CN112713668A - 一种定子极宽不均匀分布的三相双凸极电机 - Google Patents

一种定子极宽不均匀分布的三相双凸极电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种定子极宽不均匀分布的三相双凸极电机，包括定子铁心、转子铁心、励磁元件、电枢绕组和转轴，转子铁心设置在定子铁心内部，转轴设置在转子铁心内部，励磁元件设置在定子铁心的轭部，电枢绕组缠绕在定子铁心的定子极上，转子铁心上设置有转子极，定子极的极宽呈不均匀分布，转子极的极宽呈均匀分布，定子极的最大极宽d max等于转子极的极宽，最小极宽d min为转子极极宽的三分之二；转子铁心和定子铁心均为凸极结构，转子极数目为4N个，转子极弧系数为0.5，定子极数目为6N个，N为正整数。本发明实现了双凸极电机电枢绕组感应电动势的近似正弦化，使得双凸极电机可以采用正弦波供电，从而减小双凸极电机的转矩脉动，并降低电机的铁芯损耗。

Description

一种定子极宽不均匀分布的三相双凸极电机
技术领域
本发明涉及一种定子极宽不均匀分布的三相双凸极电机，属于电机设计领域。
背景技术
双凸极电机分为电励磁双凸极电机、永磁双凸极电机和混合励磁双凸极电机，由于转子上无绕组，结构简单，可靠性高，具有高的功率密度等优点，受到了国内外学者的广泛关注和研究，其设计和控制技术日趋成熟，在风力发电、航空和汽车等行业具有较好的应用前景。
双凸极电机作为磁阻类电机的一种，存在转矩脉动大的固有缺陷，成为其在高性能驱动、伺服领域应用的最大障碍；传统结构的电励磁双凸极电机的工作方式类似于无刷直流电机，但其反电势并非理想方波,电机采用方波电流控制方式，由于在电机绕组电感的峰值区域电流换相，大电感导致电流换相时间变长，使电机换相转矩脉动明显。
为了减小双凸极电机的转矩脉动，英国谢菲尔德大学朱自强教授针对可变磁阻电机进行研究，提出了6/7极双凸极电机，使得电机反电势基本趋于正弦化，可大幅减小其输出转矩脉动，实现了磁阻电机的正弦化驱动；但是该电机励磁元件跨单个定子极分布，所以励磁元件个数明显增加，励磁损耗增大，且电机转子极数为奇数，在运行过程中容易产生不对称振动，所以通常要使得转子极数至少翻倍，然而高极数对变换器开关频率要求也更高；为了减小转矩脉动，增加电机的正弦化程度，通常还可以将三相双凸极电机的转子设计为斜槽结构，或者采用分段式转子结构，但是斜槽结构或者转子分段将会影响转子的机械强度，尤其不适用于高转速场合。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种能够减小双凸极电机转矩脉动的定子极宽不均匀分布的三相双凸极电机。
本发明为解决以上技术问题所采取的技术方案是：
一种定子极宽不均匀分布的三相双凸极电机，包括定子铁心、转子铁心、励磁元件、电枢绕组和转轴，所述转子铁心设置在所述定子铁心内部，且所述转子铁心相对于所述定子铁心能够进行旋转；所述转轴设置在所述转子铁心内部，且所述转轴能够随着所述转子铁心一同转动；所述励磁元件对称的设置在所述定子铁心的轭部，为电机的气隙磁场提供励磁；所述电枢绕组缠绕在所述定子铁心的定子极上，所述转子铁心上设置有转子极；在对电枢绕组通入电流后，电枢绕组的磁场与励磁元件建立的励磁磁场相互作用，由此使得转子转动。
所述转子极的极宽呈均匀分布，所述定子极的极宽呈不均匀分布，所述定子极的最大极宽d max等于所述转子极的极宽，定子极的最小极宽d min为所述转子极极宽的2/3。
所述转子铁心为凸极结构，所述转子极数目为4N个，N为正整数，所述转子极弧系数为0.5。
所述定子铁心为凸极结构，所述定子极数目为6N个，N为正整数。
所述励磁元件的数目为2N个，N为正整数，所述励磁元件分别跨三个所述定子极分布，每两个相邻励磁元件产生的磁场方向相反。
所述转子极的极宽与某一相P的电枢绕组所缠绕定子极的极宽的比值为β，β值取值区间为（1,1+0.5*1/x, 1+0.5*2/x,…, 1+0.5*(x-1)/x, 1+0.5*1），其中，x为小于等于（2N-1）的正整数,P指A相、B相或C相。
对应同一相电枢绕组所缠绕定子极的极宽在d max与d min之间均匀分布，相邻的两个所述励磁元件所跨三个定子极的极宽之和相接近，且每相电枢绕组所缠绕定子极的极宽之和相等。
所述电枢绕组为在各个所述定子极上绕制的集中绕组，且每个所述励磁元件下的所述电枢绕组按照所匝链的励磁绕组的极性相同的方向进行绕制。
作为本发明的一种优化方案，所述定子铁心与所述转子铁心均由硅钢片冲压而成。
作为本发明的一种优化设计方案，所述励磁元件由永磁体和励磁绕组共同构成，形成混合励磁结构，每个永磁体与相应励磁绕组产生的磁场方向相同。
所述转子极采用扇形齿结构或者T型齿偏心结构，T型齿偏心结构的转子齿腹板厚度w与扇形齿结构的转子齿根宽度相同，T型齿两端的端弧半径r为转子极弧宽度与转子齿腹板厚度w之差，T型翼缘厚度h与端弧半径r之和为转子齿腹板厚度的一半。
本发明采用以上方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1. 本发明相比传统双凸极电机，本发明所述电机的三相电枢绕组反电势呈近似正弦波，电机控制不再采用传统双凸极电机的方波控制，而采用交流电机较为成熟的矢量控制技术，能够有效降低电机输出转矩脉动，且还可以将传统交流电机成熟的控制技术移植到所述双凸极电机的控制，提高电机运行性能。
2.方波电动势的传统双凸极电机作为发电机使用时，如果向交流负载或电网供电，则需要经过整流和逆变两个过程，存在控制***复杂、成本高的缺点，所以通常用于直流供电场合，而本发明所述电机由于反电势近似呈正弦波，经滤波后可以直接向交流负载或电网供电，也可以经整流后向直流负载供电。
3. 相比方波供电的传统双凸极电机，本发明所述电机可采用正弦波供电，显著减小电机内部磁场的谐波成分，从而减小电机铁芯损耗。
4. 相比现有的转子斜槽、转子分段等技术，本发明采用合理配置不等宽度定子极的技术实现电枢绕组反电势的近似正弦化，不会对电机的机械强度造成影响，更适用于高转速场合。
附图说明
图1为本发明实施例一中定子极宽不均匀分布的三相双凸极电机轴向剖视示意图；
图2为本发明实施例一中电机三相电枢绕组产生的空载反电势仿真波形；
图3为本发明实施例一中电机的空载反电势仿真波形频谱分析图；
图4为本发明实施例一中电机A相各部分电枢线圈A1、A2、A3、A4的感应电势以及A相绕组总感应电势仿真图；
图5为本发明实施例二中定子极宽不均匀分布的三相电励磁双凸极电机轴向剖视示意图；
图6为本发明实施例二中电机绕组反电势叠加产生近似正弦波的空载反电势的原理图；
图7为本发明中实施例一和实施例二中T型偏心转子极的结构图；
图8为图7中A部分放大图。
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解释和说明：
参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8，图中：1-定子铁心，2-转子铁心，3-励磁元件，4-电枢绕组，5-转轴。
实施例一：如图1-4和图7-8，一种定子极宽不均匀分布的三相双凸极电机，包括定子铁心1、转子铁心2、励磁元件3、电枢绕组4和转轴5，转子铁心2设置在定子铁心1内部，且转子铁心2相对于定子铁心1能够进行旋转；转轴5设置在转子铁心2内部，且转轴5能够随着转子铁心2一同转动；励磁元件3设置在定子铁心1的轭部，为电机的气隙磁场提供励磁；电枢绕组4缠绕在定子铁心1的定子极上，转子铁心2上设置有转子极，在对其通入电流后，电枢绕组4的磁场与励磁磁场相互作用，由此使得转子转动，转子极的极宽呈均匀分布，定子极的极宽呈不均匀分布。
转子铁心2为凸极结构，转子极数目为8个，转子极弧系数为0.5，转子极采用扇形齿结构或者T型齿偏心结构。
定子铁心1设置有12个凸极结构的定子极；转子极宽与某一相p对应定子极宽的比值β沿圆周方向分别为（1,1+0.5/2 ,1+0.5，1+0.5/2），p指A相、B相或C相。
励磁元件3的数目为4个，励磁元件3分别跨三个定子极分布，每两个相邻励磁元件3产生的磁场方向相反。
相邻励磁元件3之间的三个定子极构成一个定子极组，则电机定子上12个定子极共构成4组定子极组，对应的β值的组合分别为（1+0.5，1，1+0.5）、（1+0.5/2，1+0.5/2，1+0.5/2）、（1，1+0.5，1）、（1+0.5/2，1+0.5/2，1+0.5/2）。
定子铁心1与转子铁心2均由硅钢片冲压而成，励磁元件3为永磁铁。
电枢绕组4为在各个定子极上绕制的集中绕组，且每个励磁元件3下的电枢绕组4按照所匝链的励磁绕组的极性相同的方向进行绕制，12个电枢线圈共形成A、B、C三相绕组，每相绕组均由不同定子极组中位置对称的定子极所绕制电枢线圈串联构成，各相电枢绕组4的相位相差120度电角度。
参见图3可知，反电势波形近似正弦波，谐波含量约占24%。
图4中，A相绕组的反电势e A等于4个电枢线圈反电势e A1、e A2、e A3、e A4之和。
对于图7和图8中的T型偏心转子极结构，其转子齿腹板厚度w与扇形齿结构的转子齿根宽度相同，T型齿两端的端弧半径r为转子极弧宽度与转子齿腹板厚度w之差，T型翼缘厚度h与端弧半径r之和为转子齿腹板厚度的一半，最小气隙δ 1为0.4mm，最大气隙δ 2为1.0mm。
实施例二：如图5-8所示，一种定子极宽不均匀分布的三相双凸极电机，包括定子铁心1、转子铁心2、励磁元件3、电枢绕组4和转轴5，转子铁心2设置在定子铁心1内部，且转子铁心2相对于定子铁心1能够进行旋转；转轴5设置在转子铁心2内部，且转轴5能够随着转子铁心2一同转动；励磁元件3设置在定子铁心1的轭部，为电机的气隙磁场提供励磁；电枢绕组4缠绕在定子铁心1的定子极上，转子铁心2上设置有转子极，在对其通入电流后，电枢绕组4的磁场与励磁磁场相互作用，由此使得转子转动，转子极的极宽呈均匀分布，定子极的极宽呈不均匀分布。
转子铁心2为凸极结构，转子极数目为8个，转子极弧系数为0.5，转子极采用扇形齿结构或者T型齿偏心结构。
定子铁心1设置有12个凸极结构的定子极；转子极宽与某一相p对应定子极宽的比值β沿圆周方向分别为（1,1+0.5*1/3 , 1+0.5,1+0.5*2/3），p指A相、B相或C相。
励磁绕组数目为4个，每个励磁绕组跨3个定子极绕制，相邻励磁绕组产生的磁场方向相反。
每个励磁绕组所跨的三个定子极构成一个定子极组，则电机定子上12个定子极共构成4组定子极组，对应的β值的组合分别为（1+0.5，1，1+0.5*2/3）、（1，1+0.5*2/3，1+0.5/3）、（1+0.5*2/3，1+0.5/3，1+0.5）、（1+0.5/3，1+0.5，1）。
电枢绕组4为在各个定子极上绕制的集中绕组，且电枢绕组4的绕制方向与所匝链的励磁绕组磁链方向相同，12个电枢线圈共形成A、B、C三相绕组，每相绕组均由不同定子极组中位置对称的定子极所绕制电枢线圈串联构成，各相电枢绕组4的相位相差120度电角度。
图6中，e A1、e A2、e A3、e A4分别为A相绕组对应的4个电枢线圈的感应电动势，e A为A相绕组感应电动势，等于e A1、e A2、e A3、e A4之和；可见，虽然e A1、e A2、e A3、e A4均为方波，但是由于方波的相位不同，其叠加结果近似为正弦波。
对于图7和图8中的T型偏心结构转子极，其转子齿腹板厚度w与扇形齿结构的转子齿根宽度相同，T型齿两端的端弧半径r为转子极弧宽度与转子齿腹板厚度w之差，T型翼缘厚度h与端弧半径r之和为转子齿腹板厚度的一半，最小气隙δ 1为0.4mm，最大气隙δ 2为1.0mm。
当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种定子极宽不均匀分布的三相双凸极电机，包括定子铁心、转子铁心、励磁元件、电枢绕组和转轴，所述转子铁心设置在所述定子铁心内部，所述转轴设置在所述转子铁心内部，所述励磁元件设置在所述定子铁心的轭部，所述电枢绕组缠绕在所述定子铁心的定子极上，所述转子铁心上设置有转子极，其特征在于：所述定子极的极宽呈不均匀分布，所述转子极的极宽呈均匀分布，所述定子极的最大极宽d max等于所述转子极的极宽，最小极宽d min为所述转子极极宽的三分之二。
2.根据权利要求1所述的一种定子极宽不均匀分布的三相双凸极电机，其特征是：所述转子铁心为凸极结构，所述转子极数目为4N个，N为正整数，所述转子极弧系数为0.5，所述转子极采用扇形齿结构或者T型齿偏心结构，T型齿偏心结构的转子齿腹板厚度w与扇形齿结构的转子齿根宽度相同，T型齿两端的端弧半径r为转子极弧宽度与转子齿腹板厚度w之差，T型翼缘厚度h与端弧半径r之和为转子齿腹板厚度的一半。
3.根据权利要求1所述的一种定子极宽不均匀分布的三相双凸极电机，其特征是：所述定子铁心为凸极结构，所述定子极数目为6N个，N为正整数。
4.根据权利要求1所述的一种定子极宽不均匀分布的三相双凸极电机，其特征是：所述励磁元件的数目为2N个，N为正整数，相邻的所述励磁元件分别跨三个所述定子极分布，相邻所述励磁元件所跨三个所述定子极构成一个定子极组，且相邻两个励磁元件产生的磁场方向相反。
5.根据权利要求1所述的一种定子极宽不均匀分布的三相双凸极电机，其特征是：所述转子极的极宽与某一相P的电枢绕组所缠绕定子极的极宽的比值为β，β值取值区间为（1,1+0.5*1/x, 1+0.5*2/x,…, 1+0.5*(x-1)/x, 1+0.5*1），其中，x为小于等于2N-1的正整数,P指A相、B相或C相。
6.根据权利要求5所述的一种定子极宽不均匀分布的三相双凸极电机，其特征是：对应同一相电枢绕组所缠绕的所述定子极的极宽在d max与d min之间均匀分布，相邻的两个所述励磁元件所跨三个定子极的极宽之和相接近，且每相电枢绕组所缠绕所述定子极的极宽之和相等。
7.根据权利要求6所述的一种定子极宽不均匀分布的三相双凸极电机，其特征是：所述电枢绕组是在各个所述定子极上绕制的集中绕组，且每个所述励磁元件下的所述电枢绕组按照所匝链的励磁绕组的极性相同的方向进行绕制。
8.根据权利要求1所述的一种定子极宽不均匀分布的三相双凸极电机，其特征是：所述定子铁心与所述转子铁心均由硅钢片冲压而成。
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