CN101359845A - 各极解耦型6·k/4·N·k结构电励磁双凸极电机 - Google Patents
各极解耦型6·k/4·N·k结构电励磁双凸极电机 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种各极解耦型6·k/4·N·k电励磁双凸极电机，属电机类风力发电机，其包括定子铁心、转子铁心、励磁绕组和电枢绕组，定子极数为6k，转子极数为4·N·k，N为除3和3的倍数以外的自然数，k为自然数。定子铁心由定子极和非导磁材料构成，定子极具有凹槽结构，由硅钢片周向叠制而成，转子铁心的结构与定子铁心类似，励磁绕组和电枢绕组为集中绕组，均分布在定子铁心上，励磁绕组紧贴定子铁心内壁绕制，电枢绕组套在定子极上。本电机的特点是磁场为轴向、径向磁场，由于定、转子极与极之间非导磁材料的隔磁作用，各极磁场互相独立，实现了极间解耦，可靠性高，且励磁路径短，励磁绕组长度减小，损耗得到降低。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电机，尤其涉及一种各极解耦型6·k/4·N·k电励磁双凸极电机。
背景技术
风能是一种取之不尽、用之不竭的清洁、可再生绿色能源，风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射和空气污染，对改善能源结构，保护生态环境具有重要意义，因此越来越受到重视。目前，风电技术正在向着高效率，高可靠，低成本的方向发展。
电励磁双凸极电机(“双凸极无刷直流电机”，中国发明专利：申请日1999年6月9日，授权公告号CN1099155C)，是变磁阻电机的一种。其定，转子均为凸极结构，由硅钢片叠制而成，结构简单，价格便宜。作发电机工作时，不需要转子位置传感器，且励磁绕组仅需要单管变换器进行供电，调节励磁绕组电流可调节输出电压，故障时可灭磁，具有可靠性高的特点。三相电励磁双凸极电机可以采用6k/(4(N+1)k)结构(“三相6k/(4(N+1)k)结构双凸极电机”，中国发明专利：申请日2007年12月5日，公开号CN101188366A)，即多转子极结构，其单元电机为6/4(N+1)结构。这种结构定子槽口所占弧长大于定子极弧长，转子极数大于定子极数，允许加大每极电枢绕组尺寸，扩大励磁绕组放置空间，减小定子极间漏磁，提高电机功率密度和工作效率。
普通6·k/4·N·k结构电励磁双凸极电机定、转子铁心采用硅钢片轴向叠制而成，产生径向气隙磁场，电机各相之间存在耦合现象。磁力线经过定、转子极与轭部闭合，如果电机长径比较小时，定子铁心轭部较长，不仅会导致定子铁心损耗增大，而且需要的励磁功率也加大。且励磁绕组安装时需要经过定子铁心轭部进行绕制，这样导线有效长度较长，励磁绕组铜耗也较大。因此，改变定、转子极硅钢片轴向叠制为周向叠制，变径向磁场为轴向、径向磁场，寻求可靠性高、各极之间解耦的电励磁双凸极电机新结构，成为本发明的初衷。
发明内容
本发明的目的是：克服现有技术的不足，提出了一种高可靠性的各极解耦型6·k/4·N·k电励磁双凸极电机。
本发明的各极解耦型6·k/4·N·k结构电励磁双凸极电机，包括定子铁心2、3，励磁绕组4，电枢绕组5和转子铁心7、8组成。所述定子铁心2、3中的定子极2的极数为6k个，即有6k个定子极2，所述转子铁心7、8中的转子极7极数为4·N·k个，即有4·N·k个转子极7，N为除3和3的倍数以外的自然数，k为自然数。
定子铁心2、3不再仅由导磁材料硅钢片轴向叠制而成，而是包括定子极2和连接各个定子极2的定子非导磁材料3两部分。定子极2纵切面为凹槽形状，两个齿部凸起，槽口向内，由具有同样形状的定子极叠片1周向叠制而成，定子极叠片1为导磁材料硅钢片，包括前后两个齿部和一个轭部，齿宽ls等于轭高hs。各定子极2之间用定子非导磁材料3填充。
励磁绕组4置于定子极2的槽中，紧贴定子铁心2、3内壁绕制，定子极2的齿部上套有三相电枢绕组5，可以仅套在前齿部上或后齿部上，也可以平均等分后同时套在前后齿部上。励磁绕组4和电枢绕组5均为集中绕组。
转子铁心7、8由转子极7和连接各转子极7的转子非导磁材料8两部分构成。转子极7也为凹槽结构，两个齿部凸起，由多片同样形状的转子极叠片6周向叠制而成，转子极叠片6为导磁材料硅钢片，转子极7槽口向外，与定子极2槽口对应，各转子极7之间由转子非导磁材料8填充，转子铁心7、8上没有绕组。
本发明的各极解耦型6·k/4·N·k电励磁双凸极电机，其实现的原理为：励磁绕组4通以电流后，根据电磁感应定律，磁力线经过导磁材料即定子极2和转子极7的凹槽结构形成闭合路径，在电机内形成轴向、径向磁场。由于各定子极2和转子极7由非导磁材料连接，使得各极磁场互不影响，即通过电机自身结构的特殊性实现了各定子极2之间的解耦。在电机工作时，同一相内的电枢绕组5可以互为备份，对于由2个以上单元电机组成的电机，也可在不同相之间形成备份。电机工作的过程为，当电机转子极7滑入定子极2时，相电枢绕组匝链磁链增加，该相电枢绕组感应出负电势；当转子极7滑到与定子极2重合位置时，相电枢绕组匝链磁链达到最大值，感应电势为零；当电机转子极7滑出定子极2时，相电枢绕组匝链磁链减小，感应电势为正。由此产生宽度为120°，接近于方波的交流电，同理产生其他两相感应电势，相与相之间依次滞后120°，形成三相交流电。
本发明的各极解耦型6·k/4·N·k电励磁双凸极电机，电机为小长径比的扁平形状时，定子极2轭部短，励磁路径短，励磁绕组4长度缩短，故定子铁心2、3损耗低，励磁损耗低，励磁绕组4铜耗低。
本发明的各极解耦型6·k/4·N·k结构电励磁双凸极电机，电机基本结构即单元电机为6/4·N结构，N为除3和3的倍数以外的自然数，k为单元电机的重复次数。当N＝1时，定子极2极数与转子极7极数的配合关系为6·k/4·N·k，即其定子的极数为6k，转子铁心的极数为4k，k为自然数，单元电机为6/4结构。当N＞1时，定子极2极数与转子极7极数的配合关系为6·k/4·N·k，即其定子的极数为6k，转子铁心的极数为4·N·k，与多转子极电励磁双凸极电机定、转子极数配合关系相同。单元电机为6/4·N结构。设N＝2，单元电机为6/8结构；设N＝4，电机单元为6/16结构；设N＝5，电机单元为6/20结构等。电枢绕组5可以直接向负载提供交流电源，作交流发电机使用，也可以接整流器向负载提供直流电源，作直流发电机使用。
本发明的各极解耦型6·k/4·N·k电励磁双凸极电机，定子铁心槽口的弧长lc为定子极的弧长lt的(2N-1)倍。当N＝1时，定子铁心槽口所占弧长lc与定子极弧长lt相等，当N＞1时，定子铁心槽口所占弧长lc大于定子极弧长lt。
本发明的各极解耦型6·k/4·N·k电励磁双凸极电机，定子极电枢绕组5相序与N有关，N为偶数时，沿转子旋转v方向，定子极相序为A相→B相→C相，N为奇数时，沿转子旋转v方向，定子极相序为A相→C相→B相。
本发明的优点及效果是，与现有技术相比，定、转子极硅钢片为周向叠制，产生轴向、径向磁场，各极磁场之间互不影响，不仅可以使各相电枢绕组内部互为备份，也可以在相与相之间形成备份，即实现了相内解耦和相间解耦，满足风力发电机的高可靠性要求。此外，由于磁力线经过导磁材料定、转子极的凹槽结构形成闭合路径，当电机为小长径比的扁平形状时，采用这种结构可以大大缩短励磁路径，减小励磁绕组长度，降低损耗，一定程度上改善电机性能和效率，以适应不同场合需要。
附图说明
图1是定子极叠片立体图；
图2是定子铁心立体图；
图3是定子铁心安装励磁绕组和电枢绕组后的立体图；
图4是转子极叠片立体图；
图5是转子铁心立体图；
图6是各极解耦型三相6/4结构电励磁双凸极电机的总立体图；
图7是各极解耦型三相6/4结构电励磁双凸极电机前视图；
图8是各极解耦型三相6/4结构电励磁双凸极电机工作原理图之一；
图9是各极解耦型三相6/4结构电励磁双凸极电机工作原理图之二；
图10是各极解耦型三相6/4结构电励磁双凸极电机工作原理图之三；
图11是作为交流发电机用时，电枢绕组典型连接图；
图12是作为直流发电机用时，电枢绕组典型连接图之一；
图13是作为直流发电机用时，电枢绕组典型连接图之二。
上述图中标号名称列表：
| 标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
| 1 | 定子极叠片 | 2 | 定子极 |
| 3 | 定子非导磁材料 | 4 | 励磁绕组 |
| 5 | 电枢绕组 | 6 | 转子极叠片 |
| 7 | 转子极 | 8 | 转子非导磁材料 |
| lt | 定子极的弧长 | lc | 定子铁心槽口的弧长 |
| ls | 定子极纵切面的齿宽 | hs | 定子极轭高 |
| v | 转子旋转方向 | A1，A2 | A相电枢绕组 |
| B1，B2 | B相电枢绕组 | C1，C2 | C相电枢绕组 |
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
由于N大于1以及k大于1的电机结构与N等于1以及k等于1的电机结构实施方式相似，下面以N等于1、k等于1结构(即6/4结构)为例来说明具体的实施方式。
本发明的各极解耦型6/4结构电励磁双凸极电机，由定子、转子及其相关结构件构成。定子极数为6个，转子极数为4个。定子铁心包括定子极2和定子非导磁材料3两部分，如图2所示。定子极2由多片槽口向内的定子极叠片1叠制而成，形成槽口向内的凹槽结构，包括前后两个齿和连接于两齿之间的轭部，且定子极2纵切面的齿宽ls等于定子极轭高hs，使定子极2内磁感应强度处处相等。连接于各个定子极2之间的定子非导磁材料3起到隔磁的作用，保证各极磁场相互独立，实现了电机各极之间的解耦。如图2所示，定子铁心槽口所占弧长lc与定子极弧长lt相等。紧贴电机定子铁心内壁绕制有励磁绕组4，励磁绕组的长度得到减小，有利于节省有效材料。励磁绕组4的线包宽度不应超过定子极2纵切面的槽口宽，以确保能够绕制得下。每个定子极2上套有电枢绕组5，这里是将绕组平均等分后套在前后两个齿上。安装了励磁绕组4和电枢绕组5后的定子如图3所示，励磁绕组4和电枢绕组5都为集中绕组。径向方向相对的两个定子极2属于同一相，套在这两个定子极2上的电枢绕组5属于同一相绕组，如A1和A2为A相的电枢绕组5，B1和B2为B相的电枢绕组5，C1和C2为C相的电枢绕组5，如图7所示。沿转子旋转v方向，定子极2相序为C相→B相→A相→C相→B相→A相。
本发明的各极解耦型6/4结构电励磁双凸极电机，转子极7中一个硅钢片叠片6如图4所示，槽口向外，与定子极叠片1槽口方向相反，多片一样的转子极叠片叠制后形成转子极7，槽口向外，与定子极槽口对应，且转子极纵切面的齿宽和转子极轭高分别与定子极纵切面齿宽和轭高相等。如图5所示，各转子极7之间同样由转子非导磁材料8填充，起到保证各极磁场互相独立的作用。转子铁心与定子组装后即构成各极解耦型6/4结构电励磁双凸极电机的基本结构，如图6所示。其前视图如图7所示。
本发明的各极解耦型6/4结构电励磁双凸极电机，励磁绕组4通以顺时针电流后，产生轴向、径向磁场，磁力线经过定转子极的凹槽结构形成闭合，励磁磁通正方向与励磁电流正方向满足右手螺旋关系。当转子极滑入A相定子极时，A相绕组匝链磁链增加，感应出负电势，绕组中产生电流，励磁磁通和电流的方向如图8所示；当转子极滑到与定子极重合位置时，A相绕组匝链磁链达到最大值，感应电势为零，绕组中无电流，励磁磁通方向如图9所示；当电机转子极滑出定子极时，A相绕组匝链磁链减小，感应电势为正，励磁磁通和电流的方向如图10所示。定子极前后齿的磁场方向相反，前后齿上电枢绕组中产生的电流方向相反。
本发明的各极解耦型6/4结构电励磁双凸极电机，电枢绕组5中A相绕组、B相绕组、C相绕组的输出端可以直接向负载提供交流电源，作交流发电机使用，如图11所示。也可以是其输出端接整流器向负载提供直流电源，作直流发电机使用，如图12、13所示。当k＞1时，改变定子极上的电枢绕组的连接方法，即可构成单个发电机，也可以构成多余度发电机。
Claims (1)
1、一种各极解耦型6·k/4·N·k结构电励磁双凸极电机，包括定子铁心(2、3)，励磁绕组(4)，电枢绕组(5)和转子铁心(7、8)，所述的定子铁心(2、3)中定子极(2)极数为6k，转子铁心(7、8)中的转子极(7)极数为4·N·k，N为除3和3的倍数以外的自然数，k为自然数；
其特征在于，所述的定子铁心(2、3)由定子极(2)和定子非导磁材料(3)两部分构成，定子极(2)为凹槽结构，由多片同样形状定子极叠片(1)周向叠制而成，槽口向内，6k个定子极(2)之间由定子非导磁材料(3)填充；
励磁绕组(4)置于定子极(2)的槽中，紧贴定子铁心(2、3)内壁绕制，定子极(2)的齿部上套有三相电枢绕组(5)，励磁绕组(4)和电枢绕组(5)均为集中绕组；
所述的转子铁心(7、8)由转子极(7)和转子非导磁材料(8)两部分构成，转子极(7)为凹槽结构，由多片同样形状的转子极叠片(6)周向叠制而成，转子极(7)的槽口向外，与定子极(2)的槽口对应，4·N·k个转子极(7)之间由转子非导磁材料(8)填充；
励磁绕组(4)通以电流后，在各定子极(2)中产生磁场，各定子极(2)中磁场之间互相独立，实现电机的极间解耦；
电枢绕组(5)可以直接向负载提供交流电源，作交流发电机使用，也可以接整流器向负载提供直流电源，作直流发电机使用。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090204 |