專利名稱：一種軸向雙定子無刷雙饋電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電機及其控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種雙饋變速恒頻發(fā)電機/電動機。
背景技術(shù)：
隨著全社會對能源和環(huán)境問題的持續(xù)關(guān)注，可再生能源的開發(fā)利用正呈現(xiàn)出加速發(fā)展的趨勢。風(fēng)能在地球上廣泛存在并且是目前為人們所掌握的最為成熟的可再生能源之一。風(fēng)力發(fā)電機是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中將機械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其性能直接影響著輸出電能的質(zhì)量和轉(zhuǎn)換效率。目前，世界上流行的大功率風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)使用的發(fā)電機主要有以下幾種類型 一、雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機
雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中使用齒輪箱將較低的風(fēng)機轉(zhuǎn)速變換到較高的發(fā)電機運行速度，可連續(xù)變速運行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率高。功率變換器為部分功率變換器(約為全部功率的三分之一)，因而變換器成本相對較低。其缺點是電機帶有電刷和滑環(huán)，使得可靠性下降，制造和維護成本增加。另外，齒輪箱的存在增大了系統(tǒng)體積，也使系統(tǒng)可靠性進一步降低。二、直驅(qū)式同步發(fā)電機
直驅(qū)式同步發(fā)電機由風(fēng)機直接驅(qū)動，因而不需要齒輪箱，一定程度上提高了整個系統(tǒng)的可靠性。直驅(qū)式同步發(fā)電機包括電磁式和永磁式。直驅(qū)式電勵磁同步發(fā)電機由外部勵磁電源供電，因而仍然帶有電刷和滑環(huán)。直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機由永久磁鋼勵磁，取消了電刷和滑環(huán)。兩種電機均運行于較低轉(zhuǎn)速，使電機極數(shù)增多，體積變大。同時，直驅(qū)式同步發(fā)電系統(tǒng)均使用全功率變換器，因而變換器成本較高。另外，可能的永磁體退磁也是直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機面臨的一個問題。三、無刷雙饋電機
無刷雙饋電機定子側(cè)有兩套極對數(shù)不同的獨立繞組，轉(zhuǎn)子采用自行閉合的環(huán)路結(jié)構(gòu)， 兩套定子繞組在電路和磁路上完全解耦，取消了電刷和滑環(huán)，可靠性提高。使用部分功率變換器，變換器成本較低。無刷雙饋電機按照是否共用定子鐵心可分為軸向級聯(lián)式和共用定子鐵心式。軸向級聯(lián)式無刷雙饋電機由兩臺異步電機軸向級聯(lián)而成，一臺為功率機，另一臺為控制機，由于繞組端部的存在使得軸向級聯(lián)的兩個定子之間必須留有一定的間距，公共轉(zhuǎn)子利用率低，系統(tǒng)占用空間大，功率密度偏低。共用定子鐵心式無刷雙饋電機只有一個定子鐵心，上面安放兩套極對數(shù)不同的繞組，一套為功率繞組，另一套為控制繞組，繞組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，槽利用率偏低，而且兩套繞組間存在直接的磁耦合。同時，使用的鼠籠轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特殊， 需專門設(shè)計。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于提供一種可提高系統(tǒng)可靠性和空間利用率的軸向雙定子無刷雙饋電機。技術(shù)方案本發(fā)明的軸向雙定子無刷雙饋電機，包括雙向整流逆變器、端蓋、轉(zhuǎn)軸、
3設(shè)置在轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)子、在轉(zhuǎn)子的軸向兩側(cè)對稱設(shè)置的左定子和右定子，轉(zhuǎn)軸與端蓋之間通過軸承連接，兩個定子與轉(zhuǎn)子之間均設(shè)置有氣隙；
左定子包括左定子鐵心和設(shè)置在左定子鐵心上極數(shù)為2p的左定子繞組，右定子包括右定子鐵心和設(shè)置在右定子鐵心上極數(shù)為2q的右定子繞組，ρ和q分別為正整數(shù)，且P和q 不相等；左定子繞組的三相引出線與電網(wǎng)或主電源相連；右定子繞組的三相引出線與雙向整流逆變器連接；
轉(zhuǎn)子包括垂直于轉(zhuǎn)軸軸向的圓盤狀的機械支撐，機械支撐的兩側(cè)對稱設(shè)置有圓環(huán)狀的左鐵心和右鐵心，左鐵心和右鐵心的內(nèi)環(huán)上分別設(shè)置有左鐵心端環(huán)和右鐵心端環(huán)，左鐵心和右鐵心的圓環(huán)上分別設(shè)置有周向均勻排列的徑向的左鐵心導(dǎo)條和右鐵心導(dǎo)條，左鐵心導(dǎo)條的一端與左鐵心端環(huán)連接，右鐵心導(dǎo)條的一端與右鐵心端環(huán)連接，左鐵心導(dǎo)條與右鐵心導(dǎo)條在左鐵心和右鐵心的外環(huán)一側(cè)連接。本發(fā)明中，左定子繞組和右定子繞組均為多相對稱定子繞組。本發(fā)明的電磁結(jié)構(gòu)可由多個基本單元組成，基本單元沿軸向級聯(lián)。有益效果本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點
該無刷雙饋電機保留了直驅(qū)式同步發(fā)電機、雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的優(yōu)點，取消了電刷和滑環(huán)，提高了系統(tǒng)可靠性，降低了維護成本。流經(jīng)功率變換器的電功率為控制繞組功率， 類比普通雙饋異步發(fā)電機可知，功率變換器容量較小，約為電機全部功率的1/3，因而功率變換器成本低。傳統(tǒng)級聯(lián)式無刷雙饋電機采用軸向磁通結(jié)構(gòu)時，沿半徑方向有4個繞組端部，而本發(fā)明的軸向磁通結(jié)構(gòu)軸向雙定子無刷雙饋電機，由于可以將兩個定子同軸布置在轉(zhuǎn)子的兩側(cè)，沿半徑方向僅有2個繞組端部，減少了無效長度，因此空間利用率高，相同功率等級下，電機的軸向長度縮短，結(jié)構(gòu)更加緊湊。此外，還可以沿軸向布置多個電機基本單元，提高電機容量，具有更大的靈活性。與徑向結(jié)構(gòu)的無刷雙饋雙定子電機相比，其控制繞組不受徑向結(jié)構(gòu)中內(nèi)定子空間有限的限制，其容量可設(shè)計成與功率繞組相同，因此，電機的可調(diào)速范圍可明顯增加。與共用定子鐵心式無刷雙饋電機相比，兩定子間由盤式轉(zhuǎn)子分隔，兩層鼠籠在一端對應(yīng)導(dǎo)條相連，使雙層鼠籠之間只有電路連接。功率繞組產(chǎn)生的磁場與控制繞組產(chǎn)生的磁場僅通過轉(zhuǎn)子間接耦合，消除了共用定子鐵心時兩定子磁場之間可能存在的直接耦合， 便于控制。同時，轉(zhuǎn)子使用類似普通感應(yīng)電機的鼠籠結(jié)構(gòu)，工藝成熟，制造簡單，而共用定子鐵心式無刷雙饋電機的鼠籠繞組需要特殊設(shè)計以滿足電磁性能的要求。
圖1為本發(fā)明的軸向雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)原理圖； 圖2為本發(fā)明的軸向雙定子無刷雙饋電機全剖結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明的軸向雙定子無刷雙饋電機立體結(jié)構(gòu)圖； 圖4為本發(fā)明的軸向雙定子無刷雙饋電機左定子鐵心結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為本發(fā)明的軸向雙定子無刷雙饋電機左定子軸截面示意圖； 圖6為本發(fā)明的軸向雙定子無刷雙饋電機右定子鐵心結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7為本發(fā)明的軸向雙定子無刷雙饋電機右定子軸截面示意圖；圖8為本發(fā)明的軸向雙定子無刷雙饋電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖； 圖9為本發(fā)明的軸向雙定子無刷雙饋電機轉(zhuǎn)子導(dǎo)條連接安裝結(jié)構(gòu)示意圖； 圖10為本發(fā)明的軸向雙定子無刷雙饋電機連接至電網(wǎng)作變速恒頻發(fā)電機或電動機運行示意圖。圖中有1為左定子，2為右定子，3為轉(zhuǎn)子，4為雙向整流逆變器，5為齒輪箱，6為風(fēng)機風(fēng)輪，7為端蓋，8為軸承，9為轉(zhuǎn)軸，10為濾波電感；11為左定子鐵心，12為左定子繞組，13為左定子齒，14為左定子槽，21為右定子鐵心，22為右定子繞組，23為右定子齒，24 為右定子槽，31為轉(zhuǎn)子機械支撐，32為左鐵心，33為左鐵心端環(huán)，34為左鐵心導(dǎo)條，35為右鐵心，36為右鐵心端環(huán)，37為右鐵心導(dǎo)條。
具體實施例方式圖1為該雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，該電機包括雙向整流逆變器4、端蓋7、轉(zhuǎn)軸9、設(shè)置在轉(zhuǎn)軸9上的轉(zhuǎn)子3、在轉(zhuǎn)子3的軸向兩側(cè)對稱設(shè)置的左定子1和右定子2。其中左定子1上有一套極數(shù)為2p的左定子繞組12，右定子2上有一套極數(shù)為2q的右定子繞組 22，其中ρ和q分別為正整數(shù)。左定子繞組12為主功率繞組，與電網(wǎng)或主電源直接連接；右定子繞組22為控制繞組，通過雙向功率變換器4與電網(wǎng)或外電路相連接。上述2p定子繞組12與2q定子繞組均為多相對稱定子繞組。轉(zhuǎn)子3直接或通過齒輪箱5與風(fēng)機風(fēng)輪6建立機械連接。圖1中的齒輪箱5并不是該雙定子無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所必需的。當(dāng)風(fēng)機風(fēng)輪 6與電機轉(zhuǎn)子3通過齒輪箱5連接時，該系統(tǒng)為高速雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；當(dāng)風(fēng)機風(fēng)輪6與電機轉(zhuǎn)子3直接相連時，該系統(tǒng)為低速直接驅(qū)動雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。本發(fā)明裝置的磁通分布方向與轉(zhuǎn)軸平行，在平行于軸的平面內(nèi)形成磁通的閉合回路。如圖2和圖3所示，兩個定子和轉(zhuǎn)子沿軸向布置，轉(zhuǎn)子3置于左定子1和右定子2 之間，定子和轉(zhuǎn)子的機械軸心重合。轉(zhuǎn)軸9與端蓋7之間通過軸承8連接，轉(zhuǎn)子3與轉(zhuǎn)軸9 連接，兩個定子與轉(zhuǎn)子3之間均設(shè)置有氣隙，定轉(zhuǎn)子間氣隙傳遞電磁轉(zhuǎn)矩從而實現(xiàn)該電機發(fā)電或電動運行。如圖4和圖6所示，左定子1包括左定子鐵心11和設(shè)置在所述左定子鐵心11上極數(shù)為2p的左定子繞組12，右定子2包括右定子鐵心21和設(shè)置在所述右定子鐵心21上極數(shù)為2q的右定子繞組22。定子鐵心由基于雙面絕緣電工鋼片的定子沖片疊壓而成，在面向轉(zhuǎn)子的定子表面分別沖制均勻分布的齒槽。定子齒的作用是導(dǎo)磁，槽的作用是安放繞組。外定子繞組為功率繞組，其電流和電壓較高，與電網(wǎng)直接相連，作為雙饋電機的第一個饋電端口。內(nèi)定子繞組為控制繞組，其電壓和電流較小，通過雙向整流逆變器與電網(wǎng)間接相連，作為雙饋電機的第二個饋電端口。圖8為本發(fā)明軸向雙定子無刷雙饋電機的轉(zhuǎn)子3，轉(zhuǎn)子3上包括垂直于轉(zhuǎn)軸9軸向的圓盤狀的機械支撐31，機械支撐31的兩側(cè)對稱設(shè)置有圓環(huán)狀的左鐵心32和右鐵心35， 左鐵心32和右鐵心35的內(nèi)環(huán)上分別設(shè)置有左鐵心端環(huán)33和右鐵心端環(huán)36。兩個轉(zhuǎn)子鐵心由雙面絕緣硅鋼片卷繞而成，沖片上沖有均勻分布的孔，用于放置導(dǎo)條。圖9為轉(zhuǎn)子導(dǎo)條安裝結(jié)構(gòu)圖，左鐵心32和右鐵心35的圓環(huán)上，徑向的左鐵心導(dǎo)條34和右鐵心導(dǎo)條37沿周向均勻排列，左鐵心導(dǎo)條34的一端與左鐵心端環(huán)33連接，右鐵心導(dǎo)條37的一端與右鐵心端環(huán)36連接，左鐵心導(dǎo)條34與右鐵心導(dǎo)條37在左鐵心32和右鐵心35的外環(huán)一側(cè)連接。本無刷雙饋電機的轉(zhuǎn)速與兩定子繞組中電流的頻率&和f,滿足關(guān)系 nr=60 (fp士fq) / (p+q)。當(dāng)電網(wǎng)頻率fp固定時，調(diào)節(jié)內(nèi)定子繞組中電流的頻率f,，就可實現(xiàn)該無刷雙饋電機的變速運行。采用一定的控制方法，通過控制雙向整流逆變器調(diào)節(jié)控制繞組中電流的頻率、大小和相位，不僅可以產(chǎn)生恒頻恒壓的電能，而且可以實現(xiàn)有功功率和無功功率的靈活調(diào)節(jié)。作為變速恒頻發(fā)電機運行的控制方法，本發(fā)明的軸向雙定子無刷雙饋電機中，夕卜定子繞組直接與電網(wǎng)連接，內(nèi)定子繞組通過整流逆變器與電網(wǎng)相連，當(dāng)發(fā)電機輸入軸轉(zhuǎn)速變化時，通過整流逆變器控制2q極繞組電流的頻率與幅值，使2p極功率繞組輸出恒頻恒壓的交流電。作為變速恒頻電動機運行的控制方法，本發(fā)明的軸向雙定子無刷雙饋電機中，夕卜定子繞組直接與電網(wǎng)連接，內(nèi)定子繞組通過整流逆變器與電網(wǎng)相連，通過整流逆變器調(diào)節(jié)控制繞組電流的頻率與幅值，改變電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。
權(quán)利要求
1.一種軸向雙定子無刷雙饋電機，其特征在于，該電機包括雙向整流逆變器(4)、端蓋 (7)、轉(zhuǎn)軸(9)、設(shè)置在所述轉(zhuǎn)軸(9)上的轉(zhuǎn)子(3)、在所述轉(zhuǎn)子(3)的軸向兩側(cè)對稱設(shè)置的左定子(1)和右定子(2)，轉(zhuǎn)軸(9)與端蓋(7)之間通過軸承(8)連接，所述的兩個定子與轉(zhuǎn)子(3)之間均設(shè)置有氣隙；所述左定子(1)包括左定子鐵心(11)和設(shè)置在所述左定子鐵心(11)上極數(shù)為2p的左定子繞組(12)，所述右定子(2)包括右定子鐵心(21)和設(shè)置在所述右定子鐵心(21)上極數(shù)為2q的右定子繞組(22)，所述ρ和q分別為正整數(shù)，ρ和q不相等；所述左定子繞組(12) 的三相引出線與電網(wǎng)或主電源相連，所述右定子繞組(22)的三相引出線與雙向整流逆變器(4)相連;所述的轉(zhuǎn)子(3)包括垂直于轉(zhuǎn)軸(9)軸向的圓盤狀的機械支撐(31)，所述機械支撐 (31)的兩側(cè)對稱設(shè)置有圓環(huán)狀的左鐵心(32)和右鐵心(35)，所述左鐵心(32)和右鐵心 (35)的內(nèi)環(huán)上分別設(shè)置有左鐵心端環(huán)(33)和右鐵心端環(huán)(36)，在左鐵心(32)和右鐵心 (35)的圓環(huán)上分別設(shè)置有周向均勻排列的徑向的左鐵心導(dǎo)條(34)和右鐵心導(dǎo)條(37)，所述左鐵心導(dǎo)條(34)的一端與左鐵心端環(huán)(33)連接，所述右鐵心導(dǎo)條(37)的一端與右鐵心端環(huán)(36)連接，左鐵心導(dǎo)條(34)與右鐵心導(dǎo)條(37)在左鐵心(32)和右鐵心(35)的外環(huán)一側(cè)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸向雙定子無刷雙饋電機，其特征在于，所述的左定子繞組 (12)和右定子繞組(22)均為多相對稱定子繞組。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種軸向雙定子無刷雙饋電機，包括雙向整流逆變器、端蓋、轉(zhuǎn)軸、設(shè)置在轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)子、在轉(zhuǎn)子的軸向兩側(cè)對稱設(shè)置的左定子和右定子，轉(zhuǎn)軸與端蓋之間通過軸承連接，兩個定子與轉(zhuǎn)子之間均設(shè)置有氣隙。本發(fā)明的軸向雙定子無刷雙饋電機具有極好的適應(yīng)性，既可以設(shè)計為變速恒頻發(fā)電機，也可以設(shè)計為恒頻調(diào)速電動機。該電機結(jié)構(gòu)簡單緊湊，功率密度高。沒有電刷滑環(huán)，因此，可靠性高，運行、維護成本低。
文檔編號H02K16/04GK102545501SQ20121001731
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月19日
發(fā)明者張建忠, 程明, 花為, 韓鵬 申請人:東南大學(xué)