CN113659739B - 一种新型模块化电机定子 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型模块化电机定子，其沿圆周方向由相同的模块通过各自位于模块两端的部分冗余齿相互拼接构成，每个模块由若干个基本模块单元构成，在模块圆周方向的两端包含部分冗余齿。相邻模块的部分冗余齿拼接后形成一个完整的冗余齿，其上不缠绕线圈；每个基本模块单元包含若干个有效齿和位于圆周方向两端的部分冗余齿；整个定子包含的所有冗余齿数目为电机相数的整数倍，包含的线圈数目等于总的有效齿数目，总的齿数等于所有冗余齿和有效齿数目之和。本发明新型电机定子易于实现模块化加工，材料浪费少，根据其设计方法通过合理的线圈连接和机械安装能够保证所应用的电机输出大且平稳，因此能够广泛应用于各类相关产品上。

Description

一种新型模块化电机定子
技术领域
本发明属于电机设计技术领域，具体涉及一种新型模块化电机定子。
背景技术
电机作为一种实现电能和机械能相互转换的装置具有极其广泛的应用，大部分电能的产生与消耗都是通过电机进行的，因此，高效率、高可靠性、高功率密度是电机的主要追求目标。由于电机的加工中不可避免的涉及到对于材料的处理，如何能够高效的进行材料加工意义重大。对于小电机来讲，电机定子可以通过冲压、线切割等方式进行整体加工成型，但是随着电机体积的增加，对定子进行整体加工时对于材料的浪费愈发严重，并且体积增加到一定程度时便难以进行整体加工，必须采用模块化结构，如大型的水轮机、直驱风力发电机等。此外，降低电机的损耗从而提高电机效率也是电机的主要发展方向，采用端部非重叠绕组结构能够极大得减小电机中无效端部的长度，从而降低定子铜耗，提高电机效率；这种绕组结构还能降低电机的转矩脉动，易于实现以单个齿为最小模块进行加工。为此，如何能够在采用端部非重叠绕组的情况下，易于实现模块化，保证每个模块在圆周方向的两端有冗余的齿提供保护，且不造成电机性能的恶化具有实际意义。
本申请发明人在博士期间提出了一种新型的模块化结构，以实现了端部非重叠绕组与冗余齿结合从而构成定子铁芯模块的结构，在文献[Y.X.Li,Z.Q.Zhu,A.S.Thomas,Z.Y.Wu,and X.M.Wu,“Novel modular fractional slot permanent magnet machineswith redundant teeth,”IEEE Trans.Magn.,vol.55,no.9,pp.1-10,Sep.2019]和文献[Y.X.Li,Z.Q.Zhu,and A.S.Thomas,“Generic slot and pole number combinations fornovel modular permanent magnet dual 3-phase machines with redundant teeth,”IEEE Trans.Energy Convers.,vol.35,no.3,pp.1676-1687,Oct.2020.,vol.35,no.3,pp.1676-1687,Sep.2020]中分别详细介绍了这类电机的结构构成原理和极槽配合约束，并对比分析了该结构与采用端部重叠式绕组结构的性能差异。但经过长期的研究发现该结构也存在如下问题：虽然能够保证获得对称且平衡的双三相空载电动势，但是其两套绕组的磁动势并不对称，这就意味着其负载端电压会存在不对称；不对称的电枢磁动势也会相应产生较为丰富的谐波，这会增加转子上感应的涡流损耗，尤其是电导率高且无隔断的实心转子铁轭部分；此外，该结构中每个模块都包含完整的双三相绕组，虽然两套绕组各自由独立的三相系统进行供电，但整个电机两套绕组间存在物理接触，并未实现完全解耦，仅仅是各定子模块间实现了物理上的隔离，电机的容错能力并未提高。
综上所述，可以看到模块化结构在电机中有着很高的研究与应用价值，在风力发电领域中，大型永磁直驱电机的定子加工不可避免的要采用模块化技术；现有产品中以端部重叠式绕组结构为主，众多大型风电企业则是朝端部非重叠式绕组结构进行研发。目前还没有相关有效的多相高容错模块化结构，而传统的全齿绕端部非重叠绕组的各模块之间存在物理接触，模块两端的线圈容易发生损坏，模块强度低且故障容错能力不高。正是由于这些问题的存在以及对模块化直驱永磁电机的需求，使得模块化电机定子具备了实际的研究意义。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种新型模块化电机定子，能够解决传统模块化电机中存在的难以引入冗余齿为模块圆周两端线圈提供保护的问题。
一种新型模块化电机定子，其在圆周方向由N个相同的定子模块拼接构成，所述定子模块由M个基本模块单元构成，每个基本模块单元上包含有若干个有效齿以及位于周向两端的部分冗余齿，定子模块中相邻两个基本模块单元通过部分冗余齿拼接；相邻两个定子模块通过周向端部的部分冗余齿拼接后形成一个完整的冗余齿，该冗余齿上不缠绕线圈，而有效齿上则绕制有线圈，N和M均为正整数。
进一步地，整个定子所包含的完整冗余齿数目为电机相数的正整数倍，整个定子所包含的线圈数等于总的有效齿数目，有效齿的数目为正整数。
进一步地，整个定子的齿数为所有完整冗余齿和有效齿的数目之和，整个定子的槽数与齿数相等。
进一步地，整个定子所采用的材料可以为硅钢、钴钢、镍钢、软铁复合物、非金合金、坡莫合金等各类导磁材料。
整个定子由若干定子模块拼接而成，每个定子模块为圆周方向的一部分，模块数目为任意整数。
每个定子模块至少包含一个基本模块单元，总的模块数目最大为基本模块单元的数目，每个模块沿圆周方向的两端必须由部分冗余齿构成，模块间由各自连接处的部分冗余齿拼接而成，两个部分冗余齿拼接成一个完整的冗余齿。
每个基本模块单元必须包含有效齿和两个位于圆周方向端部的部分冗余齿，有效齿的数目必须为正整数，在有效齿上必须缠绕线圈。
进一步地，所述定子可以为内定子结构、外定子结构或盘式结构等，定子的齿槽结构在圆周方向上的安置必须满足上述要求。
进一步地，所述定子的相关参数需满足以下条件：
Figure BDA0003214913850000031
Figure BDA0003214913850000032
Figure BDA0003214913850000033
Nte0*de＝2*(p0-pr)*dp
Figure BDA0003214913850000034
Figure BDA0003214913850000035
其中：Nte和Ntr分别为定子中的有效齿数和冗余齿数，Ne为基本模块单元包含的有效齿数，Nt为定子的总齿数且Nt＝Nte+Ntr，p为转子极对数，t为Nt与p的最大公约数，Nt0和p0分别为电机最小重复单元的定子齿数和极对数，k为正整数，m为电机相数，Nte0和Ntr0分别为电机最小重复单元包含的有效齿数和冗余齿数，pr为一给定的正整数，de为相邻有效齿中心线的间距，dp为转子极距，dr为电机最小重复单元沿圆周方向端部的部分冗余齿边界与内部紧靠的有效齿中心线的距离。
所述电机最小重复单元为电机组成部分，其包含有若干个定子模块且满足以下条件：
Figure BDA0003214913850000041
其中：Nt为定子的总齿数且Nt＝Nte+Ntr。
本发明提出的新型电机定子结构易于实现模块化加工，材料浪费少，根据其设计方法通过合理的线圈连接和机械安装能够保证所应用的电机输出大且平稳，因此能够广泛应用于各类相关产品上。
附图说明
图1(a)为本发明新型模块化电机定子结构的三维示意图。
图1(b)为本发明新型模块化电机定子结构的二维示意图。
图2为本发明新型模块化电机定子的外定子结构示意图。
图3为本发明新型模块化电机定子的盘式结构示意图。
图4为基本模块单元中有效齿数为1，电机为5或10相的定子结构示意图。
图5为基本模块单元中有效齿数为3，电机为3或9相的定子结构示意图。
图中：(1)—轴向正方向，(2)—圆周正方向，(3)—主视图方向，(4)—定子模块，(5)—基本模块单元，(6)—转子铁心，(7)—永磁体，(8)—线圈，(9)—有效齿，(10)—模块一端的部分冗余齿，(11)—模块另外一端的部分冗余齿，(12)—基本模块单元一端的部分冗余齿，(13)—基本模块单元另外一端的部分冗余齿，(14)—基本模块单元一端拼接后形成一个完整的冗余齿，(15)—基本模块单元另外一端拼接后形成一个完整的冗余齿，(16)—模块内部两个相邻基本模块单元拼接构成的完整冗余齿。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本实施例基于图1(a)进行分解详细说明，首先针对圆周正方向(2)进行说明，对于图1(a)所示的电机具有径向内定子的结构，电机转子具有单一旋转自由度，即只能以轴向正方向(1)为中心进行旋转。选择如图1(a)所示的方向为轴向的正方向，则定义圆周正方向(2)为以轴向正方向为基准的逆时针旋转方向，定义圆周正方向的目的是为了便于对电机结构进行后续的说明。沿着负轴向的主视图方向(3)选择电机的一个轴向剖面图进行投影，可以得到如图1(b)所示的截面图。
本实施例图1(a)的三维视图中除了显示定子外还包含了转子,转子具有N和S交替充磁的永磁体(7)，以一个N和S构成一对极，本实例中的电机包含11対极，永磁体采用面贴式的方式安置于转子铁心(6)上。需要强调的是，本发明中对于转子的结构形式没有加以限制，图1(a)中的转子结构仅仅为了说明本发明的细节而作为例子，本发明的主要技术特征在于所提出的定子结构。
本发明基于图1(a)示例的三维示意图和图1(b)的二维截面图可以更加清楚的说明具体的实施细节，二维图中的定义与三维图中的定义具有一一对应的关系。整个定子由相同结构的基本模块单元(5)构成，基本模块单元中包含了2个绕有线圈(8)的齿，即有效齿(9)，且线圈之间不存在端部的交叠。基本模块单元沿着圆周正方向(2)的两端由部分冗余齿(12)和(13)构成，这些齿上不会绕制线圈，仅起到分割模块与保护模块两端线圈的作用，为此称之为冗余齿。由于完整的定子或一个定子模块是由基本模块单元构成的，两个相邻基本模块单元拼接后才会形成完整的冗余齿(14)和(15)，为此将基本模块单元两端的冗余齿称为部分冗余齿。基本模块单元的数目决定了定子总共的冗余齿数目，而定子的实际加工模块数目则不一定与基本模块单元的数目相等；设定基本模块单元的数目为Nbm，定子实际加工模块数目为Nsm，则只要保证Nbm/Nsm为整数即可。这样，实际的定子模块中可以如图1(a)示例中所示，整个定子由两个相同的定子模块(4)构成，每个模块中包含了6个基本模块单元，每个定子模块沿圆周正方向(2)的两端也包含了由基本模块单元提供的部分冗余齿(10)和(11)用于模块拼接。模块内部基本单元拼接构成的完整冗余齿(16)在加工时直接加工完成而不再需要通过基本模块单元进行拼接，有效齿和冗余齿的宽度可以不同，具体的数值需要通过优化分析才可得到。本实施方式加工难度低，材料浪费少，通过合适的选择参数可以得到满意的结果，非常适合于应用于各种永磁电机中。
本发明最为需要说明的一点就是定子中的冗余齿不是简单的在原先不包含冗余齿的结构上通过简单的增加方式而获得模块化定子。对于构成本发明的模块化定子设计方法，需要满足一系列的约束条件，正是这些约束条件，才令本发明不同于其它的定子结构，因此才会用于本发明定子结构中。依然基于图1(a)示例进行具体说明，所有绕有线圈的有效齿数目定义为Nte，本实例中Nte＝24；所有不绕有线圈的冗余齿数目定义为Ntr，本实例中Ntr＝12；定子总齿数定义为Nt＝Nte+Ntr，本实例中为36；转子极对数定义为p，本实例中p＝11；电机相数定义为m，本实例中m＝6。为构成本发明中的模块化定子结构，上述参数需要满足以下条件：
①电机定子齿数和极对数组成的具有Nt0个定子齿和p0对极的电机最小重复单元可以构成对称的m相电机。本实例中t＝1，Nt0＝36，p0＝11，Nt0/m＝6，p0/m＝11/6不是整数，满足以下式(1)～(4)所示条件：
Figure BDA0003214913850000061
t＝最大公约数(Nt，p) (2)
Figure BDA0003214913850000062
Figure BDA0003214913850000063
②电机最小重复单元包含的有效齿Nte0和冗余齿Ntr0需要满足m相电机的对称条件；本实例中Nte0＝24，Nte0/m＝4是整数，Ntr0＝12，Ntr0/m＝2是整数，满足以下式(5)～(6)所示条件：
Figure BDA0003214913850000064
Figure BDA0003214913850000065
③线圈跨距yc为1对有效齿和极对数的要求；本实例中pr＝1，Nte0/(2*(p0-pr))＝1.2，满足以下式(7)所示条件：
Figure BDA0003214913850000066
④基本模块单元包含的有效齿数目Ne可以为任意整数；本实例中Ne＝2，满足以下式(8)所示条件：
Ne＝k，k＝1，2，3... (8)
⑤电机最小重复单元包含的有效齿Nte0与极对数满足特殊关系时，也能构成本发明所提出的定子结构；与本实例中不同的示例，假如Nte0＝24，p0＝13，pr＝1，Nte0/(2*(p0-pr))＝1，满足以下式(9)所示条件：
Figure BDA0003214913850000071
⑥电机最小重复单元包含的有效齿如若大于1，则有效齿中心线之间的距离de和转子极距dp之间需要满足以下式(10)～(12)所示条件：
Nte0*de＝2*(p0-pr)*dp，pr＝1，2，3... (10)
Figure BDA0003214913850000072
Figure BDA0003214913850000073
⑦电机最小重复单元沿圆周正方向两端的部分冗余齿边界与内部紧靠的有效齿中心距离dr需要满足以下式(13)所示条件：
Figure BDA0003214913850000074
本实例仅为说明，只要满足上述关系的即可构成本发明的模块化定子，定子结构可以为本发明中的内定子式，外定子式和盘式也可，分别如图2和图3的所示。本发明中的定子对相数m也没有具体限制，图1(a)以6相为例，图1(a)所示电机绕组也可以按照3相或12相进行连接。图4和图5为另外两个实施例，图4的定子电机可以构成5相或10相，最小模块单元中的有效齿数目为1；图5的定子电机则可以构成3相或9相，最小模块单元中的有效齿数目为3。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种新型模块化电机定子，其特征在于：该定子在圆周方向由N个相同的定子模块拼接构成，所述定子模块由M个基本模块单元构成，每个基本模块单元上包含有若干个有效齿以及位于周向两端的部分冗余齿，定子模块中相邻两个基本模块单元通过部分冗余齿拼接；相邻两个定子模块通过周向端部的部分冗余齿拼接后形成一个完整的冗余齿，该冗余齿上不缠绕线圈，而有效齿上则绕制有线圈，N和M均为正整数；
整个定子所包含的完整冗余齿数目为电机相数的正整数倍，整个定子所包含的线圈数等于总的有效齿数目，有效齿的数目为正整数；
整个定子的齿数为所有完整冗余齿和有效齿的数目之和，整个定子的槽数与齿数相等；
每个定子模块至少包含一个基本模块单元，总的模块数目最大为基本模块单元的数目，每个模块沿圆周方向的两端必须由部分冗余齿构成，模块间由各自连接处的部分冗余齿拼接而成，两个部分冗余齿拼接成一个完整的冗余齿；
所述定子的相关参数需满足以下条件：
Figure FDA0003762173120000011
Figure FDA0003762173120000012
Ne＝k
Figure FDA0003762173120000013
Nte0*de＝2*(p0-pr)*dp
Figure FDA0003762173120000014
Figure FDA0003762173120000015
其中：Nte和Ntr分别为定子中的有效齿数和冗余齿数，Ne为基本模块单元包含的有效齿数，Nt为定子的总齿数且Nt＝Nte+Ntr，p为转子极对数，t为Nt与p的最大公约数，Nt0和p0分别为电机最小重复单元的定子齿数和极对数，k为正整数，m为电机相数，Nte0和Ntr0分别为电机最小重复单元包含的有效齿数和冗余齿数，pr为一给定的正整数，de为相邻有效齿中心线的间距，dp为转子极距，dr为电机最小重复单元沿圆周方向端部的部分冗余齿边界与内部紧靠的有效齿中心线的距离；
所述电机最小重复单元为电机组成部分，其包含有若干个定子模块且满足以下条件：
Figure FDA0003762173120000021
其中：Nt为定子的总齿数且Nt＝Nte+Ntr。
2.根据权利要求1所述的新型模块化电机定子，其特征在于：整个定子所采用的材料可以为包括硅钢、钴钢、镍钢、软铁复合物、非金合金、坡莫合金在内的各类导磁材料。
3.根据权利要求1所述的新型模块化电机定子，其特征在于：所述定子可以为内定子结构、外定子结构或盘式结构。
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