[發明專利]一種高磁阻轉矩、高凸極率的五相永磁容錯電機的設計方法

有效

• 申請號: 202010084514.5
• 申請日: 2020-02-10
• 公開（公告）號: CN111654124B
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發明（設計）人: 顏玉潔;陳前;劉國海;趙文祥;徐高紅
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: H02K1/16
• 分類號: H02K1/16;H02K1/24;H02P21/00
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本發明公開了一種高磁阻轉矩、高凸極率的五相永磁容錯電機的設計方法，屬于電機制造的技術領域。提出一種新的選擇五相永磁容錯電機槽極配合的方法，在確定電機槽極的基礎上，對電機的結構進行設計，通過多目標優化的方法使電最終實現兼具高磁阻轉矩與高凸極率的目標。在進行電機的槽極配合的選取時，通過構建互耦系數與電機容錯性能的關系來提出槽極配合的選取方法，根據該方法選擇高容錯性能的槽極配合，在此基礎上，再綜合考慮電機的繞組因數、漏感系數、轉子損耗和齒槽轉矩等各方面因素使提出的電機設計方法在實現高磁阻轉矩和高凸極率的同時，能保證優越的容錯性能。

技術領域

本發明涉及到五相永磁容錯電機的設計，特別是選取五相容錯電機槽極配合以及提升磁阻轉矩與凸極率的方法，屬于電機制造的技術領域。

背景技術

現如今永磁同步電機已經得到了廣泛的應用，從汽車到航空航天的眾多領域，永磁同步電機都扮演著十分重要的角色。這主要得益于永磁同步電機的幾個顯著特點，包括高轉矩密度、高效率以及重量體積小等。永磁同步電機采用了高磁能積的磁性材料取代了傳統的勵磁繞組，不僅消除了勵磁繞組帶來的負面影響，而且簡化了電機的機械結構，使電機運行可靠性提高，機械損耗也相應的減小。

永磁容錯電機以其高效率、高轉矩密度和良好的容錯能力，已被廣泛研究用來克服功率開關故障、開路故障和短路故障。傳統的五相永磁容錯電機槽極配合的選取均根據槽數與極數相差2的原則，該原則指導下的五相永磁容錯電機槽極的選取受到了明顯的限制。此外，無位置傳感器控制被應用于永磁容錯電機的驅動中，即使沒有位置傳感器，永磁容錯也可以在磁場定向控制下工作。然而由于分數槽集中繞組永磁容錯電機的凸極率非常低，其值接近于1，且其值對磁阻轉矩有很大的影響，因此，即使是內置式永磁容錯仍然存在相對較低的磁阻轉矩。又因為磁阻轉矩有利于弱磁控制的可控性，例如，在弱磁控制過程中，如果逆變器發生故障，具有高磁阻轉矩的永磁容錯電機的過載電壓將明顯低于較低磁阻轉矩的電機。因此，提高永磁容錯電機的凸極率和磁阻轉矩，對獲得良好的容錯能力和無位置傳感器性能具有重要意義。

發明內容

針對現有五相永磁容錯電機槽極配合選取受限的情況，本發明提出了一種全新的選取槽極配合的方法，利用該方法選擇的槽極配合的永磁電機均可具有較高的容錯能力，并且通過具體設計案例得到了驗證。不僅如此，在該方法的基礎上更是綜合了電機的繞組因數、漏感系數、齒槽轉矩和轉子損耗等各方面因素，進一步完善了槽極配合的選取方案。另一方面，針對現有永磁容錯電機磁阻轉矩與凸極率較低的缺點，本發明首先提出了一種選取高性能永磁容錯電機槽極配合的方法，由于優化磁阻轉矩和凸極率在一定程度上體現出了相對矛盾的趨勢，因此為了同時優化兩個參數，使得電機達到理想的性能，本發明采用了多目標優化的方法，實現高磁阻轉矩與高凸極率的永磁容錯電機的要求。

一種高磁阻轉矩、高凸極率的五相永磁容錯電機的設計方法，，根據五相永磁電機容錯性能與電機自感互感之間的關系，確定永磁容錯電機的基礎的槽極配合；考慮采用分數槽集中繞組的定子，根據電機繞組因數與轉矩性能的關系，選取出具有高繞組因數的槽極配合；考慮漏感系數與轉子損耗，確定了低漏感系數與低轉子損耗的槽極配合；根據齒槽轉矩產生的原理，確定了低齒槽轉矩的槽極配合。再綜合以上各因素，提出一種具有高容錯能力、高繞組因數、低漏感系數、低轉子損耗和低齒槽轉矩的五相分數槽集中繞組永磁同步電機槽極配合的選取方法。在此基礎上繼而要實現高磁阻轉矩與高凸極率的五相永磁容錯電機的設計方法，其特征在于在保證電機高輸出轉矩性能的前提下，采用多目標優化方法對磁阻轉矩與凸極率進行優化，同時達到電機的高磁阻轉矩與高凸極率的性能要求。其具體的設計方法如下：

一種高磁阻轉矩、高凸極率的五相永磁容錯電機的設計方法，包括以下步驟：

步驟1，引入互耦系數對五相永磁電機的容錯性能進行分析，根據互耦系數與電機容錯能力的關系，選取較高容錯性能的槽極配合方式；

步驟2，從轉矩產生的原理出發，確定影響電機轉矩產生的繞組因數的計算方法，根據計算出各槽極配合的繞組因數，選取較高的繞組因數實現電機高轉矩輸出；