CN104868672A - 一种无铁芯双定子电机 - Google Patents

Abstract

本发明所述的一种无铁芯双定子电机，包括内定子、外定子和转子，所述内定子和外定子的槽数均为Z,极对数均为P,所述外定子上布置有相互串联的绕组线圈节距分别为y₁和y₂的两套绕组，所述第一套绕组线圈节距y₁与第二套绕组线圈节距y₂不相等、且同一套绕组线圈的两个线圈边的相位差为90～270度电角度。本发明所述的无铁芯双定子电机，依据谐波原理，将现有的单节距等匝数的定子绕组改为双节距不等匝数的定子绕组，从而减小了定子绕组磁动势谐波中与基波相近的谐波的磁动势幅值。

Description

一种无铁芯双定子电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种无铁芯双定子电机。

背景技术

永磁双定子电机是随着优异的磁性能的永磁材料钕铁硼的发展而得以发展起来的一种新型电机。目前常用的结构形式有盘式、同心式两种。盘式双定子永磁电机的研究最为广泛，有多种结构形式，采用双定子中间转子组成的双定子双气隙结构可使电机获得最小的转动惯量和最优的散热条件。在同体积永磁体情况下，不但改善了极面下气隙磁密的均匀性，而且采用双边永磁体结构比单边永磁体结构的气隙磁密可高出10％左右。但这种电机会由于轴向产生磁拉力使电机发生震颤，影响其运行的稳定性，所以一般应用在小功率场合。同心式结构的双定子电机是在单定子永磁电机基础上增加了一套内定子,转子做成空心杯形，转子在内外定子之间旋转。其中无铁芯转子结构，杯型转子采用不导磁材料，通过滚轴固定在两边支架上，转子在内外定子之间旋转。永磁体安装在转子上，并加永磁体护套以确保其旋转运动时的可靠性。对于小型多极电机，电机的定子槽数较少，存在着磁动势空间谐波较大的缺陷，进而导致了转矩脉动较大、转矩密度低等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高次谐波含量小，谐波漏抗小的交流无铁芯双定子电机。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种无铁芯双定子电机，包括内定子、外定子和转子，所述内定子和外定子的槽数均为Z,极对数均为P,所述外定子上布置有相互串联的绕组线圈节距分别为y₁和y₂的两套绕组，所述第一套绕组线圈节距y₁与第二套绕组线圈节距y₂不相等、且同一套绕组线圈的两个线圈边的相位差为90～270度电角度。

所述外定子上线圈边的相位差通过线圈节距y₁和y₂的取值确定，则y₁的取值满足公式：2πn₁+π/2<2πpy₁/z<2πn₁+3π/2，其中n₁为自然数；y₂的取值满足公式：2πn₂+π/2<2πpy₂/z<2πn₂+3π/2，其中n₂为自然数。

所述内定子上布置有相互串联的两套绕组，该绕组线圈节距与所述外定子上绕组线圈节距相同。

所述外定子上两套绕组线圈的匝数分别为N₁和N₂，则内定子上两套绕组线圈的匝数N₃和N₄分别满足关系式：N₃＝N₁/K，N₄＝N₂/K，其中K为正整数。

所述转子为杯状无铁芯结构，杯体由高强度非铁磁材料制作而成，所述转子上均匀布置有径向充磁的永磁体，所述转子永磁体的两个径向面分别直接面向内、外电机气隙。

本发明的有益效果是：本发明所述的无铁芯双定子电机，依据谐波原理，将现有的单节距等匝数的定子绕组改为双节距不等匝数的定子绕组，从而减小了定子绕组磁动势谐波中与基波相近的谐波的磁动势幅值，因此使用本发明的线圈分布方法的定子绕组具有气隙密谐波含量较低的优点，使得电机转矩密度增大、转矩脉动降低。通过永磁体的设置减少了原有电机的辅助器件，提高了电机的转动性能。

附图说明

图1为本发明无铁芯双定子电机工作原理示意图；

图2为本发明无铁芯双定子电机的第一种实施方式的槽号相位图与三相槽号相位分布图；

图3为本发明无铁芯双定子电机的第一种实施方式外定子的三相绕组接线图；

图4为本发明无铁芯双定子电机的第一种实施方式内定子的三相绕组接线图；

图5为本发明无铁芯双定子电机的第二种实施方式的槽号相位图与三相槽号相位分布图；

图6为本发明无铁芯双定子电机的第二种实施方式的外定子的三相绕组接线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明所述的无铁芯双定子电机，包括内定子2、外定子1和转子，外定子包括线圈槽12和设置在线圈槽12内的线圈11，该线圈11由两套绕组相互串联组成；内定子2包括线圈槽22和设置在线圈槽22内的线圈21，该线圈21由两套绕组相互串联组成；在内定子2和外定子1之间的转子上均匀布置有径向充磁的永磁体4，该转子永磁体4的两个径向面分别直接面向内、外电机气隙处。所述转子为杯状无铁芯结构，杯体由高强度非铁磁材料制作而成。

外定子1和内定子2中的绕组均采用双节距不等匝绕组方法,两种节距的线圈的匝数可以按照绕组磁动势的基波和谐波的需求进行调节。一般选取内、外定子的槽数相等，内、外定子绕组的结构方式相同，仅在匝数上同比例调整。匝数调整是依据内、外定子承担的功率不同进行的。

实施例1：选取一台极数为2P＝22的无铁芯双定子电机，选取内、外定子槽数均为Z＝30，其槽号相位图与三相槽号相位分布如图2所示。显然定子绕组采用的是60°相带连接，绕组的分布系数较高。

首先布置外定子绕组，所述外定子上线圈边的相位差通过线圈节距y₁和y₂的取值确定，则y₁的取值满足公式：2πn₁+π/2<2πpy₁/z<2πn₁+3π/2，其中n₁为自然数；y₂的取值满足公式：2πn₂+π/2<2πpy₂/z<2πn₂+3π/2，其中n₂为自然数。即2πpy₁/z对2π取余数的值趋近于π，2πpy₂/z对2π取余数的值趋近于π，以保证同一套绕组线圈的两个线圈边的相位差为90～270度电角度，以趋近180度为佳。通过上述公式选择其中一个线圈的节距y₁＝1，对应的线圈匝数N₁＝12，A相槽号为：1、4、-8、12、15、-16、-19、23、27、30，各槽号按照顺序依次串联连接，这里正槽号表示按选定的正向依次连接，负槽号表示线圈反向连接。选择另外一个线圈的节距y₂＝4，对应的线圈匝数N₂＝24，槽号同上，仅线圈节距、匝数不同，依次串联连接。之后把两组线圈串联，构成完整的A相绕组。B、C两相的连接方式与A相相同。外定子绕组接线方式如图3所示其中上标为线圈匝数，下标为线圈跨距。可以看出，外定子绕组采用两种不同的线圈节距，线圈的匝数也不相同。内定子绕组的各相槽号、连接方式均与外定子相同，两者的差别仅在绕组的匝数，A相节距y₁＝1，内定子上绕组对应的线圈匝数N₁/K＝12/2＝6，节距y₁＝4，对应的线圈匝数N₁/K＝24/2＝12，显然这里匝数比例系数取为K＝2。内定子绕组连接方式如图4所示。

由于电机绕组为三相对称分布绕组，因此A、B、C三相绕组的磁动势在相位上互差120度电角度，而绕组系数完全相等。同时由于内、外定子绕组分布方式相同，仅在匝数上有区别，根据电机绕组理论，电机A相的绕组系数与电机外定子上A相的绕组系数相同，即电机外定子上A相的绕组系数可以代表电机A相的绕组系数。同理，B、C两相的绕组系数也可以通过该方法计算。

电机外定子上A相的磁动势及绕组系数计算公式如下：

$X_1=\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{sgn}\left(n_i\right)N_1\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}}{z}{\mathrm{vn}}_i\right)-\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{sgn}\left(n_i\right)N_1\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}}{z}v\left(\right|n_i|+y_1)\right)$

$Y_1=\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{N}_1\sin \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}}{z}{\mathrm{vn}}_i\right)-\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{N}_1\sin \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}}{z}v\left(\right|n_i|+y_1)\right)$

$X_2=\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{sgn}\left(n_i\right)N_2\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}}{z}{\mathrm{vn}}_i\right)-\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{sgn}\left(n_i\right)N_2\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}}{z}v\left(\right|n_i|+y_2)\right)$

$Y_2=\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{N}_2\sin \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}}{z}{\mathrm{vn}}_i\right)-\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{N}_2\sin \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}}{z}v\left(\right|n_i|+y_2)\right)$

$k_{\mathrm{wv}}=\frac{\sqrt{{(X_1+X_2)}^2+{(Y_1+Y_2)}^2}}{{2N}_A{N}_1+{2N}_A{N}_2}$

式中n_i为A相绕组所在槽号，ν为磁动势波极对数，X₁为第一套绕组在X轴的磁动势投影，Y₁为第一套绕组在Y轴的磁动势投影，X₂为第二套绕组在X轴的磁动势投影，Y₂为第二套绕组在Y轴的磁动势投影，k_wv为ν对极磁动势绕组系数，N_A为A相绕组总槽数。

按以上计算公式对22极/24槽单节距等匝绕组结构、22极/30槽单节距等匝绕组结构和22极/30槽双节距不等匝绕组结构的磁动势谐波分析结果如表一所示。

表1

由表1可以看出，当选用22极/24槽配合时，由电机学基本原理知，电机定子绕组存在着极数为26极的齿谐波。显然，电机中存在着节点数为2的较强的力波，造成电机振动大、电磁噪声高。当选用22极/30槽配合时，绕组采用单节距等匝结构的26极谐波约降低为原来的2/13。显然，电机的振动、电磁噪声都得到很好地控制。但绕组单节距等匝结构也带来了基波绕组系数低的缺陷，而双节距不等匝绕组连接方式则能较好的克服这一缺陷。由表1不难得到，基波22极的绕组系数提高4.8％，导体的利用率得以提高，而26极谐波的绕组系数更小(即磁动势谐波更小)，因此电机的功率密度更大，而振动、电磁噪声都得到进一步改善。因此，无铁芯双定子电机定子采用双节距不等匝设计是一种非常理想的定子绕组设计方法。

实施方式2：选取26极/36槽的电机，其槽号相位图如图5所示，根据y₁≠y₂，则y₁满足公式：2πpy₁/z对2π取余数的值趋近于π；y₂的取值满足公式：2πpy₂/z对2π取余数的值趋近于π，以保证同一线圈的两个线圈边在相位上相差约180度。则选择外定子绕组的一个节距y₁＝1，对应的线圈匝数N₁＝10，选择另外一个节距y₂＝4，对应的线圈匝数N₂＝25，各相中包含的槽号如图6所示，依次串联连接，组成完整的A、B、C三相绕组。

表2给出了26极/36槽单节距等匝绕组结构和26极/36槽双节距不等匝绕组结构的磁动势谐波分析结果对比。

表2

由表2可以看出，当选用26极/36槽配合时，电机中节点数为2的力波的较弱，电机的振动、电磁噪声都得到很好地控制。对比可知，双节距不等匝绕组连接方式克服了单节距等匝结构的基波绕组系数低的缺陷。基波的绕组系数较高，进而，因此电机的功率密度更大，而振动、电磁噪声都得到有效的改善。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种无铁芯双定子电机，包括内定子、外定子和转子，所述内定子和外定子的槽数均为Z,极对数均为P,其特征在于：所述外定子上布置有相互串联的绕组线圈节距分别为y₁和y₂的两套绕组，所述第一套绕组线圈节距y₁与第二套绕组线圈节距y₂不相等、且同一套绕组线圈的两个线圈边的相位差为90～270度电角度。

2.根据权利要求1所述的一种无铁芯双定子电机，其特征在于：所述外定子上线圈边的相位差通过线圈节距y₁和y₂的取值确定，则y₁的取值满足公式：2πn₁+π/2<2πpy₁/z<2πn₁+3π/2，其中n₁为自然数；y₂的取值满足公式：2πn₂+π/2<2πpy₂/z<2πn₂+3π/2，其中n₂为自然数。

3.根据权利要求1所述的一种无铁芯双定子电机，其特征在于：所述内定子上布置有相互串联的两套绕组，该绕组线圈节距与所述外定子上绕组线圈节距相同。

4.根据权利要求3所述的一种无铁芯双定子电机，其特征在于：所述外定子上两套绕组线圈的匝数分别为N₁和N₂，所述内定子上两套绕组线圈的匝数N₃和N₄分别满足关系式：N₃＝N₁/K，N₄＝N₂/K，其中K为正整数。

5.根据权利要求1所述的一种无铁芯双定子电机，其特征在于：所述转子为杯状无铁芯结构，杯体由高强度非铁磁材料制作而成，所述转子上均匀布置有径向充磁的永磁体，所述转子永磁体的两个径向面分别直接面向内、外电机气隙。