CN104300755B - 双层绕线转子式双定子无刷双馈电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双层绕线转子式双定子无刷双馈电机，该电机由外至内依次包括外定子、采用双层多相对称绕组的转子和内定子；所述外定子、采用双层多相对称绕组的转子和内定子同轴心且相互独立，外定子与转子之间设有外气隙(10)，转子与内定子之间设有内气隙(11)；转子固定在轴上，作为电机的唯一机械端口；所述外定子包括外定子铁心(1)和嵌放在外定子铁心槽内的2p极外定子绕组(2)，外气隙中心线直径为D_o；p为正整数。本发明可以实现有刷双馈电机的功能，同时取消有刷双馈电机中可靠性低，维护成本高的电刷滑环，因而特别适合在高可靠性、免维护、低成本变频调速应用场合取代有刷双馈电机。

Description

双层绕线转子式双定子无刷双馈电机

技术领域

本发明涉及一种无刷双馈电机，具体涉及的是一种转子采用双层多相对称绕组的双定子无刷双馈电机，属于电机制造技术领域。

背景技术

传统双馈电机为绕线转子异步电机，转子绕组随转子旋转，必须使用电刷滑环将旋转绕组中的电压电流以传导方式引出。从而使双馈电机具有两个电端口，一个机械端口，具有良好的变频调速性能，在兆瓦级风力发电系统和高性能驱动中应用广泛。但电刷滑环的存在导致电机可靠性差，维护成本高。有刷双馈电机的去电刷化一直是人们研究的焦点。

专利CN201220025540.1提出一种径向同心布置的双定子无刷双馈电机结构。该电机的转子采用内、外双层鼠笼绕组，在转子沿轴方向的一侧，内、外层鼠笼导条分别用两个相互独立的公共端环连接；在转子沿轴方向的的另一侧，内、外层鼠笼导条按照各自所产生的旋转磁场相对于转子本身的运动方向相反对应连接。从而使稳态转速满足n_r＝60(f_p±f_q)/(p+q)，实现双馈同步运行。该结构要求转子内、外层导条数相同，槽数相同。由于双定子无刷双馈电机转子内、外层铁心之间只有电路连接而无磁路耦合，内外层转子铁心均应留有足够的轭部厚度以避免转子铁心提前饱和。使得转子沿半径方向的厚度增加，以一台p＝4，q＝2的双定子无刷双馈电机为例，外径与内径之比可达2:1。如果仍按照先前设计的双定子无刷双馈电机转子结构，内外圆周开槽数目相同，势必导致内层气隙电负荷为外层气隙的2倍，内层气隙磁负荷为外层气隙的2倍。由于内定子铁心饱和的限制，外定子铁心的电磁负荷显著低于内定子，进而电机单位体积的出力受到限制。

专利CN200510047247.X公开了一种双定子、单转子盘式无刷双馈交流电机，两个定子和一个转子沿轴向布置，转子位于两个定子中间。两个定子铁心均在靠近转子侧单面开槽，分别嵌放2p极和2q极三相对称定子绕组，两套定子绕组相互独立。转子铁心双面开槽分别嵌放2p和2q极三相对称转子绕组，两套转子绕组同相序或反相序连接形成一套转子绕组。该结构将轴向级联的两台径向磁通异步电机改成轴向级联的两台轴向磁通异步电机，能够实现期望的双馈同步运行，但只有在p＝q且两套三相对称转子绕组反相序连接形成一套转子绕组时才能达到与有刷双馈电机相同的转矩转子体积比。当p≠q时，内外两层气隙电磁负荷不能同时取较大值，其转矩体积比约为有刷双馈电机的0.75倍。现有的两种单定子无刷双馈电机——嵌套环转子式和磁阻转子式由于两种不同极对数的磁场共用定转子铁心，单一极对数的电磁负荷受到限制，使得转矩体积比也约为有刷双馈电机的0.75倍。

发明内容

技术问题：本发明针对传统双馈电机存在电刷滑环的问题，从双馈电机的运行原理出发，将内定子和采用双层多相对称绕组的转子等效为一个绕线转子，提出一种双层绕线转子式双定子无刷双馈电机，从而在完全实现传统双馈电机功能的基础上取消电刷滑环。同时,有效解决了专利CN201220025540.1和CN200510047247.X中两层气隙电磁负荷不能同时取较大值的问题，将无刷双馈电机的转矩体积比提高到有刷双馈电机的水平。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出一种双层绕线转子式双定子无刷双馈电机，该电机由外至内依次包括外定子、采用双层多相对称绕组的转子和内定子；其特征在于，

所述外定子、采用双层多相对称绕组的转子和内定子同轴心且相互独立，外定子与转子之间设有外气隙，转子与内定子之间设有内气隙；转子固定在轴上，作为电机的唯一机械端口；

所述外定子包括外定子铁心和嵌放在外定子铁心槽内的2p极外定子绕组，外气隙中心线直径为D_o；p为正整数；

所述内定子包括内定子铁心和嵌放在内定子铁心槽内的2q极内定子绕组，内气隙中心线直径为D_i，且q为正整数；

所述转子包括转子外层铁心，转子内层铁心，位于两层铁心之间的隔磁环以及双层多相对称转子绕组；转子外层铁心槽数为Z_{2_out}，转子内层铁心槽数Z_{2_in}，且满足Z_{2_out}/Z_{2_in}＝p/q，Z_{2_in}/q＝偶数；

所述双层多相对称转子绕组由转子外层绕组和转子内层绕组按照相序相同或相反的原则连接而成，外层绕组和转子内层绕组的相数相同，均为m＝Z_{2_in}/(2q)，且每相串联匝数之比

有益效果：本发明和传统双馈电机和无刷双馈电机相比，具有如下优点：(1)可以完全实现有刷双馈电机的功能，同时取消了电刷滑环，提高了所在系统的可靠性，降低了维护成本；(2)单位体积产生的转矩大；(3)谐波含量少，转矩脉动和谐波损耗小；(4)槽极配合选取自由度大。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明转子采用双层多相对称绕组的双定子无刷双馈电机截面示意图；

图中有：1为外定子铁心，2为外定子绕组，3为内定子铁心，4为内定子绕组，5为转子外层铁心，6为转子外层绕组，7为隔磁环，8为转子内层铁心，9为转子内层绕组。

图2为双层多相对称转子绕组采用反相序连接时第i相展开示意图；

图3为双层多相对称转子绕组采用同相序连接时第i相展开示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与效果易于明白理解，下面结合具体实施方式进一步阐明本发明。

图2为双层多相对称转子绕组采用反相序连接时第i相展开示意图；转子外层绕组占据Z_{2_out}个槽，分为m相，每相p个线圈串联成波绕组。转子内层绕组占据Z_{2_in}个槽，分为m相，每相q个线圈串联成波绕组。两层波绕组的一端接成星形，另一端按照相编号互补连接，即1～1，i～(m+2-i)，i＝2，3，…，m。

图3为双层多相对称转子绕组采用同相序连接时第i相展开示意图；转子外层绕组占据Z_{2_out}个槽，分为m相，每相p个线圈串联成波绕组。转子内层绕组占据Z_{2_in}个槽，分为m相，每相q个线圈串联成波绕组。两层波绕组的一端接成星形，另一端按照相编号相同连接，即1～1，i～i，i＝2，3，…，m。

本发明提供了双层绕线转子式双定子无刷双馈电机，该电机由外至内依次包括外定子、采用双层多相对称绕组的转子和内定子；

所述外定子、采用双层多相对称绕组的转子和内定子同轴心且相互独立，外定子与转子之间设有外气隙10，转子与内定子之间设有内气隙11；转子固定在轴上，作为电机的唯一机械端口。

所述外定子包括外定子铁心1和嵌放在外定子铁心槽内的2p极外定子绕组2，外气隙中心线直径为D_o；p为正整数。

所述内定子包括内定子铁心3和嵌放在内定子铁心槽内的2q极内定子绕组4，内气隙中心线直径为D_i，且q为正整数。

所述转子包括转子外层铁心5，转子内层铁心8，位于两层铁心之间的隔磁环7以及双层多相对称转子绕组；转子外层铁心5槽数为Z_{2_out}，转子内层铁心8槽数Z_{2_in}，且满足Z_{2_out}/Z_{2_in}＝p/q，Z_{2_in}/q＝偶数。

所述双层多相对称转子绕组由转子外层绕组6和转子内层绕组9按照相序相同或相反的原则连接而成，外层绕组6和转子内层绕组9的相数相同，均为m＝Z_{2_in}/(2q)，且每相串联匝数之比

转子外层铁心槽数为Z_{2_out}，转子内层铁心槽数为Z_{2_in}，为了降低齿槽配合的难度，按照极对数的比例选取槽数，即Z_{1_out}/Z_{1_in}＝Z_{2_out}/Z_{2_in}＝p/q。Z_{2_in}/q＝偶数保证转子绕组可以绕制成多相对称绕组。

图1给出了本发明的一实施例，外定子绕组极对数p＝4，内定子绕组极对数q＝1,因此外层气隙与内层气隙直径之比为2，转子外层绕组与内层绕组每相串联匝数之比为2。为方便定转子槽配合，外定子选用48槽，内定子选用12槽；转子外层铁心选用40槽，转子内层铁心选用10槽。

计算可知，定子绕组每极每相槽数为2，绕制成整数槽短距分布绕组；转子绕组每极每相槽数为5/3，如采专利CN200510047247.X所公开的结构，转子绕组将无法绕制成三相对称绕组。四套绕组同时绕制成三相对称整数槽绕组几乎不可能，因而不得不采用分数槽绕组。本领域技术人员知道，分数槽绕组谐波含量大，应用于感应类型电机会增加转矩脉动和铁心损耗。而采用本发明的绕组形式，转子内、外层绕组均为5相。其中，转子内层绕组每相包含一个整距线圈，而转子外层绕组每相由4个整距线圈串联而成。

内、外定子铁心，转子内、外层铁心均由硅钢叠片叠压而成，硅钢叠片由模具冲压或线切割制备。隔磁环为不导磁、抗拉强度大的结构材料(如奥氏体不锈钢)制成，内外两侧分别固定转子内层铁心和转子外层铁心。

从另一个角度来描述，双层多相对称绕组的双定子无刷双馈电机截面由外至内依次包括外定子，采用双层多相对称绕组的转子和内定子，所述双定子无刷双馈电机外定子、采用双层多相对称绕组的转子和内定子同轴心且相互独立，外定子与转子之间设有外气隙，转子与内定子之间设有内气隙。转子固定在轴上，作为电机的唯一机械端口。

所述无刷双馈电机的外定子包括外定子铁心1和嵌放在外定子铁心槽内的2p极外定子绕组2，外定子铁心槽数为Z_{1_out}，外气隙中心线直径为D_o；

所述无刷双馈电机的内定子包括内定子铁心3和嵌放在内定子铁心槽内的2q极内定子绕组4，内定子槽数为Z_{1_in}，内气隙中心线直径为D_i，且

所述无刷双馈电机的外定子绕组和内定子绕组作为电机的两个馈电端口。所述无刷双馈电机的转子包括转子外层铁心5，转子内层铁心8，位于两层铁心之间的隔磁环7以及双层多相对称转子绕组。转子外层铁心槽数为Z_{2_out}，转子内层铁心槽数为Z_{2_in}，为了降低齿槽配合的难度，按照极对数的比例选取槽数，即Z_{1_out}/Z_{1_in}＝Z_{2_out}/Z_{2_in}＝p/q。Z_{2_in}/q＝偶数保证转子绕组可以绕制成多相对称绕组。

内定子绕组在内层气隙建立2q极的旋转磁场，其转速为ω_q。转子机械转速为ω_r，转子绕组中感应电流的频率为ω_q-qω_r。若转子绕组反相序连接，则转子外层绕组建立的旋转磁场相对于转子的转速为-(ω_q-qω_r)，相对于定子的转速为pω_r-(ω_q-qω_r)。将转子和内定子看做一个等效的绕线转子，只有当转子外层绕组建立的旋转磁场与外定子绕组建立的旋转磁场同步才能实现期望的双馈同步运行，因而转速和两套绕组的频率、极对数之间满足：

${\mathrm{\ω}}_r=\frac{{\mathrm{\ω}}_p+{\mathrm{\ω}}_q}{p+q}---\left(1\right)$

若转子绕组同相序连接，转子外层绕组产生的旋转磁场相对于定子的转速为pω_r+(ω_q-qω_r)，因而转速变为：

${\mathrm{\ω}}_r=\frac{{\mathrm{\ω}}_p-{\mathrm{\ω}}_q}{p-q}---\left(2\right)$

式(1)(2)与无刷双馈电机的转速表达式类似，说明本发明具备无刷双馈电机的控制特性。下面就本发明能够提高电机转矩体积比给出理论依据。

本领域技术人员知道，电机的功率与其主要尺寸和电磁负荷关系密切。使用感应电机的设计方法，推导得双定子无刷双馈电机的转矩体积比为：

其中，η为电机效率，为电机整体的功率因数，K为由气隙磁场的波形系数、电枢的绕组系数、计算极弧系数所确定的系数，B_δ为气隙磁密，A为气隙电负荷。下标1表示外层气隙，2表示内层气隙。

内、外层气隙磁密存在关系：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{B_{\mathrm{\δ}2}}{B_{\mathrm{\δ}1}}=\frac{N_{r1}}{N_{r2}}\frac{D_o}{D_i}\frac{q}{p}=\frac{k}{t}\frac{q}{p}\\ \max (B_{\mathrm{\δ}1},B_{\mathrm{\δ}2})=B\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，N_r1为转子外层绕组匝数，N_r2为转子内层绕组匝数，k为转子外层绕组与内层绕组每相串联匝数比，t为内层气隙与外层气隙直径之比。

内、外层气隙电负荷存在关系：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{A_1}{A_2}=\frac{N_{r1}}{D_o}\frac{D_i}{N_{r2}}=tk\\ \max (A_1,A_2)=A\end{array}\right.---\left(5\right)$

分析可知，当且时，此时B_δ1＝B_δ2,A₁＝A₂，表明两层气隙的电磁负荷可同时取较高值，使材料得到充分利用，电机单位转子体积出力与相同大小的有刷双馈电机相比增加了q/p倍。

双层多相对称转子绕组由转子外层绕组(6)和转子内层绕组(9)按照相序相同或相反的原则连接而成，两层绕组的相数相同，且每相串联匝数之比按照给出。由交流电机绕组理论可知，Z_{2_in}槽q对极可绕制成最多m相的多相对称绕组,m可由式(6)确定：

Z_{2_in}/q为奇数和分数时，每对极或q对极下的每一根导体构成一相，每相串联匝数为1/2，不能根据实际需要调整匝数。而Z_{2_in}/q为偶数时，每极下的每一相至少包含一根导体，匝数可以按照需要设定。所以本发明中槽数和极数配合时要求Z_{2_in}/q为偶数。

先采用星形接法将转子每层绕组的一端接到中心点，然后将两层绕组按照相序相同或相反的原则连接成闭合绕组。转子外层绕组共占用Z_{2_out}个槽，分为m相，每相有p个线圈串联；转子内层绕组共占用Z_{2_in}个槽，分为m相，每相有q个线圈串联。将转子内、外层绕组的m相分别按逆时针方向顺序编号为(1)～(Z_{2_in})，(1)～(Z_{2_out})。同相序连接时，将内、外层转子绕组相编号相同的两个线端连接；反相序连接时，将内、外层转子绕组相编号互补的两个线端连接，即1～1，i～(m+2-i)，i＝2，3，…，m。

由于采用相数m＝Z_{2_in}/(2q)的多相对称绕组，不存在“短距”和“分布”问题，其节距因数和分布因数都等于1，内外气隙磁场谐波含量少，转矩平稳。而且，将四套槽极配合简化为两套槽极配合，有效避免了空间谐波含量丰富的分数槽绕组，槽配合选取自由度增加。

Claims (1)

1.一种双层绕线转子式双定子无刷双馈电机，该电机由外至内依次包括外定子、采用双层多相对称绕组的转子和内定子；其特征在于，

所述外定子、采用双层多相对称绕组的转子和内定子同轴心且相互独立，外定子与转子之间设有外气隙(10)，转子与内定子之间设有内气隙(11)；转子固定在轴上，作为电机的唯一机械端口；

所述外定子包括外定子铁心(1)和嵌放在外定子铁心槽内的2p极外定子绕组(2)，外气隙中心线直径为D_o；p为正整数；

所述内定子包括内定子铁心(3)和嵌放在内定子铁心槽内的2q极内定子绕组(4)，内气隙中心线直径为D_i，且q为正整数；

所述转子包括转子外层铁心(5)，转子内层铁心(8)，位于两层铁心之间的隔磁环(7)以及双层多相对称转子绕组；转子外层铁心(5)槽数为Z_{2_out}，转子内层铁心(8)槽数Z_{2_in}，且满足Z_{2_out}/Z_{2_in}＝p/q，Z_{2_in}/q＝偶数；

所述双层多相对称转子绕组由转子外层绕组(6)和转子内层绕组(9)按照相序相同或相反的原则连接而成，外层绕组(6)和转子内层绕组(9)的相数相同，均为m＝Z_{2_in}/(2q)，且每相串联匝数之比