一种磁阻型混合磁路无刷双馈电机的制作方法

1.本发明属于电机领域，具体涉及一种磁阻型混合磁路无刷双馈电机。


背景技术：

2.能源危机和环境污染是当今世界的两大难题。风能作为一种洁净可再生能源，在目前新能源发电市场中占据重要的位置。随着风力发电的快速发展，对风力发电系统的体积、重量、效率等技术指标提出了更高的要求。目前，广泛应用于风力发电的发电机组主要分为三种：鼠笼型异步发电机组、双馈风力发电机组以及永磁直驱风力发电机组。其中，鼠笼型异步发电机和永磁直驱发电机无法实现变速恒频恒压发电，同时需要全功率的功率变换器，成本较高。双馈风力发电机虽可以实现变速恒频恒压发电，且电机转子侧的功率变换器只需提供转差功率，仅为发电机额定功率的20％-30％，极大的降低了成本，然而电刷的存在，限制了单台发电机的容量，同时也降低了电机可靠性。源于两台感应电机的串级连接，发展出一种磁场调制式无刷双馈电机。该电机定子上绕制有两套绕组，两套绕组利用磁阻式转子间接耦合，由于两套绕组共用一个定子铁心，增大了绝缘设计的难度，且易造成电机定子铁心饱和，不利于推广。为了克服上述问题，各专家在电机结构的设计工作上做了大量的研究改进，并取得了一系列成果。
3.发明专利(cn106026578a)提出一种基于磁场调制效应的磁阻式无刷双馈电机，该电机包括内、外两个定子和一个磁阻型转子，三者由内向外同心排列，且内、外定子上绕组的等效极对数之和等于中间转子上的调磁块数，两套绕组利用转子上的调磁块间接耦合，避免了两套绕组共用一个定子铁心，导致定子铁心饱和的问题。然而，该电机中间转子由导磁铁块和非导磁材料粘合而成，相比于传统的磁阻转子，降低了电机的机械强度，同时也增加了电机制造的难度。
4.发明专利(cn106451970a)提出一种采用磁阻转子的双定子四电气端口无刷双馈电机，该电机包括内、外两个定子和一个杯形磁阻转子。内、外定子上均放置两套绕组，分别为功率绕组和控制绕组，且外功率绕组和内功率绕组布置方式相同，外控制绕组和内控制绕组布置方式相同。其中，外功率绕组和内控制绕组为一工作组，外控制绕组和内功率绕组为一工作组，两工作组的容量之和为电机的总容量，且两个工作组的容量可以任意分配，当其中一个工作组出现故障时，另一个工作组可正常工作，提高了电机的可靠性和容错能力。然而，该电机转子为导磁块和非导磁块组成，降低了电机的机械强度，同时对电机的生产工艺具有一定的要求。此外，该电机内、外定子上均放置两套绕组，两套绕组共用一个定子铁心，易造成定子铁心饱和，且放置空间上存在冲突。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种磁阻型混合磁路无刷双馈电机，不仅能够避免绕组放置空间上的冲突，提高了空间利用率，同时利用磁阻转子实现电机轴向磁通和径向磁通的耦合。
6.实现本发明目的的具体技术方案为：
7.一种磁阻型混合磁路无刷双馈电机，包括定子铁心、左端盖铁心、右端盖铁心、磁阻转子、转轴和轴承；
8.所述磁阻转子同轴设置在定子铁心内部，转轴穿过定子铁心与磁阻转子；定子铁心两侧分别设置左端盖铁心和右端盖铁心，左端盖铁心、右端盖铁心与转轴之间分别通过轴承连接。
9.进一步的，所述定子铁心和磁阻转子之间设置气隙，左端盖铁心与磁阻转子之间、右端盖铁心与磁阻转子之间均设置气隙。
10.进一步的，所述定子铁心包括定子轭、定子齿、定子槽；
11.所述多个定子齿设置在定子轭上，相邻的定子齿之间设置定子槽，定子槽内设置功率绕组。
12.进一步的，所述磁阻转子包括调磁铁块和非导磁材料；
13.所述多个调磁铁块和多个非导磁材料间隔排列，依次固定在转轴上，和转轴同步旋转。
14.进一步的，所述磁阻转子的直径与周长之比为1：1。
15.进一步的，所述左端盖铁心包括左端盖齿、左端盖轭、左端盖槽、左端盖内部空间和左端盖外部空间；
16.所述左端盖铁心面向磁阻转子的一侧设置左端盖轭，左端盖轭上均匀设置左端盖齿，左端盖齿之间设置左端盖槽；
17.所述左端盖齿至左端盖铁心的边缘留有左端盖内部空间和左端盖外部空间；
18.所述右端盖铁心包括右端盖齿、右端盖轭、右端盖槽、右端盖内部空间和右端盖外部空间；
19.所述右端盖铁心面向磁阻转子的一侧设置右端盖轭，右端盖轭上均匀设置右端盖齿，右端盖齿之间设置右端盖槽；
20.所述右端盖齿至右端盖铁心的边缘留有右端盖内部空间和右端盖外部空间。
21.进一步的，所述左端盖齿上缠绕第一控制绕组，右端盖齿上缠绕第二控制绕组；
22.所述第一控制绕组和第二控制绕组的绕制方式一致。
23.进一步的，所述第一控制绕组和第二控制绕组的极对数为pr，功率绕组的极对数为ps，磁阻转子的极对数为n
st
，则：
24.n
st
＝ps+pr。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
26.(1)本发明的磁阻型混合磁路无刷双馈电机采用一套功率绕组和两套控制绕组，其中功率绕组位于定子上，控制绕组分别位于电机的左、右两个端盖内，这样可减小功率绕组和控制绕组的直接耦合，避免了绕组在放置位置上的冲突，同时便于嵌线和绝缘结构的设计，此外，提高了电机内部空间的利用率，有利于电机功率密度的提高；
27.(2)本发明的电机转子由调磁铁块和非导磁材料组成，和转轴固定在一起，和转轴同步旋转，相比于中间转子结构，强度高且易于制造，保证了电机的机械强度，提高了电机的可靠性，有利于电机应用于不同的场合；
28.(3)本发明采用两套控制绕组，同采用一套控制绕组的无刷双馈电机相比，同等容
量下，本发明电机的一套控制绕组的容量仅为所需容量的一半，且当其中一套控制绕组发生故障，在一套功率绕组和一套控制绕组的情况下仍可以短时间运行，提高了电机的可靠性和容错能力；
29.(4)传统的无刷双馈电机的两套绕组位于定子上，电机发生故障，在故障的排查和维修方面存在一定困难，本发明电机的定子、转子以及左、右两个端盖，可采用模块化结构，便于运输和现场安装以及电机故障的排查和维修；
30.(5)本发明利用磁阻转子的调制作用，实现了电机轴向/径向磁路的耦合。当本发明电机作为发电机运行时，可通过改变通入控制绕组电流的频率和幅值，可以实现电机变速恒频恒压发电。
附图说明
31.图1为本发明的磁阻型混合磁路无刷双馈电机轴向剖面示意图。
32.图2为本发明的磁阻型混合磁路无刷双馈电机径向结构示意图。
33.图3为本发明的磁阻型混合磁路无刷双馈电机的左端盖铁心结构示意图1。
34.图4为本发明的磁阻型混合磁路无刷双馈电机的左端盖铁心结构示意图2。
35.图5为本发明的实施例中的磁阻型混合磁路无刷双馈电机发电运行示意图。
具体实施方式
36.一种磁阻型混合磁路无刷双馈电机，包括定子铁心1、左端盖铁心2、右端盖铁心3、磁阻转子4、转轴11和轴承12；
37.所述磁阻转子4同轴设置在定子铁心1内部，转轴11穿过定子铁心1与磁阻转子4；定子铁心1两侧分别设置左端盖铁心2和右端盖铁心3，左端盖铁心2、右端盖铁心3与转轴11之间分别通过轴承12连接。
38.进一步的，所述定子铁心1和磁阻转子4之间设置气隙，左端盖铁心2与磁阻转子4之间、右端盖铁心3与磁阻转子4之间均设置气隙，气隙的大小和电机的功率等级以及相关部件的加工工艺有关；
39.其中，定子铁心1和磁阻转子4之间设置第一气隙8，左端盖铁心2和磁阻转子4之间设置第二气隙9，右端盖铁心3和磁阻转子4之间第三气隙10；
40.进一步的，所述定子铁心1包括定子轭1-1、定子齿1-2、定子槽1-3；
41.所述多个定子齿1-2设置在定子轭1-1上，相邻的定子齿1-2之间设置定子槽1-3，定子槽1-3内设置功率绕组5。
42.进一步的，所述磁阻转子4包括调磁铁块4-1和非导磁材料4-2；
43.所述多个调磁铁块4-1和多个非导磁材料4-2间隔排列，依次固定在转轴11上，和转轴11同步旋转，相比于中间转子结构，强度高且易于制造，其极数为n
st
；
44.进一步的，所述磁阻转子4的直径与周长之比为1：1，用于基于磁阻转子4实现轴向/径向磁路的耦合，所以磁阻转子4轴向长度不宜过长；
45.进一步的，所述左端盖铁心2包括左端盖齿2-1、左端盖轭2-2、左端盖槽2-3、左端盖内部空间2-4和左端盖外部空间2-5；
46.所述左端盖铁心2由基于双面绝缘的电工硅钢片冲片叠压而成，左端盖铁心2面向
磁阻转子4的一侧表面均匀冲制设置左端盖轭2-2，左端盖轭2-2上均匀设置左端盖齿2-1，左端盖齿2-1之间设置左端盖槽2-3；
47.所述左端盖齿2-1至左端盖铁心2的边缘留有左端盖内部空间2-4和左端盖外部空间2-5，方便了第一控制绕组6端部的放置，同时避免了第一控制绕组6线圈和电机的运动部分发生接触，增加电机的稳定性和可靠性；
48.所述右端盖铁心3包括右端盖齿3-1、右端盖轭3-2、右端盖槽3-3、右端盖内部空间3-4和右端盖外部空间3-5；
49.所述右端盖铁心3面向磁阻转子4的一侧设置右端盖轭3-2，右端盖轭3-2上均匀设置右端盖齿3-1，右端盖齿3-1之间设置右端盖槽3-3；
50.所述右端盖齿3-1至右端盖铁心3的边缘留有右端盖内部空间3-4和右端盖外部空间3-5，方便了第二控制绕组7端部的放置，同时避免了第二控制绕组7线圈和电机的运动部分发生接触，增加电机的稳定性和可靠性；
51.进一步的，所述左端盖齿2-1上缠绕第一控制绕组6，右端盖齿3-1上缠绕第二控制绕组7；
52.所述第一控制绕组和第二控制绕组7的绕制方式一致。
53.进一步的，本发明电机利用磁场调制效应实现功率绕组5和第一控制绕组6和第二控制绕组7的间接耦合，所以所述第一控制绕组6和第二控制绕组7的极对数为pr，功率绕组5的极对数为ps，磁阻转子4的极对数为n
st
，则：
54.n
st
＝ps+pr55.本发明电机的左端盖铁心2和右端盖铁心3为导磁材料，故定子铁心1、磁阻转子4、左端盖铁心2以及右端盖铁心3分别构成两条磁通的路径，其路径为轴向/径向混合磁路；
56.本发明电机采用两套控制绕组，分为位于左端盖铁心2和右端盖铁心3内；当在位于左端盖铁心2的第一控制绕组6中通入电流时，第一控制绕组6产生的磁通路径为：左端盖齿2-1、第二气隙9、磁阻转子4、第一气隙8、定子齿1-2、定子轭1-1、左端盖轭2-2，形成了闭合回路，磁通经定子齿1-2和功率绕组5耦合；
57.在位于右端盖铁心3的第二控制绕组7中通入电流时，第二控制绕组7产生的磁通路径为：右端盖齿、第三气隙10、磁阻转子4、第一气隙8、定子齿1-2、定子轭1-1、右端盖轭部，形成闭合回路，经定子齿1-2与功率绕组5耦合；
58.可知，第一控制绕组6和第二控制绕组7共同分担电机的转差功率，因此，当其中的一套控制绕组发生故障时，电机仍可短暂运行，提高的电机的可靠性和容错能力。
59.下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
60.实施例
61.结合图1至图4，一种磁阻型混合磁路无刷双馈电机，包括定子铁心1、左端盖铁心2、右端盖铁心3、磁阻转子4、转轴11和轴承12；
62.所述磁阻转子4同轴设置在定子铁心1内部，转轴11穿过定子铁心1与磁阻转子4；定子铁心1两侧分别设置左端盖铁心2和右端盖铁心3，左端盖铁心2、右端盖铁心3与转轴11之间分别通过轴承12连接。
63.进一步的，所述定子铁心1和磁阻转子4之间设置气隙，左端盖铁心2与磁阻转子4之间、右端盖铁心3与磁阻转子4之间均设置气隙，气隙的大小和电机的功率等级以及相关
部件的加工工艺有关；
64.其中，定子铁心1和磁阻转子4之间设置第一气隙8，左端盖铁心2和磁阻转子4之间设置第二气隙9，右端盖铁心3和磁阻转子4之间第三气隙10；
65.进一步的，所述定子铁心1包括定子轭1-1、定子齿1-2、定子槽1-3；
66.所述多个定子齿1-2设置在定子轭(1-1)上，相邻的定子齿1-2之间设置定子槽1-3，定子槽1-3内设置功率绕组5。
67.进一步的，所述磁阻转子4包括调磁铁块4-1和非导磁材料4-2；
68.所述多个调磁铁块4-1和多个非导磁材料4-2间隔排列，依次固定在转轴11上，和转轴11同步旋转，相比于中间转子结构，强度高且易于制造，其极数为n
st
；
69.进一步的，所述磁阻转子4的直径与周长之比为1：1，用于基于磁阻转子4实现轴向/径向磁路的耦合，所以磁阻转子4轴向长度不宜过长；
70.进一步的，所述左端盖铁心2包括左端盖齿2-1、左端盖轭2-2、左端盖槽2-3、左端盖内部空间2-4和左端盖外部空间2-5；
71.所述左端盖铁心2由基于双面绝缘的电工硅钢片冲片叠压而成，左端盖铁心2面向磁阻转子4的一侧表面均匀冲制设置左端盖轭2-2，左端盖轭2-2上均匀设置左端盖齿2-1，左端盖齿2-1之间设置左端盖槽2-3；
72.所述左端盖齿2-1至左端盖铁心2的边缘留有左端盖内部空间2-4和左端盖外部空间2-5，方便了第一控制绕组6端部的放置，同时避免了第一控制绕组6线圈和电机的运动部分发生接触，增加电机的稳定性和可靠性；
73.所述右端盖铁心3包括右端盖齿3-1、右端盖轭3-2、右端盖槽3-3、右端盖内部空间3-4和右端盖外部空间3-5；
74.所述右端盖铁心3面向磁阻转子4的一侧设置右端盖轭3-2，右端盖轭3-2上均匀设置右端盖齿3-1，右端盖齿3-1之间设置右端盖槽3-3；
75.所述右端盖齿3-1至右端盖铁心3的边缘留有右端盖内部空间3-4和右端盖外部空间3-5，方便了第二控制绕组7端部的放置，同时避免了第二控制绕组7线圈和电机的运动部分发生接触，增加电机的稳定性和可靠性；
76.进一步的，所述左端盖齿2-1上缠绕第一控制绕组6，右端盖齿3-1上缠绕第二控制绕组7；
77.所述第一控制绕组和第二控制绕组7的绕制方式一致。
78.进一步的，本发明电机利用磁场调制效应实现功率绕组5和第一控制绕组6和第二控制绕组7的间接耦合，所以所述第一控制绕组6和第二控制绕组7的极对数为pr，功率绕组5的极对数为ps，磁阻转子4的极对数为n
st
，则：
79.n
st
＝ps+pr80.本实施例中第一控制绕组6和第二控制绕组7的极对数为pr＝1，磁阻转子4极数n
st
＝4，功率绕组5极对数ps＝3；
81.本发明电机的左端盖铁心2和右端盖铁心3为导磁材料，故定子铁心1、磁阻转子4、左端盖铁心2以及右端盖铁心3分别构成两条磁通的路径，其路径为轴向/径向混合磁路；
82.本发明电机采用两套控制绕组，分为位于左端盖铁心2和右端盖铁心3内；当在位于左端盖铁心2的第一控制绕组6中通入电流时，第一控制绕组6产生的磁通路径为：左端盖
齿2-1、第二气隙9、磁阻转子4、第一气隙8、定子齿1-2、定子轭1-1、左端盖轭2-2，形成了闭合回路，磁通经定子齿1-2和功率绕组5耦合；
83.在位于右端盖铁心3的第二控制绕组7中通入电流时，第二控制绕组7产生的磁通路径为：右端盖齿、第三气隙10、磁阻转子4、第一气隙8、定子齿1-2、定子轭1-1、右端盖轭部，形成闭合回路，经定子齿1-2与功率绕组5耦合；
84.可知，第一控制绕组6和第二控制绕组7共同分担电机的转差功率，因此，当其中的一套控制绕组发生故障时，电机仍可短暂运行，提高的电机的可靠性和容错能力。
85.结合图5，本实施例中的磁阻型混合磁路无刷双馈电机实施时，两套控制绕组与变频器13连接，变频器13与电网14连接，通过变频器13可以改变电流频率，若在两套控制绕组中通入相序一致，频率为fc的电流，控制绕组在第二气隙9、第三气隙10中产生极对数为pc，旋转速度为的轴向磁场，经磁阻转子4调制后，在第一气隙8中产生极对数为ps的径向旋转磁场，其转速和控制绕组中通入电流的频率以及磁阻转子4的转速有关，后经过定子齿1-2与功率绕组5匝链，若磁阻转子4在外力作用下以转速为n旋转，功率绕组5中会感应出电动势，从而对外输出电功率，其感应电动势的频率为由此可知，当磁阻转子4的转速发生变化时，可通过改变控制绕组中通入电流的频率，从而实现电机的感应电动势频率fs不变，此外，可通过改变控制绕组中电流幅值的大小，从而实现电机感应电动势幅值保持不变，故在发电领域，可实现变速恒频恒压发电。
86.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
87.以上实施例显示和描述了本发明的基本原理、主要特征。本行业的技术人员应该了解，本发明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发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明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发明范围内。