一種雙冗餘繞組電機的製作方法

2023-05-01 08:08:36 2

專利名稱：一種雙冗餘繞組電機的製作方法
一種雙冗餘繞組電機
[技術領域]一種驅動電機，它被要求在部分繞組出現故障的情況下能繼續保持 可靠的運行工況，繼續工作。這樣的電機特別適用於平行同軸兩輪電動車上作為驅動部件 使用，它是將直流電通過逆變器變成三相交流電來進行工作的電機。它是一種交流伺服永 磁同步電機。
[背景技術]平行同軸兩輪電動車是一種兩輪同軸、左右平行布置、並且兩輪被 獨立驅動的載人運輸工具。其兩側的每個輪子需要一個獨立的電機驅動系統來驅動，其行 走機構的驅動是由兩個獨立的電機驅動系統採用倒立擺原理進行平衡控制來實現的。如果 有任何一臺電機出現故障，則會動力丟失，導致平衡失敗，從而無法實現該運輸工具的基本 功能。因此，驅動電機的可靠性和穩定性決定了這種車輛的可靠性和安全性。對於平行同 軸兩輪電動車的安全性，要求採用兩套獨立驅動系統的冗餘控制方法。即採用兩套功能完 全一致的驅動系統，如電機驅動系統來實現車輛的驅動。正常工作時，只有一套驅動系統 (稱為工作驅動系統)工作，出現故障時，另外一套驅動系統(稱為冗餘驅動系統)接替發 生故障的驅動系統繼續工作。為了保證平行同軸兩輪電動車的可靠性和安全性，對電機的 容錯性、冗餘性提出了要求。最簡單的冗餘控制方法就是車輛左右兩側的每一側的一個輪 子各採用兩臺獨立的驅動電機，整車則需要四臺電機，這種方法存在驅動電機安裝困難、成 本高，體積也大。
這就需要推出一種能依靠有多個獨立線圈繞組來保證冗餘功能的電機，採用一臺 電機(而不是兩臺或兩臺以上)來滿足冗餘性要求的，即用一機代替多機的方案，來實現用 一臺電機就能對一臺車輛上其一側輪子冗餘控制的目的。
這樣的電機有兩組獨立的定子線圈繞組，在正常工況下，兩組獨立的定子線圈繞 組都通電工作，車輛驅動力矩就是兩個獨立定子線圈繞組所產生的合轉矩。當這種電機的 這兩組繞組中的某一組繞組出現故障使動力喪失時，另一組繞組就會被增加電流，加大力 矩，使電機維持在依靠單個獨立線圈所承擔的工況下繼續在滿足車輛最低轉矩的限度內繼 續工作。這樣，在一組繞組出現故障時整臺電機就不至於終止工作，還能在帶病狀態下繼續 工作。
對比文件US5，919，549有這樣的方案，如

圖1所示。它把定子線圈繞組分為對稱 的兩個獨立的繞組34、36，在電機圓柱體橫截面的圓裡，以兩個半圓形相對於某一直徑38 呈軸對稱布置，即每一套冗餘繞組各佔電機半個圓柱體的體積。每一套獨立繞組在屬於自 己的半圓柱的容積範圍裡布置有三個不同相位的三相繞組，圖IA是該對比技術方案的定 子槽展開圖。這樣的繞組布置，當工作中，兩個獨立繞組中的某一獨立冗餘繞組的繞組因繞 組間短路、斷路等因素出現故障時，處於另一半圓內的另一套獨立冗餘繞組可以繼續工作， 使系統的電機仍能在系統所要求的最小力矩範圍內維持工作。起到了冗餘效果，提高了系 統的安全係數。
但是，美國專利US5，919，549它的繞組組成是採用180°度軸對稱的方案，兩個獨 立的冗餘繞組被布置在分別兩個半圓的範圍裡，工作時如果某一組冗餘繞組出現了故障失 去動力時，另一冗餘繞組在工作時會對轉子的轉軸產生橫向側壓力，增加工作時的摩擦，導致軸和軸承磨損加劇，從而壽命減少。
本發明的目的是對於美國專利US5，919，549的技術方案進行改進，克服其存在的 工作中如果有一組繞組損壞時使電機轉軸發生側向受力的問題的這個缺點。這種不均勻受 力會使電機變得噪音過大、磨損加劇壽命縮短。
本發明還有一個目的是，要推出一種新型的具有冗餘安全功能的平行同軸兩輪 電動車的驅動電動機，它結構簡單，兩組獨立冗餘繞組的布局明顯比對比方案(美國專利 US5, 919，549)要來得合理，在出現某組繞組損壞動力消失時另一組繞組來繼續承擔工作時 不會產生轉軸的橫向側壓力。同時因為它的繞線採用集中繞法，它可以採用效率高、成本低 的內繞式繞線機(針繞法)來生產，所以，製造成本低。
本發明的方案是，一種雙冗餘繞組電機它包含有一對運動件，其一是定子，其二就 是轉子，定子包含有沿圓周均勻排列的極靴，極靴位於所說定子的內周邊上，所說的極靴在 定子圓周上與定子槽相間布置，轉子位於定子的中心，定子為轉子提供可以自由轉動的空 間，在定子上至少包含有兩套冗餘繞組，它們是第一冗餘繞組和第二冗餘繞組。這兩套冗餘 繞組是完全獨立的繞組，分別被獨立的控制電路給電，以產生驅動轉子的旋轉磁場。
a.所說的第一套和第二套冗餘繞組呈同心錯位交錯間隔地被布置在定子槽中。
b.所說的第一套和第二套冗餘繞組，其每一套都是由三個不同相的相繞組構成， 它們以120°度的圓心角同心均勻地被布置在定子的繞組槽中。
所說的第一和第二兩套冗餘繞組可以是兩套沒有分繞組的獨立的三相繞組。它們 相互呈同心、錯位、交錯、間隔布置。
所說的第一和第二兩套獨立的冗餘繞組，其每一套冗餘繞組可以由兩組相同的三 相繞組串聯構成。
所說的第一和第二兩套獨立的冗餘繞組，其每一套冗餘繞組也可以由三組相同的 三相繞組串聯構成。
整個電機其所有的繞組是按單節距的集中繞法(也叫「單節距」繞法)被繞制到 單個極靴上去的。
所說的第一套冗餘繞組和第二套冗餘繞組它們各套繞組中相同相的繞組它們在 定子槽內的布置總是相鄰相依的。
所說的定子線圈槽的槽數為6的整數倍。也就是說，它可以是6槽、12槽、18槽或 24槽等方案。
所說的兩套獨立冗餘繞組中每套冗餘繞組的三相繞組沒有分繞組的情況下，定子 槽總共有六個槽，每套冗餘繞組的三相繞組只有三個槽，以三個120°度的夾角等分，兩套 冗餘繞組呈同心、錯位、交錯布置，共佔6個定子槽。
所說的兩套獨立的冗餘繞組中每套冗餘繞組的三相中的每一相繞組的構成是由 兩組同相位的分繞組串聯構成時，定子槽數為12槽。
所說的兩套獨立的冗餘繞組中每套冗餘繞組的三相繞組其每一相繞組的構成是 由三組同相位的分繞組串聯構成時，定子槽數為18槽。
本發明的電機繞組的分布規律是
a.電機定子的繞組槽數為6的整數倍，S卩，繞組的定子槽數可以是6、12、18、M等。
b.對於同一套繞組中，如果繞組槽數大於6，則每套繞組中的每相繞組由η個獨立4繞組串聯構成。
也就是說，當η等於1時，第一冗餘繞組和第二冗餘繞組中各自只有一個三相繞 組，每個三相繞組的某一相都只有一個繞組，此時是η等於1的情況。當η等於2的時候；第 一冗餘繞組和第二冗餘繞組中各自就有兩個三相繞組，每個三相繞組的某一相就有兩個繞 組，此時是η等於2的情況。當η等於3的時候，第一冗餘繞組和第二冗餘繞組中各自就有 三個三相繞組，每個三相繞組的某一相就有3個繞組，此時是η等於3的情況。就這樣以此 類推，第一冗餘繞組和第二冗餘繞組中同一相位的相繞組各自就有4、5、6—個相同繞組 串聯或並聯構成。電機的定子槽數和繞組數目愈多，則電機的工況愈好，其轉速也越均勻， 功率越大。
本發明的雙冗餘繞組電機的製造方法，它使用內繞式繞線機，採用針繞法來對定 子進行高效的機械化繞制。因為所有的繞組在往定子上繞線的時候，不會發生繞組的交叉、 疊繞，也不像分布式繞組那樣需要在不同間隔的槽之間跳槽繞制，所以本發明的電機製造 效率高，成本也就低，加工方便簡單。
以下結合附圖和本發明的實施例對本發明進行具體說明。
附圖簡要說明
圖1是對比文獻的電機橫截面示意圖。
圖IA是對比文獻的電機槽展開圖。
圖2是本發明實施例1的電機的橫截面圖，顯示定子繞組的同心交錯布置狀態。
圖2Α是本發明實施例1的電機槽展開圖，顯示定子繞組的間隔布置的狀態。
圖3是本發明實施例2的電機橫截面示意圖，顯示定子繞組的同心交錯布置狀態。
圖3Α是實施例2的電機槽展開圖，顯示定子繞組的間隔布置的狀態。
圖4是本發明實施例3的電機的橫截面圖，顯示定子繞組的同心交錯布置狀態。
圖4Α是本發明實施例3的電機槽展開圖，顯示定子繞組的間隔布置的狀態。
[本發明的實施例]
實施例1，
圖2是本發明實施例1的雙冗餘繞組電機的橫向截面圖，它是一個具有第一和第 二兩個冗餘繞組的方案，共有6個定子繞組槽1、2、3、4、5、6，槽內共布置有兩個獨立的冗餘 繞組。白色的標記代表第一冗餘繞組，它共有3個相繞組1-A、1-B、1-C，繞組之間以120° 度的圓心角均勻相隔。黑色的標記代表第二冗餘繞組，它共有3個相繞組2-A、2-B、2-C，三 個相繞組之間也是以120°度的圓心角均勻相隔。
整個電機繞組的槽數就有6個。所說的第一套和第二套冗餘繞組呈同心錯位一個 圓心角交錯間隔地被布置在定子槽中。所說的第一套和第二套冗餘繞組，其每一套都是由 三個不同相的相繞組構成，它們以120°度的圓心角同心地均勻地被布置在定子的繞組槽 中。
以白色標記代表的第一套冗餘繞組布置如下(見圖幻在1和2定子繞組槽之間 的極靴19上繞有第一套冗餘繞組的A相繞組(I-A)；在3和4定子繞組槽之間的極靴20上 繞有第一套冗餘繞組的B相繞組(I-B)；在5和6定子繞組槽之間的極靴21上繞有第一套 冗餘繞組的C相繞組(I-C)。
然而以黑色標記代表的第二套冗餘繞組的安排如下在2和3定子繞組槽之間的極靴22上繞有第二套冗餘繞組的A相繞組(2-K)；在4和5定子繞組槽之間的極靴23上 繞有第二套冗餘繞組的B相繞組Q-B)；在6和1定子繞組槽之間的極靴M上繞有第二套 冗餘繞組的C相繞組(2-C)。
在本實施例中僅有兩個三相繞組，第一套冗餘繞組(以白色記號表示)就只有 (I-A)、(I-B)、(I-C)這三個相繞組組成一個繞組，各相繞組之間被以120°度的圓心角分 開；第二套冗餘繞組以黑色標記來表示各相繞組之間也同樣被以120°度的圓心角分開， 它們是O-A)、(2-B)、(2-C)。本實施例的每一個繞組都是重複多次循環地往單獨一個極靴 上繞，不會在隔多個間隔槽之間發生跨極繞制的情況，我們把這稱之為「集中繞法」。
圖2A是實施例1雙冗餘繞組電機的(單節距)集中繞法的示意圖。可以看到，圖 中分別代表第一套和第二套冗餘繞組的黑白繞組是交錯間隔分布的。整個電機中每個繞組 都採用集中繞法繞制。
實施例2是有兩套獨立的雙冗餘繞組電機。它共有定子槽12個。見圖3共有冗 餘繞組兩套呈同心角錯位布置。每套冗餘繞組各自有兩組分繞組構成。在此，每個繞組都 有套、組、相的對應關係，比如(I-A)就代表第一套冗餘繞組中的A相繞組。比如(I-B)就 代表第一套冗餘繞組中的B相繞組。(I-C)就代表第一套冗餘繞組中的C相繞組。第一套 繞組是以白色的記號代表，而第二套繞組則用黑色的記號表示，(2-A)就代表第二套冗餘繞 組中的A相繞組；(2-B)就代表第二套冗餘繞組中的B相繞組；(2-C)就代表第二套冗餘繞 組中的C相繞組。黑白兩套繞組各有兩套分繞組構成。不同的組是以不同的括弧來代表。 圓括弧代表第一組、方括弧[]代表第二組、大括弧{ }代表第三組繞組。圖3A是實 施例2的定子槽的展開圖。
白色的第一套冗餘繞組的第一組是這樣布置的在2和3定子繞組槽之間的極靴 25上繞有第一套冗餘繞組的A相分繞組中的第一組(I-A)；在4和5定子繞組槽之間的極 靴沈上繞有第一套冗餘繞組的B相分繞組中的第一組(I-B)；在6和7定子繞組槽之間的 極靴27上繞有第一套冗餘繞組的C相分繞組中的第一組(I-C)。第一組用圓括弧來表示。
白色的第一套冗餘繞組的第二組是這樣布置的在8和9定子繞組槽之間的極靴 28上繞有第一套冗餘繞組的A相分繞組的第二組[1-A]；在10和11定子繞組槽之間的極 靴四上繞有第一套冗餘繞組的B相分繞組第二組[1-B]；在12和1定子繞組槽之間的極 靴30上繞有第一套冗餘繞組的C相分繞組第二組[1-C]。第二組用方括弧來表示。
這樣，在總共12個定子槽裡共布置有12個繞組，第一套冗餘繞組有第一組三相繞 組(I-A)、(I-B)、(I-C)和第二組三相繞組[1-A]、[1-B]、[1-C]總共六個繞組。
接下去對第二套冗餘繞組的兩個組安排進行描述。第二套冗餘繞組用黑色的標記 來表示，它也是總共六個繞組，分為A，B，C三相，每相由二組分繞組。
黑色的第二套冗餘繞組的第一組是這樣安排的A相繞組中的第一組Q-A)，它被 繞在1和2槽之間的極靴31上。B相繞組的第一組O-B)，它被繞在3和4槽之間的極靴 32上。C相繞組的第一組(2-C)它被繞在5和6槽之間的極靴33上。
黑色的第二套冗餘繞組的第二組是這樣安排的A相分繞組中的第二組[2-A]，它 被繞制在7和8槽之間的極靴34上；B相分繞組中的第二組[2-B]，它被繞制在9和10槽 之間的極靴35上；C相分繞組中的第二組[2-C]，它被繞制在11和12槽之間的極靴36上。 第一組用圓括弧來表示，第二組用方括弧來表示。
第一和第二套冗餘繞組中的各組繞組的同一相的兩個繞組是被串聯連接的，整個 電機中每個繞組都採用集中繞法繞制。
實施例3是有兩套獨立繞組的雙冗餘繞組電機，它共有各自獨立的冗餘繞組兩 套，它們呈同心角錯位布置，其每套冗餘繞組又各由三組分繞組構成，即，A相三組、B相三 組、C相三組。它共有定子槽18個(見圖4)。
第一套繞組是以白色的記號代表，而第二套繞組則用黑色的記號表示，黑、白兩套 繞組各有三套分繞組構成。第一分組繞組用圓括弧來表示，第二分組用方括弧[]來 標識，第三分組用大括弧{ }來表示。圖4A是實施例3的定子槽的展開圖。
第一套冗餘繞組的三相繞組是這樣布置的(它以白色的標記表示)
第一分組在1和2定子繞組槽之間的極靴37上繞第一套冗餘繞組的A相繞組的 第一組冗餘繞組(I-A)，；在3和4定子繞組槽之間的極靴38上繞第一套冗餘繞組的B相 繞組的第一組冗餘繞組(I-B)；在5和6定子繞組槽之間的極靴39上繞第一套冗餘繞組的 C相繞組的第一組冗餘繞組(I-C)，以上是第一組分繞組的布置情況。
第二分組的三相繞組布置如下在7和8定子繞組槽之間的極靴40上繞第一套冗 餘繞組的A相繞組的第二組冗餘繞組[1-A]；在9和10定子繞組槽之間的極靴41上繞第 一套冗餘繞組的B相第二組冗餘繞組[1-B]；在11和12定子繞組槽之間的極靴42上繞第 一套冗餘繞組的C相第二組冗餘繞組[1-C]；
第三分組的三相繞組布置如下在13和14定子繞組槽之間的極靴43上繞第一套 冗餘繞組的A相繞組的第三組冗餘繞組{1-A}；在15和16定子繞組槽之間的極靴44上繞 第一套冗餘繞組的B相第三組冗餘繞組{1-B}；在17和18定子繞組槽之間的極靴45上繞 第一套冗餘繞組的C相第三組冗餘繞組{1-C}。
第二套冗餘繞組的三相繞組是這樣安排的(它以黑色的標記表示)
第一分組在2和3定子繞組槽之間的極靴46上繞第一套冗餘繞組的A相繞組的 第一組冗餘繞組O-A)；在4和5定子繞組槽之間的極靴47上繞第一套冗餘繞組的B相繞 組的第一組冗餘繞組O-B)；在6和7定子繞組槽之間的極靴48上繞第一套冗餘繞組的C 相繞組的第一組冗餘繞組(2-C)，以上是第一組分繞組的布置情況。第一分組繞組用圓括弧 來表不。
第二分組A相繞組中的[2-A]，它被繞制在8和9槽之間的極靴49上；B相繞組中 的第二組[2-B]，它被繞制在10和11槽之間的極靴50上；C相繞組中的第二組[2-C]，它 被繞制在12和13槽之間的極靴51上。第二分組用方括弧來表示。
第三分組的三相繞組布置如下在14和15定子繞組槽之間的極靴52上繞第一套 冗餘繞組的A相繞組的第三組冗餘繞組{1-A}；在16和17定子繞組槽之間的極靴53上繞 第一套冗餘繞組的B相第三組分繞組{1-B}；在18和1定子繞組槽之間的極靴M上繞第 一套冗餘繞組的C相第三組冗餘繞組{1-C}；第三分組用大括弧來表示。
第一和第二套冗餘繞組中的各組(三組)繞組的同一相的三個繞組是被串聯連接 的。整個電機中每個繞組都採用集中繞法繞制。
就這樣以此類推，第一冗餘繞組和第二冗餘繞組中各自可以有4個、5個、6 個一三相繞組。電機定子槽數和繞組數目愈多，則電機的工況愈好，其轉速也越均勻，功 率越大。
權利要求
1.一種雙冗餘繞組電機它包含有一對運動件，其一是定子，其二就是轉子，定子包含有 沿圓周均勻排列的極靴，極靴位於所說定子的內周邊上，所說的極靴在定子圓周上與定子 槽相間布置，轉子位於定子的中心，定子為轉子提供可以自由轉動的空間，在定子上至少包 含有兩套冗餘線圈，它們是第一冗餘繞組和第二冗餘繞組，它們是獨立的繞組，分別被獨立 的控制電路供電，以產生驅動轉子的旋轉磁場，其特徵是a.所說的第一套和第二套冗餘繞組呈同心錯位交錯間隔地被布置在定子槽中。b.所說的第一套和第二套冗餘繞組，其每一套都是由三個不同相的相繞組構成，它們 以120度的圓心角同心地均勻地被布置在定子的線圈槽中。
2.如權利要求1所說的雙冗餘繞組電機，其特徵是所說的第一和第二兩套獨立的冗 餘繞組，其每一套冗餘繞組又有兩組相同的三相繞組串聯構成。
3.如權利要求1所說的雙冗餘繞組電機，其特徵是所說的第一和第二兩套獨立的冗 餘繞組，其每一套冗餘繞組又有三組相同的三相繞組串聯構成。
4.如權利要求1或2或3所說的雙冗餘繞組電機，其特徵是其所有的線圈是按單節 距的集中繞法被繞制到單個極靴上去的。
5.如權利要求4所說的雙冗餘繞組電機，其特徵是所說的第一套冗餘繞組和第二套 冗餘繞組它們各套繞組中相同相的繞組它們在定子槽內的布置總是相鄰相依的。
6.如權利要求4所說的雙冗餘繞組電機，其特徵是所說的定子線圈槽的槽數為6的 整數倍。
7.如權利要求4所說的雙冗餘繞組電機，其特徵是所說的兩套獨立的冗餘繞組中每 套冗餘繞組的三相中的每一相線圈的構成是由兩組同相位的分繞組串聯構成的。
8.如權利要求4所說的雙冗餘繞組電機，其特徵是所說的兩套獨立的冗餘繞組中每 套冗餘繞組的三相繞組其每一相線圈的構成是由三組同相位的分繞組串聯構成的。
9.一種雙冗餘繞組電機的製造方法，它使用內繞式繞線機，對每一個繞組進行繞制。
全文摘要
一種具有雙冗餘線圈的驅動電機，它被用於平行同軸兩輪電動車。在線圈出現故障的情況下能繼續保持可靠的工況，保持最低限度的轉矩，繼續帶病工作。特別適合平行同軸兩輪電動車對可靠性的要求。它是一種雙冗餘繞組電機，它包含有一對運動件，其一是定子，其二就是轉子，定子包含有沿圓周均勻排列的供繞制線圈的極靴。在定子上至少包含有兩套冗餘線圈，它們是獨立的第一冗餘繞組和第二冗餘繞組，分別有獨立的電路向它們供電，以產生驅動轉子的旋轉磁場。所說的第一套和第二套冗餘繞組呈同心錯位交錯間隔地被布置在定子槽中。其每一套都是由三個不同相的相線圈構成，它們以120°度的圓心角同心地均勻地被布置在定子的線圈槽中。每一套三相線圈又分別可以由兩到三組分線圈構成。
文檔編號H02K15/085GK102035271SQ20091020470
公開日2011年4月27日 申請日期2009年9月30日 優先權日2009年9月30日
發明者陳養彬 申請人:上海新世紀機器人有限公司