CN105553142A - 一种交流无刷双馈电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种交流无刷双馈电机,包括定子和转子,定子具有分别为p1和p2的极对数,转子具有大齿和小齿,大齿和小齿均以转子为中心呈发散状分布,小齿位于相邻两大齿之间,大齿和小齿的数量均为p1+p2个,该转子等效极对数pr=p1+p2,转子等效极距为τr,大齿齿宽区间和小齿齿宽区间之和为τr,大齿和小齿之间间隔形成对称且非均匀分布的p1+p2个转子齿槽Zr,每个大齿上分别围绕有一自闭合的线圈。本发明结构紧凑,转子损耗小,效率高,运行可靠。
Description
技术领域
本发明涉及电机,具体来说涉及一种交流无刷双馈电机。
背景技术
无刷双馈电机采用电网电源和变频电源分别供电,具有运行可靠,要求的变频电源容量较小,且可采用不同电压等级等特点,既能以电动机变频调速方式运行,又适合作为发电机,用于风力或是水力变速恒频发电等。
无刷双馈电机具有良好性能的关键在于转子。其中,转子类型可分为反应式和感应式,具体转子结构主要有两种,一种是属于反应式的磁阻转子,转子铁芯制成类似凸极的结构,其上没有任何导体;另一种是属于感应式的“同心笼”转子,转子齿槽内按“同心嵌套”方式放置有多个各自电气独立回路环笼型绕组。这两种转子结构中,磁阻转子因为转子上没有导体,故转子损耗小,效率较高,但不足之处是噪声和振动比较大,“同心笼”转子作为电动机起动特性较好,但其中绕组导体需用绝缘材料与铁芯隔离,制作工艺复杂,还存在功率密度较低等诸多问题,因而还未能进入商业化工业实际应用。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种交流无刷双馈电机,其结构紧凑,转子损耗小,效率高,运行可靠。
本发明的目的通过以下技术方案实现:
一种交流无刷双馈电机,包括定子和转子,定子具有分别为p1和p2的极对数,转子具有大齿和小齿,大齿和小齿均以转子为中心呈发散状分布,小齿位于相邻两大齿之间,大齿和小齿的数量均为p1+p2个,该转子等效极对数pr=p1+p2,转子等效极距为τr,大齿齿宽区间和小齿齿宽区间之和为τr,大齿和小齿之间间隔形成对称且非均匀分布的2(p1+p2)个转子齿槽Zr,每个大齿上分别围绕有一自闭合的线圈。
优选地,转子齿槽Zr为偶数个。
优选地,线圈跨距yr<τr。
优选地,大齿上开有开口空槽。
优选地,开口空槽内具有空腔,且开口空槽沿转子的轴向延伸。
优选地,开口空槽为多个,在转子的外表分布。
优选地,开口空槽的两侧分别开有沿转子轴向延伸的窄槽。
优选地,线圈为单匝,并通过非绝缘方式绕设在转子的转子铁芯上;插装在转子铁芯上的导电体采用导电金属铸造而成,或者,该导电体为铜导条,并焊接于转子铁芯。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
本发明由于自闭合线圈可以为单匝,与转子铁芯间无需绝缘,因而能够采用铸造或是铜导条焊接的方式制作。转子每个大齿上另外有一个开口空槽,具备空腔,其中不放置导体,使沿转子圆周气隙呈现非均匀分布,这种转子兼有磁阻式和绕组式的特点,结构简单,运行可靠,另外,通过对开口空槽尺寸大小的调节,可改变磁阻或是绕组这两方面效应贡献度的大小,使之转子整体性能达到一个较好的平衡,进而降低转子损耗,提高了效率。
附图说明
图1为本发明齿谐波感应线圈的示意图;
图2a为本发明Zr=pr=4齿谐波绕组布置示意图之一;
图2b为本发明Zr=pr=4齿谐波绕组布置示意图之二;
图3为本发明齿谐波磁阻和回路环转子混合结构示意图;
图4为本发明实施例1的2/6极齿谐波转子冲片图;
图5为本发明实施例1的2/6极齿谐波转子结构示意图;
图6为本发明实施例2的4/8极齿谐波转子冲片图;
图7为本发明实施例2的4/8极齿谐波转子结构示意图;
图中:1、定子;2、转子;21、大齿;22、小齿;23、线圈;24、开口空槽;25、窄槽;26、转子铁芯;27、导电体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1-7所示的一种交流无刷双馈电机,包括定子1和转子2,定子1具有分别为p1和p2的极对数,转子2具有大齿21和小齿22,大齿21和小齿22均以转子2为中心呈发散状分布,小齿22位于相邻两大齿21之间,大齿21和小齿22的数量均为p1+p2个,该转子2等效极对数pr=p1+p2,转子2等效极距为τr,大齿21齿宽区间和小齿22齿宽区间之和为τr,大齿21和小齿22之间间隔形成对称且非均匀分布的2(p1+p2)个转子齿槽Zr,每个大齿21上分别围绕有一自闭合的线圈23。
其中,本例所述的转子齿槽Zr为偶数个。线圈23跨距yr<τr。大齿21上开有开口空槽24。开口空槽24内具有空腔,且开口空槽24沿转子2的轴向延伸。本例的开口空槽24为多个,在转子2的外表分布。开口空槽24的两侧分别开有沿转子2轴向延伸的窄槽25。本例的线圈23为单匝,并通过非绝缘方式绕设在转子2的转子铁芯26上;插装在转子铁芯26上的导电体27采用导电金属铸造而成,或者,该导电体27为铜导条,并焊接于转子铁芯26。
本交流无刷双馈电机的工作原理如下:构成齿谐波绕组所需要感应线圈23的数量与无刷双馈电机定子1所具有的两种极对数有关。若无刷双馈电机定子1具有两种极对数分别为p1和p2,两者之和为转子2对应的等效极对数:
pr=p1+p2,
则,构成齿谐波绕组所需要的转子齿槽数为:
Zr=pr=p1+p2,
因为感应线圈23嵌放在每个转子齿槽,因此Zr也是感应线圈23的个数。若Zr=pr不为偶数,则两种极数合成后的气隙磁场将会不对称。
由这种感应线圈23构成的转子2绕组,当无刷双馈电机定子1p1或是p2绕组接入交流电源产生气隙旋转磁场时,所感应产生的转子2磁动势中,除含有极对数p1和p2这两种基本谐波外,还有一系列高次谐波。可以证明,无论是基本谐波还是高次谐波,均只与转子2齿数Zr有关,这些谐波极对数满足关系式pν=kZr±p1(k=0,1,2,3…),因而被称为齿谐波。
齿谐波转子2绕组中共含有Zr个自闭合的感应线圈23,于是可以认为每个线圈23自成一相,也即齿谐波转子2绕组的相数mr=Zr=pr。显然,这样构成的齿谐波转子2绕组磁动势谐波中不会含有任何与Zr无关的相带谐波,所产生的全部谐波均为齿谐波。若假定p1<p2,则这些齿谐波中最小极对数为p1,也即pν的集合中不会出现极数小于p1的低次齿谐波。
这种齿谐波转子2绕组产生的齿谐波磁动势有以下两个自然属性:
1)相邻两个齿谐波磁动势旋转方向相反;
2)所有齿谐波磁动势的绕组系数相等。
本交流无刷双馈电机定子1同时具有p1和p2两种极对数,也要求转子2绕组能同时产生极对数p1和p2且旋转方向相反的磁动势波,并对于两种极对数p1和p2有尽可能高的绕组系数,而这些要求正好与齿谐波转子2绕组的自然属性相符合,因此本交流无刷双馈电机的转子2绕组可利用上述齿谐波磁动势自然属性来进行设计。
若上述齿谐波绕组每相只有1个闭合的线圈23,每个转子齿槽内有两个线圈边。这时对应的等效转子2极距为τr=Zr/pr,线圈23节距(跨距)则为yr=τr,因而是整距绕组,此时大齿21和小齿22之间间隔形成对称且非均匀分布的p1+p2个转子齿槽Zr。
齿谐波整距绕组磁动势中所有齿谐波绕组系数相等。因此,相对于极对数p1和p2这两种所需要的基本齿谐波外,其余高次齿谐波相对幅值也较大,这会严重影响无刷双馈电机性能。一般总是希望在保留基本齿谐波的前提下,尽可能削弱这些有害的高次齿谐波。改变线圈23节距使yr<τr,也即采用齿谐波短距绕组是削弱高次齿谐波一个有效的方法。在很多情况下,采用齿谐波短距绕组可能获得更好的性能。但是,感应线圈23节距改变后,转子齿槽数也必须相应增加一倍,以能安置节距改变后的线圈边,这时的转子2绕组也相应变成单层绕组。
图2a、图2b所示为p1=1,p2=3,Zr=pr=p1+p2=4,τr=Zr/pr=1齿谐波绕组布置示意图。其中图2a为线圈23节距yr=τr的齿谐波整距绕组;图2b为线圈23节距的齿谐波短距绕组,由于为放置短距线圈23,必须在线圈边转子2相应位置上增加4个转子齿槽,从而形成8槽非均匀分布的大小齿22结构,这时每个转子齿槽中只有一个线圈边,也即这个齿谐波短距绕组为单层绕组。
上述齿谐波整距绕组和短距绕组磁动势谐波分析结果列于表1。表1中Fν表示磁动势相对幅值,而Fν+表示正转波Fν-表示反转波。
表1
pr=p1+p2=4齿谐波绕组磁动势谐波分析
从表1可以看出,适当调整线圈23节距可以显著削弱高次齿谐波。当线圈23为短距,相对于齿谐波短距绕组和整距绕组中极对数pν=1和pν=3这两个基波而言,幅值较大的极对数pν=5的高次谐波相对幅值,从60.0000降为29.9320,极对数pν=7相对幅值从42.8571降为21.4966。这也可以看成是由于短距绕组槽数比整距绕组增加一倍,而离散了高次齿谐波的结果。
上述大齿21围绕着的闭合线圈23匝数可以是1匝,这样实际上就形成了一个短路环,整个转子2短路环的个数为Zr=pr=p1+p2。由于转子2铁磁材料和导体导电性能相差很大,因此可以不再需要槽绝缘材料,甚至可以采用金属铸造或是铜导条直接焊接的方式制作短路环,使转子2结构进一步简化。
在上述分析的基础上,若要进一步提高转子2性能,就需要利用转子2凸极产生的磁阻效应。以在图2b所示转子2为例,在其中大齿21上增加一个宽度为b的开口孔槽,使开口孔槽处的气隙从原来的δ1增加到δ2,沿转子2圆周气隙大小如同凸极转子2那样呈现非均匀变化,如图3所示。图3中δ2和开口孔槽宽度b的具体数值需要通过气隙磁场谐波分析才能最后决定。气隙磁场谐波分析的原则仍然是需使得极对数p1和p2这两种基本齿谐波相对幅值尽可能大,而其余高次齿谐波相对幅值尽可能小。不过这里要注意的是,大齿21上增加的开口孔槽会使绕在上面的线圈23效用减弱,也会改变气隙磁场分布及其中谐波含量,这也意味着对于这样混合结构的转子2设计时,需要综合考虑磁阻和绕组这两方面的效应,通过开口孔槽尺寸大小的调节,改变两者之间贡献度的大小,使之转子2整体性能达到一个较好的平衡。
实施例1
设计p1=1和p2=3的齿谐波转子2结构方案。
本例的pr=p1+p2=4,采用大小齿22间隔对称分布的结构,大小齿22各有4个,大小齿22之间形成对称但非均匀分布的8个转子齿槽,取共有4个短路环围绕大齿21放置在转子齿槽内。为增强凸极磁阻效应,大齿21上另外设置开口空槽24,形成了沿转子2圆周气隙的非均匀分布,转子2导体槽两侧也另外再开两个不放置导电体27的窄槽25,由此得到转子冲片图如图4所示。图5所示为转子齿槽中放置导体并连接后的转子2整体结构示意图。
实施例2
设计p1=2和p2=4的齿谐波转子2结构方案。
本例的pr=p1+p2=mr=6,采用大小齿22间隔对称分布的结构,大小齿22各有6个,大小齿22之间有对称但非均匀分布的12个转子齿槽,取共有6个短路环围绕大齿21放置在转子齿槽内。为增强凸极磁阻效应,大齿21上另外设置开口空槽24,形成了沿转子2圆周气隙的非均匀分布,转子2导体槽两侧也另外再开两个不放置导电体27的窄槽25,由此得到转子冲片图如图6所示。图7所示为转子齿槽中放置导体并连接后的转子2整体结构示意图。
本发明的实施方式不限于此,按照本发明的上述内容,利用本领域的普通技术知识和惯用手段,在不脱离本发明上述基本技术思想前提下,本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更,均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (8)
1.一种交流无刷双馈电机,包括定子和转子,其特征在于,定子具有分别为p1和p2的极对数,转子具有大齿和小齿,大齿和小齿均以转子为中心呈发散状分布,小齿位于相邻两大齿之间,大齿和小齿的数量均为p1+p2个,该转子等效极对数pr=p1+p2,转子等效极距为τr,大齿齿宽区间和小齿齿宽区间之和为τr,大齿和小齿之间间隔形成对称且非均匀分布的2(p1+p2)个转子齿槽Zr,每个大齿上分别围绕有一自闭合的线圈。
2.根据权利要求1所述的交流无刷双馈电机,其特征在于,转子齿槽Zr为偶数个。
3.根据权利要求1所述的交流无刷双馈电机,其特征在于,线圈跨距yr<τr。
4.根据权利要求1所述的交流无刷双馈电机,其特征在于,大齿上开有开口空槽。
5.根据权利要求4所述的交流无刷双馈电机,其特征在于,开口空槽内具有空腔,且开口空槽沿转子的轴向延伸。
6.根据权利要求5所述的交流无刷双馈电机,其特征在于,开口空槽为多个,在转子的外表分布。
7.根据权利要求4所述的交流无刷双馈电机,其特征在于,开口空槽的两侧分别开有沿转子轴向延伸的窄槽。
8.根据权利要求1-7任一项所述的交流无刷双馈电机,其特征在于,线圈为单匝,并通过非绝缘方式绕设在转子的转子铁芯上;插装在转子铁芯上的导电体采用导电金属铸造而成,或者,该导电体为铜导条,并焊接于转子铁芯。
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