CN110311522A - 一种四相对称的电励磁双凸极电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四相对称的电励磁双凸极电机,该电机为(8/6)N或(8/10)N极结构,包括同转轴的定子铁心和转子铁心,每个励磁元件跨四个定子极绕制,将电枢绕组中分布位置不同且相位相差180°的各相绕组进行组合,并通过反向串联构成四相绕组;在电机的定子极弧系数大于等于0.5情况下在电机的定、转子两侧开槽,形成新型的带极靴定、转子极型。本发明有效解决了传统四相双凸极电机转矩脉动大的问题,且可以四相同时通电工作,电机容错性能好,转矩密度大;同时采用新型的带极靴定转子极型,在保证定转子极弧系数的前提下,从根本上解决了双凸极电机励磁槽槽满率紧张的问题,实现了励磁元件和铁心饱和程度间的合理匹配。
Description
技术领域
本发明涉及特种电机本体设计领域,尤其涉及一种四相对称的电励磁双凸极电机。
背景技术
电励磁双凸极电机既有开关磁阻电机转子结构简单、无绕组和永磁体,高温、高速运行能力强,以及定子上各相绕组在物理和电磁上独立,容错能力强、可靠性高的优点,又具有电励磁同步电机发电控制简单、控制电路可靠性高的优点,在航空、汽车舰船、风力发电等领域具有广阔的应用前景。
传统的三相电励磁双凸极电机通常采用6N/4N极结构(N为正整数),但该电机的绕组多采用星型连接,各相之间没有实现有效的隔离,当一相绕组出现故障后就会使整个系统不能工作。四相电机拥有四相定子绕组,电机在出现单相故障后仍可以实现一定的输出,增强了电机的容错能力,故相数冗余设计成为双凸极容错电机的研究热点之一。
传统m相电励磁双凸极电机励磁绕组匝链m相电枢绕组,每相定子绕组的每个定子线圈距离励磁元件分布位置不同,各相磁路不一致导致每相磁链变化率不同,因此反电势波形的对称性较差,该电机作为发电机运行时电压脉动大,作为电动机运行时存在转矩脉动和振动噪声较大的问题,且不对称程度随着相数的增加愈加严重。
目前已有的技术中,对四相电机的对称性设计的研究还较少。例如申请人申请的中国发明专利:各相电感对称的四相双凸极无刷直流电机,申请号:201310079451.4,公开了一种其单元电机为12/9或12/15极的四相双凸极电机,每个励磁元件跨三个定子极绕制,每相定子绕组的每个定子线圈的分布位置不同,这种四相定子绕组对称分布的方式达到了各相电感的对称,但由于励磁元件的增多,使得铜材消耗大,且励磁损耗增加。本申请的发明人之一发表的论文《多相电励磁双凸极发电机的极数和极弧系数研究》(中国电机工程学报2015.35(7)),推导了多相电励磁双凸极电机普遍适用的定子极数、转子极数和定转子极弧系数等结构参数的约束公式,但四相同时出力的(8/6)N电励磁双凸极电机在增强电机容错能力的同时,定子极弧系数为0.667,较大的极弧系数使得定子槽面积减小,造成电机槽满率(尤其是励磁槽)紧张,且电机铁心利用率低。
发明内容
发明目的:针对上述现有技术中存在铜材消耗大、励磁损耗增加、电机槽满率紧张、电机铁心利用率低等问题,本发明提供一种电励磁双凸极电机。
技术方案:本发明提供一种四相对称的电励磁双凸极电机,包括:同转轴设置的定子组件和转子组件,所述定子组件包括定子铁心、励磁元件以及A相、B相、C相、D相定子绕组;所述定子铁心为凸极结构,所述定子铁心上设有8N个定子极;所述励磁元件绕制在定子铁心上,励磁元件的数目为2N个,每个励磁元件跨四个定子极分布;相邻的励磁元件的绕制方向相反,且相邻的励磁元件相互串联;所述A、B、C、D四相定子绕组由分布位置不同且相位相差180°的电枢绕组反向串联构成;所述电枢绕组为绕制在各个定子极上的集中绕组;且每个电枢绕组绕制方向和所匝链励磁元件绕制方向一致;所述转子组件包括凸极结构的转子铁心,所述转子铁心上设有6N或10N个转子极;所述N为正整数。
进一步的,当定、转子极数采用8N/6N配对时,定子极弧系数为0.667,转子极弧系数为0.5;且每个定、转子极根部两侧设有凹槽。
进一步的,当定、转子极数采用8N/10N配对时,定子极弧系数为0.4,转子极弧系数为0.5。
进一步的,所述电励磁双凸极电机作为发电机或电动机运行。
进一步的,所述电励磁双凸极电机作为电动机运行时,所述四相定子绕组分别与H桥变换器的桥臂中点连接;作为发电机运行时,所述四相定子绕组采用星形接法,经过四相全桥整流桥整流后对外输出直流电;或者在作为发电机运行时采用四个H桥整流器对四相定子绕组电流整流后再并联对外输出。
有益效果:
1、本发明每个励磁元件仍跨四个定子极绕制,一个励磁源能给多个定子极提供励磁,不会因增加额外的励磁元件而增加电机铜材。
2、通过将电枢绕组中分布位置不同且相位相差180°的各相绕组进行组合,并通过反向串联构成各相磁链变化率相同的四相定子绕组,从而实现四相反电势对称,有效解决了传统四相电励磁双凸极电机电压脉动大、转矩脉动大的问题。
3、本发明电机的四相定子绕组可以同时通电工作,电机功率密度大。
4、四相电机拥有四相定子绕组,电机在出现单相故障后仍可以实现一定的输出,增强了电机的容错能力。
5、本发明打破常规双凸极电机定转子极极形设计,提出了一种新型的双凸极电机定转子结构,在定、转子极根部两侧开槽,形成新型的带极靴定转子极型,在保证定转子极弧系数的前提下,从根本上解决了双凸极电机励磁槽槽满率紧张的问题,实现了励磁元件和铁心饱和程度间的合理匹配。
附图说明
图1为发明实施例一中采用新型定、转子极结构的8/6极四相对称的电励磁双凸极电机轴向剖视示意图;
图2为传统8/6极四相电励磁双凸极电机的磁链波形图;
图3为本发明实施例一中电机的磁链波形图;
图4为本发明实施例一中电机的反电势波形图;
图5为本发明实施例二中8/10极四相对称的电励磁双凸极电机轴向剖视示意图;
图6为传统8/10极四相电励磁双凸极电机的磁链波形图;
图7为本发明实施例二中8/10极四相对称的电励磁双凸极电机的磁链波形图;
图8为本发明实施例二中8/10极四相对称的电励磁双凸极电机的反电势波形图;
图9为本发明分布位置不同且相位相差180°的各电枢绕组相互组合并反向串联构成四相定子绕组的绕组连接图;
图10为本发明四相对称的电励磁双凸极电机电动运行时四相定子绕组与H桥变换器连接图。
图11为本发明四相对称的电励磁双凸极电机电动运行时控制策略的导通示意图;
图12为本发明四相对称的电励磁双凸极电机发电运行时四相定子绕组、整流器与负载连接图。
附图说明:1-定子铁心,2-转子铁心,3-A相电枢绕组,4-B相电枢绕组,5-C相电枢绕组,6-D相电枢绕组,7-励磁绕组,8-转轴。
具体实施方式
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
实施例一
本实施例采用新型定转子极结构的8/6极四相对称的电励磁双凸极电机,如图1所示,该双凸极电机包括同转轴的定子组件和转子组件。
所述定子组件包括定子铁心、励磁元件以及电枢绕组。定子铁心为凸极结构,设置有定子极,定子铁心上设置的定子极数目为8个,定子极弧系数为0.667。
所述转子组件包括转子铁心和转轴,转子铁心为凸极结构,转子极数目为6个,转子极弧系数为0.5。
所述励磁元件的数目为2个,分别跨四个定子极分布,且相邻励磁元件的极性相反,同时相邻的励磁元件相互串联。
所述电枢绕组为在各个定子极上绕制的集中绕组,且每个励磁元件下的电枢绕组按照所匝链的励磁元件的极性进行绕制,从而形成8个电枢绕组。
将所述电枢绕组中分布位置不同且相位相差180°的电枢绕组进行组合,相位相差180°的电枢线圈(电枢绕组)A1、A2反相串联后组成A相定子绕组,相位相差180°的电枢线圈B1、B2反相串联后组成B相定子绕组,相位相差180°的电枢线圈C1、C2反相串联后组成C相定子绕组,相位相差180°的电枢线圈D1、D2反相串联后组成D相定子绕组,最终构成各相磁链变化率相同的A、B、C、D四相定子绕组。其各电枢线圈位置如图1所示,反相串联构成四相定子绕组的绕组连接图如图9所示。
在本实施例一中,8/6极四相对称的电励磁双凸极电机的定、转子结构采用新型定、转子极结构;所述新型定、转子极结构如图1所示,在定、转子极根部的两侧开槽,所述根部的两侧为垂直于该双凸极电机的横截面的两侧;从而形成新型的带极靴定、转子极型,该新型的带极靴定、转子极型在保证定、转子极弧系数的前提下,实现了励磁元件放置空间和铁心饱和程度间的合理匹配。该新型定、转子结构也适用于其他定子极弧系数大于等于0.5的电励磁双凸极电机;
在仿真试验中,对比传统8/6极四相电励磁双凸极电机的磁力线及磁密分布云图和本实施例一采用新型定转子极结构的8/6极四相对称的电励磁双凸极电机的磁力线及磁密分布云图,可以看出传统的传统8/6极四相电励磁双凸极电机电机槽满率(尤其是励磁槽)紧张,且定、转子铁心利用率低;而本发明的励磁元件和铁心饱和程度间的匹配更合理,定、转子铁心利用率较高。
图2是传统8/6极四相电励磁双凸极电机的磁链波形图。该电机靠近励磁线圈的相磁路短,磁阻小,远离励磁绕组的相磁路长,磁阻大,造成各相磁链不对称,带来电机转矩脉动大、电压波动大和电流不均衡等问题。
图3是本实施例一采用新型定转子极结构的8/6极四相对称的电励磁双凸极电机的磁链波形图。将所述电枢绕组中分布位置不同且相位相差180°的电枢绕组进行组合,并通过反向串联构成各相磁链变化率相同的四相绕组,从而实现四相反电势对称,本实施例一的电机反电势波形图,如图4所示。
图10是本实施例一的电机作为电动机运行时四相定子绕组与四相H桥变换器连接图,四相定子绕组分别与H桥变换器的桥臂中点连接。四相H桥变换器各相独立控制,当其中一相出现故障时,不会影响其他相工作,电机具有较强的容错能力。
图11是本实施例一的电机作为电动机运行时的工作原理图,在给励磁绕组通以正向的励磁电流后,给磁链上升的相通正向电流,给磁链下降的相通负向电流,电机即可以作为电动机运行。
图12是本实施例一四相对称的电励磁双凸极电机作为发电运行时四相定子绕组、整流器与负载连接图。所述四相定子绕组采用星形接法,经过四相全桥整流桥整流后对外输出直流电。为提高故障隔离能力,也可以采用四个H桥整流器对四相定子绕组电流整流后再并联对外输出。
实施例二
8/10极四相对称的电励磁双凸极电机如图5所示,该8/10极四相对称的电励磁双凸极电机包括同转轴的定子组件和转子组件。
所述定子组件包括定子铁心、励磁元件以及电枢绕组。定子铁心为凸极结构,设置有定子极,定子铁心上设置的定子极数目为8个,定子极弧系数为0.4;由于定子极弧系数较小,定子槽面积较为合理,则不采用实施例一提出的新型定转子极结构。
所述转子组件包括转子铁心和转轴,转子铁心为凸极结构,转子极数目为10个,转子极弧系数为0.5。
所述励磁元件的数目为2个,分别跨四个定子极分布,且相邻励磁元件的极性相反,同时相邻的励磁元件相互串联。
所述电枢绕组为在各个定子极上绕制的集中绕组,且每个励磁元件下的电枢绕组按照所匝链的励磁元件的极性进行绕制,从而形成8个电枢绕组。
将所述电枢绕组中分布位置不同且相位相差180°的电枢绕组进行组合,相位相差180°的电枢线圈A1、A2反相串联后组成A相定子绕组,相位相差180°的电枢线圈B1、B2反相串联后组成B相定子绕组,相位相差180°的电枢线圈C1、C2反相串联后组成C相定子绕组,相位相差180°的电枢线圈D1、D2反相串联后组成D相定子绕组,最终构成各相磁链变化率相同的A、B、C、D四相定子绕组。其各电枢线圈位置如图5所示
图6是传统8/10极四相电励磁双凸极电机的磁链波形图。该电机靠近励磁线圈的相磁路短,磁阻小,远离励磁绕组的相磁路长,磁阻大,造成各三相磁链不对称,带来电机转矩脉动大、电压波动大和电流不均衡等问题。
图7是本实施例二的电机的磁链波形图。将所述电枢绕组中分布位置不同且相位相差180°的电枢绕组进行组合,并通过反向串联构成各相磁链变化率相同的四相绕组,从而实现四相反电势对称,本实施例的电机的反电势波形图如图8所示。
实施例二的电机同样既可作为电动机运行,又可作为发电机运行,作为电动机运行时四相定子绕组分别与H桥变换器的桥臂中点连接,四相H桥变换器各相独立控制,当其中一相出现故障时,不会影响其他相工作,电机具有较强的容错能力。
作为电机发电运行时四相定子绕组采用星形接法,经过四相全桥整流桥整流后对外输出直流电。为提高故障隔离能力,也可以采用四个H桥整流器对四相定子绕组电流整流后再并联对外输出。
本技术领域技术人员可以理解的是,除非另外定义,这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是,诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义,并且除非像这里一样定义,不会用理想化或过于正式的含义来解释。
Claims (5)
1.一种四相对称的电励磁双凸极电机,其特征在于,包括:同转轴设置的定子组件和转子组件,所述定子组件包括定子铁心、励磁元件以及A相、B相、C相、D相定子绕组;所述定子铁心为凸极结构,所述定子铁心上设有8N个定子极;所述励磁元件绕制在定子铁心上,励磁元件的数目为2N个,每个励磁元件跨四个定子极分布;相邻的励磁元件的绕制方向相反,且相邻的励磁元件相互串联;所述A、B、C、D四相定子绕组由分布位置不同且相位相差180°的电枢绕组反向串联构成;所述电枢绕组为绕制在各个定子极上的集中绕组;且每个电枢绕组绕制方向和所匝链励磁元件绕制方向一致;所述转子组件包括凸极结构的转子铁心,所述转子铁心上设有6N或10N个转子极;所述N为正整数。
2.根据权利要求1所述的一种四相对称的电励磁双凸极电机,其特征在于,当定、转子极数采用8N/6N配对时,定子极弧系数为0.667,转子极弧系数为0.5;且每个定、转子极根部两侧设有凹槽。
3.根据权利要求1所述的一种四相对称的电励磁双凸极电机,其特征在于,当定、转子极数采用8N/10N配对时,定子极弧系数为0.4,转子极弧系数为0.5。
4.根据权利要求1、2、3任意一项所述的一种四相对称的电励磁双凸极电机,其特征在于,所述电励磁双凸极电机作为发电机或电动机运行。
5.根据权利要求4所述的一种四相对称的电励磁双凸极电机,其特征在于,所述电励磁双凸极电机作为电动机运行时,所述四相定子绕组分别与H桥变换器的桥臂中点连接;作为发电机运行时,所述四相定子绕组采用星形接法,经过四相全桥整流桥整流后对外输出直流电;或者在作为发电机运行时采用四个H桥整流器对四相定子绕组电流整流后再并联对外输出。
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