CN105024510B - 一种磁阻式无刷双馈发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明属于涉及电机技术领域，具体涉及一种磁阻式无刷双馈发电机，其结构特征在于：定子上嵌放有两套定子绕组，分别为功率绕组和控制绕组，功率绕组的出线端连接到工频电网，控制绕组的出线端连接到双向逆变器；双向逆变器的进线端与功率绕组的出线端一起接到工频电网；转子是磁阻和绕线型混合转子，在磁阻式转子的直轴两侧开孔或开槽，槽内布置有绕线式转子绕组；转子采用径向叠片；转子采用内、外反应式磁阻结构；这种结构可以增加凸极效应，增大交轴磁阻，减少直轴磁阻，便于磁通沿着有利于磁场调制的路径流通，改善电机的性能，使得对定子两套绕组耦合能力实现最大化，具有高功率密度和优良动态性能，并目便于加工制造。
Description
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种磁阻式无刷双馈发电机。
背景技术
无刷双馈电机要想有较好的性能，关键在于转子。近年来无刷双馈电机的转子结构主要有磁阻式转子、特殊笼型转子和绕线式转子。磁阻式转子、特殊笼型转子的工作原理是对定子绕组产生的两种极对数磁场均可在同一转子回路中同时产生感应电势。目前认为制约无刷双馈电机进入实际应用的瓶颈在于转子绕组的性能。特殊笼型转子绕组是根据“共轭”原理设计的，也即对无刷双馈电机所要求的转子两种极数，设计时保留两种极数下感应电势均同相的笼条导体，去掉不同相的笼条导体，而这样必然会导致转子导体利用率低，谐波含量大，造成电机运行效率低下，不能很好的实现无刷双馈电机对转子的要求。对于远极比转子更是难以处理。现有的绕线式转子绕组通常采用两种绕法，一种是线圈等跨距而匝数等匝分布，一种是若干组的同心式等匝数分布，这两种绕法的跨距和匝数均没有按照谐波原理灵活改变线圈的跨距以及匝数，因此存在转子绕组与定子的功率绕组和控制绕组两级绕组的感应电势不同相的线圈较多，因此高次磁动势谐波的百分比较大，对应的转子绕组谐波漏抗也较大。上述绕线式的两种方法对于远极比的电机也是很难处理。磁阻式转子部分损耗小，电机效率高，但需要无功励磁电流，因此其功率密度偏低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功率密度高、高次谐波阻抗小、效率高的磁阻式无刷双馈发电机。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：包括定子和转子，所述定子上布置有相互独立的极对数为p1和极对数为p2的控制绕组，所述转子为反应式磁阻式结构,所述转子直轴上布置有多组绕线式绕组，所述转子绕组的分组数m和直轴数n的个数相同，且m满足关系式：m＝p1+p2，所述转子铁芯叠片的虚拟槽数为Zr＝K(p1+p2)，其中K为正整数；所述转子铁芯叠片的每个直轴部分设有H个转子槽，其中H≤K，相邻的转子槽构成一个直轴槽号组，所述转子采用反应式磁阻式结构。
所述转子采用内反应式磁阻式结构，通过在转子槽内侧的铁芯叠片上开孔形成磁阻效应。
所述转子采用外反应式磁阻式结构，通过在转子铁芯叠片圆周上开槽形成磁阻效应。
所述转子采用内、外反应式磁阻式结构，通过在转子槽内侧的铁芯叠片上开孔和圆周上开槽形成复合磁阻效应。
所述转子槽内侧的开孔为弧形结构，该弧形开孔沿直轴对称分布。
所述圆周上的开槽为U形结构，该U形开槽的开口向外且沿直轴对称分布。
所述弧形开孔通过直轴分为多组，每组的弧形开孔至少两个且为同心设置。
由上述技术方案可知，本发明依据齿谐波原理，将现有磁阻式转子结构改为绕线辅助的磁阻式结构。在利用磁阻式转子结构具有高效优点的同时，克服了磁阻式无刷双馈电机无功励磁电流大的缺点，从而提高了其功率密度。
附图说明
图1为本发明当转子采用内反应式磁阻结构时绕线辅助磁阻式转子结构图；
图2为本发明当转子采用外反应式磁阻结构时绕线辅助磁阻式转子结构图；
图3为本发明当转子采用内、外反应式磁阻结构时绕线辅助磁阻式转子结构图；
图4为本发明当转子虚拟槽数Zr＝48，P1＝1槽号相位图与4相槽号相位分布图；
图5为本发明当转子虚拟槽数Zr＝48，P2＝3槽号相位图与4相槽号相位分布图；
图6为本发明当转子虚拟槽数Zr＝48，P1/P2＝1/3，转子绕组连接图；
图7为本发明当转子虚拟槽数Zr＝48，P1/P2＝1/3，任一转子直轴槽号组对应的转子槽中导体数及分布图；
具体实施方式
为了阐述本发明，下面结合附图对本发明做进一步说明：
本实施例中选取一台功率绕组的极对数为P1＝1的无刷双馈电机，选取控制绕组的极对数为P2＝3，定子采用目前常用的2套独立绕组绕制形式。磁阻式无刷双馈电机的凸极数为M＝P1+P2＝4，图1为转子采用内反应式磁阻结构时绕线辅助磁阻式转子结构图，由于该材料的存在使得电机转子dq轴磁导率不同，电机dq轴磁路的磁阻不相等，所以形成磁阻转矩。
图1为本发明的第一种实施方式，如图1所示，取K＝12，则转子虚拟槽数为Zr＝K(P1+P2)＝12×(1+3)＝48。也就是每12个相邻的转子虚拟槽构成一个最大虚拟槽号组。增加槽数也会带来绕组分布系数降低，由图4可以看出12个连续相邻的槽号在3对极槽号相位图下的跨距为247.5°电角度，同理，不难证明12个连续相邻的槽号在1对极槽号相位图下的跨距为82.5°电角度，如图5所示。显然，电机转子绕组的分布系数和绕组系数都比较低。为了改善这一点，可采用丢弃部分边缘槽号的方法。
这里通过观察可以发现，1对极的转子整距为τ1＝24槽，3对极的转子整距为τ2＝8槽，显然τ1＝3τ2。当线圈跨距取为y＝τ1＝24槽时，对1、3两种极对数绕组线圈的短距系数均比较大。由电机学基本原理知，为消弱高次谐波，电机线圈跨距常采用短距结构；正弦绕组结构可以提高电机转子绕组系数。这里A相5、6、7、8四个转子槽内依次崁入线圈跨距为y1＝20槽、匝数N1＝18的转子线圈；为增强转子绕组的正弦性，A相5、6两个转子槽内再依次崁入线圈跨距为y2＝22槽、匝数N2＝9的转子线圈。其余各相与A相相似，为对称结构。显然，这种绕组结构方式绕组所形成1对极的绕组系数较高，而3对极的绕组系数较低，则由此引起定子、转子3对极耦合强度较弱。为改善这一状况，可以通过选取合适的转子槽号，嵌入一定匝数的线圈，并通过选择3对极对应的线圈跨距，可以达到增大3对极绕组系数的目的。如图4、图5所示，A相选择的转子槽号为12、13、14，三个转子槽内依次崁入线圈跨距为y3＝7槽、匝数N3＝9的转子线圈，这里12、13、14取负号，表示线圈反向连接。其余各相与A相相似，为对称结构。显然这种转子结构，每段的边缘槽号较少，中间位置槽号较多，即转子绕组比较集中，由电机学基本原理知：电机绕组的分布系数较大。进而可以使得绕组系数显著提高。
转子绕组连接图，如图6所示，图6中上标表示线圈匝数，下标表示线圈跨距。显然，有部分转子线圈没有得到图7为任一转子直轴槽号组对应的转子槽中导体数及线圈分布。
上述绕线式结构中，有部分转子槽没有得到应用，去除这部分转子槽，得到实际使用的转子槽数。
本实施例中，转子采用内反应式磁阻式结构，是通过在位于转子槽11同侧的铁芯叠片1上开设有若干个开孔12形成，该开孔12位于转子槽11的内侧且不与转子槽11交叉接触。开孔12为非导磁非导电材料，由于该结构中非导磁非导电材料位于电机转子内部，因此称为内反应式磁阻结构。
为了提高发电机的发电效果，开孔12为弧形结构，该弧形开孔12沿直轴对称分布。所述弧形开孔12通过直轴分为多组，每组的弧形开孔12至少两个且为同心设置，在本实施例中每组的弧形开孔12为两个。
图2为本发明的第二种实施方式，如图2所示，本实施例中转子采用外反应式磁阻式结构，通过在转子铁芯叠片圆周上设开槽13形成形成凸极结构，电机dq轴磁路的磁阻不相等，形成磁阻转矩。该开槽13为U形结构，其开口向外且沿直轴对称分布。由于该结构中非导磁非导电材料位于电机转子外圆处，因此称为外反应式磁阻结构。本实施例中，除了开槽13的位置与实施例1不同之外，其他结构均相同。
图3为本发明的第三种实施方式，如图3所示，本实施例是采用内、外反应式磁阻结构，该结构为实施1和实施例2的复合结构，即分别在转子槽11内侧的铁芯叠片上1设开孔12和圆周边缘处设开槽13，本实施例除了开孔12和开槽13的位置实施例2不同之外，其他结构均相同。
本发明中，转子槽11沿反应式磁阻结构的直轴对称分布。绕线式结构与磁阻式转子结构结合，构成了绕线辅助磁阻式无刷双馈电机，同时，依据齿谐波原理，将现有磁阻式转子结构改为绕线辅助的磁阻式结构。在利用磁阻式转子结构具有高效优点的同时，克服了磁阻式无刷双馈电机无功励磁电流大的缺点，从而提高了其功率密度。
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 (2)
1.一种磁阻式无刷双馈发电机，包括定子和转子，所述定子上布置有相互独立的极对数为p1和极对数为p2的控制绕组，所述转子为反应式磁阻式结构,所述转子直轴上布置有多组绕线式绕组，其特征在于：所述转子绕组的分组数m和直轴数n的个数相同，且m满足关系式：m＝p1+p2，所述转子铁芯叠片的虚拟槽数为Zr＝K(p1+p2)，其中K为正整数；所述转子铁芯叠片的每个直轴部分设有H个转子槽，其中H≤K，相邻的转子槽构成一个直轴槽号组，所述转子采用内、外反应式磁阻式结构，通过在转子槽内侧的铁芯叠片上开孔和圆周上开槽形成复合磁阻效应；所述转子槽内侧的开孔为弧形结构，该弧形开孔沿直轴对称分布，所述圆周上的开槽为U形结构，该U形开槽的开口向外且沿直轴对称分布，所述转子绕组中间部分反向连接。
2.根据权利要求1所述的磁阻式无刷双馈发电机，其特征在于：所述弧形开孔通过直轴分为多组，每组的弧形开孔至少两个且为同心设置。
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