CN106253530A - 一种跨两齿集中绕组游标永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跨两齿集中绕组游标永磁电机，其包括定子(1)和转子(2)，其中，定子(1)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；转子(2)呈圆环形，筒体周壁上间隔布置有多个永磁体；所述游标永磁电机的电枢绕组为跨两齿的集中绕组。本发明跨两齿集中绕组游标永磁电机的绕组跨距相较于传统游标电机显著减小，端部更短，有效降低了电机铜耗，缩小了电机体积，提高了电机效率；采用跨两齿的集中绕组，使得游标电机的极比降低至2～5之间，在损失较小比例的输出转矩的情况下，可使电机的功率因数提高到0.8以上。

Description

一种跨两齿集中绕组游标永磁电机

技术领域

本发明属于游标电机领域，更具体地，涉及一种跨两齿集中绕组游标永磁电机。

背景技术

在化石能源紧缺的背景下，开发新型能源已经成为各国的迫切任务。在各种新型能源中，风能由于来源丰富，无污染，技术相对成熟，具有解决目前电力短缺以及未来能源危机的潜力，而被广泛研究。作为获取风能的重要设备，风力发电机也成为了研究热点。

由于风力发电机叶片转速较低，输入转矩较大，为了将叶片运动特性与电机特性配合，现有的风力发电机设计思路主要有两种，一种是利用机械齿轮箱，将叶片低速、高转矩的运动转化为高速、低转矩的运动，再使用普通的发电机完成发电过程，这种发电机称为非直驱式的发电机；另一种思路是将电机的转速及转矩直接与叶片匹配，即电机具有较高的输出转矩以及较低的转速，这种发电机称为直驱式发电机。直驱式的风力发电机省去机械变速箱，具有结构简单、维护周期长、效率高等优点。同时，直驱式风力发电机体积大，重量沉，研制高功率密度的风力发电机可以大幅降低风力发电机的制造成本，具有很高的社会经济效益。磁场调制电机就属于典型的高转矩密度电机拓扑，近年来被广泛研究。磁场调制电机具有多种拓扑结构，而其中游标永磁电机由于结构最为简单，成为磁场调制电机中的研究热点之一，有望得到大规模工程应用。

常规的游标电机，转子极对数多，且与定子齿数接近，而定子极对数相对很小。定子的多齿少极结构，使得常规游标电机的定子绕组均采用整数槽绕组，且极比均在5或以上，如图2所示，为一种12槽，定子2对极，转子5对极的常规三相游标电机，采用每极每相槽数为1的叠绕组连接方式，每个线圈的两线圈边需通过跨三齿的线圈端部连接。如图3所示，为一种12槽，定子1对极，转子1对极的常规三相游标电机，用每极每相槽数为2的叠绕组连接方式，每个线圈的两线圈边需通过跨六齿的线圈端部连接。可见，当常规游标电机的定子绕组均采用整数槽绕组时，绕组端部所跨齿数至少为3，这一绕组设置导致了游标电机的一种主要问题，即绕组端部跨距过长。

为解决绕组端部过长的问题，现有技术方案有两种，一种是采用环形绕组，但该类绕组只有运用于双转子结构的游标电机时才能有效减少绕组端部。如中国专利CN103178667A公开了一种轴向磁场双定子游标电机，其包括转子和定子，其特征在于所述定子为两个，以凹槽相对的方式同轴间隔布置，所述转子同轴设置在两定子之间，在转矩密度相近的情况下，与传统游标电机相比，该双定子游标电机的功率因素显著提高。另一种方案是采用非重叠绕组，如图3为该类型游标电机的典型拓扑，但该类绕组必须应用于有特殊辅助齿槽结构的游标电机中。

但现有的两种特殊绕组方案均需要与特殊的电机结构相结合，而针对如图1所示的常规游标电机拓扑，现有技术方案只能采用整数槽绕组，这种绕组方式导致绕组端部跨距过长，占据相当一部分定子体积，且增大电机铜耗，削弱该类电机高转矩密度的优势，降低了电机效率。

除绕组端部过长之外，现有游标电机的另一大主要缺点是功率因数低，采用和传统永磁电机相近的电负荷时，游标电机功率因数与极比呈反相关关系，极比越高，定子齿数与转子极对数越接近，永磁体漏磁越严重，主磁通越低，现有的游标电机功率因数低至0.2～0.3。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出一种采用跨两齿集中绕组的游标永磁电机。这种游标电机拓扑的绕组跨距相较于传统游标电机显著减小，端部更短，有效降低了电机铜耗，缩小了电机体积。同时，采用跨两齿的集中绕组，使得游标电机的极比降低，在损失较小比例的输出转矩的情况下，可大幅提高电机的功率因数。

为实现上述目的，本发明提供了一种采用跨两齿集中绕组的游标永磁电机，其包括定子和转子，其中，定子呈圆筒形，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；

转子呈圆环形，筒体周壁上间隔布置有多个永磁体；

其特征在于，所述游标永磁电机的电枢绕组为跨两齿的集中绕组。

进一步地，所述游标永磁电机的定子槽数Z，转子极对数P_r，定子极对数P_s，需满足如下关系：

$\left\{\begin{array}{cc}\frac{Z}{GCD(Z,P_s)}=3k,k=1,2,3...& \left(1\right)\\ Z=|P_r\&PlusMinus;P_s|& \left(2\right)\\ \frac{1}{2}<\frac{Z}{6P_s}<1& \left(3\right)\end{array}\right.$

式中：GCD(Z,P_s)表示定子槽数与定子极对数的最大公约数。

进一步地，所述定子(1)和转子(2)为同轴套设。

进一步地，定子(1)与转子(2)可以是外定子内转子结构，也可以是外转子内定子结构。

进一步地，一种跨两齿集中绕组游标永磁电机在风力发动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，能够取得下列有益效果：

(1)本发明中，一种跨两齿集中绕组游标永磁电机的绕组跨距相较于传统游标电机显著减小，端部更短，有效降低了电机铜耗，缩小了电机体积，提高了电机效率。

(2)本发明中，采用跨两齿的集中绕组，使得游标电机的极比降低至2～5之间，在损失较小比例的输出转矩的情况下，可使电机的功率因数提高到0.8以上。

附图说明

图1为现有技术中的一种常规游标永磁电机示意图；

图2为现有技术中的一种定子12槽，转子10对极，极比5比1的常规游标永磁电机一相整数槽叠绕组接线示意图；

图3为现有技术中的一种定子6主槽，含18辅助槽，定子2对极，转子10对极的带幅值齿槽结构，且采用非重叠绕组的游标电机示意图；

图4为现有技术中的一种定子12槽，转子11对极，极比11比1的常规游标永磁电机一相整数槽叠绕组接线示意图；

图5为本发明实施例的一种跨两齿集中绕组游标永磁电机，即定子18槽，转子14对极，极比3.5比1的跨两齿集中绕组游标电机的一相绕组接线示意图；

图6为本发明实施例的一种跨两齿集中绕组游标永磁电机，即定子18槽，转子14对极，极比3.5比1的跨两齿集中绕组游标电机的磁场分布示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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。

图5为本发明实施例的一种跨两齿集中绕组游标永磁电机，其包括定子1和转子2，其中，定子1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；

转子2呈圆环形，筒体周壁上间隔布置有多个永磁体；

其特征在于，所述游标永磁电机的电枢绕组为跨两齿的集中绕组。

其中，所述游标永磁电机的定子槽数Z，转子极对数P_r，定子极对数P_s，需满足如下关系：

$\left\{\begin{array}{cc}\frac{Z}{GCD(Z,P_s)}=3k,k=1,2,3...& \left(1\right)\\ Z=|P_r\&PlusMinus;P_s|& \left(2\right)\\ \frac{1}{2}<\frac{Z}{6P_s}<1& \left(3\right)\end{array}\right.$

式(1)中：GCD(Z,P_s)表示定子槽数与定子极对数的最大公约数；式(1)是实现三相对称绕组的条件，适用于所有交流绕组；

式(2)是所有游标电机定转子极对数与定子槽数需满足的条件，即定子齿数等于转子上永磁体的极对数与定子电枢绕组的极对数之和或差的绝对值；

式(3)为本发明跨两齿集中绕组游标电机的定子槽数与定子极对数所需满足的条件，即定子绕组的每极每相槽数p介于0.5～1之间，其中，定子绕组的每极每相槽数p通过下式计算：

$p=\frac{Z}{2{\mathrm{mP}}_s}$

其中，Z为定子槽数；m为电机相数，本发明的技术方案中，m取3；P_s为定子的极对数，则：

$p=\frac{Z}{6P_s}$

满足这三个条件后，本发明的游标电机绕组端部跨两齿绕制，绕组系数均大于0.86，极比均介于2～5之间。

游标永磁电机功率因数计算公式如下：

其中，P_r指转子极对数；P_s指定子极对数；L_s指电机每相电感；I_ph指相电流；Ψ_m指空载下永磁磁链。

游标永磁电机功率因数和电机电感与相电流的乘积与主磁链之比有关。常规的整数槽叠绕组游标电机，转子极对数数与齿数非常接近，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，导致主磁链很低。进一步考虑电枢电感与主磁链的比值，随着极比的上升，该比值逐渐增大，因此功率因数会随极比的升高而降低。常规游标电机功率因数甚至低至0.2到0.3。

本发明的跨两齿集中绕组游标电机，相比于传统游标电机，在损失较小比例的输出转矩的情况下，其电磁有效部分相比于传统永磁电机仍具有很高的转矩密度，绕组端部也大幅缩短，降低绕组铜耗的同时也缩小了电机的总体积。另外，本发明的跨两齿集中绕组游标电机的功率因数相比于传统游标电机也有显著提高，采用和传统永磁电机相近的电负荷时，功率因数可达到0.8以上。

此外，定子1与转子2为同轴套设。

定子1与转子2可以是外定子内转子结构，也可以是外转子内定子结构。

本发明的跨两齿集中绕组游标永磁电机可以在风力发动系统或舰船动力系统中应用。

本实施例选取其中一种极槽配合方案进行说明，图5为本发明实施例的一种跨两齿集中绕组游标永磁电机，如图5所示，其中，定子为18槽，转子为14对极，定子为4对极，极比为3.5：1。因此，可以计算得到电枢绕组每极每相槽数为0.75，将电枢绕组设计为为跨两齿的集中绕组，绕组端部相比于传统整数槽叠绕组游标电机显著缩短，且绕组系数可达到0.95。本实施例采用和传统永磁电机相近的电负荷时，功率因数可达到0.8以上。

在本实施例中，定子具有18槽，定子绕组极对数为4，转子具有14对极。图5绘制了该实施例中一相绕组的连接方式。绕组连接方式如下，对于任意绕组来说，其均有两个出线端，有时在三相绕组内各取一出线端相连接成“Y”型，也可首尾相连接成“△”型。图5所示绕组具有6个线圈，每个线圈均在两个槽内各占一线圈边，其中靠近转子的线圈边称为下层边，远离转子的称为上层边，上层边与下层边相连，形成多匝的线圈结构，每个线圈均由一个线圈边接入，另一个线圈边引出。图中所示绕组可分为两个线圈组，第一组从线圈A的上层边接入，经线圈A下层边连接线圈B下层边，再通过线圈B上层边连接线圈C上层边，到C下层边引出；第二组从线圈D的上层边接入，经线圈D下层边连接线圈E下层边，再通过线圈E上层边连接线圈F上层边，到F下层边引出。两线圈组可串联或并联连接，串联时，线圈C下层边连接线圈D上层边，线圈A上层边与F下层边作为绕组出线端；并联时，线圈A与D的上层边相连作为绕组一个出线端，线圈C与F下层边相连作为另一个出线端。

图6为本发明实施例的一种跨两齿集中绕组游标永磁电机，即定子18槽，转子14对极，极比3.5比1的跨两齿集中绕组游标电机的磁场分布示意图，如图6所示，当电机空载运行时，转子永磁体产生的14对极的磁动势与气隙磁导作用产生的气隙磁场主要包含4对极与14对极的旋转谐波分量，恰好等于绕组极对数以及其齿谐波极对数。4对极谐波转速较快，14对极谐波转速较慢，均会在电枢绕组中感应反电势，且两反电势频率与相位相同，共同构成了反电势的基波。当电机通以与基波频率相同的对称三相交流电时，即可实现稳定的功率即转矩传输。

本发明的技术方案中，实施例中给出了一种定子18槽，转子14对极，定子4对极的跨两齿集中绕组游标电机，但本发明不限于上述实施例中的极槽配合方案，表1筛选出了属于本发明范畴的部分槽极配合，其中P_R指转子极对数，k_w指基波绕组系数，SPP指每极每相槽数。本发明不限于这些槽极配合，只要符合定子槽数Z，转子极对数P_r，定子极对数P_s的上述关系的槽极配合均可。

表1本发明跨两齿集中绕组游标电机的某些槽极配合

本发明的技术方案中，风力发电系统为本发明一种跨两齿集中绕组游标永磁电机最典型的应用场合，但本发明不限于应用在风力发电领域，也可以应用在舰船动力系统或其他领域。

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 (5)

1.一种跨两齿集中绕组游标永磁电机，其包括定子(1)和转子(2)，其中，定子(1)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；

转子(2)呈圆环形，筒体周壁上间隔布置有多个永磁体；

其特征在于，所述游标永磁电机的电枢绕组为跨两齿的集中绕组。

2.根据权利要求1所述的一种跨两齿集中绕组游标永磁电机，其特征在于，所述游标永磁电机的定子槽数Z，转子极对数P_r，定子极对数P_s，需满足如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{Z}{GCD(Z,P_s)}=3k,k=1,2,3...---\left(1\right)\\ Z=|P_r\&PlusMinus;P_s|---\left(2\right)\\ \frac{1}{2}<\frac{Z}{6P_s}<1---\left(3\right)\end{array}\right.$

式中：GCD(Z,P_s)表示定子槽数与定子极对数的最大公约数。

3.根据权利要求1或2所述的一种跨两齿集中绕组游标永磁电机，其特征在于，所述定子(1)和转子(2)为同轴套设。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种跨两齿集中绕组游标永磁电机，其特征在于，定子(1)与转子(2)可以是外定子内转子结构，也可以是外转子内定子结构。

5.权利要求1-4中任一项所述的一种跨两齿集中绕组游标永磁电机在风力发动系统或舰船动力系统中的应用。