一種單層鼠籠式雙定子無刷雙饋電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單層鼠籠式雙定子無刷雙饋電機，包括外定子，內(nèi)定子和設(shè)置在外定子和內(nèi)定子之間的轉(zhuǎn)子，外定子與轉(zhuǎn)子之間設(shè)有外氣隙，轉(zhuǎn)子與內(nèi)定子之間設(shè)有內(nèi)氣隙，外定子包括外定子鐵心和嵌放在外定子鐵心槽內(nèi)的極對數(shù)為2p的外定子繞組；內(nèi)定子包括內(nèi)定子鐵心和嵌放在內(nèi)定子鐵心槽內(nèi)的極對數(shù)為2q的內(nèi)定子繞組，其中p和q分別為正整數(shù)，且p與q不相等；轉(zhuǎn)子為單層鼠籠式轉(zhuǎn)子，包括轉(zhuǎn)子鐵心和單層鼠籠繞組，單層鼠籠繞組由（p+q）個多回路單元構(gòu)成。本發(fā)明的單層鼠籠式雙定子無刷雙饋電機可以完全實現(xiàn)有刷雙饋電機的功能，但取消了有刷雙饋電機中可靠性低、需要定期維護的電刷和滑環(huán)，因而在高可靠性、免維護、低成本變頻調(diào)速場合有很好的應(yīng)用價值。
【專利說明】一種單層鼠籠式雙定子無刷雙饋電機
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種單層鼠籠式雙定子無刷雙饋電機，適用于變頻調(diào)速場合，本發(fā)明 涉及電機、機械領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)雙饋電機為繞線轉(zhuǎn)子異步電機，轉(zhuǎn)子繞組隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，必須使用電刷滑環(huán)將 旋轉(zhuǎn)繞組中的電壓電流以傳導(dǎo)方式引出。從而使雙饋電機具有兩個電端口，一個機械端口， 具有良好的變頻調(diào)速性能，在兆瓦級風力發(fā)電系統(tǒng)和高性能驅(qū)動中應(yīng)用廣泛。但電刷滑環(huán) 的存在導(dǎo)致電機可靠性差，維護成本高。有刷雙饋電機的去電刷化一直是人們研究的焦點。
[0003] 現(xiàn)有的無刷雙饋電機有三種結(jié)構(gòu)，級聯(lián)式、嵌套環(huán)轉(zhuǎn)子式和磁阻轉(zhuǎn)子式。其中，級 聯(lián)式為兩臺繞線異步電機同軸級聯(lián)而成，其軸向長度長，難以在空間受到嚴格限制的應(yīng)用 場合使用。專利CN200510047247. X公開了一種雙定子、單轉(zhuǎn)子盤式無刷雙饋交流電機，兩 個定子和一個轉(zhuǎn)子沿軸向布置，轉(zhuǎn)子位于兩個定子中間。兩個定子鐵心均在靠近轉(zhuǎn)子側(cè)單 面開槽，分別嵌放2p極和2q極三相對稱定子繞組，兩套定子繞組相互獨立。轉(zhuǎn)子鐵心雙面 開槽分別嵌放2p和2q極三相對稱轉(zhuǎn)子繞組，兩套轉(zhuǎn)子繞組同相序或反相序連接形成一套 轉(zhuǎn)子繞組。該結(jié)構(gòu)將軸向級聯(lián)的兩臺徑向磁通異步電機改成軸向級聯(lián)的兩臺軸向磁通異步 電機，能夠?qū)崿F(xiàn)期望的雙饋同步運行，但只有在P = q且兩套三相對稱轉(zhuǎn)子繞組反相序連接 形成一套轉(zhuǎn)子繞組時才能達到與有刷雙饋電機相同的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)子體積比。當P尹q時，內(nèi)外 兩層氣隙電磁負荷不能同時取較大值，其轉(zhuǎn)矩體積比約為有刷雙饋電機的〇. 75倍。
[0004] 嵌套環(huán)轉(zhuǎn)子式和磁阻轉(zhuǎn)子式均為單定子結(jié)構(gòu)，即極對數(shù)不同的兩套定子繞組共用 一個定子鐵心，因此，單一極對數(shù)的電磁負荷受到限制，使得轉(zhuǎn)矩體積比也約為有刷雙饋電 機的0. 75倍。
[0005] 為了提高現(xiàn)有無刷雙饋電機的功率密度（功率體積比），專利CN201220025540. 1 提出一種徑向同心布置的雙定子無刷雙饋電機結(jié)構(gòu)。該電機的轉(zhuǎn)子采用內(nèi)、外雙層鼠籠繞 組，在轉(zhuǎn)子沿軸方向的一側(cè)，內(nèi)、外層鼠籠導(dǎo)條分別用兩個相互獨立的公共端環(huán)連接；在轉(zhuǎn) 子沿軸方向的的另一側(cè)，內(nèi)、外層鼠籠導(dǎo)條按照各自所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子本身的 運動方向相反對應(yīng)連接。從而使穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速滿足rv = 60(fp±fq)/(p+q),實現(xiàn)雙饋同步運行。 該結(jié)構(gòu)要求轉(zhuǎn)子內(nèi)、外層導(dǎo)條數(shù)相同，槽數(shù)相同。由于雙定子無刷雙饋電機轉(zhuǎn)子內(nèi)、外層鐵 心之間只有電路連接而無磁路耦合，內(nèi)外層轉(zhuǎn)子鐵心均應(yīng)留有足夠的軛部厚度以避免轉(zhuǎn)子 鐵心提前飽和。使得轉(zhuǎn)子沿半徑方向的厚度增加，以一臺P = 4, q = 2的雙定子無刷雙饋 電機為例，外徑與內(nèi)徑之比可達2:1。如果仍按照先前設(shè)計的雙定子無刷雙饋電機轉(zhuǎn)子結(jié) 構(gòu)，內(nèi)外圓周開槽數(shù)目相同，勢必導(dǎo)致內(nèi)層氣隙電負荷為外層氣隙的2倍，內(nèi)層氣隙磁負荷 為外層氣隙的2倍。由于內(nèi)定子鐵心飽和的限制，外定子鐵心的電磁負荷顯著低于內(nèi)定子， 進而電機單位體積的出力受到限制。
[0006] 綜上可知，現(xiàn)有的無刷雙饋電機在無刷化的同時降低了有刷雙饋電機的功率密度 (約減少25% )。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 技術(shù)問題：本發(fā)明針對傳統(tǒng)雙饋電機存在電刷滑環(huán)的問題，從雙饋電機的運行原 理出發(fā)，將內(nèi)定子和單層鼠籠式轉(zhuǎn)子等效為一個繞線轉(zhuǎn)子，提出一種單層鼠籠式雙定子無 刷雙饋電機，從而在完全實現(xiàn)傳統(tǒng)雙饋電機功能的基礎(chǔ)上取消電刷滑環(huán)，同時保持與有刷 雙饋電機相近的功率密度。
[0008] 技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0009] -種單層鼠籠式雙定子無刷雙饋電機，包括外定子，內(nèi)定子和設(shè)置在外定子和內(nèi) 定子之間的轉(zhuǎn)子，所述外定子、轉(zhuǎn)子和內(nèi)定子同軸心且相互獨立，外定子與轉(zhuǎn)子之間設(shè)有外 氣隙，轉(zhuǎn)子與內(nèi)定子之間設(shè)有內(nèi)氣隙，其特征在于：所述外定子包括外定子鐵心和嵌放在外 定子鐵心槽內(nèi)的極對數(shù)為2p的外定子繞組；所述內(nèi)定子包括內(nèi)定子鐵心和嵌放在內(nèi)定子 鐵心槽內(nèi)的極對數(shù)為2q的內(nèi)定子繞組，其中p和q分別為正整數(shù)，且p與q不相等；所述的 轉(zhuǎn)子為單層鼠籠式轉(zhuǎn)子，包括轉(zhuǎn)子鐵心和單層鼠籠繞組，轉(zhuǎn)子鐵心沿圓周方向均勻設(shè)置有 轉(zhuǎn)子槽，所述的單層鼠籠繞組位于所述的轉(zhuǎn)子槽內(nèi)，單層鼠籠繞組由（P+q)個多回路單元 構(gòu)成，每個多回路單元沿自身角平分線對稱，包括設(shè)置在關(guān)于角平分線對稱的至少兩個轉(zhuǎn) 子槽內(nèi)的導(dǎo)體，在轉(zhuǎn)子鐵心沿軸方向的一側(cè)，對稱設(shè)置的兩個導(dǎo)體用一根端部導(dǎo)體短接形 成至少一個閉合回路，在轉(zhuǎn)子鐵心沿軸方向的另一側(cè)，用一個公共圓環(huán)將所有槽內(nèi)導(dǎo)體短 接。
[0010] 有益效果：本發(fā)明和傳統(tǒng)雙饋電機相比，可以完全實現(xiàn)有刷雙饋電機的功能。本領(lǐng) 域技術(shù)人員知道，靜止電刷與旋轉(zhuǎn)滑環(huán)之間的機械接觸是最容易發(fā)生故障的地方，而且在 高壓環(huán)境下易產(chǎn)生電弧放電，因而在實際應(yīng)用中，需要經(jīng)常性維護。本發(fā)明通過取消電刷滑 環(huán)，提高了所在系統(tǒng)的可靠性，降低了維護成本，是比有刷雙饋電機應(yīng)用范圍更廣的一種電 機類型。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明的單層鼠籠式雙定子無刷雙饋電機截面示意圖；
[0012] 圖2為本發(fā)明的單層鼠籠式雙定子無刷雙饋電機轉(zhuǎn)子截面示意圖；
[0013] 圖3為構(gòu)成本發(fā)明轉(zhuǎn)子的單層鼠籠繞組的展開式示意圖；
[0014] 圖4是一個多回路單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015] 圖中有：1為外定子鐵心，2為外定子繞組，3為轉(zhuǎn)子，4為內(nèi)定子鐵心，5為內(nèi)定子 繞組；31為轉(zhuǎn)子鐵心，32為單層鼠籠繞組，321為一個多回路單元，33為槽內(nèi)導(dǎo)體，34為端 部導(dǎo)體，35為公共端環(huán)。
【具體實施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。
[0017] 如圖1所示，本發(fā)明的單層鼠籠式雙定子無刷雙饋電機，沿徑向由內(nèi)而外依次是 內(nèi)定子鐵心4、內(nèi)定子繞組5,轉(zhuǎn)子3、外定子繞組2和外定子鐵心1，兩個定子與轉(zhuǎn)子3之間 均設(shè)置有氣隙；外定子繞組2極對數(shù)為2p，內(nèi)定子繞組5極對數(shù)為2q，p和q分別為正整數(shù)。 由繞組的基本性質(zhì)可知，為使q對極磁場在P對極繞組中不產(chǎn)生非零感應(yīng)電動勢，即兩套定 子繞組不直接耦合，要求P和q不相等。
[0018] 轉(zhuǎn)子與q對極內(nèi)定子繞組建立的磁場存在轉(zhuǎn)速差時鼠籠繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流。當 鼠籠繞組包含的多回路單元的個數(shù)為|p±q|且|p±q|關(guān)〇時，轉(zhuǎn)子鼠籠繞組可同時產(chǎn)生 P對極和q對極的磁場分量，其中P對極的磁場分量與P對極外定子繞組建立的磁場同步， q對極的磁場分量與q對極內(nèi)定子繞組建立的磁場同步?？紤]到多回路單元的個數(shù)越少， 轉(zhuǎn)子繞組的漏電感越大，選擇所述單層鼠籠繞組由（P+q)個重復(fù)的多回路單元構(gòu)成。每個 多回路單元沿自身角平分線對稱，至少包含一個閉合回路。在轉(zhuǎn)子鐵心沿軸方向的一側(cè)，關(guān) 于角平分線對稱的兩個槽內(nèi)導(dǎo)體33用一根端部導(dǎo)體34短接；在轉(zhuǎn)子鐵心沿軸方向的另一 偵h用一個公共圓環(huán)35將所有槽內(nèi)導(dǎo)體短接。
[0019] 內(nèi)、外定子以及轉(zhuǎn)子鐵心由硅鋼疊片疊壓而成，硅鋼疊片由模具沖壓或線切割制 備。轉(zhuǎn)子閉口槽中插入方形銅導(dǎo)體，端部導(dǎo)體、公共圓環(huán)與槽中導(dǎo)體通過焊接連通。
[0020] 圖1為本發(fā)明一實施例，外定子繞組極對數(shù)p = 4,內(nèi)定子繞組極對數(shù)q = 2,轉(zhuǎn) 子鐵芯沿圓周方向均勻加工36個方形閉口槽，單層鼠籠繞組其展開圖見圖3所示，包括4+2 =6個多回路單元，每6個槽形成一個多回路單元321，每個多回路單元沿自身角平分線對 稱，如圖2所示。在形成一個多回路單元321的6個槽內(nèi)，在第一槽、第三槽、第四槽和第六 槽內(nèi)均設(shè)置有導(dǎo)體33,在轉(zhuǎn)子鐵心沿軸方向的一側(cè)，關(guān)于角平分線對稱的第一槽內(nèi)導(dǎo)體和 第六槽內(nèi)導(dǎo)體用一根端部導(dǎo)體34短接形成第一個回路，跨距為5個槽（第一槽-第六槽）， 關(guān)于角平分線對稱的第三槽內(nèi)導(dǎo)體和第四槽內(nèi)導(dǎo)體用一根端部導(dǎo)體34短接形成第二個回 路，跨距為1個槽（第三槽-第四槽）；在轉(zhuǎn)子鐵心沿軸方向的另一側(cè)，用一個公共圓環(huán)35 將所有槽內(nèi)導(dǎo)體短接。剩余槽內(nèi)中心插入沿軸方向的貫穿螺栓，以增加軸向剛度，然后用樹 脂將槽壁與螺栓之間的剩余空間填充。疊片鐵心沿軸向兩側(cè)用不銹鋼箍壓緊并收緊緊固螺 栓。在軸向一端，轉(zhuǎn)子通過圓盤與轉(zhuǎn)軸固定；在軸的另一端，通過另一圓盤經(jīng)軸承將轉(zhuǎn)子支 撐起來。
[0021] 本發(fā)明無刷雙饋電機的轉(zhuǎn)速nr與兩定子繞組中電流的頻率fp和fq滿足關(guān)系：
[0022] nr=----- (1) p+q
[0023] 轉(zhuǎn)速公式與雙饋電機的類似，不同之處在于有刷雙饋電機的極對數(shù)與一套定子繞 組的極對數(shù)相同，而本發(fā)明提出的雙定子無刷雙饋電機的極對數(shù)為兩套定子繞組極對數(shù)之 和。由式（1)可知，電機轉(zhuǎn)速由兩套定子繞組的電頻率和極對數(shù)共同決定，通過改變一套繞 組或兩套繞組的電頻率就可以靈活實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。采用本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)取得的優(yōu)勢 為：
[0024] (1)由于磁路上存在兩層氣隙，飽和程度低于兩種現(xiàn)有的單定子結(jié)構(gòu)，去刷化的同 時保持雙饋電機的功率密度基本不變；
[0025] (2)極對數(shù)不同的兩套定子繞組分別嵌放在內(nèi)、外定子鐵心中，減小了嵌放繞組的 難度，提高了槽空間利用率。
【權(quán)利要求】
1. 一種單層鼠籠式雙定子無刷雙饋電機，包括外定子，內(nèi)定子和設(shè)置在外定子和內(nèi)定 子之間的轉(zhuǎn)子，所述外定子、轉(zhuǎn)子和內(nèi)定子同軸心且相互獨立，外定子與轉(zhuǎn)子之間設(shè)有外氣 隙，轉(zhuǎn)子與內(nèi)定子之間設(shè)有內(nèi)氣隙，其特征在于：所述外定子包括外定子鐵心（1)和嵌放在 外定子鐵心槽內(nèi)的極對數(shù)為2/7的外定子繞組（2);所述內(nèi)定子包括內(nèi)定子鐵心（4)和嵌放 在內(nèi)定子鐵心槽內(nèi)的極對數(shù)為勿的內(nèi)定子繞組（5)，其中/7和^分別為正整數(shù)，且/7與^不 相等；所述的轉(zhuǎn)子（3)為單層鼠籠式轉(zhuǎn)子，包括轉(zhuǎn)子鐵心（31)和單層鼠籠繞組（32)，轉(zhuǎn)子鐵 心沿圓周方向均勻設(shè)置有轉(zhuǎn)子槽，所述的單層鼠籠繞組（32)位于所述的轉(zhuǎn)子槽內(nèi)，單層鼠 籠繞組由(/7+^)個多回路單元（321)構(gòu)成；每個多回路單元沿自身角平分線對稱，包括設(shè)置 在關(guān)于角平分線對稱的至少兩個轉(zhuǎn)子槽內(nèi)的導(dǎo)體（33)，在轉(zhuǎn)子鐵心沿軸方向的一側(cè)，對稱 設(shè)置的兩個導(dǎo)體（33)用一根端部導(dǎo)體（34)短接形成至少一個閉合回路，在轉(zhuǎn)子鐵心沿軸 方向的另一側(cè)，用一個公共圓環(huán)（35)將所有槽內(nèi)導(dǎo)體短接。
【文檔編號】H02K1/22GK104113174SQ201410354094
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】程明, 韓鵬 申請人:東南大學(xué)