CN105958766A - 一种(12/10)k三相n通道双凸极电机 - Google Patents

一种(12/10)k三相n通道双凸极电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种(12/10)k三相n通道双凸极电机，包括定子铁心、转子铁心、气隙，所述转子铁心位于定子铁心内，且转子铁心与定子铁心之间有气隙；所述转子铁心上有10k个转子极，定子铁心上有12k个定子极，其中，k为正整数；相邻定子极之间设有定子槽；每个定子槽中均放置有励磁绕组和三相电枢绕组；该电机包括n套三相电枢绕组和n套励磁绕组，其中,n＝k或2k；所述三相电枢绕组的同相绕组正向连接，形成方向相同的磁通，分别缠绕在相邻定子极上的分属于两套三相电枢绕组的两个不同相绕组形成方向相反的磁通，形成短磁路结构。本发明的电机结构新颖，控制简单可靠，在航空、航天、家用电器等方面具有良好的应用前景。

Description

一种(12/10)k三相n通道双凸极电机
技术领域
本发明属于电机技术领域，特别涉及一种(12/10)k三相n通道双凸极电机。
背景技术
现有的(6/5)k结构双凸极电机具有如下优点：(1)励磁绕组和电枢绕组均匀分布，三相电动势为对称的正弦波，通入与磁势相位相同的相电流时可以提高输出转矩，提高电机的功率密度。(2)同一相的定子极与转子极对齐时，该相的另一相对的定子极必与转子槽对齐，相绕组的电感随转子角度变化很小，导致磁阻转矩为0。(3)励磁绕组的自感随转子角度变化很小，导致齿槽转矩很小，电机的转矩脉动小。
电机的定转子均为凸极结构。通过对励磁绕组通直流电，对三相电枢绕组通交流电，定子极和转子极相互作用产生转矩。由于转子上既没有绕组，又没有永磁体，因此电机结构简单、运行可靠。但由于电机仅有一套绕组，当其中一相出现故障时，电机系统无法正常工作，大大降低了系统的可靠性。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种(12/10)k三相n通道双凸极电机，以解决现有双凸极电机仅有一套绕组而导致的可靠性低的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种(12/10)k三相n通道双凸极电机，包括定子铁心、转子铁心、气隙，所述转子铁心位于定子铁心内，且转子铁心与定子铁心之间有气隙；所述转子铁心上有10k个转子极，定子铁心上有12k个定子极，其中，k为正整数；相邻定子极之间设有定子槽；每个定子槽中均放置有励磁绕组和三相电枢绕组；该电机包括n套三相电枢绕组和n套励磁绕组，其中,n＝k或2k；所述三相电枢绕组的同相绕组正向连接，形成方向相同的磁通，分别缠绕在相邻定子极上的分属于两套三相电枢绕组的两个不同相绕组形成方向相反的磁通，形成短磁路结构。
电机的每个发电通道的n套励磁绕组之间相互独立，即每套是独立控制的，不与其它通道的任一套励磁绕组并联。
电机的每个发电通道的n套三相电枢绕组之间相互独立，即每套是独立控制的，不与其它通道的任一套电枢绕组并联。
k＝1时，所述电机为12/10电机，构成双通道电机；k≥2时，所述电机为(12/10)k电机，既构成k通道电机，亦构成2k通道电机，如：k＝2时，24/20电机既可以构成双通道电机，亦可以构成四通道电机；k＝3时，36/30电机既可以构成三通道电机，亦可以构成六通道电机；…。
本发明的双通道双凸极电机的工作原理为：每套三相绕组的同相绕组正向串联在定子铁心的定子极上，形成方向相同的磁通。分别缠绕在相邻定子极上的分属于两套三相绕组的两个不同相绕组形成方向相反的磁通，形成短磁路结构。电机定子槽中安放n套三相绕组和n套励磁绕组，每套绕组相互独立，每相绕组根据电机转子位置进行换相。电机磁路遵循“磁阻最小原理”，通电后，磁路有向磁路最小的路径变化的趋势。
本发明的有益效果是：本发明的绕组正常工作时，磁链路径为短磁路结构，电机系统效率提高。电机绕组发生故障时，绕组磁通路径变为短磁路与周环磁路的叠加。电机采用n套三相绕组和n套励磁绕组，每套绕组既相互独立，又相互影响，当其中一相或多相发生故障时，电机将降额工作，不影响电机的功能使用，实现双凸极电机冗余，提高了电机的系统性能。
附图说明
图1为k取值为1时双通道双凸极电机的结构示意图；
图2为k取值为2时双通道双凸极电机的结构示意图；
图3为k取值为2时四通道双凸极电机的结构示意图；
图4为实施例发电工作时的外电路；
图5为实施例电动工作时的外电路；
图6为实施例正常工作时的磁力线分布图；
图7为实施例仅1通道电机工作时的磁力线分布图；
图8为实施例仅2通道电机工作时的磁力线分布图；
图9为实施例正常工作时两个通道电机的空载输出电压波形；
图10为实施例仅2通道电机工作时两个通道电机的空载输出电压波形；
图11为实施例2通道电机a相开路时两个通道电机的空载输出电压波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1-3所示，一种(12/10)k三相n通道双凸极电机，包括定子铁心1、转子铁心2、气隙5，所述转子铁心2位于定子铁心1内，且转子铁心2与定子铁心1之间有气隙5；所述转子铁心2上有10k个转子极21，定子铁心1上有12k个定子极11，其中，k为正整数；相邻定子极11之间设有定子槽12；每个定子槽12中均放置有励磁绕组和三相电枢绕组；该电机包括n套三相电枢绕组3和n套励磁绕组4，其中,n＝k或2k；所述三相电枢绕组3的同相绕组正向连接，形成方向相同的磁通，分别缠绕在相邻定子极11上的分属于两套三相电枢绕组的两个不同相绕组形成方向相反的磁通，形成短磁路结构。
将(12/10)k结构的电机定子拆分为4k等分，空间相对的两部分励磁绕组串联构成一套励磁绕组，三相电枢绕组空间分别相差120°电角度集中缠绕在定子极上，相对两部分的同一相电枢绕组正向串联构成一套电枢绕组中的一相。本发明的电机的n套绕组之间相互独立，当其中一个电机的一相或者多相绕组发生故障时，电机将降额工作，不影响电机系统的正常运行，实现双凸极电机冗余，提高了电机及其控制系统的可靠性。
本发明的定转子极数目可以随着k的取值变化而灵活改变，从而适用于不同场合的需求。
实施例
如图2所示为k取值2时本发明的结构示意图，定子极数目为24，转子极数目为20。电机构成双通道电机时：绕组按照①号定子极→④号定子极→号定子极→号定子极的顺序缠绕并正向串联构成1通道电机的a相，按照②号定子极→号定子极→号定子极→号定子极的顺序缠绕并正向串联构成1通道电机的b相，按照③号定子极→号定子极→号定子极→号定子极的顺序缠绕并正向串联构成1通道电机中的c相；绕组按照⑦号定子极→⑩号定子极→号定子极→号定子极的顺序缠绕并正向串联构成2通道电机的a相，按照⑤号定子极→⑧号定子极→号定子极→号定子极的顺序缠绕并正向串联构成2通道电机的b相，按照⑥号定子极→⑨号定子极→号定子极→号定子极的顺序缠绕并正向串联构成2通道电机中的c相，每个定子极上的同相相绕组形成方向相同的磁通；绕组按照①→②→③→④→→→→→→→→号定子极的顺序缠绕并反向串联构成1通道电机的励磁绕组，按照⑤→⑥→⑦→⑧→⑨→⑩→→→→→→号定子极的顺序缠绕并反向串联构成2通道电机的励磁绕组，相邻两个定子极上的励磁绕组形成方向相反的磁通。
电机构成四通道电机时，参见图3：绕组按照④号定子极→号定子极的顺序缠绕并正向串联构成1通道电机的a相，按照②号定子极→号定子极的顺序缠绕并正向串联构成1通道电机的b相，按照③号定子极→号定子极的顺序缠绕并正向串联构成1通道电机的c相；绕组按照⑦号定子极→号定子极的顺序缠绕并正向串联构成2通道电机的a相，按照⑤号定子极→号定子极的顺序缠绕并正向串联构成2通道电机的b相，按照⑥号定子极→号定子极的顺序缠绕并正向串联构成2通道电机的c相；绕组按照⑩号定子极→号定子极的顺序缠绕并正向串联构成3通道电机的a相，按照⑧号定子极→号定子极的顺序缠绕并正向串联构成3通道电机的b相，按照⑨号定子极→号定子极的顺序缠绕并正向串联构成3通道电机的c相；绕组按照号定子极→①号定子极的顺序缠绕并正向串联构成4通道电机的a相，按照号定子极→号定子极的顺序缠绕并正向串联构成4通道电机的b相，按照号定子极→号定子极的顺序缠绕并正向串联构成4通道电机的c相，每个定子极上的同相相绕组形成方向相同的磁通；绕组按照②→③→④→→→号定子极的顺序缠绕并反向串联构成1通道电机的励磁绕组，绕组按照⑤→⑥→⑦→→→号定子极的顺序缠绕并反向串联构成2通道电机的励磁绕组，绕组按照⑧→⑨→⑩→→→号定子极的顺序缠绕并反向串联构成3通道电机的励磁绕组，绕组按照→→→→→①号定子极的顺序缠绕并反向串联构成4通道电机的励磁绕组，相邻两个定子极上的励磁绕组形成方向相反的磁通。
当24/20三相双通道电机正常工作在发电状态时，两套励磁绕组独立控制，两个通道的电机均采用DSG2发电方式，参见图4。当24/20三相双通道电机正常工作在电动状态时，两套励磁绕组独立控制，两个通道的电机均采用对三相电枢绕组施加相位相差120°正弦电流源的电动方式，参见图5。电机为短磁路结构，磁力线分布图参见图6，两套三相绕组产生磁通的闭合路径为：缠绕a1绕组的定子极→气隙→转子极→转子轭→转子极→气隙→缠绕有b2绕组的定子极→定子轭→缠绕a1绕组的定子极。
当仅2通道电机的三相绕组(a2、b2、c2)正常工作，1通道电机的三相绕组故障时，切断1通道电机的励磁电流，电机为短磁路与周环磁路的叠加，磁力线分布图参见图7。2通道电机的磁通闭合路径为：缠绕a2绕组的定子极⑩→气隙→转子极→转子轭→转子极→气隙→缠绕b2绕组的定子极→定子轭→缠绕a2绕组的定子极⑩。
同理，当只有1通道电机的三相绕组(a1、b1、c1)正常工作时，切断2通道电机的励磁电流，1通道电机的磁通闭合路径参见说明书附图中的图8。
当24/20三相四通道电机正常工作时，四套励磁绕组独立控制。4个通道电机之间的耦合度低于二通道电机，当有一个通道故障或两个通道故障或三个通道故障时，电机的输出功率略低于正常工作输出功率的3/4或2/4或1/4。
当k取值较大时构成的多通道电机因转子极数多，不宜高速下运行。
为了验证本发明的有效性，以图3中的24/20双通道电机为例进行仿真验证。当两个通道施加的励磁电流一样时，1、2通道电机的空载整流输出电压的波形如图9(横坐标为转子电角度，纵坐标为整流输出电压)所示，两电压波形完全重合。当切断2通道电机的励磁电流，仅对1通道电机施加同样大小的励磁电流时，两个通道的电机的整流输出电压波形如图10所示，1通道电机的整流输出电压波形不变，2通道电机的输出电压接近0。图11是2通道电机a相开路故障时两个通道电机的整流输出电压波形，1通道电机的空载输出电压不变，2通道电机的空载输出电压由于开路呈现很大的缺口。两个通道的电机磁路耦合度很大，独立工作，实现了电机的冗余，提高了电机的可靠性。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，在不脱离本发明原理的前提下，在技术方案基础上所做的任何改进和润饰，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种(12/10)k三相n通道双凸极电机，包括定子铁心、转子铁心、气隙，所述转子铁心位于定子铁心内，且转子铁心与定子铁心之间有气隙，其特征在于：所述转子铁心(2)上有10k个转子极(21)，定子铁心(1)上有12k个定子极(11)，其中，k为正整数；相邻定子极(11)之间设有定子槽(12)；每个定子槽(12)中均放置有励磁绕组和三相电枢绕组；该电机包括n套三相电枢绕组(3)和n套励磁绕组(4)，其中,n＝k或2k；所述三相电枢绕组(3)的同相绕组正向连接，形成方向相同的磁通，分别缠绕在相邻定子极(11)上的分属于两套三相电枢绕组的两个不同相绕组形成方向相反的磁通，形成短磁路结构。
2.根据权利要求1所述的(12/10)k三相n通道双凸极电机，其特征在于：电机的每个发电通道的n套励磁绕组之间相互独立。
3.根据权利要求1所述的(12/10)k三相n通道双凸极电机，其特征在于：电机的每个发电通道的n套三相电枢绕组之间相互独立。
4.根据权利要求1所述的(12/10)k三相n通道双凸极电机，其特征在于：k＝1时，所述电机为12/10电机，构成双通道电机；k≥2时，所述电机为(12/10)k电机，既构成k通道电机，亦构成2k通道电机。
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