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内外双定子双凸极无刷直流电机 Download PDF

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一种内外双定子双凸极无刷直流电机,具有内、外两个定子,转子位于两定子之间的结构形式。外定子(1)、内定子(4)、转子(3)均为凸极结构,外定子(1)向内侧的凸极齿与内定子(4)向外侧的凸极齿一一对应;转子(3)向外侧及内侧各有4n个凸极齿,n为正整数,转子(3)向外侧的凸极齿与向内侧的凸极齿两两错开60°/4n机械角。外定子(1)与内定子(4)齿上分别套装有集中电枢绕组(2)和电枢绕组(5),外定子(1)与内定子(4)各自同相位齿上的电枢绕组串联构成一相,内、外定子上还可以分别嵌绕励磁绕组(6)或安置永磁体。此电机结构坚固、运行可靠,作发电机运行,所需励磁功率小,且电压脉动及转矩脉动小,作电动机运行,转矩脉动低,在大功率直驱式风力发电系统中有广阔的应用前景。

Description

内外双定子双凸极无刷直流电机
■技术领域本发明涉及一种新结构双凸极无刷直流电机,属于电机设计的技术领域。
■背景技术双凸极电机是上世纪90年代美国学者提出的一种新型无刷电机,最先为永磁双凸极结构,以高性能永磁体作为电机的磁势源。随着该新型电机的不断发展,磁势源可以变化和组合,又出现电励磁双凸极电机(“双凸极无刷直流发电机”,中国发明专利:ZL99114250.0)和混合励磁双凸极电机(发明专利申请号:200510038147.0)。
不论何种双凸极电机,转子上都无绕组,无电刷,采用硅钢片冲制叠压而成即可,定子电枢绕组为集中式绕组,端部短,可以成型绕制好再嵌入定子槽内,安装方便,故电机具有结构简单、运行可靠的突出优点,适合于高速运行。另外,双凸极电机结构与开关磁阻电机类似,但发电状态不需要功率变换器参与,控制更为简便。因而,双凸极电机是电工学科近年来继开关磁阻电机之后出现的又一全新电机,已经引起人们的很大关注,在航空航天、舰船、绿色能源等领域的动力系统及电源系统有广泛的应用前景。
然而,双凸极电机也存在固有不足:由于凸极齿槽效应的影响,作电动机运行时,转矩脉动较大;作发电机工作时,也存在输出直流电压脉动大的缺陷,这极大限制了双凸极电机在宽转速运行状态尤其是低速运行、大功率场合的应用。围绕这个问题,国内外学者作出了许多努力:如采用传统电机斜槽的措施减小转矩或电压脉动,这样会导致电机的功率重量比下降明显;提出一个电机内包含两个结构完全相同、左右放置的双凸极电机(发明专利申请号:200510038148.5),它们共用壳体和转轴,两个转子或定子错开一定电角度,使得两部分转矩或电势互相叠加,从而有效减小整个电机输出转矩脉动或电压脉动,这种电机轴向长度明显增加,大功率应用场合,轴向冷却通道长,不利于电机散热。
■发明内容1)发明目的:本发明旨在双凸极电机基本原理和结构特点的基础上,提出一种结构牢固、运行可靠、制造成本低、能够有效减小转矩脉动或电压脉动且励磁功率小、功率密度高的新结构内外双定子双凸极无刷直流电机。
2)技术方案:本发明的内外双定子双凸极无刷直流电机具有内外两个定子、转子在中间的结构形式,内外两个定子以及转子均为凸极结构,外定子为向内的凸极结构,内定子为向外的凸极结构,中间转子向内侧及向外侧均为凸极结构,且中间转子内外侧的凸极相互错开一定机械角度。内外两个定子凸极齿数相同,每个凸极的齿上均分别套装有集中电枢绕组,内定子相对的两个凸极齿上电枢绕组串联连接,处于磁场中相同位置的齿上的绕组构成一相绕组,外定子上电枢绕组连接方式与内定子相同。内外两个定子上还同时设置或单独设置有磁势源。
中间转子向内的凸极与内定子向外的凸极构成一个双凸极无刷电机,而中间转子向外的凸极与外定子向内的凸极又构成一个双凸极无刷电机。由于中间转子内外侧的齿错开一定机械角,使所形成的内外两个双凸极电机电势波形或转矩波形错开相应合理的电角度,从而在电机发电工作状态下能有效减小输出直流电压的电压脉动值,在电动状态下能抑制输出转矩脉动值。三相双凸极电机的基本结构为6n/4n极结构,n为正整数,同样,本发明的内外双定子双凸极无刷直流电机基本结构为6n/4n/4n/6n极结构,即外定子齿数6n,中间转子外侧齿数4n,中间转子内侧齿数4n,内定子齿数6n,中间转子内外侧的齿错开60°电角,对应的机械角度为60°/4n。
本发明的内外双定子双凸极无刷直流电机内外两个定子上既可以同时嵌绕励磁绕组,也可以仅在外定子或内定子上设置有励磁绕组,通以直流电流即可为电机提供恒定极性的磁势源,从而构成电磁式内外双定子双凸极无刷直流电机。内外两个定子上都有励磁绕组时,励磁绕组可以在电机一端串联连接。
内外双定子双凸极无刷直流电机内外两个定子上还可以同时安置永磁体,或仅在一个定子上安置永磁体以提供电机内磁势源,从而构成永磁式内外双定子双凸极无刷直流电机。
内外双定子双凸极无刷直流电机,还可以在外定子上嵌绕励磁绕组,同时在内定子上安置永磁体,或外定子上安置永磁体而内定子上嵌绕励磁绕组,构成混合励磁结构内外双定子双凸极无刷直流电机。励磁绕组或永磁体在定子上的嵌绕或设置方式与普通双凸极电机类同。
本发明的内外双定子双凸极无刷直流电机用作无刷直流发电机时,内、外定子上的两套电枢绕组分别经过整流电路后串联连接,输出直流电压。电枢绕组的整流电路有三种不同拓扑结构,一种为三相半波共阴极整流电路,一种为三相半波共阳极整流电路,另一种为全桥整流电路。采用三相半波共阴极整流电路,电势较高相导通,此时该相绕组磁链增加,对应转子齿滑入定子齿阶段,该状态电枢电流起去磁作用,故发电机外特性较软,电压调整率大;对于三相半波共阳极整流电路,电势较低相导通,此时该相绕组磁链减小,对应转子齿滑出定子齿阶段,该发电状态电枢反应磁场起特别的增磁作用,且负载越大则电枢电流越大,增磁效果越明显,故所需励磁磁势小,电压调整率小。全桥整流电路电枢绕组正负半周均发电,故电机输出电压较高,但电压调整率介于前述两种整流结构之间。可见,对于本发明的内外双定子双凸极无刷直流电机,内、外定子上的电枢绕组分别经过三相半波共阳极整流电路整流后串联连接,不仅能够减小输出电压脉动,且具有所需励磁功率小、励磁损耗低的特点。
内外双定子双凸极无刷直流电机用作无刷直流电动机时,两套电枢绕组可以由输入并联的两台逆变器分别供电。
基于上述结构特征与运行原理,本发明的内外双定子双凸极无刷直流电机具有下列有益的特点:①具有独特的内外双定子、中间转子的双凸极结构形式,转子上无任何绕组及永磁体,继承了传统双凸极电机结构坚固、运行可靠的优点;②既能用作发电机,也能作为电动机。发电运行,输出直流电压脉动小,转矩脉动小,电动运行,输出转矩脉动低;③两套电枢绕组各自的整流电路结构相同,可以灵活采用三种不同的整流电路拓扑,三相半波共阳极整流电路、三相半波共阴极整流电路以及全桥整流电路;④两套电枢绕组均采用三相半波共阳极整流电路时,电枢反应磁场具有特别的增磁作用,负载越大,增磁效果越明显,能有效减小励磁功率,降低励磁损耗;⑤内、外定子与中间转子均为凸极结构,通风性能优良,作风力发电机使用时,风速越高,散热效果越好,使电机输出功率得以进一步提高。
■附图说明图1是内外双定子双凸极无刷直流电机结构剖视图。
图2是实施例三相6/4极结构内外双定子双凸极无刷直流电机剖视图。
图3是内外双定子双凸极无刷直流电机发电运行三相半波共阳极整流电路原理图。
图4是内外双定子双凸极无刷直流电机发电运行三相半波共阴极整流电路原理图。
图5是内外双定子双凸极无刷直流电机发电运行三相全桥整流电路原理图。
图6是内外双定子双凸极无刷直流电机电动运行逆变主电路原理图。
图1~图3中标号及符号说明:1、电机外定子;2、电机外定子上电枢绕组;3、转子;4、电机内定子;5、电机内定子上电枢绕组;6、外定子上励磁绕组;7、内定子上励磁绕组;A1、X1、B1、Y1、C1、Z1表示外定子上电枢绕组的A、B、C相接线端;A2、X2、B2、Y2、C2、Z2表示内定子上电枢绕组的A、B、C相接线端;D1~D12、D21~D26、D31~D36表示整流二极管;Q1~Q12表示逆变电路开关管。
■具体实施方式本发明的内外双定子双凸极无刷直流电机为3相电机时,基本结构为6n/4n/4n/6n极结构,即外定子齿数6n,中间转子外侧齿数4n,中间转子内侧齿数4n,内定子齿数6n,中间转子内外侧的齿错开60°电角,对应的机械角度为60°/4n。作为一个实施例,为便于说明,附图2给出了基本结构三相6/4极内外双定子双凸极无刷直流电机的剖面示意图,外定子1有六个向内侧的凸极齿,每个齿上套装有集中电枢绕组2,相对的两个齿上的电枢绕组串联构成一相,组成A1-X1、B1-Y1、C1-Z1三相绕组。内定子4有六个向外侧的凸极齿,与外定子1的六个凸极齿一一对应,同样,内定子4的每个齿上也套装有集中电枢绕组5,其相对两个齿上的电枢绕组也串联构成一相,组成A2-X2、B2-Y2、C2-Z2三相绕组。外定子1与内定子4之间为转子3,转子3向外侧及内侧各有四个凸极齿,向外侧的凸极齿与向内侧的凸极齿两两错开15°机械角,对应60°电角度。本实施例采用励磁绕组通入直流电提供电机磁势源,作为电励磁式内外双定子双凸极无刷直流电机,外定子1槽内嵌绕有励磁绕组6,内定子4槽内嵌绕有励磁绕组7,两个励磁绕组可以在电机的一端串联连接。
本发明电机作为无刷直流发电机运行时,两个定子上的电枢绕组与外部整流电路的连接方式有3种,如图3、图4和图5所示。图3为发电运行采用三相半波共阳极整流电路方式,外定子上三相电枢绕组A1-X1、B1-Y1、C1-Z1的输出经三个共阳极连接的整流二极管D31、D32、D33半波整流,内定子上三相电枢绕组A2-X2、B2-Y2、C2-Z2的输出也经三个共阳极连接的整流二极管D34、D35、D36半波整流,两组整流输出串联连接。
图4为发电运行采用三相半波共阴极整流电路方式,外定子上三相电枢绕组A1-X1、B1-Y1、C1-Z1的输出经三个共阳极连接的整流二极管D21、D22、D23半波整流,内定子上三相电枢绕组A2-X2、B2-Y2、C2-Z2的输出也经三个共阳极连接的整流二极管D24、D25、D26半波整流,两组整流输出串联连接。
图5为发电运行采用三相全桥整流方式,外定子上三相电枢绕组A1-X1、B1-Y1、C1-Z1的输出经功率二极管D1~D6组成的全桥整流电路整流,内定子上三相电枢绕组A2-X2、B2-Y2、C2-Z2的输出经功率二极管D7~D12组成的全桥整流电路整流,两路整流输出串联连接。
本发明电机作为无刷直流电动机工作时,输入电源分别经两个三相逆变器对电机的内、外定子上的电枢绕组供电。如图6所示,为外定子三相电枢绕组A1-X1、B1-Y1、C1-Z1供电的逆变器主电路由功率开关管Q1~Q6构成,为内定子三相电枢绕组A2-X2、B2-Y2、C2-Z2供电的逆变器主电路由功率开关管Q7~Q12构成。两个逆变器产生两组相差60°电角度的三相电流输入到电机的内、外定子上的电枢绕组中,在转子上产生的两部分转矩叠加,从而有效减小转矩脉动。

Claims (4)

1.一种内外双定子双凸极无刷直流电机,其特征在于该电机具有内、外两个定子,转子位于两定子之间的结构形式,外定子(1)、内定子(4)、转子(3)均为凸极结构,外定子(1)向内侧的凸极齿与内定子(4)向外侧的凸极齿一一对应;转子(3)向外侧及内侧各有4n个凸极齿,n为正整数,转子(3)向外侧的凸极齿与向内侧的凸极齿两两错开60°/4n机械角;外定子(1)每个齿上套装有集中电枢绕组(2),其同相位的齿上的电枢绕组串联构成一相,内定子(4)每个齿上也套装有集中电枢绕组(5),其同相位的齿上的电枢绕组串联构成一相;外定子(1)和内定子(4)上分别嵌绕励磁绕组(6)和励磁绕组(7)或安置永磁体。
2.根据权利要求1所述的内外双定子双凸极无刷直流电机,其特征在于,作为无刷直流发电机运行时,内、外定子各自的电枢绕组输出分别经过三相半波共阳极整流电路、或分别经过三相半波共阴极整流电路、或分别经过全桥整流电路整流后串联连接。
3.根据权利要求1所述的内外双定子双凸极无刷直流电机,其特征在于,作为无刷直流电动机运行时,内、外定子各自电枢绕组由两个输入并联的逆变器分别供电。
4.根据权利要求1或2或3所述的内外双定子双凸极无刷直流电机,其特征在于所述内外定子上既可以采用直流电流励磁,也可以采用永磁体励磁,或混合励磁方式。
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