270V高功率密度的五相容錯直流電機的制作方法

本發明涉及一種無刷直流電機，特別是涉及了一種270v高功率密度的五相容錯直流電機。

背景技術：

隨著f-35、b787飛機的先后誕生，多電飛機相比于傳統飛機，實質上的改變是用電力系統部分取代了次級功率系統。b787利用轉換放大單元將230v交流電轉化成270v直流電源，為電機泵等負載供電；f-22和f-35飛機則直接采用了270v直流供電系統。電源系統電壓水平的提高降低了電流幅值，從而減小了線纜截面積和損耗。直流供電系統相比于三相交流供電系統，可以使得線纜數目減小，進一步降低了線纜重量。

電源系統的變化對電機泵驅動電機的選擇和控制又有很大的影響，相與相之間的電、機械、磁和熱均有良好的絕緣性；有高的轉矩/重量比和高的轉矩/電流比；相電感高(對永磁電機來說)；全轉速范圍內的的高效率。

相與相之間電、機械、磁和熱的絕緣性，使電機有較高的可靠性，在運行過程中，不易出現短路等現象，并使電機擁有較高的容錯性，在某項短路后不會影響其他相工作；高的轉矩/質量比實質上是使電機擁有了高的功率密度，而高的轉矩/電流比意味著電機的靈敏度很高，加減速快，且所需的控制信號小；全轉速范圍的高效率運行，使飛機上的能源可以盡可能的被充分利用。

根據多電飛機對飛機電源系統所提出的要求，最終決定采用永磁無刷直流電機作為電機泵的驅動電機。永磁無刷直流電機控制相比永磁同步電機相比較為簡單，不需要高精度的傳感器和復雜的控制器，在一定程度上提高了可靠性，加之較高的功率密度使得其更適用于電機泵驅動電機。

技術實現要素：

鑒于目前多電飛機的發展迅猛，根據多電飛機對飛機電源系統所提出的要求以永磁無刷直流電機作為電機泵的驅動電機，本發明提出了一種270v高功率密度的五相容錯直流電機，可以用于±270v的dc多電飛機電源系統，且具有高冗余性、高功率密度、低轉矩脈動和低噪聲等優點。

本發明的技術方案如下：

本發明包括擋油套、殼體和裝在殼體內的轉子、定子、轉軸、永磁體、保護套和繞組，轉子和轉軸同軸固定連接，轉子位于里層，定子套裝在轉子外，轉子外表面設有永磁體并套有保護套，保護套防止電機高速旋轉時永磁體掙脫轉子。永磁體通過保護套固定在轉子外表面；定子上開有梯形槽，相鄰梯形槽之間繞制有繞組，定子、轉子和轉軸一起被殼體封裝在內；所述殼體外表面開有雙螺紋的通油槽，殼體外用擋油套封裝，殼體和擋油套之間設有油液，油液在通油槽內流動使得電機以殼體通油的方式冷卻。

電機控制器安裝在電機軸尾，與電機一起被封裝在通油殼體內。

所述的永磁體以轉子表貼式結構布置置于轉子表面，使定子與轉子之間的氣隙磁通密度關于電機電角度呈梯形分布。

所述永磁體包括沿轉軸周向間隔均布布置的六列永磁條，每列永磁條沿轉軸軸向貼附在轉子外表面，六列永磁條組成三對磁極；所述定子上沿周向間隔均布地開有十個梯形槽，十個梯形槽在每兩個相鄰的梯形槽之間繞制繞組形成五相繞組，各相繞組分別隔齒繞制地纏繞在梯形槽的槽齒上；所述殼體一端面的周圍邊緣沿周向間隔均布安裝五個分別與五相繞組對應的霍爾傳感器，霍爾傳感器位于各自對應的繞組中央的徑向方向。

本發明的電機共五相繞組，分別繞制，其相與相之間具有良好的電、磁、熱絕緣性，且即便某相斷路，也可以輸出正常轉矩，有較高的冗余性。并且，本發明電機的每極每相槽數為分數，可以提高槽滿率進而提高電機效率，還有利于降低齒槽轉矩和轉矩波動。

本發明利用五個霍爾傳感器準確檢測轉子所處電周期的轉動狀態位置，并將檢測信號傳輸給外部控制器，控制器根據轉子所處電周期的狀態位置對定子的繞組用對應的控制電壓和控制電流控制。

所述定子的各相繞組均連接有h橋功率驅動電路，h橋功率驅動電路均與外部電機驅動器連接，外部電機驅動器對各相分別用一個h橋功率驅動電路進行控制，繞組與其連接的h橋功率驅動電路發生故障不會通過中點電壓影響到其他相，保證各相之間實現電解耦。

所述的轉軸一端安裝有用于采集電機轉子位置和速度信號的旋轉變壓器。

所述定子的繞組上設有用于檢測定子繞組溫度的集成溫度探頭，集成溫度探頭貼繞組安裝。

通過本發明特定計算設計后的電機結構，使電機能夠在額定轉速10000rpm正反轉；通過對驅動控制器的設計，使其能夠配合±270vdc電源系統使用；在永磁體等材料選擇上，使電機能夠工作在-55～135℃的環境下。

本發明由于電機有10個槽、6個磁極和5相繞組，每極每相槽數為分數，構成了分數槽繞組，分數槽繞組可以提高槽滿率進而提高電機效率，還有利于降低齒槽轉矩和轉矩波動。

本發明設計的270vdc直流智能電機，具有高冗余性、高功率密度、優良的動態性能、低轉矩脈動和低噪聲的優點，可以廣泛的應用于航空航天、機器人和兵器裝備等領域，其優勢主要體現在以下幾個方面：

(1)該直流智能電機是基于270vdc直流電源系統設計的，可以工作在-55～135℃的惡劣環境下，具有高功率密度和高可靠性；

(2)該電機利用低壓液壓油冷卻，冷卻效率高，如果與高轉速的泵組合使用，會大大提高組合件的功率密度和效率；

(3)電機繞組為單層集中式定子繞組，加上電機槽極數組合為分數槽，二者結合可以提高槽滿率進而提高電機效率，抑制相間短路，提高電機可靠性，還有利于降低齒槽轉矩和轉矩波動；

(4)該電機由5個霍爾集成電路監測轉子所處狀態，并用1個旋轉變壓器測轉子絕對位置和運行速度，使驅動器對電機驅動電流的控制更加準確；

(5)驅動器用五組h橋功率驅動電路對五相繞組分別進行控制，這保證了電機各相之間的電解耦，即某一相斷路故障不會通過中點電壓影響到其他相，大大提高了電機運行可靠性、冗余性。

附圖說明

圖1是本發明主要結構圖；

圖2是圖1的軸向剖面視圖；

圖3是殼體的結構圖。

圖4是五相的h橋功率驅動電路圖。

圖中：1、轉子，2、永磁體，3、定子，4、擋油套，5、殼體，6、保護套，7、轉軸，8、轉子擋板，9、繞組，10、霍爾傳感器，11、通油槽。

具體實施方式

下面結合附圖1到圖4和具體實施例對本發明作進一步說明。

如圖1所示，本發明具體實施包括擋油套4、殼體5和裝在殼體5內的轉子1、定子3、轉軸7、永磁體2、保護套6和繞組9，轉子1和轉軸7同軸固定連接，轉子1位于里層，定子3套裝在轉子1外，轉子1外表面設有永磁體2并套有保護套6，永磁體2通過保護套6固定在轉子1外表面；定子3上開有梯形槽，相鄰梯形槽之間繞制有繞組9，定子3、轉子1、轉軸7和驅動器一起被殼體5封裝在內；如圖3所示，殼體5外表面開有雙螺紋的通油槽11，殼體5外用擋油套4封裝，殼體5和擋油套4之間設有油液，油液在通油槽11內流動使得電機以殼體通油的方式冷卻。

轉子擋板8連接在保護套6的兩個端面，保護套6用于防止電機高速旋轉時，永磁體2徑向掙脫轉子1。轉子擋板8用于對轉子1、永磁體2和轉子保護套6進行軸向固定，防止轉子組件軸向掙脫。

如圖2所示，永磁體2以轉子表貼式結構布置置于轉子2表面，使定子1與轉子2之間的氣隙磁通密度關于電機電角度呈梯形分布，包括沿轉軸7周向間隔均布布置的六列永磁條，轉子表貼式結構從電機橫截面觀察，轉子表面貼有6片均勻分布的徑向瓦片形永磁條，每塊永磁條沿轉軸7軸向貼附在轉子1外表面布置，相鄰永磁條間設有極間隔磁條以方便永磁條安裝，六列永磁條組成三對磁極。永磁體采用徑向充磁，利于保持電機氣隙磁通密度處處相同。

定子3上沿周向間隔均布地開有十個梯形槽，十個梯形槽在每兩個相鄰的梯形槽之間繞制繞組9形成五相繞組，各相繞組9分別隔齒繞制地纏繞在梯形槽的槽齒上，隔齒繞制形成單層集中式定子繞組。

所述殼體5一端面的周圍邊緣沿周向間隔均布安裝五個分別與五相繞組9對應的霍爾傳感器10，霍爾傳感器10位于各自對應的繞組9中央的徑向方向。

霍爾傳感器放在電機轉軸的軸尾五個固定位置，根據五個霍爾傳感器輸出信號的組合配以對應真值表，可以檢測電機處在電周期的哪個狀態s1～s10。

如圖4所示，定子3的各相繞組9均連接有h橋功率驅動電路，h橋功率驅動電路均與外部電機驅動器連接。

轉軸7一端安裝有用于采集電機轉子1位置和速度信號的旋轉變壓器，能夠用來檢測電機運行過程中轉子的實時位置及每相感應電動勢是否過零點。

定子3的繞組9上設有用于檢測定子繞組9溫度的集成溫度探頭，集成溫度探頭貼繞組9安裝，用以電機故障檢測。

電機加工調試時，圖1中所有組件及其配件約合20.6kg，而額定轉速為10000rpm，額定扭矩為18n·m，即額定功率為19kw，功率密度約為0.95kw/kg；穩定運行時，電機齒槽轉矩脈動頻率約為5000hz，轉速基頻約為167hz，轉矩脈動約為轉速基頻的30倍，因此轉矩脈動可以被有效濾除；電機啟動時間為0.4s～0.6s。

本發明的實施例及其工作過程是：

電機運行時，利用五個霍爾傳感器10準確檢測轉子1所處電周期的狀態位置，并將檢測信號傳輸給外部控制器，控制器根據轉子1所處電周期的狀態位置對定子3的繞組9用對應的控制電壓和控制電流控制。

將每個機械周期分為三個相同的電周期，每個電周期對應120°機械角，并被分為10個狀態s1～s10，根據霍爾集成電路判斷的電機所處狀態數，控制驅動器為每相繞組通入對應的驅動電流，使電機輸出連續轉矩。

每個霍爾傳感器10會根據檢測到的永磁體2電磁感應強度，輸出1和0兩個數字量。根據五個霍爾傳感器10(a、b、c、d、e)在同一時刻共同輸出的一組數字量，可以判斷出轉子1所處的狀態數。如：(a、b、c、d、e)輸出值為(1、0、0、1、1)時，可以判斷電機處于s1狀態；當輸出值為(1、0、0、0、1)時，電機處于s2狀態，因此10個狀態均可根據五個霍爾傳感器10的輸出值得到識別。

電周期的各狀態s1～s10具體是：電機轉軸7從初始位置起，在轉過0～120°完整的電周期范圍內，以0～12°為s1、12°～24°為s2、24°～36°為s3、36°～48°為s4、48°～60°為s5、60°～72°為s6、72°～84°為s7、84°～96°為s8、96°～108°為s9、108°～120°為s10。以后每個電周期都按照這個規律進行狀態編碼。

具體實施中外部的電機驅動器安裝在電機尾部，電機驅動器用五組h橋功率驅動電路對五相繞組分別進行控制，這保證了電機各相之間的電解耦，即某一相斷路故障不會通過中點電壓影響到其他相的工作，使得本發明電機仍然能正常工作。

上述具體實施方式用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護范圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護范圍。