CN103812294B - 一种五相双凸极电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种五相双凸极电机，包括转子铁心、轴、定子铁心、励磁线圈、电枢线圈和电机壳，定子铁心和转子铁心采用凸极式结构，定子铁心的定子极数为10i、极弧系数为0.333，转子铁心的转子极数为12i、极弧系数为0.4或0.5，i为2或3的整数倍自然数，电枢线圈采用集中式绕制方式绕制于定子铁心的定子极上，同相位的电枢线圈串联后组成一相电枢绕组，各相电枢绕组的相位相差72°电角度，励磁线圈均匀绕制在定子铁心的定子极上，绕制方向与所匝链的电枢线圈磁场一致，相邻励磁线圈产生的磁场方向相反。本发明具有五相绕组，容错性能好；各相电动势幅值相等，能实现均流输出；电机转子极数多，尤其适合用作对可靠性要求较高的发电机。
Description
技术领域
本发明涉及特种电机本体设计技术领域，尤其涉及一种五相双凸极电机。
背景技术
电机是一种机电能量转换的关键部件，随着航空、汽车、风力发电等行业发展，系统对电机的可靠性要求越来越高。
双凸极电机是一种由电力电子功率变换器、永磁或电磁励磁单元、控制器和凸极定转子结构的电机本体组成的新式电机。作为一种新型的变磁阻电机，其磁阻最大值和最小值比值大，有较好的机电能量转换特性。双凸极电机分为电励磁双凸极电机、永磁双凸极电机和混合励磁双凸极电机。其中电励磁双凸极电机转子无绕组，可靠性高；可以调节励磁电流的大小，电压调节性能好，因此在风力发电、航空和汽车等行业具有较好的应用前景。传统的双凸极电机的单元电机采用内转子的6N/4N极结构，定子极数为6N，转子极数为4N，N为自然数，表示单元电机数。具有五相冗余绕组的的双凸极电机通过采用多相绕组，在出现单相或多相故障后仍可以实现一定的输出，具有较高的容错能力，是提高电机可靠性的有效方法。
目前已有的技术中，研究最多的为三相6N/4N结构的双凸极电机。也有一些其他新式的双凸极电机研究，例如申请号为200810024684的中国发明专利：五相10k/8Nk结构双凸极容错发电机，定子极数为10k，转子极数为8Nk，其中N为除5和5的倍数以外的自然数，定子极距为定子极弧长的2N倍，转子极的弧长等于或大于定子极的弧长。
《中国电机工程学报》2013年第24期发表的论文“五相容错电励磁双凸极电机容错特性分析”，该论文指出了五相电励磁双凸极发电机具有较好的容错特性，适合用于对可靠性要求较高的风力发电机。该论文的研究对象为10/8极五相容错电励磁双凸极电机，该电机每个励磁绕组跨5个定子极绕制，造成各相磁路磁阻大小不相等，因此各相的电动势大小也不一致，论文中仿真和实验的各相电动势显示了这一特点。另外，由于电励磁双凸极电机的励磁绕组和电枢绕组都位于定子上，因此绕组占用的定子槽面积较大，这限制了绕组线径，增加了铜线的电流密度，导致绕组铜损较大。减小定子的极弧系数可以增大定子槽面积，这样就可以降低漆包线的电流密度。由于定转子的极弧系数决定了双凸极电机的电感特性曲线，极弧系数又受到极数的约束，不能随意选定。如果极弧系数设计不当将会引起电机产生定位转矩和励磁反电势。因此，需要在深入研究双凸极电机极数、极弧系数等参数对电机特性影响规律的基础上提出一种新型的低极弧系数电机。
目前国内外尚未检索到本发明所涉及的10i/12i极五相双凸极电机。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供一种各相电感幅值大小相等、定子槽空间大、电机铜耗低、容错性能好、可靠性高的10i/12i极五相双凸极电机。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种五相双凸极电机，包括转子铁心、轴、定子铁心、励磁线圈、电枢线圈和电机壳，所述电机壳上设有轴承，所述轴通过所述轴承固定在电机壳上，所述转子铁心固定在所述轴上；
所述定子铁心的定子极数为10i，转子铁心的转子极数为12i，i为2或3的整数倍自然数，所述定子铁心和转子铁心均采用凸极式结构；
当10i能被8整除时，定子铁心上每跨4个定子极绕制一个励磁线圈，当10i能被6整除时，定子铁心上每跨3个定子极绕制一个励磁线圈，当10i能被4整除但不能被8整除时，定子铁心上每跨2个定子极绕制一个励磁线圈，相邻励磁线圈产生的磁场方向相反；
所述电枢线圈采用集中式绕制方式绕制于定子铁心的定子极上，同相位的电枢线圈串联后组成一相电枢绕组，各相电枢绕组的相位相差72°电角度；
所述电枢绕组的绕制方向与所匝链的励磁绕组一致；
所述的定子铁心的极弧系数为0.333，所述转子铁心的极弧系数为0.4或0.5。
作为本发明一种五相双凸极电机进一步的优化方案，所述的励磁线圈由永磁体取代，每个永磁体产生的磁场方向与相应的励磁线圈产生的磁场方向相同。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.具有五相绕组，各相相位相差72°电角度，同一时刻有多相同时对外输出电流，具有较高的容错能力；
2.具有无刷化结构且能通过调节励磁电流实现输出电压的稳定；
3.与传统10/8极五相电励磁双凸极发电机相比，各相电感幅值大小相等，实现了各相的均流；
4.在相同的体积下，本发明所述发电机定子槽空间大，电枢绕组内阻小，电机铜耗低；
5.电机转子极数多，低速发电性能好，尤其适合用作对可靠性要求较高的低速直驱风力发电机。
附图说明
图1是本发明一种五相双凸极电机采用电励磁绕组且i=3时的横剖面图；
图2是本发明一种五相双凸极电机采用电励磁绕组且i=4时的横剖面图；
图3是本发明一种五相双凸极电机转子极弧系数为0.4时的五相电动势波形图；
图4 是本发明一种五相双凸极电机转子极弧系数为0.4时的五相磁链图；
图5是本发明一种五相双凸极电机作为发电机运行时电枢绕组、整流器与负载连接图；
图6是本发明一种五相双凸极电机作为电动机运行时电枢绕组与逆变器连接图。
图中，1、转子铁心；2、轴；3、定子铁心；4、励磁绕组；5、A相电枢绕组；6、B相电枢绕组；7、C相电枢绕组；8、D相电枢绕组；9、E相电枢绕组。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明公开了一种五相双凸极电机，包括转子铁心、轴、定子铁心、励磁线圈、电枢线圈和电机壳，所述电机壳上设有轴承，所述轴通过所述轴承固定在电机壳上，所述转子铁心固定在所述轴上；
所述定子铁心的定子极数为10i，转子铁心的转子极数为12i，i为2或3的整数倍自然数，所述定子铁心和转子铁心均采用凸极式结构；
当10i能被8整除时，定子铁心上每跨4个定子极绕制一个励磁线圈，当10i能被6整除时，定子铁心上每跨3个定子极绕制一个励磁线圈，当10i能被4整除但不能被8整除时，定子铁心上每跨2个定子极绕制一个励磁线圈，相邻励磁线圈产生的磁场方向相反；
所述电枢线圈采用集中式绕制方式绕制于定子铁心的定子极上，同相位的电枢线圈串联后组成一相电枢绕组，各相电枢绕组的相位相差72°电角度；
所述电枢绕组的绕制方向与所匝链的励磁绕组一致；
所述的定子铁心的极弧系数为0.333，所述转子铁心的极弧系数为0.4或0.5。
优选i为3的整数倍。
如图1所示，i=3时，所述电机的定子铁心和转子铁心采用凸极式结构且定子极数为10i=30，转子极数为12i=36，定子极弧系数为0.333，转子极弧系数为0.4；所述电机的励磁线圈和电枢线圈都位于定子上，由于30能被6整除，因此每个励磁线圈跨3个定子极绕制，相邻励磁线圈的绕制方向相反，励磁线圈串联或并联后组成励磁绕组，定子极上绕制的电枢线圈采用集中式绕制方式,绕制方向和所匝链的励磁线圈一致，同相位的电枢线圈A1、A2、A3、A4、A5和A6串联后组成A相电枢绕组，同相位的电枢线圈B1、B2、B3、B4、B5和B6串联后组成B相电枢绕组，同相位的电枢线圈C1、C2、C3、C4、C5和C6串联后组成C相电枢绕组，同相位的电枢线圈D1、D2、D3、D4、D5和D6串联后组成D相电枢绕组，同相位的电枢线圈E1、E2、E3、E4、E5和E6串联后组成E相电枢绕组，各相相位相差72°电角度。
电励磁双凸极电机将励磁绕组绕制在定子铁心上，实现了励磁的无刷化。在电机励磁绕组上通有电流，此时在电机内部会建立起磁场，产生的磁通将经过各相的定子轭部、定子齿部、空气隙、转子齿部、转子轭部形成闭合回路。
电机转子在外力的作用下按一定方向旋转，五相电枢绕组匝链的磁链随着转子位置改变而变化，从而产生五相交变的感应电势。当其作为直流发电机时，用外接的五相全桥变换器整流输出直流电能供给各种电气负载或向蓄电池充电。
由于所述电机作为发电机运行时具有五相绕组，同一时刻有多相同时对外输出电流，当其中一相出现开路故障或由短路熔断器引起的开路故障时，其余各相仍然具备一定的电压输出能力，因此具有较高的容错性能。与传统10/8极五相电励磁双凸极发电机不同，本风力发电机每个励磁线圈绕不是绕5个定子极绕制，因此每个电枢线圈相对于励磁线圈的位置不同，各个电枢线圈串联后实现了各相电感幅值的相等，从而使各相电流更为均衡。
如果给所述电机安装上位置传感器，并根据各相反电势的方向给各相绕组通以不同的电流，则电机也可以以电动机方式运行，其控制原理和传统双凸极电机类似。
图2是本发明10i/12i极五相双凸极电机采用电励磁绕组且i=4时的横剖面图。电机的定子和转子采用凸极式结构且定子极数为10i=40，转子极数为12i=48。由于40能被8整除，因此每个励磁线圈跨4个定子极绕制，定子极弧系数为0.333，转子极弧系数为0.4。同理，也可以推出i=2的实施例的定转子极数为20/16，每个励磁线圈跨2个定子极绕制，但这种发电机励磁绕组消耗的铜材多，因此使用价值不如励磁绕组跨3个或4个定子极绕制的实施例。
图3是本发明10i/12i极五相双凸极电机转子极弧系数为0.4时的五相电动势波形图。可以看出各相相位相差72°电角度，且各相电动势幅值大小一致。
图4 是本发明10i/12i极五相双凸极电机转子极弧系数为0.4时的五相磁链图。可以看出各相磁链之间相差72°电角度，且变化趋势和幅值大小一致。
图5是本发明10i/12i极五相双凸极电机作为发电机运行时电枢绕组、整流器与负载连接图。五相绕组采用星形接法，经过五相全桥整流桥整流后对外输出直流电。为了提高故障隔离能力，也可以采用五个H桥整流器对五相电流整流后再并联对外输出。
图6是本发明10i/12i极五相双凸极电机作为电动机运行时电枢绕组与逆变器连接图。为了提高故障隔离能力，采用五个H桥逆变器分别对五相绕组通电，使电机对外输出转矩。
所述的励磁线圈可以由永磁体取代，每个永磁体产生的磁场方向应该与相应的励磁线圈产生的磁场方向相同。
需要指出的是，以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化和替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种五相双凸极电机，包括转子铁心、轴、定子铁心、励磁线圈、电枢线圈和电机壳，所述电机壳上设有轴承，所述轴通过所述轴承固定在电机壳上，所述转子铁心固定在所述轴上，其特征在于：
所述定子铁心的定子极数为10i，转子铁心的转子极数为12i，i为2或3的整数倍自然数，所述定子铁心和转子铁心均采用凸极式结构；
定子铁心上励磁线圈的绕制方式如下：
首先，当10i能被8整除时，定子铁心上每跨4个定子极绕制一个励磁线圈；
其次，当10i能被6整除时，定子铁心上每跨3个定子极绕制一个励磁线圈；
最后，当10i能被4整除但不能被8整除时，定子铁心上每跨2个定子极绕制一个励磁线圈；
定子铁心上相邻励磁线圈产生的磁场方向相反；
所述电枢线圈采用集中式绕制方式绕制于定子铁心的定子极上，同相位的电枢线圈串联后组成一相电枢绕组，各相电枢绕组的相位相差72°电角度；
所述电枢绕组的绕制方向与所匝链的励磁绕组一致；
所述的定子铁心的极弧系数为0.333，所述转子铁心的极弧系数为0.4或0.5。
2.根据权利要求1所述的一种五相双凸极电机，其特征在于，所述的励磁线圈由永磁体取代，每个永磁体产生的磁场方向与相应的励磁线圈产生的磁场方向相同。
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