕组的B相绕组的输出端、(N+1)号槽内的 1#三相绕组的C相绕组的输出端连接在一起，构成三相电枢绕组的连接端。将2#三相绕组的A相绕组嵌放于定子铁芯的Zi3和Zi4号槽内，Zi3 = Zn+6N, Zi4 =Z-i2+6N ；2#三相绕组的C相绕组嵌放于定子铁芯的Zj3和Zj4号槽内，Zj3 = Ζ^+6Ν, Zj4 =ZJ2+6N ；2#三相绕组的B相绕组嵌放于定子铁芯的Zk3和Zk4号槽内，Zk3 = Zkl+6N, Zk4 = Zk2+6N。并将(6N+1)号槽内2#三相绕组的A相绕组的输入端、(8N+1)号槽内2#三相绕组的B相绕组的输入端、IlN号槽内2#三相绕组的C相绕组的输入端分别接入与2#三相绕组相对应的2#控制系统的逆变电路，将ION号槽内2#三相绕组的A相绕组的输出端、12N号槽内的2#三相绕组的B相绕组的输出端、(7N+1)号槽内2#三相绕组的C相绕组的输出端连接在一起，构成三相电枢绕组的连接端。至此，将重叠嵌放的两套电枢绕组在空间上完成了分离，以降低两套绕组间的耦合度。本发明的有益效果是由于本发明将结构简单的并联结构双余度永磁无刷直流电机相互重叠嵌放的两套绕组分开，绕组在空间上的隔离大大降低了两套绕组间的耦合度， 减小了绕组间互感的影响，从而改善了电机的控制性能，并进一步提高了系统的可靠性。下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
图I是并联结构双余度永磁无刷直流电机的结构示意图；图中，I-电枢绕组，2-转子铁芯，3-定子铁芯，4-永磁体，5-转轴。图2是本发明的电枢绕组结构示意图；图中，6-1#三相绕组的A相绕组，7-1#三相绕组的C相绕组，8-1#三相绕组的B相绕组，9-电枢槽，10-2#三相绕组的A相绕组，11-2#三相绕组的C相绕组，12-2#三相绕组的B相绕组，13-定子铁芯。图3a是本发明的1#三相绕组的电气原理图；图中，14-1#三相绕组的B相绕组，15-1#三相绕组的A相绕组，16-1#三相绕组的 C相绕组，17-1#控制系统的逆变电路，18-1#控制系统的驱动电路，19-1#控制系统的控制电路，20-1#控制系统的位置传感器。图3b是本发明的2#三相绕组的电气原理图。图中，21-2#三相绕组的B相绕组，22-2#三相绕组的A相绕组，23-2#三相绕组的 C相绕组，24-2#控制系统的逆变电路，25-2#控制系统的驱动电路，26-2#控制系统的控制电路，27-2#控制系统的位置传感器。
具体实施例方式本发明以24槽的低耦合双余度永磁无刷直流电机的绕组结构为例进行分析，1# 三相绕组嵌放于电枢铁芯的I 12号槽内，2#三相绕组嵌放于电枢铁芯的13 24号槽内。其中，将1#三相绕组的A相绕组嵌放于电枢铁芯的1、2、7、8号槽，1#三相绕组的B相绕组嵌放于电枢铁芯的5、6、11、12号槽，1#三相绕组的C相绕组嵌放于电枢铁芯的3、4、9、 10号槽。并将I号槽内A相绕组的输入端、5号槽内B相绕组的输入端、10号槽内C相绕组的输入端分别接入与1#三相绕组相对应的1#控制系统的逆变电路，而将8号槽内A相绕组的输出端、12号槽内B相绕组的输出端与3号槽内C相绕组的输出端连接起来，作为 1#三相绕组的连接端。1#控制系统包括位置传感器、控制电路、驱动电路和逆变电路。其中，位置传感器将电机的位置信息反馈给控制电路中的DSP芯片，DSP在经过逻辑运算及处理后发出控制信号，通过驱动电路将控制信号放大，最终控制逆变电路中功率开关管的开通与关断。逆变电路包括6个功率开关管和6个相应的续流二极管，任意时刻通过控制功率开关管的开通与关断使三相绕组中的两相同时导通，从而使双余度永磁无刷直流电机正常工作。当功率开关管Vl和V2开通，1#三相绕组的AC相导通；当功率开关管Vl和V6开通，1#三相绕组的AB相导通；当功率开关管V3和V4开通，1#三相绕组的BA相导通；当功率开关管V3和V2开通，1#三相绕组的BC相导通；当功率开关管V5和V4开通，1#三相绕组的CA相导通；当功率开关管V5和V6开通，1#三相绕组的CB相导通。将2#三相绕组的A相绕组嵌放于电枢铁芯的13、14、19、20号槽，2#三相绕组的 B相绕组嵌放于电枢铁芯的17、18、23、24号槽,2#三相绕组的C相绕组嵌放于电枢铁芯的 15、16、21、22号槽。并将13号槽内A相绕组的输入端、17号槽内B相绕组的输入端、22号槽内C相绕组的输入端分别接入与2#三相绕组相对应的2#控制系统的逆变电路，而将20 号槽内A相绕组的输出端、24号槽内B相绕组的输出端与15号槽内C相绕组的输出端连接起来，作为2#三相绕组的连接端。2#控制系统包括位置传感器、控制电路、驱动电路和逆变电路。其中，位置传感器将电机的位置信息反馈给控制电路中的DSP芯片，DSP在经过逻辑运算及处理后发出控制信号，通过驱动电路将控制信号放大，最终控制逆变电路中功率开关管的开通与关断。逆变电路包括6个功率开关管和6个相应的续流二极管，任意时刻通过控制功率开关管的开通与关断使三相绕组中的两相同时导通，从而使双余度永磁无刷直流电机正常工作。当功率开关管Vl和V2开通，2#三相绕组的AC相导通；当功率开关管
5Vl和V6开通，2#三相绕组的AB相导通；当功率开关管V3和V4开通，2#三相绕组的BA相导通；当功率开关管V3和V2开通，2#三相绕组的BC相导通；当功率开关管V5和V4开通， 2#三相绕组的CA相导通；当功率开关管V5和V6开通，2#三相绕组的CB相导通。本发明再以12槽的低耦合双余度永磁无刷直流电机的绕组结构为例进行分析， 1#三相绕组嵌放于电枢铁芯的I 6号槽内，2#三相绕组嵌放于电枢铁芯的6 12号槽内。其中将1#三相绕组的A相绕组嵌放于电枢铁芯的1、4号槽，1#三相绕组的B相绕组嵌放于电枢铁芯的3、6号槽，1#三相绕组的C相绕组嵌放于电枢铁芯的2、5号槽。并将I 号槽内A相绕组的输入端、3号槽内B相绕组的输入端、5号槽内C相绕组的输入端分别接入与1#三相绕组相对应的1#控制系统的逆变电路，而将4号槽内A相绕组的输出端、6号槽内B相绕组的输出端、2号槽内C相绕组的输出端连接起来，作为1#三相绕组的连接端。 1#控制系统包括位置传感器、控制电路、驱动电路和逆变电路。其中，位置传感器将电机的位置信息反馈给控制电路中的DSP芯片，DSP在经过逻辑运算及处理后发出控制信号，通过驱动电路将控制信号放大，最终控制逆变电路中功率开关管的开通与关断。逆变电路包括6 个功率开关管和6个相应的续流二极管，任意时刻通过控制功率开关管的开通与关断使三相绕组中的两相同时导通，从而使双余度永磁无刷直流电机正常工作。当功率开关管Vl和 V2开通，1#三相绕组的AC相导通；当功率开关管Vl和V6开通，1#三相绕组的AB相导通； 当功率开关管V3和V4开通，1#三相绕组的BA相导通；当功率开关管V3和V2开通，1#三相绕组的BC相导通；当功率开关管V5和V4开通，1#三相绕组的CA相导通；当功率开关管 V5和V6开通，1#三相绕组的CB相导通。将2#三相绕组的A相绕组嵌放于电枢铁芯的7、10号槽内，2#三相绕组的B相绕组嵌放于电枢铁芯的9、12号槽内，2#三相绕组的C相绕组嵌放于电枢铁芯的8、11号槽。 并将7号槽内A相绕组的输入端、9号槽内B相绕组的输入端、11号槽内C相绕组的输入端分别接入与2#三相绕组相对应的2#控制系统的逆变电路，而将10号槽内A相绕组的输出端、12号槽内B相绕组的输出端、8号槽内C相绕组的输出端连接起来，作为2#三相绕组的连接端。2#控制系统包括位置传感器、控制电路、驱动电路和逆变电路。其中，位置传感器将电机的位置信息反馈给控制电路中的DSP芯片，DSP在经过逻辑运算及处理后发出控制信号，通过驱动电路将控制信号放大，最终控制逆变电路中功率开关管的开通与关断。逆变电路包括6个功率开关管和6个相应的续流二极管，任意时刻通过控制功率开关管的开通与关断使三相绕组中的两相同时导通，从而使双余度永磁无刷直流电机正常工作。当功率开关管Vl和V2开通，2#三相绕组的AC相导通；当功率开关管Vl和V6开通，2#三相绕组的AB相导通；当功率开关管V3和V4开通，2#三相绕组的BA相导通；当功率开关管V3和 V2开通，2#三相绕组的BC相导通；当功率开关管V5和V4开通，2#三相绕组的CA相导通； 当功率开关管V5和V6开通，2#三相绕组的CB相导通。
权利要求
1.一种低稱合双余度永磁无刷直流电机,包括定子铁芯、永磁体、转子铁芯和转轴， 其特征在于对于槽数为12N的并联结构双余度永磁无刷直流电机，N ^ 1，其定子铁芯、永磁体、转子铁芯、转轴的结构与材料均保持不变，取定子铁芯上任意一槽为I号槽，按逆时针方向依次标记各槽为2、3、……12N-1U2N号槽，1#和2#两套定子的三相绕组分开，1#三相绕组嵌放在定子铁芯的I 6N号槽内，2#三相绕组则分别嵌放在定子铁芯的(6N+1) 12N号槽内；1#三相绕组和2#三相绕组分别通过与其相应的控制系统构成独立的通道，两套控制系统完全相同但相互独立；控制系统包括位置传感器、控制电路、驱动电路和逆变电路，位置传感器将转子铁芯的位置信息反馈给控制电路中的DSP，DSP在经过逻辑运算及处理后发出控制信号，通过驱动电路将控制信号放大，最终控制逆变电路中开关管的开通与关断； 所述1#三相绕组的A相绕组嵌放于定子铁芯的Zil和Zi2号槽内，Zil = 1、2、…、N，Zi2 =Zn+3N ；1#三相绕组的C相绕组嵌放于定子铁芯的Zjl和Zj2号槽内，Zjl = N+l、N+2、…、 2N，Zj2 = Z」i+3N ；1#三相绕组的B相绕组嵌放于定子铁芯的Zkl和Zk2号槽内，Zkl = 2N+1、 2N+2、...、3N，Zk2 = Zkl+3N ;将I号槽内1#三相绕组的A相绕组的输入端、(2N+1)号槽内 1#三相绕组的B相绕组的输入端、5N号槽内的1#三相绕组的C相绕组的输入端分别接入与1#三相绕组相对应的1#控制系统的逆变电路，将4N号槽内1#三相绕组的A相绕组的输出端、6N号槽内的1#三相绕组的B相绕组的输出端、(N+1)号槽内的1#三相绕组的C相绕组的输出端连接在一起，构成三相电枢绕组的连接端；所述2#三相绕组的A相绕组嵌放于定子铁芯的Zi3和Zi4号槽内，Zi3 = Zn+6N, Zi4 = Zi2+6N ；2#三相绕组的C相绕组嵌放于定子铁芯的Zj3和Zj4号槽内，Zj3 = ZjMN, Zj4 = ZJ2+6N ；2#三相绕组的B相绕组嵌放于定子铁芯的Zk3和Zk4号槽内，Zk3 = Zkl+6N, Zk4 = Zk2+6N;将(6N+1)号槽内2#三相绕组的A相绕组的输入端、(8N+1)号槽内2#三相绕组的 B相绕组的输入端、IlN号槽内2#三相绕组的C相绕组的输入端分别接入与2#三相绕组相对应的2#控制系统的逆变电路，将ION号槽内2#三相绕组的A相绕组的输出端、12N号槽内的2#三相绕组的B相绕组的输出端、(7N+1)号槽内2#三相绕组的C相绕组的输出端连接在一起，构成三相电枢绕组的连接端。
全文摘要
本发明公开了一种低耦合双余度永磁无刷直流电机，对于槽数为12N的并联结构双余度永磁无刷直流电机，取定子铁芯上任意一槽为1号槽，1#三相绕组嵌放在定子铁芯的1～6N号槽内，2#三相绕组则分别嵌放在定子铁芯的(6N+1)～12N号槽内；1#三相绕组和2#三相绕组分别通过与其相应的控制系统构成独立的通道，两套控制系统完全相同但相互独立。本发明将结构简单的并联结构双余度永磁无刷直流电机相互重叠嵌放的两套绕组分开，绕组在空间上的隔离大大降低了两套绕组间的耦合度，减小了绕组间互感的影响，从而改善了电机的控制性能，并进一步提高了系统的可靠性。
文档编号H02K1/16GK102594077SQ20121007621
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月21日 优先权日2012年3月21日
发明者周勇, 周奇勋, 周广伟, 张松松, 张玉峰, 李声晋, 李鑫, 杨静伟, 江修立, 王严伟, 魏世克 申请人:西北工业大学