CN104113173A - 双定子单绕组游标永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双定子单绕组游标永磁电机，包括：转子，其呈圆环形，环体周向上间隔布置有多个永磁体，产生励磁磁场；定子，其为直径不同的两个，两定子均呈圆筒形并呈同轴内外套接布置，所述转子同轴套装在该两定子之间，所述外定子2筒体内周壁上和内定子筒体外周壁上均开有多个凹槽，各凹槽之间的凸起部分形成定子齿，两定子上的凹槽槽数相同，且其中内定子的定子齿与外定子2的定子齿在周向上相距半个槽距角；其特征在于，仅在所述内定子和外定子2两者中的其中一个定子的定子槽内设置定子绕组。本发明通过仅在其中一个定子的定子槽内设置绕组，从而解决现有双定子游标电机内定子冷却结构复杂、散热苦难及可靠性不高的问题。

Description

双定子单绕组游标永磁电机

技术领域

本发明属于游标电机领域，具体涉及一种双定子单绕组游标永磁电机。

背景技术

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，而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。

游标电机(Vernier Machine)近年受到业界越来越多的重视，该类电机的拓扑结构具有功率密度极高、机械结构简单的优点，有望得到大规模工程应用。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。在转速恒定情况下，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，该特点解决了传统电机增大极对数会同比例减少定子磁链的问题，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，驱动变流器所需容量增大，从而带来成本升高，系统运行可靠性降低等问题。游标永磁电机功率因数低的原因与(主磁链)/(电机电感与相电流的乘积)有关，且此比值越大电机的功率因数越低。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，而没有与定子绕组交链，故属于漏磁通，这一特点使永磁体漏磁通相比普通电机大大增加。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。

CN103178668A中公开了一种径向磁场双定子结构电机，如图2所示。该结构由两个定子和一个转子3’构成，转子3’在外定子2’和内定子5’中间，三者为同心轴，该拓扑含有双气隙。定子绕组采用单相或多相绕组，(图2只画出了绕组3’的有效部分，端部没有画出)；转子永磁体1’采用内置式、切向充磁，永磁体1’磁场方向如箭头所示，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。上述电机结构中，内定子齿与外定子2’齿在圆周方向相差半个槽距角，即内定子齿与外定子2’槽相对。又因为转子极对数与定子齿数相近，所以，内定子齿与外定子2’齿分别与相邻的极靴相对如图2所示，相邻永磁体1’同时‘面对’磁阻小的定子齿，相邻磁极产生的磁通将分别进入内外两个定子，大大减少了漏磁通，此外利用该磁体放置方式还能实现聚磁效应，大大提高了主磁通，从而提高了功率因数。

但是，这种双定子游标永磁电机内定子5’散热困难，尤其是水冷双定子游标永磁电机，其内定子5’冷却结构复杂。此外，内定子绕组6’端部较长使得转子支撑机械结构复杂，可靠性下降，实际工程中发现转子支撑结构的不可靠直接增加了装配难度，同时大大增加了整个电机的故障率。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双定子单绕组游标永磁电机，其通过仅在其中一个定子的定子槽内设置绕组，从而解决现有双定子游标电机内定子冷却结构复杂、散热苦难及可靠性不高的问题。

按照本发明的一个方面，提供一种双定子单绕组游标永磁电机，包括：

转子，其呈圆环形，环体周向上间隔布置有多个永磁体，产生励磁磁场；

定子，其为直径不同的两个，两定子均呈圆筒形并呈同轴内外套接布置，所述转子同轴套装在该两定子之间，所述外定子筒体内周壁上和内定子筒体外周壁上均开有多个凹槽，各凹槽之间的凸起部分形成定子齿，两定子上的凹槽槽数相同，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；

其特征在于，仅在所述内定子和外定子两者中的其中一个定子的定子槽内设置定子绕组。

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，所述电机不带绕组的定子槽内可以加入抗磁材料(如超导块材)，增强其磁场调制作用。

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，所述转子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。

按照本发明的另一方面，提供一种上述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。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明通过转子聚磁方式，提升永磁体励磁磁场，提高功率因数，进一步提高转矩密度，在克服了现有单定子单转子游标永磁电机功率因数低问题的同时，解决了现有双定子游标永磁电机结构复杂、内定子散热困难的问题，有巨大的实用潜力。采用径向磁场双定子单绕组结构以后，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，同时电机内定子不需要特殊冷却方式。

(2)本发明取消了其中一个定子绕组，只保留一个定子绕组，定子齿槽结构保留，其仅起到磁场调制作用。首先，可以使得冷却结构更为简单，同时也降低了嵌线难度。其次，本发明电机可直接采用传统电机的冷却结构，简单成熟，可以充分发挥电机的转矩输出能力，研究显示相同体积下，双定子单绕组游标永磁电机输出转矩可达到传统电机的三倍。同时因为没有定子绕组，简化了加工工艺，且因不需要考虑内定子绕组所占空间，所以很容易实现转子的双边支撑结构，大大增加结构的可靠性。

附图说明

图1为传统游标电机结构示意图。

图2为现有技术中的双定子游标电机结构示意图。

图3为按照本发明实施例的双定子单绕组游标永磁电机的结构示意图。

图4为按照本发明实施例中外定子绕组取消内定绕组保留的双定子单绕组游标永磁电机的结构示意图。

图5为按照本发明实施例的内定子加入超导块材5的双定子单绕组游标永磁电机的结构示意图。

图6为按照本发明实施例的双定子单绕组游标永磁电机的磁力线分布示意图。；

图7为按照本发明实施例的双定子单绕组游标永磁电机的立体结构示意图。

图8(a)-(d)为按照本发明实施例的多个双定子单绕组游标永磁电机机械结构示意图。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图3所示，本发明实施例的双定子单绕组游标永磁电机，其由外定子2，转子3和内定子5组成。其中，两个定子同轴套接，转子3同轴套在两个定子之间，永磁体1切向充磁嵌入在转子铁芯内。外定子2有电枢绕组4，内定子5无绕组只起到构成磁路的作用。内定子5与外定子2齿部在圆周方向上相差了半个槽距角，即内定子5齿与外定子2槽相对，又因为转子3极数与定子齿数相近，所以，内定子5齿与外定子2齿分别与相邻的转子3极靴相对，如图3所示，相邻永磁体1同时‘面对’磁阻小的定子齿，相邻磁极产生的磁通将分别进入内外两个定子，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，提高了功率因数。图6为按照本发明实施例的双定子单绕组游标永磁电机的磁力线分布示意图。图7为按照本发明实施例的双定子单绕组游标永磁电机的立体结构示意图。

本实施例中转子永磁体1优选采用内置式、切向充磁，内外两定子优选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3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5轭部穿过内定子5的齿部，再穿过内定子5与转子3之间的气隙，然后穿过极靴和外定子2与转子3之间的气隙，以及外定子3齿部到外定子3的轭部。

内定子5被转子3所包围，内定子5热源只能通过内气隙传递到转子3，然后再经过外气隙传递给外定子2，最终通过机壳10散热，如此内定子5散热十分困难，如不加装内定子5冷却通道，容易造成内定子5温升超标，而外定子2温升余量较大，为了满足温升要求，不得不降低电负荷，牺牲电机性能。如果加装内定子5冷却通道，将大大增加结构复杂性，降低电机整体可靠性。

采用这种双定子单绕组的结构，巧妙利用了外定子2与内定子5磁场共磁路、相同电负荷在外定子2和内定子5与磁场作用产生转矩的能力一样的特点，去掉内定子绕组6，将内定子绕组6电负荷转移到外定子2，保证了双定子单绕组与现有双绕组方案具有相同甚至更高的电负荷(外定子更容易散热)，也就保障整体转矩输出能力不变甚至增加，同时消除内定子5的铜耗，也就相当于消除了内定子5主要热源(铁耗所占比例比较小，而且铁磁介质允许温升也比较高)，这样就解决了内定子5散热困难带来总体性能降低的问题。

如图4所示，本发明中的电机也可采用外定子绕组取消，内定子绕组6保留的方式。内定子5有电枢绕组6，外定子2无绕组只起到构成磁路的作用。内定子5与外定子2齿部在圆周方向上相差半个槽距角，即内定子5齿与外定子2槽相对，又因为转子3极数与定子齿数相近，所以，内定子5齿与外定子2齿分别与相邻的转子3极靴相对。

如图5所示，本发明的另一实施例中，还可以在无绕组的定子(本实施例中是在内定子5中)的定子槽内加入抗磁材料7(如超导块材)，以增强其磁场调制作用。

图8为按照本发明实施例的双定子单绕组游标永磁电机机械结构。定子游标永磁电机含有双定子和一个转子。图8给出了五种机械结构示意，但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8(a)为悬臂梁结构，转子3与转矩管9通过轴向螺钉相连接，转矩管9为悬臂梁形式，外定子2固定设置在机壳10上，内定子5通过支撑架固定设置在静止轴8上。图8(b)中转子轴向两侧都有支撑，即转子3通过转矩管9利用轴向螺钉连接后通过轴向两端的支撑架固定，外定子2固定设置在机壳10上，内定子5通过支撑架固定设置在静止轴8上。图8(c)中，内定子5放置在静止轴8上，静止轴8上固定设置在机壳10上，此时无需静止轴，转子结构与图8(a)类似。图8(d)中的定子结构与图8(a)相同，转子3的有效部分通过两个轴承的压力来与转矩管9相连，此结构转子3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1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1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。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双定子单绕组游标永磁电机，包括：

转子(3)，其呈圆环形，环体周向上间隔布置有多个永磁体(1)，产生励磁磁场；

定子(2,5)，其为直径不同的两个，两定子均呈圆筒形并呈同轴内外套接布置，所述转子(3)同轴套装在该两定子之间，外定子(2)筒体内周壁上和内定子(5)筒体外周壁上均开有多个凹槽，各凹槽之间的凸起部分形成定子齿，两定子上的凹槽槽数相同，且其中内定子(5)的定子齿与外定子(2)的定子齿在周向上相距半个槽距角；

其特征在于，仅在所述内定子(5)和外定子(2)两者中的其中一个定子的定子槽内设置定子绕组(6)。

2.根据权利要求1所述的一种双定子单绕组游标永磁电机，其中，所述内定子(5)的定子齿与外定子(2)的凹槽正对布置。

3.根据权利要求1或2所述的一种双定子单绕组游标永磁电机，其中，所述电机不带绕组的定子槽内可以加入抗磁材料(7)，以增强其磁场调制作用。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种双定子单绕组游标永磁电机，其中，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。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种双定子单绕组游标永磁电机，其中，所述转子(3)一体成型，所述永磁体(1)容置在转子(3)上周向设置的凹槽内。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种双定子单绕组游标永磁电机，其中，所述外定子(2)固定在机壳上，所述内定子(5)通过静止轴或机座臂固定。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种双定子单绕组游标永磁电机，其中，所述转子(3)转轴通过轴向螺钉与设置在转轴上的转矩管(9)固定连接。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种双定子单绕组游标永磁电机，其中，所述转矩管(9)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。

9.一种上述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。