一种集成电机推进器用永磁容错轮缘推进电机

摘要

本发明涉及一种集成电机推进器用永磁容错轮缘推进电机，属水下推进器用电机。本电机包括定子铁芯，定子槽，电枢齿，隔离齿，电枢绕组，大气隙，磁极保护套筒，磁极保护层，离心式永磁体，转子铁芯，焊接在转子铁芯内侧的螺旋桨。定子槽数为2km，其中k为正整数，m为电机相数，定子上有不等距电枢齿和隔离齿，转子极数为2k(m±1)。电机的特点是可以在电机绕组发生开路故障或短路故障后继续稳定地运行。相比于目前其它的集成电机推进器用电机，本发明首先提出了具有容错能力的轮缘推进电机，首次将永磁容错电机应用于水下航行器，有效地提高了船舶推进系统的可靠性。本发明所涉及的永磁容错轮缘推进电机具有转矩脉动小，容错性能强、结构相对简单，制造方便等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可应用于舰船、无人艇、水下机器人、潜艇和鱼雷等水面、水下航行器的电力推进系统中的驱动装置，具体的说，是一种集成电机推进器用永磁容错轮缘推进电机。

背景技术

就电机本体设计及其工作原理的技术领域而言，中国专利文献CN106911237A公开了一种少稀土类多励磁源双定子磁通切换记忆电机，该电机从外至内依次由同轴的外定子、转子和内定子相互套接组成；外定子与转子之间、转子与内定子之间均存在径向气隙；外定子包括电枢铁芯齿、容错齿和定子轭部构成，转子由转子支架、导磁硅钢块和磁绝缘块构成，内定子由内定子铁芯和混合永磁体单元块构成。

再有，中国专利文献CN107017754A公开了一种圆筒型永磁容错直线游标电机，该电机包括初级(1)、次级(2)、电枢绕组(3)、永磁体阵列(4)、气隙(5)；气隙(5)设置在所述初级(1)和次级(2)之间；所述初级(1)包含三个相同结构类型且等距排列的单元模块(11)，单元模块(11)由相邻的两个电枢齿A(12)、B(13)组成，相邻的电枢齿A(12)、B(13)间开有槽，槽内嵌入饼式绕组(3)；永磁体阵列(4)嵌入初级(1)单元模块(11)的齿端。

还有，中国专利文献CN106712426A提出一种各相独立的五相永磁风力发电机，包括定子铁芯、外转子铁芯、永磁体、电枢绕组、定子固定块和轴，属于特种电机技术领域。电机外转子铁芯有16X个向内侧凸出的转子极，X为正整数，16X个转子极均布；定子铁芯共有5X个子铁芯，每个子铁芯有三个定子极，其中中间的一个定子极的极弧长度为转子极弧长度的1.53倍，两侧的定子极宽与转子极宽相等；子铁芯上中间的定子极与两侧的定子极之间嵌有永磁体。

比较以上三篇专利文献，提高电机的容错性能是较为突出的。其中，第一篇文献涉及的电机其双定子结构实现了电枢绕组与永磁体的分离，解决了传统磁通切换永磁电机内多励磁源在空间上的相互牵制问题，易提升电机功率密度和转矩密度；在有效降低稀土永磁材料的用量的同时，保证高的气隙磁密，确保了电机功率密度和转矩密度，另一方面可以实现电机气隙磁场的灵活调节，提高转速运行范围。

第二篇文献涉及的技术方案着重强调了将圆筒电机和游标效应的组合使得电机具有更大的推力密度和更高的效率，同时初级模块化互补结构的采用，提高了电机的容错性能、消除了圆筒型直线电机因纵向边端效应所带来的不利影响。

第三篇文献涉及的电机则强调了电机内的定子铁芯相互独立，绕在定子极上的绕组也因此互相隔离，因此，当其中一相出现故障时，其余绕组可以容错运行，由此提高了系统的可靠性。

除上述文献外，还有几篇与背景技术相关联专利文献：专利CN201510786583.X，CN201210129358.5，CN103818535A。近一步地，在水下推进器的技术领域中，还有一种大气隙轮缘推进器，该装置采用永磁电机作为轮缘推进器内置电机，定子和转子之间形成大气隙；永磁体采用Halbach阵列放置；螺旋桨和电机为一体化结构，螺旋桨直接嵌在转子内部。能够解决水下推进电机噪声高的问题，可以使电机质量减轻、转动惯量变小，具有良好的动态响应特性；同时，转子为实心、无需起动绕组，所以结构简单、起动力矩大；电机的大气隙可以使水过流时阻力更小。但目前轮缘推进器内置电机主要为无刷直流电动机和永磁同步电动机，无刷直流电动机具有输出转矩脉动大的缺点，传统的永磁同步电动机虽然克服了无刷直流电动机转矩脉动大的缺点，但是无故障容错能力。由于轮缘推进器浸没于水下长期工作，内置电机容易发生开路、短路等电气故障，此时船舶将失去推进动力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种集成电机推进器用永磁容错轮缘推进电机，以其替代传统的集成电机推进器用无刷直流电动机和永磁同步电动机，从而实现减小电机转矩脉动、提高推进系统故障容错能力的目的。

为此，本发明解决所述问题的技术方案是：一种集成电机推进器用永磁容错轮缘推进电机，其中，所述电机本体呈扁平结构且安装在导管中，所述电机本体包括定子铁芯，定子槽，电枢齿，隔离齿，定子绕组，置于电机本体内的大气隙，磁极保护套筒、磁极保护层，离心式永磁体，转子铁芯，焊接在转子铁芯内侧的螺旋桨；其中，定子槽的个数为2km，其中，k为正整数，m为电机相数，所述转子的磁极数为2k(m±1)。

优选的，所述电枢齿与所述隔离齿不等距。

优选的，所述定子绕组采用集中式定子绕组。

优选的，所述定子是经优化设计后具有能够抑制短路电流的电感值的永磁容错轮缘推进电机定子。

优选的，所述大气隙，是一种海水可以在其内自由流溢的大气隙结构。

优选的，在所述的磁极保护套筒与磁极之间设有磁极保护层。

相比现有技术，本发明所设计的永磁容错轮缘推进电机可以在电机绕组发生开路故障或短路故障后继续稳定地运行。相比于目前其他的集成电机推进器用电机，本发明首先提出了具有故障容错能力的永磁容错轮缘推进电机，首次将永磁容错电机应用于水下航行器，有效地提高了船舶推进系统的可靠性。本发明所设计的集成电机推进器用永磁容错轮缘推进电机具有转矩脉动小、容错能力强、控制性能好、结构相对简单和容易加工等优点。

说明书附图

图1是永磁容错轮缘推进电机结构示意图；

图2是永磁容错轮缘推进电机局部结构示意图；

图3是永磁容错轮缘推进电机A相电感波形图；

图4是永磁容错轮缘推进电机空载反电动势波形图；

图5是永磁容错轮缘推进电机齿槽转矩脉动波形图。

图中：1-永磁容错轮缘推进电机定子铁芯，2-定子槽，3-电枢齿，4-隔离齿，5-定子绕组，6-大气隙，7-用来固定磁极的保护套筒，8-磁极保护层(由填充树脂等防腐材料构成保护层)，9-离心式永磁体，10-转子铁芯，11-螺旋桨，12-永磁容错轮缘推进电机本体。

具体实施方式

结合附图，以下实施例描述了本发明是一种应用于水下航行器的集成电机推进器用永磁容错轮缘推进电机。如图1所示为一个6相48槽40极永磁容错轮缘推进电机实例。

本发明所设计永磁容错轮缘推进电机每相绕组采用H桥逆变器单独供电，在发生绕组短路或开路故障时不会耦合到其它正常相，实现了电机相之间的电气隔离。电机绕组由相差60度电角度的正弦波驱动，转矩脉动小。

如图1所示，定子绕组采用集中绕组A﹢、A﹣，B﹢、B﹣，C﹢、C﹣，D﹢、D﹣，E﹢、E﹣，F﹢、F﹣实现了各相之间的物理隔离、热隔离和磁隔离，避免了相间短路，降低了故障率。集中式绕组制作、嵌线容易，绕组可以采用机械绕制，降低了成本。绕组端部短，电阻较小，所产生的铜耗也较小。集中绕组齿槽转矩脉动小，如图5所示该实例齿槽转矩脉动小于额定转矩的0.24％。

如图1所示：永磁容错轮缘推进电机本体12中的气隙6中充满海水，海水可以自由流溢，各绕组所产生热量被海水吸收，电机本体具有良好的散热能力。

为了获得较好的空载反电动势波形，本发明采用离心式永磁体，如图1所示永磁容错轮缘推进电机永磁体的离心高度为112mm。不同电机尺寸最优离心高度有所不同，如图4所示，本发明涉及的永磁容错轮缘推进电机，具有正弦度较高的空载反电动势，相较于Halbach阵列复杂的设计方案，离心式永磁体设计简单，容易优化。

实施例中的电机为六相电机，该相数选择具有较好的冗余能力，六相48槽电机径相磁密对称，具有较低的径向不平衡磁拉力。该相数槽数选择降低了永磁容错轮缘推进电机的振动噪声。

如图1所示，电机极数槽数比为5:6，在如图1所示绕组分布下，该极槽配合下具有较大的基波绕组系数：0.966。

再如图1所示，定子绕组A-、A+，B-、B+，C-、C+，D-、D+，E-、E+，F-、F+相间均设有隔离齿4，实现了各相之间的热和磁隔离。同时采用不等齿距方案，通过优化隔离齿间的大小来优化电机的性能。由于永磁容错轮缘推进电机轭部较薄，不能采用内置式磁极结构，故本实施例采用了如图1所示的表贴式磁极，N、S极交替排列。

仍如图1所示，永磁容错轮缘推进电机为了适应水下运行环境，需要良好的防腐性能。考虑到永磁容错轮缘推进电机本体12是通过气隙中海水散热，防腐材料厚度，保护套筒厚度，以及大直径所导致的机械性能要求，本发明的永磁容错轮缘推进电机相较于传统电机具有大气隙6，实践中永磁容错轮缘推进电机气隙的宽度为2mm。

实施例中，将螺旋桨11焊接在转子铁芯10上，实现了无轴转动方案并取消了传动轴系。并且，为了满足螺旋桨的尺寸，同时也为了适应导管形状，本发明将螺旋桨设计成扁平结构。实践中，为了减小流体阻力，提高推进装置的效率，本实施例中推进电机的定子和转子的总体厚度尽量小，为了降低轭部磁密，以及降低大气隙所造成的影响，可采用包括本实施例及其之外的多极设计方案。

如图3所示，为本实施例A相绕组电感，即在实践中通过降低轴向长度，增加槽口厚度，减小槽口宽度以期增加绕组电感；有数据表明此结构下A相(其它相与A相情况相同,故没有画出)具有极大的自感，互感值小于自感的2％，在此自感下短路电流小于额定电流的1.25倍。此技术方案能充分体现出本发明的良好磁隔离以及抑制短路电流的能力。

如图1所示，为了降低永磁容错轮缘推进电机径向长度，定子槽的形状是一种减小定子外径的浅而宽的槽型。

如图2所示，为了使推进电机始终处于良好的工作状态，实施例中强调了在磁极上设置保护套筒7，同时在磁极空隙处设置了由树脂等防腐材料构成的磁极保护层8。

综上，本发明所涉及的船舶集成电机推进器用永磁容错轮缘推进电机，具有较强的磁、物理、电气、热隔离能力，能够抑制短路电流，可以在定子绕组短路、开路故障下稳定运行，具有功率密度高、容错能力强等特点。