三相永磁容錯(cuò)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

董吉　劉有維

摘 要：三相永磁容錯(cuò)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的前提為其自身特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)而使電機(jī)自身具備物理隔離、熱隔離、磁隔離以及電氣隔離等能力，合理有效的電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以在一定程度上使電機(jī)的性能得以提高。

關(guān)鍵詞：永磁容錯(cuò)電機(jī)；原則；內(nèi)容

電機(jī)以及控制系統(tǒng)的故障主要由電機(jī)本身的繞組開路、相間開路故障、匝間短路以及功率變換電路的短路故障與功率變換電路的開路故障，所以需要從電機(jī)結(jié)構(gòu)以及電機(jī)控制系統(tǒng)這兩個(gè)方面進(jìn)行相關(guān)的容錯(cuò)設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)與開關(guān)磁阻電機(jī)兩者之間存在相互彌補(bǔ)的關(guān)系，因此需要將傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)與開關(guān)磁阻電機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)三相永磁容錯(cuò)電機(jī)結(jié)構(gòu)的目的。

一、永磁容錯(cuò)電機(jī)設(shè)計(jì)的基本原則

傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)在處于故障的情況下，受各項(xiàng)繞組間的相互作用的影響，對電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成嚴(yán)重的阻礙作用，所以可見傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)不具有故障時(shí)的轉(zhuǎn)矩輸出功能，無法保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性以及穩(wěn)定性。針對上述問題，相關(guān)的研究人員提出了永磁容錯(cuò)電機(jī)這一方案，永磁容錯(cuò)電機(jī)是在永磁同步電機(jī)的基礎(chǔ)上，通過改變槽口的尺寸以及繞組結(jié)構(gòu)形式等實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的效果。永磁容錯(cuò)電機(jī)為了實(shí)現(xiàn)其自身容錯(cuò)的性能，可以嘗試從以下兩個(gè)方面入手：第一方面，在電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)該盡可能減小故障相的電機(jī)繞組對正常相的干擾，上述方案可以通過對電機(jī)本體進(jìn)行相對應(yīng)的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)；第二方面，在電機(jī)發(fā)生故障之后，需要保證電機(jī)系統(tǒng)可以輸出一定的轉(zhuǎn)矩來達(dá)到滿足負(fù)載要求的效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可以可靠運(yùn)行的目的，上述方案可以通過對故障進(jìn)行檢測然后及時(shí)采取補(bǔ)救措施來實(shí)現(xiàn)，或者是通過采用合適的容錯(cuò)控制策略來實(shí)現(xiàn)。

二、三相永磁容錯(cuò)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）三相永磁容錯(cuò)電機(jī)主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容

盡管在設(shè)計(jì)方面，三相永磁容錯(cuò)電機(jī)與傳統(tǒng)的電機(jī)存在很大程度上的差異，但是三相永磁容錯(cuò)電機(jī)與傳統(tǒng)的電機(jī)還是存在部分相同的基本的設(shè)計(jì)內(nèi)容，永磁容錯(cuò)電機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括電機(jī)磁路設(shè)計(jì)、電機(jī)主要尺寸設(shè)計(jì)、電機(jī)槽型參數(shù)以及定轉(zhuǎn)子軛部參數(shù)。

（二）電機(jī)磁路設(shè)計(jì)

電機(jī)的磁路設(shè)計(jì)，也就是根據(jù)所需設(shè)計(jì)的磁場的實(shí)際需求，對永磁體材料、磁極的尺寸以及磁極的形狀進(jìn)行相對應(yīng)的選擇，進(jìn)而達(dá)到使永磁體的性能最大程度上發(fā)揮的效果，使磁路設(shè)計(jì)的合理性以及磁路設(shè)計(jì)的優(yōu)質(zhì)性得到最大程度上的實(shí)現(xiàn)，其中關(guān)于永磁體材料的選擇：根據(jù)永磁體材料的選擇原則，將不同的永磁材料的性能參數(shù)進(jìn)行相對應(yīng)的對比、分析，比如永磁體材料為粘結(jié)式衫鈷永磁材料，該材料具有較強(qiáng)的抗退磁能力，而且可以得到較大的電機(jī)功率密度，除此之外，粘結(jié)式衫鈷永磁材料的最大使用溫度為350攝氏度，可以較好的滿足設(shè)計(jì)中對電機(jī)相對應(yīng)的需求；關(guān)于磁極性狀的確定：永磁電機(jī)的磁極與電勵(lì)磁電機(jī)的磁極是不相同，永磁電機(jī)的磁極為永磁體，其磁路的形式多種多樣，根據(jù)永磁體的位置、永磁體安置方式、永磁材料的種類以及永磁體的形狀等，可以將磁路分為很多種，比如根據(jù)安置方式進(jìn)行相對應(yīng)的分類可以分為，內(nèi)置式和表貼式，根據(jù)永磁體的形狀可以分為環(huán)形磁極、爪形磁極、弧形磁極以及瓦片形磁極等，其中瓦片形磁極又由同心瓦片形磁極和等半徑瓦片形磁極這兩部分組合而成，等半徑瓦片形磁極同時(shí)可以稱之為離心式磁極。表貼式磁極具有可以增強(qiáng)繞組間的磁隔離能力，等半徑瓦片形磁極具有可以在一定程度上提高材料的利用率的優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需求選擇合理有效的永磁體。

（三）磁極的尺寸設(shè)計(jì)

永磁體的尺寸參數(shù)包括永磁體磁化方向的寬度以及長度，在對永磁體磁化方向的寬度以及長度進(jìn)行相對應(yīng)的設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮如下因素：永磁體磁化方向的長度不可以過于小，否則不僅會(huì)增加永磁體的生產(chǎn)成本，而且還會(huì)造成永磁體極易退磁；在對永磁體磁化方向的長度進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)過程中，需要盡最大可能使永磁體工作于最佳狀態(tài)，這是因?yàn)樵诤艽蟪潭壬嫌来朋w的工作點(diǎn)取決于自身的磁化方向長度；因?yàn)橛来朋w的磁化方向?qū)挾扰c永磁體提供的磁通的面積息息相關(guān)，所以在對永磁體磁化方向?qū)挾冗M(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)過程中，要根據(jù)電機(jī)性能的要求對永磁體的磁化方向?qū)挾冗M(jìn)行針對性的調(diào)整措施。

（四）電機(jī)槽型參數(shù)設(shè)計(jì)

電機(jī)槽型參數(shù)主要由定子齒寬度、槽口寬度、槽的深度以及槽口厚度等組合而成。其中關(guān)于定子齒參數(shù)，已知定子齒的最大磁密，通常情況下其取值在1.4T～1.6T之間，然后將定子齒的最大磁密代入相關(guān)的公式中即可求得定子齒寬，通常情況下，定子齒高是定子齒寬的1.5倍～3倍之間不等，在設(shè)計(jì)過程中可以結(jié)合槽內(nèi)的電流密度對定子齒高與定子齒寬之間的倍數(shù)進(jìn)行不斷的核實(shí)，對兩者之間的倍數(shù)進(jìn)行不斷核實(shí)的目的為，假如倍數(shù)過大，那么定子軛部就極有可能出現(xiàn)飽和的現(xiàn)象。進(jìn)而造成電磁轉(zhuǎn)矩的減小，假如倍數(shù)過小，那么繞組電流密度就極有可能超出安全值。在三相永磁容錯(cuò)電機(jī)設(shè)計(jì)過程中，繞組的安全電流密度取值與電機(jī)的冷卻方式息息相關(guān)，因此應(yīng)該根據(jù)三相永磁容錯(cuò)電機(jī)實(shí)際的冷卻方式，對繞組的實(shí)際安全電流密度取值進(jìn)行針對性的選擇。

根據(jù)確定的基本電磁參數(shù)，對電機(jī)進(jìn)行相對應(yīng)的設(shè)計(jì)，使電機(jī)的永磁體尺寸、槽繞組參數(shù)以及定轉(zhuǎn)子尺寸等進(jìn)行確定，在完成設(shè)計(jì)電機(jī)之后，利用有限元軟件進(jìn)行仿真，仿真從磁力線分布、磁密分布、繞組電感、齒槽轉(zhuǎn)矩以及空載反電動(dòng)勢波形等方面入手，對電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性、有效性進(jìn)行相關(guān)的驗(yàn)證。

三、 小結(jié)

永磁容錯(cuò)電機(jī)不僅具有永磁同步電機(jī)功率密度大，以及效率較高的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有一定的容錯(cuò)特性，所以越來越多的人員開始對永磁容錯(cuò)電機(jī)進(jìn)行相關(guān)的研究，而且永磁容錯(cuò)電機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)更促進(jìn)其容錯(cuò)性能，因此對三相永磁容錯(cuò)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析具有十分重要的意義。

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