专利名称：定子分区式集成电动/发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种特殊结构的电机，具体地说是一种定子分区式集成电动/发电机。
普通旋转电机均包括有定子和转子，定子由定子铁芯、定子绕组和机座组成。定子绕组是由多个线圈元件绕制在定子铁芯上，并按照电机的不同使用要求和连接规律完成接线，最后产生一组完整的接线端子。只要对接线端子进行恰当的连接和通电，电机即可运行起来。在实际使用中，电机的故障率是较高的，最常见的是某个定子线圈元件的短路或断路。对普通电机来说，任何一个线圈元件的损坏，均可导致整台电机无法继续运行，并可能因彻底失去动力而导致相关系统产生更为严重的后果。
本发明的目的就是提供一种全新定子绕组设置方式的定子分区式集成电动/发电机，以使得某个定子线圈元件的损坏仅仅影响局部功能，而整个电机仍然可以继续运行，从而避免因电机停转对相关系统所产生的严重损害。
本发明是这样实现的定子分区式集成电动/发电机，包括有定子和转子，定子由定子铁芯、定子绕组和机座组成，定子铁芯沿圆周方向等角度均分成至少两个以上的区域，每个分区内绕制有一套完整的、并有一组相对独立接线端子的三相绕组。
在本发明中，定子铁芯的每个分区内均有足够的线槽，以容纳一套完整的三相绕组。尽管每套三相绕组仅仅覆盖定子铁芯的部分区域，但因为是一完整的三相绕组，所以仍具有完整的磁回路和360度的电角度，仍然可以按照普通电机的通电方式通电，并形成一个在局部运行的磁场矢量。这个磁场矢量的运动轨迹在圆形的定子铁芯空间上并不闭合，而是在从所占部分圆周扇区的一端连续转到另一端后，又从起始端开始旋转。由于每套三相绕组相对其他三相绕组在逻辑上是相对独立的，因此每套三相绕组相对整个电机而言，就形成了一个在逻辑上是相对独立的定子，在此称为“逻辑定子”。那么在同一定子铁芯上有多少个定子分区，就可以容纳多少套三相绕组，就有多少个完整的逻辑定子。这些逻辑定子共用同一转子，因此每个逻辑定子均与转子形成一个虚拟的“逻辑电机”。每个逻辑电机均具有一组相对独立、且与普通电机对应的接线端子。所有这些逻辑电机集合在一起，就构成了一台物理意义上的集成电机。
本发明中的转子可以采用交流异步电机中的鼠笼转子。由于鼠笼转子的磁场和电流是由定子绕组感应产生的，转子产生的磁场均与定子绕组的磁矢量位置相对应。对于上述的逻辑定子而言，其工作原理与普通交流异步电机的定子完全一致，而工作形式却有所不同。其差异主要在于逻辑定子磁矢量的变化范围局限于逻辑定子绕组所覆盖的扇区之内，且只是使用与之相应的部分转子。当逻辑定子绕组产生的磁矢量在扇区内转动时，在鼠笼转子内产生的转距效果与普通电机相同，是在保持一定转差率的情况下，跟随矢量旋转的方向旋转。当逻辑定子绕组产生的磁矢量到达扇区终点，也就是到达了电角度的360度时，是接着再从扇区的起点开始的。就电角度而言，这仍然是连续的。尽管转子可能已经转过了一定的角度，但此时对应于该逻辑定子的那部分转子的结构却仍然是完整和相同的，可以理解为存在着一个动态的“逻辑转子”与逻辑定子相对应。因此，尽管转子不停地转动，但逻辑转子所在部分总以同样的方向和转差率对磁场矢量的运动进行跟随。这样，整个物理转子(即鼠笼转子)就可以在一个逻辑定子和一个逻辑转子的作用下实现平稳、连续的转动。
由于定子分区是独立的，逻辑定子在绕组和磁路结构上是完整的，同时，即使是在动态环境下，任一时刻总会有对应的逻辑转子的存在，因此逻辑定子和相应的逻辑转子总是可以形成一个完整的“逻辑电机”。由于每个定子分区内均有一个逻辑定子，使得整个鼠笼转子上的每一部分在任一时刻都会与某一逻辑定子相对应。这样在一台电机上，实际上就形成了数个逻辑电机的集合体，由此而构成一台定子分区式交流异步集成电机。当某一定子线圈元件出现故障时，只会影响其所在逻辑定子的工作，而整个集成电机在其他逻辑定子的带动下，仍可继续维持运行，直至维修，使其安全性得到成倍的提高。当所有逻辑定子共同工作时，由各逻辑转子“组成”的整个物理转子亦达到了最高的利用率。
本发明的转子还可以采用永磁无刷直流电机的转子，转子上的磁极对数与定子铁芯上的分区数相同，且转子上的所有磁极均等距对称分布。在无刷直流电机中，转子的磁场是由永磁器件所固定生成的，与定子磁场变化无关。逻辑定子的磁矢量每完成一个360度电角度的循环，就相当于磁矢量转过了一个物理扇区，即从扇区的起始端转动到了结束端。因为这个磁矢量的作用，在没有发生失步的前提下，与该扇区对应的逻辑转子所在的一对磁极也会同步转过与该扇区相应的机械角度。因磁极镶嵌于物理转子之上，所以又使得整个物理转子转过同样的机械角度。然而，当逻辑定子进入下一个360电角度的循环时(即磁矢量又返回对应扇区的起始端)，原先的那一对转子磁极已经转出该扇区，因此，在本集成电机的物理转子上至少必须另有一对结构相同、方向一致、场强相等的磁极及时转入该扇区的作用范围之内，即进入扇区的起始端，以继续下一电循环期间稳定地带动物理转子的运行。
因此，对于定子分区式无刷直流集成电机而言，物理转子上的磁极对数一定与定子分区数相同，并且所有磁极亦应等距、对称分布，以与逻辑定子相配合，组成逻辑电机的集合体。
如果集成电机的定子分区只有一个，则只能对应一对转子磁极。此时如果定子分区所对应的扇形区域为整个圆周，则该集成电机就成为一台一对极结构的普通电机；若将该定子分区所对应的扇形区域在圆周长度不变的情况下，充分扩大其半径，就又可以理解成为一台直线电机。换言之，普通电机和直线电机又可被看作是集成电机在只有一个定子分区时的两个特例。
一般而言，任何具有足够数量线槽的物理定子均可分成N个(N≥2)相等的扇区，容纳N个逻辑定子。这些逻辑定子位于同一壳体内，嵌入同一定子铁芯，共用同一转子。各个逻辑定子的所有元件按所在扇区均匀排布于集成电机的定子圆周之上，共有N组。各组元件的导线截面、绕制圈数、连接关系等物理与电气参数应力求一致，以充分利用物理定子的线槽空间，并有利于物理转子内部力距的分配与平衡。各个逻辑电机中的线圈元件的连接方式必须相同，以在相同的供电、负载和控制环境下，保证各个逻辑电机在相应的物理定子扇区之内具有相同运行方向和相同运行角速度的磁场矢量，从而保证在该环境下，各个逻辑电机能够进行正确的功率叠加。这些相同的连接方式和连接结构又与相应的普通电机元件间的连接方式及连接结构在逻辑上等同，以便按照对普通电机的控制方式控制每一个逻辑电机，但组间相互隔离，最后引出N组独立的接线端子。与逻辑定子不同，集成电机中并不存在静止、固定、或是与某个逻辑定子在物理意义上严格对应的具体逻辑转子。任何一个逻辑电机转子都是动态生成的，也可认为这是该时刻物理转子上的一个特定“扇区”。每一时刻均会出现对应于逻辑定子的这样一个“扇区”，即任何一个逻辑定子在每一时刻，均会保持、并只有一个逻辑转子与之对应。
由此看来，N个静态的逻辑定子和N个动态的逻辑转子共同形成了N个具有完全相同的物理和电气结构的逻辑电机，进而构成了一台物理上的集成电机。因其结构相同，工作电压相等，所有逻辑电机的工作电流之和应为集成电机总的工作电流，所有逻辑电机的功率之和则为集成电机的总功率。
在本发明中，各三相绕组的接线端子分别连接一个控制器。这样，一方面对一台大功率的集成电机的控制可以转化成为对N个相对较小功率的逻辑电机的并行控制，从而将难度较大的大功率控制转换成为相对难度较小的小功率、多单元控制。各控制器应具备同步功能，以便能够按照严格同步的原则并联工作。另一方面，当某个逻辑电机或控制器发生故障或受到外力损伤而无法运行时，只会影响单个逻辑电机的运行，集成电机上还有N-1个逻辑电机能够正常运转。虽然总的输出功率会受到影响，但不至于完全停机而使相关系统瘫痪。极限情况是每一逻辑电机可在其它逻辑电机不参加工作的情况下单独驱动整个集成电机的运行。由此实现了集成电机的带故障运行。此外，还可以通过改变其他逻辑电机的运行参数而在一定范围内做到“功能代偿”式运行。这样就可以有效地提高电机运行的可靠性与安全性。本发明的核心正在于此。
本发明中的定子分区式无刷直流集成电机还可直接作为发电机来使用。此时每一逻辑电机都是一个独立的发电机，要是将它们完全并联使用，就成为一台集成式发电机。
下面结合附图
和实施例详述本发明。
附图是本发明为采用双联装结构时定子分区式无刷直流集成电机的结构示意图。
如图所示，在电机定子铁芯1上有两个各为180度角的分区，每个分区上有12个定子线槽，并各按照单对磁极12线槽、标准三相无刷直流电机的下线方式绕制有三相绕组2，形成两个结构完全一致的逻辑定子，每个逻辑定子上引出一组独立的接线端子。在转子3上镶嵌有等距、对称分布的两对永久磁极。由此形成了由两个逻辑电机U1、U2构成的双联装定子分区式无刷直流集成电机M。
在两组相对独立的接线端子上，各连接一个独立的控制器C1、C2。每个逻辑电机的加载、控制和运行过程都是完全独立的，即可在另一台逻辑电机处于关闭的状态下独立运行。当然还可以高度并行的方式进行统一控制。其具体方法一种是通过在两个控制器C1、C2之间加装同步控制器T的方式予以实现。同步控制器T可以是由一个CPU控制信号驱动电路所组成。另一种就是采用本申请人在先申请(申请号02124038.8)的“网络协调式同步阵列控制器”的方式予以实现。这样，在联机运行时就能使各控制器之间相互协调以使相应的两个逻辑电机能以高度并行的方式工作，亦即在集成电机M的最终输出方面等效于一台与其总的功率相同的普通电机。此外，还可将接线端子直接并联，共接一台功率相当的控制器。在这种方式下，集成电机则完全等同于一台相应的两对极普通电机。
权利要求
1.一种定子分区式集成电动/发电机，包括有定子和转子，定子由定子铁芯、定子绕组和机座组成，其特征在于定子铁芯(1)沿圆周方向等角度均分成至少两个以上的区域，每个分区内绕制有一套完整的、并有一组相对独立接线端子的三相绕组(2)。
2.根据权利要求1所述的定子分区式集成电动/发电机，其特征在于转子(3)为鼠笼转子。
3.根据权利要求1所述的定子分区式集成电动/发电机，其特征在于转子(3)为永磁式无刷直流电机的转子，转子(3)上的磁极对数与定子铁芯上的分区数相同，且转子上的所有磁极等距对称分布。
4.根据权利要求1所述的定子分区式集成电动/发电机，其特征在于定子铁芯(1)上各三相绕组(2)中线圈元件的连接方式相同。
5.根据权利要求1所述的定子分区式集成电动/发电机，其特征在于各三相绕组(2)的接线端子分别连接一个控制器(4)。
全文摘要
本发明是一种特殊结构的电机，其结构包括有定子和转子，定子由定子铁芯、定子绕组和机座组成，定子铁芯沿圆周方向等角度划分有至少两个以上的区域，每个分区内绕制有一套完整的、并有一组独立接线端子的三相绕组。本发明可以使得某个定子线圈元件的损坏仅仅影响局部功能，而整个电机仍然可以继续运行，从而避免因电机停转对相关系统所产生的严重损害。本发明可以实现电机的带故障运行和“代偿式”运行，从而有效地提高电机运行的可靠性与安全性。
文档编号H02K1/12GK1479429SQ02129218
公开日2004年3月3日 申请日期2002年8月28日 优先权日2002年8月28日
发明者原泽, 季小尹, 原亮, 栗彤, 原 泽 申请人:原泽, 原 泽