CN108258820A - 一种非重叠绕组齿槽型双转子永磁同步电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非重叠绕组齿槽型双转子永磁同步电机，包含定子、内转子与外转子，定子与转子之间包含气隙。初级包含m*k*n个基本单元，m为相数，k为一正整数，n为电机单元数。每个基本单元包含两个半H形导磁材料和设置于半H形导磁材料之间的永磁体，相邻基本单元的永磁体充磁方向相反，绕组环绕于基本单元轭部。内外转子均为齿槽结构。本电机具有转子结构简单、绕组端部长度短、绕组非重叠、功率密度高等特点，可用于电动汽车、风力发电等场合。
Description
技术领域
本发明涉及的是非重叠绕组齿槽型双转子永磁同步电机，属于电机制造技术领域。
背景技术
随着工业的发展，电机在各个领域有着广泛的应用。传统的直流电机的电枢电流和励磁电流可以独立调节，因此有着良好的调速特性，但是传统直流电机需要配置电刷以及换向器，增加了系统的复杂度，并且降低了容错率，这限制了传统直流电机在诸如航空航天等低容错率领域的应用。旋转感应电机结构简单，不需要电刷与换向器、带载能力强、可靠性高，因此在各个领域应用广泛。但是感应电机的涡流损耗较大、效率较低、功率因数低、逆变器容量大、系统成本高。
随着材料科学和电力电子技术的发展，永磁电机的应用越来越广泛。永磁无刷电机具有以下优点：无电刷、运行可靠、效率高、功率因数高。但是由于永磁体置于转子，因此该电机也具有以下缺点：永磁体置于转子，不易散热，存在高温退磁风险；永磁体置于高速转子，容易脱落，可靠性低；采用不导磁套筒固定转子永磁体，增加了气隙长度，增大了电极体积，降低了功率密度。
磁通切换型永磁电机的电枢绕组和永磁体均置于定子侧，转子仅由导磁铁心构成，因此该电机具有传统永磁电机高效率、高功率因数的优点，同时由于永磁体置于定子侧，易于散热。此外，该电机的转子仅由导磁铁心构成，适用于高速运行，可靠性高。现有的研究结果表明，采用分布式绕组结构可以进一步提高磁通切换型永磁电机的绕组系数，进而提高电机的输出功率和功率因数。但是，采用分布式绕组的方式增加了电机的端部长度、增加了电机的铜耗、降低了电机的功率密度和效率。为了克服这一缺点，本发明提出了一种非重叠绕组双转子齿槽型永磁同步电机，与传统的磁通切换永磁电机相比，该电机采用了一种非重叠绕组方式，提高了电机绕组的分布系数，降低了电机端部绕组长度，减小了电枢绕组铜耗，进而提高了电机的效率和功率密度。该电机同时兼具传统磁通切换型永磁电机转子结构简单、永磁体易于散热，可靠性高、适用于高速运行等优点。此外，双转子结构进一步增强了电机的功率密度。因此该电机在新能源汽车驱动电机、风力发电、航空航天等领域具有广泛的应用前景。
发明内容
所要解决的技术问题：
针对现有技术上存在的不足，本发明目的在于提出一种非重叠绕组齿槽型双转子永磁同步电机，克服传统磁通切换电机绕组分布系数低，功率密度低的缺点。本发明提出的非重叠绕组方式可以提高该类电机的绕组分布系数，降低电机端部绕组长度，进而减小电枢绕组铜耗，提高电机的效率和功率密度。
技术方案：
一种非重叠绕组齿槽型双转子永磁同步电机，包括定子11、分别置于定子11内、外两侧的内转子12和外转子10，所述定子11与内外转子均为凸极结构；所述定子11和内外转子之间具有气隙；
根据电机相数、电机单元数及电枢绕组串联个数，所述定子11包括若干个首尾相连的基本单元110，所述基本单元110包括2个半H形导磁材料111以及设置在所述2个半H形材料111之间的永磁体112；每个所述基本单元110包括2个所述电枢绕组113，所述电枢绕组113缠绕在相邻两个基本单元110的导磁材料111形成的定子轭部上；
进一步地，所述定子11包括k*m*n个基本单元110，m为电机的相数，k为每个电机单元中同相电枢绕组113串联对数，n为电机单元数；
所述基本单元110中心线间的机械角度为θs，所述内外转子的导磁齿中心线间的机械角度为θr，所述电枢绕组113的缠绕方式根据以下θs/θr的不同分为三类：
其中，t为非负整数。
进一步地，当θs/θr属于a类情况时，同一所述定子轭部上的属于相邻两个基本单元110 的电枢绕组113绕制方向相反；
同一所述基本单元110内的电枢绕组113绕组绕制方向相反；k个连续基本单元110内的电枢绕组113组成一相绕组，m*k个连续基本单元110构成一个电机单元，n个电机单元构成完整的定子11。
进一步地，当θs/θr属于b类情况时，同一所述定子轭部上的属于相邻两个基本单元110 的电枢绕组113绕制方向相同；
奇数相时，k/2个连续槽内的电枢绕组113组成一相绕组，偶数相时为k个连续槽内的电枢绕组113组成一相绕组；
其中，某一初级轭部上的电枢绕组113与其相邻的一侧电枢绕组113的绕制方向相同，与相邻另一侧的电枢绕组113的绕制方向相反；m*k个连续基本单元110构成一个电机单元； n个电机单元构成完整的定子11。
进一步地，当θs/θr属于c类情况时，同一所述初级轭部上的属于相邻两个基本单元110 的电枢绕组113绕制方向相同；
奇数相时，k/2个连续槽内的电枢绕组113组成一相绕组，偶数相时为k个连续槽内的电枢绕组113组成一相绕组，属于同一相绕组的绕制方向相同；
其中，属于同一相的连续若干个电枢绕组113中与其相邻轭部属于其他相电枢绕组113 的绕制方向相反；
m*k个连续基本单元110构成一个电机单元；n个电机单元构成完整的定子11。
更进一步地，若所述同一定子轭部上的电枢绕组113为同相绕组并且绕制方向相同，则合并且视为同一个电枢绕组113。
作为一种优选，所述电枢绕组113为铜或超导材料。
作为上述电机的一种变换形式，所述齿槽型双转子永磁同步电机是电动机或发电机。
本发明电机主要存在如下优点：
本发明提出的非重叠绕组齿槽型双转子永磁同步电机，采用非重叠绕组形式，提高了绕组系数、减少了绕组端部长度、减少了铜损、提高了效率。此外，本发明的转子结构简单，便于维护，可靠性高，永磁体易于散热。本发明作为电动机运行时，特别适合大转矩、高效率的场合，作为永磁电机，本发明功率因数、功率密度与效率均较高，次级结构简单，便于维护，永磁体置于定子，绕组不经过永磁体，有利于散热；作为发电机运行时，可以通过调整绕组的分布方式，实现某一次谐波地消除或削弱，进而提高输出电压的正弦度，进一步提高功率因数，降低对系统的要求。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1本发明非重叠绕组双转子齿槽型永磁同步电机实施例1电机结构示意图；
图2本发明非重叠绕组双转子齿槽型永磁同步电机实施例1槽矢量示意图；
图3本发明非重叠绕组双转子齿槽型永磁同步电机实施例2电机结构示意图；
图4本发明非重叠绕组双转子齿槽型永磁同步电机实施例2槽矢量示意图；
图5本发明非重叠绕组双转子齿槽型永磁同步电机实施例3电机结构示意图；
图6本发明非重叠绕组双转子齿槽型永磁同步电机实施例3槽矢量示意图；
图7本发明非重叠绕组双转子齿槽型永磁同步电机实施例4电机结构示意图；
图8本发明非重叠绕组双转子齿槽型永磁同步电机实施例4槽矢量示意图；
其中，10-外转子，11-定子，110-基本单元，111-导磁材料，112-永磁体，113-电枢绕组，12-外转子
具体实施方式
本发明提供双转子齿槽型电励磁磁通切换电机，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种非重叠绕组齿槽型双转子永磁同步电机，包括定子11、分别置于定子11内、外两侧的内转子12和外转子10，所述定子11与内外转子均为凸极结构；所述定子11和内外转子之间具有气隙；
根据电机相数、电机单元数及电枢绕组串联个数，所述定子11包括若干个首尾相连的基本单元110，所述基本单元110包括2个半H形导磁材料111以及设置在所述2个半H形材料111之间的永磁体112；每个所述基本单元110包括2个所述电枢绕组113，所述电枢绕组113缠绕在相邻两个基本单元110的导磁材料111形成的定子轭部上；
进一步地，所述定子11包括k*m*n个基本单元110，m为电机的相数，k为每个电机单元中同相电枢绕组113串联对数，n为电机单元数；
所述基本单元110中心线间的机械角度为θs，所述内外转子的导磁齿中心线间的机械角度为θr，所述电枢绕组113的缠绕方式根据以下θs/θr的不同分为三类：
其中，t为非负整数。
进一步地，当θs/θr属于a类情况时，同一所述定子轭部上的属于相邻两个基本单元110 的电枢绕组113绕制方向相反；
同一所述基本单元110内的电枢绕组113绕组绕制方向相反；k个连续基本单元110内的电枢绕组113组成一相绕组，m*k个连续基本单元110构成一个电机单元，n个电机单元构成完整的定子11。
进一步地，当θs/θr属于b类情况时，同一所述定子轭部上的属于相邻两个基本单元110 的电枢绕组113绕制方向相同；
奇数相时，k/2个连续槽内的电枢绕组113组成一相绕组，偶数相时为k个连续槽内的电枢绕组113组成一相绕组；
其中，某一初级轭部上的电枢绕组113与其相邻的一侧电枢绕组113的绕制方向相同，与相邻另一侧的电枢绕组113的绕制方向相反；m*k个连续基本单元110构成一个电机单元； n个电机单元构成完整的定子11。
进一步地，当θs/θr属于c类情况时，同一所述初级轭部上的属于相邻两个基本单元110 的电枢绕组113绕制方向相同；
奇数相时，k/2个连续槽内的电枢绕组113组成一相绕组，偶数相时为k个连续槽内的电枢绕组113组成一相绕组，属于同一相绕组的绕制方向相同；
其中，属于同一相的连续若干个电枢绕组113与其相邻轭部属于其他相电枢绕组113的绕制方向相反；
m*k个连续基本单元110构成一个电机单元；n个电机单元构成完整的定子11。
更进一步地，若所述同一定子轭部上的电枢绕组113为同相绕组并且绕制方向相同，则合并且视为同一个电枢绕组113。
作为一种优选，所述电枢绕组113为铜或超导材料。
作为上述电机的一种变换形式，所述双转子齿槽型永磁同步电机是电动机或发电机。
实施例1
参见图1，本发明的非重叠绕组齿槽型双转子永磁同步电机，采用a类绕组，
本实施例中，m＝3，t＝0，k＝1，n＝4，正负号取正，因此极距比θs/θr定为5/6，即10/12。其中，m为电机的相数，k为每个电机单元中同相电枢绕组113串联对数，n为电机单元数。
本发明的非重叠绕组齿槽型双转子永磁同步电机包括定子11、分别置于定子11内、外两侧的内10和外转子12，所述定子11与内外转子均为凸极结构；所述定子11和内外转子之间具有气隙。所述定子11包括若干个首尾相连的基本单元110，基本单元110包括2个半H形导磁材料111以及设置在所述2个半H形材料111之间的永磁体112；每个所述基本单元110包括2个所述电枢绕组113，所述电枢绕组113缠绕在相邻两个基本单元110的导磁材料111形成的定子轭部上。
在本实施例中，同一上述基本单元110内的电枢绕组113绕制方向相反，k＝1即单个基本单元110内的电枢绕组113独自成为一相绕组，m*k＝3个连续基本单元110构成一个电机单元，n＝4个电机单元构成完整的定子11。为了更好的对绕组分布进行解释，对定子11内外两侧的12对定子槽按顺序进行编号，分别为s1到s12。
参见图2，s1到s12为定子11槽的电矢量图，相邻两槽之间相差120电机械角度。本实施例中，同一永磁体112两侧的电枢绕组113串联成为一相，以A相为例，s1中的绕组A1 与s2中绕组A1’串联。参见图2由于A1与A1’的绕向相反，合成电矢量为s1-s2，记为c1，合成矢量c1的大小为s1的1.732倍。依此类推得到c2，c3，...，c12。相邻两合成矢量之间相差120电机械角度，各个电机单元中的同一相绕组合成矢量相同，例如本实施例中的c1， c4，c7和c10。
本实施例中，n＝4个电机的单元中的同相绕组采用串联供电，因此每相最终电矢量为每槽中电矢量的6.928倍。
实施例2
图3也为一台非重叠绕组齿槽型双转子永磁同步电机，本实施例和实施例1的不同之处在于本实施例采用b类绕组，
本实施例中，m＝3，t＝0，k＝4，n＝1，正负号取负，因此极距比θs/θr定为11/12，即11/12。其中，m为电机的相数，k为每个电机单元中同相电枢绕组113串联对数，n为电机单元数。
本实施例中，同一所述定子轭部上的属于相邻两个基本单元110的电枢绕组113绕制方向相同；m＝3为奇数相，k/2＝2个连续槽内的电枢绕组113组成一相绕组.
其中，某一初级轭部上的电枢绕组113与其相邻的一侧电枢绕组113的绕制方向相同，与相邻另一侧的电枢绕组113的绕制方向相反；m*k＝12个连续基本单元110构成一个电机单元，本实施例中，单独一个电机单元即作为定子11。为了更好的对绕组分布进行解释，对定子11内外两侧的12对定子槽进行编号，分别为s1到s12。
参见图4，s1到s12为定子槽的电矢量，相邻两槽之间相差150电机械角度。本实施例中，同一定子槽内电枢绕组113绕向相同且为同相绕组，两绕组的电矢量相同。以A相为例， A1与A2在同一槽s1中，两者的电矢量相同。每两相邻定子槽中为同相绕组，以s1与s2为例，两槽中均为A相绕组，分别是A1，A2，A1’与A2’，并且A1与A2，A1’与A2’对应的两组电矢量相同。由于s1与s2中绕组绕向相反，所以A相绕组的合成电矢量为2*(s1-s2)，记为c1，合成矢量c1的大小为s1的3.864倍。以此类推得到c2，c3，...，c6。相邻两合成矢量之间相差120电机械角度，各个电机单元中的同一相绕组合成矢量相同，例如本实施例中的c1与c4。因此每相最终电矢量为单个电枢绕组在槽中电矢量的7.727倍。
本实施例中，同一定子槽内电枢绕组113为同相绕组，并且绕向一致，在实际操作时可以合并为同一个电枢绕组。
实施例3
图5也为一台非重叠绕组齿槽型双转子永磁同步电机，本实施例和实施例1的不同之处在于，本实施例为四相电机，采用a类绕组，
本实施例中，m＝4，t＝0，k＝1，n＝3，正负号取正，因此极距比θs/θr定为6/8，即9/12。其中，m为电机的相数，k为每个电机单元中同相电枢绕组113串联对数，n为电机单元数。
在本实施例中，同一上述基本单元110内的电枢绕组113绕制方向相反，k＝1即单个基本单元110内的电枢绕组113独自成为一相绕组，m*k＝4个连续基本单元110构成一个电机单元，n＝3个电机单元构成完整的电机。为了更好的对绕组分布进行解释，对定子11内外两侧的12对定子槽进行编号，分别为s1到s12。
参见图6，s1到s12为定子11槽的电矢量图，相邻两槽之间相差90电机械角度。本实施例中，同一永磁体112两侧的电枢绕组113串联成为一相，以A相为例，s1中的绕组A1 与s2中绕组A1’串联。参见图6，由于A1与A1’的绕向相反，合成电矢量为s1-s2，记为c1，合成矢量c1的大小为s1的1.414倍。依此类推得到c2，c3，...，c12。相邻两合成矢量之间相差90电机械角度，各个电机单元中的同一相绕组合成矢量相同，例如本实施例中的c1，c5 和c9。
本实施例中，n＝3个电机单元中的同相绕组采用串联供电，因此每相最终电矢量为每槽中电矢量的4.242倍。
实施例4
图7也为一台非重叠绕组齿槽型双转子永磁同步电机，本实施例和实施例1的不同之处在于，本实施例为四相电机，采用c类绕组，
本实施例中，m＝3，t＝0，k＝2，n＝2，正负号取正，因此极距比θs/θr定为8/12。其中，m 为电机的相数，k为每个电机单元中同相电枢绕组113串联对数，n为电机单元数。
本实施例中，同一所述初级轭部上的属于相邻两个基本单元110的电枢绕组113绕制方向相同；m＝3为奇数相，k/2＝1即单个槽内的电枢绕组113组成一相绕组，某一初级轭部上的电枢绕组113与其相邻的电枢绕组113的绕制方向相反。m*k＝6个连续基本单元110构成一个电机单元；2个电机单元构成完整的定子11。为了更好的对绕组分布进行解释，对定子11 内外两侧的12对定子槽进行编号，分别为s1到s12。
参见图8，s1到s12为定子11槽的电矢量图，相邻两槽之间相差60电机械角度。本实施例中，同一永磁体112两侧的电枢绕组113串联成为一相，以A相为例，s1中的绕组A1、 A2与s4中绕组A1’、A2’串联。由于A1、A2与A1’、A2’的绕向相反，合成电矢量为2*(s1-s4)，记为c1，合成矢量c1的大小为s1中单个电枢绕组的4倍。依此类推得到c2，c3，...，c6。相邻两合成矢量之间相差120电机械角度，各个电机单元中的同一相绕组合成矢量相同，例如本实施例中的c1，c4。
本实施例中，n＝2个电机的单元中的同相绕组采用串联供电，因此每相最终电矢量为单个电枢绕组在槽中电矢量的8倍。
本实施例中，同一定子槽内电枢绕组113为同相绕组，并且绕向一致，在实际操作时可以合并为同一个电枢绕组。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.非重叠绕组齿槽型双转子永磁同步电机，包括定子(11)、分别置于定子(11)内、外两侧的内转子(12)和外转子(10)，所述定子(11)与内外转子均为凸极结构；所述定子(11)和内外转子之间具有气隙，其特征在于，
根据电机相数、电机单元数及电枢绕组串联个数，所述定子(11)包括若干个首尾相连的基本单元(110)，所述基本单元(110)包括2个半H形导磁材料(111)以及设置在所述2个半H形材料(111)之间的永磁体(112)；每个所述基本单元(110)包括2个所述电枢绕组(113)，所述电枢绕组(113)缠绕在相邻两个基本单元(110)的导磁材料(111)形成的定子轭部上。
2.根据权利要求1所述的非重叠绕组齿槽型双转子永磁同步电机，其特征在于，所述定子(11)包括k*m*n个基本单元(110)，m为电机的相数，k为每个电机单元中同相电枢绕组(113)串联对数，n为电机单元数；
所述基本单元(110)中心线间的机械角度为θs，所述内外转子的导磁齿中心线间的机械角度为θr，所述电枢绕组(113)的缠绕方式根据以下θs/θr的不同分为三类：
其中，t为非负整数。
3.根据权利要求2所述的非重叠绕组齿槽型双转子永磁同步电机，其特征在于，当θs/θr属于a类情况时，同一所述定子轭部上的属于相邻两个基本单元(110)的电枢绕组(113)绕制方向相反；
同一所述基本单元(110)内的电枢绕组(113)绕组绕制方向相反；k个连续基本单元(110)内的电枢绕组(113)组成一相绕组，m*k个连续基本单元(110)构成一个电机单元，n个电机单元构成完整的定子(11)。
4.根据权利要求2所述的非重叠绕组齿槽型双转子永磁同步电机，其特征在于，当θs/θr属于b类情况时，同一所述定子轭部上的属于相邻两个基本单元(110)的电枢绕组(113)绕制方向相同；
奇数相时，k/2个连续槽内的电枢绕组(113)组成一相绕组，偶数相时为k个连续槽内的电枢绕组(113)组成一相绕组；
其中，某一初级轭部上的电枢绕组(113)与其相邻的一侧电枢绕组(113)的绕制方向相同，与相邻另一侧的电枢绕组(113)的绕制方向相反；m*k个连续基本单元(110)构成一个电机单元；n个电机单元构成完整的定子(11)。
5.根据权利要求2所述的非重叠绕组齿槽型双转子永磁同步电机，其特征在于，当θs/θr属于c类情况时，同一所述初级轭部上的属于相邻两个基本单元(110)的电枢绕组(113)绕制方向相同；
奇数相时，k/2个连续槽内的电枢绕组(113)组成一相绕组，偶数相时为k个连续槽内的电枢绕组(113)组成一相绕组，属于同一相绕组的绕制方向相同；
其中，属于同一相的连续若干个电枢绕组(113)与其相邻轭部属于其他相电枢绕组(113)的绕制方向相反；
m*k个连续基本单元(110)构成一个电机单元；n个电机单元构成完整的定子(11)。
6.根据权利要求4或5所述的非重叠绕组齿槽型双转子永磁同步电机，其特征在于，若所述同一定子轭部上的电枢绕组(113)为同相绕组并且绕制方向相同，则合并且视为同一个电枢绕组(113)。
7.根据权利要求1至5任意一项所述的双转子齿槽型永磁同步电机，其特征在于，所述电枢绕组(113)为铜或超导材料。
8.根据权利要求1至5任意一项所述的双转子齿槽型永磁同步电机，其特征在于，所述双转子齿槽型永磁同步电机是电动机或发电机。
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| CN109606096A (zh) * | 2018-11-14 | 2019-04-12 | 江苏大学 | 一种基于双转子电机的电动轮集成结构及其工作方法 |
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