專利名稱：多齒容錯永磁磁通切換電機及其容錯方法
技術領域：
本發明涉及一種容錯電機及方法，尤其涉及一種多齒容錯永磁磁通切換電機及其
容錯方法，屬于永磁容錯電機領域。
背景技術：
起動/發電機應具有結構簡單、工作可靠、效率高、使用安全等優點。從起動發電 機的類型來看，轉子上無永磁體，無繞組，具有結構簡單、堅固、成本低、工作可靠、控制靈 活、運行效率高、容錯能力強，具有高溫和高速適應性的開關磁阻電機在該領域極具競爭 力，自上世紀八十年代末以來一直成為美國在該領域的主要研究對象。美國Kentucky大 學和GE、 Sundstrand公司對開關磁阻起動發電機進行了大量的研究與試驗，相繼研制出了 30kW、250kW、375kW、500kW的開關磁阻起動發電機，轉速最高達到48000轉/分。國內南京 航空航天大學、西北工業大學針對航空飛行器也相繼研制出了小功率的原理樣機(不超過 7. 5kW)。 然而開關磁阻電機屬于自勵磁電機，并且是半周期工作，電機的功率密度和效率 有待于進一步提高，且其振動和噪聲也是其固有的缺陷，因此研究一種高效率、高功率密 度、高容錯能力的永磁型起動發電機來取代開關磁阻起動發電機也是科技進步的必然要 求，也是該領域發展的必然趨勢。 永磁電機在效率、功率密度、轉矩密度方面具有相當的優勢，但其永磁體置于轉子 上，大功率/寬轉速運行時存在諸如轉子防護和散熱、永磁體退磁、磁場難以調節和故障時 滅磁困難等問題，導致目前經典的永磁同步電機、無刷直流電機在起動/發電系統應用中 受到制約。 定子永磁式永磁電機的出現為新型起動發電機的研究開辟了通路。目前定子永磁 式永磁電機主要包括雙凸極永磁電機、磁通切換電機、磁通反相永磁電機。這其中又以磁通 切換電機轉矩密度和功率密度最高。磁通切換電機的優點總結如(l)永磁體置于定子，易 于冷卻，不受離心力。(2)特有的"聚磁"效應使得電機在采用矯頑力較低的永磁體時也可 獲得較高的氣隙磁密。(3)轉子結構簡單，易于高速運行。(4)永磁體受電樞磁場影響小， 發生短路故障時，永磁體發生不可逆退磁的機率極小，而弱磁能力又優于轉子永磁式電機。 (5)反電勢正弦度較高。(6)電機采用集中式繞組，結構簡單，端部銅損小，電機效率高。上 述的優越性能為磁通切換電機在起動發電領域的應用創造了條件。 從容錯性能的角度來看，開關磁阻電機一相繞組出現故障時，電機隨具有一定的 容錯性。但其不可避免的出現轉矩波動，降低其容錯性能。Newscastle大學的Atkinson. D. J、 B. C. Mecrow教授和Shef ield大學的Z. Q. Zhu教授、D. Howe教授則從系統(即電機和 控制融為一體的系統)的高度開展永磁容錯電機的研究，并將該電機首先應用于航空電力 作動系統。 永磁容錯電機的結構與一般的永磁無刷電機相似，但它不是三相電機，而是多相 電機，定子的槽口數與極對數相近，同時電樞繞組都是采用單層隔齒繞制的方式，因此永磁
3容錯電機除了具有一般永磁電機的特點外，還具有以下優點各相繞組之間具有熱隔離、磁 隔離、電氣隔離的能力，每相繞組具有抑制短路電流能力。然而目前針對轉子永磁式的容錯 電機仍然沒有很好的解決諸如轉子防護和散熱、永磁體退磁、磁場調節和故障時滅磁等問 題。這樣一來，開展永磁容錯磁通切換電機的研究尤顯必要了 。 隔齒勵磁型磁通切換電機雖然實現了電機定子繞組的熱隔離、電磁隔離和磁隔 離，但其空載永磁磁鏈小與電機的自感L比值較大，即短路電流if較大。要使得短路電流 if小于額定電流，必須大大降低永磁體剩磁和增加繞組匝數，導致電機的功率密度和效率 較低。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術的缺陷，在保證永磁磁通切換電機功率密度高、轉 矩密度高、固有可靠性高(永磁體置于定子，散熱好，不受離心力)的優點下，提出一種空載 永磁磁鏈小與電機的自感L比值較小、磁隔離能力強、定位力矩小的永磁磁通切換容錯電 機及其容錯方法。 多齒容錯永磁磁通切換電機，包括凸極定子、電樞繞組、凸極轉子，其特征在于
定子凸極為E型定子鐵塊，每兩個E型定子鐵塊之間的空隙依次嵌入條形永磁體， 上述條形永磁體相連的兩個E型臂上纏繞定子繞組即第一線圈至第六線圈。
所述的多齒容錯永磁磁通切換電機，其特征在于所述E型定子鐵塊的隔磁齒為 "Y"型結構，定子齒數為條形永磁體個數的4倍；轉子采用多齒結構，其齒數可為17或18或 19。
所述的多齒容錯永磁磁通切換電機的容錯方法，其特征在于采用所述多齒容錯
永磁磁通切換電機，減小相鄰線圈之間的互感和所述多齒容錯永磁磁通切換電機的定位力
矩，增加了所述電樞繞組自感，當所述多齒容錯永磁磁通切換電機在使用高矯頑力永磁體
時，無需大量增加電樞繞組匝數即可將短路電流if抑制在額定電流^以內
"上<"^^ (1) 即使得電樞繞組電感與額定電流的乘積大于等于電樞繞組空載永磁磁鏈，從而 提高所述多齒容錯永磁磁通切換電機的功率密度和效率， 式(1)中，小表示線圈的空載永磁磁通，N表示每匝線圈匝數，L表示單匝線圈的
電感，T表示電機的額定轉矩，小_表示每相繞組的空載永磁磁通幅值。 E型定子鐵塊的隔磁齒為"Y"型結構，增加了隔磁齒的磁路磁導，減小了電機的電
樞繞組相鄰線圈的互感。 本發明與隔齒勵磁型容錯永磁磁通切換電機相比，在電機體積、長徑比、電機繞組 匝數一致時，多齒容錯永磁磁通切換電機的空載永磁磁鏈小與電機的自感L比值大大減 小，即短路電流if大大減小。要將短路電流if抑制在額定電流^以內，多齒容錯永磁磁通 切換電機增加的繞組匝數比隔齒勵磁型容錯永磁磁通切換電機要少，這樣一來，電機的銅 損要小，效率要高。要保證電機的電壓一定，隔齒勵磁型容錯永磁磁通切換電機需進一步減
4小永磁體矯頑力，從而其功率密度、轉矩密度降低。 本發明在充分利用永磁磁通切換電機固有可靠性高(永磁體置于定子，易于冷 卻，不受離心力；永磁體受電樞磁場影響小，發生短路故障時，永磁體發生不可逆退磁的機 率極小)的基礎上，提出多齒容錯永磁磁通切換電機，其空載永磁磁鏈小與電機的自感L 比值要遠遠小于隔齒勵磁型容錯永磁磁通切換電機；電機的定、轉子多齒結構使得電機互 感小，磁隔離能力強，電機電感大，抑制短路電流能力強，電機定位力矩減小。該電機將在近 空間飛行器、全電多電飛機等對起動發電系統容錯性能較高的領域有廣泛的應用前景。
圖1是本發明的結構截面示意圖。 圖中標號名稱1、E型定子鐵塊，2、凸極轉子，3、條形永磁體，第一線圈——第六線 圈均為電樞繞組的集中電樞線圈；圖中條形永磁體上的箭頭表示勵磁方向。
具體實施例方式
如圖1所示，多齒容錯永磁磁通切換電機，包括凸極定子、電樞繞組、凸極轉子2， 其特征在于 定子凸極為E型定子鐵塊1，每兩個E型定子鐵塊之間的空隙依次嵌入條形永磁體
3，上述條形永磁體相連的兩個E型臂上纏繞定子繞組即第一線圈至第六線圈。 E型定子鐵塊的隔磁齒為"Y"型結構，使得定子齒數為條形永磁體個數的4倍。"Y"
型結構隔磁齒使得隔齒回路的磁導大大增加，減小了定子繞組相鄰線圈的互感。 轉子采用多齒結構，其齒數可為17或18或19。定、轉子多齒結構使得電機的電樞
繞組自感增加，同時減小電機的定位力矩。自感的增加使得電機的功率密度、轉矩密度、效
率提高，具體實施方式
如下 當線圈1——線圈6中任一線圈發生短路故障，短路電流if表達式如(1)所示
式(1)中，小表示線圈的空載永磁磁通，N表示每匝線圈匝數，L表示單匝線圈的
電感。額定電流^表達式如(2)所示
式(2)中，T表示電機的額定轉矩，小_表示每相繞組的空載永磁磁通幅值，N表 示每個線圈匝數。 當電機的額定電流和額定轉矩一定時，減少條形永磁體數量以及降低永磁體矯頑 力，則線圈空載永磁磁通小與每相繞組的空載永磁磁通幅值小，均減小，電機的每個線圈 匝數增大，短路電流if減小。 由于多齒容錯永磁磁通切換電機的電感較大，因此要使得繞組電感與額定電流乘 積大于等于繞組空載永磁磁鏈，需要增加的電機繞組匝數要遠遠少于隔齒勵磁型永磁磁通切換電機，從而多齒容錯永磁磁通切換電機的銅損和成本要低于隔齒勵磁型永磁磁通切換 電機。 由于多齒容錯永磁磁通切換電機增加的繞組匝數較少，那么保證電機額定電壓一 定，降低的電機永磁體矯頑力程度較小，從而隔齒勵磁型永磁磁通切換電機的功率密度、轉
矩密度要高。
權利要求
一種多齒容錯永磁磁通切換電機，包括凸極定子、電樞繞組、凸極轉子(2)，其特征在于定子凸極為E型定子鐵塊(1)，每兩個E型定子鐵塊之間的空隙依次嵌入條形永磁體(3)，上述條形永磁體相連的兩個E型臂上纏繞定子繞組即第一線圈至第六線圈。
2. 根據權利要求l所述的多齒容錯永磁磁通切換電機，其特征在于所述E型定子鐵 塊的隔磁齒為"Y"型結構，定子齒數為條形永磁體個數的4倍。
3. 根據權利要求l所述的多齒容錯永磁磁通切換電機，其特征在于所述凸極轉子(2) 采用多齒結構，其齒數為17或18或19。
4. 一種基于權利要求1所述的多齒容錯永磁磁通切換電機的容錯方法，其特征在于 采用所述多齒容錯永磁磁通切換電機，減小相鄰線圈之間的互感和所述多齒容錯永磁磁通 切換電機的定位力矩，增加了所述電樞繞組自感，當所述多齒容錯永磁磁通切換電機在使 用高矯頑力永磁體時，無需大量增加電樞繞組匝數即可將短路電流if抑制在額定電流i^以內服即使得電樞繞組電感與額定電流k的乘積大于等于電樞繞組空載永磁磁鏈，從而提高 所述多齒容錯永磁磁通切換電機的功率密度和效率，式(1)中，小表示線圈的空載永磁磁通，N表示每匝線圈匝數，L表示單匝線圈的電感， T表示電機的額定轉矩，小_表示每相繞組的空載永磁磁通幅值。
全文摘要
本發明公開了一種多齒容錯永磁磁通切換電機及其容錯方法，屬永磁容錯電機及方法。所述電機包括凸極定子、電樞繞組、凸極轉子。定子凸極為E型定子鐵塊，每兩個E型定子鐵塊之間的空隙依次嵌入條形永磁體，與條形永磁體相連的兩個E型臂上纏繞定子繞組即第一線圈至第六線圈。本發明方法采用所述多齒容錯永磁磁通切換電機，增加了所述電樞繞組自感，當所述多齒容錯永磁磁通切換電機在使用高矯頑力永磁體時，無需大量增加電樞繞組匝數即可將短路電流if抑制在額定電流iL以內。本發明可靠性高，永磁體受電樞磁場影響小，電機的定、轉子多齒結構使得電機互感小，磁隔離能力強，電機電感大，抑制短路電流能力強，電機定位力矩減小。
文檔編號H02K1/12GK101697431SQ20091018494
公開日2010年4月21日 申請日期2009年10月21日 優先權日2009年10月21日
發明者王宇, 王曉琳, 鄧智泉 申請人:南京航空航天大學;