CN103178668B - 径向磁场双定子游标电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种径向磁场双定子游标电机，包括：转子（2），其呈圆环形，环体周向上均匀间隔布置有多个永磁体；定子（1,4），其呈圆筒形，筒体周壁上均匀开有多个凹槽，各凹槽用于容纳绕组，各凹槽之间的凸起部分形成定子齿；其特征在于，所述定子（1,4）为直径不同的两个，两者呈同轴内外套接布置，两定子上的凹槽槽数相同，所述转子（2）同轴套装在该两定子（1,4）之间，且其中内定子（4）的定子齿与外定子（1）的定子齿在周向上相距半个槽距角。本发明的电机与传统游标电机的转矩密度相近的情况下，功率因数显著提高，可以达到0.8以上。

Description

径向磁场双定子游标电机

技术领域

本发明属于电机领域，具体涉及一种游标电机，适用于如风力发电、舰船驱动等。

背景技术

风能作为可再生能源中很重要的一部分，受到了包括中国在内的世界各国的高度重视。在过去几年里，风力发电的装机容量连续多年大比例增长，尤其在中国，风力发电已成为一个重要的可再生能源行业。其中，风力发电机作为风力发电系统中最关键的部件之一，其设计技术、生产工艺已成为世界各国竞争的技术制高点，尤其是直驱式风力发电机，其转速低，体积大，重量沉，高功率密度的风力发电机可以大幅度降低风力发电机的重量和成本，具有极大的社会经济效益。

游标电机（VernierMachine）近年受到越来越多业界的重视，这种电机的拓扑具有超高的功率密度且机械结构简单的优点，有望得到大规模工程应用。由于在转速恒定的情况下，电机的转矩与其空载反电势大小有关，对于传统的电机，定子和转子的极对数是相同的，所以增大极数会同比例的减小定子磁链，因而不能通过增大极数来提高空载反电势。

如图1所示，现有的游标电机和普通的永磁电机的结构类似，由转子和定子组成，游标电机最主要的特点在于其定转子的极对数不同，且通常转子的极对数是定子极对数的几倍，转速恒定情况下，转子极对数多可以提高定子磁链的交变频率，同时定子的极对数少使得定子磁链不会因转子极数增加而同比例减少，解决了传统电机增大极对数会同比例减少定子磁链的矛盾，从而可以增加磁链交变频率与定子磁链乘积，进而增大空载反电势，增加转矩和功率密度。

现有的游标电机的主要缺点是其功率因数低，导致给定输出功率的情况下，需增大驱动变流器容量，从而带来增加成本，降低系统运行可靠性等问题。游标永磁电机功率因数低的原因与主磁链和电机电感与相电流的乘积之比有关。与传统电机相比，游标电机转子极数很多，与齿数接近，由图1可以看出，大量磁通从磁极穿过气隙直接通过定子齿部，然后返回另一磁极，而没有通过定子绕组，这就造成永磁体漏磁通大大增加，同时，当相邻永磁体一个面对定子齿部，一个将面对定子槽，相邻永磁体构成的磁路磁阻大，导致主磁通很低，所以现有的游标电机功率因数很低。实际上，在采用和传统永磁电机相近的电负荷的情况下，现有技术的游标电机功率因数可以低至0.2～0.3，而传统永磁电机的功率因数可达0.90以上。

发明内容

本发明旨在提出一种径向磁场双定子游标电机，通过转子和两定子的套装布置方式并设置定子齿与转子极靴的相对位置关系，从而提高游标电机的功率因数和功率密度，解决现有游标电机低功率因数低导致的运行可靠性低问题。

本发明的一种径向磁场双定子游标电机，包括：

转子，其呈圆环形，环体周向上间隔布置有多个永磁体；

定子，其呈圆筒形，筒体周壁上开有多个凹槽，各凹槽用于容纳绕组，各凹槽之间的凸起部分形成定子齿；

其特征在于，所述定子为直径不同的两个，两者呈同轴内外套接布置，两定子上的凹槽槽数相同，所述转子同轴套装在该两定子之间，且其中内定子的定子齿与外定子的定子齿在周向上相距半个槽距角。

作为本发明的改进，所述内定子的定子齿与外定子的凹槽正对布置。

作为本发明的改进，所述内定子的凹槽开设在筒体外周壁上。

作为本发明的改进，所述外定子的凹槽开设在筒体内周壁上。

作为本发明的改进，所述各永磁体通过极靴间隔，各极靴通过硅钢桥或非导磁材料连接。

作为本发明的改进，所述极靴上设置有螺栓孔，转子通过上述螺栓孔与转矩管连接。

作为本发明的改进，所述转子一体成型，所述永磁体容置在转子上周向设置的凹槽内。

作为本发明的改进，所述外定子固定在机壳上，所述内定子通过静止轴或机座臂固定。

作为本发明的改进，所述转轴通过轴向螺钉与设置在转轴上的转矩管固定连接。

作为本发明的改进，所述转矩管为一端固定在转轴上的悬臂式结构或为一端固定在转轴上另一端通过轴承可相对转动地固定支撑在

静止轴上的结构。

本发明采用径向磁场双定子结构，其中转子和两定子套装布置，且通过设置定子齿与转子极靴的相对位置关系，获得紧凑的电机结构，在与传统游标电机的转矩密度相近的情况下，功率因数显著提高，可以达到0.8以上。

附图说明

图1为现有技术中的一种游标电机结构示意图；

图2中，（a）为本发明实施例的径向磁场双定子游标永磁电机的三维结构示意图；（b）为本发明实施例的径向磁场双定子游标永磁电机的剖面结构示意图；

图3（a）-（d）为本发明实施例的径向磁场双定子游标永磁电机的四种不同的转子结构（1/4模型）示意图；

图4（a）-（d）为本发明实施例的四种不同转子结构的径向磁场双定子游标永磁电机结构示意图。

图5为本发明实施例的游标电机在直驱式风力发电系统中的应用示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和效果更加清晰明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，以下实施例仅是用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。

如图2所示，本实施例的游标电机包括两个定子和一个转子，两个定子分别为内定子4和外定子1，转子2在外定子1和内定子4中间，三者为同心。

本实施例的电机拓扑含有双气隙；两定子绕组3采用单相或多相绕组（图2只画出了绕组的有效部分，端部没有画出）。

转子2永磁体优选采用内置式、切向充磁，永磁体磁场方向如图2（b）箭头所示，内外两定子具有相同的定子极数和槽数，可有多种定转子极数和定子槽数的组合，本实施例的图2中的游标电机优选有44个转子极、4个定子极和24个槽。

本实施例游标电机相邻磁极磁路具体为：首先从内定子4轭部穿过内定子4的齿部，再穿过内定子4与转子2之间的气隙，然后穿过极靴和外定子1与转子2之间的气隙，以及外定子1齿部到外定子1的轭部。

本实施例的游标电机采用双边定子，内定子齿与外定子齿相差半个槽距角，即内定子齿与外定子槽相对，又由于转子极数与定子齿数相近，所以，电机静止时，内定子齿与外定子齿分别与相邻的极靴相对。如图2（b）所示，相比于传统的游标电机，双定子结构利用内定子和外定子结构位置上错位半个槽距，使得内定子齿部和外定子齿部配合构成主磁链，且磁路磁阻小，增强主磁场，解决了传统游标电机相邻磁极由定子齿和槽构成磁路磁阻大，且为漏磁的问题，大大减少了漏磁通，此外还利用磁体放置方式实现聚磁效应，大大提高了主磁通，提高了永磁体利用率，使得游标电机的永磁体磁场增强，增大其转矩输出能力，同时大大提高了其功率因数。

本发明采用双定子结构，其机械结构较为复杂，机械结构设计不仅影响到本发明运行可靠性等问题，还会影响到本发明的电磁性能。

本发明转子磁体采用周向充磁，图3给出了四种不同的转子机械结构，图3（a）所示的转子各个极靴通过较窄的硅钢桥连接，极靴上有螺栓孔，螺栓孔的数目不定；转子通过这些轴向螺栓与转矩管连接，这种结构由于其硅钢桥较窄，构成的漏磁路磁阻大，这样可以减小永磁体漏磁通。

图3（b）与（a）相比，没有轴向螺栓孔，其他部分结构相同；采用这种结构由于没有螺栓孔，主磁路不会受到螺栓孔的影响，但转子机械稳定性不如（a）。

图3（c）所示结构中，各个极靴可以采用非导磁材料如环氧树脂等连接，采用这种结构有没有硅钢桥，其永磁体漏磁小，增加永磁体利用率，提高转矩输出能力；

图3（d）转子是一体的，永磁体被放置在转子上所开的槽里，该结构机械稳定性好，但漏磁较大。

上述几种转子结构只是示意结构，本发明并不限于这些结构，其他类似的结构变换都在本发明的保护范围。

双定子游标永磁电机含有双定子和一个转子，机械结构较为复杂。图4给出了四种机械结构示意，本发明不限于这几种机械结构，其他类似结构也在本发明的保护范围。图4（a）为悬臂梁结构，转子2与转矩管通过轴向螺钉相连接，转矩管为悬臂梁形式，其固定设置在转轴6上，外定子1固定设置在机壳7上，内定子4通过支撑架固定设置在静止轴5上。图4（b）中转子2轴向两侧都有支撑，即转子2通过转矩管利用轴向螺钉连接后通过轴向两端的支撑架固定，外定子1固定设置在机壳7上，内定子4通过支撑架固定设置在静止轴5上。图4（c）中，内定子4放置在机座臂8上，该机座臂8上固定设置在机壳7上，此时无需静止轴，转子结构与图4（a）类似。图4（d）中的定子结构与图4（a）相同，转子2的有效部分通过两个轴承的压力来与转矩管相连，此结构转子极靴上无需再打螺栓孔。

作为一种机电能量转换装置，电机转矩的产生可以归结于定子旋转磁场与转子磁场相互作用带动转子旋转（电动机），为了产生恒定转矩，两个旋转磁场极数必须一样。游标电机只需满足定转子极对数之和等于槽数即可实现其功能。具体来说，转子永磁体产生的磁场与定子齿槽相互作用，产生很多磁场谐波，当满足定转子极对数之和等于定子槽数这一条件时，转子永磁体产生的气隙磁场中，与定子极数相同的谐波磁场含量很大，此时该谐波磁场与定子产生的磁场相互作用产生恒定转矩，从而实现动力产生。

本发明的径向游标电机可以应用于直驱风力发电系统中，如图5所示为一种基于径向磁场双定子游标电机的直驱风力发电系统，其由风叶，径向磁场双定子游标发电机，整流器，直流母线，逆变器组成。当然，径向磁场双定子游标发电机在风电领域应用不仅限于上述系统，也可配合不同的风电系统。本发明的游标电机还可以用于舰船的电力推进领域等其他动力系统领域。

Claims (3)

1.一种径向磁场双定子游标电机，包括：

转子(2)，其呈圆环形，环体周向上间隔布置有多个永磁体；

定子(1,4)，其呈圆筒形，筒体周壁上均匀开有多个凹槽，各凹槽用于容纳绕组，筒体周壁上的各凹槽之间的凸起部分形成定子齿；

其特征在于，所述定子(1,4)为直径不同的两个，两者呈同轴内外套接布置，两定子(1,4)上的凹槽槽数相同且极数相同，所述转子(2)同轴套装在所述两定子(1,4)之间，其中内定子(4)的定子齿与外定子(1)的凹槽正对布置，内定子(4)的定子齿与外定子(1)的定子齿在周向上相距半个槽距角，使得内定子齿部和外定子齿部配合构成主磁链；其中，所述内定子(4)的凹槽开设在筒体外周壁上，所述外定子(1)的凹槽开设在筒体内周壁上，所述各永磁体通过极靴间隔，各极靴通过硅钢桥或非导磁材料连接，且所述极靴上设置有螺栓孔，所述转子(2)通过上述螺栓孔与转矩管连接；

所述外定子(1)固定在机壳上，所述内定子(4)通过静止轴(5)或机座臂(8)固定，所述转子(2)通过轴向螺钉与设置在电机转轴(6)上的转矩管固定连接，所述转矩管为一端固定在电机转轴(6)上的悬臂式结构，或为一端固定在电机转轴(6)上另一端通过轴承可相对转动地固定支撑在静止轴(5)上的门形结构。

2.根据权利要求1所述的一种径向磁场双定子游标电机，其中，所述转子(2)一体成型，所述各永磁体容置在转子(2)上周向均匀间隔设置的凹槽内。

3.权利要求1或2所述的径向磁场双定子游标电机在风力发电系统或舰船动力系统中的应用。