CN104113174B - 一种单层鼠笼式双定子无刷双馈电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单层鼠笼式双定子无刷双馈电机，包括外定子，内定子和设置在外定子和内定子之间的转子，外定子与转子之间设有外气隙，转子与内定子之间设有内气隙，外定子包括外定子铁心和嵌放在外定子铁心槽内的极对数为2p的外定子绕组；内定子包括内定子铁心和嵌放在内定子铁心槽内的极对数为2q的内定子绕组，其中p和q分别为正整数，且p与q不相等；转子为单层鼠笼式转子，包括转子铁心和单层鼠笼绕组，单层鼠笼绕组由（p+q）个多回路单元构成。本发明的单层鼠笼式双定子无刷双馈电机可以完全实现有刷双馈电机的功能，但取消了有刷双馈电机中可靠性低、需要定期维护的电刷和滑环，因而在高可靠性、免维护、低成本变频调速场合有很好的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种单层鼠笼式双定子无刷双馈电机，适用于变频调速场合，本发明涉及电机、机械领域。
背景技术
传统双馈电机为绕线转子异步电机，转子绕组随转子旋转，必须使用电刷滑环将旋转绕组中的电压电流以传导方式引出。从而使双馈电机具有两个电端口，一个机械端口，具有良好的变频调速性能，在兆瓦级风力发电系统和高性能驱动中应用广泛。但电刷滑环的存在导致电机可靠性差，维护成本高。有刷双馈电机的去电刷化一直是人们研究的焦点。
现有的无刷双馈电机有三种结构，级联式、嵌套环转子式和磁阻转子式。其中，级联式为两台绕线异步电机同轴级联而成，其轴向长度长，难以在空间受到严格限制的应用场合使用。专利CN200510047247.X公开了一种双定子、单转子盘式无刷双馈交流电机，两个定子和一个转子沿轴向布置，转子位于两个定子中间。两个定子铁心均在靠近转子侧单面开槽，分别嵌放2p极和2q极三相对称定子绕组，两套定子绕组相互独立。转子铁心双面开槽分别嵌放2p和2q极三相对称转子绕组，两套转子绕组同相序或反相序连接形成一套转子绕组。该结构将轴向级联的两台径向磁通异步电机改成轴向级联的两台轴向磁通异步电机，能够实现期望的双馈同步运行，但只有在p＝q且两套三相对称转子绕组反相序连接形成一套转子绕组时才能达到与有刷双馈电机相同的转矩转子体积比。当p≠q时，内外两层气隙电磁负荷不能同时取较大值，其转矩体积比约为有刷双馈电机的0.75倍。
嵌套环转子式和磁阻转子式均为单定子结构，即极对数不同的两套定子绕组共用一个定子铁心，因此，单一极对数的电磁负荷受到限制，使得转矩体积比也约为有刷双馈电机的0.75倍。
为了提高现有无刷双馈电机的功率密度(功率体积比)，专利CN201220025540.1提出一种径向同心布置的双定子无刷双馈电机结构。该电机的转子采用内、外双层鼠笼绕组，在转子沿轴方向的一侧，内、外层鼠笼导条分别用两个相互独立的公共端环连接；在转子沿轴方向的的另一侧，内、外层鼠笼导条按照各自所产生的旋转磁场相对于转子本身的运动方向相反对应连接。从而使稳态转速满足nr＝60(fp±fq)/(p+q)，实现双馈同步运行。该结构要求转子内、外层导条数相同，槽数相同。由于双定子无刷双馈电机转子内、外层铁心之间只有电路连接而无磁路耦合，内外层转子铁心均应留有足够的轭部厚度以避免转子铁心提前饱和。使得转子沿半径方向的厚度增加，以一台p＝4，q＝2的双定子无刷双馈电机为例，外径与内径之比可达2:1。如果仍按照先前设计的双定子无刷双馈电机转子结构，内外圆周开槽数目相同，势必导致内层气隙电负荷为外层气隙的2倍，内层气隙磁负荷为外层气隙的2倍。由于内定子铁心饱和的限制，外定子铁心的电磁负荷显著低于内定子，进而电机单位体积的出力受到限制。
综上可知，现有的无刷双馈电机在无刷化的同时降低了有刷双馈电机的功率密度(约减少25％)。
发明内容
技术问题：本发明针对传统双馈电机存在电刷滑环的问题，从双馈电机的运行原理出发，将内定子和单层鼠笼式转子等效为一个绕线转子，提出一种单层鼠笼式双定子无刷双馈电机，从而在完全实现传统双馈电机功能的基础上取消电刷滑环，同时保持与有刷双馈电机相近的功率密度。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种单层鼠笼式双定子无刷双馈电机，包括外定子，内定子和设置在外定子和内定子之间的转子，所述外定子、转子和内定子同轴心且相互独立，外定子与转子之间设有外气隙，转子与内定子之间设有内气隙，其特征在于：所述外定子包括外定子铁心和嵌放在外定子铁心槽内的极对数为2p的外定子绕组；所述内定子包括内定子铁心和嵌放在内定子铁心槽内的极对数为2q的内定子绕组，其中p和q分别为正整数，且p与q不相等；所述的转子为单层鼠笼式转子，包括转子铁心和单层鼠笼绕组，转子铁心沿圆周方向均匀设置有转子槽，所述的单层鼠笼绕组位于所述的转子槽内，单层鼠笼绕组由(p+q)个多回路单元构成，每个多回路单元沿自身角平分线对称，包括设置在关于角平分线对称的至少两个转子槽内的导体，在转子铁心沿轴方向的一侧，对称设置的两个导体用一根端部导体短接形成至少一个闭合回路，在转子铁心沿轴方向的另一侧，用一个公共圆环将所有槽内导体短接。
有益效果：本发明和传统双馈电机相比，可以完全实现有刷双馈电机的功能。本领域技术人员知道，静止电刷与旋转滑环之间的机械接触是最容易发生故障的地方，而且在高压环境下易产生电弧放电，因而在实际应用中，需要经常性维护。本发明通过取消电刷滑环，提高了所在系统的可靠性，降低了维护成本，是比有刷双馈电机应用范围更广的一种电机类型。
附图说明
图1为本发明的单层鼠笼式双定子无刷双馈电机截面示意图；
图2为本发明的单层鼠笼式双定子无刷双馈电机转子截面示意图；
图3为构成本发明转子的单层鼠笼绕组的展开式示意图；
图4是一个多回路单元的结构示意图。
图中有：1为外定子铁心，2为外定子绕组，3为转子，4为内定子铁心，5为内定子绕组；31为转子铁心，32为单层鼠笼绕组，321为一个多回路单元，33为槽内导体，34为端部导体，35为公共端环。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明的单层鼠笼式双定子无刷双馈电机，沿径向由内而外依次是内定子铁心4、内定子绕组5，转子3、外定子绕组2和外定子铁心1，两个定子与转子3之间均设置有气隙；外定子绕组2极对数为2p，内定子绕组5极对数为2q，p和q分别为正整数。由绕组的基本性质可知，为使q对极磁场在p对极绕组中不产生非零感应电动势，即两套定子绕组不直接耦合，要求p和q不相等。
转子与q对极内定子绕组建立的磁场存在转速差时鼠笼绕组中产生感应电流。当鼠笼绕组包含的多回路单元的个数为|p±q|且|p±q|≠0时，转子鼠笼绕组可同时产生p对极和q对极的磁场分量，其中p对极的磁场分量与p对极外定子绕组建立的磁场同步，q对极的磁场分量与q对极内定子绕组建立的磁场同步。考虑到多回路单元的个数越少，转子绕组的漏电感越大，选择所述单层鼠笼绕组由(p+q)个重复的多回路单元构成。每个多回路单元沿自身角平分线对称，至少包含一个闭合回路。在转子铁心沿轴方向的一侧，关于角平分线对称的两个槽内导体33用一根端部导体34短接；在转子铁心沿轴方向的另一侧，用一个公共圆环35将所有槽内导体短接。
内、外定子以及转子铁心由硅钢叠片叠压而成，硅钢叠片由模具冲压或线切割制备。转子闭口槽中插入方形铜导体，端部导体、公共圆环与槽中导体通过焊接连通。
图1为本发明一实施例,外定子绕组极对数p＝4,内定子绕组极对数q＝2,转子铁芯沿圆周方向均匀加工36个方形闭口槽，单层鼠笼绕组其展开图见图3所示，包括4+2＝6个多回路单元，每6个槽形成一个多回路单元321，每个多回路单元沿自身角平分线对称，如图2所示。在形成一个多回路单元321的6个槽内，在第一槽、第三槽、第四槽和第六槽内均设置有导体33，在转子铁心沿轴方向的一侧，关于角平分线对称的第一槽内导体和第六槽内导体用一根端部导体34短接形成第一个回路，跨距为5个槽(第一槽-第六槽)，关于角平分线对称的第三槽内导体和第四槽内导体用一根端部导体34短接形成第二个回路，跨距为1个槽(第三槽-第四槽)；在转子铁心沿轴方向的另一侧，用一个公共圆环35将所有槽内导体短接。剩余槽内中心插入沿轴方向的贯穿螺栓，以增加轴向刚度，然后用树脂将槽壁与螺栓之间的剩余空间填充。叠片铁心沿轴向两侧用不锈钢箍压紧并收紧紧固螺栓。在轴向一端，转子通过圆盘与转轴固定；在轴的另一端，通过另一圆盘经轴承将转子支撑起来。
本发明无刷双馈电机的转速nr与两定子绕组中电流的频率fp和fq满足关系：
转速公式与双馈电机的类似，不同之处在于有刷双馈电机的极对数与一套定子绕组的极对数相同，而本发明提出的双定子无刷双馈电机的极对数为两套定子绕组极对数之和。由式(1)可知，电机转速由两套定子绕组的电频率和极对数共同决定，通过改变一套绕组或两套绕组的电频率就可以灵活实现电机转速调节。采用本发明提出的结构取得的优势为：
(1)由于磁路上存在两层气隙，饱和程度低于两种现有的单定子结构，去刷化的同时保持双馈电机的功率密度基本不变；
(2)极对数不同的两套定子绕组分别嵌放在内、外定子铁心中，减小了嵌放绕组的难度，提高了槽空间利用率。
Claims (1)
1.一种单层鼠笼式双定子无刷双馈电机，包括外定子，内定子和设置在外定子和内定子之间的转子，所述外定子、转子和内定子同轴心且相互独立，外定子与转子之间设有外气隙，转子与内定子之间设有内气隙，其特征在于：所述外定子包括外定子铁心（1）和嵌放在外定子铁心槽内的极对数为p 的外定子绕组（2）；所述内定子包括内定子铁心（4）和嵌放在内定子铁心槽内的极对数为q 的内定子绕组（5），其中p 和q 分别为正整数，且p 与q 不相等；所述的转子为单层鼠笼式转子，包括转子铁心（31）和单层鼠笼绕组（32），转子铁心沿圆周方向均匀设置有转子槽，所述的单层鼠笼绕组（32）位于所述的转子槽内，单层鼠笼绕组由（p +q ）个多回路单元（321）构成；每个多回路单元沿自身角平分线对称，包括设置在关于角平分线对称的至少两个转子槽内的导体（33），在转子铁心沿轴方向的一侧，对称设置的两个导体（33）用一根端部导体（34）短接形成至少一个闭合回路，在转子铁心沿轴方向的另一侧，用一个公共圆环（35）将所有槽内导体短接。
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