CN110994822B - 一种具有自适应磁场修正能力的定子结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自适应磁场修正能力的定子结构，包括双向开槽定子、m相对称的环绕式绕组和自适应磁场修正环；自适应磁场修正环包括由不导磁材料形成的环体；环体中嵌入具有导电性的导条，导条数量为偶数根，并对称分布在环体中，导条由交错分布于环体轴向两端的间断式端环段进行串联；环体的内侧布置有由导磁材料形成的修正齿；自适应磁场修正环设置安装在双向开槽定子背部，在电机正常运行时，自适应磁场修正环保持静止，当电机发生故障后，自适应磁场修正环能够根据畸变磁场自动定位到磁场较强处的绕组并进行畸变磁场调制。本发明能够自动定位并修正故障磁场，实现了自适应不需要外部控制机构，提高了电机容错运行的能力。

Description

一种具有自适应磁场修正能力的定子结构

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种具有自适应磁场修正能力的定子结构。

背景技术

环绕式绕组主要应用于高速电机领域，高速永磁发电机具有体积小、噪音低、动态响应快、功率密度大、传动系统效率高等优点，已成为微型燃气轮机分布式供能系统的关键发电设备，满足微型燃气轮机发电系统朝着小型化和集成化方向发展的要求。环绕式绕组分别缠绕在定子内槽及定子背部，高速电机使用环绕式绕组可以减少绕线端部长度，从而减少转子的轴向长度以实现增强转子机械强度的效果，但是环绕式绕组也有不可避免的缺点。环绕式绕组的一半绕组位于转子背部，造成绕组利用率低且绕组漏磁会产生不利影响。

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上述技术方案公开了一些磁通调制方案，但均不能适应且解决环绕式绕组的一半绕组位于转子背部，造成绕组利用率低且绕组漏磁会产生不利影响的问题，并且也无法实现自动修正故障磁场。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有自适应磁场修正能力的定子结构。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种具有自适应磁场修正能力的定子结构，包括双向开槽定子、m相对称的环绕式绕组和自适应磁场修正环，其中，m为电机的相数；

双向开槽定子包括定子轭、定子内槽和定子外槽，定子内槽开槽个数为2pmk，定子内槽为周向等间距开槽；定子外槽为在定子背部开槽，定子外槽个数与内槽个数相等，定子外槽为径向向外开口结构，且也为周向等间距开槽；其中，p为电机的极对数，k为正整数；

每个定子内槽处都绕有一个环绕式绕组，环绕式绕组经定子端部环绕定子轭一周；环绕式绕组一侧放置在定子内槽中，另一侧放置在定子外槽中；

自适应磁场修正环包括由不导磁材料形成的环体；环体中嵌入具有导电性的导条，导条数量为偶数根，并对称分布在环体中，导条由交错分布于环体轴向两端的间断式端环段进行串联；环体的内侧布置有由导磁材料形成的修正齿；

自适应磁场修正环设置安装在双向开槽定子背部，在电机正常运行时，自适应磁场修正环保持静止，当电机发生故障后，自适应磁场修正环能够根据畸变磁场自动定位到磁场畸变较强处的背部绕组并进行畸变磁场调制。

环绕式绕组采用平行绕制方法，各个绕组之间间距相等。

修正齿为向环体内侧凸出的凸脊结构。

修正齿的个数小于2pmk。

修正齿的位置与定子外槽的位置相配合。

定子外槽的中心线与定子内槽中心线在同一径向或形成一定的角度偏差。

本发明的有益效果是：

本发明的定子结构由双向开槽定子、环绕式绕组和自适应磁场修正环三部分构成，在电机正常运行时，自适应磁场修正环保持静止，当电机发生故障后，自适应磁场修正环能够根据畸变磁场自动定位到磁场畸变较强处的绕组并进行畸变磁场的调制，优势之处在于能够自动定位并修正故障磁场，实现了自适应不需要外部控制机构，提高了电机容错运行的能力。

本发明利用对称分布的串联导条，实现在电机故障发生后自动旋转到畸变磁场的磁场较强处的绕组附近，并通过导磁的修正齿在背部绕组上方所受磁阻力矩的作用下定位并修正故障磁场。当电机发生故障后，磁场畸变为椭圆磁场，会出现局部磁场增强的情况。此时，该处背部绕组磁场增强，磁阻力矩增大，当自适应磁场修正环旋转到此处时，导磁的修正齿被定位在背部绕组上方进而形成局部磁场，实现改变磁路的效果，通过此方案，能够修正电机的故障情况下的感应电动势与谐波含量，从而改变电机性能来保证电机短时容错运行，另一方面也实现了电机自动修正故障磁场的功能。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例一中双向开槽定子的结构示意图；

图3为本发明实施例一中自适应磁场修正环结构示意图；

图4为本发明实施例一中的磁场修正示意图一；

图5为本发明实施例一中的磁场修正示意图二；

图6为本发明实施例一中的磁场修正示意图三；

图7为本发明实施例一中的导条设计原理示意图；

图8为本发明实施例二的结构示意图；

图9为本发明实施例三的结构示意图；

图10为本发明实施例四的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图本实施例的具体实施方式作详细说明。

实施例一：

如图1至图7所示，本实施例公开了一种具有自适应磁场修正能力的定子结构,包括双向开槽定子2、m相对称的环绕式绕组1和自适应磁场修正环3，其中，m为电机的相数。

双向开槽定子两侧均有开槽，包括定子轭4、定子内槽5和定子外槽6。定子内槽5开槽个数为2pmk，定子内槽5为周向等间距开槽。定子外槽6为在定子背部开槽，定子外槽6个数等于2pmk，定子外槽6为径向向外开口结构，且也为周向等间距开槽。其中，p为电机的极对数，k为正整数。

定子外槽6的中心线可以与定子内槽5中心线在同一径向或形成一定的角度偏差。

每个定子内槽5处都绕有一个环绕式绕组1，环绕式绕组1经定子端部环绕定子轭4一周；环绕式绕组1一侧放置在定子内槽5，另一侧放置在定子外槽6。其中所有的环绕式绕组1采用平行绕组方法，每个绕组之间间距相等，形成平行环绕式绕组。平行环绕式绕组可以减少电机制作时绕线的难度。

自适应磁场修正环3包括由不导磁材料形成的环体8。环体8中嵌入具有导电性的导条9（如铜条，铝条)），导条9数量为偶数根，并对称分布在环体8中，导条9由交错分布于环体8轴向两端的间断式端环段10进行串联形成闭合回路。导条的设计原理如图7所示，当电机内部磁场对称时，串联导条9内感应出的电动势正负相抵消，导条内部没有电流不受力，自适应磁场修正环静止不动。当内部磁场发生畸变不对称时，串联导条内部出现感应电动势，并形成电流受力，自适应磁场修正环开始旋转。

环体8的内侧布置有由导磁材料形成的修正齿7。修正齿7为向环体8内侧凸出的凸脊结构。自适应磁场修正环3要与双向开槽定子2配合使用，修正齿7的位置与定子外槽6位置相配合。

自适应磁场修正环3设置安装在双向开槽定子2背部，在电机正常运行时，自适应磁场修正环保持静止，当电机发生故障后，自适应磁场修正环能够根据畸变磁场自动定位到磁场较强处的绕组并进行畸变磁场调制。

本发明的工作原理如下：

在电机正常运行状态下，修正齿7对准定子轭4部即偏离定子外槽6处，不进行磁通调制。由于电机正常运行时内部磁场为圆形对称磁场，自适应磁场修正环3中呈对称性分布的串联导条9中感应出的电动势正负相消，故导条9中没有电流不受力，此时自适应磁场修正环静止不动。

在电机发生故障后，电机内部磁场会产生畸变，磁场不再保持圆形对称，会出现磁场较强处和较弱处，此时串联导条9内部产生的合成电动势不再为零，进而在导条9内产生电流，导条9内电流在交变磁场中受力带动自适应磁场修正环3旋转。自适应磁场修正环3旋转过程中，遇到故障畸变磁场的磁场较强处的背部绕组时，由于此处背部绕组的磁场较强，会在较大磁阻力矩的作用下，自适应磁场修正环通过修正齿被定位在背部绕组上方（磁阻力矩作为定位力的原理是磁阻最小原理，磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，由于修正齿是导磁材料磁阻较小，而空气为非导磁介质磁阻较大，因此，根据磁阻最小原理，修正齿所受磁阻力矩总会阻碍磁场修正环旋转）。导磁的修正齿7配合背部绕组形成局部磁场进而修正电机主磁场，起到修正故障畸变磁场的作用。通过此方案，能够修正电机的故障情况下的感应电动势与谐波含量，从而改变电机性能来保证电机短时容错运行，另一方面也实现了电机自动修正故障磁场的功能。

自适应磁场修正环3的磁通调制过程如图4至图6所示，图中，Fa为导条产生的异步转矩力矩， Fc为磁阻转矩力矩。

如图4所示，当电机发生故障导致磁场畸变时，在绕组背部不对称交变磁场的作用下，环体内的串联导条感应出电流，自适应磁场修正环在导条所受异步转矩力矩的作用下开始转动。

如图5所示，当自适应磁场修正环旋转到畸变磁场较强处的背部绕组附近时，部分磁力线经过修正齿7闭合，在异步转矩力矩和磁阻力矩的共同作用下，自适应磁场修正环继续旋转。此时会对定子轭磁场产生一定作用。

如图6所示，当自适应磁场修正环的修正齿旋转到背部绕组正上方时，会在修正齿所受磁阻力矩的作用下被定位在背部绕组上方。此时定子外槽6的槽口上方完全覆盖着修正齿7，环绕式绕组1产生的部分磁力线会沿定子轭4→修正齿7→定子轭4这个路径闭合，此时会对定子轭磁场产生较大的作用,起到调节感应电动势与谐波的作用。

本发明的定子结构由双向开槽定子、环绕式绕组和自适应磁场修正环三部分构成，在电机正常运行时，自适应磁场修正环保持静止，当电机发生故障后，自适应磁场修正环能够根据畸变磁场自动定位到磁场较强处的绕组并进行畸变磁场调制，优势之处在于能够自动定位并修正故障磁场，实现了自适应不需要外部控制机构。本发明提高了电机容错运行的能力。

本发明利用对称分布的串联导条，实现在电机故障发生后自动旋转到畸变磁场的磁场较强处，并通过导磁的修正齿在背部绕组上方所受磁阻力的作用下自动定位并修正故障磁场。当电机发生故障后，磁场畸变为椭圆磁场，出现局部磁场增强的情况，此时，背部绕组局部磁场增强，磁阻力矩增大，当自适应磁场修正环旋转到该处时，导磁的修正齿被定位在该处背部绕组上方，环绕式绕组产生的局部磁场，实现改变磁路的效果，通过此方案，能够修正电机的故障情况下的感应电动势与谐波含量，从而改变电机性能来保证电机短时容错运行，另一方面也实现了电机自动修正故障磁场的功能。

实施例二：

根据实际需求，定子背部可以开不同深度的槽。

如图8所示，本实施例与实施例一的不同之处在于：其中定子外槽6开槽深度不同，环绕式绕组1嵌入定子外槽深度不同的槽中，增加了感应电动势的调节范围，进而增加修正的效果。

实施例三：

如图9所示，本实施例与实施例一的不同之处在于：增加了修正齿7个数，增加了感应电动势的调节范围，从而增加修正的效果。

实施例四：

如图10所示，本实施例与实施例一的不同之处在于：增加导条9个数，增加了磁场修正环对故障磁场畸变的敏感程度，导条数越多，越细微的不对称故障都能被感知，进而根据前述原理故障畸变磁场被调制修正。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

Claims (6)

1.一种具有自适应磁场修正能力的定子结构，其特征在于：包括双向开槽定子、m相对称的环绕式绕组和自适应磁场修正环，其中，m为电机的相数；

双向开槽定子包括定子轭、定子内槽和定子外槽，定子内槽开槽个数为2pmk，定子内槽为周向等间距开槽；定子外槽为在定子背部开槽，定子外槽个数与内槽个数相等，定子外槽为径向向外开口结构，且也为周向等间距开槽；其中，p为电机的极对数，k为正整数；

每个定子内槽处都绕有一个环绕式绕组，环绕式绕组经定子端部环绕定子轭一周；环绕式绕组一侧放置在定子内槽中，另一侧放置在定子外槽中；

自适应磁场修正环包括由不导磁材料形成的环体；环体中嵌入具有导电性的导条，导条数量为偶数根，并对称分布在环体中，导条由交错分布于环体轴向两端的间断式端环段进行串联；环体的内侧布置有由导磁材料形成的修正齿；

自适应磁场修正环设置安装在双向开槽定子背部，在电机正常运行时，自适应磁场修正环保持静止，当电机发生故障后，自适应磁场修正环能够根据畸变磁场自动定位到磁场畸变较强处的背部绕组并进行畸变磁场调制。

2.根据权利要求1所述的具有自适应磁场修正能力的定子结构，其特征在于：环绕式绕组采用平行绕制方法，各个绕组之间间距相等。

3.根据权利要求1所述的具有自适应磁场修正能力的定子结构，其特征在于：修正齿为向环体内侧凸出的凸脊结构。

4.根据权利要求1或2或3所述的具有自适应磁场修正能力的定子结构，其特征在于：修正齿的个数小于2pmk。

5.根据权利要求1或2或3所述的具有自适应磁场修正能力的定子结构，其特征在于：修正齿的位置与定子外槽的位置相配合。

6.根据权利要求1或2或3所述的具有自适应磁场修正能力的定子结构，其特征在于：定子外槽的中心线与定子内槽中心线在同一径向或形成一定的角度偏差。

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