一種模塊化電機定子及其端部重疊分?jǐn)?shù)槽繞組結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種模塊化電機定子及其端部重疊分?jǐn)?shù)槽繞組結(jié)構(gòu)，屬于電機技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組的電機正在被越來越廣泛地運用于各領(lǐng)域，相比傳統(tǒng)的分布 式繞組電機，分?jǐn)?shù)槽集中繞組電機具有轉(zhuǎn)矩脈動小、反電勢波形正弦度高、容錯能力強、轉(zhuǎn) 矩密度高、齒槽轉(zhuǎn)矩低等優(yōu)點。此外，由于分?jǐn)?shù)槽集中繞組線圈端部不重疊，故這類電機的 定子可模塊化，模塊化可以降低電機的制造難度、提高槽滿率，還能降低大型直驅(qū)式風(fēng)力發(fā) 電、艦船推進等大電機應(yīng)用場合的裝配和維護成本。
[0003] 但是，分?jǐn)?shù)槽集中繞組磁動勢中的非工作諧波含量多、幅值高，容易造成額外的轉(zhuǎn) 矩脈動和轉(zhuǎn)子損耗，這使得分?jǐn)?shù)槽集中繞組在大電機應(yīng)用過程中的散熱、振動和噪聲問題 尤為突出。分布式整數(shù)槽繞組和非集中分?jǐn)?shù)槽繞組諧波成分較少，但兩者定子圓周上所有 位置的端部繞組均重疊，無法對電機實現(xiàn)模塊化，不利于大電機的生產(chǎn)、運輸和維護。
[0004] 因此，本發(fā)明從解決這一矛盾出發(fā)，提出了一種模塊化電機定子及其端部重疊分 數(shù)槽繞組結(jié)構(gòu)，在消除大量非工作齒諧波的同時保留了集中繞組電機定子可模塊化的優(yōu) 點。此外，該模塊化定子及其繞組結(jié)構(gòu)還能提高電機的容錯性，更有利于在對安全性和可靠 性要求高的領(lǐng)域中應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的:本發(fā)明的目的在于提供一種模塊化電機定子及其端部重疊分?jǐn)?shù)槽繞組 結(jié)構(gòu)，在保留傳統(tǒng)分?jǐn)?shù)槽集中繞組電機可模塊化、轉(zhuǎn)矩脈動小、齒槽轉(zhuǎn)矩小、容錯能力強等 優(yōu)點的同時，大大減少傳統(tǒng)分?jǐn)?shù)槽集中繞組磁動勢中的非工作齒諧波含量，從而減小轉(zhuǎn)矩 脈動和轉(zhuǎn)子損耗。
[0006] 技術(shù)方案:為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過如下的技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0007] 設(shè)定子槽數(shù)為2Z，繞組極對數(shù)為p，定子包括電樞齒、容錯齒、定子槽、繞組和非導(dǎo) 磁隔離層;繞組整體由兩套三相對稱交流繞組構(gòu)成，每個定子槽內(nèi)只含有一個線圈的圈邊， 線圈端部重疊部分在定子圓周上的分布不連續(xù)，沿著相鄰兩個端部繞組重疊區(qū)域的交界處 可把定子切割成若干模塊;相鄰兩個定子模塊之間被非導(dǎo)磁隔離層隔開，每個定子模塊內(nèi) 均只能含有3個定子電樞齒，且定子模塊的兩端被容錯齒所包圍。
[0008] 所述定子槽數(shù)2Z為4的倍數(shù)，每一套三相對稱交流繞組的排列與Z槽p對極的傳統(tǒng) 單層集中繞組相同。
[0009]繞組中所有線圈的跨距為兩個定子電樞齒，兩套三相繞組在機械上錯開半個線圈 跨距，繞組中所通的兩組三相對稱電流錯開的電角度為半個線圈跨距所對應(yīng)的電角度。
[0010]定子模塊的數(shù)量為Z/2個，每個定子模塊內(nèi)均只能含有兩個相互重疊半個跨距的 線圈，且分別屬于兩個三相系統(tǒng)中的對應(yīng)相同相。
[0011] 本發(fā)明中所包含的端部重疊分?jǐn)?shù)槽繞組為兩套獨立的單層分?jǐn)?shù)槽集中繞組相互 錯開半個線圈跨距后整合而成，考慮兩組三相電流之間的相位差和各齒諧波的旋轉(zhuǎn)方向后 即可計算得到兩套獨立繞組中各次齒諧波錯開的角度。當(dāng)兩套繞組的某一次齒諧波錯開角 度為180°或180°的奇數(shù)倍時，該次齒諧波即可被消除，否則不能被消除。經(jīng)過分析可知，本 發(fā)明中所指的定子槽數(shù)和繞組極對數(shù)分別為2Z和p的模塊化電機定子及其端部重疊分?jǐn)?shù)槽 繞組結(jié)構(gòu)能夠消除Z槽p對極傳統(tǒng)單層集中繞組中一半的齒諧波成分，大大提高了電樞磁場 正弦度。
[0012] 有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是：
[0013] 1.定子可模塊化，有利于降低大型電機的生產(chǎn)、運輸和維護成本，同時具備傳統(tǒng)分 數(shù)槽集中繞組轉(zhuǎn)矩脈動小、反電勢波形正弦度高、轉(zhuǎn)矩密度大、齒槽轉(zhuǎn)矩小的優(yōu)勢；
[0014] 2.電樞磁場非工作諧波含量大大低于傳統(tǒng)分?jǐn)?shù)槽集中繞組，故電機的轉(zhuǎn)子損耗 小；
[0015] 3.端部繞組長度比分?jǐn)?shù)槽集中繞組略有增加，但仍遠(yuǎn)小于分布式繞組，電機銅耗 較低；
[0016] 4.端部重疊分?jǐn)?shù)槽繞組為雙三相，且相間互感小，故容錯能力較強。
【附圖說明】
[0017] 圖1為一臺采用模塊化電機定子及其端部重疊分?jǐn)?shù)槽繞組結(jié)構(gòu)的24槽7對極永磁 同步電機定子及其端部繞組示意圖；
[0018] 圖2為圖1中的端部重疊分?jǐn)?shù)槽繞組具體排列示意圖；
[0019] 圖3為圖2所示的繞組中通入的雙三相電流的相量圖；
[0020] 圖4為兩臺分別采用模塊化電機定子及其端部重疊分?jǐn)?shù)槽繞組結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)雙層分 數(shù)槽集中繞組的永磁同步電機電樞磁場頻譜對比圖。其中，采用模塊化電機定子及其端部 重疊分?jǐn)?shù)槽繞組結(jié)構(gòu)的永磁同步電機的定子及繞組結(jié)構(gòu)與圖1和圖2相同；采用傳統(tǒng)雙層分 數(shù)槽集中繞組的永磁同步電機為12槽7對極，其定子內(nèi)徑、定子外徑和轉(zhuǎn)子與前者相同。
【具體實施方式】
[0021] 下面通過一個具體的實施例和相關(guān)附圖，更具體地闡述本發(fā)明的工作機理和優(yōu) 勢。
[0022] 如圖1所示為一臺采用模塊化電機定子及其端部重疊分?jǐn)?shù)槽繞組結(jié)構(gòu)的24槽7對 極永磁同步電機定子及其端部繞組示意圖。定子1包括電樞齒1.1、容錯齒1.2、定子槽1.3和 非導(dǎo)磁隔離層3。定子1上繞有端部重疊分?jǐn)?shù)槽繞組2,其整體由兩套三相對稱交流繞組構(gòu) 成，每個定子槽1.3內(nèi)只含有一個線圈的圈邊，整個繞組2共有12個線圈，線圈端部重疊部分 在定子圓周上的分布不連續(xù)，沿著相鄰兩個端部繞組重疊區(qū)域的交界處可把定子切割成若 干模塊。電機共有6個定子模塊，模塊兩端為容錯齒1.2，相鄰兩個定子模塊之間被非導(dǎo)磁隔 離層3隔開，每個定子模塊內(nèi)均含有3個定子電樞齒1.1和兩個相互重疊半個線圈跨距的線 圈，且同一模塊中包含的兩個線圈同屬于雙三相系統(tǒng)中的對應(yīng)相同相，例如：圖1所不的最 上端的定子模塊中，Bl 1代表第一個三相系統(tǒng)中B相的第一個線圈，B2a代表第二個三相系統(tǒng) 中B相的第一個線圈。
[0023] 圖2為圖1中的端部重疊分?jǐn)?shù)槽繞組具體排列示意圖。圖中ABC表示各相繞組的首 端，XYZ表示各相繞組的末端，繞組整體由兩套完全一樣的三相對稱交流繞組構(gòu)成。非電樞 定子齒1被切割后即成為容錯齒;端部繞組重疊區(qū)域2間隔分布在整個定子上，該區(qū)域內(nèi)的 定子齒為電樞齒。
[0024] 圖3為圖2所示的端部重疊分?jǐn)?shù)槽繞組中通入的雙三相電流的相量圖。從圖2可以 看出，1號繞組比2號繞組在機械上超前半個線圈跨距，在24槽7對極時，半個線圈跨距所對 應(yīng)的電角度為：
[0025]
[0026]因此，為遵循工作諧波繞組系數(shù)最大的原則，1號繞組通入的三相電流滯后于2號 繞組105°。
[0027] 如圖4所示為兩臺分別采用模塊化電機定子及其端部重疊分?jǐn)?shù)槽繞組結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng) 雙層分?jǐn)?shù)槽集中繞組的永磁同步電機電樞磁場頻譜對比圖。在本實施例中，采用模塊化電 機定子及其端部重疊分?jǐn)?shù)槽繞組結(jié)構(gòu)的永磁同步電機為24槽7對極，故其雙三相繞組中的 單獨一套繞組所產(chǎn)生的磁動勢齒諧波序列為5,7,17,19,29...，其中，7次諧波為工作諧波。 設(shè)7次諧波旋轉(zhuǎn)方向為正，則5、17、29次諧波的旋轉(zhuǎn)方向為負(fù)，19次諧波的旋轉(zhuǎn)方向為正。令 兩套繞組的W欠諧波所錯開的電角度為θ ν，計算一部分齒諧波的θν:
[0028]
[0029]
[0030]
[0031]
[0032]
[0033] 顯然，兩套繞組的5次、19次、29次等齒諧波反相，故能被消除。從圖4可以看出，在 采用模塊化電機定子及其端部重疊分?jǐn)?shù)槽繞組結(jié)構(gòu)的電機中，電樞磁場的5次、19次、29次 諧波幅值均很低。相比之下，傳統(tǒng)雙層分?jǐn)?shù)槽集中繞組的非工作齒諧波含量極高，特別是5 次諧波甚至高于電機的工作諧波(7次諧波）。由于模塊化電機定子及其端部重疊分?jǐn)?shù)槽繞 組結(jié)構(gòu)的電樞磁場非工作諧波含量很低，故電機的轉(zhuǎn)子損耗會大大減少。在本實施例中，采 用模塊化電機定子及其端部重疊分?jǐn)?shù)槽繞組結(jié)構(gòu)后，電機的轉(zhuǎn)子損耗比采用傳統(tǒng)雙層分?jǐn)?shù) 槽集中繞組時小8 0 %以上，這對減小電機散熱壓力和保障永磁體的正常工作有很大的意 義。
【主權(quán)項】
1. 一種模塊化電機定子及其端部重疊分?jǐn)?shù)槽繞組結(jié)構(gòu)，其特征在于，設(shè)定子槽數(shù)為2Z， 繞組極對數(shù)為P，定子（1)包括電樞齒（1.1)、容錯齒（1.2)、定子槽（1.3)、繞組(2)和非導(dǎo)磁 隔離層(3);繞組(2)整體由兩套三相對稱交流繞組構(gòu)成，每個定子槽（1.2)內(nèi)只含有一個線 圈的圈邊，線圈端部重疊部分在定子圓周上的分布不連續(xù)，沿著相鄰兩個端部繞組重疊區(qū) 域的交界處可把定子切割成若干模塊;相鄰兩個定子模塊之間被非導(dǎo)磁隔離層(3)隔開，每 個定子模塊內(nèi)均只能含有3個定子電樞齒(1.1)，且定子模塊的兩端被容錯齒(1.2)所包圍。2. 按照權(quán)利要求1所述的模塊化電機定子及其端部重疊分?jǐn)?shù)槽繞組結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述定子槽數(shù)2Z為4的倍數(shù)，每一套三相對稱交流繞組的排列與Z槽p對極的傳統(tǒng)單層集中 繞組相同。3. 按照權(quán)利要求1所述的模塊化電機定子及其端部重疊分?jǐn)?shù)槽繞組結(jié)構(gòu)，其特征在于， 繞組(2)中所有線圈的跨距為兩個定子電樞齒（1.1)，兩套三相繞組在機械上錯開半個線圈 跨距，繞組中所通的兩組三相對稱電流錯開的電角度為半個線圈跨距所對應(yīng)的電角度。4. 按照權(quán)利要求1所述的模塊化電機定子及其端部重疊分?jǐn)?shù)槽繞組結(jié)構(gòu)，其特征在于， 定子模塊的數(shù)量為Z/2個，每個定子模塊內(nèi)均只能含有兩個相互重疊半個跨距的線圈，且分 別屬于兩個三相系統(tǒng)中的對應(yīng)相同相。
【專利摘要】一種模塊化電機定子及其端部重疊分?jǐn)?shù)槽繞組結(jié)構(gòu)，設(shè)定子槽數(shù)和繞組極對數(shù)分別為2Z和p，定子槽在圓周上均勻分布，定子上包含兩套三相對稱交流繞組，該繞組由傳統(tǒng)單層分?jǐn)?shù)槽集中繞組演變而來，每一套繞組的排列都與Z槽p對極的傳統(tǒng)單層分?jǐn)?shù)槽集中繞組相同，且兩套繞組錯開角度在機械上為線圈跨距的一半；繞組端部重疊區(qū)域在定子圓周上間隔分布，切割端部繞組非重疊區(qū)域所在的定子即可實現(xiàn)模塊化。此發(fā)明能大大減少傳統(tǒng)分?jǐn)?shù)槽集中繞組磁動勢中的非工作齒諧波含量，從而能降低電機損耗，平抑轉(zhuǎn)矩脈動，減小噪聲，同時具備分?jǐn)?shù)槽集中繞組電機定子可模塊化的優(yōu)點，便于大型電機的制造、運輸和裝配，且相間互感小，有利于提高電機的容錯能力。
【IPC分類】H02K1/16, H02K3/28
【公開號】CN105680585
【申請?zhí)枴緾N201610081476
【發(fā)明人】林鶴云, 王克羿, 陽輝
【申請人】東南大學(xué)
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年2月5日