CN102130564A - 四相双凸极电机 - Google Patents

Abstract

一种四相双凸极电机，属双凸极电机。本发明由同转轴设置的定子和转子构成，定子上均布8n个凸极齿，定子上每隔4个凸极齿槽内嵌绕励磁绕组或安放永磁磁钢，此外每个定子的凸极齿上分别套装有集中电枢绕组，处于磁场中相同位置的凸极齿上的电枢绕组串联构成一相绕组；转子上均布6n个转子极，其中n为正整数，n≥1。电机单元为8/6结构。定子极距为定子极弧长的3倍，转子极宽等于或大于定子极宽。当转子极加宽至极弧系数也为1/3时，电机作发电机时输出功率最大。本发明与对应同尺寸的三相6n/4n极双凸极电机相比，具有更高的功率密度、更小的绕组铜损、更宽的调速范围以及更小的转矩脉动。

Description

四相双凸极电机

技术领域

发明涉及一种四相双凸极电机，属于双凸极电机的技术领域。

技术背景

双凸极电机是一种新型无刷直流电机，按励磁方式分主要有永磁、电励磁、混合励磁双凸极电机等。双凸极电机作为一种低成本、高可靠性的电机，具有良好的电气特性，正在受到广泛的关注。

永磁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。该电机属于一种变磁阻电机，在开关磁阻电机的结构基础上加装了高性能永磁体，因此具有功率密度高、效率高等优点。其定子，转子均为凸极结构，由硅钢片叠制而成，转子上没有绕组，结构简单，可靠性高，适于高速运行。

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)以电励磁绕组取代永磁体，使得电机的励磁磁场可以调节。作发电机工作时，不需要转子位置传感器，调节励磁绕组电流可调节输出电压，故障时可灭磁。作电动机时，可以实现宽的调速性能。

混合励磁双凸极电机是永磁双凸极电机和电励磁双凸极电机的有机结合，由永磁体和励磁绕组共同组成励磁源，较好的解决了永磁双凸极电机磁场调节困难和电励磁双凸极电机效率低的问题。

传统的双凸极电机研究大都集中在三相结构如6/4、12/8等结构，而对于四相以及多相结构的双凸极电机的研究尚处于起步阶段。传统三相双凸极电机定子的极弧系数为1/2，定子槽面积较小，导致绕组铜损较大，此缺点在风力发电等大功率场合尤为明显。改善策略是把电机设计成极弧系数为1/4的少齿电机，以增加定子槽面积，但输出功率明显降低。针对以上问题，本发明提出一种定子的极弧系数为1/3的四相双凸极电机，以满足兆瓦级风力发电机的功率要求。因此，对四相双凸极电机的结构和优点给出一个较明确的说明，成为本发明的初衷。

发明内容：

本发明的目的是：在双凸极电机基本原理和结构特点的基础上，提出一种四相双凸极电机，该电机与对应同尺寸同定子极数的三相6n/4n极双凸极电机相比，能够提高功率密度、降低绕组铜损、加宽调速范围以及减小转矩脉动。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明四相双凸极电机，由同转轴设置的定子和转子构成，其特征在于定子上均布8n个凸极齿，定子上每隔4个凸极齿槽内嵌绕励磁绕组或永磁磁钢，此外每个定子的凸极齿上分别套装有集中电枢绕组，处于磁场中相同位置的凸极齿上的电枢绕组串联构成一相绕组；转子上均布6n个转子极，其中n为正整数，n≥1。电机单元为8/6结构。定子极距为定子极弧长的3倍，转子极宽等于或大于定子极宽。当转子极加宽至极弧系数也为1/3时，电机作发电机时输出功率最大。

所述的四相双凸极电机，其特征在于：当所述四相双凸极电机作为发电机运行时，电枢绕组输出经过四相半波共阴极整流电路或四相半波共阳极整流电路或全桥整流电路整流后输出直流电压。

所述的四相双凸极电机，其特征在于：当所述四相双凸极电机作为电动机运行时，定子凸极齿上电枢绕组由四相逆变器供电。

本发明的四相双凸极电机具有如下有益的特点：

(1)转子上无任何绕组及永磁体，结构坚固，运行可靠。

(2)当四相双凸极电机作为发电机运行时，适当加大转子极宽或者定子极根部宽度，都能有效提高输出功率，此优点在兆瓦级风力发电机的研制方面有显著意义。

(3)当四相双凸极电机作为电动机运行时，以单元结构为例，由于8/6结构极数比6/4结构多，其输出转矩脉动较小。

(4)电枢绕组可以采用三种整流电路拓扑，四相半波共阴极整流电路，四相半波共阳极整流电路以及全桥整流电路。

(5)四相双凸极电机定转子极数配合灵活，适用于不同功率、转速等场合。

(6)与传统三相双凸极电机定子的极弧系数为1/2相比，四相双凸极电机的极弧系数为1/3，其定子槽面积相对增大，有利于减少铜损。

附图说明

图1是实施例四相8/6极永磁双凸极电机剖视图。

图2是实施例四相8/6极电励磁双凸极电机剖视图。

图3是实施例转子极弧系数为1/3时的四相8/6极电励磁双凸极电机剖视图。

图4是实施例转子极弧系数为1/3且定子极根部加宽时的四相8/6极电励磁双凸极电机剖视图。

图5是四相双凸极电机发电运行四相半波共阳极整流电路原理图。

图6是四相双凸极电机发电运行四相半波共阴极整流电路原理图。

图7是四相双凸极电机发电运行四相全桥整流电路原理图。

图8是四相双凸极电机电动运行逆变主电路原理图。

上述图中标号名称列表：

标号	名称	标号	名称
				1	定子	2	转子
3	电枢绕组	4	励磁绕组
				5	转轴	6	永磁体
A、X	A相电枢绕组接线端	B、Y	B相电枢绕组接线端
				C、Z	C相电枢绕组接线端	D、W	D相电枢绕组接线端
Di	整流二极管	Qi	逆变电路开关管
				v	转速

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

本发明的四相双凸极电机定转子均为凸极结构，定转子极数满足一定的配合关系。四相双凸极电机的定转子配合关系为8n/6n，基本结构形式为8/6结构，其中n为正整数，n≥1。电机的定子在圆周上均匀分布有8n个向内的定子极，定子上每隔4个极的槽内安放有永磁磁钢或嵌绕励磁绕组，此外每个定子极的齿上分别套装有集中电枢绕组，处于磁场中相同位置的凸极齿上的电枢绕组串联构成一相绕组；转子上有6n个均匀分布的向外的转子极。定子极距为定子极弧长的3倍，转子极宽等于或大于定子极宽。在一个励磁磁极下，电机旋转时定转子重叠角度恒为转子极宽，磁路磁阻不变，励磁磁链也为恒值，励磁线圈中不会感应出电势，保证励磁源的稳定。当转子极加宽至极弧系数也为1/3时，电机作发电机时输出功率最大。转子极上没有绕组，保留了开关磁阻电机结构简单可靠，价格便宜的优点。

作为一个实施例，为便于说明，附图1给出了当n＝1时，8/6极四相永磁双凸极电机的剖面示意图，定子1有8个向内的凸极齿，转子2于6个向外的凸极齿，定子极宽等于转子极宽，定子1每隔齿上套装有集中电枢绕组3，相对的两个齿上的电枢绕组串联构成一相，组成A-X、B-Y、C-Z、D-W四相绕组，定子1每隔4个极槽内安放有永磁体6，励磁绕组通入直流电提供磁势源。附图2给出了8/6极四相电励磁双凸极电机的剖面示意图，定子1每隔4个极槽内嵌绕有励磁绕组4，相绕组构成方法与永磁电机完全相同。

附图3给出了8/6极四相电励磁双凸极电机在转子极加宽至极弧系数也为1/3时的剖面示意图。本发明作为发电机运行时，通过加大转子极宽，能有效提高电机输出功率，在定转子极弧系数都为1/3时，输出功率最大，同时，在满足槽满率的情况下，通过加宽定子极根部，亦能提高输出功率。附图4给出了在加宽转子极的基础上进一步加宽定子极根部的剖面示意图。

本发明的四相双凸极电机作为发电机运行时，定子上电枢绕组与外部整流电路的连接方式有3种，如图5、图6和图7所示。图5为四相半波共阴极整流电路，定子上四相绕组A-X、B-Y、C-Z、D-W的输出经过四个共阴极连接的整流二极管D1、D2、D3、D4半波整流。图6为四相半波共阳极整流电路，定子上四相绕组A-X、B-Y、C-Z、D-W的输出经过四个共阳极连接的整流二极管D5、D6、D7、D8半波整流。图7为四相全桥整流电路，定子上四相绕组A-X、B-Y、C-Z、D-W的输出经过整流二极管D9～D16组成的全桥整流电路整流。

本发明的四相双凸极电机作为电动机运行时，输入电源经四相逆变器对电枢绕组供电，如图8所示，功率开关管Q1～Q6组成逆变器主电路，向定子上四相绕组A-X、B-Y、C-Z、D-W供电。

Claims (4)

1.一种四相双凸极电机，由同转轴(5)设置的定子(1)和转子(2)构成，其特征在于定子(1)上均布8n个凸极齿，定子(1)上每隔4个凸极齿槽内嵌绕励磁绕组(4)或安放永磁磁钢，此外每个定子(1)的凸极齿上分别套装有集中电枢绕组(3)，处于磁场中相同位置的凸极齿上的电枢绕组串联构成一相绕组；转子(2)上均布6n个转子极，其中n为正整数，n≥1。

2.根据权利要求1所述的四相双凸极电机，其特征在于：定子极距为定子极弧长的3倍，转子极宽等于或大于定子极宽，当转子极加宽至极弧系数也为1/3时，电机作发电机时输出功率最大。

3.根据权利要求1所述的四相双凸极电机，其特征在于：当所述四相双凸极电机作为发电机运行时，电枢绕组输出经过四相半波共阴极整流电路或四相半波共阳极整流电路或全桥整流电路整流后输出直流电压。

4.根据权利要求1所述的四相双凸极电机，其特征在于：当所述四相双凸极电机作为电动机运行时，定子(1)凸极齿上电枢绕组由四相逆变器供电。

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