CN102163896A - 一种无刷双馈电机 - Google Patents

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Abstract

一种无刷双馈电机，属于交流双馈电机。该无刷双馈电机由转轴、定子和转子构成；定子包括定子铁心、定子三相功率绕组和定子三相控制绕组，在定子铁心上有定子三相功率绕组线槽和定子三相控制绕组线槽，定子三相功率绕组和定子三相控制绕组分别安放在定子三相功率绕组线槽和定子三相控制绕组线槽内；转子包括转子铁心、转子三相功率绕组和转子三相控制绕组，在转子铁心上有转子三相功率绕组线槽和转子三相控制绕组线槽，转子三相功率绕组和转子三相控制绕组分别安放在转子三相功率绕组线槽和转子三相控制绕组线槽内。优点：该双馈电机实现了可逆变频器与转子功率绕组的无电刷连接，提高了电机的可靠性，降低了维护工作量，结构简单，体积较小，效率高。

Description

一种无刷双馈电机
技术领域
本发明涉及一种交流双馈电机，特别是一种无刷双馈电机。
背景技术
双馈电机的功率绕组直接与工频电网连接，控制绕组通过变频器与电网连接。双馈电机功率因数可以调节，调速范围宽。在额定转速附近运行时，变频电源只需给控制绕组供电，其容量远小于电动机的额定功率，一方面降低了调速系统的成本，另一方面减少了对电网的谐波污染。因此，目前有刷双馈电机广泛应用于风力发电和交流提升系统。但是，有刷双馈电机存在电刷，容易产生机械故障，电机维护工作量大，可靠性较差，应用场合也受限制的缺点。无刷化是克服这些缺点的根本途径，但是现有的无刷双馈电机的线槽都是与转轴方向相同的直线型线槽，控制绕组和功率绕组之间存在电磁耦合关系，会在对方绕组中感应电势和消耗功率，因此现有结构的无刷双馈电机损耗较大，效率较低，不能满足工程应用的要求。
发明内容
本发明的目的是要提供一种无刷双馈电机，解决现有结构的无刷双馈电机损耗较大，效率较低，不能满足工程应用要求的问题。
本发明的目的是这样实现的：该无刷双馈电机由转轴、定子和转子构成；定子包括定子铁心、定子三相功率绕组和定子三相控制绕组，在定子铁心上有定子三相功率绕组线槽和定子三相控制绕组线槽，定子三相功率绕组和定子三相控制绕组分别安放在定子三相功率绕组线槽和定子三相控制绕组线槽内；转子包括转子铁心、转子三相功率绕组和转子三相控制绕组，在转子铁心上有转子三相功率绕组线槽和转子三控制绕组线槽，转子三相功率绕组和转子三相控制绕组分别安放在转子三相功率绕组线槽和转子三相控制绕组线槽内。
所述的定子铁心内表面有两种定子线槽：定子三相功率绕组线槽和定子三相控制绕组线槽，定子三相功率绕组线槽是直线型，其方向与转轴方向相同，定子三相功率绕组安放在定子三相功率绕组线槽中；定子三相控制绕组线槽是包围转轴的圆环型结构线槽，定子三相控制绕组的有效边安放在定子三相控制绕组线槽中，定子三相控制绕组的端接边安放在定子三相功率绕组线槽中。
所述的转子铁心外表面有两种转子线槽：转子三相功率绕组线槽和转子三相控制绕组线槽，转子三相功率绕组线槽是直线型，其方向与转轴方向相同，转子三相功率绕组安放在转子三相功率绕组线槽中；转子三相控制绕组线槽是包围转轴的圆环型结构线槽，转子三相控制绕组的有效边安放在转子三相控制绕组线槽中，转子三相控制绕组的端接边安放在转子三相功率绕组线槽中。
有益效果：由于采用了上述方案，本发明的无刷双馈电机由绕线异步电机子系统和变压器子系统组成，定子功率绕组和转子功率绕组构成了绕线异步电机子系统，实现机电能量的转换；定子控制绕组和转子控制绕组构成了变压器子系统，利用变压器原理实现转子功率绕组外加励磁电源频率和幅值的无电刷调节功能；利用定子控制绕组和转子控制绕组构成的变压器，实现了可逆变频器与转子功率绕组的无电刷连接，提高了电机的可靠性，降低了维护工作量；该双馈电机中的绕线异步电机子系统和变压器子系统共用铁心；定子三相功率绕组和定子三相控制绕组在空间相互垂直分布，它们之间不存在电磁耦合关系，不会在对方绕组中感应电势和消耗功率；因此，电机结构简单，体积较小；同时转子三相功率绕组和转子三相控制绕组也在空间相互垂直分布，它们之间不存在电磁耦合关系，不会在对方绕组中感应电势和消耗功率，因此电机效率高。解决了现有结构的无刷双馈电机损耗较大，效率较低，不能满足工程应用的要求的问题，达到了本发明的目的。
优点：本发明电机结构简单，体积较小；功率绕组和控制绕组在空间相互垂直分布，它们之间不存在电磁耦合关系，不会在对方绕组中感应电势和消耗功率，功率绕组和控制绕组完全解耦、结构简单、效率高。
附图说明
图1 是新结构无刷双馈电机的纵剖截面图。
图2 是新结构无刷双馈电机的定子铁心纵剖面图。
图3 是新结构无刷双馈电机的转子结构图。
图4 是新结构无刷双馈电机的定子绕组展开图。
图5 是新结构无刷双馈电机的转子绕组展开及连接图。
图6 是新结构无刷双馈电机定子的一个功率绕组线圈和控制绕组在空间的分布图。
图中：1-定子铁心；2-定子三相功率绕组；3-定子三相控制绕组线槽；4-定子三相控制绕组；5-转子三相控制绕组线槽；6-转子三相控制绕组；7-转子三相功率绕组；8-转子铁心；9-转轴；10-定子三相功率绕组线槽；11-转子三相功率绕组线槽；AP-定子功率绕组A相首端；BP-定子功率绕组B相首端；CP-定子功率绕组C相首端；XP-定子功率绕组A相尾端；YP-定子功率绕组B相尾端；ZP-定子功率绕组C相尾端；AC-定子控制绕组A相首端；BC-定子控制绕组B相首端；CC-定子控制绕组C相首端；XC-定子控制绕组A相尾端；YC-定子控制绕组B相尾端；ZC-定子控制绕组C相尾端；aP-转子功率绕组a相首端；bP-转子功率绕组b相首端；cP-转子功率绕组c相首端；xP-转子功率绕组a相尾端；yP-转子功率绕组b相尾端；zP-转子功率绕组c相尾端；aC-转子控制绕组a相首端；bC-转子控制绕组b相首端；cC-转子控制绕组c相首端；xC-转子控制绕组a相尾端；yC-转子控制绕组b相尾端；zC-转子控制绕组c相尾端；L-控制绕组的有效边；D-控制绕组的端接边。
具体实施方式
实施例1：在图1中，该无刷双馈电机由转轴9、定子和转子构成；定子包括定子铁心1、定子三相功率绕组2和定子三相控制绕组4，在定子铁心上有定子三相功率绕组线槽和定子三相控制绕组线槽，定子三相功率绕组2和定子三相控制绕组4分别安放在定子三相功率绕组线槽和定子三相控制绕组线槽内；转子包括转子铁心8、转子三相功率绕组7和转子三相控制绕组6，在转子铁心上有转子三相功率绕组线槽和转子三相控制绕组线槽，转子三相功率绕组7和转子三相控制绕组6分别安放在转子三相功率绕组线槽和转子三相控制绕组线槽内。
所述定子铁心1内表面有两种定子线槽，一种是定子三相功率绕组线槽10，该线槽是直线型，其方向与转轴9方向相同，定子三相功率绕组2安放在定子三相功率绕组线槽10中；一种是定子三相控制绕组线槽3，该线槽是包围转轴9的圆环型结构线槽，定子三相控制绕组4的有效边安放在定子三相控制绕组线槽3中，定子三相控制绕组4的端接边安放在定子三相功率绕组线槽10中。
所述转子铁心8外表面有两种转子线槽，一种是转子三相功率绕组线槽11，该线槽是直线型，其方向与转轴9方向相同，转子三相功率绕组7安放在转子三相功率绕组线槽11中；一种是转子三相控制绕组线槽5，该线槽是包围转轴9的圆环型结构线槽，转子三相控制绕组6的有效边安放在转子三相控制绕组线槽5中，转子三相控制绕组6的端接边安放在转子三相功率绕组线槽11中。
所述的定子铁心1和转子铁心8均由0.3mm厚的硅钢片叠成。定子铁心1内表面开有36个定子三相功率绕组线槽10和6个定子三相控制绕组线槽3，转子铁心8外表面开有28个转子三相功率绕组线槽11和6个转子三相控制绕组线槽5。
在图2中，所述的定子铁心1内表面有两种定子线槽：定子三相功率绕组线槽10和定子三相控制绕组线槽3，定子三相功率绕组线槽10是直线型，其方向与转轴9方向相同，定子三相控制绕组线槽3是包围转轴9的圆环型结构线槽。定子三相控制绕组4采用集中绕组，定子abc三相控制绕组的6个有效边从左向右依次排放在6个定子三相控制绕组线槽3中，定子三相控制绕组4的端接边安放在相邻两个定子三相功率绕组线槽10的底层，定子三相功率绕组2采用双层分布形式安放在定子三相功率绕组线槽10中。
在图3中，所述的转子铁心8外表面有两种转子线槽：转子三相功率绕组线槽11和转子三相控制绕组线槽5，转子三相功率绕组线槽11是直线型，其方向与转轴9方向相同，转子三相控制绕组线槽5是包围转轴9的圆环型结构线槽。转子三相控制绕组6采用集中绕组，转子 abc三相控制绕组的6个有效边从左向右依次排放在6个转子三相控制绕组线槽5中，转子三相控制绕组6的端接边安放在相邻两个转子三相功率绕组线槽11的底层，转子三相功率绕组7采用双层分布形式安放在转子三相功率绕组线槽11中。
在图5中，转子三相功率绕组7和转子三相控制绕组6分别采用星型连接，并且其首端对应连接：转子功率绕组a相首端aP与转子控制绕组a相首端aC连接，转子功率绕组b相首端bP与转子控制绕组b相首端bC连接，转子功率绕组c相首端与转子控制绕组c相首端cC连接。当改变可逆变频器输出给定子三相控制绕组4的电压频率时，该变频电压通过变压器传递给转子三相功率绕组7，所述的变压器是定子三相控制绕组4和转子三相控制绕组6构成，这样就可以对转子功率绕组外加电源的频率和幅值进行调节。
在图6中，定子三相功率绕组2采用双层分布形式，定子三相控制绕组4采用集中绕组。定子三相功率绕组2一个线圈的两个有效边位于平行于转轴9的定子三相功率绕组线槽10中；定子三相控制绕组4一个线圈的两个有效边L分别位于环绕转轴9的相邻两个定子三相控制绕组线槽3中，每一个有效边围绕一个定子三相控制绕组线槽3放置，定子三相控制绕组4一个线圈的端接边D位于定子三相功率绕组线槽10中。定子三相功率绕组2线圈构成的平面与定子三相控制绕组4线圈构成的平面在空间相互垂直分布，它们之间不存在电磁耦合关系，不会在对方绕组中感应电势和消耗功率。
转子的一个功率绕组线圈和控制绕组在空间的分布与图6相同，转子三相功率绕组7采用双层分布形式，转子三相控制绕组6采用集中绕组。转子三相功率绕组7一个线圈的两个有效边位于平行于转轴9的转子三相功率绕组线槽11中；转子三相控制绕组6一个线圈的两个有效边L分别位于环绕转轴9的相邻两个转子三相控制绕组线槽5中，每一个有效边围绕一个转子三相控制绕组线槽5放置，转子三相控制绕组6一个线圈的端接边D位于转子三相功率绕组线槽11中。转子三相功率绕组7线圈构成的平面与转子三相控制绕组6线圈构成的平面在空间相互垂直分布，它们之间不存在电磁耦合关系，不会在对方绕组中感应电势和消耗功率。
工作原理：本发明的无刷双馈电机由绕线异步电机子系统和变压器子系统组成。其中，定子功率绕组和转子功率绕组构成了绕线异步电机子系统，实现机电能量的转换；定子控制绕组和转子控制绕组构成了变压器子系统，利用变压器原理实现转子功率绕组外加励磁电源频率和幅值的无电刷调节功能。
本发明的无刷双馈电机双馈运行时，定子三相功率绕组2直接与工频电网连接，定子三相控制绕组4通过可逆变频器与电网连接。当改变该变频器输出给定子三相控制绕组4的电压频率时，该变频电压通过变压器传递给转子三相功率绕组7，所述的变压器是定子三相控制绕组4和转子三相控制绕组6构成，这样就可以对转子功率绕组外加电源的频率和幅值进行调节，从而达到控制电机速度、功率因数的目的。本发明的无刷双馈电机转子速度与控制频率的关系为：
Figure 2011100607330100002DEST_PATH_IMAGE001
                                                                       （1）
公式（1）中，nr是转子速度，fp是定子三相功率绕组电源频率，fc是定子三相控制绕组电源频率，p是电机极对数，控制绕组电源与功率绕组电源同相序时取“-”号，控制绕组电源与功率绕组电源反相序时取“+”号。
由于变压器对直流电不能实现能量的传递，因此本发明的无刷双馈电机不能工作于同步速nr=60fp /p ，控制时需要避开同步速度。

Claims (3)

1.一种无刷双馈电机，其特征是：该无刷双馈电机由转轴、定子和转子构成；定子包括定子铁心、定子三相功率绕组和定子三相控制绕组，在定子铁心上有定子三相功率绕组线槽和定子三相控制绕组线槽，定子三相功率绕组和定子三相控制绕组分别安放在定子三相功率绕组线槽和定子三相控制绕组线槽内；转子包括转子铁心、转子三相功率绕组和转子三相控制绕组，在转子铁心上有转子三相功率绕组线槽和转子三相控制绕组线槽，转子三相功率绕组和转子三相控制绕组分别安放在转子三相功率绕组线槽和转子三相控制绕组线槽内。
2.根据权利要求1所述的一种无刷双馈电机，其特征是：所述的定子铁心内表面有两种定子线槽：定子三相功率绕组线槽和定子三相控制绕组线槽，定子三相功率绕组线槽是直线型，其方向与转轴方向相同，定子三相功率绕组安放在定子三相功率绕组线槽中；定子三相控制绕组线槽是包围转轴的圆环型结构线槽，定子三相控制绕组的有效边安放在定子三相控制绕组线槽中，定子三相控制绕组的端接边安放在定子三相功率绕组线槽中。
3.根据权利要求1所述的一种无刷双馈电机，其特征是：所述的转子铁心外表面有两种转子线槽：转子三相功率绕组线槽和转子三相控制绕组线槽，转子三相功率绕组线槽是直线型，其方向与转轴方向相同，转子三相功率绕组安放在转子三相功率绕组线槽中；转子三相控制绕组线槽是包围转轴的圆环型结构线槽，转子三相控制绕组的有效边安放在转子三相控制绕组线槽中，转子三相控制绕组的端接边安放在转子三相功率绕组线槽中。
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