本實(shí)用新型涉及交流電機(jī)，特別涉及一種凸極繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋交流電機(jī)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的單電機(jī)無刷雙饋交流電機(jī)，定子鐵心上嵌放兩套不同極數(shù)的繞組，分別用作功率繞組和控制繞組，轉(zhuǎn)子為無刷結(jié)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)子對(duì)定子兩套繞組電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的調(diào)制作用，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換；在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式下，可異步運(yùn)行和同步運(yùn)行，并可通過改變控制繞組電流的頻率、幅值和相位，實(shí)現(xiàn)低于和高于同步速的雙饋調(diào)速運(yùn)行；在發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式下，則可通過控制繞組的交流勵(lì)磁實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行；由于控制繞組所需要的變流器功率較小和控制系統(tǒng)成本較低，無刷雙饋種電機(jī)在大中型交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。

由于無刷雙饋電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換是基于轉(zhuǎn)子對(duì)于不同極數(shù)定子功率繞組和控制繞組電流磁場(chǎng)的調(diào)制作用來實(shí)現(xiàn)的，因此，如何優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高其磁場(chǎng)調(diào)制能力成為無刷雙饋電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)于定子繞組電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的調(diào)制作用主要有兩種方式，一種是通過轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)對(duì)定子繞組電流磁場(chǎng)的調(diào)制作用；另一種是通過轉(zhuǎn)子鐵心的磁路結(jié)構(gòu)限定定子繞組電流磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子鐵心中的路徑；由此產(chǎn)生了兩類不同的無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，一類是基于電路設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)，另一類是基于磁路設(shè)計(jì)的磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

無刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組有多種形式，如單層同心式籠型短路繞組，也可采用特殊設(shè)計(jì)的多層多匝繞組；無刷雙饋電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)子一般有三種結(jié)構(gòu)，一是在疊片轉(zhuǎn)子鐵心上開槽的凸極磁阻轉(zhuǎn)子；二是采用軸向疊片的隱極磁阻轉(zhuǎn)子；三是徑向疊片的隱極磁阻轉(zhuǎn)子；繞線轉(zhuǎn)子和磁阻轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)各有利弊，前者僅利用了轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)對(duì)于定子繞組磁場(chǎng)的調(diào)制作用，而后者則僅利用了轉(zhuǎn)子磁阻對(duì)于定子磁場(chǎng)的調(diào)制作用，二者皆未綜合利用轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)和磁導(dǎo)共同對(duì)于定子磁場(chǎng)的調(diào)制作用。

實(shí)用新型名稱為“復(fù)合轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)”，專利申請(qǐng)?zhí)枺?01110028898的實(shí)用新型專利公開了在轉(zhuǎn)子鐵心上開倒梯形槽以及在槽間設(shè)置銅導(dǎo)條的籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種復(fù)合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)雖然綜合利用了轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)和磁導(dǎo)對(duì)于定子磁場(chǎng)的調(diào)制作用，但其效果和性能并不理想。

主要問題有三點(diǎn)：

①由于在轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)軸之間采用了非導(dǎo)磁材料的隔磁環(huán)，增加了轉(zhuǎn)子的工藝復(fù)雜性和制造成本；

②調(diào)速范圍不夠?qū)?，難以實(shí)現(xiàn)較高轉(zhuǎn)速(≥1000r/min)的雙饋調(diào)速；

③由于實(shí)心導(dǎo)條放在窄而深的轉(zhuǎn)子槽中，導(dǎo)條電流的集膚效應(yīng)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子損耗增大和電機(jī)效率降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種通過凸極轉(zhuǎn)子與繞線轉(zhuǎn)子的相結(jié)合，增強(qiáng)其綜合利用轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)和磁阻對(duì)于定子磁場(chǎng)的調(diào)制能力，同時(shí)又可保持其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本低廉的凸極繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋交流電機(jī)。

為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下：

一種凸極繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋交流電機(jī)，包括定子、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸和控制器，定子的鐵心槽中放置了兩套獨(dú)立的三相對(duì)稱繞組，分別為主繞組和控制繞組，主繞組出線端子A₁、B₁、C₁與具有固定頻率的交流電源相連接，控制繞組出線端子A₂、B₂、C₂通過控制器與交流電源相連接；所述轉(zhuǎn)子為凸極式繞線轉(zhuǎn)子無滑環(huán)電刷結(jié)構(gòu)，其包括具有p+q個(gè)凸極的轉(zhuǎn)子鐵心，轉(zhuǎn)子鐵心安裝在轉(zhuǎn)軸上,所述轉(zhuǎn)子鐵心的外緣上均布有p+q個(gè)倒梯形槽，凸極與倒梯形槽之間間隔設(shè)置，凸極中心開有半開口的第一半開口槽；所述主繞組極數(shù)為2p，控制繞組極數(shù)為2q，且2q≥2p+4；

凸極第一半開口槽的兩側(cè)開有以凸極中心線為對(duì)稱軸的至少一對(duì)半開口槽，半開口槽包括第二半開口槽和第三半開口槽，在凸極的第一、第二、第三半開口槽中相對(duì)應(yīng)的放置了多匝第一、第二、第三短路線圈，多匝短路線圈的兩個(gè)線圈邊分別放置在以倒梯形槽中心線為對(duì)稱軸的相鄰?fù)箻O上的半開口槽中。

在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，所述轉(zhuǎn)子鐵心由導(dǎo)磁電工鋼片疊壓而成。

在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)凸極的兩側(cè)邊平行，凸極的外沿和倒梯形槽底邊呈圓弧狀，其圓弧中心與轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)圓同圓心。

在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，第一、第二、第三半開口槽的底部與轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)徑之間均留有一定的距離，第一、第二、第三半開口槽的深度隨其與凸極中心線距離的增加而減小。

在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，第一、第二、第三短路線圈相互獨(dú)立，在電路上沒有聯(lián)系；位于凸極第一半開口槽中的短路線圈采用雙層結(jié)構(gòu)，一個(gè)線圈邊放在第一半開口槽的上層，另一線圈邊依次放在相鄰?fù)箻O第一半開口槽的下層，第一、第二半開口槽中的短路線圈采用單層結(jié)構(gòu)，每個(gè)半開口槽中僅放置一個(gè)短路線圈邊。

通過上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型的有益效果是：

1、通過凸極磁阻轉(zhuǎn)子與繞線轉(zhuǎn)子的巧妙結(jié)合，綜合利用了轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)和磁阻對(duì)于定子磁場(chǎng)的調(diào)制能力，提高了無刷雙饋電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率。

2、通過定轉(zhuǎn)子繞組極數(shù)和結(jié)構(gòu)的巧妙配合與優(yōu)化設(shè)計(jì)，擴(kuò)大了無雙饋電機(jī)的調(diào)速范圍，實(shí)現(xiàn)了較高轉(zhuǎn)速(≥1500r/min)的雙饋調(diào)速。

3、通過采用多匝短路線圈，減小了深槽轉(zhuǎn)子繞組電流集膚效應(yīng)產(chǎn)生的附加損耗，提高了轉(zhuǎn)子繞組的利用率和電機(jī)效率。

附圖說明

為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本實(shí)用新型凸極繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型凸極繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋交流電機(jī)定子繞組示意圖；

圖3為本實(shí)用新型凸極繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋交流電機(jī)一種轉(zhuǎn)子鐵心與繞組結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本實(shí)用新型凸極繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋交流電機(jī)另一種轉(zhuǎn)子鐵心與繞組結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中數(shù)字和字母所表示的相應(yīng)部件名稱：

10、定子 11、主繞組 12、控制繞組 20、轉(zhuǎn)子 21、轉(zhuǎn)子鐵心 22、凸極 22a、第一半開口槽 22b、第二半開口槽 22c、第三半開口槽 23、倒梯形槽 24、第一短路線圈 25、第二短路線圈 26、第三短路線圈 30、轉(zhuǎn)軸 40、控制器 50、交流電源。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型。

參見圖1至圖3所示，本實(shí)用新型公開了一種凸極繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋交流電機(jī)，包括定子10、轉(zhuǎn)子20、轉(zhuǎn)軸30和控制器40，定子10的鐵心槽中放置了兩套獨(dú)立的三相對(duì)稱繞組，分別為主繞組11和控制繞組12，主繞組11出線端子A₁、B₁、C₁與具有固定頻率的交流電源50相連接，控制繞組12出線端子A₂、B₂、C₂通過控制器40與交流電源50相連接；轉(zhuǎn)子20為凸極式繞線轉(zhuǎn)子無滑環(huán)電刷結(jié)構(gòu)，其包括具有p+q個(gè)凸極22的轉(zhuǎn)子鐵心21，轉(zhuǎn)子鐵心21由具有良好導(dǎo)磁性能的電工鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子鐵心21固定安裝在轉(zhuǎn)軸30上,轉(zhuǎn)子鐵心21的外緣上均布有p+q個(gè)倒梯形槽23，凸極22與倒梯形槽23之間間隔設(shè)置，凸極22中心開有半開口的第一半開口槽22a，每個(gè)凸極22的兩側(cè)邊平行，凸極22的外沿和倒梯形槽23底邊呈圓弧狀，其圓弧中心與轉(zhuǎn)子鐵心21內(nèi)圓同圓心。

本實(shí)用新型主繞組11極數(shù)為2p，控制繞組12極數(shù)為2q，主繞組11和控制繞組12的極數(shù)不相等，而且需滿足下述關(guān)系：2q≥2p+4；為了實(shí)現(xiàn)超同步寬范圍的雙饋調(diào)速運(yùn)行，需要選用少極數(shù)的2p極作為無刷雙饋電機(jī)定子的主繞組，而多極數(shù)的2q極作為控制繞組，在雙饋調(diào)速運(yùn)行范圍較小時(shí)，可以采用多極數(shù)的2q極作為主繞組，而少極數(shù)的2p極作為控制繞組；以2p＝2和2q＝6為例，當(dāng)調(diào)速范圍≥1000r/min時(shí)，需要選用主繞組為2極，而控制繞組為6極；如果調(diào)速范圍≤900r/min，則可以采用6極作為主繞組而2極作為控制繞組；為了避免繞組產(chǎn)生環(huán)流，主繞組和控制繞組盡可能采用星型接線方式，避免采用多支路角型接線方式。

本實(shí)用新型凸極第一半開口槽22a的兩側(cè)開有以凸極22中心線為對(duì)稱軸的至少一對(duì)半開口槽，半開口槽包括第二半開口槽22b和第三半開口槽22c，凸極上開槽的作用，是利用轉(zhuǎn)子磁路的磁阻進(jìn)行導(dǎo)向，使磁通按照最佳路徑通過轉(zhuǎn)子；在凸極22的第一、第二、第三半開口槽中相對(duì)應(yīng)的放置了多匝第一短路線圈24、第二短路線圈25以及第三短路線圈26，多匝短路線圈的兩個(gè)線圈邊分別放置在以倒梯形槽中心線為對(duì)稱軸的相鄰?fù)箻O上的半開口槽中。

本實(shí)用新型第一、第二、第三半開口槽的底部與轉(zhuǎn)子鐵心21內(nèi)徑之間均留有一定的距離，以滿足轉(zhuǎn)子鐵心強(qiáng)度和剛度的要求；第一、第二、第三半開口槽的深度隨其與凸極22中心線距離的增加而減小，以滿足槽對(duì)于轉(zhuǎn)子磁通的導(dǎo)向要求。

本實(shí)用新型第一、第二、第三短路線圈相互獨(dú)立，在電路上沒有聯(lián)系；位于凸極第一半開口槽22a中的短路線圈采用雙層結(jié)構(gòu)，一個(gè)線圈邊放在第一半開口槽的上層，另一線圈邊依次放在相鄰?fù)箻O第一半開口槽22a的下層，第一、第二半開口槽中的短路線圈采用單層結(jié)構(gòu)，每個(gè)半開口槽中僅放置一個(gè)短路線圈邊；在上述半開口槽中放置多匝短路線圈的作用，是利用轉(zhuǎn)子短路線圈中感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)調(diào)制定子繞組電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

本實(shí)用新型凸極繞線轉(zhuǎn)子不限于圖3所示結(jié)構(gòu)形式，圖4為本實(shí)用新型凸極繞線轉(zhuǎn)子的另一種結(jié)構(gòu)形式；與圖3所示結(jié)構(gòu)不同的是，圖4所示轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，僅在位于凸極22中心線上第一半開口槽22a中放置了第一短路線圈24，而在第二、第三半開口槽中沒有放置短路線圈，特別適用于極數(shù)較多而極寬尺寸較小的轉(zhuǎn)子，可以簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)子制造工藝。

以上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理和主要特征和本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本實(shí)用新型的原理，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的前提下，本實(shí)用新型還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本實(shí)用新型范圍內(nèi)。本實(shí)用新型要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。