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CN109256879A - 一种内外层永磁体错位的双定子电机 - Google Patents

一种内外层永磁体错位的双定子电机 Download PDF

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CN109256879A
CN109256879A CN201811286682.1A CN201811286682A CN109256879A CN 109256879 A CN109256879 A CN 109256879A CN 201811286682 A CN201811286682 A CN 201811286682A CN 109256879 A CN109256879 A CN 109256879A
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China
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permanent magnet
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double
motor
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吴立建
朱旻宸
孟迎
钟云龙
黄晓艳
方攸同
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Zhejiang University ZJU
Shanghai Electric Wind Power Group Co Ltd
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Zhejiang University ZJU
Shanghai Electric Wind Power Group Co Ltd
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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

本发明公开了一种内外层永磁体错位的双定子电机，包括从外到内依次套接的外定子、转子和内定子，所述外定子包括外定子铁芯以及缠绕在外定子铁芯槽内的外定子线圈，所述内定子包括内定子铁芯以及缠绕在内定子铁芯槽内的内定子线圈；所述的转子包括圆环状的转子铁芯、均匀安装在转子铁芯外侧的若干个外层永磁体以及均匀安装在转子铁芯内侧的若干个内层永磁体，每个外层永磁体和对应的内层永磁体之间错位一定角度。利用本发明，可以减小电机的齿槽转矩和转矩波动，提升电机的稳态性能和运行可靠性。

Description

一种内外层永磁体错位的双定子电机
技术领域
本发明属于电机领域，尤其是涉及一种内外层永磁体错位的双定子电机。
背景技术
双定子永磁电机与传统单定子电机不同，具有内、外两个定子，与转子之间存在内、外两个气隙。当电动运行时，内、外定子线圈中的有功电流产生的电磁转矩共同作用于转子上；发电运行时，内、外两个定子线圈中均有感应电压产生。因此具有功率密度高、过载能力强、材料利用率高等特点，在风力发电，数控机床等领域有很高的研究价值和意义。
但是现有的双定子永磁电机结构设计存在一些不足：目前为止，对于双定子永磁电机的转子设计来说，现有大多的转子内外层磁极均一致设计，如公开号为CN103780036A的中国专利文献公开的一种双定子结构的高温超导永磁风力发电机，这会造成电机的齿槽转矩和转矩波动较大，影响电机的稳态运行特性，而已有的内、外定子错位法虽然能抑制齿槽转矩和转矩波动，但是电机的安装和内、外定子错位角度的矫正上存在诸多不便。
公开号为CN104883016A的中国专利文献公开了一种双定子磁场调制型永磁电机，转子由相间排列的导磁体和非导磁体组成；外定子由外定子齿、径向充磁永磁体和电枢绕组构成，永磁体贴于外定子齿的内表面，同一定子齿上相邻永磁体的充磁方向相反；内定子仅由沿圆周方向开槽的内定子齿和置于槽内的电枢绕组构成，而无永磁体。该电机结构通过省去转子导磁轭部，减小转子尺寸，降低铁耗来提高了功率密度和效率，但是结构过于复杂。
因此，如何设计双定子电机的转子拓扑，使其能够有效抑制齿槽转矩和转矩波动，同时又便于生产和安装是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种内外层永磁体错位的双定子电机，可以减小电机的齿槽转矩和转矩波动，提升电机的稳态性能和运行可靠性。
本发明采用的技术方案是：
一种内外层永磁体错位的双定子电机，包括从外到内依次套接的外定子、转子和内定子，其特征在于，所述外定子包括外定子铁芯以及缠绕在外定子铁芯槽内的外定子线圈，所述内定子包括内定子铁芯以及缠绕在内定子铁芯槽内的内定子线圈；
所述的转子包括圆环状的转子铁芯、均匀安装在转子铁芯外侧的若干个外层永磁体以及均匀安装在转子铁芯内侧的若干个内层永磁体，每个外层永磁体和对应的内层永磁体之间错位一定角度。
本发明的电机结构，当外、内定子线圈绕组中通入三相交流电时，内、外定子侧产生了旋转的磁场，带动转子铁芯上内层永磁体和外层永磁体产生的转子侧磁场进行同步旋转，产生转矩从而实现电能-机械能的转化。外层永磁体和内层永磁体错位了一定角度，因此产生的转矩波动也相互错开了对应的角度，二者相加得到的总电磁转矩波动恰好相位相反可以抵消，减小了齿槽转矩和电磁转矩波动，从而提高了电机运行的稳态特性。
作为优选，每个外层永磁体和对应的内侧永磁体之间错位的角度为：
θ＝(1+2k)*π/NL
其中，NL为内、外定子槽数Qs与转子极数2p(p为转子极对数)的最小公倍数，k为非负整数，使得转子内外磁极产生的转矩波动相互抵消，减小了电机的齿槽转矩和转矩波动。
作为优选，所述外定子铁芯和转子之间存在外气隙，所述转子和内定子铁芯之间存在内气隙，气隙均匀分布。
本发明设置的外气隙和内气隙均可进行能量交换，具有更高的功率密度，可以实现更大单机容量，可根据具体工况要求调整气隙的径向间距以及内外气隙的轴向长度比。
作为优选，每个外层永磁体和对应的内层永磁体的充磁方向一致，相邻的外层永磁体和相邻的内层永磁体的充磁方向相反。
作为优选，所述外定子铁芯与内定子铁芯沿着所述的转子对称分布，外定子铁芯与内定子铁芯的齿部一一对齐。
作为优选，所述外定子铁芯和内定子铁芯的轴向长度相等。
作为优选，所述外定子铁芯和内定子铁芯均由硅钢片叠加而成，减小了双定子发电机的涡流损耗，提升了所述发电机的效率。
所述内定子线圈与外定子线圈材料为铜或铝等导电材料，具体绕制方式可根据实际运行工况进行设计，如整距、短距叠绕组，波绕组及分数槽集中绕组等等。
此外，可以根据功率分配改变内外线圈的匝数比，内、外定子铁芯上的绕组形式可统一设计或独立设计，绕组中通入交流电流产生旋转磁场带动转子达到稳定电动运行状态。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明电机将转子内、外磁极错位的实现方法简单，可以有效抑制电机的齿槽转矩和转矩波动，提高电机的稳态性能；
2、本发明电机的内、外层永磁体结构简单，安装方便，同时具有很高的运行可靠性；
3、本发明电机的内、外绕组的绕制方式可根据实际运行工况进行设计，内外线圈匝数比随功率分配变化而调节，也可针对内、外定子，绕组形式可统一设计或独立设计，达到最优的绕组组合，提高电机的效率和可靠性。
4、本发明的电机具有功率密度高的特点，可以实现相同功率等级下电机的轻量化。
附图说明
图1为本发明的轴向截面示意图；
图2为本发明转子部分的轴向截面示意图。
图中：1、外定子铁芯，2、外层永磁体，3、转子铁芯，4、内层永磁体，5、内定子铁芯，6、外定子线圈，7、内定子线圈。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，以下结合附图进一步详细描述本发明的技术内容和具体实施方式。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明。
如图1所示，一种交替磁极的双定子永磁发电机，图中所示为部分截面，包括：外定子铁芯1、外层永磁体2、转子铁芯3、内层永磁体4、内定子铁芯5、外定子线圈6和内定子线圈7。
如图2所示，外层永磁体2安装在转子铁芯3外侧，内层永磁体4安装在转子铁芯3侧，外层永磁体2和内层永磁体4相互错位一定的角度θ。
θ＝(1+2k)*π/NL
其中，NL为内、外定子槽数Qs与转子极数2p的最小公倍数，k＝0,1,2,3…。
本实施例中，相邻的外层永磁体和相邻的内层永磁体之间都相互等间隔分布，相邻的外层永磁体和相邻的内层永磁体之间也可以相互连接，根据极弧系数不同可以对间隔的大小进行调整。
本发明的具体实施原理如下：
当外定子线圈6和内定子线圈7的绕组中通入三相交流电时，内、外定子侧产生了旋转的磁场，带动转子铁芯3上内层永磁体4和外层永磁体2产生的转子侧磁场进行同步旋转，产生转矩从而实现电能-机械能的转化。由于转子侧同时采用了内层永磁体4和外层永磁体2进行励磁，内外气隙均有能量交换，所以本发明相比单定子永磁电机具有更高转矩密度的特点。
此外，由于本发明中，外层永磁体2和内层永磁体4错位了一定角度，因此在内外气隙中产生的转矩波动也相互错开了对应的角度，二者相加得到的总电磁转矩波动恰好相位相反可以抵消，减小了齿槽转矩和电磁转矩波动，从而提高了电机运行的稳态特性。
内定子铁芯5与外定子铁芯1形状相同，且在转子两侧对称放置。内、外定子铁芯在安装时，齿部一一对齐，内、外定子铁芯在运行中不易受到电磁激振力的影响，同时具有加工简单，安装方便的特点。此外，内定子铁芯5与外定子铁芯1均由硅钢片叠压而成，从而抑制电机的涡流损耗。
内定子线圈7、外定子线圈6分别绕制在内定子铁芯5和外定子铁芯1中的槽内。内定子线圈7和外定子线圈6的具体绕制方式可根据实际运行工况进行调节设计，内外定子绕组的绕制也可同一或独立设计，具有很高的可扩展性，此外内定子线圈7和外定子线圈6的匝数比也随内外气隙功率而调节，避免局部功率不均匀导致的发热及不稳定问题，实现最优的分配组合，提高电机运行的效率和稳定性。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明的解释说明，并不是对本发明进行限制，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所述的具体内容，在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、替换和改变等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种内外层永磁体错位的双定子电机，包括从外到内依次套接的外定子、转子和内定子，其特征在于，所述外定子包括外定子铁芯以及缠绕在外定子铁芯槽内的外定子线圈，所述内定子包括内定子铁芯以及缠绕在内定子铁芯槽内的内定子线圈；
所述的转子包括圆环状的转子铁芯、均匀安装在转子铁芯外侧的若干个外层永磁体以及均匀安装在转子铁芯内侧的若干个内层永磁体，每个外层永磁体和对应的内层永磁体之间存在错位。
2.根据权利要求1所述的内外层永磁体错位的双定子电机，其特征在于，每个外层永磁体和对应的内侧永磁体之间错位的角度为：
θ＝(1+2k)*π/NL
其中，NL为内、外定子槽数Qs与转子极数2p的最小公倍数，k为非负整数。
3.根据权利要求1所述的交替磁极的双定子永磁发电机，其特征在于，所述外定子铁芯和转子之间存在外气隙，所述转子和内定子铁芯之间存在内气隙。
4.根据权利要求1所述的内外层永磁体错位的双定子电机，其特征在于，每个外层永磁体和对应的内层永磁体的充磁方向一致。
5.根据权利要求1所述的内外层永磁体错位的双定子电机，其特征在于，相邻的外层永磁体和相邻的内层永磁体的充磁方向相反。
6.根据权利要求1所述的内外层永磁体错位的双定子电机，其特征在于，所述外定子铁芯与内定子铁芯沿着所述的转子对称分布。
7.根据权利要求1所述的内外层永磁体错位的双定子电机，其特征在于，所述外定子铁芯和内定子铁芯的轴向长度相等。
8.根据权利要求1所述的内外层永磁体错位的双定子电机，其特征在于，所述外定子铁芯和内定子铁芯均由硅钢片叠加而成。
9.根据权利要求1所述的内外层永磁体错位的双定子电机，其特征在于，外定子线圈和内定子线圈的绕组方式为整距绕组、短距叠绕组，波绕组或分数槽集中绕组。
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