CN107017720A - 双绕组定子及电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双绕组定子及电机，所述双绕组定子包括定子铁芯、第一套绕组和第二套绕组，所述定子铁芯的内周具有12*(1+n)*k个沿圆周方向均匀分布的定子槽，所述k为不小于2的正整数，在采用双层绕组时所述n为0，在采用单层绕组时所述n为1；所述第一套绕组包括多相绕组且每一相绕组由均匀分布在定子铁芯内周的多个极相组构成；所述第二套绕组包括多相绕组且每一相绕组由均匀分布在定子铁芯内周的多个极相组构成；所述第一套绕组和第二套绕组的同相绕组分属不同的极相组。本发明可避免两套绕组深度共磁路耦合，从而可实现两套绕组同时解耦。

Description

双绕组定子及电机

技术领域

本发明涉及电机领域，更具体地说，涉及一种双绕组定子及电机。

背景技术

在多电/全电飞机、电动汽车、舰船等的推进系统中，电机系统的可靠性至关重要，为提高可靠性，目前多采用双绕组电机系统。并且双绕组电机系统已经逐渐成为高可靠电机应用领域的一种趋势。

目前的双绕组电机系统中，通常将传统电机的单套电枢绕组改为两套独立供电的电枢绕组；在正常工况时，由第一套电枢绕组输出功率或两套电枢绕组同时输出功率；当第一套电枢绕组发生故障时，切换为第二套电枢绕组单独工作，以保证持续功率输出。

如图1所示，为传统双绕组电机的定子示意图，A1、B1、C1为第一套绕组三相线圈，A2、B2、C2为第二套绕组三相线圈。其中第一套绕组A1、B1、C1按常规对称双层分布绕组排列，第二套绕组A2、B2、C2在相同槽位置按常规对称双层绕组排列，即定子每个槽内共有4层绕组。但该结构中，存在第二套绕组A2、B2、C2和第一套绕组A1、B1、C1中的同相线圈位于相同槽位置的问题，如图中A1、A2线圈。

图2为另一种传统双绕组定子示意图，此结构中第一套绕组A1、B1、C1和第二套绕组A2、B2、C2均为单层分布绕组，第二套绕组A2、B2、C2和第一套绕组A1、B1、C1中的同相线圈仍然位于相同槽位置处，如图中A1、A2线圈。

上述方案中，由于两套绕组的同相线圈位于相同槽位置处，亦即两套绕组共磁路，处于深度耦合状态(即与第一套绕组匝链的磁通同时与第二套绕组匝链)。当第一套绕组工作时，第二套绕组感应电势会发生严重畸变，影响第二套绕组的正常工作，因此，两套绕组无法实现同时解耦控制。

此外，由于传统双绕组电机方案不能实现双套绕组同时运行，当主绕组故障时，只能等电机转速跌落至接近0时冗余绕组才能切入进行备份运行，切换时间较长。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述双绕组电机中的两套绕组无法实现同时解耦控制的问题，提供一种双绕组定子及电机。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种双绕组定子，包括定子铁芯、第一套绕组和第二套绕组，所述定子铁芯的内周具有12*(1+n)*k个沿圆周方向均匀分布的定子槽，所述k为不小于2的正整数，在采用双层绕组时所述n为0，在采用单层绕组时所述n为1；所述第一套绕组包括多相绕组且每一相绕组由均匀分布在定子铁芯内周的多个极相组构成；所述第二套绕组包括多相绕组且每一相绕组由均匀分布在定子铁芯内周的多个极相组构成；所述第一套绕组和第二套绕组的同相绕组分属不同的极相组。

在本发明所述的双绕组定子中，所述第一套绕组包括第一U相绕组、第一V相绕组、第一W相绕组，且所述第一V相绕组的极相组与所述第一U相绕组的极相组在定子铁芯的内周上间隔120°、所述第一W相绕组的极相组与第一U相绕组在定子铁芯的内周上间隔240°；所述第二套绕组包括第二U相绕组、第二V相绕组、第二W相绕组，且所述第二V相绕组的极相组与所述第二U相绕组的极相组在定子铁芯的内周上间隔120°、所述第二W相绕组的极相组与第二U相绕组在定子铁芯的内周上间隔240°。

在本发明所述的双绕组定子中，所述双绕组定子为具有2*(1+n)*k极转子的电机的定子；所述第一套绕组和第二套绕组中，同一相绕组的各相邻极相组相差6个定子槽。

在本发明所述的双绕组定子中，所述双绕组定子采用双层绕组结构，且所述双绕组定子的铁芯包括48个定子槽；所述第一套绕组的功率为第二套绕组的功率的3倍；第一U相绕组、第一V相绕组、第一W相绕组分别包括6个极相组，所述第二U相绕组、第二V相绕组、第二W相绕组分别包括2个极相组。

在本发明所述的双绕组定子中，在所述第一套绕组，每一相绕组的各个极相组均在空间相对的位置呈对称分布；在所述第二套绕组中，每一相绕组的各个极相组均在空间相对的位置呈对称分布。

在本发明所述的双绕组定子中，所述第一套绕组中的各个线圈匝数相同，所述第二套绕组的各个线圈匝数相同。

在本发明所述的双绕组定子中，每一所述定子槽的槽满率相同。

本发明还提供一种双绕组电机，包括转子、两个逆变器以及如权利要求1-6中任一项所述的双绕组定子；所述两个逆变器的输出端分别连接到第一套绕组和所述第二套绕组。

在本发明所述的双绕组电机中，所述双绕组电机还包括切换单元，所述切换单元分别与两个逆变器连接，并用于切换两个逆变器的工作状态。

在本发明所述的双绕组电机中，所述转子为表贴式转子、内置径向式转子、内置切向式转子、多层磁钢转子、混合磁路转子或海尔贝克阵列转子。

本发明的双绕组定子及电机，通过使两套绕组分属不同的极相组，避免了两套绕组共磁路耦合，从而可实现两套绕组同时解耦。并且，本发明还通过功率分配实现不同功率同时输出，不仅提高了电机功率密度，也缩短了主绕组故障时切换到冗余绕组时的切换时间，提高了可靠性。此外，本发明还通过使两套绕组各自在空间成对称分布，避免了单套绕组工作时产生的单边磁拉力，使得电磁噪音较小。

附图说明

图1是现有四层结构的双绕组电机定子的线圈绕制示意图；

图2是现有双层结构的双绕组电机定子的线圈绕制示意图；

图3是本发明双绕组定子实施例中第一套绕组的三相绕组的示意图；

图4是图3中双绕组定子中第一套绕组的第一U相绕组的示意图；

图5是图3中双绕组定子中第二套绕组的第二U相绕组的示意图；

图6是本发明双绕组电机的转子的示意图。

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。

针对现有的双绕组电机无法对两套绕组同时解耦的问题，本发明的双绕组定子使两套绕组分属不同的极相组，避免了两者的共磁路耦合。具体地，本发明的双绕组电机包括定子铁芯、第一套绕组和第二套绕组，上述第一套绕组可为主绕组，第二套绕组则为辅助绕组。上述定子铁芯的内周具有12*(1+n)*k个沿圆周方向均匀分布的定子槽，其中k为不小于2的正整数。在采用双层绕组结构时n为0，即定子铁芯的内周具有12k个定子槽，如24个定子槽、36个定子槽、48个定子槽等；在采用单层绕组结构时n为1，即定子铁芯的内周具有24*k个定子槽，如48个定子槽、72个定子槽等。上述第一套绕组包括多相绕组且每一相绕组由均匀分布在定子铁芯内周的多个极相组构成；第二套绕组包括多相绕组且每一相绕组由均匀分布在定子铁芯内周的多个极相组(每一极相组包括2个线圈)构成；上述第一套绕组和第二套绕组的同相绕组分属不同极相组。

由于两套绕组的同相绕组分属不同极相组，因此消除了两套绕组的共磁路深度耦合，可实现同时解耦控制，进而缩短主绕组故障时的切换时间。

上述双绕组定子可用作具有2*(1+n)*k极转子的电机(即该电机的转子的极数为2*(1+n)*k)的定子，从而第一套绕组和第二套绕组同相绕组的各相邻极相组之间相差6个定子槽。

如图3-5所示，是应用于具有8极48槽双绕组三相电机的定子的绕组示意图，该定子采用双层绕组结构，且第一套绕组(主绕组)功率为第二套绕组(冗余绕组)功率的3倍。

在该双绕组定子中，第一套绕组包括第一U相绕组U1、第一V相绕组V1、第一W相绕组W1，且第一V相绕组V1的极相组与第一U相绕组U1的极相组在定子铁芯的内周上间隔120°、第一W相绕组W1的极相组与第一U相绕组U1在定子铁芯的内周上间隔240°；第二套绕组包括第二U相绕组U2、第二V相绕组V2、第二W相绕组W2，且第二V相绕组V2的极相组与第二U相绕组U2的极相组在定子铁芯的内周上间隔120°、第二W相绕组W2的极相组与第二U相绕组U2在定子铁芯的内周上间隔240°。

由于本实施例中第一套绕组功率为第二套绕组功率的3倍，所以选取极相组2～4以及空间相对的极相组6～8作为第一套绕组的第一U相绕组U1，如图4所示，该6个极相组线圈2～4、6～8根据第一套绕组承担的功率及输入电压可串联或并联。第二套绕组的第二U相绕组U2连接如图5所示，由于本实施例中第二套绕组功率仅为主绕组功率的三分之一，所以选取极相组线圈1和极相组线圈5作为第二U相绕组U2。通过上述方式，使得在每一套绕组中，每一相绕组的各个极相组在空间相对的位置呈对称分布，消除了当单套绕组单独工作时产生的单边磁拉力，从而降低了电磁噪音。

在第一套绕组中，各相绕组之间可采用Y接(即三相绕组的首端或尾端连在一起)或三角接(即第一相的首端与第二相的尾端连在一起引出一根线；第二相的首端与第三相的尾端连在一起，引出一根线；第三相的首端与第一相的尾端连在一起，引出一根线)，且该第一套绕组中各个极相组中的各个线圈的匝数相同。同样地，在第二套绕组中，各相绕组之间可采用Y接或三角接，且该第二套绕组中各个极相组中的各个线圈的匝数相同。并且，可根据第一套绕组和第二套绕组的功率分配关系确定两套绕组中的各个线圈的匝数比。

同时，第一套绕组和第二套绕组的槽满率也可保持相同，以提高功率密度并增强绕组的散热性能。

上述双绕组定子可直接应用于双绕组电机，该双绕组电机包括转子、两个逆变器以及上述的双绕组定子，两个逆变器的输出端分别连接到第一套绕组和所述第二套绕组，即第一套绕组和第二套绕组分别由两个独立的逆变器独立供电。两个逆变器的母线输入电压可相同也可不同，在正常工作时，第一套绕组(即主绕组)输出功率，第二套绕组(即冗余绕组)可根据实际控制策略决定输出功率或不输出功率。

上述双绕组电机还包括切换单元，该切换单元分别与两个逆变器连接，并用于切换两个逆变器的工作状态。例如当第一套绕组发生故障甚至烧毁时，切换单元使为第一套绕组供电的逆变器停止输出并使为第二套绕组供电的逆变器输出驱动电流，将第二套绕组立刻切入工作，实现双余度容错功能。由于两套绕组分属不同的极相组，避免了二者共磁路深度耦合，可实现两套绕组解耦同时运行，既可提高电机功率密度，也可缩短切换时间，可靠性更高。

在上述双绕组电机中，转子磁极数和定子的定子槽数满足2*(1+n)*k/12*(1+n)*k，其中k为不小于2的正整数。在采用双层绕组结构时n为0，即转子磁极数和定子的定子槽数满足2k/12k，如4个转子磁极24个定子槽、6个转子磁极36个定子槽、8个转子磁极48个定子槽等；在采用单层绕组结构时n为1，即转子磁极数和定子的定子槽数满足4k/24k，如8个转子磁极48个定子槽、12个转子磁极72个定子槽。

上述转子可采用各种磁路结构，例如表贴式转子、内置径向式转子(I型，如图6所示)、内置切向式转子(Spoke型)、多层磁钢转子、混合磁路转子(V、V+I等)或海尔贝克(Halbach)阵列转子等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种双绕组定子，其特征在于：包括定子铁芯、第一套绕组和第二套绕组，所述定子铁芯的内周具有12*(1+n)*k个沿圆周方向均匀分布的定子槽，所述k为不小于2的正整数，在采用双层绕组时所述n为0，在采用单层绕组时所述n为1；所述第一套绕组包括多相绕组且每一相绕组由均匀分布在定子铁芯内周的多个极相组构成；所述第二套绕组包括多相绕组且每一相绕组由均匀分布在定子铁芯内周的多个极相组构成；所述第一套绕组和第二套绕组的同相绕组分属不同的极相组。

2.根据权利要求1所述的双绕组定子，其特征在于：所述第一套绕组包括第一U相绕组、第一V相绕组、第一W相绕组，且所述第一V相绕组的极相组与所述第一U相绕组的极相组在定子铁芯的内周上间隔120°、所述第一W相绕组的极相组与第一U相绕组在定子铁芯的内周上间隔240°；所述第二套绕组包括第二U相绕组、第二V相绕组、第二W相绕组，且所述第二V相绕组的极相组与所述第二U相绕组的极相组在定子铁芯的内周上间隔120°、所述第二W相绕组的极相组与第二U相绕组在定子铁芯的内周上间隔240°。

3.根据权利要求2所述的双绕组定子，其特征在于：所述双绕组定子为具有2*(1+n)*k极转子的电机的定子；所述第一套绕组和第二套绕组中，同一相绕组的各相邻极相组相差6个定子槽。

4.根据权利要求3所述的双绕组定子，其特征在于：所述双绕组定子采用双层绕组结构，且所述双绕组定子的铁芯包括48个定子槽；所述第一套绕组的功率为第二套绕组的功率的3倍；第一U相绕组、第一V相绕组、第一W相绕组分别包括6个极相组，所述第二U相绕组、第二V相绕组、第二W相绕组分别包括2个极相组。

5.根据权利要求1所述的双绕组定子，其特征在于：在所述第一套绕组中，每一相绕组的各个极相组均在空间相对的位置呈对称分布；在所述第二套绕组中，每一相绕组的各个极相组均在空间相对的位置呈对称分布。

6.根据权利要求1所述的双绕组定子，其特征在于：所述第一套绕组中的各个线圈匝数相同，所述第二套绕组的各个线圈匝数相同。

7.根据权利要求1所述的双绕组定子，其特征在于：每一所述定子槽的槽满率相同。

8.一种双绕组电机，其特征在于：包括转子、两个逆变器以及如权利要求1-7中任一项所述的双绕组定子；所述两个逆变器的输出端分别连接到第一套绕组和所述第二套绕组。

9.根据权利要求8所述的双绕组电机，其特征在于：所述双绕组电机还包括切换单元，所述切换单元分别与两个逆变器连接，并用于切换两个逆变器的工作状态。

10.根据权利要求8所述的双绕组电机，其特征在于：所述转子为表贴式转子、内置径向式转子、内置切向式转子、多层磁钢转子、混合磁路转子或海尔贝克阵列转子。