CN102468731A - 一种永磁同步电机定子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机定子，包括定子铁心和定子绕组，其特征在于，所述定子铁心的齿数为S＝2nm，m为相数，n为大于等于2的偶数；所述定子齿槽宽度比为1，所述定子绕组为多相绕组，每相绕组至少由一个线圈单元构成；所述线圈单元是由相邻两个齿上的绕向相同的单齿半绕组构成，且所述线圈单元的两个齿上的单齿半绕组的输出端是相连的，每两个相邻线圈单元的相邻的两齿上的单齿半绕组的引线方向相同。其具有绕线工艺简单，绕组端部短，损耗小效率高，成本低的优点。

Description

一种永磁同步电机定子

技术领域

本发明涉及一种电机定子，特别是涉及一种适合于低转速的永磁同步电机定子。

背景技术

现有电机的定子一般由硅钢片叠压成定子铁心，其铁心槽为线圈；而定子绕组一般均采用分布式绕组，其存在下线复杂、制造周期长、成本高的问题。对于直驱电机以及用于风力发电的电机，为了降低转速，必需选择多极转子。因此，三相电机就需要有较多的定子槽和绕组(至少是极数的4.8到6倍)。如此多的绕组安装和连接是非常耗时的工作。

例如：CN201466836U公开了一种具备冗余绕组的三相集中绕组式电动机，定子齿槽数为偶数且定子齿槽数与转子磁极数之比为3∶2的集中绕组式电动机，其将奇数的绕组分为一个组，偶数的绕组分为另一个组，将奇数绕组和偶数绕组分别采用一台三相驱动控制器控制，可以一台电动机单独工作或者两台电动机同时工作。该电动机的三相线圈分别处在相距120度的机械位置上，使电动机的驱动力保持平衡。该专利与分布式绕组相比虽然绕组简单，但是接线复杂，特别是对于多极数电机，其连线更为复杂，而且，两台电机同时工作时控制方法也复杂。

CN101227108A公开了一种集中绕组结构的多相同步电机，它的电枢绕组为多相对称集中绕组，每相绕组有至少一个线圈，每个线圈绕在一个电枢铁心的齿上；该电机是通过电枢铁心齿距τ_t与极距τ_P之间满足关系mkτ_t＝(mk±1)τ_P，齿数为S＝nm，磁极数为P＝2i，其中m、k、i、n均为自然数，m为电机的相数，m≥3；当S与P为互质数，把S个铁心齿沿周向均分为m组，每相邻的n个齿属于一相，当S与P存在最大公约数j时，把nm个铁心齿均分为mj份，每相邻的n/j个齿属于一相或每隔m-1个齿上的绕组属于一相。该电机是通过选择合适的齿距和极距以降低由齿槽效应产生的定位转矩的问题。然而，该同步电机当齿数较多时，即n＞1时，每相的相邻的两个铁心齿上的线圈绕向相反或者每隔m-1个齿上的线圈绕向相反，这样无疑给嵌线和接线带来不便。

上述永磁同步电机采用了集中式绕组，相对于分布式绕组的工艺简单，但相邻线圈绕向不同仍然存在带来的嵌线、接线不便的问题；但是对于全线圈绕组，即每一个齿上嵌入一个线圈而言，其存在发热集中，损耗高的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于更好地解决现有永磁同步电机的定子嵌线、接线不便且定子绕组损耗高的问题。

本发明的技术方案为：一种永磁同步电机定子，包括定子铁心和定子绕组，其特征在于，所述定子铁心的齿数为S＝2nm，m为相数，n为大于等于2的偶数；所述定子绕组为多相绕组，每相绕组至少由一个线圈单元构成；所述线圈单元是由相邻两个齿上的绕向相同的单齿半绕组构成，且所述线圈单元的两个齿上的单齿半绕组的末端是相连的，每两个相邻线圈单元的相邻的两齿上的单齿半绕组的引线同为输出端或者同为输入端。

作为优选，所述相邻的m个线圈单元构成一个多相绕组单元(a1、b1、c1；a2、b2、c2…)，所述2nm个齿上的nm个线圈单元构成n个多相绕组单元；所述一个多相绕组单元或者两个、两个以上多相绕组单元串连、并联或者混联构成至少一套独立的多相绕组。

应说明的是：本发明将单齿上的半绕组的两端命名为首端和末端：首端是指半绕组(左侧)的引线一端，末端是指半绕组(右侧)两者相连的一端。

作为优选，所述n个多相绕组单元构成n套独立的多相绕组，其中n/2套偶数的多相绕组并联、n/2套奇数多相绕组并联；或者180度对称位置的多相绕组并联。采用该种连接方式，可以使相同且对称的多相绕组并联在一起，一方面有利于电机驱动力保持平衡，保证电机平稳运行。另一方面在使用时，其中一套多相绕组出现故障，不会影响整机的工作。当然，还可以使其中一部分独立的多项绕组工作。

作为优选，所述i个相邻的多相绕组单元串联构成一套独立的多相绕组，n个多相绕组单元构成n/i套独立的多相绕组，其中n/2i套偶数多相绕组并联、n/2i套奇数多相绕组并联，i为能整除n的自然数。采用先串联后并联的方式，使输出接线简单。

作为优选，所述n个多相绕组单元串联构成一套独立的多相绕组。全部串联的方式，其输出接线最简单。

作为优选，所述定子铁芯的齿槽宽度比为1，即槽宽和齿宽相同。更加利于绕组安装。

本发明由于采用上述技术方案，电机的定子绕组为对称单齿半绕组，巧妙地通过改变相邻的绕组单元的接线方向，从而可以使发明的每一个单齿半绕组绕向相同，在制作时，所有的线圈均按一个方向绕制，可以一次绕制一个线圈单元，并将一个线圈单元一次性嵌入到两个齿槽上，简化了安装工艺，减少了两个半绕组之间的接线工作，因此，本发明与现有的集中绕组相比，使得布线更简单、简洁，提高了电机的装配工效，大大缩短了制作工期，降低了生产成本。同时，本发明的每一个线圈单元是由两个相邻两个齿上的半绕组构成，相对于单齿全绕组的一个线圈匝数减少一半，从而相对于单齿全绕组每一个齿上绕组产生的热量降低一半，转子上的涡流损耗也大大降低，由此，提高电机的效率。相对于全绕组方式使转子部分的损耗降低50％，致使采用本发明技术方案的3MW发电机的转子损耗只有17千瓦，电机的效率高达97％，降低损耗的同时也降低电机温升，无需另设强制冷却装置，仅靠自然通风冷却即可。

进一步，本发明综合考虑了降低齿槽转矩和方便嵌线的两方面因素，选择电机定子的齿槽宽度比为1，同时使嵌线更加容易，达到最佳的优化设计。

附图说明

图1是本发明永磁同步电机定子的示意图；

图2是本发明永磁同步电机定子的实施例一的示意图；

图3是本发明永磁同步电机定子的实施例二的示意图；

图4是本发明永磁同步电机定子的实施例三的示意图；

图5是本发明永磁同步电机定子的实施例四的示意图。

具体实施方式

实施例一，参见图1，图1中展示了本发明所述电机的定子结构，包括定子铁心200和定子绕组100，本实施例中，电机相数m为3，定子铁心上具有用于线圈嵌套的齿2001、2002、2003……、2047、2048，齿数为48，S＝2nm，n为8；每相绕组由一个线圈单元构成，本发明中，线圈单元a1是由相邻两个齿(例如：齿2001、齿2002)上的绕向相同的单齿半绕组1和单齿半绕组2构成；线圈单元b1是由半绕组3和半绕组4构成；……线圈单元c8由半绕组47和48构成，其中每一个线圈单元的中的两个单齿半绕组1和半绕组2的末端是连为一体的，两者是在绕制时一次绕制而成，即每一个线圈单元是由两个一次绕制而成的、同向的、末端相连的单齿半绕组齿构成，由此，48个个齿上具有24个线圈单元(a1、b1、c1，a2、b2、c2……，a8、b8、c8)。每两个相邻线圈单元的相邻的两齿上的单齿半线圈的引线同为输入端或者同为输出端，如线圈单元a1的两个半绕组1、2，如果1为输入端，2为输出端(接星点)，则与之相邻的线圈单元b1的相邻的半绕组3为输出端)(接星点)，而与之相邻的线圈单元a8的半绕组48则为输入端(接引线端)。其他线圈单元依次类推。每一个线圈单元构成三相绕组中的一相，每相邻的3个线圈单元构成一个三相绕组单元；48个齿上的24个线圈单元构成8个三相绕组单元(a1、b1、c1)；(a2、b2、c2)；……(a8、b8、c8)；一个多相绕组单元，或者两个、两个以上多相绕组单元串连、并联或者混联构成至少一套独立的多相绕组。本实施例中的具体联接方式请参见图2

参见图2，本实施例中给出了8个三相绕组单元的一种具体的连接方式，将图1中的8个三相绕组单元(a1、b1、c1)；(a2、b2、c2)；……(a8、b8、c8)分别构成一套独立的三相绕组，即为：(A1、B1、C1)，(A2、B2、C2)；(A3、B3、C3)；(A4、B4、C4)，……(A8、B8、C8)。这8个独立的三相绕组，可以均并联使用。也可以其中偶数并联、奇数并联，即三相绕组(A1、B1、C1)，(A3、B3、C3)，(A5、B5、C5)，(A7、B7、C7)并联；(A2、B2、C2)；(A4、B4、C4)，……(A8、B8、C8)并联分别使用。本实施例的连接方式，一方面可以使不同的独立三相系统单独工作，当同时工作时，其中一套独立的三相绕组失效，不影响整机的继续运行。采用对称方式连接使轴承受力均衡，电机运行平稳。

实施例二，参见图3，本实施例中给出了8个三相绕组单元的另一种具体的连接方式，将8个三相绕组单元中的第一组三相绕组单元(a1、b1、c1)和第二组三相绕组单元(a2、b2、c2)串联，第三组三相绕组单元(a3、b3、c3)和第四组三相绕组单元(a4、b4、c4)串联，第五组和第六组串联，第七组和第八组串联，如此构成四套独立的三相绕组。结合图1、图3以其中第一组为例说明其联接方式。为了描述清楚，将线圈单元a1的左边一端定义为首端、右边一端定义为末端，依次线圈单元b1与a1相邻一端为首端、另一端为末端(以下实施例相同)。三相绕组单元(a1、b1、c1)中的线圈单元a1的首端、b1的末端、c1的首端分别连接引出端，线圈单元a1的末端连接三相绕组单元(a2、b2、c2)的线圈单元a2的末端；线圈单元b1的首端连线圈单元b2的首端，线圈单元c1的末端连线圈单元c2的末端，由此，构成一个独立的三相绕组(A1、B1、C1)，以此类推，构成另三个独立的三相绕组(A2、B2、C2)；(A3、B3、C3)；(A4、B4、C4)；4个独立的三相绕组可以均为并联使用；或者将三相绕组(A1、B1、C1)和三相绕组(A3、B3、C3)并联，三相绕组(A2、B2、C2)和三相绕组((A4、B4、C4)并联。

实施例三，参见图4，本实施例中给出了8组三相绕组单元的又一种具体的连接方式，将第一、二、三、四组三相绕组单元(a1、b1、c1)、(a2、b2、c2)、(a3、b3、c3)；(a4、b4、c4)串连为一个独立的三相绕组(A1、B1、C1)，将第五、六、七、八组三相绕组单元(a5、b5、c5)、(a6、b6、c6)、(a7、b7、c7)；(a8、b8、c8)串连为一个独立的三相绕组(A2、B2、C2)；以第一个三相绕组(A1、B1、C1)为例：三相绕组单元(a1、b1、c1)中的线圈单元a1的首端、b1的末端、c1的首端分别连接引出端，a1的末端连接三相绕组单元(a2、b2、c2)的线圈单元a2的末端；线圈单元b1的首端连线圈单元b2的首端，线圈单元c1的末端连线圈单元c2的末端；线圈单元a2的首端线圈单元a3的首端，线圈单元b2的末端连接线圈单元b3的末端，线圈单元c2的首端连接线圈单元c3的首端；线圈单元a3的末端连接线圈单元a4是末端，b3的首端连接线圈单元b4的首端，线圈单元c3的末端连接c4的末端，线圈单元a4的首端、b4的末端、c4的首端接星点，由此构成一个独立的三相对称单齿半绕组(A1、B1、C1)，另一独立三相绕组与之相同。

实施例四，参见图5，本实施例中给出了8组三相绕组单元的又一种具体的连接方式，是将8个三相绕组单元全部串联在一起构成一个三相绕组(A1、B1、C1)，其前四个三相绕组单元的串联与上一个实施例相同，以下继续说明后四个三相绕组单元的连接方式，与上一实施例不同之处是：接星点的线圈单元a4的首端、b4的末端、c4的首端分别与第5个三相绕组单元(a5、b5、c5)的线圈单元a5的首端、b5的末端、c5的首端相连；第5个三相绕组单元(a5、b5、c5)的线圈单元a5的末端、b5的首端、c5的末端分别与第6个三相绕组单元(a6、b6、c6)的线圈单元a6末端、b6的首端、c6的末端相连；第6个三相绕组单元(a6、b6、c6)的线圈单元a6首端、b6的末端、c6的首端分别与第7个三相绕组单元(a7、b7、c7)的线圈单元a7首端、b7的末端、c7的首端相连；第7个三相绕组单元(a7、b7、c7)的线圈单元a7末端、b7的首端、c7的末端分别与第8个三相绕组单元(a8、b8、c8)的线圈单元a8的末端、b8的首端、c8的末端相连；第8个三相绕组单元(a8、b8、c8)的线圈单元a8的首端、b8的末端、c8的首端连接星点。由此构成一个三相绕组(A1、B1、C1)。

上述实施例中的定子的齿宽与槽宽相等，齿槽比为1，其更有利于线圈的嵌入安装。

以上实施例对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，例如：改变定子齿数、改变相数等都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机定子，包括定子铁心和定子绕组，其特征在于，所述定子铁心的齿数为S＝2nm，m为相数，n为大于等于2的偶数；所述定子绕组为多相绕组，每相绕组至少由一个线圈单元构成；所述线圈单元是由相邻两个齿上的绕向相同的单齿半绕组构成，且所述线圈单元的两个齿上的单齿半绕组的末端是相连的，每两个相邻线圈单元的相邻的两齿上的单齿半绕组的引线同为输出端或者同为输入端。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机定子，其特征在于，所述相邻的m个线圈单元构成一个多相绕组单元，所述2nm个齿上的nm个线圈单元构成n个多相绕组单元；所述一个多相绕组单元或者两个、两个以上多相绕组单元串连、并联或者混联构成至少一套独立的多相绕组。

3.根据权利要求2所述的永磁同步电机定子，其特征在于，所述n个多相绕组单元构成n套独立的多相绕组，其中n/2套偶数多相绕组并联、n/2套奇数多相绕组并联；或者180度对称位置的多相绕组并联。

4.根据权利要求3所述的永磁同步电机定子，其特征在于，所述i个相邻的多相绕组单元串联构成一套独立的多相绕组，n个多相绕组单元构成n/i套独立的多相绕组，其中n/2i套偶数的多相绕组并联、n/2i套奇数多相绕组并联，i为能整除n的自然数。

5.根据权利要求3所述的永磁同步电机定子，其特征在于，所述n个多相绕组单元串联构成一套独立的多相绕组。

6.根据权利要求1-5其中任一项所述的永磁同步电机定子，其特征在于，所述定子铁心的齿槽宽度比为1，即槽宽和齿宽相同。

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