CN111181262B - 一种使用绕组内置磁通调制环的定子结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用绕组内置磁通调制环的定子结构，包括开槽定子、环绕式绕组和磁通调制环，开槽定子包括定子轭、定子内槽和定子外槽，每个定子内槽处都绕有一个环绕式绕组，磁通调制环包括导磁体、不导磁体与励磁绕组，励磁绕组嵌入在导磁体中；磁通调制环设置安装在开槽定子背部，通过运动机构改变磁通调制环位置，实现磁通调制。本发明利用环绕式绕组产生的磁场，通过在定子背部增设磁通调制环来更改磁路，除此之外，在磁通调制环中内置励磁绕组，励磁绕组能够动态的增强或削弱局部磁场，改变定子内局部磁场的形状，从而满足电机在不同环境的性能需求，励磁绕组的增加，提高磁通调制的适用范围与适用能力，也提高电机的容错运行能力。

Description

一种使用绕组内置磁通调制环的定子结构

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种使用绕组内置磁通调制环的定子结构。

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。

公告号CN108988598A的发明公开了一种定子内置磁通调制式永磁游标电机，它是在电机壳内部，由外向内依次布设有外转子(2)、内转子(3)和定子(4)，外转子2内表面有十二个外转子凸极(2-1)，内转子(3)靠近外转子侧的外表面有八个内转子凸极(3-1)，靠近定子一侧的内表面为圆面结构，并嵌入十六对永磁体(3-2)，定子(4)由铁块(13)连接至机壳(1)，定子铁芯圆周有六个定子齿(4-1)，且每个定子齿上放置三块磁通调制极(4-2)，定子槽内同时放置极对数为两对的三相集中式定子电枢绕组(6)和直流励磁绕组(7)。本发明的优点是：增大了转矩输出能力、转矩密度、调速范围和机械强度，且加工装配简单。

公告号CN105490481B的发明提供了一种高转矩密度多盘-多气隙轴向磁通磁场调制永磁电机，其中该永磁电机具有多盘多气隙结构，由沿轴向方向上依次交错排列的若干定子与转子构成而成，若定子数目为Ns，转子数目为Nr，定子与转子数目满足：Ns＝Nr+1(Nr＝2，3，4...)，最外侧两定子不放置绕组，内侧定子放置环形绕组。按照本发明实现的调制永磁电机，降低了绕组端部长度，减小了电机铜耗，提高了效率，两侧外定子作为辅助磁路，保留了磁场调制电机的高电磁转矩密度、高功率因数等特点，提高了电机的整体转矩密度，同时两侧外定子可直接与机壳相连，装配容易。

公告号CN105406669B的发明公开了一种多气隙轴向磁通-磁场调制永磁电机，该永磁电机包括依次在轴向方式上交错设置的若干定子和若干转子.其中永磁电机的两端为两个表贴式永磁转子，其余转子为内嵌式永磁转子；若干定子结构尺寸相同，双边开槽并采用环形绕组，沿圆周方向上相对于其上一个定子依次偏移半个槽距机械角度。按照本发明实现的多气隙轴向磁通-磁场调制永磁电机，能够在保留了磁场调制电机的优良性能的基础上，综合性地解决了磁场调制电机转矩密度受限和功率因数较低的固有问题。

公告号CN104578633A的发明公开了一种调磁结构及充磁方向改进的轴向磁场调制式复合电机，本发明是为了解决现有轴向磁通调制电机调磁环固定方式复杂，并且永磁体利用率低的问题。它的定子的每一个气隙侧表面上粘接固定一个调磁环，并且调磁环与转轴固定连接；调磁环由沿圆周方向均匀分散排布的调磁块组成；转子包括转子盘和永磁体环，永磁体环粘接在转子盘的气隙侧表面上，永磁体环由沿圆周方向均匀排布的多块永磁体构成，每块永磁体由沿圆周方向均匀切分成四段的永磁体分段组成；沿顺时针方向，每块永磁体中第一、三永磁体分段沿圆周方向充磁，并且充磁方向相反，每块永磁体中第二、四永磁体分段沿轴向充磁，并且充磁方向相反。

公告号CN102420515A的发明公开一种磁场调制式横向磁通多相永磁电机，为解决现有多相永磁同步电机存在的可靠性低，损耗大，转矩密度低及结构复杂的问题而提出。它由定子和转子组成；m个相电枢单元沿轴向依次排列在机壳内；每个相电枢单元沿圆周方向依次错开360°/m电角度；电枢线圈嵌放在第一至第三定子铁芯齿段之间的环形空间内；第一和第三转子铁芯齿段的外圆周表面分别沿轴向开设有数量为k/2个转子永磁体槽；第一转子铁芯齿段上的转子永磁体槽与第三转子铁芯齿段上的转子永磁体槽沿轴向方向错开半个转子齿距；转子永磁体的充磁方向相同。它有可靠性与安全性高、容错能力强、结构简单、成本低、转矩密度高、动态特性好，易实现模块化等优点。

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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用绕组内置磁通调制环的定子结构。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种使用绕组内置磁通调制环的定子结构，包括开槽定子、m相对称的环绕式绕组和磁通调制环，其中，m为电机的相数；

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，定子外槽个数小于或等于2pmk，定子外槽为径向向外开口结构；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，另一侧放置在定子背部或定子外槽；

磁通调制环包括导磁体、不导磁体与励磁绕组，由导磁体与不导磁体连接而成磁通调制环主体结构，其中导磁体与不导磁体相间分布；导磁体的大小与导磁体数量与定子外槽的数量及位置相配合；励磁绕组嵌入在导磁体中；

磁通调制环设置安装在开槽定子背部，通过运动机构改变磁通调制环位置，导磁体中的励磁绕组通入电流产生感应磁场，两者与定子外槽相互配合，共同作用实现磁通调制。

所有的环绕式绕组采用平行绕组方法，每个绕组之间间距相等，形成平行环绕式绕组。

其中部分环绕式绕组交错缠绕，形成交错环绕式绕组。

定子外槽的间距采用等间距或不等间距的形式。

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。

磁通调制环中的励磁绕组利用电刷提供电源。

励磁绕组的匝数数量为单匝或多匝。

导磁体采用导磁材料制作，不导磁体采用不导磁材料制成。

本发明的有益效果是：

本发明利用环绕式绕组产生的磁场，通过在定子背部增设磁通调制环来更改磁路，除此之外，在磁通调制环中内置励磁绕组，励磁绕组能够动态的增强或削弱局部磁场，改变定子内局部磁场的形状，从而满足电机在不同环境的性能需求，励磁绕组的增加，提高磁通调制的适用范围与适用能力，也提高电机的容错运行能力。本发明另一方面也实现了环绕式绕组的高效利用，减少漏磁对机壳的不利影响。

本发明利用励磁磁场与减小磁阻的方法改变磁路，进而改变电机中的谐波成分及电压幅值。

在正常运行时，环绕式绕组中会有交变的电流，在绕组周围会感生磁场，此时，磁通调制环的不导磁体位于定子背部开口槽上方，由于不导磁材料的磁阻较大而磁场要形成闭合回路，故磁场主要分布在绕组附近，而很少磁力线经过定子产生闭合回路。正常运行情况下，磁通调制环对电机的整体性能的影响可以忽略不计。

当机构作用时，此时由控制器控制运动机构，带动磁通调制环运动，使环上的导磁体逐渐向定子背部槽口上方移动，随着导磁体距离绕组越来越近，此时的闭合回路的磁阻也越来越小，绕组周围会形成越来越多经过导磁体的磁力线，而励磁绕组产生的磁场会进一步促进这些磁路的形成，这些磁力线会影响定子中的磁力线，造成此相的电压有效值降低，谐波成分增加。

本发明能够改变电机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，减少因转矩脉动引起故障加重及更大的经济损失。

本发明利用背绕式绕组的工作特点，通过磁通调制环实现磁通调制，在原有基础上增加励磁绕组，实现更大范围的磁通调制，也实现了背绕式绕组的高效利用。

本发明实现了动态调压及调节谐波成分的功能，为电机短时容错运行提供新的解决方案。利用环绕式绕组、磁通调制环和特殊开槽定子，实现了定子背部磁通调节，又充分利用了环绕式绕组无法正常利用的一侧绕组。绕组内置的磁通调制环位于定子背部，内部嵌有励磁绕组，利用电刷为励磁绕组提供电源。通过励磁磁场改变环绕式绕组的磁场磁路，实现电机性能的改变。

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开槽定子的结构示意图；

图3为本发明实施例一中磁通调制环的结构示意图；

图4为本发明实施例一的励磁绕组正向调制示意图一；

图5为本发明实施例一的励磁绕组正向调制示意图二；

图6为本发明实施例一的励磁绕组正向调制示意图三；

图7为本发明实施例一的励磁绕组反向调制示意图一；

图8为本发明实施例一的励磁绕组反向调制示意图二；

图9为本发明实施例一的励磁绕组反向调制示意图三；

图10为本发明实施例二的结构示意图；

图11为本发明实施例二中开槽定子的结构示意图；

图12为本发明实施例三的结构示意图；

图13为本发明实施例四的立体结构示意图；

图14为本发明实施例四的主视图。

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3所示，本实施例公开了一种使用绕组内置磁通调制环的定子结构,包括开槽定子2、m相对称的环绕式绕组1和磁通调制环3，其中，m为电机的相数。

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个数小于或等于2pmk，定子外槽6为径向向外开口结构。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，另一侧放置在定子背部，有定子外槽处放置在定子外槽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。

磁通调制环3包括导磁体7、不导磁体8与励磁绕组9，由导磁体7与不导磁体8连接而成磁通调制环主体结构，其中导磁体7与不导磁体8相间分布。导磁体7采用导磁材料制作，不导磁体8采用不导磁材料制成。导磁体7的大小与数量与定子外槽6的数量与位置相配合。励磁绕组9嵌入在导磁体7中。

磁通调制环3中的励磁绕组9利用电刷提供电源。励磁绕组9的匝数数量可以为单匝或多匝。

磁通调制环3要与开槽定子配合使用，定子外槽可能为不固定间距，故导磁体7大小、导磁体7数量和相邻导磁体7之间分布间距不固定。

磁通调制环3设置安装在开槽定子2背部，通过运动机构改变磁通调制环位置，导磁体7中的励磁绕组9通入电流产生感应磁场，两者与定子外槽6相互配合，共同作用实现磁通调制。

本发明包括励磁绕组正向调制及励磁绕组反向调制。

励磁绕组正向调制原理如下：

如图4所示，电机正常工作状态，位于定子外槽6槽口上方的为不导磁体8，此时磁路不会沿槽口上方闭合，且励磁绕组9不工作，故环绕式绕组1产生的磁场不影响定子内磁场。

如图5所示，为磁通调制环到达指定位置之前的工作状态，此时少部分导磁体7位于定子外槽6槽口上方，励磁绕组9通入与环绕式绕组1相位一致的交流电，产生与环绕式绕组1磁场方向一致的磁场，两者相互加强，合成磁场有部分磁力线经过导磁体7闭合，此时会对定子轭磁场产生削弱作用但影响效果不明显。

如图6所示，为调制环到达指定位置的工作状态，此时定子外槽6槽口上方完全覆盖着导磁体7，励磁绕组9通入与环绕式绕组1相位一致的交流电，产生与环绕式绕组1磁场方向一致的磁场，两者相互加强，合成磁场的磁力线会沿定子轭4→导磁体7→定子轭4这个路径闭合，此时会对定子轭磁场产生极大的削弱作用,起到调节感应电动势与谐波的作用。

励磁绕组反向调制原理如下：

如图7所示，处于电机正常工作状态，位于定子外槽6槽口上方的为不导磁体8，此时磁路不会沿槽口上方闭合，且励磁绕组9不工作，故环绕式绕组1产生的磁场不影响定子内磁场。

如图8所示，调制环到达指定位置之前的工作状态，此时少部分导磁体7位于定子外槽6槽口上方，励磁绕组9通入与环绕式绕组1相位相差90度的交流电，产生与环绕式绕组1磁场方向相反的磁场，两者相互削弱，合成磁场有部分磁力线经过导磁体闭合，此时会对定子轭磁场产生削弱作用但影响效果不明显。

如图9所示，为调制环到达指定位置的工作状态，此时定子外槽6槽口上方完全覆盖着导磁体7，励磁绕组9通入与环绕式绕组1相位一致的交流电，产生与环绕式绕组1磁场方向相反的磁场，两者相互削弱，合成磁场的磁力线会沿定子轭4→导磁体7→定子轭4这个路径闭合，此时会对定子轭磁场产生极大的削弱作用,起到调节感应电动势与谐波的作用。

励磁绕组能够动态的增强或削弱局部磁场，从而满足电机在不同环境的性能需求。励磁绕组的增加，提高磁通调制的适用范围与适用能力。

本发明利用励磁磁场与减小磁阻的方法改变磁路，进而改变电机中的谐波成分及电压幅值。在正常运行时，环绕式绕组中会有交变的电流，在绕组周围会感生磁场，此时，磁通调制环的不导磁体位于定子背部开口槽上方，由于不导磁材料的磁阻较大而磁场要形成闭合回路，故磁场主要分布在绕组附近，而很少磁力线经过定子产生闭合回路。正常运行情况下，磁通调制环对电机的整体性能的影响可以忽略不计。当机构作用时，此时由控制器控制运动机构，带动磁通调制环运动，使环上的导磁体逐渐向定子背部槽口上方移动，随着导磁体距离绕组越来越近，此时的闭合回路的磁阻也越来越小，绕组周围会形成越来越多经过导磁体的磁力线，而励磁绕组产生的磁场会进一步促进这些磁路的形成，这些磁力线会影响定子中的磁力线，造成此相的电压有效值降低，谐波成分增加。

本发明利用环绕式绕组产生的磁场，通过在定子背部增设磁通调制环来更改磁路，除此之外，在磁通调制环中内置励磁绕组，励磁绕组能够动态的增强或削弱局部磁场，改变定子内局部磁场的形状，从而满足电机在不同环境的性能需求，励磁绕组的增加，提高磁通调制的适用范围与适用能力，也提高电机的容错运行能力。本发明另一方面也实现了环绕式绕组的高效利用，减少漏磁对机壳的不利影响。

本发明能够改变电机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，减少因转矩脉动引起故障加重及更大的经济损失。

本发明利用背绕式绕组的工作特点，通过磁通调制环实现磁通调制，在原有基础上增加励磁绕组，实现更大范围的磁通调制，也实现了背绕式绕组的高效利用。

本发明实现了动态调压及调节谐波成分的功能，为电机短时容错运行提供新的解决方案。利用环绕式绕组、磁通调制环和特殊开槽定子，实现了定子背部磁通调节，又充分利用了环绕式绕组无法正常利用的一侧绕组。绕组内置的磁通调制环位于定子背部，内部嵌有励磁绕组，利用电刷为励磁绕组提供电源。通过励磁磁场改变环绕式绕组的磁场磁路，实现电机性能的改变。

本发明可用于分布式供电系统的微型燃气轮机驱动、高速发电机、航空电源，以及分布式发电等应用场合。

实施例二：

如图10和图11所示，本实施例与实施例一环绕式绕组都采用平行绕制方式，但两者的不同之处在于：其中定子外槽6开槽数量不同，不同数量的绕组嵌入定子外槽，增加了感应电动势的调节范围。

实施例三：

根据实际需求，定子背部可以开不同深度的槽。

如图12所示，本实施例与实施例一环绕式绕组都采用平行绕制方式，但两者的不同之处在于：其中定子外槽6开槽深度不同，环绕式绕组1嵌入定子深度不同的不同，增加了感应电动势的调节范围。

实施例四：

如图13和14所示，本实施例与实施例一不同之处在于：环绕式绕组采用交错绕制方式，即其中部分环绕式绕组交错缠绕，形成交错环绕式绕组。

定子外槽6可以有两个或两个以上的槽采用交错式环绕绕组，其中定子外槽的间距可以采用不等间距也可以采用等间距的形式。

除部分使用交错环绕式绕组外，其他正常绕制（其余环绕式绕组的两侧放置在同一径向，一侧放置在定子内槽，另一侧放置在定子外槽或不开槽放置在定子背部），交错式绕组改变了绕组的空间位置，增加了感应电动势的调节范围，改变电机内谐波的分布，减少低次谐波含量。

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 (8)

1.一种使用绕组内置磁通调制环的定子结构，其特征在于：包括开槽定子、m相对称的环绕式绕组和磁通调制环，其中，m为电机的相数；

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，定子外槽个数小于或等于2pmk，定子外槽为径向向外开口结构；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，另一侧放置在定子背部或定子外槽；

磁通调制环包括导磁体、不导磁体与励磁绕组，由导磁体与不导磁体连接而成磁通调制环主体结构，其中导磁体与不导磁体相间分布；导磁体的大小与导磁体数量与定子外槽的数量及位置相配合；励磁绕组嵌入在导磁体中；

磁通调制环设置安装在开槽定子背部，通过运动机构改变磁通调制环位置，导磁体中的励磁绕组通入电流产生感应磁场，两者与定子外槽相互配合，共同作用实现磁通调制。

2.根据权利要求1所述的使用绕组内置磁通调制环的定子结构，其特征在于：所有的环绕式绕组采用平行绕组方法，每个绕组之间间距相等，形成平行环绕式绕组。

3.根据权利要求1所述的使用绕组内置磁通调制环的定子结构，其特征在于：其中部分环绕式绕组交错缠绕，形成交错环绕式绕组。

4.根据权利要求1-3任一项所述的使用绕组内置磁通调制环的定子结构，其特征在于：定子外槽的间距采用等间距或不等间距的形式。

5.根据权利要求1-3任一项所述的使用绕组内置磁通调制环的定子结构，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。

6.根据权利要求1-3任一项所述的使用绕组内置磁通调制环的定子结构，其特征在于：磁通调制环中的励磁绕组利用电刷提供电源。

7.根据权利要求1-3任一项所述的使用绕组内置磁通调制环的定子结构，其特征在于：励磁绕组的匝数数量为单匝或多匝。

8.根据权利要求1-3任一项所述的使用绕组内置磁通调制环的定子结构，其特征在于：导磁体采用导磁材料制作，不导磁体采用不导磁材料制成。

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