CN106451914A - 一种多频率的一体化同步磁阻电机 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电机技术领域，并公开了一种多频率的一体化同步磁阻电机。该同步磁阻电机包括导磁外壳、左电机、中部电机和右电机，导磁外壳包覆在所述左电机、中部电机和右电机外表面，左电机、中部电机和右电机三者共用同一转轴，左电机和右电机相对且对称设置在中部电机的两侧，左电机和右电机的结构相同，中部电机通电转动，通过转轴带动左、右电机转动，或者左、右电机通电转动，通过转轴带动中部电机转动，从而实现所述同步磁阻电机的运转。通过本发明，实现了电动和发电一体化同步磁阻电机，省去了原动机，减小了系统的体积和复杂度，实现了多频率发电以及低频驱动、高频发电特性，同时，解决了电动运行和发电运行之间的磁场耦合问题。
Description
技术领域
本发明属于电机技术领域，更具体地，涉及一种多频率的一体化同步磁阻电机。
背景技术
同极性式感应子电机采用实心转子结构，无刷，转动惯量大，转子机械强度高，具有高转速，高储能密度，结构简单等特点，在飞轮储能系统，高功率脉冲电源以及高速高频电源等领域有着广泛的应用前景。
在同极性式感应子电机的应用领域中，同极性式感应子电机主要有两种应用方式。第一种主要的应用方式就是仅把它当作发电机使用。在发电运行时，需要原动机拖动其旋转工作，这样一个系统需要两台电机才能运行，增加了系统的复杂性以及系统的体积，限制了其在对于电机体积有特殊要求的场合的应用。第二种应用方式就是将其用作电动/发电一体化的电机，先将其电动运行，待运行到一定的速度以后，切换到发电运行。同极性感应子电机运行在该模式下，由于电动运行绕组和发电运行绕组之间存在着完全耦合，这样会在电动运行绕组中感应出很高电压等级的反电势，那么电动运行控制系统也需要很高的电压等级。同时，当同极性感应子电机用在高速高频电源场合下，在电动运行时，驱动控制系统需要具有很高的开关频率特性，同时存在着比较大的开关损耗。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多频率的一体化同步磁阻电机，通过对电机定、转子结构，左、右电机绕组和中部电机绕组的连接方式设计，由此实现了该电机的电动/发电运行一体化，解决低频电压输入多个高频电压输出和发电部分和电动部分运行时磁场耦合的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多频率的一体化同步磁阻电机，该同步磁阻电机包括导磁外壳、左电机、中部电机和右电机，其特征在于：
所述导磁外壳包覆在共用同一转轴的所述左电机、中部电机和右电机外表面，所述左电机和所述右电机相对且对称设置在所述中部电机的两侧，二者结构相同；
此外，所述左/右电机为一个或多个所述左/右电机串联而成，所述左电机与所述右电机的个数相同，该左/右电机的电机转子表面分别设置有多个凸起的左/右电机凸极齿,且每个所述左/右电机上的左/右电机凸极齿的总齿数不相等，由此实现所述同步磁阻电机多频率的输出；
所述中部电机通电转动，通过所述转轴带动所述左、右电机转动，或者所述左、右电机通电转动，通过所述转轴带动所述中部电机转动，从而实现所述同步磁阻电机发电和电动的一体化。
优选地，所述中部电机包括励磁绕组、两段中部电机定子、中部电机转子和中部电机绕组，所述中部电机转子套装在所述转轴上，所述两个中部电机定子和励磁绕组均套装在所述中部电机转子上，其中，所述两段中部电机定子设置在所述中部电机转子的两端，且关于所述励磁绕组对称，所述中部电机绕组嵌放在所述中部电机定子上。
优选地，所述左/右电机包括左/右电机定子、左/右电机转子和左/右电机绕组，所述左/右电机定子设置在最外层，所述左/右电机转子设置在所述左/右电机定子内部，其套装在所述转轴上，所述左/右电机绕组嵌放在所述左/右电机定子上。
优选地，所述左电机凸极齿与径向相邻的右电机凸极齿的齿轴线相差为0或π电角度，其中，所述径向相邻的右电机凸极齿是指在所述右电机转子的表面与所述左电机凸极齿相对的位置处，且与该位置径向距离最近的右电机凸极齿，所述左电机凸极齿与径向相邻的右电机凸极齿的齿轴线相差为0电角度时，所述左电机绕组与所述右电机的右电机绕组反向串联或并联，所述左电机凸极齿与径向相邻的右电机凸极齿的齿轴线相差为π电角度时，所述左电机绕组与所述右电机绕组正向串联或并联。
优选地，所述中部电机转子表面的两端设置数量相等的多个凸起的中部电机凸极齿，其中，任一端的所述中部电机凸极齿的总齿数不等于所述左/右电机凸极齿的总齿数。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果:
1、本发明通过左、右电机和中部电机共用一套励磁绕组，实现了该同步磁阻电机的电动和发电运行一体化，省去了原动机，降低了整个同步磁阻电机系统的复杂性和系统的体积，同时，由于省去了两台电机之间的连轴部分，该电机更容易被抽真空；
2、本发明通过对左、右发电转子凸极齿的设置、以及左和右绕组连接方式的研究与设计，以及中部电机绕组的设计，使得在该同步磁阻电机通电运行过程中，电动运行部分与发电运行部分之间不存在磁场耦合；
3、本发明通过采用左、右电机和中部电机中凸极齿数最少的电机作为电动机，其余作为发电机，以及电动机和发电机共转轴的方式，其中，电动机的齿数越少，该电动机的极对数就越少，电动运行需要的开关频率越小，相应的控制系统的开关频率相应减小，降低了开关损耗，同时实现该电机在同一转速时的低频电动运行，高频发电的特性；
4、本发明通过采用多个左/右电机在左/右侧串联的多段式结构，且每个串联的左/右电机的左/右凸极齿的齿数不等，从而使得该电机在同一转速下，实现了多频率电压输出。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的一种多频率的一体化同步磁阻电机的剖视图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的的整体外观结构示意图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的的无导磁外壳的同步磁阻电机结构示意图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的左、右发电转子和中部电机转子结构示意图；
图5是按照本发明的优选实施例所构建的励磁磁路示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-导磁外壳 201-右电机定子 202-左电机定子 203,204-中部电机定子 301-右电机转子 302-左电机转子 303-中部电机转子 401-右电机绕组 402-左电机绕组 403-中部电机绕组 5-励磁绕组 501-右电机凸极齿 502-左电机凸极齿 503-中部电机凸极齿 6-转轴 7-左电机 8-中部电机 9-右电机 10-励磁磁路
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明的优选实施例所构建的一种多频率的一体化同步磁阻电机的剖视图，如图1所示，本发明的一种多频率的一体化同步磁阻电机，包括导磁外壳1，右电机定子201、左电机定子202，中部电机定子203、204，右电机转子301、左电机转子302，中部电机转子303，右电机绕组401、左电机绕组402，中部电机绕组403，励磁绕组5、转轴6。所述导磁外壳1成圆环形，为电机最外面部分，起着结构支撑和导磁作用。所述右电机定子201、左电机定子202和中部电机定子203、204紧贴着导磁外壳1并安装在其内部，依次按顺序202-203-励磁绕组5-204-201轴向排列分布。所述右电机定子201，左电机定子202尺寸结构相同，分别设置在导磁外壳1轴向两端，与电机轴向中心点距离相同。所述中部电机定子203、204尺寸结构相同，设置在励磁绕组5两侧，与电机轴向中心点距离相同。所述励磁绕组5与电机同轴线绕制，设置在电机导磁外壳1内侧上，位于电机轴向中心点位置处。所述励磁绕组5中通入直流电励磁，在电机中形成沿励磁磁路10的磁场。所述右电机绕组401、左电机绕组402分别对应嵌放在右发电定子201、左电机定子202上，采用三相绕组形式。中部电机绕组403嵌放在中部电机定子203、204上，采用三相绕组形式。该多频率的一体化同步磁阻电机的转子由右电机转子301、左电机转子302、中间电机转子303和转轴6构成，其中右电机转子301、左电机转子302、中间电机转子303都套装在转轴6上。右电机转子301、左电机转子302分别与右电机定子201、左电机定子202对应放置。在所述右电机定子201、左电机定子202对应轴向长度范围内，右电机转子301、左电机转子302上分别开有右凸极齿和左凸极齿，其余部分光滑，并且它们的尺寸结构完全相同，左凸极齿与右凸极齿的齿轴线相差0或者π电角度，此处的右凸极齿是指在轴向方向与左凸极齿相对应的左电机转子的位置，且与该位置的径向距离最小的右凸极齿。在本实施例中左、右电机转子301、302都开有8齿8槽，且右电机转子301的任一个右凸极齿与左电机转子302径向相邻的左凸极齿的齿轴线相差0电角度。中部电机绕组403嵌放在中部电机转子上。在中部电机转子303两端开有相同数量和尺寸的中部电机凸极齿，其余部分光滑，在本实施例中中部电机转子303两侧各开了4齿4槽，且两侧相邻齿轴线相差π电角度。
由于电机转子上开有凸极齿，导致径向磁阻不同，在励磁绕组5中通入直流电励磁时，形成了如图5中励磁磁路曲线10。在右电机定子201与左电机定子202对应的气隙中形成了径向磁通密度方向相反的单极性磁场。同理，中部电机定子203和204对应的气隙中形成了径向磁通密度方向相反的单极性磁场。形成的气隙磁场通过傅里叶分解成一个直流分量、基波分量以及一系列的谐波分量。气隙中基波分量的极对数p与对应转子齿数Z相等。在本实施例中，左、右电机转子301、302的齿数为8，则在对应的气隙中形成了极对数为8的基波磁场，中部电机转子303的两侧齿数各为4，则在对应的气隙中形成极对数为4的基波磁场。
中部电机转子303表面的两端设置有多个凸起的中部电机凸极齿503，任一端的所述中部电机凸极齿503的总齿数少于所述左/右中部电机凸极齿的总齿数。当任一端的所述中部电机凸极齿503的总齿数少于所述左/右中部电机凸极齿的总齿数时，中部电机作为电动机运行，左/右电机作为发电机运行；当任一端的所述中部电机凸极齿503的总齿数大于所述左/右电机凸极齿的总齿数时，中部电机作为发电机运行，左/右电机作为电动机运行。
本发明的电机在电动运行时，在励磁绕组5中通入直流励磁电流，中部电机定子203和204对应的气隙中形成径向方向相反的单极性磁场；同时，中部电机转子303两侧齿轴线径向相差π电角度，则中部电机绕组403同一相对应相同极性的气隙基波磁密。在中部电机绕组403中通入相应频率的对称三相电流，形成圆形旋转磁场，该电机电动运行。
本发明的电机在发电运行时，在励磁绕组5中通入直流励磁电流，左、右发电定子201和202对应的气隙中形成径向方向相反的单极性磁场。当左、右电机转子301与302的相邻齿轴线径向相差0电角度时，左、右电机绕组401与402同一相对应相反极性的气隙基波磁密。在该情况下，电机转子旋转时，左、右电机绕组401与402的同一相感应出大小相等，方向相反的感应电势，则把左、右绕组401与402对应的相绕组反向串联或并联。当左、右电机转子301与302的相邻齿轴线径向相差π电角度时，左、右电机绕组401与402同一相对应相同极性的气隙基波磁密。在该情况下，电机转子旋转时，左、右电机绕组401与402的同一相感应出大小相等，方向相同的感应电势，则把左、右电机绕组401与402对应的相绕组正向串联或并联。这样，在励磁绕组5中通入励磁电流，转子旋转时，本发明的电机作为发电运行。在本实施例中，右电机转子301的任一凸极齿与左电机转子302的径向相邻凸极齿的齿轴线径向相差0电角度，则需要把左、右电机绕组401与402的同一相反向串联或并联。
本发明的电机可以通过中部电机转子301的齿数以及左、右电机转子302、303的齿数的配合，实现电机在同一转速的情况下，低频电动运行，高频发电的特性。
本发明的电机以励磁绕组5形成的闭合面为对称面，沿轴向磁阻对称。根据磁路原理，电机在带负载发电运行时，左、右电机绕组401、402的电枢反应磁场不通过中部电机绕组403所对应的有效气隙，与中部电机绕组403不存在磁场耦合。同理，电机在电动运行时，中部电机绕组403通入电流形成的磁场不会与左右电机绕组401、402存在磁场耦合。这样，实现了该电机的电动运行和发电运行时不存在磁场耦合的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种多频率的一体化同步磁阻电机，该同步磁阻电机包括导磁外壳(1)、左电机(7)、中部电机(8)和右电机(9)，其特征在于：
所述导磁外壳(1)包覆在共用同一转轴(6)的所述左电机(7)、中部电机(8)和右电机(9)外表面，所述左电机和所述右电机相对且对称设置在所述中部电机的两侧，二者结构相同；
此外，所述左/右电机为一个或多个所述左/右电机串联而成，所述左电机与所述右电机的个数相同，该左/右电机的电机转子表面分别设置有多个凸起的左/右电机凸极齿(502/501),且每个所述左/右电机上的左/右电机凸极齿的总齿数不相等，由此实现所述同步磁阻电机多频率的输出；
所述中部电机通电转动，通过所述转轴带动所述左、右电机转动，或者所述左、右电机通电转动，通过所述转轴带动所述中部电机转动，从而实现所述同步磁阻电机发电和电动的一体化。
2.如权利要求1所述的一种多频率的一体化同步磁阻电机，其特征在于，所述中部电机包括励磁绕组(5)、两段中部电机定子(203,204)、中部电机转子(303)和中部电机绕组(403)，所述中部电机转子套装在所述转轴(6)上，所述两个中部电机定子和励磁绕组均套装在所述中部电机转子上，其中，所述两段中部电机定子(203,204)设置在所述中部电机转子的两端，且关于所述励磁绕组(5)对称，所述中部电机绕组嵌放在所述中部电机定子上。
3.如权利要求1或2所述的一种多频率的一体化同步磁阻电机，其特征在于，所述左/右电机(7)包括左/右电机定子(202)、左/右电机转子(302)和左/右电机绕组(402)，所述左/右电机定子(202)设置在最外层，所述左/右电机转子(302)设置在所述左/右电机定子内部，其套装在所述转轴(6)上，所述左/右电机绕组(402)嵌放在所述左/右电机定子上。
4.如权利要求1或2所述的一种多频率的一体化同步磁阻电机，其特征在于，所述左电机凸极齿(502)与径向相邻的右电机凸极齿(501)的齿轴线相差为0或π电角度，其中，所述径向相邻的右电机凸极齿是指在所述右电机转子的表面与所述左电机凸极齿相对的位置处，且与该位置径向距离最近的右电机凸极齿，所述左电机凸极齿(502)与径向相邻的右电机凸极齿(501)的齿轴线相差为0电角度时，所述左电机绕组与所述右电机的右电机绕组反向串联或并联，所述左电机凸极齿(502)与径向相邻的右电机凸极齿(501)的齿轴线相差为π电角度时，所述左电机绕组与所述右电机绕组正向串联或并联。
5.如权利要求1-4任一项所述的一种多频率的一体化同步磁阻电机，其特征在于，所述中部电机转子(303)表面的两端设置数量相等的多个凸起的中部电机凸极齿(503)，其中，任一端的所述中部电机凸极齿(503)的总齿数不等于所述左/右电机凸极齿的总齿数。
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