一种交流无刷双馈电机的制作方法
【专利摘要】本实用新型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pr＝p1+p2，转子等效极距为τr，大齿齿宽区间和小齿齿宽区间之和为τr，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Zr，每个大齿上分别围绕有一自闭合的线圈。本实用新型结构紧凑，转子损耗小，效率高，运行可靠。
【专利说明】
一种交流无刷双馈电机
技术领域
[0001] 本实用新型涉及电机，具体来说涉及一种交流无刷双馈电机。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。 【实用新型内容】
[0004] 为了克服现有技术的不足，本实用新型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。
[0005] 本实用新型的目的通过以下技术方案实现：
[0006] -种交流无刷双馈电机，包括定子和转子，定子具有分别为?1和?2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 Pl+p2个，该转子等效极对数pr = Pl+p2,转子等效极距为^，大齿齿宽区 间和小齿齿宽区间之和为Tr，大齿和小齿之间间隔形成对称且非均匀分布的2(pi+p 2)个转 子齿槽Zr，每个大齿上分别围绕有一自闭合的线圈。
[0007] 优选地，转子齿槽Zr为偶数个。
[0008] 优选地，线圈跨距yr<Tr。
[0009] 优选地，大齿上开有开口空槽。
[0010] 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。
[0011] 优选地，开口空槽为多个，在转子的外表分布。
[0012] 优选地，开口空槽的两侧分别开有沿转子轴向延伸的窄槽。
[0013] 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。
[0014] 与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：
[0015] 本实用新型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】
[0016] 图1为本实用新型齿谐波感应线圈的示意图；
[0017] 图2a为本实用新型Zr = pr = 4齿谐波绕组布置示意图之一；
[0018] 图2b为本实用新型Zr = pr = 4齿谐波绕组布置示意图之二；
[0019] 图3为本实用新型齿谐波磁阻和回路环转子混合结构示意图；
[0020] 图4为本实用新型实施例1的2/6极齿谐波转子冲片图；
[0021] 图5为本实用新型实施例1的2/6极齿谐波转子结构示意图；
[0022] 图6为本实用新型实施例2的4/8极齿谐波转子冲片图；
[0023] 图7为本实用新型实施例2的4/8极齿谐波转子结构示意图；
[0024]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】
[0025]下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
[0026]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Pi 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 Pl+p2个，该转子2等效极对 数pr = pi+P2,转子2等效极距为Tr，大齿21齿宽区间和小齿22齿宽区间之和为·^，大齿21和小 齿22之间间隔形成对称且非均匀分布的2( Pl+p2)个转子齿槽Zr，每个大齿21上分别围绕有 一自闭合的线圈23。
[0027] 其中，本例所述的转子齿槽Zr为偶数个。线圈23跨距yr< τ:。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。
[0028] 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PdPp 2,两者之和为转子2对应的等效极对数：
[0029] pr = pi+P2,
[0030] 则，构成齿谐波绕组所需要的转子齿槽数为：
[0031] Zr = Pr = Pl+P2，
[0032] 因为感应线圈23嵌放在每个转子齿槽，因此Zr也是感应线圈23的个数。若Zr = Pr不 为偶数，则两种极数合成后的气隙磁场将会不对称。
[0033]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Ipi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?1和?2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Zr有关，这些谐波极对数满足关系式Pv = kZr ± P1 ( k = O，1，2，3…），因而被称为齿谐波。
[0034] 齿谐波转子2绕组中共含有Zr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 = Zr = pr。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Zr无关的相带谐波，所产生的全部谐波均为齿谐波。若假定 Pl< P2,则这些齿谐波中最小极对数Sp1，也即Pv的集合中不会出现极数小于 ?1的低次齿谐波。
[0035] 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：
[0036] 1)相邻两个齿谐波磁动势旋转方向相反；
[0037] 2)所有齿谐波磁动势的绕组系数相等。
[0038] 本交流无刷双馈电机定子1同时具有pi和P2两种极对数，也要求转子2绕组能同时 产生极对数PdPp2且旋转方向相反的磁动势波，并对于两种极对数PdPp 2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。
[0039] 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^ = Zr/pr，线圈23节距(跨距)则为yr = L，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勾分布的P1+P2个转子齿槽Zr。
[0040] 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PdPp2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<ir，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。
[0041 ]图2a、图213所示为Pi = I，p2 = 3，Zr = pr = pi+p2 = 4，Tr = Zr/pr=l齿谐波绕组布置示 意图。其中图2a为线圈23节距yr=ir的齿谐波整距绕组；图2b为线圈23节距
的齿谐 波短距绕组，
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槽非均勾分布的大小齿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。
[0042]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Fv表示磁动 势相对幅值，而Fv+表示正转波Fv-表示反转波。
[0043]表 1
[0044] Pr = pi+P2 = 4齿谐波绕组磁动势谐波分析
[0047] 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
1短距，相对于齿谐波短距绕组和整距绕组中极对数Pv=I和p v = 3这两个基波而言， 幅值较大的极对数Pv = 5的高次谐波相对幅值，从60.0000降为29.9320，极对数Pv = 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。
[0048] 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Zr = pr = Pl+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。
[0049] 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心增加到如，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3 2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PdPp 2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。
[0050] 实施例1
[0051 ]设计pi = 1和P2 = 3的齿谐波转子2结构方案。
[0052] 本例的pr = pi+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 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。
[0053] 实施例2
[0054]设计pi = 2和P2 = 4的齿谐波转子2结构方案。
[0055] 本例的pr = Pl+p2=mr = 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， 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圆周气隙的非均勾分布，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。
[0056]本实用新型的实施方式不限于此，按照本实用新型的上述内容，利用本领域的普 通技术知识和惯用手段，在不脱离本实用新型上述基本技术思想前提下，本实用新型还可 以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本实用新型权利保护范围之内。
【主权项】
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PdPp2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 Pl+p2个，该转子等效极对数pr = Pl+p2,转子等效极距为τΓ， 大齿齿宽区间和小齿齿宽区间之和为Tr，大齿和小齿之间间隔形成对称且非均匀分布的2 (Pi+p 2)个转子齿槽Zr，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Zr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yr<Tr。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。
【文档编号】H02K1/26GK205489852SQ201620096976
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年1月29日
【发明人】王雪帆, 杨华
【申请人】广东上水能源科技有限公司, 华中科技大学