CN113708586B - 一种双定子杯式转子电机 - Google Patents

Abstract

本发明采用的技术方案是：一种双定子杯式转子电机，包括外定子、内定子和空心杯式转子；外定子包括外定子铁芯和外定子绕组；内定子包括内定子铁芯；所述外定子铁芯、内定子铁芯和空心杯式转子均为环形结构且三者同轴套接设置；空心杯式转子设置于外定子铁芯和内定子铁芯之间；外定子绕组均匀设置于外定子铁芯内壁表面。本发明解决了转矩需求大、转子机械惯性要求低的难题。

Description

一种双定子杯式转子电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，具体涉及一种双定子杯式转子电机。

背景技术

电机是实现机械能与电能之间转换的装置，将机械能转换为电能时作为发电机状态运行，将电能转换为机械能时作为电动机状态运行；旋转电机的机电能量转换的运动形式为旋转运动，直线电机的机电能量转换的运动形式为旋转运动。电机已深入至生产、生活的各个方面，比如起重设备用的各种鼠笼或绕线式的感应电动机，水力或火力发电厂的各种凸极、隐极同步发电机，电动汽车用的各种永磁电动机等。没有电机的广泛应用，就没有现代生产的高效率，没有当代生活的高便利。

常规的旋转电机转子采用内转子结构，转子上不仅布置有承载电流的导体回路或者永磁体，还布置有由导磁材料构成的铁芯作为磁场通路。上述结构导致转子的机械惯性相对较大，单位转动惯量的转矩密度通常难以超过400rad/s^2，一般在30~300rad/s^2范围内。

实用新型专利CN 206023523 U公开了一种空心转子杯异步测速发电机，内定子上布置了励磁绕组和输出绕组，外定子上开有槽口，槽口与内定子的输出绕组对齐，以缓解传统空心杯转子异步测速发电机存在的剩余电压偏高的问题。包括该实用新型在内的空心杯转子异步测速发电机为微特电机，本质属于传感检测技术领域，用于检测旋转轴的转速，此类测速发电机仅布置有励磁绕组和输出绕组，无法形成旋转磁场，亦无法用于机电能量转换技术领域，更无法用于需要产生大转矩完成机电能量转换的场合。

发明专利CN 108880093 A公开了一种空心转子驱动电机，转子为空心结构，空心转子由呈多角星结构的铝合金空心支撑体和磁钢制成的转子主体构成，空心结构用于安装部分或全部变速机构，该结构利于实现变速器与电机的集成。该发明本质为一种永磁同步电机，无内定子结构，转子主体结构既有永磁体又包括承担磁通路的铁芯。

发明专利CN 103227521 A公开了一种空心转子马达和包括空心转子马达的系统，空心转子在外定子内旋转，且由外定子驱动，空心转子流动通道的最小横截面积为马达壳体最大横截面积的至少25%，马达拓扑包括表面安装式永磁体、内装式永磁体、感应式、绕场式、同步磁阻式和开关磁阻式。该发明专利所述的为一种无内定子、空心转子的永磁、感应或磁阻电动机，转子主体结构既有永磁体或承载电流的导体回路，又包括承担磁通路的铁芯，主要用于能够承受极端压力和温度的井流体提升系统。

上述专利所公开的对象，其空心转子上不仅布置有承载电流的导体回路或者永磁体，还布置有由导磁材料构成的铁芯作为磁场通路，使得转子的机械惯性相对较大，且无内定子，转矩密度仍不够高。在某些特殊的应用场合，需要旋转电机具有大转矩运行能力的同时具有很低的机械惯性，既要提高电磁转矩输出能力又要显著降低转子的转动惯量，以满足高动态响应的特性需求。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种双定子杯式转子电机，解决转矩需求大、转子机械惯性要求低的难题。

本发明采用的技术方案是：一种双定子杯式转子电机，包括外定子、内定子和空心杯式转子；外定子包括外定子铁芯和外定子绕组；内定子包括内定子铁芯；所述外定子铁芯、内定子铁芯和空心杯式转子三者同轴设置；空心杯式转子设置于外定子和内定子之间的间隙中。

上述技术方案中，可根据使用情况增加内定子绕组，所述内定子绕组设置于内定子铁芯的定子槽内；内定子绕组采用与外定子绕组相同的绕组结构；内定子绕组与外定子绕组在空间布置的相位相同。

上述技术方案中，外定子铁芯内壁沿圆周设置有均匀外定子槽；外定子绕组为两相、三相或多套多相绕组，均匀嵌设于外定子槽内。

上述技术方案中，内定子铁芯外壁沿圆周设置有均匀内定子槽；内定子绕组为两相、三相或多套多相绕组，均匀嵌设于内定子槽内。

上述技术方案中，外定子与内定子之间形成一圈均匀的空气间隙，外定子的旋转磁场与内定子的旋转磁场同步且同相，穿透空气间隙相互耦合，产生电磁转矩。

上述技术方案中，空心杯式转子的外壁与外定子铁芯的内壁之间存在均匀的间隙，称之为外间隙；空心杯式转子的内壁与内定子铁芯的外壁之间亦存在均匀的间隙，称之为内间隙；外间隙通常略大于内间隙。

上述技术方案中，还包括轮毂；空心杯式转子的一端与轮毂的外壁紧固连接；轮毂的内壁与电机转轴紧固连接。

上述技术方案中，还包括转轴，转轴与上述空心杯式转子、轮毂构成同步转动的整体，转轴采用轴承支撑。

上述技术方案中，空心杯式转子沿轴向伸出外定子铁芯和内定子铁芯的两侧端面。

上述技术方案中，内定子绕组与外定子绕组对应的相绕组引出线采用串联连接或者并联连接；串联连接时，外定子绕组的相绕组负极引出线与内定子绕组对应相绕组的正极引出线连接；并联连接时，外定子绕组的相绕组正极引出线与内定子绕组对应相绕组的正极引出线并联连接，外定子绕组的相绕组负极引出线与内定子绕组对应相绕组的负极引出线并联连接。

本发明的有益效果是：采用内外双定子结构，不仅减小了磁阻、提高了功率因数，而且还可提高线负荷，进一步提高电磁转矩幅值；使空心杯式转子无需铁芯，显著减少了空心杯式转子的转动惯量，提高了单位转动惯量的电磁转矩密度。

采用上述技术方案的内外双定子、空心杯式转子电机，其单位惯量的电磁转矩密度可高达2000rad/s^2以上，是常规电机的5倍以上，具有极高的动态响应性能。

附图说明

图1是本发明某实施例的横截面示意图。

图2是本发明某实施例的轴切面示意图。

其中，1-外定子铁芯，2-外定子绕组，3-空心杯式转子，4-内定子绕组，5-内定子铁芯，6-轮毂，7-轴承，8-电机转轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

本发明提供了一种双定子杯式转子电机，包括外定子、内定子和空心杯式转子；外定子包括外定子铁芯1和外定子绕组2；内定子包括内定子铁芯5；所述外定子铁芯1、内定子铁芯5和空心杯式转子3均为环形结构且三者同轴套接设置；空心杯式转子3设置于外定子铁芯1和内定子铁芯5之间；外定子绕组2均匀设置于外定子铁芯1内壁定子槽内。外定子绕组2为两相、三相或多套多相绕组。

内定子提供两个可选技术方案：方案一，内定子仅由内定子铁芯5构成，减小磁阻提高功率因数，起磁场通路作用，此方案适用于内定子直径较小难以布置绕组的场合；方案二，内定子包括内定子铁芯5和内定子绕组4，内定子铁芯5外圆沿圆周均布了内定子槽，内定子绕组为两相、三相或多套多相绕组，均匀嵌布在内定子槽内。

空心杯式转子3提供两个可选技术方案：方案一，采用铝合金、铜合金或钛合金等导电金属制作成空心杯转子，切割气隙中的磁力线产生电磁转矩，作为空心杯式转子感应电机；方案二，采用非导磁材料制作成空心框架，在空心框架中嵌装永磁体，永磁体在气隙中产生交替变化的磁场、透过气隙与内外双定子耦合，作为空心杯式转子永磁电机。

如图1、2所示，本具体实施例中的双定子杯式转子电机的内定子布置了内定子绕组，空心杯式转子采用轻质高强的铝合金。该电机主体由外定子铁芯1、外定子绕组2、空心杯式转子3、内定子绕组4、内定子铁芯5、轮毂6、轴承7、电机转轴8、外壳和机座组成。为突出重点，常规所见的电机外壳和机座未示意在图中。

该具体实施例中，外定子铁芯1采用硅钢片等软磁性材料沿轴向叠压而成，单张叠片厚度通常在0.1~0.5mm之间，供电频率低的可采用厚一些的叠片，供电频率高的建议采用薄一些的叠片，叠片表面有一层薄的绝缘漆，防止叠片之间形成轴向电流通路。叠片采用轴向压力预紧，确保叠片系数≥0.93。外定子铁芯内圆周均匀布置了可嵌放外定子绕组2的槽，散线绕组时可以采用梨形槽、梯形槽，成型绕组时可以采用半开口槽或开口槽。每磁极的槽数是绕组相数的整数倍。

外定子绕组2可以采用2相、3相或6相交流绕组，绕组形式可以采用双层叠绕组或波绕组。沿外定子铁芯1内圆均匀地嵌放在外定子铁芯槽中。

内定子铁芯5亦采用与外定子铁芯1同种同厚度的软磁性材料沿轴向叠压而成，叠压工艺与外定子铁芯1的相同，叠片表面亦有一层薄的绝缘漆，防止叠片之间形成轴向电流通路。内定子铁芯与外定子铁芯同轴，如图1所示，轴向长度两者相等、且对齐，如图2所示。内定子铁芯外圆周均匀布置了可嵌放内定子绕组4的内定子槽，槽型、槽数、槽的尺寸与外定子铁芯1的相同，内定子铁心的槽口与外定子铁芯的槽口一一对齐。

内定子绕组4采用与外定子绕组2相同的绕组结构，沿内定子铁芯5内圆均匀地嵌放在内定子铁芯槽中，且内定子绕组4与外定子绕组2在空间布置的相位相同。

内定子绕组4与外定子绕组2对应的相绕组引出线可以采用串联连接，也可以采用并联连接。串联连接时，外定子绕组2的相绕组负极引出线与内定子绕组4对应相绕组的正极引出线连接；并联连接时，外定子绕组2的相绕组正极引出线与内定子绕组4对应相绕组的正极引出线并联连接，外定子绕组2的相绕组负极引出线与内定子绕组4对应相绕组的负极引出线并联连接。

外定子铁芯1和内定子铁芯5之间形成一圈均匀的空气间隙，简称气隙，如图1所示。在该气隙中布置空心杯式转子3，空心杯式转子3采用轻质高强度的铝合金加工成型。空心杯式转子3与外定子铁芯1、内定子铁芯5同轴；空心杯式转子3的外圆与外定子铁芯1的内圆之间存在均匀的间隙，称之为外间隙；空心杯式转子3的内圆与内定子铁芯1的外圆之间亦存在均匀的间隙，称之为内间隙；为了适应转子离心力和热膨胀变化，通常外间隙略大于内间隙。空心杯式转子3沿轴向伸出外定子铁芯1和内定子铁芯5的两侧端面，以减小转子横向端部效应对电磁性能的影响，如图2所示。

空心杯式转子3的一端与轮毂6的外圆紧固连接，轮毂6的内圆与转轴8紧固连接，紧固连接的方式可以综合采用过盈配合、螺栓预紧和销键止动等多种形式，上述三者通过彼此之间的紧固连接形成一个同步转动的整体，以可靠、稳定地传递旋转力矩。

转轴8采用轴承7支撑，在其支撑下能够高速、低磨损地转动，进而通过联轴器等连接部件与外部的负荷或原动机连接。当作为电动机运行时，向外部负荷提供电磁功率、输出与转动方向相同的电磁转矩，当作为发电机运行时，吸收外部原动机的机械功率，产生与转动方向相反的电磁转矩。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种双定子杯式转子电机，包括外定子、内定子和空心杯式转子；外定子包括外定子铁芯和外定子绕组；内定子包括内定子铁芯；所述外定子铁芯、内定子铁芯和空心杯式转子三者同轴套接设置；空心杯式转子设置于外定子和内定子铁芯之间的间隙中；

还包括内定子绕组，所述内定子绕组设置于内定子铁芯的定子槽内；其特征在于：内定子绕组采用与外定子绕组相同的绕组结构；内定子绕组与外定子绕组在空间布置的相位相同；

空心杯式转子采用铝合金、铜合金或钛合金导电金属加工成型，无齿槽或鼠笼绕组结构；外定子与内定子之间形成一圈均匀的空气间隙，外定子的旋转磁场与内定子的旋转磁场同步且同相，穿透空气间隙和杯式转子相互耦合，产生电磁转矩；空心杯式转子沿轴向伸出外定子铁芯和内定子铁芯的两侧端面；

外定子铁芯内壁沿圆周设置有均匀的外定子槽；外定子绕组为两相、三相或多套多相绕组，均匀嵌设于外定子槽内；内定子铁芯外壁沿圆周设置有均匀的内定子槽；内定子绕组为两相、三相或多套多相绕组，均匀嵌设于内定子槽内；

空心杯式转子的外壁与外定子铁芯的内壁之间存在均匀的间隙，称之为外间隙；空心杯式转子的内壁与内定子铁芯的外壁之间存在均匀的间隙，称之为内间隙；外间隙大于内间隙；

内定子绕组与外定子绕组对应的相绕组引出线采用并联连接；外定子绕组的相绕组正极引出线与内定子绕组对应相绕组的正极引出线并联连接，外定子绕组的相绕组负极引出线与内定子绕组对应相绕组的负极引出线并联连接。

2.根据权利要求1所述的一种双定子杯式转子电机，其特征在于：还包括轮毂；空心杯式转子的一端与轮毂的外壁紧固连接；轮毂的内壁与电机转轴紧固连接。

3.根据权利要求2所述的一种双定子杯式转子电机，其特征在于：还包括转轴，转轴与所述空心杯式转子、轮毂构成同步转动的整体，转轴采用轴承支撑。

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