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新型定子永磁式容错电机的工作原理和性能分析_吉敬华

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第28卷 第21期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.28 No.21 Jul. 25, 2008 96 2008年7月25日 Proceedings of the CSEE ©2008 Chin.Soc.for Elec.Eng.

文章编号：0258-8013 (2008) 21-0096-07 中图分类号：TM 351 文献标识码：A 学科分类号：470⋅20

新型定子永磁式容错电机的工作原理和性能分析

吉敬华1，孙玉坤1，朱纪洪2，赵文祥1 ( 1．江苏大学电气信息工程学院，江苏省 镇江市 212013； 2．智能技术与系统国家重点实验室(清华大学)，北京市 海淀区 100084)

Operating Principle and Performance Analysis of a Novel Stator-PM Fault Tolerant Machine JI Jing-hua1, SUN Yu-kun1, ZHU Ji-hong2 , ZHAO Wen-xiang1 (1. Shool of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu Province, China; 2. State Key Laboratory of Intelligent Technology and Systems (Tsinghua University), Haidian District, Beijing 100084, China)

ABSTRACT : A novel fault tolerant machine with permanent magnets (PMs) in the stator, termed as doubly salient fault tolerant (DSFT) machine, was proposed for applications where fault tolerance was key requirement. DSFT machines incorporate the merits of both switched reluctance and rotor-PM fault tolerant machines, offering the advantages of simple structure, high reliability and high power density. A four-phase 8/10-pole DSFT machine was presented, and its topology characteristic, fault-tolerant-teeth structure and operating principle were analyzed. Electromagnetic performance of the proposed machine was carried out, such as flux-linkage, self- and mutual-inductance. A co-simulation model of a DSFT motor drive was developed, using coupled magnetic and electrical circuit solvers. The co-simulation model was used to predict torque performance of DSFT motor drive under various conditions. The results show the high degree independence of phases and the high performance of fault tolerant characteristic in DSFT motor drives. A DSFT machine is a vital candidate in many applications where the reliability and power density are of importance.

KEY WORDS: co-simulation; doubly salient machine; electromagnetic performance; fault tolerance; permanent magnet machine

摘要：为满足电机驱动系统在多种高可靠性领域的应用，提出一种新型的定子永磁式容错电机结构——双凸极容错(doubly salient fault tolerant，DSFT)电机。DSFT电机在结构上集中了开关磁阻电机和转子永磁式容错电机的特点，具有

基金项目：国家863高技术基金项目(2003AA255023)；国家自然科学基金项目(60774044)。 The National High Technology Research and Development of China 863 Programme(2003AA255023); Project Supported by National Natural Science Foundation of China(60774044)．

结构简单、可靠性高、功率密度高等优点。以一台四相8/10极DSFT电机为例，分析其结构特点、容错齿作用和运行原理。在此基础上，研究DSFT电机在正常和短路时的磁场特性，计算磁链、自感、互感等电磁特性，从理论上分析DSFT电机的容错性能。运用电路、磁路瞬态联合仿真的方法，建立DSFT电机驱动系统的场路耦合分析模型，分别对电机在正常和缺相运行状态下的转矩输出性能进行计算分析。研究结果表明，DSFT电机相与相间的独立性好，具有较强的带故障运行能力，适用于一些工作环境恶劣且要求高可靠性、高能量密度的场合。

关键词：联合仿真；双凸极电机；电磁特性；容错；永磁电机 0 引言

随着科学技术的发展，电机在军事、民用的各个领域得到越来越广泛的应用，但是，航空航天等对连续运行有高要求的领域，其工作环境恶劣且能源有限，要求开发出具有高可靠性和高能量密度的电机，因此，研究将高能量密度、高可靠性以及较高的容错能力等优点集于一身的新型电机结构，成为相关领域的一个重要课题。 开关磁阻(switched reluctance，SR)电机结构简单可靠，定子采用集中式绕组，转子无永磁体、无绕组和电刷，具有容错电机的基本特性，广大学者开展了对SR电机容错性能的研究[1-2]，但是，SR

电机本身属于自励磁电机，从而使得它在效率和功率密度等方面与永磁电机相比较稍显不足。英国B. C. Mecrow教授提出容错永磁(fault tolerant per- manent magnet，FTPM)电机的概念[3-4]。FTPM电机

是将SR电机的结构模式与永磁同步电机相结合，属于转子永磁型电机。FTPM电机改传统的永磁同步电机分布式绕组为集中式绕组，且每个定子槽中 第21期 吉敬华等： 新型定子永磁式容错电机的工作原理和性能分析 97 只有一套绕组。没有绕组的电枢齿作为磁通回路，同时也起着隔离作用。采用集中绕组的FTPM电机实现相与相之间电路、磁路以及温度的相对独立，将容错的概念成功地引入到永磁电机中来。在此基础上，英国谢菲尔德大学Z. Q. Zhu教授对该种电机的尺寸进行进一步的优化设计，为FTPM电机在多种领域的应用打下基础[5]，但是，这种电机也存在一定的弊端：永磁体在转子表面，当电机处于高速旋转发热时，因冷却较困难而容易出现故障，因此，研究新型的、高可靠性、高功率密度的故障容错电机结构成为当前研究的难点和热点[6]。永磁体置于定子的双凸极式永磁(doubly salient permanent magnet，DSPM)电机，是上世纪九十年代初出现的一种新型电机结构[7]。DSPM电机转子无绕组，定子采用集中绕组，制造容易，结构稳定，不需要对永磁体采取特别的加固措施且易于冷却。国内外相关学者对DSPM电机的电磁特性和运行性能展开了广泛而深入的研究[8-12]。除了DSPM电机以外，定子永磁式电机还具有其它结构形式：磁通反向永磁(flux reversal permanent magnet，FRPM)电机[13]和磁

通切换永磁(flux-switching permanent magnet，FSPM)电机[14-15]。这些工作为开发出新型容错电机奠定了很好的理论基础。 开发集SR电机和FTPM电机的优点于一身，进一步提高永磁电机的容错性能，这一研究内容在国内外的相关文献还未见报道。本文提出一种新型定子永磁式容错电机结构——双凸极容错电机。以一台四相8/10极DSFT电机为例，介绍其结构特点和工作原理，采用有限元瞬态计算法分析电机正常和故障状态下的磁场。在此基础上，进一步研究得到永磁磁链、自感、互感等静态特性。最后，通过运用瞬态联合仿真的方法，考虑其电路、磁路的耦合关系，建立了DSFT电机驱动系统的模型。运用这一系统级的仿真技术，计算并比较DSFT电机在正常以及缺相运行时的转矩波形，验证了DSFT电机的容错性能。

1 电机结构 图1为本文提出的新型定子永磁式容错电机的截面图。DSFT电机的定子部分由定子铁心和永磁体组成，永磁体沿圆周夹在铁心中间，铁心和永磁体与机座采用过盈配合，以保证铁心和永磁体的位置固定。转子上既没有绕组，也没有永磁体。定转子铁心均由硅钢片叠压而成，绕有绕组的永磁体和

电枢齿组合成一个整体。永磁体切向磁化，并按照极性为N、S、S、N、N、S、S、N的顺序两两相对分布。DSFT电机每片定子铁心均为山字形，每个铁心增加一个容错齿。山字型铁心两边的电枢齿和永磁体一起绕有绕组，容错齿上无绕组，径向相对的两极绕组相串联构成一相，相与相绕组之间通过容错齿隔离。励磁磁场由永磁体产生，容错齿为永磁体和电枢绕组提供磁回路，同时起到了相与相之间的隔离作用。

定子 B1

转子绕组 容错齿

永磁体C1

D1 A2B2

C2D2A1容错齿 (a) 截面图 (b) 容错齿结构 图1 8/10极DSFT电机截面图 Fig. 1 Cross-section of 8/10-pole DSFT machine

设hm为永磁体宽度，βsw为绕有绕组的电枢齿宽度，βsf为容错齿宽度，m为电机相数，Z为每相极数。在电机的初始设计阶段，取值hm=βsw=βsf= 360º/(6Zm)。容错齿增加了永磁体的磁回路，克服

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新型永磁电机的设计、分析与应用研究

新型永磁电机的设计、分析与应用研究

新型永磁电机的设计、分析与应用研究一、概述随着全球能源危机和环境保护压力的不断增大，高效、节能、环保的电机技术成为了当前研究的热点。

永磁电机作为一种新型的电机技术，具有高效率、高功率密度、低噪音、低维护等优点，被广泛应用于电动汽车、风力发电、工业自动化等领域。

对新型永磁电机的研究具有重要意义。

新型永磁电机的研究涉及到电机设计、分析、优化以及应用等多个方面。

在电机设计方面，需要考虑电机的结构、绕组、永磁体等因素，以实现电机的最佳性能。

在电机分析方面，需要建立电机的数学模型，对电机的性能进行预测和评估。

在电机优化方面，需要采用先进的优化算法，对电机的结构参数进行优化，以提高电机的效率和可靠性。

在应用方面，需要研究永磁电机在不同领域的应用特点和技术难点，以推动永磁电机的广泛应用。

本文旨在对新型永磁电机的设计、分析与应用进行深入的研究和探讨。

介绍了永磁电机的基本原理和分类，为后续研究打下基础。

详细阐述了永磁电机的设计方法，包括电机的结构设计、绕组设计、永磁体设计等。

建立了永磁电机的数学模型，对电机的性能进行了预测和评估。

接着，采用先进的优化算法，对电机的结构参数进行了优化，以提高电机的效率和可靠性。

结合实际应用案例，分析了永磁电机在不同领域的应用特点和技术难点，为永磁电机的应用提供了有益的参考。

通过本文的研究，可以为新型永磁电机的设计、分析与应用提供理论支持和技术指导，推动永磁电机技术的进一步发展和应用。

1. 永磁电机的发展历程与现状永磁电机，作为一种重要的电机类型，其发展历程与现状反映了电机技术的持续进步与革新。

早在20世纪初，永磁电机就已经开始被研究和应用，但受限于当时永磁材料的性能，其应用范围和效率相对较低。

随着稀土永磁材料的出现和发展，尤其是钕铁硼等高性能永磁材料的出现，永磁电机的性能得到了显著提升，应用领域也大幅扩展。

近年来，随着全球对节能减排和环保要求的不断提高，永磁电机以其高效率、高功率密度、低维护成本等优点，在新能源汽车、风力发电、电动工具、家用电器等领域得到了广泛应用。

永磁容错电机的结构设计与分析

永磁容错电机的结构设计与分析

永磁容错电机的结构设计与分析
一、引言
永磁容错电机，又称永磁可容错电机，是一种可以抗冲击和振动的电机，可以抵抗高
脉冲负载、异常负载、极限性负载和减少电动机故障停车服务时间，大大提高了电机的可
靠性和寿命。

1、电机容错元件
永磁容错电机包括电机结构和两个容错元件（弹簧容错电路和电流容错器）。

电机结
构包括定子、转子和定子绕组、转子绕组、定子支架、转子支架等。

弹簧容错电路，可以
采用新型的弹簧容错电路，在定子绕组的偏心柱上安装，当绕组的温度升高时，可以使相
电压减少，得以及时对定子绕组的电流进行检测，从而避免温度升高引起的电机损坏，大
大延长电机使用寿命。

2、电流容错器
电流容错器可以保护电机绕组，避免过载时绕组因异常过载而烧坏，提高电机可靠性。

电流容错器通常为活动型容错器，它可以及时缓解电机绕组的过载能力，从而有效降低电
机的损坏风险。

1、分析容错电路和电流容错器
永磁容错电机的容错元件包括电机结构和两个容错元件，弹簧容错电路可以及时检测
定子绕组的电流，从而可以降低温度引起的电机损坏风险；电流容错器可以缓解电机绕组
的过载能力，有效降低电机的损坏风险。

2、分析电机故障停车时间
永磁容错电机的容错元件可以有效减少电动机工作过程中可能出现的电机故障，从而
大大缩短电机故障停车的时间，有效提高故障状态下电机的可靠性和寿命。

四、结论。

定子永磁型无刷电机系统及其关键技术综述

定子永磁型无刷电机系统及其关键技术综述

定子永磁型无刷电机系统及其关键技术综述一、本文概述随着科技的不断进步，电机技术也在持续创新与发展。

定子永磁型无刷电机系统作为一种先进的电机技术，以其高效、节能、低噪音等特性，在各个领域得到了广泛应用。

本文旨在对定子永磁型无刷电机系统及其关键技术进行综述，以期为读者提供全面的技术理解和应用参考。

本文将对定子永磁型无刷电机系统的基本原理和结构进行详细介绍，以帮助读者了解其基本构成和工作原理。

将重点分析定子永磁型无刷电机的关键技术，包括绕组设计、永磁体材料选择、控制系统设计等，探讨这些技术如何影响电机的性能表现。

本文还将对定子永磁型无刷电机系统的应用领域进行概述，包括电动汽车、航空航天、家用电器等，以展示其广泛的应用前景。

本文还将对定子永磁型无刷电机系统的发展趋势进行展望，包括材料科学的进步、控制技术的创新以及系统集成的发展等，以期为读者提供关于该领域未来发展方向的参考。

通过本文的综述，读者可以全面了解定子永磁型无刷电机系统的技术特点和应用现状，为其在相关领域的研究和应用提供有益的参考。

二、定子永磁型无刷电机系统的基本结构与工作原理定子永磁型无刷电机系统主要由定子、转子、电子换向器和位置传感器等部分组成。

其中，定子固定不动，其上绕有电枢绕组，用以产生电磁转矩；转子为永磁体结构，其上的永磁体提供恒定磁场。

电子换向器和位置传感器共同控制电机的换向，实现电机的连续旋转。

工作原理上，定子永磁型无刷电机系统利用电子换向器替代了传统的机械换向器，通过位置传感器检测转子的位置，控制电子换向器适时切换电枢绕组的电流方向，使得电机能够连续旋转。

在电机旋转过程中，定子上的电枢绕组通电产生磁场，与转子上的永磁体磁场相互作用，产生电磁转矩，驱动电机旋转。

由于采用了电子换向和位置检测技术，定子永磁型无刷电机系统具有更高的效率和更长的使用寿命。

定子永磁型无刷电机系统的关键技术还包括绕组设计、永磁体设计和控制系统设计等。

绕组设计要满足电机的转矩需求和电气性能要求，同时要考虑散热和绝缘等问题。

永磁容错电机的结构设计与分析

永磁容错电机的结构设计与分析

永磁容错电机的结构设计与分析永磁容错电机是一种采用永磁材料作为转子的电机，具有结构简单、效率高、功率密度大等优点，在电动车、风力发电等领域具有广泛的应用前景。

本文将对永磁容错电机的结构设计与分析进行介绍。

永磁容错电机的结构设计主要包括定子和转子两部分。

定子通常由铁芯、绕组和定子外壳组成。

铁芯通常由硅钢片组成，其主要作用是提供磁路，减少磁通损耗。

绕组则是由导线绕制而成，其主要作用是产生磁场。

定子外壳则用于固定定子的位置，保护绕组。

转子通常由永磁体和轴组成。

永磁体是转子的核心部分，其通过磁力作用实现转子的旋转。

常用的永磁材料有钕铁硼和钴硼磁铁等。

轴则用于连接转子和负载，传递转矩。

在永磁容错电机的分析中，主要包括电磁特性和机械特性两个方面。

电磁特性的分析主要包括磁场分布和磁通密度的计算。

磁场分布可以通过有限元分析等方法进行计算，从而确定永磁容错电机的磁场分布情况。

磁通密度的计算则可以通过磁路分析等方法进行，从而获得磁通密度的分布情况。

机械特性的分析主要包括转子的静态和动态特性。

静态特性包括转子的刚度和磁回路的刚度等。

刚度可以通过有限元分析等方法进行计算，从而确定转子的刚度情况。

动态特性包括转子的振动和动态响应等。

振动可以通过模态分析等方法进行计算，从而确定转子的振动情况。

动态响应可以通过响应分析等方法进行计算，从而确定转子的动态响应情况。

永磁容错电机的结构设计与分析是该电机设计过程中的重要环节。

通过对电磁特性和机械特性的分析，可以得到关于永磁容错电机性能和可靠性的重要信息，为电机的优化设计提供依据。