專利名稱：內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種新結(jié)構(gòu)的雙凸極無刷直流電機(jī)，屬于電機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)領(lǐng)域。■背景技術(shù)雙凸極電機(jī)是上世紀(jì)90年代美國學(xué)者提出的一種新型無刷電機(jī)，最先為永磁 雙凸極結(jié)構(gòu)，以高性能永磁體作為電機(jī)的磁勢源。隨著該新型電機(jī)的不斷發(fā)展， 磁勢源可以變化和組合，又出現(xiàn)電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)("雙凸極無刷直流發(fā)電機(jī)"， 中國發(fā)明專利ZL99114250.0)和混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)(發(fā)明專利申請?zhí)?200510038147.0)。不論何種雙凸極電機(jī)，轉(zhuǎn)子上都無繞組，無電刷，采用硅鋼片沖制疊壓而成 即可，定子電樞繞組為集中式繞組，端部短，可以成型繞制好再嵌入定子槽內(nèi)， 安裝方便，故電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠的突出優(yōu)點(diǎn)，適合于高速運(yùn)行。另外， 雙凸極電機(jī)結(jié)構(gòu)與開關(guān)磁阻電機(jī)類似，但發(fā)電狀態(tài)不需要功率變換器參與，控制 更為簡便。因而，雙凸極電機(jī)是電工學(xué)科近年來繼開關(guān)磁阻電機(jī)之后出現(xiàn)的又一 全新電機(jī)，己經(jīng)引起人們的很大關(guān)注，在航空航天、艦船、綠色能源等領(lǐng)域的動(dòng) 力系統(tǒng)及電源系統(tǒng)有廣泛的應(yīng)用前景。然而，雙凸極電機(jī)也存在固有不足由于凸極齒槽效應(yīng)的影響，作電動(dòng)機(jī)運(yùn) 行時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大；作發(fā)電機(jī)工作時(shí)，也存在輸出直流電壓脈動(dòng)大的缺陷，這 極大限制了雙凸極電機(jī)在寬轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)尤其是低速運(yùn)行、大功率場合的應(yīng)用。 圍繞這個(gè)問題，國內(nèi)外學(xué)者作出了許多努力如采用傳統(tǒng)電機(jī)斜槽的措施減小轉(zhuǎn) 矩或電壓脈動(dòng)，這樣會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的功率重量比下降明顯；提出一個(gè)電機(jī)內(nèi)包含兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同、左右放置的雙凸極電機(jī)(發(fā)明專利申請?zhí)?00510038148.5),它們共用殼體和轉(zhuǎn)軸，兩個(gè)轉(zhuǎn)子或定子錯(cuò)開一定電角度，使得兩部分轉(zhuǎn)矩或電勢 互相疊加，從而有效減小整個(gè)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)或電壓脈動(dòng)，這種電機(jī)軸向長度 明顯增加，大功率應(yīng)用場合，軸向冷卻通道長，不利于電機(jī)散熱?！霭l(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型旨在雙凸極電機(jī)基本原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出一種結(jié)構(gòu)牢 固、運(yùn)行可靠、制造成本低、能夠有效減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)或電壓脈動(dòng)且勵(lì)磁功率小、
功率密度高的新結(jié)構(gòu)內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電機(jī)。本實(shí)用新型的內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電機(jī)具有內(nèi)外兩個(gè)定子、轉(zhuǎn)子在中 間的結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)外兩個(gè)定子以及轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，外定子為向內(nèi)的凸極結(jié)構(gòu)， 內(nèi)定子為向外的凸極結(jié)構(gòu)，中間轉(zhuǎn)子向內(nèi)側(cè)及向外側(cè)均為凸極結(jié)構(gòu)，且中間轉(zhuǎn)子 內(nèi)外側(cè)的凸極相互錯(cuò)開一定機(jī)械角度。內(nèi)外兩個(gè)定子凸極齒數(shù)相同，每個(gè)凸極的 齒上均分別套裝有集中電樞繞組，內(nèi)定子相對的兩個(gè)凸極齒上電樞繞組串聯(lián)連 接，處于磁場中相同位置的齒上的繞組構(gòu)成一相繞組，外定子上電樞繞組連接方 式與內(nèi)定子相同。內(nèi)外兩個(gè)定子上還同時(shí)設(shè)置或單獨(dú)設(shè)置有磁勢源。中間轉(zhuǎn)子向內(nèi)的凸極與內(nèi)定子向外的凸極構(gòu)成一個(gè)雙凸極無刷電機(jī)，而中間 轉(zhuǎn)子向外的凸極與外定子向內(nèi)的凸極又構(gòu)成一個(gè)雙凸極無刷電機(jī)。由于中間轉(zhuǎn)子 內(nèi)外側(cè)的齒錯(cuò)開一定機(jī)械角，使所形成的內(nèi)外兩個(gè)雙凸極電機(jī)電勢波形或轉(zhuǎn)矩波 形錯(cuò)開相應(yīng)合理的電角度，從而在電機(jī)發(fā)電工作狀態(tài)下能有效減小輸出直流電壓 的電壓脈動(dòng)值，在電動(dòng)狀態(tài)下能抑制輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)值。三相雙凸極電機(jī)的基本結(jié) 構(gòu)為6n/4n極結(jié)構(gòu)，n為正整數(shù)，同樣，本實(shí)用新型的內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直 流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)為6n/4n/4n/6n極結(jié)構(gòu)，即外定子齒數(shù)6n，中間轉(zhuǎn)子外側(cè)齒數(shù)4n， 中間轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)齒數(shù)4n，內(nèi)定子齒數(shù)6n，中間轉(zhuǎn)子內(nèi)外側(cè)的齒錯(cuò)開60°電角，對 應(yīng)的機(jī)械角度為60°/4n。本實(shí)用新型的內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電機(jī)內(nèi)外兩個(gè)定子上既可以同時(shí) 嵌繞勵(lì)磁繞組，也可以僅在外定子或內(nèi)定子上設(shè)置有勵(lì)磁繞組，通以直流電流即 可為電機(jī)提供恒定極性的磁勢源，從而構(gòu)成電磁式內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電 機(jī)。內(nèi)外兩個(gè)定子上都有勵(lì)磁繞組時(shí)，勵(lì)磁繞組可以在電機(jī)一端串聯(lián)連接。內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電機(jī)內(nèi)外兩個(gè)定子上還可以同時(shí)安置永磁體，或 僅在一個(gè)定子上安置永磁體以提供電機(jī)內(nèi)磁勢源，從而構(gòu)成永磁式內(nèi)外雙定子雙 凸極無刷直流電機(jī)。內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電機(jī)，還可以在外定子上嵌繞勵(lì)磁繞組，同時(shí)在 內(nèi)定子上安置永磁體，或外定子上安置永磁體而內(nèi)定子上嵌繞勵(lì)磁繞組，構(gòu)成混 合勵(lì)磁結(jié)構(gòu)內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電機(jī)。勵(lì)磁繞組或永磁體在定子上的嵌繞 或設(shè)置方式與普通雙凸極電機(jī)類同。本實(shí)用新型的內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電機(jī)用作無刷直流發(fā)電機(jī)時(shí)，內(nèi)、 外定子上的兩套電樞繞組分別經(jīng)過整流電路后串聯(lián)連接，輸出直流電壓。電樞繞 組的整流電路有三種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 一種為三相半波共陰極整流電路， 一種為三 相半波共陽極整流電路，另一種為全橋整流電路。采用三相半波共陰極整流電路， 電勢較高相導(dǎo)通，此時(shí)該相繞組磁鏈增加，對應(yīng)轉(zhuǎn)子齒滑入定子齒階段，該狀態(tài) 電樞電流起去磁作用，故發(fā)電機(jī)外特性較軟，電壓調(diào)整率大；對于三相半波共陽
極整流電路，電勢較低相導(dǎo)通，此時(shí)該相繞組磁鏈減小，對應(yīng)轉(zhuǎn)子齒滑出定子齒 階段，該發(fā)電狀態(tài)電樞反應(yīng)磁場起特別的增磁作用，且負(fù)載越大則電樞電流越大， 增磁效果越明顯，故所需勵(lì)磁磁勢小，電壓調(diào)整率小。全橋整流電路電樞繞組正 負(fù)半周均發(fā)電，故電機(jī)輸出電壓較高,但電壓調(diào)整率介于前述兩種整流結(jié)構(gòu)之間。 可見，對于本實(shí)用新型的內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電機(jī)，內(nèi)、外定子上的電樞 繞組分別經(jīng)過三相半波共陽極整流電路整流后串聯(lián)連接，不僅能夠減小輸出電壓 脈動(dòng)，且具有所需勵(lì)磁功率小、勵(lì)磁損耗低的特點(diǎn)。內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電機(jī)用作無刷直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，兩套電樞繞組可以 由輸入并聯(lián)的兩臺(tái)逆變器分別供電?；谏鲜鼋Y(jié)構(gòu)特征與運(yùn)行原理，本實(shí)用新型的內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電 機(jī)具有下列有益的特點(diǎn)① 具有獨(dú)特的內(nèi)外雙定子、中間轉(zhuǎn)子的雙凸極結(jié)構(gòu)形式，轉(zhuǎn)子上無任何繞組 及永磁體，繼承了傳統(tǒng)雙凸極電機(jī)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)；② 既能用作發(fā)電機(jī)，也能作為電動(dòng)機(jī)。發(fā)電運(yùn)行，輸出直流電壓脈動(dòng)小，轉(zhuǎn) 矩脈動(dòng)小，電動(dòng)運(yùn)行，輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)低；③ 兩套電樞繞組各自的整流電路結(jié)構(gòu)相同，可以靈活采用三種不同的整流電 路拓?fù)洌喟氩ü碴枠O整流電路、三相半波共陰極整流電路以及全橋整流電路;④ 兩套電樞繞組均采用三相半波共陽極整流電路時(shí)，電樞反應(yīng)磁場具有特別 的增磁作用，負(fù)載越大，增磁效果越明顯，能有效減小勵(lì)磁功率，降低勵(lì)磁損耗; 內(nèi)、外定子與中間轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，通風(fēng)性能優(yōu)良，作風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用 時(shí)，風(fēng)速越高，散熱效果越好，使電機(jī)輸出功率得以進(jìn)一步提高?！?br> 圖1是內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)剖視圖。 圖2是實(shí)施例三相6/4極結(jié)構(gòu)內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電機(jī)剖視圖。 圖3是內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電機(jī)發(fā)電運(yùn)行三相半波共陽極整流電路原理 圖。圖4是內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電機(jī)發(fā)電運(yùn)行三相半波共陰極整流電路原理圖。圖5是內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電機(jī)發(fā)電運(yùn)行三相全橋整流電路原理圖。 圖6是內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行逆變主電路原理圖。圖1 圖3中標(biāo)號(hào)及符號(hào)說明1、電機(jī)外定子；2、電機(jī)外定子上電樞繞組; 3、轉(zhuǎn)子；4、電機(jī)內(nèi)定子；5、電機(jī)內(nèi)定子上電樞繞組；6、外定子上勵(lì)磁繞組； 7、內(nèi)定子上勵(lì)磁繞組；Al、 XI、 Bl、 Yl、 Cl、 Z1表示外定子上電樞繞組的A、
B、 C相接線端；A2、 X2、 B2、 Y2、 C2、 Z2表示內(nèi)定子上電樞繞組的A、 B、 C相接線端；D1 D12、 D21 D26、 D31 D36表示整流二極管；Q1 Q12表 示逆變電路開關(guān)管。■具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電機(jī)為3相電機(jī)時(shí)，基本結(jié)構(gòu)為 6n/4n/4n/6n極結(jié)構(gòu)，即外定子齒數(shù)6n，中間轉(zhuǎn)子外側(cè)齒數(shù)4n，中間轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)齒 數(shù)4n，內(nèi)定子齒數(shù)6n，中間轉(zhuǎn)子內(nèi)外側(cè)的齒錯(cuò)開60°電角，對應(yīng)的機(jī)械角度為 60°/4n。作為一個(gè)實(shí)施例，為便于說明，附圖2給出了基本結(jié)構(gòu)三相6/4極內(nèi)外 雙定子雙凸極無刷直流電機(jī)的剖面示意圖，外定子l有六個(gè)向內(nèi)側(cè)的凸極齒，每 個(gè)齒上套裝有集中電樞繞組2，相對的兩個(gè)齒上的電樞繞組串聯(lián)構(gòu)成一相，組成 A1-X1、 B1-Y1、 C1-Z1三相繞組。內(nèi)定子4有六個(gè)向外側(cè)的凸極齒，與外定子 l的六個(gè)凸極齒一一對應(yīng)，同樣，內(nèi)定子4的每個(gè)齒上也套裝有集中電樞繞組5， 其相對兩個(gè)齒上的電樞繞組也串聯(lián)構(gòu)成一相，組成A2-X2、 B2-Y2、 C2-Z2三相 繞組。外定子1與內(nèi)定子4之間為轉(zhuǎn)子3，轉(zhuǎn)子3向外側(cè)及內(nèi)側(cè)各有四個(gè)凸極齒， 向外側(cè)的凸極齒與向內(nèi)側(cè)的凸極齒兩兩錯(cuò)開15°機(jī)械角，對應(yīng)60。電角度。本實(shí) 施例采用勵(lì)磁繞組通入直流電提供電機(jī)磁勢源，作為電勵(lì)磁式內(nèi)外雙定子雙凸極 無刷直流電機(jī)，外定子1槽內(nèi)嵌繞有勵(lì)磁繞組6,內(nèi)定子4槽內(nèi)嵌繞有勵(lì)磁繞組 7，兩個(gè)勵(lì)磁繞組可以在電機(jī)的一端串聯(lián)連接。本實(shí)用新型電機(jī)作為無刷直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)定子上的電樞繞組與外部 整流電路的連接方式有3種，如圖3、圖4和圖5所示。圖3為發(fā)電運(yùn)行采用三 相半波共陽極整流電路方式，外定子上三相電樞繞組A1-X1、 B1-Y1、 C1-Z1的 輸出經(jīng)三個(gè)共陽極連接的整流二極管D31、 D32、 D33半波整流，內(nèi)定子上三相 電樞繞組A2-X2、 B2-Y2、 C2-Z2的輸出也經(jīng)三個(gè)共陽極連接的整流二極管D34、 D35、 D36半波整流，兩組整流輸出串聯(lián)連接。圖4為發(fā)電運(yùn)行采用三相半波共陰極整流電路方式，外定子上三相電樞繞組 A1-X1、 B1-Y1、 C1-Z1的輸出經(jīng)三個(gè)共陽極連接的整流二極管D21、 D22、 D23 半波整流，內(nèi)定子上三相電樞繞組A2-X2、 B2-Y2、 C2-Z2的輸出也經(jīng)三個(gè)共陽 極連接的整流二極管D24、 D25、 D26半波整流，兩組整流輸出串聯(lián)連接。圖5為發(fā)電運(yùn)行采用三相全橋整流方式，外定子上三相電樞繞組A1-X1、 B1-Y1、 C1-Z1的輸出經(jīng)功率二極管D1 D6組成的全橋整流電路整流，內(nèi)定子 上三相電樞繞組A2-X2、 B2-Y2、 C2-Z2的輸出經(jīng)功率二極管D7 D12組成的全 橋整流電路整流，兩路整流輸出串聯(lián)連接。本實(shí)用新型電機(jī)作為無刷直流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，輸入電源分別經(jīng)兩個(gè)三相逆變
器對電機(jī)的內(nèi)、外定子上的電樞繞組供電。如圖6所示，為外定子三相電樞繞組 A1-X1、 B1-Y1、 C1-Z1供電的逆變器主電路由功率開關(guān)管Q1 Q6構(gòu)成，為內(nèi) 定子三相電樞繞組A2-X2、 B2-Y2、 C2-Z2供電的逆變器主電路由功率開關(guān)管 Q7 Q12構(gòu)成。兩個(gè)逆變器產(chǎn)生兩組相差60°電角度的三相電流輸入到電機(jī)的 內(nèi)、外定子上的電樞繞組中，在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的兩部分轉(zhuǎn)矩疊加，從而有效減小轉(zhuǎn) 矩脈動(dòng)。
權(quán)利要求1. 一種內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電機(jī)，其特征在于該電機(jī)具有內(nèi)、外兩 個(gè)定子，轉(zhuǎn)子位于兩定子之間的結(jié)構(gòu)形式，外定子(l)、內(nèi)定子(4)、轉(zhuǎn)子(3)均為凸極結(jié)構(gòu)，外定子(1)向內(nèi)側(cè)的凸極齒與內(nèi)定子(4)向外側(cè)的凸極齒一一對應(yīng)；轉(zhuǎn)子(3)向外側(cè)及內(nèi)側(cè)各有4n個(gè)凸極齒，n為正整數(shù)，轉(zhuǎn)子(3)向外側(cè)的凸極齒與向 內(nèi)側(cè)的凸極齒兩兩錯(cuò)開60°/4n機(jī)械角；外定子(l)每個(gè)齒上套裝有集中電樞繞組 (2)，其同相位的齒上的電樞繞組串聯(lián)構(gòu)成一相，內(nèi)定子(4)每個(gè)齒上也套裝有集 中電樞繞組(5)，其同相位的齒上的電樞繞組串聯(lián)構(gòu)成一相；外定子(l)和內(nèi)定子 (4)上分別嵌繞勵(lì)磁繞組(6)和勵(lì)磁繞組(7)或安置永磁體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電機(jī)，其特征在于， 作為無刷直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，內(nèi)、外定子各自的電樞繞組輸出分別經(jīng)過三相半波 共陽極整流電路、或分別經(jīng)過三相半波共陰極整流電路、或分別經(jīng)過全橋整流電 路整流后串聯(lián)連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電機(jī)，其特征在于， 作為無刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，內(nèi)、外定子各自電樞繞組由兩個(gè)輸入并聯(lián)的逆變器 分別供電。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電機(jī)，其特 征在于所述內(nèi)外定子上既可以采用直流電流勵(lì)磁，也可以采用永磁體勵(lì)磁，或混 合勵(lì)磁方式。
專利摘要一種內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電機(jī)，具有內(nèi)、外兩個(gè)定子，轉(zhuǎn)子位于兩定子之間的結(jié)構(gòu)形式。外定子(1)、內(nèi)定子(4)、轉(zhuǎn)子(3)均為凸極結(jié)構(gòu)，外定子(1)向內(nèi)側(cè)的凸極齒與內(nèi)定子(4)向外側(cè)的凸極齒一一對應(yīng)；轉(zhuǎn)子(3)向外側(cè)及內(nèi)側(cè)各有4n個(gè)凸極齒，n為正整數(shù)，轉(zhuǎn)子(3)向外側(cè)的凸極齒與向內(nèi)側(cè)的凸極齒兩兩錯(cuò)開60°/4n機(jī)械角。外定子(1)與內(nèi)定子(4)齒上分別套裝有集中電樞繞組(2)和電樞繞組(5)，外定子(1)與內(nèi)定子(4)各自同相位齒上的電樞繞組串聯(lián)構(gòu)成一相，內(nèi)、外定子上還可以分別嵌繞勵(lì)磁繞組(6)或安置永磁體。此電機(jī)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、運(yùn)行可靠，作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，所需勵(lì)磁功率小，且電壓脈動(dòng)及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)低，在大功率直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H02K16/00GK201038952SQ20072003592
公開日2008年3月19日 申請日期2007年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月16日
發(fā)明者嚴(yán)仰光, 湯瑞源, 顧為東 申請人:顧為東;湯瑞源;嚴(yán)仰光