一种凸极绕线转子无刷双馈交流电机的制作方法

本实用新型涉及交流电机，特别涉及一种凸极绕线转子无刷双馈交流电机。

背景技术：

现有的单电机无刷双馈交流电机，定子铁心上嵌放两套不同极数的绕组，分别用作功率绕组和控制绕组，转子为无刷结构，通过转子对定子两套绕组电流产生磁场的调制作用，实现机电能量转换；在电动机运行方式下，可异步运行和同步运行，并可通过改变控制绕组电流的频率、幅值和相位，实现低于和高于同步速的双馈调速运行；在发电机运行方式下，则可通过控制绕组的交流励磁实现变速恒频运行；由于控制绕组所需要的变流器功率较小和控制系统成本较低，无刷双馈种电机在大中型交流电机调速系统和变速恒频发电系统中具有良好的应用前景。

由于无刷双馈电机的机电能量转换是基于转子对于不同极数定子功率绕组和控制绕组电流磁场的调制作用来实现的，因此，如何优化转子结构设计提高其磁场调制能力成为无刷双馈电机设计的关键技术。无刷双馈电机转子对于定子绕组电流产生磁场的调制作用主要有两种方式，一种是通过转子绕组感应电流产生磁场对定子绕组电流磁场的调制作用；另一种是通过转子铁心的磁路结构限定定子绕组电流磁场在转子铁心中的路径；由此产生了两类不同的无刷双馈电机转子结构，一类是基于电路设计的转子绕组结构，另一类是基于磁路设计的磁阻转子结构。

无刷双馈电机的转子绕组有多种形式，如单层同心式笼型短路绕组，也可采用特殊设计的多层多匝绕组；无刷双馈电机磁阻转子一般有三种结构，一是在叠片转子铁心上开槽的凸极磁阻转子；二是采用轴向叠片的隐极磁阻转子；三是径向叠片的隐极磁阻转子；绕线转子和磁阻转子无刷双馈电机各有利弊，前者仅利用了转子绕组电流产生的磁动势对于定子绕组磁场的调制作用，而后者则仅利用了转子磁阻对于定子磁场的调制作用，二者皆未综合利用转子磁动势和磁导共同对于定子磁场的调制作用。

实用新型名称为“复合转子无刷双馈电机”，专利申请号：201110028898的实用新型专利公开了在转子铁心上开倒梯形槽以及在槽间设置铜导条的笼型转子结构；样机实验结果表明，这种复合转子结构虽然综合利用了转子磁动势和磁导对于定子磁场的调制作用，但其效果和性能并不理想。

主要问题有三点：

①由于在转子铁心和转轴之间采用了非导磁材料的隔磁环，增加了转子的工艺复杂性和制造成本；

②调速范围不够宽，难以实现较高转速(≥1000r/min)的双馈调速；

③由于实心导条放在窄而深的转子槽中，导条电流的集肤效应导致转子损耗增大和电机效率降低。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种通过凸极转子与绕线转子的相结合，增强其综合利用转子磁动势和磁阻对于定子磁场的调制能力，同时又可保持其结构简单和成本低廉的凸极绕线转子无刷双馈交流电机。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种凸极绕线转子无刷双馈交流电机，包括定子、转子、转轴和控制器，定子的铁心槽中放置了两套独立的三相对称绕组，分别为主绕组和控制绕组，主绕组出线端子A₁、B₁、C₁与具有固定频率的交流电源相连接，控制绕组出线端子A₂、B₂、C₂通过控制器与交流电源相连接；所述转子为凸极式绕线转子无滑环电刷结构，其包括具有p+q个凸极的转子铁心，转子铁心安装在转轴上,所述转子铁心的外缘上均布有p+q个倒梯形槽，凸极与倒梯形槽之间间隔设置，凸极中心开有半开口的第一半开口槽；所述主绕组极数为2p，控制绕组极数为2q，且2q≥2p+4；

凸极第一半开口槽的两侧开有以凸极中心线为对称轴的至少一对半开口槽，半开口槽包括第二半开口槽和第三半开口槽，在凸极的第一、第二、第三半开口槽中相对应的放置了多匝第一、第二、第三短路线圈，多匝短路线圈的两个线圈边分别放置在以倒梯形槽中心线为对称轴的相邻凸极上的半开口槽中。

在本实用新型的一个实施例中，所述转子铁心由导磁电工钢片叠压而成。

在本实用新型的一个实施例中，每个凸极的两侧边平行，凸极的外沿和倒梯形槽底边呈圆弧状，其圆弧中心与转子铁心内圆同圆心。

在本实用新型的一个实施例中，第一、第二、第三半开口槽的底部与转子铁心内径之间均留有一定的距离，第一、第二、第三半开口槽的深度随其与凸极中心线距离的增加而减小。

在本实用新型的一个实施例中，第一、第二、第三短路线圈相互独立，在电路上没有联系；位于凸极第一半开口槽中的短路线圈采用双层结构，一个线圈边放在第一半开口槽的上层，另一线圈边依次放在相邻凸极第一半开口槽的下层，第一、第二半开口槽中的短路线圈采用单层结构，每个半开口槽中仅放置一个短路线圈边。

通过上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1、通过凸极磁阻转子与绕线转子的巧妙结合，综合利用了转子磁动势和磁阻对于定子磁场的调制能力，提高了无刷双馈电机的机电能量转换效率。

2、通过定转子绕组极数和结构的巧妙配合与优化设计，扩大了无双馈电机的调速范围，实现了较高转速(≥1500r/min)的双馈调速。

3、通过采用多匝短路线圈，减小了深槽转子绕组电流集肤效应产生的附加损耗，提高了转子绕组的利用率和电机效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型凸极绕线转子无刷双馈交流电机的结构示意图；

图2为本实用新型凸极绕线转子无刷双馈交流电机定子绕组示意图；

图3为本实用新型凸极绕线转子无刷双馈交流电机一种转子铁心与绕组结构示意图；

图4为本实用新型凸极绕线转子无刷双馈交流电机另一种转子铁心与绕组结构示意图；

图中数字和字母所表示的相应部件名称：

10、定子 11、主绕组 12、控制绕组 20、转子 21、转子铁心 22、凸极 22a、第一半开口槽 22b、第二半开口槽 22c、第三半开口槽 23、倒梯形槽 24、第一短路线圈 25、第二短路线圈 26、第三短路线圈 30、转轴 40、控制器 50、交流电源。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

参见图1至图3所示，本实用新型公开了一种凸极绕线转子无刷双馈交流电机，包括定子10、转子20、转轴30和控制器40，定子10的铁心槽中放置了两套独立的三相对称绕组，分别为主绕组11和控制绕组12，主绕组11出线端子A₁、B₁、C₁与具有固定频率的交流电源50相连接，控制绕组12出线端子A₂、B₂、C₂通过控制器40与交流电源50相连接；转子20为凸极式绕线转子无滑环电刷结构，其包括具有p+q个凸极22的转子铁心21，转子铁心21由具有良好导磁性能的电工钢片叠压而成，转子铁心21固定安装在转轴30上,转子铁心21的外缘上均布有p+q个倒梯形槽23，凸极22与倒梯形槽23之间间隔设置，凸极22中心开有半开口的第一半开口槽22a，每个凸极22的两侧边平行，凸极22的外沿和倒梯形槽23底边呈圆弧状，其圆弧中心与转子铁心21内圆同圆心。

本实用新型主绕组11极数为2p，控制绕组12极数为2q，主绕组11和控制绕组12的极数不相等，而且需满足下述关系：2q≥2p+4；为了实现超同步宽范围的双馈调速运行，需要选用少极数的2p极作为无刷双馈电机定子的主绕组，而多极数的2q极作为控制绕组，在双馈调速运行范围较小时，可以采用多极数的2q极作为主绕组，而少极数的2p极作为控制绕组；以2p＝2和2q＝6为例，当调速范围≥1000r/min时，需要选用主绕组为2极，而控制绕组为6极；如果调速范围≤900r/min，则可以采用6极作为主绕组而2极作为控制绕组；为了避免绕组产生环流，主绕组和控制绕组尽可能采用星型接线方式，避免采用多支路角型接线方式。

本实用新型凸极第一半开口槽22a的两侧开有以凸极22中心线为对称轴的至少一对半开口槽，半开口槽包括第二半开口槽22b和第三半开口槽22c，凸极上开槽的作用，是利用转子磁路的磁阻进行导向，使磁通按照最佳路径通过转子；在凸极22的第一、第二、第三半开口槽中相对应的放置了多匝第一短路线圈24、第二短路线圈25以及第三短路线圈26，多匝短路线圈的两个线圈边分别放置在以倒梯形槽中心线为对称轴的相邻凸极上的半开口槽中。

本实用新型第一、第二、第三半开口槽的底部与转子铁心21内径之间均留有一定的距离，以满足转子铁心强度和刚度的要求；第一、第二、第三半开口槽的深度随其与凸极22中心线距离的增加而减小，以满足槽对于转子磁通的导向要求。

本实用新型第一、第二、第三短路线圈相互独立，在电路上没有联系；位于凸极第一半开口槽22a中的短路线圈采用双层结构，一个线圈边放在第一半开口槽的上层，另一线圈边依次放在相邻凸极第一半开口槽22a的下层，第一、第二半开口槽中的短路线圈采用单层结构，每个半开口槽中仅放置一个短路线圈边；在上述半开口槽中放置多匝短路线圈的作用，是利用转子短路线圈中感应电流产生的磁动势调制定子绕组电流产生的磁场。

本实用新型凸极绕线转子不限于图3所示结构形式，图4为本实用新型凸极绕线转子的另一种结构形式；与图3所示结构不同的是，图4所示转子结构，仅在位于凸极22中心线上第一半开口槽22a中放置了第一短路线圈24，而在第二、第三半开口槽中没有放置短路线圈，特别适用于极数较多而极宽尺寸较小的转子，可以简化转子制造工艺。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。