本發(fā)明涉及一種無刷直流電機(jī)，特別是涉及了一種270v高功率密度的五相容錯(cuò)直流電機(jī)。

背景技術(shù)：

隨著f-35、b787飛機(jī)的先后誕生，多電飛機(jī)相比于傳統(tǒng)飛機(jī)，實(shí)質(zhì)上的改變是用電力系統(tǒng)部分取代了次級(jí)功率系統(tǒng)。b787利用轉(zhuǎn)換放大單元將230v交流電轉(zhuǎn)化成270v直流電源，為電機(jī)泵等負(fù)載供電；f-22和f-35飛機(jī)則直接采用了270v直流供電系統(tǒng)。電源系統(tǒng)電壓水平的提高降低了電流幅值，從而減小了線纜截面積和損耗。直流供電系統(tǒng)相比于三相交流供電系統(tǒng)，可以使得線纜數(shù)目減小，進(jìn)一步降低了線纜重量。

電源系統(tǒng)的變化對(duì)電機(jī)泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇和控制又有很大的影響，相與相之間的電、機(jī)械、磁和熱均有良好的絕緣性；有高的轉(zhuǎn)矩/重量比和高的轉(zhuǎn)矩/電流比；相電感高(對(duì)永磁電機(jī)來說)；全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的的高效率。

相與相之間電、機(jī)械、磁和熱的絕緣性，使電機(jī)有較高的可靠性，在運(yùn)行過程中，不易出現(xiàn)短路等現(xiàn)象，并使電機(jī)擁有較高的容錯(cuò)性，在某項(xiàng)短路后不會(huì)影響其他相工作；高的轉(zhuǎn)矩/質(zhì)量比實(shí)質(zhì)上是使電機(jī)擁有了高的功率密度，而高的轉(zhuǎn)矩/電流比意味著電機(jī)的靈敏度很高，加減速快，且所需的控制信號(hào)??；全轉(zhuǎn)速范圍的高效率運(yùn)行，使飛機(jī)上的能源可以盡可能的被充分利用。

根據(jù)多電飛機(jī)對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)所提出的要求，最終決定采用永磁無刷直流電機(jī)作為電機(jī)泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。永磁無刷直流電機(jī)控制相比永磁同步電機(jī)相比較為簡單，不需要高精度的傳感器和復(fù)雜的控制器，在一定程度上提高了可靠性，加之較高的功率密度使得其更適用于電機(jī)泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于目前多電飛機(jī)的發(fā)展迅猛，根據(jù)多電飛機(jī)對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)所提出的要求以永磁無刷直流電機(jī)作為電機(jī)泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，本發(fā)明提出了一種270v高功率密度的五相容錯(cuò)直流電機(jī)，可以用于±270v的dc多電飛機(jī)電源系統(tǒng)，且具有高冗余性、高功率密度、低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明包括擋油套、殼體和裝在殼體內(nèi)的轉(zhuǎn)子、定子、轉(zhuǎn)軸、永磁體、保護(hù)套和繞組，轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)軸同軸固定連接，轉(zhuǎn)子位于里層，定子套裝在轉(zhuǎn)子外，轉(zhuǎn)子外表面設(shè)有永磁體并套有保護(hù)套，保護(hù)套防止電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)永磁體掙脫轉(zhuǎn)子。永磁體通過保護(hù)套固定在轉(zhuǎn)子外表面；定子上開有梯形槽，相鄰梯形槽之間繞制有繞組，定子、轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)軸一起被殼體封裝在內(nèi)；所述殼體外表面開有雙螺紋的通油槽，殼體外用擋油套封裝，殼體和擋油套之間設(shè)有油液，油液在通油槽內(nèi)流動(dòng)使得電機(jī)以殼體通油的方式冷卻。

電機(jī)控制器安裝在電機(jī)軸尾，與電機(jī)一起被封裝在通油殼體內(nèi)。

所述的永磁體以轉(zhuǎn)子表貼式結(jié)構(gòu)布置置于轉(zhuǎn)子表面，使定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙磁通密度關(guān)于電機(jī)電角度呈梯形分布。

所述永磁體包括沿轉(zhuǎn)軸周向間隔均布布置的六列永磁條，每列永磁條沿轉(zhuǎn)軸軸向貼附在轉(zhuǎn)子外表面，六列永磁條組成三對(duì)磁極；所述定子上沿周向間隔均布地開有十個(gè)梯形槽，十個(gè)梯形槽在每兩個(gè)相鄰的梯形槽之間繞制繞組形成五相繞組，各相繞組分別隔齒繞制地纏繞在梯形槽的槽齒上；所述殼體一端面的周圍邊緣沿周向間隔均布安裝五個(gè)分別與五相繞組對(duì)應(yīng)的霍爾傳感器，霍爾傳感器位于各自對(duì)應(yīng)的繞組中央的徑向方向。

本發(fā)明的電機(jī)共五相繞組，分別繞制，其相與相之間具有良好的電、磁、熱絕緣性，且即便某相斷路，也可以輸出正常轉(zhuǎn)矩，有較高的冗余性。并且，本發(fā)明電機(jī)的每極每相槽數(shù)為分?jǐn)?shù)，可以提高槽滿率進(jìn)而提高電機(jī)效率，還有利于降低齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

本發(fā)明利用五個(gè)霍爾傳感器準(zhǔn)確檢測轉(zhuǎn)子所處電周期的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)位置，并將檢測信號(hào)傳輸給外部控制器，控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子所處電周期的狀態(tài)位置對(duì)定子的繞組用對(duì)應(yīng)的控制電壓和控制電流控制。

所述定子的各相繞組均連接有h橋功率驅(qū)動(dòng)電路，h橋功率驅(qū)動(dòng)電路均與外部電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接，外部電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)各相分別用一個(gè)h橋功率驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制，繞組與其連接的h橋功率驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生故障不會(huì)通過中點(diǎn)電壓影響到其他相，保證各相之間實(shí)現(xiàn)電解耦。

所述的轉(zhuǎn)軸一端安裝有用于采集電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和速度信號(hào)的旋轉(zhuǎn)變壓器。

所述定子的繞組上設(shè)有用于檢測定子繞組溫度的集成溫度探頭，集成溫度探頭貼繞組安裝。

通過本發(fā)明特定計(jì)算設(shè)計(jì)后的電機(jī)結(jié)構(gòu)，使電機(jī)能夠在額定轉(zhuǎn)速10000rpm正反轉(zhuǎn)；通過對(duì)驅(qū)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)，使其能夠配合±270vdc電源系統(tǒng)使用；在永磁體等材料選擇上，使電機(jī)能夠工作在-55～135℃的環(huán)境下。

本發(fā)明由于電機(jī)有10個(gè)槽、6個(gè)磁極和5相繞組，每極每相槽數(shù)為分?jǐn)?shù)，構(gòu)成了分?jǐn)?shù)槽繞組，分?jǐn)?shù)槽繞組可以提高槽滿率進(jìn)而提高電機(jī)效率，還有利于降低齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的270vdc直流智能電機(jī)，具有高冗余性、高功率密度、優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能、低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛的應(yīng)用于航空航天、機(jī)器人和兵器裝備等領(lǐng)域，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)該直流智能電機(jī)是基于270vdc直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，可以工作在-55～135℃的惡劣環(huán)境下，具有高功率密度和高可靠性；

(2)該電機(jī)利用低壓液壓油冷卻，冷卻效率高，如果與高轉(zhuǎn)速的泵組合使用，會(huì)大大提高組合件的功率密度和效率；

(3)電機(jī)繞組為單層集中式定子繞組，加上電機(jī)槽極數(shù)組合為分?jǐn)?shù)槽，二者結(jié)合可以提高槽滿率進(jìn)而提高電機(jī)效率，抑制相間短路，提高電機(jī)可靠性，還有利于降低齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)；

(4)該電機(jī)由5個(gè)霍爾集成電路監(jiān)測轉(zhuǎn)子所處狀態(tài)，并用1個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器測轉(zhuǎn)子絕對(duì)位置和運(yùn)行速度，使驅(qū)動(dòng)器對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的控制更加準(zhǔn)確；

(5)驅(qū)動(dòng)器用五組h橋功率驅(qū)動(dòng)電路對(duì)五相繞組分別進(jìn)行控制，這保證了電機(jī)各相之間的電解耦，即某一相斷路故障不會(huì)通過中點(diǎn)電壓影響到其他相，大大提高了電機(jī)運(yùn)行可靠性、冗余性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明主要結(jié)構(gòu)圖；

圖2是圖1的軸向剖面視圖；

圖3是殼體的結(jié)構(gòu)圖。

圖4是五相的h橋功率驅(qū)動(dòng)電路圖。

圖中：1、轉(zhuǎn)子，2、永磁體，3、定子，4、擋油套，5、殼體，6、保護(hù)套，7、轉(zhuǎn)軸，8、轉(zhuǎn)子擋板，9、繞組，10、霍爾傳感器，11、通油槽。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖1到圖4和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明具體實(shí)施包括擋油套4、殼體5和裝在殼體5內(nèi)的轉(zhuǎn)子1、定子3、轉(zhuǎn)軸7、永磁體2、保護(hù)套6和繞組9，轉(zhuǎn)子1和轉(zhuǎn)軸7同軸固定連接，轉(zhuǎn)子1位于里層，定子3套裝在轉(zhuǎn)子1外，轉(zhuǎn)子1外表面設(shè)有永磁體2并套有保護(hù)套6，永磁體2通過保護(hù)套6固定在轉(zhuǎn)子1外表面；定子3上開有梯形槽，相鄰梯形槽之間繞制有繞組9，定子3、轉(zhuǎn)子1、轉(zhuǎn)軸7和驅(qū)動(dòng)器一起被殼體5封裝在內(nèi)；如圖3所示，殼體5外表面開有雙螺紋的通油槽11，殼體5外用擋油套4封裝，殼體5和擋油套4之間設(shè)有油液，油液在通油槽11內(nèi)流動(dòng)使得電機(jī)以殼體通油的方式冷卻。

轉(zhuǎn)子擋板8連接在保護(hù)套6的兩個(gè)端面，保護(hù)套6用于防止電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，永磁體2徑向掙脫轉(zhuǎn)子1。轉(zhuǎn)子擋板8用于對(duì)轉(zhuǎn)子1、永磁體2和轉(zhuǎn)子保護(hù)套6進(jìn)行軸向固定，防止轉(zhuǎn)子組件軸向掙脫。

如圖2所示，永磁體2以轉(zhuǎn)子表貼式結(jié)構(gòu)布置置于轉(zhuǎn)子2表面，使定子1與轉(zhuǎn)子2之間的氣隙磁通密度關(guān)于電機(jī)電角度呈梯形分布，包括沿轉(zhuǎn)軸7周向間隔均布布置的六列永磁條，轉(zhuǎn)子表貼式結(jié)構(gòu)從電機(jī)橫截面觀察，轉(zhuǎn)子表面貼有6片均勻分布的徑向瓦片形永磁條，每塊永磁條沿轉(zhuǎn)軸7軸向貼附在轉(zhuǎn)子1外表面布置，相鄰永磁條間設(shè)有極間隔磁條以方便永磁條安裝，六列永磁條組成三對(duì)磁極。永磁體采用徑向充磁，利于保持電機(jī)氣隙磁通密度處處相同。

定子3上沿周向間隔均布地開有十個(gè)梯形槽，十個(gè)梯形槽在每兩個(gè)相鄰的梯形槽之間繞制繞組9形成五相繞組，各相繞組9分別隔齒繞制地纏繞在梯形槽的槽齒上，隔齒繞制形成單層集中式定子繞組。

所述殼體5一端面的周圍邊緣沿周向間隔均布安裝五個(gè)分別與五相繞組9對(duì)應(yīng)的霍爾傳感器10，霍爾傳感器10位于各自對(duì)應(yīng)的繞組9中央的徑向方向。

霍爾傳感器放在電機(jī)轉(zhuǎn)軸的軸尾五個(gè)固定位置，根據(jù)五個(gè)霍爾傳感器輸出信號(hào)的組合配以對(duì)應(yīng)真值表，可以檢測電機(jī)處在電周期的哪個(gè)狀態(tài)s1～s10。

如圖4所示，定子3的各相繞組9均連接有h橋功率驅(qū)動(dòng)電路，h橋功率驅(qū)動(dòng)電路均與外部電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接。

轉(zhuǎn)軸7一端安裝有用于采集電機(jī)轉(zhuǎn)子1位置和速度信號(hào)的旋轉(zhuǎn)變壓器，能夠用來檢測電機(jī)運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置及每相感應(yīng)電動(dòng)勢是否過零點(diǎn)。

定子3的繞組9上設(shè)有用于檢測定子繞組9溫度的集成溫度探頭，集成溫度探頭貼繞組9安裝，用以電機(jī)故障檢測。

電機(jī)加工調(diào)試時(shí)，圖1中所有組件及其配件約合20.6kg，而額定轉(zhuǎn)速為10000rpm，額定扭矩為18n·m，即額定功率為19kw，功率密度約為0.95kw/kg；穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率約為5000hz，轉(zhuǎn)速基頻約為167hz，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)約為轉(zhuǎn)速基頻的30倍，因此轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可以被有效濾除；電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間為0.4s～0.6s。

本發(fā)明的實(shí)施例及其工作過程是：

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，利用五個(gè)霍爾傳感器10準(zhǔn)確檢測轉(zhuǎn)子1所處電周期的狀態(tài)位置，并將檢測信號(hào)傳輸給外部控制器，控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子1所處電周期的狀態(tài)位置對(duì)定子3的繞組9用對(duì)應(yīng)的控制電壓和控制電流控制。

將每個(gè)機(jī)械周期分為三個(gè)相同的電周期，每個(gè)電周期對(duì)應(yīng)120°機(jī)械角，并被分為10個(gè)狀態(tài)s1～s10，根據(jù)霍爾集成電路判斷的電機(jī)所處狀態(tài)數(shù)，控制驅(qū)動(dòng)器為每相繞組通入對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流，使電機(jī)輸出連續(xù)轉(zhuǎn)矩。

每個(gè)霍爾傳感器10會(huì)根據(jù)檢測到的永磁體2電磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出1和0兩個(gè)數(shù)字量。根據(jù)五個(gè)霍爾傳感器10(a、b、c、d、e)在同一時(shí)刻共同輸出的一組數(shù)字量，可以判斷出轉(zhuǎn)子1所處的狀態(tài)數(shù)。如：(a、b、c、d、e)輸出值為(1、0、0、1、1)時(shí)，可以判斷電機(jī)處于s1狀態(tài)；當(dāng)輸出值為(1、0、0、0、1)時(shí)，電機(jī)處于s2狀態(tài)，因此10個(gè)狀態(tài)均可根據(jù)五個(gè)霍爾傳感器10的輸出值得到識(shí)別。

電周期的各狀態(tài)s1～s10具體是：電機(jī)轉(zhuǎn)軸7從初始位置起，在轉(zhuǎn)過0～120°完整的電周期范圍內(nèi)，以0～12°為s1、12°～24°為s2、24°～36°為s3、36°～48°為s4、48°～60°為s5、60°～72°為s6、72°～84°為s7、84°～96°為s8、96°～108°為s9、108°～120°為s10。以后每個(gè)電周期都按照這個(gè)規(guī)律進(jìn)行狀態(tài)編碼。

具體實(shí)施中外部的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器安裝在電機(jī)尾部，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器用五組h橋功率驅(qū)動(dòng)電路對(duì)五相繞組分別進(jìn)行控制，這保證了電機(jī)各相之間的電解耦，即某一相斷路故障不會(huì)通過中點(diǎn)電壓影響到其他相的工作，使得本發(fā)明電機(jī)仍然能正常工作。

上述具體實(shí)施方式用來解釋說明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。