CN203135669U - 一种笼障组合外转子定子电励磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种笼障拼装外转子定子电励磁同步电机。其特征在于：外转子位于定子外侧，定子外表面槽内安放一套三相电枢绕组和一套单相励磁绕组，外转子由相同的笼障外转子模块通过定位槽与非导磁材料制成的套筒相连，沿圆周方向拼装成一个具有内凸极型的外转子；笼障外转子模块内表面开有径向梯形槽，沿径向具有数个不等的阶梯槽宽，槽内放入短路笼条；相邻转子模块拼接后在其相接处形成公共梯形槽，且槽底部的间隙深度达到套筒内表面，沿径向具有数个不等的阶梯槽宽，槽内放入公共笼条；其目的在于提出了一种既便于加工制造，又可实现定子侧励磁，从而具有高功率密度和优良稳态与动态性能的笼障拼装外转子定子电励磁同步电机。

Description

一种笼障组合外转子定子电励磁同步电机

技术领域：

本实用新型涉及一种交流电机，特别是一种笼障组合外转子定子电励磁同步电机及其控制方法。该电机既可作电动机运行，又可作发电机运行。

背景技术：

笼障组合外转子定子电励磁同步电机的定子上包括2p极的三相对称电枢绕组和2q极的单相对称励磁绕组（或者2q极的三相对称电枢绕组和2p极的单相对称励磁绕组），且满足2p-2q≥4，两套绕组之间的耦合是由p_r=p+q对极特殊设计的转子来实现的，因此该种电机无需安装电刷滑环，即可通过励磁绕组磁场与电枢绕组磁场的相互作用实现机电能量转换，与常规同步电机相比电机运行可靠性高、维护成本低。可用于该种电机的转子结构主要包括绕线式和磁阻式两大类。其中绕线式包括单层同心式短路绕组，齿谐波双层分布绕组；磁阻类包括具有齿槽的径向叠片凸极磁阻转子、轴向叠片磁阻转子。

绕线类转子结构的优点是制造工艺与常规电机类似，缺点是对定子两套绕组的耦合完全是以牺牲转子绕组铜耗为代价的，而且对定子两套绕组耦合能力欠佳，电机的动态性能也较差，而齿谐波双层分布绕组的工艺性欠佳。磁阻类转子的优点是转子上没有任何铜损耗，对定子两套绕组耦合能力和加工复杂程度各异。具有齿槽的径向叠片凸极磁阻转子易于加工，但对定子两套绕组的耦合效果欠佳；轴向叠片磁阻转子的耦合能力强，但制造工艺复杂，在大型定子双绕组交流电机中应用困难。

发明内容

发明目的：本实用新型提供一种笼障组合外转子定子电励磁同步电机及其控制方法，其目的在于提出了一种既便于加工制造，又可使得对定子两套绕组耦合能力实现最大化，从而具有高功率密度和优良稳态与动态性能的新型笼障组合外转子定子电励磁同步电机结构。

技术方案：本实用新型采用以下技术方案：

笼障组合外转子定子电励磁同步电机，主要包括定子、外转子、可控直流电源、轴承和端盖，其特征在于：在定子上安放2p极的三相对称电枢绕组和2q极的单相对称励磁绕组，电枢绕组的极数和励磁绕组的极数亦可互换，且均满足2p-2q≥4，外转子由p_r=p+q个相同的笼障外转子模块沿圆周方向拼成一个具有p_r个内凸极型的外转子，每个笼障外转子模块外侧通过定位槽与非导磁材料制成的套筒相连，套筒通过定位销与支撑轴同轴连接，外转子轴向两侧与端盖相连接，端盖通过轴承与支撑轴相连；每个笼障外转子模块内表面开有多个径向梯形槽，径向梯形槽间距可以相等也可以不等，每个梯形槽沿径向具有数个不等的阶梯槽宽，每个梯形槽内放入若干根导体组成短路笼条；相邻笼障外转子模块相接处为阶梯型豁口，相邻笼障外转子模块拼接后在其相接处形成p_r个公共梯形槽，且公共梯形槽底部的间隙深度一直达到套筒内表面，每个公共梯形槽沿径向具有数个不等的阶梯槽宽，每个公共梯形槽内放入若干根导体组成公共笼条；公共笼条和短路笼条端部分别采用端部导电环连接形成导电回路；笼障外转子模块中心处开有多组切向隔磁层，分别于各自两侧嵌放短路笼条的梯形槽组合形成多组径向叠片磁障，在笼障转子模块内形成多个导磁层。

电枢绕组与电网相连，励磁绕组与可控直流电源的一端相连。

笼障外转子两端装有压板，压板与外转子间加绝缘层隔离，压板上钻有与笼障外转子定位孔位置相同定位孔，压紧螺杆与转子模块间加绝缘隔离，沿轴向穿过全部定位孔，在压板两端利用螺母压紧固定。

放置公共笼条和短路笼条的梯形槽的槽口处开有内豁口并嵌放槽楔；公共笼条端部链接形式可以为：端部导电环将公共梯形槽内同层的公共笼条两侧端部全部连在一起；也可以将公共梯形槽内单层公共笼条分成两部分，两部分公共笼条分别与相邻公共梯形槽内同层的公共笼条通过端部导电环相连；也可以外内层公共笼条与单侧相邻倒梯形槽内的外层公共笼条通过端部导电环相连；也可以在相邻两个公共梯形槽内放置多匝线圈导体；短路笼条端部链接形式可以为：以笼障外转子模块径向对称线为中心，将两侧相对应的同层短路笼条端部通过导体相连，形成多组独立的同心式环形导电回路；也可以将内层短路笼条与相对应梯形槽的外层短路笼条通过导体相连，形成多组独立的交叉型同心式环形回路；也可以在相对应的两个同层梯形槽内放置多匝线圈导体，同一转子模块上的多组线圈导体匝数可以相同也可不同。

整个转子安装绕组后余下的公共梯形槽缝隙和模块内磁障缝隙内可浇注耐高温非导磁材料或者不浇筑。

套筒开槽形式可以为矩形槽或燕尾槽。

隔磁层的形状可以为弧形磁障式外转子或U形磁障式外转子。

优点效果：本实用新型提供一种新型笼障组合外转子定子电励磁同步电机，该种交流电机具有定子两套绕组的耦合能力强、功率密度和机电能量转换效率高、结构模块化、工艺简单、便于制成大型交流电机等显著优点。

本实用新型的有益效果是：该电机的外转子采用径向叠片磁障和短路笼条复合式结构，在进一步改善转子磁耦合能力的同时，可有效降低气隙磁场谐波和损耗，提高电机的功率密度和运行性能；转子叠片沿径向叠压，可以减少转子铁芯中的涡流损耗，提高电机效率；凸极中心线处放置导电笼条，采用分层设计，可有效克服感应电流的集肤效应；励磁绕组安放在定子侧实现无刷励磁，与常规同步电机相比，无需安装同轴励磁系统或电刷滑环装置，电机可靠性提高；沿转子一周由p_r个完全相同的叠片组构成，这样的对称结构可实现仅加工一种叠片就可以组装成整个转子，因而大大减少了工艺成本，便于批量生产。该种新型复合转子具有结构新颖、工艺简单、成本低廉、机械强度高、运行可靠、结构模块化、便于产业化等方面的显著优势。

附图说明

图1为本实用新型笼障组合外转子定子电励磁同步电机系统结构示意图；

图2为本实用新型电机结构示意图；

图3为本实用新型电机定子结构示意图；

图4为本实用新型电机的一种外转子结构示意图；

图5为本实用新型电机的一种外转子模块结构示意图；

图6为本实用新型电机外转子压板结构示意图；

图7为本实用新型电机第二种笼障外转子结构示意图；

图8为本实用新型电机第三种笼障外转子结构示意图；

图9为本实用新型电机公共笼条的一种端部连接方式示意图；

图10为本实用新型电机公共笼条的一种端部连接方式展开图；

图11为本实用新型电机公共笼条的第二种连接方式展开图；

图12为本实用新型电机公共笼条的第三种连接方式端部链接图；

图13为本实用新型电机短路笼条一种连接方式示意图；

图14为本实用新型电机短路笼条第二种连接方式端部链接图；

图15为本实用新型电机公共笼条和短路笼条安装示意图；

图16为本实用新型电机公共笼条和短路笼条的第二种连接方式展开图；

附图标记说明：

1.定子；2.外转子；3.可控直流电源；4.电网；5.电枢绕组；6.励磁绕组；7.支撑轴；8.轴承；9.端盖；10.隔磁层；11.导磁层；12.公共笼条；13短路笼条；14.定位孔；15.定位槽；16.套筒；17.模块间隙；18.槽楔；19.端部导电环。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行具体说明：

图1为本实用新型笼障组合外转子定子电励磁同步电机系统结构示意图，该系统主要包括定子1、外转子2、可控直流电源3，其中定子1上安放2p极的三相对称电枢绕组5和2q极的单相对称励磁绕组6，电枢绕组5的极数和励磁绕组6的极数亦可互换，但均满足2p-2q≥4，可实现定子两套不同极数的绕组电磁耦合最大化。电枢绕组5与电网4相连，励磁绕组6与可控直流电源3的一端相连。通过可控直流电源3对励磁绕组6提供可调幅值的电压，可以调节该电机电枢绕组5输出电压和功率因数（作为发电机），也可以调节电机输出外转子2输出的转矩（作为电动机）。

图2为本实用新型电机结构示意图，定子1通过定位销与支撑轴7同轴连接，外转子2轴向两侧与端盖9相连接，端盖9通过轴承8与支撑轴相连。

图3为本实用新型电机定子结构示意图，定子1外表面均匀开槽，槽内嵌放了两套极数分别为2p极和2q极的独立对称绕组，即电枢绕组5和励磁绕组6，每个槽内嵌放多层绕组，每层绕组间都有绝缘，两套绕组可以采用双层或单层绕组，节距可以是整距或者短距。

图4为本实用新型电机的一种外转子结构示意图，所述外转子采用p_r个相同的笼障外转子模块沿圆周方向拼成一个具有p_r个凸极型的外转子，每个笼障外转子模块外侧通过定位槽15与非导磁材料制成的套筒16相连。

图5为笼障外转子模块示意图，每个模块内表面开有多个径向梯形槽，每个梯形槽沿径向具有数个不等的阶梯槽宽，每个梯形槽内放入若干根导体组成短路笼条13，为了节省成本和简化工艺也可以只在部分梯形槽内放入导体；此外，相邻笼障外转子模块相接处为阶梯型豁口，两个相邻笼障外转子模块拼接后在其相接处形成一个公共梯形槽，且该槽外部的模块间隙17深度一直达到套筒16内表面，主要目的是隔离相邻模块磁通，使得各模块之间磁路相互独立无耦合，提高该电机两套绕组的耦合性能，整个外转子内表面共有p_r个这样的公共梯形槽，将p_r个笼障外转子模块沿圆周方向磁隔离，由于套筒16为非导磁材料，所以每个笼障外转子模块之间也是不导磁的，各模块在结构和磁路两方面都相互独立，每个公共梯形槽沿径向具有数个不等的阶梯槽宽，每个公共梯形槽内放入若干根导体组成公共笼条12。放置公共笼条12和短路笼条13的梯形槽的槽口处开有内豁口并嵌放槽楔18，用来固定槽内笼条。所有梯形槽内靠近气隙的小槽宽度大于或者等于靠近套筒16的小槽宽度，其目的是为了克服感应电流的集肤效应，小槽内的笼条层数可以为单层或者多层，根据阶梯槽内阶梯的数量选取层数，各层之间、笼条与转子之间均加有绝缘进行隔离，笼条通过端部连接在一起形成回路，本实用新型附图选取层数都为2，且内层槽宽大于外层槽宽。图4中笼障外转子模块中心处开有多组切向隔磁层10，分别与各自两侧嵌放短路绕组的倒梯形槽组合形成多组U型径向叠片磁障，在笼障外转子模块内形成多个导磁层11，其目的是增大交轴磁阻，减少直轴磁阻，便于磁通沿着有利于磁场调制的路径流通，另外，各笼障外转子模块之间磁路独立，在加入隔磁层10形成U型径向叠片磁障后，其磁场转换能力明显提高，而且隔磁层数越多，效果就越明显，但隔磁层太多时，其成本又会增大，因此隔磁层应选择为合适层数。此外，各导磁层11宽度可以相等或者不等，宽度不等时则嵌放短路绕组的梯形槽间距不等，可以改变气隙磁阻分布，削弱不利磁场谐波幅值，增强有用磁场谐波幅值，提高定子两套绕组的耦合能力，减少附加损耗，改善电机的性能，在对性能要求不高时也可采用宽度相同的导磁层11。每个笼障外转子模块的外侧隔磁层外部有多个定位孔14。

笼障外转子模块未安装绕组的倒梯形槽缝隙和隔磁层内可浇注环氧树脂或者由其它耐高温非导磁材料，其目是增强外转子强度并对绕组进行定位，也可不进行浇注利用缝隙通风散热，降低电机的温升，提高电机性能，且这样依然可使各模块间的磁路没有耦合。笼障外转子模块采用叠片轴向叠压而成，其目的可以减少外转子铁芯中的涡流损耗，提高电机效率。外转子采用模块化形式，使得仅加工一种外转子模块就可以组装成整个外转子，大大减少了工艺成本，生产电机外径较大的大功率电机，亦有益于该电机产业化。

图6为本实用新型电机外转子压板结构示意图，外转子压板位于笼障外转子轴向两端，与外转子外轮廓形状相同，压板与外转子间加绝缘层隔离，压板上钻有与笼障外转子定位孔14（见图4）位置相同定位孔14，压紧螺杆与转子模块间加绝缘隔离，压紧螺杆与转子模块间加绝缘隔离，沿轴向穿过全部定位孔14，在压板两端利用螺母压紧固定。压板内侧与外转子梯形槽相同位置和形状相同的梯形缝隙，公共笼条12和短路笼条13从该缝隙穿过，进行端部链接。

图7为本实用新型笼障组合外转子定子电励磁同步电机的第二种外转子结构示意图。该电机外转子根据隔磁层的形状可分为两类：弧形磁障式外转子结构（如图7所示）和U形磁障式外转子结构（如图4所示），不同形式的外转子隔磁层结构都可以起到限制磁通路径的作用，使得磁通沿着有利于磁场调制的路径流通。该电机外转子根据套筒开槽形式可分为两类：矩形槽（如图4所示）和燕尾槽（如图7所示）。

图8为本实用新型电机的第三种外转子结构示意图，没有安装公共笼条和短路笼条，此外也可采用只安装短路笼条形式和只安装公共笼条的形式。公共笼条和短路笼条都能起到磁场调制作用，由于公共笼条位于凸极中心处，所以其磁场调制效果比短路笼条明显，因此采用公共笼条和短路笼条的形式电机性能最佳，以后依次为只采用公共笼条的形式、只采用短路笼条的形式、不安装任何笼条的形式。

图9为本实用新型电机公共笼条的一种端部连接方式示意图，采用端部导电环19将公共梯形槽内同层的公共笼条12两侧端部连接在一起，形成p_r个网孔型导电回路，当外部磁通穿过导电回路的网孔中心时，会在其中感应出电动势，从而在回路中形成电流，该电流产生的磁场方向与外部磁通方向相反，从而影响流经转子的主磁通路径，使得主磁通从凸极处进入转子，起到了隔磁和改变磁通路径的作用，改善磁场调制效果，内层和外层的端部导电环19之间采用绝缘隔离，因此各层之间无电流流过，使得公共笼条12和端部导电环19的铜耗降低且磁场调制效果更佳。

图10为图9中公共笼条的端部连接方式展开图。

图11为本实用新型电机公共笼条的第二种连接方式展开图，将公共梯形槽内单层公共笼条12分成两部分，且相互绝缘隔离，两部分公共笼条分别与相邻公共梯形槽内的公共笼条通过端部导电环19相连，可将同一层公共笼条12连接成p_r个独立环形导电回路，其隔磁作用与图9相同，但内外两层也相互绝缘隔离，可以进一步减小公共笼条内电流，降低公共笼条12和端部导电环19的铜耗，提高磁场调制效果；也可以在相邻两个公共梯形槽内放置多匝线圈导体，其连接示意与图11相同，采用多匝绕组线圈，可以减小集肤效应，由于匝数较多其隔磁效果更加明显，使得电机磁场调制效果更好。

图12为本实用新型电机本实用新型电机公共笼条的第三种连接方式端部链接图，内层公共笼条12与单侧相邻倒梯形槽内的外层公共笼条12通过端部导体相连，形成p_r个独立环形导电回路，其连接方式展开图与图11相同，所达到的效果也相同。

图13为本实用新型电机短路笼条一种连接方式示意图，每个笼障转子模块中，以笼障转子模块径向对称线为中心，将两侧相对应的同层短路笼条端部通过导体相连，形成多组独立的同心式环形导电回路，同样具有与公共笼条相似的隔磁作用，可以进一步改善磁场调制效果，每个环形回路相互绝缘隔离，内层短路笼条和外层短路笼条形成的环形回路也相互绝缘隔离。也可以在相对应的两个同层梯形槽内放置多匝线圈导体，形成多组独立的同心式环形多匝导电回路，采用多匝绕组线圈，可以减小集肤效应，由于匝数较多其隔磁效果更加明显，磁场调制效果好，同一转子模块上所形成的多组独立的同心式环形导电回路匝数可以相等也可以不等，不等式可以削弱磁场中不利的谐波磁场，提高定子两套绕组的耦合能力，减少附加损耗，进一步改善电机的性能。

图14为本实用新型电机短路笼条第二种连接方式端部链接图，内层短路笼条与相应梯形槽的外层短路笼条通过导体相连，形成多组独立的交叉型同心式环形回路，所达到的效果与图13中所述连接方式相同。

图15为本实用新型电机公共笼条和短路笼条安装示意图，图中公共笼条采用图9中的连接方式，短路笼条采用图13的连接方式。不论采用何种形式，所有公共笼条与短路笼条之间都采用绝缘隔离。

图16为第二种公共笼条和短路笼条连接方式展开图，图中同一侧端部的公共笼条与短路笼条通过一个端部导电环连接在一起。这样在不影响效果的前提下，不仅减少了端部连接环的数量，简化了电机端部结构，降低了电机重量，而且由于所有笼条一侧连接在一起，各导电环路内感应电势减少，流过的电流也减少，电机铜耗降低，效率提高。

Claims (7)

1.笼障组合外转子定子电励磁同步电机，主要包括定子（1）、外转子（2）、可控直流电源（3）、轴承（8）和端盖（9），其特征在于：在定子（1）上安放2p极的三相对称电枢绕组（5）和2q极的单相对称励磁绕组（6），或者电枢绕组（5）的极数和励磁绕组（6）的极数互换，且均满足2p-2q≥4，外转子（2）由p_r=p+q个相同的笼障外转子模块沿圆周方向拼成一个具有p_r个内凸极型的外转子，每个笼障外转子模块外侧通过定位槽（15）与非导磁材料制成的套筒（16）相连，套筒（16）通过定位销与支撑轴（7）同轴连接，外转子（2）轴向两侧与端盖（9）相连接，端盖（9）通过轴承（8）与支撑轴相连；每个笼障外转子模块内表面开有多个径向梯形槽，径向梯形槽间距相等或者不等，每个梯形槽沿径向具有数个不等的阶梯槽宽，每个梯形槽内放入若干根导体组成短路笼条（13）；相邻笼障外转子模块相接处为阶梯型豁口，相邻笼障外转子模块拼接后在其相接处形成p_r个公共梯形槽，且公共梯形槽底部的间隙（17）深度一直达到套筒（16）内表面，每个公共梯形槽沿径向具有数个不等的阶梯槽宽，每个公共梯形槽内放入若干根导体组成公共笼条（12）；公共笼条（12）和短路笼条（13）端部分别采用端部导电环（19）连接形成导电回路；笼障外转子模块中心处开有多组切向隔磁层（10），分别于各自两侧嵌放短路笼条（13）的梯形槽组合形成多组径向叠片磁障，在笼障转子模块内形成多个导磁层（11）。

2.权利要求1所述笼障组合外转子定子电励磁同步电机，其特征在于：电枢绕组（5）与电网（4）相连，励磁绕组（6）与可控直流电源（3）相连。

3.权利要求1所述笼障组合外转子定子电励磁同步电机，其特征在于：放置公共笼条（12）和短路笼条（13）的梯形槽的槽口处开有内豁口并嵌放槽楔（18）；公共笼条（12）端部链接形式可以为：端部导电环（19）将公共梯形槽内同层的公共笼条（12）两侧端部全部连在一起；也可以将公共梯形槽内单层公共笼条（12）分成两部分，两部分公共笼条（12）分别与相邻公共梯形槽内同层的公共笼条（12）通过端部导电环（19）相连；也可以外内层公共笼条（12）与单侧相邻倒梯形槽内的外层公共笼条（12）通过端部导电环（19）相连；也可以在相邻两个公共梯形槽内放置多匝线圈导体；短路笼条（13）端部链接形式可以为：以笼障外转子模块径向对称线为中心，将两侧相对应的同层短路笼条（13）端部通过导体相连，形成多组独立的同心式环形导电回路；也可以将内层短路笼条与相对应梯形槽的外层短路笼条通过导体相连，形成多组独立的交叉型同心式环形回路；也可以在相对应的两个同层梯形槽内放置多匝线圈导体，同一转子模块上的多组线圈导体匝数可以相同也可不同。

4.权利要求1所述笼障组合外转子定子电励磁同步电机，其特征在于：笼障转子两端装有压板，压板与转子间加绝缘层隔离，压板上钻有与笼障转子定位孔（14）位置相同定位孔（14），压紧螺杆与转子模块间加绝缘隔离，沿轴向穿过全部定位孔（14），在压板两端利用螺母压紧固定。

5.权利要求1所述笼障组合外转子定子电励磁同步电机，其特征在于：整个转子安装绕组后余下的公共梯形槽缝隙和模块内磁障缝隙内可浇注耐高温非导磁材料或者不浇筑。

6.权利要求1所述笼障组合外转子定子电励磁同步电机，其特征在于：套筒（16）的开槽形式可以为矩形槽或燕尾槽。

7.权利要求1所述笼障组合外转子定子电励磁同步电机，其特征在于：隔磁层的形状可以为弧形磁障式外转子或U形磁障式外转子。

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