一种容错电机用绕组结构及容错电机的制作方法

1.本发明涉及机电一体化技术领域，尤其是指一种容错电机用绕组结构及容错电机。


背景技术：

2.为了满足航空航天、电动汽车等领域对电机高可靠性、长寿命的需求，电机需要在满足较高的功率密度的同时具有较强的容错能力，以保证电机系统的可靠运行。容错电机系统在国外飞机中已经得到应用，大幅提高了飞机发动机的可靠性与安全性。
3.电机本体故障发生概率最高的是匝间短路和单相短路。对于同一台电机而言，根据电磁感应定律与电路原理，在高频下匝间短路电流要明显大于单相短路电流。另外，单相短路故障易于通过相电流进行检测，进而采取相应的故障保护措施，而匝间短路电流尽管较大，但对于整个相电流的影响并不明显，无法直接从端电流进行识别。因此，对于匝间短路电流的抑制与检测是相对困难的，通常需要采取特殊处理措施。例如，在专利文件cn114200303a中，公开了一种基于探测线圈组的故障检测系统，如图1所示，其中，利用多个磁场位置相同或相反的探测线圈正反串联形成的探测线圈组感应电机内的磁场变化并生成电压信号；根据电压信号对各类故障进行识别和定位，由此解决现有故障探测技术检测效率低、定位速度慢的技术问题。但是，该故障检测系统需要额外的探测线圈且引出线较多，还需要额外的逻辑处理电路，增加了电机系统的复杂程度。
4.在专利文件cn106230213a中，公开了一种定子匝间短路故障自动容错多相同步发电机，电枢绕组采用环形绕组，并将每相绕组按360
°
/m相带分布(m表示绕组相数)，如图2所示，其中，ii-1表示定子铁心，ii-2表示定子环形绕组，ii-3表示永磁体，ii-4表示转子铁心，ii-5表示转轴。但是，该结构绕组系数较低且需要较厚的铁心轭部，电机功率密度偏低。同时采用环形绕组的电机铜耗较大，电机效率较低。


技术实现要素：

5.为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中匝间短路故障检测与短路电流抑制的复杂程度高等技术问题
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种容错电机用绕组结构，包括线圈，所述线圈包括均匀分布于定子槽内的导体，并满足如下公式：
7.m＝n
×k8.其中，m为线圈匝数，n为定子槽内导体行数，k为定子槽内导体列数，m、k均为大于等于1的整数，n为偶数；
9.所述导体在定子槽内的排列分布满足如下：
[0010][0011]
在本发明的一种实施方式中，所述绕组结构为集中绕组或分布绕组。
[0012]
在本发明的一种实施方式中，所述绕组结构为单层绕组或双层绕组。
[0013]
在本发明的一种实施方式中，所述绕组结构发生匝间短路时，其短路绕组具有多匝。
[0014]
本发明还提供一种容错电机，包括：
[0015]
转子铁芯；
[0016]
永磁体，所述永磁体设于所述转子铁芯外表面；
[0017]
设置在所述转子铁芯外侧且与所述转子铁芯同轴设置的定子铁芯，所述定子铁芯包括呈环形的轭部以及径向延伸于所述轭部内侧的多个定子齿，相邻两个所述定子齿之间形成沿所述定子铁芯内表面轴向设置且环形均匀分布的定子槽以及所述的绕组结构。
[0018]
在本发明的一种实施方式中，所述定子铁芯与转子铁芯之间设有气隙。
[0019]
在本发明的一种实施方式中，所述转子铁芯由多层彼此绝缘的冷轧硅钢片沿轴向叠压而成。
[0020]
在本发明的一种实施方式中，所述永磁体采用可采用halbach磁钢阵列结构或spoke聚磁结构，这两种结构能有效增加电机磁负荷，从而实现电机的轻量化。
[0021]
在本发明的一种实施方式中，所述转子铁心、所述定子铁心均采用铁磁材料。
[0022]
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
[0023]
本发明所述的一种容错电机用绕组结构及容错电机，通过改变线圈中导体排布与连接顺序，当槽内相邻两匝线圈发生匝间短路时，实际的匝间电感由传统的单匝变为多匝，提高了匝间电感，进而减小了匝间短路电流；本发明的绕组结构发生匝间短路后，该相的总电流会明显增大，容易直接被相电流霍尔传感器识别，匝间短路故障易于识别，简化了故障检测电路与检测算法，该绕组结构适用与各类交流电机，有效提高了电机的容错性能。
附图说明
[0024]
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
[0025]
图1为现有技术的一种基于探测线圈组的故障检测系统。
[0026]
图2为现有技术的定子匝间短路故障自动容错多相同步发电机。
[0027]
图3为实施例2中提供的一种容错电机结构示意图。
[0028]
图4a为传统电机绕组结构与绕线方式示意图。
[0029]
图4b为传统电机绕组结构中导体连接示意图。
[0030]
图5a为实施例3中电机绕组结构与绕线方式示意图。
[0031]
图5b为实施例3中电机绕组结构中导体连接示意图示意图。
[0032]
说明书附图标记说明：
[0033]
11、定子齿；12、定子轭部；13、永磁转子；21-26、六相绕组；31-36、六个探测线圈；
[0034]
ii-1、定子铁心；ii-2、定子环形绕组；ii-3、永磁体；ii-4、转子铁心；ii-5、表示转轴；
[0035]
1、转子铁芯；2、永磁体；3、定子铁芯；4、线圈；5、绕组结构；6、导体。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0037]
本发明中，如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，其仅是为了便于描述本发明的技术方案，而不是指示或暗示所指的技术特征必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0038]
本发明中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，“大于”“小于”“超过”等理解为不包括本数；“以上”“以下”“以内”等理解为包括本数。在本发明的描述中，如果有描述到“第一”“第二”仅用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
[0039]
本发明中，除非另有明确的限定，“设置”“安装”“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接或能够互相通讯；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
[0040]
实施例1
[0041]
参照图5a-图5b所示，一种容错电机用绕组结构5，包括线圈4，所述线圈4包括均匀分布于定子槽内的导体6，并满足如下公式：
[0042]
m＝n
×k[0043]
其中，m为线圈匝数，n为定子槽内导体行数，k为定子槽内导体列数，m、k均为大于等于1的整数，n为偶数；
[0044]
所述导体在定子槽内的排列分布满足如下：
[0045][0046]
具体地，所述绕组结构为集中绕组或分布绕组，所述绕组结构为单层绕组或双层绕组。
[0047]
具体地，所述绕组结构发生匝间短路时，实际的匝间电感由传统的单匝变为多匝，提高了匝间电感，进而减小了匝间短路电流。
[0048]
实施例2
[0049]
参照图3所示，本实施例提供一种包括上述绕组结构容错电机，包括：
[0050]
转子铁芯1；
[0051]
永磁体2，所述永磁体2设于所述转子铁芯1外表面；
[0052]
设置在所述转子铁芯1外侧且与所述转子铁芯1同轴设置的定子铁芯3，所述定子铁芯3包括呈环形的轭部以及径向延伸于所述轭部内侧的多个定子齿，相邻两个所述定子齿之间形成沿所述定子铁芯3内表面轴向设置且环形均匀分布的定子槽。
[0053]
具体地，所述定子铁芯3与转子铁芯1之间设有气隙。
[0054]
具体地，所述转子铁芯1由多层彼此绝缘的冷轧硅钢片沿轴向叠压而成。
[0055]
具体地，所述永磁体2采用可采用halbach磁钢阵列结构或spoke聚磁结构，这两种结构能有效增加电机磁负荷，从而实现电机的轻量化。
[0056]
具体地，所述转子铁心1、所述定子铁3心均采用铁磁材料；并且绕组结构5可以通过3d打印技术制造，易于实现标准化与自动化。
[0057]
实施例3
[0058]
本实施案例所选电机为12槽10极永磁电机，电枢绕组采用单层分数槽集中绕组，定子槽内导体行数n为6，导体根数为1，即k为1线圈匝数m为6。
[0059]
即当n＝6，k＝1时，导体在定子槽内的排列分布为：
[0060][0061]
参照图4a-图5b所示，由于一个定子齿上有6匝线圈，传统结构中导体在槽内的排布顺序依次为#1#2#3#4#5#6，本实施案例采用#1#4#2#5#3#6交替排布方式，当槽内相邻两匝绕组发生短路故障时，传统绕组短路匝间串联匝数为1，对于本实施案例而言短路匝间串联匝数为3(#1与#4匝间短路)或2(#4与#2匝间短路)。由经典电路原理可知，在磁路磁阻不变的情况下，绕组电感与匝数成平方比。因此对于本实施案例而言，匝间短路时电路电感变大，在高频情况下，绕组阻抗大，对应的匝间短路电流降低。
[0062]
另一方面，本实施案例中，匝间短路的串联匝数变多，则与电源相连的相绕组总匝数变少，因此整个相绕组的电流会明显增加。该相电流可以直接由驱动器中的电流霍尔传感器识别，不需要额外增加检测电路。
[0063]
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种容错电机用绕组结构，其特征在于，包括线圈，所述线圈包括均匀分布于定子槽内的导体，并满足如下公式：m＝n
×
k其中，m为线圈匝数，n为定子槽内导体行数，k为定子槽内导体列数，m、k均为大于等于1的整数，n为偶数；所述导体在定子槽内的排列分布满足如下：2.根据权利要求1所述的一种容错电机用绕组结构，其特征在于，所述绕组结构为集中绕组或分布绕组。3.根据权利要求1所述的一种容错电机用绕组结构，其特征在于，所述绕组结构为单层绕组或双层绕组。4.根据权利要求1所述的一种容错电机用绕组结构，其特征在于，所述绕组结构发生匝间短路时，其短路绕组具有多匝。5.一种容错电机，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的容错电机用绕组结构。6.如权利要求5所述的容错电机，其特征在于，还包括：转子铁芯；永磁体，所述永磁体设于所述转子铁芯外表面；设置在所述转子铁芯外侧且与所述转子铁芯同轴设置的定子铁芯，所述定子铁芯包括呈环形的轭部以及径向延伸于所述轭部内侧的多个定子齿，相邻两个所述定子齿之间形成沿所述定子铁芯内表面轴向设置且环形均匀分布的定子槽。7.如权利要求6所述的容错电机，其特征在于，所述定子铁芯与转子铁芯之间设有气隙。8.如权利要求6所述的容错电机，其特征在于，所述转子铁芯由多层彼此绝缘的冷轧硅钢片沿轴向叠压而成。9.如权利要求6所述的容错电机，其特征在于，所述永磁体采用可采用halbach磁钢阵列结构或spoke聚磁结构。10.如权利要求6所述的容错电机，其特征在于，所述转子铁心、所述定子铁心均采用铁
磁材料。

技术总结
本发明涉及一种容错电机用绕组结构及容错电机。本发明包括转子铁芯；永磁体，所述永磁体设于所述转子铁芯外表面；设置在所述转子铁芯外侧且与所述转子铁芯同轴设置的定子铁芯，所述定子铁芯包括呈环形的轭部以及径向延伸于所述轭部内侧的多个定子齿，相邻两个所述定子齿之间形成沿所述定子铁芯内表面轴向设置且环形均匀分布的定子槽以及的绕组结构。本发明通过改变线圈中导体排布与连接顺序，当槽内相邻两匝线圈发生匝间短路时，实际的匝间电感由传统的单匝变为多匝，提高了匝间电感，进而减小了匝间短路电流；简化了故障检测电路与检测算法，该绕组结构适用与各类交流电机，有效提高了电机的容错性能。提高了电机的容错性能。提高了电机的容错性能。


技术研发人员：程颐 黄礼浩 王聪 陆南宏 赵元胜 苏浩
受保护的技术使用者：中国航发控制系统研究所
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/7/7