專(zhuān)利名稱(chēng)：3相12/11極永磁開(kāi)關(guān)磁鏈電機(jī)及其短路電流抑制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種容錯(cuò)電機(jī)，尤其涉及一種3相12/11極永磁開(kāi)關(guān)磁鏈電機(jī)及其短路電流 抑制方法，屬于永磁容錯(cuò)電機(jī)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
作為近空間飛行器動(dòng)力系統(tǒng)的核心部件，起動(dòng)/發(fā)電機(jī)應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、效率 高、使用安全等優(yōu)點(diǎn)。從起動(dòng)發(fā)電機(jī)的類(lèi)型來(lái)看，轉(zhuǎn)子上無(wú)永磁體，無(wú)繞組，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 堅(jiān)固、成本低、工作可靠、控制靈活、運(yùn)行效率高、容錯(cuò)能力強(qiáng)，具有高溫和高速適應(yīng)性的 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在該領(lǐng)域極具競(jìng)爭(zhēng)力，自上世紀(jì)八十年代末以來(lái)一直成為美國(guó)在該領(lǐng)域的主要 研究對(duì)象。美國(guó)Kentucky大學(xué)和GE、 Sundstrand公司對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻起動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行了大量的 研究與試驗(yàn)，相繼研制出了 30kW、 250kW、 375kW、 500kW的開(kāi)關(guān)磁阻起動(dòng)發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)速 最高達(dá)到48000轉(zhuǎn)/分。國(guó)內(nèi)南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)針對(duì)航空飛行器也相繼研制出 了小功率的原理樣機(jī)(不超過(guò)7.5kW)。
然而開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)屬于自勵(lì)磁電機(jī)，并且是半周期工作，電機(jī)的功率密度和效率有待于 進(jìn)一步提高，且其振動(dòng)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(cuò)能力的永磁型起動(dòng)發(fā)電機(jī)來(lái)取代開(kāi)關(guān)磁阻起動(dòng)發(fā)電機(jī)也是科技進(jìn)步的必然要求，也是該領(lǐng) 域發(fā)展的必然趨勢(shì)。
永磁電機(jī)在效率、功率密度、轉(zhuǎn)矩密度方面具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，但其永磁體置于轉(zhuǎn)子上， 大功率/寬轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)存在諸如轉(zhuǎn)子防護(hù)和散熱、永磁體退磁、磁場(chǎng)難以調(diào)節(jié)和故障時(shí)滅磁困 難等問(wèn)題，導(dǎo)致目前經(jīng)典的永磁同步電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)在起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用中受到制約。
定子永磁式永磁電機(jī)的出現(xiàn)為新型起動(dòng)發(fā)電機(jī)的研究開(kāi)辟了通路。目前定子永磁式永磁 電機(jī)主要包括雙凸極永磁電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁鏈電機(jī)、磁通反相永磁電機(jī)。這其中又以開(kāi)關(guān)磁鏈電 機(jī)轉(zhuǎn)矩密度和功率密度最高。開(kāi)關(guān)磁鏈電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)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(yīng)使得電機(jī)在采用矯頑力較低的永磁體時(shí)也可獲得較高 的氣隙磁密。(3)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于高速運(yùn)行。(4)永磁體受電樞磁場(chǎng)影響小，發(fā)生短路 故障時(shí)，永磁體發(fā)生不可逆退磁的機(jī)率極小，而弱磁能力又優(yōu)于轉(zhuǎn)子永磁式電機(jī)。(5)反電 勢(shì)正弦度較高。(6)電機(jī)采用集中式繞組，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，端部銅損小，電機(jī)效率高。上述的優(yōu)越性能為開(kāi)關(guān)磁鏈電機(jī)在起動(dòng)發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。
從容錯(cuò)性能的角度來(lái)看，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)一相繞組出現(xiàn)故障時(shí)，電機(jī)隨具有一定的容錯(cuò)性。 但其不可避免的出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，降低其容錯(cuò)性能。Newscastle大學(xué)的Atkinson. D. J 、 B.C. Mecrow教授和Shefield大學(xué)的Z. Q. Zhu教授、D. Howe教授則從系統(tǒng)(即電機(jī)和控制融為 一體的系統(tǒng))的卨度開(kāi)展永磁容錯(cuò)電機(jī)的研究，并將該電機(jī)首先應(yīng)用于航空電力作動(dòng)系統(tǒng)。 永磁容錯(cuò)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與一般的永磁無(wú)刷電機(jī)相似，但它不是三相電機(jī)，而是多相電機(jī)， 定子的槽口數(shù)與極對(duì)數(shù)相近，同時(shí)電樞繞組都是采用單層隔齒繞制的方式，因此永磁容錯(cuò)電 機(jī)除了具有一般永磁電機(jī)的特點(diǎn)外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)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(duì)轉(zhuǎn)子永磁式的容錯(cuò)電機(jī)仍 然沒(méi)有很好的解決諸如轉(zhuǎn)子防護(hù)和散熱、永磁體退磁、磁場(chǎng)調(diào)節(jié)和故障時(shí)滅磁等問(wèn)題。這樣 一來(lái)，開(kāi)展永磁容錯(cuò)丌關(guān)磁鏈電機(jī)的研究尤顯必要了。
若仿照永磁容錯(cuò)電機(jī)，在永磁開(kāi)關(guān)磁鏈電機(jī)的每?jī)蓚€(gè)定子齒之間設(shè)置短路齒(短路齒由 硅鋼片疊壓而成)，由于永磁開(kāi)關(guān)磁鏈電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為雙凸極結(jié)構(gòu)，定、轉(zhuǎn)子直接的磁導(dǎo)隨著 轉(zhuǎn)子位置變化而變化，在一些轉(zhuǎn)子角度，相與相之間互感較大。
本發(fā)明的目的就是在保證永磁開(kāi)關(guān)磁鏈電機(jī)功率密度高、轉(zhuǎn)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(yōu)點(diǎn)下，提出一種能抑制短路電流、磁隔離能力強(qiáng)、 定位力矩小的永磁開(kāi)關(guān)磁鏈容錯(cuò)電機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的提出一種能抑制短路電流、磁隔離能力強(qiáng)、定位力矩小的永磁開(kāi)關(guān)磁鏈電 機(jī)及其短路電流抑制方法。
一種3相12/11極永磁開(kāi)關(guān)磁鏈電機(jī)，包括凸極定子、電樞繞組和凸極轉(zhuǎn)子，其特征在
于
定子凸極為U型定子鐵塊，每?jī)蓚€(gè)U型定子鐵塊之間的空隙依次間隔嵌入條形永磁體和 條形鋁塊，上述條形永磁體和條形鋁塊長(zhǎng)度相等為U型定子鐵塊的U型臂長(zhǎng)，與永磁體相連 的兩個(gè)U型臂上纏繞定子繞組即第一線(xiàn)圈至第六線(xiàn)圈。
所述的3相12/11極永磁丌關(guān)磁鏈電機(jī)的短路電流抑制方法，其特征在于采用所述3 相12/11極永磁開(kāi)關(guān)磁鏈電機(jī)減少條形永磁體數(shù)量、降低永磁體矯頑力以及增加電機(jī)繞組匝 數(shù)，使得即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，提高電機(jī)抑制短路電流的 能力，式(1)中，^表示線(xiàn)圈的空載永磁磁通，iV表示每匝線(xiàn)圈匝數(shù)，丄表示單匝線(xiàn)圈的電
感，r表示電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，《^表示每相繞組的空載永磁磁通幅值。
與傳統(tǒng)3相12/10永磁開(kāi)關(guān)磁鏈電機(jī)相比，條形永磁體數(shù)量減半，可以降低電機(jī)定位力 矩的幅值和頻率；減少條形永磁體數(shù)量，空載永磁磁鏈幅值減小，轉(zhuǎn)矩電流安匝增大，繞組 電感與額定電流乘積大于等于繞組空載永磁磁鏈，提高電機(jī)抑制短路電流的能力。
與永磁體相連的兩個(gè)U型臂上纏繞定子繞組，利用永磁開(kāi)關(guān)磁鏈容錯(cuò)電機(jī)的繞組互補(bǔ)性 優(yōu)勢(shì)，提高反電勢(shì)正弦度，繞組1與繞組4串聯(lián)構(gòu)成A相繞組，繞組2與繞組5串聯(lián)構(gòu)成B 相繞組，繞組3與繞組6串聯(lián)構(gòu)成C相繞組，轉(zhuǎn)子齒數(shù)設(shè)置為ll。
本發(fā)明在充分利用永磁開(kāi)關(guān)磁鏈電機(jī)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(chǎng)影響小，發(fā)生短路故障時(shí)，永磁體發(fā)生不可逆退磁的機(jī)率極小) 的基礎(chǔ)上，提出鋁條隔離式3相12/11極永磁開(kāi)關(guān)磁鏈容錯(cuò)電機(jī)，電機(jī)互感小，磁隔離能力 強(qiáng)，電機(jī)電感大，抑制短路電流能力強(qiáng)，電機(jī)定位力矩的幅值和頻率減小，反電勢(shì)正弦度較 高。該電機(jī)將在近空間飛行器、全電多電飛機(jī)等對(duì)起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)容錯(cuò)性能較高的領(lǐng)域有廣泛 的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)截面示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)名稱(chēng)1、條形永磁體，2、 U型定子鐵塊，3、凸極轉(zhuǎn)子，4、條形鋁塊，線(xiàn)圈l -線(xiàn)圈6均為電樞繞組的集中電樞線(xiàn)圈；圖中條形永磁體上的箭頭表示勵(lì)磁方向。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示， 一種3相12/11極永磁開(kāi)關(guān)磁鏈電機(jī)，包括凸極定子、電樞繞組、勵(lì)磁繞
組和凸極轉(zhuǎn)子，其中本發(fā)明的目的提出一種能抑制短路電流、磁隔離能力強(qiáng)、定位力矩小
的永磁開(kāi)關(guān)磁鏈容錯(cuò)電機(jī)。
一種3相12/11極永磁開(kāi)關(guān)磁鏈電機(jī)，包括凸極定子、電樞繞組和凸極轉(zhuǎn)子。 上述凸極定子齒數(shù)為12，即包括12個(gè)U型定子鐵塊、每?jī)蓚€(gè)U型定子鐵塊之間的空隙按奇偶數(shù)依次嵌入6個(gè)條形永磁體和6條形鋁塊，上述條形永磁體和條形鋁塊長(zhǎng)度相等，為 U型定子U型臂長(zhǎng)，與永磁體相連的兩個(gè)U型臂上纏繞定子繞組，條形鋁塊產(chǎn)生的高磁阻磁 路起隔磁作用，降低永磁開(kāi)關(guān)磁鏈容錯(cuò)電機(jī)各相之間的互感。
與傳統(tǒng)3相12/10永磁開(kāi)關(guān)磁鏈電機(jī)相比，條形永磁體數(shù)量減半，可以降低電機(jī)定位力 矩的幅值和頻率。
當(dāng)線(xiàn)圈l——線(xiàn)圈6中任一線(xiàn)圈發(fā)生短路故障，短路電流々表達(dá)式如(1)所示.-
/,=上 (1) 'W丄
式(1)中，-表示線(xiàn)圈的空載永磁磁通，iV表示每匝線(xiàn)圈匝數(shù)，丄表示單匝線(xiàn)圈的電感。 額定電流/￡表達(dá)式如(2)所示
式(2)中，r表示電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，《M表示每相繞組的空載永磁磁通幅值，W表示每 個(gè)線(xiàn)圈匝數(shù)。
當(dāng)電機(jī)的額定電流和額定轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，減少條形永磁體數(shù)量以及降低永磁體矯頑力，則 線(xiàn)圈空載永磁磁通-與每相繞組的空載永磁磁通幅值《M均減小，電機(jī)的每個(gè)線(xiàn)圈匝數(shù)增大，
短路電流 減小，繞組電感與額定電流乘積大于等于繞組空載永磁磁鏈，提高電機(jī)抑制短路
電流的能力。
與永磁體相連的兩個(gè)U型臂上纏繞定子繞組，利用永磁開(kāi)關(guān)磁鏈容錯(cuò)電機(jī)的繞組互補(bǔ)性 優(yōu)勢(shì)，提高反電勢(shì)正弦度，繞組1與繞組4串聯(lián)構(gòu)成A相繞組，繞組2與繞組5串聯(lián)構(gòu)成B 相繞組，繞組3與繞組6串聯(lián)構(gòu)成C相繞組，轉(zhuǎn)子齒數(shù)設(shè)置為ll。
權(quán)利要求
1、一種3相12/11極永磁開(kāi)關(guān)磁鏈電機(jī)，包括凸極定子、電樞繞組和凸極轉(zhuǎn)子(3)，其特征在于定子凸極為U型定子鐵塊，每?jī)蓚€(gè)U型定子鐵塊之間的空隙依次間隔嵌入條形永磁體和條形鋁塊，上述條形永磁體和條形鋁塊長(zhǎng)度相等為U型定子鐵塊的U型臂長(zhǎng)，與永磁體相連的兩個(gè)U型臂上纏繞定子繞組即第一線(xiàn)圈(1)至第六線(xiàn)圈(6)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的3相12/11極永磁開(kāi)關(guān)磁鏈電機(jī)，其特征在于所述3相繞組 的結(jié)構(gòu)如下第一線(xiàn)圈(1)與線(xiàn)圈第四(4)串聯(lián)構(gòu)成A相繞組，第二線(xiàn)圈(2)與第五線(xiàn)圈(5)串聯(lián)構(gòu)成B相繞組，第三線(xiàn)圈(3)與第六線(xiàn)圈(6)串聯(lián)構(gòu)成C相繞組。
3、 一種基于權(quán)利要求1或2所述的3相12/11極永磁開(kāi)關(guān)磁鏈電機(jī)的短路電流抑制方法，其特征在于采用所述3相12/11極永磁開(kāi)關(guān)磁鏈電機(jī)減少條形永磁體數(shù)量、降低永磁體矯頑力以及增加電機(jī)繞組匝數(shù)，使得//=上4=^~^^ (1) 厄 昏U^即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，提高電機(jī)抑制短路電流的 能力，式(1)中，^表示線(xiàn)圈的空載永磁磁通，7V表示每匝線(xiàn)圈匝數(shù)，丄表示單匝線(xiàn)圈的電感，r表示電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，《雙表示每相繞組的空載永磁磁通幅值。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種3相12/11極永磁開(kāi)關(guān)磁鏈電機(jī)及其短路電流抑制方法，屬永磁容錯(cuò)電機(jī)。包括凸極定子、電樞繞組和凸極轉(zhuǎn)子，定子凸極為U型定子鐵塊，每?jī)蓚€(gè)U型定子鐵塊之間的空隙依次間隔嵌入條形永磁體和條形鋁塊，上述條形永磁體和條形鋁塊長(zhǎng)度相等為U型定子鐵塊的U型臂長(zhǎng)，與永磁體相連的兩個(gè)U型臂上纏繞定子繞組即第一線(xiàn)圈至第六線(xiàn)圈。本發(fā)明所述方法采用所述3相12/11極永磁開(kāi)關(guān)磁鏈電機(jī)減少條形永磁體數(shù)量、降低永磁體矯頑力以及增加電機(jī)繞組匝數(shù)，使得短路電流小于額定電流。本發(fā)明在維持永磁開(kāi)關(guān)磁鏈電機(jī)功率密度高、固有可靠性高的基礎(chǔ)上，降低各相之間的互感減小各相之間的磁耦合，提高繞組電感以抑制短路電流，從而提高電機(jī)的容錯(cuò)能力。
文檔編號(hào)H02K1/12GK101610007SQ20091018139
公開(kāi)日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2009年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月15日
發(fā)明者宇 王, 王曉琳, 鄧智泉 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)