CN105553142A - 一种交流无刷双馈电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流无刷双馈电机，包括定子和转子，定子具有分别为p₁和p₂的极对数，转子具有大齿和小齿，大齿和小齿均以转子为中心呈发散状分布，小齿位于相邻两大齿之间，大齿和小齿的数量均为p₁+p₂个，该转子等效极对数p_r＝p₁+p₂，转子等效极距为τ_r，大齿齿宽区间和小齿齿宽区间之和为τ_r，大齿和小齿之间间隔形成对称且非均匀分布的p₁+p₂个转子齿槽Z_r，每个大齿上分别围绕有一自闭合的线圈。本发明结构紧凑，转子损耗小，效率高，运行可靠。

Description

一种交流无刷双馈电机

技术领域

本发明涉及电机，具体来说涉及一种交流无刷双馈电机。

背景技术

无刷双馈电机采用电网电源和变频电源分别供电，具有运行可靠，要求的变频电源容量较小，且可采用不同电压等级等特点，既能以电动机变频调速方式运行，又适合作为发电机，用于风力或是水力变速恒频发电等。

无刷双馈电机具有良好性能的关键在于转子。其中，转子类型可分为反应式和感应式，具体转子结构主要有两种，一种是属于反应式的磁阻转子，转子铁芯制成类似凸极的结构，其上没有任何导体；另一种是属于感应式的“同心笼”转子，转子齿槽内按“同心嵌套”方式放置有多个各自电气独立回路环笼型绕组。这两种转子结构中，磁阻转子因为转子上没有导体，故转子损耗小，效率较高，但不足之处是噪声和振动比较大，“同心笼”转子作为电动机起动特性较好，但其中绕组导体需用绝缘材料与铁芯隔离，制作工艺复杂，还存在功率密度较低等诸多问题，因而还未能进入商业化工业实际应用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种交流无刷双馈电机，其结构紧凑，转子损耗小，效率高，运行可靠。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种交流无刷双馈电机，包括定子和转子，定子具有分别为p₁和p₂的极对数，转子具有大齿和小齿，大齿和小齿均以转子为中心呈发散状分布，小齿位于相邻两大齿之间，大齿和小齿的数量均为p₁+p₂个，该转子等效极对数p_r＝p₁+p₂，转子等效极距为τ_r，大齿齿宽区间和小齿齿宽区间之和为τ_r，大齿和小齿之间间隔形成对称且非均匀分布的2(p₁+p₂)个转子齿槽Z_r，每个大齿上分别围绕有一自闭合的线圈。

优选地，转子齿槽Z_r为偶数个。

优选地，线圈跨距y_r＜τ_r。

优选地，大齿上开有开口空槽。

优选地，开口空槽内具有空腔，且开口空槽沿转子的轴向延伸。

优选地，开口空槽为多个，在转子的外表分布。

优选地，开口空槽的两侧分别开有沿转子轴向延伸的窄槽。

优选地，线圈为单匝，并通过非绝缘方式绕设在转子的转子铁芯上；插装在转子铁芯上的导电体采用导电金属铸造而成，或者，该导电体为铜导条，并焊接于转子铁芯。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明由于自闭合线圈可以为单匝，与转子铁芯间无需绝缘，因而能够采用铸造或是铜导条焊接的方式制作。转子每个大齿上另外有一个开口空槽，具备空腔，其中不放置导体，使沿转子圆周气隙呈现非均匀分布，这种转子兼有磁阻式和绕组式的特点，结构简单，运行可靠，另外，通过对开口空槽尺寸大小的调节，可改变磁阻或是绕组这两方面效应贡献度的大小，使之转子整体性能达到一个较好的平衡，进而降低转子损耗，提高了效率。

附图说明

图1为本发明齿谐波感应线圈的示意图；

图2a为本发明Z_r＝p_r＝4齿谐波绕组布置示意图之一；

图2b为本发明Z_r＝p_r＝4齿谐波绕组布置示意图之二；

图3为本发明齿谐波磁阻和回路环转子混合结构示意图；

图4为本发明实施例1的2/6极齿谐波转子冲片图；

图5为本发明实施例1的2/6极齿谐波转子结构示意图；

图6为本发明实施例2的4/8极齿谐波转子冲片图；

图7为本发明实施例2的4/8极齿谐波转子结构示意图；

图中：1、定子；2、转子；21、大齿；22、小齿；23、线圈；24、开口空槽；25、窄槽；26、转子铁芯；27、导电体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1-7所示的一种交流无刷双馈电机，包括定子1和转子2，定子1具有分别为p₁和p₂的极对数，转子2具有大齿21和小齿22，大齿21和小齿22均以转子2为中心呈发散状分布，小齿22位于相邻两大齿21之间，大齿21和小齿22的数量均为p₁+p₂个，该转子2等效极对数p_r＝p₁+p₂，转子2等效极距为τ_r，大齿21齿宽区间和小齿22齿宽区间之和为τ_r，大齿21和小齿22之间间隔形成对称且非均匀分布的2(p₁+p₂)个转子齿槽Z_r，每个大齿21上分别围绕有一自闭合的线圈23。

其中，本例所述的转子齿槽Z_r为偶数个。线圈23跨距y_r＜τ_r。大齿21上开有开口空槽24。开口空槽24内具有空腔，且开口空槽24沿转子2的轴向延伸。本例的开口空槽24为多个，在转子2的外表分布。开口空槽24的两侧分别开有沿转子2轴向延伸的窄槽25。本例的线圈23为单匝，并通过非绝缘方式绕设在转子2的转子铁芯26上；插装在转子铁芯26上的导电体27采用导电金属铸造而成，或者，该导电体27为铜导条，并焊接于转子铁芯26。

本交流无刷双馈电机的工作原理如下：构成齿谐波绕组所需要感应线圈23的数量与无刷双馈电机定子1所具有的两种极对数有关。若无刷双馈电机定子1具有两种极对数分别为p₁和p₂，两者之和为转子2对应的等效极对数：

p_r＝p₁+p₂，

则，构成齿谐波绕组所需要的转子齿槽数为：

Z_r＝p_r＝p₁+p₂，

因为感应线圈23嵌放在每个转子齿槽，因此Z_r也是感应线圈23的个数。若Z_r＝p_r不为偶数，则两种极数合成后的气隙磁场将会不对称。

由这种感应线圈23构成的转子2绕组，当无刷双馈电机定子1p₁或是p₂绕组接入交流电源产生气隙旋转磁场时，所感应产生的转子2磁动势中，除含有极对数p₁和p₂这两种基本谐波外，还有一系列高次谐波。可以证明，无论是基本谐波还是高次谐波，均只与转子2齿数Z_r有关，这些谐波极对数满足关系式p_ν＝kZ_r±p₁(k＝0,1,2,3…)，因而被称为齿谐波。

齿谐波转子2绕组中共含有Z_r个自闭合的感应线圈23，于是可以认为每个线圈23自成一相，也即齿谐波转子2绕组的相数m_r＝Z_r＝p_r。显然，这样构成的齿谐波转子2绕组磁动势谐波中不会含有任何与Z_r无关的相带谐波，所产生的全部谐波均为齿谐波。若假定p₁＜p₂，则这些齿谐波中最小极对数为p₁，也即p_ν的集合中不会出现极数小于p₁的低次齿谐波。

这种齿谐波转子2绕组产生的齿谐波磁动势有以下两个自然属性：

1)相邻两个齿谐波磁动势旋转方向相反；

2)所有齿谐波磁动势的绕组系数相等。

本交流无刷双馈电机定子1同时具有p₁和p₂两种极对数，也要求转子2绕组能同时产生极对数p₁和p₂且旋转方向相反的磁动势波，并对于两种极对数p₁和p₂有尽可能高的绕组系数，而这些要求正好与齿谐波转子2绕组的自然属性相符合，因此本交流无刷双馈电机的转子2绕组可利用上述齿谐波磁动势自然属性来进行设计。

若上述齿谐波绕组每相只有1个闭合的线圈23，每个转子齿槽内有两个线圈边。这时对应的等效转子2极距为τ_r＝Z_r/p_r，线圈23节距(跨距)则为y_r＝τ_r，因而是整距绕组，此时大齿21和小齿22之间间隔形成对称且非均匀分布的p₁+p₂个转子齿槽Z_r。

齿谐波整距绕组磁动势中所有齿谐波绕组系数相等。因此，相对于极对数p₁和p₂这两种所需要的基本齿谐波外，其余高次齿谐波相对幅值也较大，这会严重影响无刷双馈电机性能。一般总是希望在保留基本齿谐波的前提下，尽可能削弱这些有害的高次齿谐波。改变线圈23节距使y_r＜τ_r，也即采用齿谐波短距绕组是削弱高次齿谐波一个有效的方法。在很多情况下，采用齿谐波短距绕组可能获得更好的性能。但是，感应线圈23节距改变后，转子齿槽数也必须相应增加一倍，以能安置节距改变后的线圈边，这时的转子2绕组也相应变成单层绕组。

图2a、图2b所示为p₁＝1，p₂＝3，Z_r＝p_r＝p₁+p₂＝4，τ_r＝Z_r/p_r＝1齿谐波绕组布置示意图。其中图2a为线圈23节距y_r＝τ_r的齿谐波整距绕组；图2b为线圈23节距的齿谐波短距绕组，由于为放置短距线圈23，必须在线圈边转子2相应位置上增加4个转子齿槽，从而形成8槽非均匀分布的大小齿22结构，这时每个转子齿槽中只有一个线圈边，也即这个齿谐波短距绕组为单层绕组。

上述齿谐波整距绕组和短距绕组磁动势谐波分析结果列于表1。表1中F_ν表示磁动势相对幅值，而F_ν+表示正转波F_ν-表示反转波。

表1

p_r＝p₁+p₂＝4齿谐波绕组磁动势谐波分析

从表1可以看出，适当调整线圈23节距可以显著削弱高次齿谐波。当线圈23为短距，相对于齿谐波短距绕组和整距绕组中极对数p_ν＝1和p_ν＝3这两个基波而言，幅值较大的极对数p_ν＝5的高次谐波相对幅值，从60.0000降为29.9320，极对数p_ν＝7相对幅值从42.8571降为21.4966。这也可以看成是由于短距绕组槽数比整距绕组增加一倍，而离散了高次齿谐波的结果。

上述大齿21围绕着的闭合线圈23匝数可以是1匝，这样实际上就形成了一个短路环，整个转子2短路环的个数为Z_r＝p_r＝p₁+p₂。由于转子2铁磁材料和导体导电性能相差很大，因此可以不再需要槽绝缘材料，甚至可以采用金属铸造或是铜导条直接焊接的方式制作短路环，使转子2结构进一步简化。

在上述分析的基础上，若要进一步提高转子2性能，就需要利用转子2凸极产生的磁阻效应。以在图2b所示转子2为例，在其中大齿21上增加一个宽度为b的开口孔槽，使开口孔槽处的气隙从原来的δ₁增加到δ₂，沿转子2圆周气隙大小如同凸极转子2那样呈现非均匀变化，如图3所示。图3中δ₂和开口孔槽宽度b的具体数值需要通过气隙磁场谐波分析才能最后决定。气隙磁场谐波分析的原则仍然是需使得极对数p₁和p₂这两种基本齿谐波相对幅值尽可能大，而其余高次齿谐波相对幅值尽可能小。不过这里要注意的是，大齿21上增加的开口孔槽会使绕在上面的线圈23效用减弱，也会改变气隙磁场分布及其中谐波含量，这也意味着对于这样混合结构的转子2设计时，需要综合考虑磁阻和绕组这两方面的效应，通过开口孔槽尺寸大小的调节，改变两者之间贡献度的大小，使之转子2整体性能达到一个较好的平衡。

实施例1

设计p₁＝1和p₂＝3的齿谐波转子2结构方案。

本例的p_r＝p₁+p₂＝4，采用大小齿22间隔对称分布的结构，大小齿22各有4个，大小齿22之间形成对称但非均匀分布的8个转子齿槽，取共有4个短路环围绕大齿21放置在转子齿槽内。为增强凸极磁阻效应，大齿21上另外设置开口空槽24，形成了沿转子2圆周气隙的非均匀分布，转子2导体槽两侧也另外再开两个不放置导电体27的窄槽25，由此得到转子冲片图如图4所示。图5所示为转子齿槽中放置导体并连接后的转子2整体结构示意图。

实施例2

设计p₁＝2和p₂＝4的齿谐波转子2结构方案。

本例的p_r＝p₁+p₂＝m_r＝6，采用大小齿22间隔对称分布的结构，大小齿22各有6个，大小齿22之间有对称但非均匀分布的12个转子齿槽，取共有6个短路环围绕大齿21放置在转子齿槽内。为增强凸极磁阻效应，大齿21上另外设置开口空槽24，形成了沿转子2圆周气隙的非均匀分布，转子2导体槽两侧也另外再开两个不放置导电体27的窄槽25，由此得到转子冲片图如图6所示。图7所示为转子齿槽中放置导体并连接后的转子2整体结构示意图。

本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种交流无刷双馈电机，包括定子和转子，其特征在于，定子具有分别为p₁和p₂的极对数，转子具有大齿和小齿，大齿和小齿均以转子为中心呈发散状分布，小齿位于相邻两大齿之间，大齿和小齿的数量均为p₁+p₂个，该转子等效极对数p_r＝p₁+p₂，转子等效极距为τ_r，大齿齿宽区间和小齿齿宽区间之和为τ_r，大齿和小齿之间间隔形成对称且非均匀分布的2(p₁+p₂)个转子齿槽Z_r，每个大齿上分别围绕有一自闭合的线圈。

2.根据权利要求1所述的交流无刷双馈电机，其特征在于，转子齿槽Z_r为偶数个。

3.根据权利要求1所述的交流无刷双馈电机，其特征在于，线圈跨距y_r＜τ_r。

4.根据权利要求1所述的交流无刷双馈电机，其特征在于，大齿上开有开口空槽。

5.根据权利要求4所述的交流无刷双馈电机，其特征在于，开口空槽内具有空腔，且开口空槽沿转子的轴向延伸。

6.根据权利要求5所述的交流无刷双馈电机，其特征在于，开口空槽为多个，在转子的外表分布。

7.根据权利要求4所述的交流无刷双馈电机，其特征在于，开口空槽的两侧分别开有沿转子轴向延伸的窄槽。

8.根据权利要求1-7任一项所述的交流无刷双馈电机，其特征在于，线圈为单匝，并通过非绝缘方式绕设在转子的转子铁芯上；插装在转子铁芯上的导电体采用导电金属铸造而成，或者，该导电体为铜导条，并焊接于转子铁芯。