CN101282050A - 一种蒸发冷却电机无槽定子 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种无槽定子结构，转子线圈(20)放置在转子铁芯(10)槽内，定子铁芯(40)上不开设定子槽，定子铁芯套在非铁磁材料筒(50)上，并依靠沿圆周分布的多个螺栓(80)固定，非铁磁材料筒(50)沿圆周方向上开设了多个非铁磁材料槽(90)，非铁磁材料槽(90)内放置了定子线圈(60)。与并在非铁磁材料槽(90)槽口处设置了定子槽楔(70)以便固定定子线圈(60)，定子铁芯(40)和转子铁芯(10)之间为气隙。非铁磁材料筒(50)上开设的非铁磁材料槽(90)的槽口向定子方向或向转子方向。

Description

一种蒸发冷却电机无槽定子
技术领域
本发明涉及一种电机定子，特别涉及一种蒸发冷却电机无槽定子。
背景技术
具有高功率密度、重量轻、体积小的电机是电机行业发展追求的目标之一，尤其是在舰艇、飞机等对重量和空间有特殊要求的场合，电机的高功率密度就显得更为重要。蒸发冷却电机由于其良好的冷却效果，在设计上允许采用较常规技术更高的线负荷，实现更高的功率密度，从而满足对电机重量和体积的特殊要求。但是要进一步提高蒸发冷却电机的功率密度却受到定子齿槽结构的限制。这是因为：齿槽占据了较大的定子空间，增加了定子铁轭的尺寸和重量，使得电机尺寸难以做得更小；在电机设计中一般铁磁材料齿部的磁密都接近饱和，然而轭部的磁密则会降低，使得轭部的铁磁材料利用不够充分；齿槽的存在还影响了气隙磁场分布，带来了谐波干扰，给电机带来一定的危害。
如果我们对蒸发冷却电机采用定子无槽结构可以解决这些问题。
目前无槽定子的研究工作一般集中在永磁电机、超导电机和横向、轴向磁通电机领域。例如：专利申请号为200620040424的高出力永磁无刷无槽电动机、专利申请号为200410078394无槽永磁电机、专利申请号为92231791的永磁无槽电机中的无槽结构均针对小功率的永磁电机。专利申请号为200420037973的汽车无槽交流发电机、专利申请号97126126的无槽静激磁同步发电机、专利申请号为97126127的无槽同步发电机、专利申请号为200410023515的无槽异步电动机、专利申请号为200420037972的无槽异步电动机、专利申请号为96100040的无轭、无槽轴向磁路电机均针对横向、轴向磁通电机，国外许多超导电机也采用了无槽定子结构，日本自1988年开始的700MW级超导电机样机的设计中，采用将电枢线圈直接置于气隙中(这种结构也被称为气隙绕组结构)，进行了适用于气隙绕组的绝缘材料方面的研究。西屋(westinghouse)公司的Ahmed等人研究的一台300MW的大型超导电机中，使用了无槽定子结构。西门子公司在2002年研制的一台380kW超导电机中也使用了定子无槽技术。2005年韩国的Kwon等人在一台三相，两对极的超导同步电机中使用了无槽定子结构。美洲超导公司2001年试制的5000马力(3730kW)与美国海军部订购的舰载5MW高温超导同步发电机也都使用了带有气隙线圈的无槽定子结构。
无槽定子结构在其他电机领域还没有应用，这主要是因为定子无槽结构应用到电机上能否达到更高的功率密度的最关键的问题在于增加气隙后，转子的励磁磁势也相应增加，从而转子的导线电密和线负荷也要增加，因此对转子的冷却效果提出了更高要求，而一般的空冷等转子冷却方式不能满足相应的要求，而转子采用蒸发冷却方式的电机正好由于其良好的冷却效果可以取得更大的励磁磁势。
发明内容
本发明的目的是进一步提高蒸发冷却电机的功率密度，提出了一种适用于蒸发冷却电机的无槽定子，采用这种无槽定子结构可进一步提高电机的功率密度。
由于蒸发冷却电机冷却效果好，可以实现很高的功率密度。且由于其转子良好的冷却效果，可以实现较大的励磁磁势，提供较大的励磁功率，因此可以将定子和转子之间的气隙适当放大，并将定子绕组放置气隙内，这样就可以取消定子齿，减小定子的重量和尺寸，提高定子轭的磁密，提高铁磁材料利用率，实现了更高的功率密度。本发明的定子无槽结构正是基于此。本发明由于需要较大的励磁功率，因此非常适用于蒸发冷却电机。
本发明的蒸发冷却电机无槽定子是指电机定子上不开设齿槽，在定子内套一个非铁磁材料筒，非铁磁材料筒上开设齿槽，定子线圈放置在非铁磁材料筒上开设的齿槽内，非铁磁材料筒放置于气隙内，定子线圈也位于气隙内并依靠非铁磁材料固定。
本发明提出的定子无槽结构不同于永磁电机、横向、轴向磁通电机及超导电机中常用的无槽结构，永磁电机采用无槽结构主要是为了消除齿槽力矩，一般功率较小，其定子绕组所受电磁力也较小，且定子发热也较小，因此一般将定子绕组直接粘接或固化在定子铁芯表面上，不需要增加非铁磁固定材料进行固定。横向、轴向磁通电机的磁路属于横向、轴向磁路，其无槽结构中定子线圈的位置并不在气隙内与本发明有本质的不同。超导电机的设计中，理想的气隙磁密是2T以上，该气隙磁密势必导致铁磁材料饱和(铁磁材料的饱和磁密一般在2T以下)。因此在合理的超导电机中不仅要取消定子齿槽，而且要取消铁芯，因此其无槽结构优选为无铁芯结构，而本发明无槽定子结构必须有铁芯形成导磁回路。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。
图1为本发明采用的一种无槽定子结构示意图；
图2为本发明所采用的另一种无槽定子结构示意图；
图中：10转子铁芯、20转子线圈、30气隙、40定子铁芯、50非铁磁材料筒、60定子线圈、70定子槽楔、80固定螺栓、90非铁磁材料槽。
具体实施方式
本发明无槽定子结构如图1所示。
图1中，转子线圈20放置在转子铁芯10槽内，定子铁芯40上不开设定子槽，定子铁芯套在一个非铁磁材料筒50上，沿圆周分布的多个螺栓80将定子铁芯和非铁磁材料筒固定连接。非铁磁材料筒50沿圆周方向上开设了多个非铁磁材料槽90，非铁磁材料槽90内放置了定子线圈60。并在非铁磁材料槽90槽口处设置了定子槽楔70以便固定定子线圈60，定子铁芯40和转子铁芯10之间为气隙。图1中非铁磁材料筒50上开设的非铁磁材料槽90的槽口向定子方向。
本发明采用的另一种无槽定子结构示意图如图2所示。
图2与图1的不同之处在于，非铁磁材料筒50上开设的非铁磁材料槽90的槽口向转子方向。
本发明对于包括隐级机和凸级机在内的蒸发冷却同步电机均可适用。
本发明由于采用了定子无槽结构，一方面可以降低定子铁芯的尺寸和重量；提高了定子铁芯内的磁密，提高了铁磁材料的利用率，提高电机的功率密度，实现电机的小型化和轻型化，另一方面还可以适当消除定子齿谐波和齿槽力矩带来的危害。
本发明专利中非铁磁材料筒50可以用环氧、尼龙等非金属材料制作，也可以用不锈钢等不导磁的金属材料制作。
如果是环氧、尼龙等非金属材料，由于其自身的绝缘性，非铁磁材料槽90与定子线圈60之间可以不再设置槽绝缘，如图1、2所示，且由于线圈不直接接触导电材料，匝绝缘也可以减薄。因此采用这类非金属材料作为定子线圈的固定部件，除了通过无槽结构提高了功率密度之外，还可以适当的减少线圈的绝缘材料，且由于线圈绝缘减薄，导热性更好，可以进一步提高定子的线负荷从而达到进一步提高功率密度的目的。但是对于一些转矩较大的电机，由于其定子线圈所受的安培力较大，也可以采用不锈钢等金属但不导磁的材料，利用其高强度，达到机械要求。但采用这类材料时，需要在非铁磁材料槽90与定子线圈60之间需要设置槽绝缘，同时也不能减薄匝绝缘，这与一般电机定子的槽绝缘设计类似，因此在本发明专利中优先采用非金属材料作为定子线圈的固定件。

Claims (3)

1、一种蒸发冷却电机无槽定子，其特征在于转子线圈(20)放置在转子铁芯(10)槽内，定子铁芯(40)套在一个非铁磁材料筒(50)上，沿圆周分布的多个螺栓(80)将定子铁芯和非铁磁材料筒固定连接；非铁磁材料筒(50)沿圆周方向上开设了多个非铁磁材料槽(90)，非铁磁材料(90)内放置了定子线圈(60)；非铁磁材料槽(90)槽口处设置定子槽楔(70)固定定子线圈(60)，定子铁芯(40)和转子铁芯(10)之间为气隙。
2、按照权利要求1所述的蒸发冷却电机无槽定子，其特征在于非铁磁材料筒50上开设的非铁磁材料槽90的槽口向定子方向或向转子方向。
3、按照权利要求1或2所述的蒸发冷却电机无槽定子，其特征在于非铁磁材料筒(50)用环氧、尼龙等非金属材料或不导磁的金属材料制作。
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Assignee: Beijing Zhengxin wing wind power technology Co. Ltd.

Assignor: Institute of Electrical Engineering of the Chinese Academy of Sciences

Contract record no.: 2011990000959

Denomination of invention: Non-groove stator of evaporative cooling motor

Granted publication date: 20110504

License type: Exclusive License

Open date: 20081008

Record date: 20110930

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