[发明专利]一种模块化双三相永磁电机及其绕组设计方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及电机领域，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。本发明适用于电动汽车、航空航天、船舶推进等要求高可靠性的电机系统。

背景技术

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。

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°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。

发明内容

本发明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，本发明采用的技术方案是：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。

具体地说，本发明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：

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。本发明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；

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；