CN103178667A - 轴向磁场双定子游标电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轴向磁场双定子游标电机，包括：转子，其呈圆环形，环体周向上均匀间隔布置有多个永磁体；定子，其呈圆环形，环体一端端面在周向上均匀开有多个凹槽，各凹槽用于容纳绕组，各凹槽之间的凸起部分形成定子齿；其特征在于，所述定子为两个，以凹槽相对的方式同轴间隔布置，所述转子同轴设置在两定子之间，且其中第一定子的定子齿与第二定子的定子齿在周向上相距半个槽距角。本发明的游标电机采用轴向磁场双定子结构，与传统游标电机的转矩密度相近的情况下，功率因数显著提高，可以达到0.8以上。
Description
技术领域
本发明属于电机领域，具体涉及一种游标电机，适用于风力发电、舰船驱动等。
背景技术
风能作为可再生能源中很重要的一部分，受到了包括中国在内的世界各国的高度重视。在过去几年里，风力发电的装机容量连续多年大比例增长，尤其在中国，风力发电已成为一个重要的可再生能源行业。其中，风力发电机作为风力发电系统中最关键的部件之一，其设计技术、生产工艺已成为世界各国竞争的技术制高点，尤其是直驱式风力发电机，其转速低，体积大，重量沉，高功率密度的风力发电机可以大幅度降低风力发电机的重量和成本，具有极大的社会经济效益。
游标电机（Vernier Machine）近年受到越来越多业界的重视，这种电机的拓扑具有超高的功率密度且机械结构简单的优点，有望得到大规模工程应用。由于在转速恒定的情况下，电机的转矩与其空载反电势大小有关，对于传统的电机，定子和转子的极对数是相同的，所以增大极数会同比例的减小定子磁链，因而不能通过增大极数来提高空载反电势。
如图1所示，现有的游标电机和普通的永磁电机的结构类似，由转子和定子组成，游标电机最主要的特点在于其定转子的极对数不同，且通常转子的极对数是定子极对数的几倍，转速恒定情况下，转子极对数多可以提高定子磁链的交变频率，同时定子的极对数少使得定子磁链不会因转子极数增加而同比例减少，解决了传统电机增大极对数会同比例减少定子每极磁通量的矛盾，从而可以增加磁链交变频率与定子磁链乘积，进而增大空载反电势，增加转矩和功率密度。
现有的游标电机的主要缺点是其功率因数低，导致给定输出功率的情况下，需增大驱动变流器容量，从而带来增加成本，降低系统运行可靠性等问题。游标永磁电机功率因数低的原因与主磁链和电机电感与相电流的乘积之比有关。与传统电机相比，游标电机转子极数很多，与齿数接近，由图1可以看出，大量磁通从磁极穿过气隙直接通过定子齿部，然后返回另一磁极，而没有通过定子绕组，这就造成永磁体漏磁通大大增加，同时，当相邻永磁体一个面对定子齿部，一个将面对定子槽，相邻永磁体构成的磁路磁阻大，导致主磁通很低，所以现有的游标电机功率因数很低。实际上，在采用和传统永磁电机相近的电负荷的情况下，现有技术的游标电机功率因数可以低至0.2～0.3，而传统永磁电机的功率因数可达0.90以上。
发明内容
本发明旨在提出一种轴向磁场双定子游标电机，其通过采用双定子及其错位对置结构形式，从而提高电机的功率因数，并进一步提高功率密度，解决了现有游标电机低功率因数低导致的运行可靠性低问题，而且减小整体体积。
本发明的一种轴向磁场双定子结构电机，包括：
转子，其呈圆环形，环体周向上间隔布置有多个永磁体；
定子，其呈圆环形，环体一端端面在周向上开有多个凹槽，各凹槽用于容纳绕组，各凹槽之间的凸起部分形成定子齿；
其特征在于，所述定子为两个，以凹槽相对的方式同轴间隔布置，所述转子同轴设置在两定子之间，且其中第一定子的定子齿与第二定子的定子齿在周向上相距半个槽距角。
作为本发明的改进，所述第一定子的定子齿与第二定子的定子齿分别依次与转子上相邻的极靴正对布置。
作为本发明的改进，所述转子分别与所述第一定子和第二定子平行相对。
作为本发明的改进，所述各永磁体通过极靴间隔，各极靴通过硅钢桥或非导磁材料连接。
作为本发明的改进，所述极靴上设置有螺栓孔，转子通过上述螺栓孔与转矩管连接。
作为本发明的改进，所述转子一体成型，所述永磁体容置在转子上周向均匀间隔设置的凹槽内。
作为本发明的改进，所述第一定子和第二定子分别固定在机壳内壁轴向两端，所述转子通过固定设置在电机转轴中部的转矩管固定安装。
本发明采用径向磁场双定子结构，其中转子和两定子采用轴向间隔布置，而且转子位于两定子之间，通过设置定子齿与转子极靴的相对位置关系，从而获得紧凑的电机结构，在与传统游标电机的转矩密度相近的情况下，功率因数显著提高，可以达到0.8以上。
附图说明
图1为现有技术中的一种游标电机结构示意图；
图2为本发明实施例的轴向双定子游标永磁电机的结构示意图；
图3为本发明实施例的轴向双定子游标永磁电机的磁通示意图；
图4（a）-4（d）为本发明实施例的轴向双定子游标永磁电机的4种不同转子结构（1/4模型）示意图；
图5为本发明实施例轴向双定子游标永磁电机的整体结构示意图。
图6为本发明的轴向双定子游标永磁电机在直驱式风力发电系统中的应用示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和效果更加清晰明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，以下实施例仅是用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。
如图2所示，本实施例的游标电机包括两个定子和一个转子，其中定子1（在本实施例的图2中为左边的定子）和定子3（在本实施例的图2中为右边的定子）。
定子1和定子3均为圆环形结构，定子1环体一端的端面（图2中为右端面）上沿轴向均匀开设有多个凹槽，同样，定子3环体一端的端面（图2中为左端面）上沿轴向也均匀开设有多个凹槽。凹槽中用于放置绕组，定子绕组可以采用单相或多相绕组，（图2只画出了绕组的有效部分，端部没有画出）。定子端面上的各凹槽之间的凸起部分即称为定子齿，凹槽也称为定子槽。定子齿宽和定子槽宽可以相等也可以不相等。两定子同轴放置，优选同轴平行放置，两定子的凹槽相对，两定子具有相同的定子极数和槽数，且两定子的定子齿在周向上依次相差半个槽距角。可有多种定转子极数和定子槽数的组合，本实施例的图2中，优选是44个转子极、4个定子极、24个槽。
转子2同样为圆环形结构，其设置在两定子1和3之间，与两定子同轴，且优选与两定子分别平行，更优选在轴向上与两定子距离相等。转子永磁体优选采用内置式、切向充磁，永磁体磁场方向如图3箭头所示。
本实施例的游标电机采用双边定子，左定子齿与右定子齿相差半个槽距角，即左定子齿与右定子槽相对，又由于转子极数与定子齿数相近，所以，左定子齿与右定子齿分别与相邻的极靴相对，如图3所示，
相比于传统的游标电机，双定子结构利用左定子和右定子结构位置上错位半个槽距，使得左定子齿部和右定子齿部配合构成主磁链，且磁路中磁阻小，增强主磁场，解决了传统游标电机相邻磁极由定子齿和槽构成磁路磁阻大，且为漏磁的问题，大大减少了漏磁通，此外还利用磁体放置方式实现聚磁效应，大大提高了主磁通，提高了功率因数。
本发明实施例的转子2的磁体采用周向充磁，图4给出了四种不同的转子机械结构，其中，图4（a）所示的转子各个极靴通过较窄的硅钢桥连接，极靴上有螺栓孔，螺栓孔的数目不定；转子通过这些轴向螺栓与转矩管连接，这种结构由于其硅钢桥较窄，构成的漏磁路磁阻大，这样可以减小永磁体漏磁通。
图4（b）与（a）相比，没有轴向螺栓孔，其他部分结构相同；采用这种结构由于没有螺栓孔，主磁路不会受到螺栓孔的影响，但转子机械稳定性不如（a）。
图4（c）所示结构中，各个极靴可以采用非导磁材料如环氧树脂等连接，采用这种结构有没有硅钢桥，其永磁体漏磁小，增加永磁体利用率，提高转矩输出能力。
图4（d）转子是一体的，永磁体被放置在转子上所开的槽里，该结构机械稳定性好，但漏磁较大。
上述几种转子结构只是示意结构，本发明并不限于这些结构，其他类似的结构变换都在本发明的保护范围。
如图5所示为本实施例的一种优选的游标电机结构，其包括两个定子一个转子，两个轴承，机壳，端盖和转轴，其中，两定子分别固定在机壳内壁轴向两端，通过轴承支撑，转子通过固定设置在电机转轴中部的转矩管固定安装。
作为一种机电能量转换装置，电机转矩的产生可以归结于定子旋转磁场与转子磁场相互作用带动转子旋转（电动机），为了产生恒定转矩，两个旋转磁场极数必须一样。游标电机只需满足定转子极对数之和等于槽数即可实现其功能。具体来说，转子永磁体产生的磁场与定子齿槽相互作用，产生很多磁场谐波，当满足定转子极对数之和等于定子槽数这一条件时，转子永磁体产生的气隙磁场中，与定子极数相同的谐波磁场含量很大，此时该谐波磁场与定子产生的磁场相互作用产生恒定转矩，从而实现动力产生。
本发明的轴向游标电机可以应用于直驱风力发电系统中，如图6所示为一种基于轴向磁场双定子游标电机的直驱风力发电系统，其由风叶，轴向磁场双定子游标发电机，整流器，直流母线，逆变器组成。当然，轴向磁场双定子游标发电机在风电领域应用不仅限于上述系统，也可配合不同的风电系统。本发明的游标电机还可以用于舰船的电力推进领域等其他动力系统领域。
Claims (7)
1.一种轴向磁场双定子结构电机，包括：
转子（2），其呈圆环形，环体周向上间隔布置有多个永磁体；
定子（1，3），其呈圆环形，环体一端端面在周向上均匀开有多个凹槽，各凹槽用于容纳绕组，各凹槽之间的凸起部分形成定子齿；
其特征在于，所述定子（1，3）为两个，以凹槽相对的方式同轴间隔布置，所述转子同轴设置在两定子（1，3）之间，且其中第一定子（1）的定子齿与第二定子（3）的定子齿在周向上相距半个槽距角。
2.根据权利要求1所述的一种轴向磁场双定子结构电机，其中，所述转子（2）分别与所述第一定子（1）和第二定子（3）平行相对布置。
3.根据权利要求1或2所述的一种轴向磁场双定子结构电机，其中，所述各永磁体通过极靴间隔，各极靴通过硅钢桥或非导磁材料连接。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种轴向磁场双定子结构电机，其中，所述极靴上设置有螺栓孔，转子（2）通过上述螺栓孔与转矩管连接。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种轴向磁场双定子结构电机，其中，所述转子（2）一体成型，所述永磁体容置在转子（2）上周向均匀间隔设置的凹槽内。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种轴向磁场双定子结构电机，其中，所述第一定子（1）和第二定子（3）分别固定在机壳内壁轴向两端，所述转子（3）通过固定设置在电机转轴中部的转矩管固定安装。
7.权利要求1-6中任一项所述的轴向磁场双定子游标电机在风力发电系统或舰船动力系统中的应用。
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