CN108199551B - 一种非重叠绕组齿槽型双转子电励磁同步电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非重叠绕组齿槽型双转子电励磁同步电机,包括定子、内转子与外转子,定子与内、外转子间存在气隙。定子的内外两侧均设有导磁齿和齿槽,相对的一对齿槽以及其两侧各半个导磁齿所组成的H形部分称为一个定子模块,分为励磁模块和电枢模块两类,两者交替排布。励磁绕组和电枢绕组位于齿槽中并套在定子的轭部,每个齿槽中有一个励磁绕组或两个电枢绕组。内外转子均为齿槽结构。本电机具有转子结构简单、绕组端部长度短、效率高、功率密度高等特点,可用于电动汽车、风力发电等需要宽调速、高效率、高功率的场合。
Description
技术领域
本发明涉及的是齿槽型双转子电励磁同步电机,属于电机制造技术领域。
背景技术
随着工业的发展,电机在各种大功率、高转速的场合应用越来越广泛。传统的直流电机的电枢电流与励磁电流均可独立调节,有着良好的调速特性,在各种中低速场合应用广泛,但是传统直流电机需要配置电刷和换向器,增加了结构的复杂性,在例如航空航天领域,高转速情况下电刷和换向器会带来一定的风险。旋转感应电机有着结构简单无需电刷与换向器、带载能力强、可靠性高的优点,在各个领域应用十分广泛,但是感应电机的控制较为复杂,同时效率与功率因数偏低,在大功率场合使用会浪费大量电能、增加***成本。传统的永磁无刷电机兼顾了无刷、高效率、高功率因数的优势,但是永磁体作为昂贵的稀土资源,对温度、振动等因素较为敏感,在大功率背景下,永磁体存在退磁的风险,这对***的散热提出了较高的要求,增加了***的复杂度,降低了***的容错率,另一方面,永磁电机的励磁难以调节,这给弱磁控制带来了一定的难度,进而限制了传统永磁无刷电机在高速领域的应用,提高了***的复杂度与成本。
电励磁磁通切换电机的转子仅由导磁材料构成,结构简单,可靠性高,便于维护;同时,作为电励磁电机,电励磁磁通切换电机便于调磁,调速范围广,应用前景广泛。但由于该电机的励磁绕组和电枢绕组存在重叠,因此增加了端部绕组长度,槽满率低,降低了电机的功率密度。现有研究结果表明,针对该类电机,某特定极距比时,采用分布绕组可以提高电机的输出功率,但分布绕组进一步增加了端部长度。因此,解决该类电机励磁绕组和电枢绕组存在重叠的问题以及提出高性能的绕组布置方式具有重要意义。该类电机在新能源汽车、风力发电或航空航天领域都有着广泛的应用前景。
发明内容
针对现有技术上存在的不足,本发明目的在于提供一种采用非重叠绕组的双转子齿槽型电励磁同步电机,大大减小了传统电励磁磁通切换电机的端部绕组长度,提高了分布因数,增大了反电势幅值,进而提高了输出功率和功率密度。同时,本发明中的非重叠绕组减小了了端部绕组长度、降低了铜耗、提高了电机的效率。
本发明提出的非重叠绕组齿槽型双转子电励磁同步电机,包括定子10,分别设置于定子10内、外两侧的内转子11和外转子12,所述定子10和内外转子间存在气隙;所述定子10中设有导磁齿100,所述导磁齿100沿定子径向分布,在定子10的周向等间距排列;相邻两个导磁齿(100)之间为两端向定子内部凹陷的定子槽101;
所述定子10中还包括电枢绕组102和励磁绕组103,所述电枢绕组102和励磁绕组103分布于所述定子槽101中,形成电枢模块或励磁模块;所述电枢模块和励磁模块交替设置。
进一步地,所述定子槽101以及其两侧各半个导磁齿100所组成的H形部分称为一个定子模块104,设置励磁绕组103在所述导磁齿两侧的定子模块称为励磁模块,设置电枢绕组102的称为电枢模块,绕组位于定子槽(101)中并套在定子的轭部。
进一步地,所述外转子12和内转子11为齿槽结构;
相邻两定子导磁齿中线之间的机械角度为定子极距θs,相邻两转子导磁齿的中心线距离为转子极距θr,所述电枢绕组102的分布方式根据θs/θr来确定,相邻励磁模块的励磁绕组103产生的磁场方向相反。
更进一步地,所述定子10包括2*k*m*n个定子模块104,m为电机的相数,k为每个电机单元中同相电枢绕组102串联对数,n为电机单元数;所述电枢绕组102的缠绕方式根据以下θs/θr的不同分为三类:
a.
b.
c.
其中,t为非负整数。
进一步地,当θs/θr属于a类情况时,同一所述定子槽101内的电枢绕组102绕制方向相反;此类情况下,同一所述定子模块104两侧的两个电枢绕组102称为1对电枢绕组102;
同一对电枢绕组102绕制方向相反,并且属于同一相;k对连续的所述电枢绕组102组成一相绕组;包含定子励磁、电枢模块在内,2*m*k个连续定子模块104构成一个电机单元,n个电机单元构成完整的定子10。
进一步地,当θs/θr属于b类情况时,同一所述定子槽101内的电枢绕组102绕制方向相同,称为1对电枢绕组102;
奇数相时,k/2个连续定子模块104内的电枢绕组102组成一相绕组,偶数相时为k个连续定子模块104内的电枢绕组102组成一相绕组;
其中,某一定子模块104内的电枢绕组(102)与其相邻一侧电枢模块的电枢绕组(102)的绕制方向相同,与相邻另一侧电枢模块的电枢绕组102的绕制方向相反;2*m*k个连续定子模块104构成一个电机单元;n个电机单元构成完整的定子10。
进一步地,当θs/θr属于c类情况时,同一所述定子槽101内的电枢绕组102绕制方向相同,称为1对电枢绕组102;
奇数相时,k/2个连续定子模块104内的电枢绕组102组成一相绕组,偶数相时为k个连续定子模块104内的电枢绕组102组成一相绕组,属于同一相绕组的绕制方向相同;
其中,属于同一相的连续若干个电枢绕组102与相邻并属于其他相的电枢绕组102的绕制方向相反;
2*m*k个连续定子模块104构成一个电机单元,n个电机单元构成完整的定子10。
进一步地,每个电机单元中的励磁绕组103为串联连接,构成励磁绕组单元,n个电机单元之间的励磁绕组单元串联或并联联接;
每个电机单元中任意一相电枢绕组由k对电枢绕组102串联组成,n个电机单元依次设置,不同电机单元中属于同相的电枢绕组102串联或并联连接。
作为一种优选,所述电枢绕组102和励磁绕组103为铜或超导线圈。
作为上述电机的一种变换形式,所述非重叠绕组齿槽型双转子电励磁同步电机是电动机或发电机。
本发明电机主要存在如下优点:
本发明提出的双转子齿槽型电励磁同步电机,电枢绕组与励磁绕组均置于定子上,转子结构简单,便于维护。克服了传统电励磁磁通切换电机励磁绕组和电枢绕组重叠、端部绕组长、分布系数低的缺点。本发明提出的非重叠式绕组减少了电机绕组长度、减少铜损,提高绕组的节距因数,进而提高电机功率密度。同时,本发明作为电动机运行时,特别适用于需要调速范围宽、高效运行区宽的场合,如电动汽车驱动电机。作为发电机运行时,励磁电流易于调节,可以通过调整绕组的分布方式,实现某一次谐波地消除或削弱,进而提高输出电压的正弦度,进一步提高功率因数,降低对***的要求。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明:
图1本发明非重叠绕组齿槽型双转子电励磁同步电机实施例1电机结构示意图;
图2本发明非重叠绕组齿槽型双转子电励磁同步电机实施例1槽矢量示意图;
图3本发明非重叠绕组齿槽型双转子电励磁同步电机实施例2电机结构示意图;
图4本发明非重叠绕组齿槽型双转子电励磁同步电机实施例2槽矢量示意图;
图5本发明非重叠绕组齿槽型双转子电励磁同步电机实施例3电机结构示意图;
图6本发明非重叠绕组齿槽型双转子电励磁同步电机实施例3槽矢量示意图;
图7本发明非重叠绕组齿槽型双转子电励磁同步电机实施例4电机结构示意图;
图8本发明非重叠绕组齿槽型双转子电励磁同步电机实施例4槽矢量示意图;
其中,10-定子,11-内转子,12-外转子,100-导磁齿,101-定子槽,102-电枢绕组,103-励磁绕组,104-定子模块。
具体实施方式
本发明提供双转子齿槽型电励磁同步电机,为使本发明的目的,技术方案及效果更加清楚,明确,以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明提出的非重叠绕组齿槽型双转子电励磁同步电机,包括定子10,分别设置于定子10内、外两侧的内转子11和外转子12,所述定子10和内外转子间存在气隙;所述定子10中设有导磁齿100,所述导磁齿100沿定子径向分布,在定子10的周向等间距排列;相邻两个导磁齿(100)之间为两端向定子内部凹陷的定子槽101;
所述定子10中还包括电枢绕组102和励磁绕组103,所述电枢绕组102和励磁绕组103分布于所述定子槽101中,形成电枢模块或励磁模块;所述电枢模块和励磁模块交替设置。
进一步地,所述定子槽101以及其两侧各半个导磁齿100所组成的H形部分称为一个定子模块104,设置励磁绕组103在所述导磁齿两侧的定子模块称为励磁模块,设置电枢绕组102的称为电枢模块,绕组位于定子槽(101)中并套在定子的轭部。
进一步地,所述外转子12和内转子11为齿槽结构;
相邻两定子导磁齿中线之间的机械角度为定子极距θs,相邻两转子导磁齿的中心线距离为转子极距θr,所述电枢绕组102的分布方式根据θs/θr来确定,相邻励磁模块的励磁绕组103产生的磁场方向相反。
更进一步地,所述定子10包括2*k*m*n个定子模块104,m为电机的相数,k为每个电机单元中同相电枢绕组102串联对数,n为电机单元数;所述电枢绕组102的缠绕方式根据以下θs/θr的不同分为三类:
a.
b.
c.
其中,t为非负整数。
进一步地,当θs/θr属于a类情况时,同一所述定子槽101内的电枢绕组102绕制方向相反;同一所述定子模块104两侧的两个电枢绕组102称为1对电枢绕组102;
同一对电枢绕组102绕制方向相反,并且属于同一相;k对连续的所述电枢绕组102组成一相绕组;包含定子励磁、电枢模块在内,2*m*k个连续定子模块104构成一个电机单元,n个电机单元构成完整的定子10。
进一步地,当θs/θr属于b类情况时,同一所述定子槽101内的电枢绕组102绕制方向相同,称为1对电枢绕组102;
奇数相时,k/2个连续定子模块104内的电枢绕组102组成一相绕组,偶数相时为k个连续定子模块104内的电枢绕组102组成一相绕组;
其中,某一定子模块104内的电枢绕组(102)与其相邻一侧电枢模块的电枢绕组(102)的绕制方向相同,与相邻另一侧电枢模块的电枢绕组102的绕制方向相反;2*m*k个连续定子模块104构成一个电机单元;n个电机单元构成完整的定子10。
进一步地,当θs/θr属于c类情况时,同一所述定子槽101内的电枢绕组102绕制方向相同,称为1对电枢绕组102;
奇数相时,k/2个连续定子模块104内的电枢绕组102组成一相绕组,偶数相时为k个连续定子模块104内的电枢绕组102组成一相绕组,属于同一相绕组的绕制方向相同;
其中,属于同一相的连续若干个电枢绕组102中与相邻并属于其他相的电枢绕组102的绕制方向相反;
2*m*k个连续定子模块104构成一个电机单元,n个电机单元构成完整的定子10。
进一步地,每个电机单元中的励磁绕组103为串联连接,构成励磁绕组单元,n个电机单元之间的励磁绕组单元串联或并联联接;
每个电机单元中任意一相电枢绕组由k对电枢绕组102串联组成,n个电机单元依次设置,不同电机单元中属于同相的电枢绕组102串联或并联连接。
作为一种优选,所述电枢绕组102和励磁绕组103为铜或超导线圈。
作为上述电机的一种变换形式,所述非重叠绕组齿槽型双转子电励磁同步电机是电动机或发电机。
实施例1
参见图1,本发明的齿槽型双转子电励磁同步电机,采用a类绕组,
本实施例中,m=3,t=0,k=1,n=2,正负号取正,因此极距比θs/θr定为5/12。其中,m为电机的相数,k为每个电机单元中同相电枢绕组102串联对数,n为电机单元数。
本发明的非叠绕组齿槽型双转子电励磁同步电机,包括定子10、内转子11与外转子12,定子10与内、外转子间存在气隙。定子10的内外两侧均设有导磁齿100和定子槽101,相对的一对定子槽101以及其两侧各半个导磁齿100所组成的H形部分称为一个定子模块104,其个数为Ns=2*m*k*n=12。励磁绕组103和电枢绕组102位于定子槽101中并套在定子的轭部,每个齿槽中有一个励磁绕组或两个电枢绕组。
本实施例中,m=3,k=1,n=2。即本实施例中电机为三相电机,包含A、B、C三相,共包含n=2个电机单元,每个电机单元中每相有k=1对电枢绕组102。
本实施例中,同一所述定子槽101内的电枢绕组102绕制方向相反,例如A1与C2’;同一所述定子模块104两侧的两个电枢绕组102称为1对电枢绕组102,例如A1与A1’;
同一对电枢绕组102绕制方向相反,并且属于同一相,例如A1与A1’;k=1对连续的所述电枢绕组102组成一相绕组;包含定子励磁、电枢模块在内,2*m*k=6个连续定子模块104构成一个电机单元,n=2个电机单元构成完整的定子10。
本实施例中,上述定子10的定子槽101中交替分布电枢绕组102与励磁绕组103,每个电机单元中的集中励磁绕组103为串联联接,构成励磁绕组单元,电机单元中的励磁绕组单元采用串联,任意相邻两励磁绕组103产生的磁场方向相反。
参见图2,对本实例中安放了电枢绕组的槽进行编号,记为s1~s6,各槽的槽矢量已标出,相邻上述槽之间电矢量相位相差120°。本实例中,同相相邻电枢绕组102绕向相反,以A相绕组中的A1为例,A1与A1’绕向相反,因此两者合成电矢量为s1-s2,得到c1。c1大小为定子槽内单个电枢绕组102矢量大小的1.732倍。结合图1可以看出,A相绕组的A2与A2’,合成电矢量为s4-s5,与c1相等,因此A相的磁链与反电势幅值为定子槽内一个电枢绕组112幅值的3.462倍。
本实施例的结构特点如下:第一,对比传统集中绕组,本发明的连接方式端部较短,减少了铜损,提高了电机效率;第二,转子由导磁材料构成,结构简单,便于维护;第三,采用电励磁,可以通过调节励磁电流实现宽范围调速;第四,采用双转子结构,适合输出功率要求大的场合。
实施例2
图3也为一台齿槽型双转子电励磁同步电机,本实施例和实施例1的不同之处在于,本实施例为四相电机,电枢绕组分布方式采用a类绕组,极距比满足:
其中,t=0,m=4,k=1,n=2,正负号取正,因此极距比θs/θr定为6/16。其中,m为电机的相数,k为每个电机单元中同相电枢绕组102串联对数,n为电机单元数。
本实施例中,同一所述定子槽101内的电枢绕组102绕制方向相反,例如A1与D2’;同一所述定子模块104两侧的两个电枢绕组102称为1对电枢绕组102,例如A1与A1’;
同一对电枢绕组102绕制方向相反,并且属于同一相,例如A1与A1’;k=1对连续的所述电枢绕组102组成一相绕组;包含定子励磁、电枢模块在内,2*m*k=8个连续定子模块104构成一个电机单元,n=2个电机单元构成完整的定子10。
参见图4,对本实例中安放了电枢绕组的槽进行编号,记为s1~s8,各槽的槽矢量已标出,相邻上述槽之间电矢量相位相差90°。本实例中,同相相邻电枢绕组102绕向相反,以A相绕组中的A1与A1’为例,两者绕向相反,合成电矢量为s1-s2,得到c1,合成矢量大小为定子槽内一个电枢绕组102矢量大小的1.414倍。结合图3可以看出,A相绕组的A2与A2’,合成电矢量为s5-s6,与c1相等,因此A相的磁链与反电势幅值为定子槽内一个电枢绕组102幅值的2.828倍。
实施例3
图5也为一台双转子齿槽型电励磁同步电机。本实施例与实施例1的不同之处在于,本实施例中,电枢绕组分布方式采用c类绕组,极距比满足:
其中,t=0,m=3,k=2,n=1,正负号取正,因此极距比θs/θr定为8/24,即4/12。其中,m为电机的相数,k为每个电机单元中同相电枢绕组102串联对数,n为电机单元数。
本实施例中,同一所述定子槽101内的电枢绕组102绕制方向相同,例如A1与A2;同一所述定子模块104内的两个电枢绕组102称为1对电枢绕组102,例如A1与A2;
本实施例中,m=3为奇数相,k/2=1,即每个定子模块104内的电枢绕组102组成一相绕组,例如A1与A2构成一相绕组;其中,某一定子模块104内的电枢绕组102与其相邻的电枢绕组102的绕制方向相反,例如A1与C2’绕向相反。
参见图6,对本实例中安放了电枢绕组的槽进行编号,记为s1~s6,各槽的槽矢量已标出,相邻上述槽之间电矢量相位相差60°。本实例中,以A相为例,A1与A1’合成电矢量为s1-s4,得到c1。c1大小为单个槽中电枢绕组102电矢量大小的两倍。由于每槽有2个电枢绕组102,合成矢量大小为定子槽内一个电枢绕组102矢量大小的4倍。即A相的磁链与反电势幅值为定子槽内一个电枢绕组102幅值的4倍。
实施例4
图7也为一台双转子齿槽型电励磁同步电机。本实施例与实施例1的不同之处在于,本实施例中,电枢绕组分布方式采用b类绕组,极距比满足:
其中,t=0,m=3,k=4,n=1,正负号取正,因此极距比θs/θr定为11/24。其中,m为电机的相数,k为每个电机单元中同相电枢绕组102串联对数,n为电机单元数。
本实施例中,同一所述定子槽101内的电枢绕组102绕制方向相同,称为1对电枢绕组102,例如A1与A2。
本实施例中,m=3为奇数相,k/2=2个连续定子模块104内的电枢绕组102组成一相绕组,例如A1A2与A1’A2’。属于同一相的连续若干个电枢绕组102中的首和尾个与与其相邻并属于其他相的电枢绕组102的绕制方向相反,例如A1A2与C3’C4’绕向相反。
参见图8,对本实例中安放了电枢绕组的槽进行编号,记为s1~s12,各槽的槽矢量已标出,相邻上述槽之间电矢量相位相差30°。本实例中,以A相为例,相邻同相电枢绕组102绕向相反,例如A1A2与A1’A2’,合成电矢量为2*(s1-s2),得到c1。c1大小为定子槽内一个电枢绕组102矢量大小的3.86倍。同理,c2=2*(s8-s7)与c1相等,即A相的磁链与反电势幅值为定子槽内一个电枢绕组102幅值的7.72倍。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.非重叠绕组齿槽型双转子电励磁同步电机,包括定子(10),分别设置于定子(10)内、外两侧的内转子(11)和外转子(12),所述定子(10)和内外转子间存在气隙;其特征在于,所述定子(10)中设有导磁齿(100),所述导磁齿(100)沿定子径向分布,在定子(10)的周向等间距排列;相邻两个导磁齿(100)之间为两端向定子内部凹陷的定子槽(101);
所述定子(10)中还包括电枢绕组(102)和励磁绕组(103),所述电枢绕组(102)和励磁绕组(103)分布于所述定子槽(101)中,形成电枢模块或励磁模块;所述电枢模块和励磁模块交替设置;
所述定子槽(101)以及其两侧各半个导磁齿(100)所组成的H形部分称为一个定子模块(104),设置励磁绕组(103)在所述导磁齿两侧的定子模块称为励磁模块,设置电枢绕组(102)的称为电枢模块,绕组位于定子槽(101)中并套在定子的轭部;
所述外转子(12)和内转子(11)为齿槽结构;相邻两定子导磁齿中线之间的机械角度为定子极距θs,相邻两转子导磁齿的中心线距离为转子极距θr,所述电枢绕组(102)的分布方式根据θs/θr来确定,相邻励磁模块的励磁绕组(103)产生的磁场方向相反;
所述定子(10)包括2*k*m*n个定子模块(104),m为电机的相数,k为每个电机单元中同相电枢绕组(102)串联对数,n为电机单元数;所述电枢绕组(102)的缠绕方式根据以下θs/θr的不同分为三类:
其中,t为非负整数;
当θs/θr属于a类情况时,同一所述定子槽(101)内的电枢绕组(102)绕制方向相反;此类情况下,同一所述定子模块(104)两侧的两个电枢绕组(102)称为1对电枢绕组(102);同一对电枢绕组(102)绕制方向相反,并且属于同一相;k对连续的所述电枢绕组(102)组成一相绕组;包含定子励磁、电枢模块在内,2*m*k个连续定子模块(104)构成一个电机单元,n个电机单元构成完整的定子(10);
当θs/θr属于b类情况时,同一所述定子槽(101)内的电枢绕组(102)绕制方向相同,称为1对电枢绕组(102);奇数相时,k/2个连续定子模块(104)内的电枢绕组(102)组成一相绕组,偶数相时为k个连续定子模块(104)内的电枢绕组(102)组成一相绕组;其中,某一定子模块(104)内的电枢绕组(102)与其相邻一侧电枢模块的电枢绕组(102)的绕制方向相同,与相邻另一侧电枢模块的电枢绕组(102)的绕制方向相反;2*m*k个连续定子模块(104)构成一个电机单元;n个电机单元构成完整的定子(10);
当θs/θr属于c类情况时,同一所述定子槽(101)内的电枢绕组(102)绕制方向相同,称为1对电枢绕组(102);奇数相时,k/2个连续定子模块(104)内的电枢绕组(102)组成一相绕组,偶数相时为k个连续定子模块(104)内的电枢绕组(102)组成一相绕组,属于同一相绕组的绕制方向相同;其中,属于同一相的连续若干个电枢绕组(102)与相邻并属于其他相的电枢绕组(102)的绕制方向相反;2*m*k个连续定子模块(104)构成一个电机单元,n个电机单元构成完整的定子(10)。
2.根据权利要求1所述的非重叠绕组齿槽型双转子电励磁同步电机,其特征在于,每个电机单元中的励磁绕组(103)为串联连接,构成励磁绕组单元,n个电机单元之间的励磁绕组单元串联或并联联接;
每个电机单元中任意一相电枢绕组由k对电枢绕组(102)串联组成,n个电机单元依次设置,不同电机单元中属于同相的电枢绕组(102)串联或并联连接。
3.根据权利要求2所述的非重叠绕组齿槽型双转子电励磁同步电机,其特征在于,所述电枢绕组(102)和励磁绕组(103)为铜或超导线圈。
4.根据权利要求2所述的非重叠绕组齿槽型双转子电励磁同步电机,其特征在于,所述非重叠绕组齿槽型双转子电励磁同步电机是电动机或发电机。
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