本發(fā)明屬于游標(biāo)電機(jī)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種跨兩齒集中繞組游標(biāo)永磁電機(jī)。
背景技術(shù)：
：在化石能源緊缺的背景下，開發(fā)新型能源已經(jīng)成為各國(guó)的迫切任務(wù)。在各種新型能源中，風(fēng)能由于來源豐富，無污染，技術(shù)相對(duì)成熟，具有解決目前電力短缺以及未來能源危機(jī)的潛力，而被廣泛研究。作為獲取風(fēng)能的重要設(shè)備，風(fēng)力發(fā)電機(jī)也成為了研究熱點(diǎn)。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片轉(zhuǎn)速較低，輸入轉(zhuǎn)矩較大，為了將葉片運(yùn)動(dòng)特性與電機(jī)特性配合，現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)思路主要有兩種，一種是利用機(jī)械齒輪箱，將葉片低速、高轉(zhuǎn)矩的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為高速、低轉(zhuǎn)矩的運(yùn)動(dòng)，再使用普通的發(fā)電機(jī)完成發(fā)電過程，這種發(fā)電機(jī)稱為非直驅(qū)式的發(fā)電機(jī)；另一種思路是將電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩直接與葉片匹配，即電機(jī)具有較高的輸出轉(zhuǎn)矩以及較低的轉(zhuǎn)速，這種發(fā)電機(jī)稱為直驅(qū)式發(fā)電機(jī)。直驅(qū)式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)省去機(jī)械變速箱，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)周期長(zhǎng)、效率高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)體積大，重量沉，研制高功率密度的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以大幅降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制造成本，具有很高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)就屬于典型的高轉(zhuǎn)矩密度電機(jī)拓?fù)洌陙肀粡V泛研究。磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)具有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而其中游標(biāo)永磁電機(jī)由于結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，成為磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)中的研究熱點(diǎn)之一，有望得到大規(guī)模工程應(yīng)用。常規(guī)的游標(biāo)電機(jī)，轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)多，且與定子齒數(shù)接近，而定子極對(duì)數(shù)相對(duì)很小。定子的多齒少極結(jié)構(gòu)，使得常規(guī)游標(biāo)電機(jī)的定子繞組均采用整數(shù)槽繞組，且極比均在5或以上，如圖2所示，為一種12槽，定子2對(duì)極，轉(zhuǎn)子5對(duì)極的常規(guī)三相游標(biāo)電機(jī)，采用每極每相槽數(shù)為1的疊繞組連接方式，每個(gè)線圈的兩線圈邊需通過跨三齒的線圈端部連接。如圖3所示，為一種12槽，定子1對(duì)極，轉(zhuǎn)子1對(duì)極的常規(guī)三相游標(biāo)電機(jī)，用每極每相槽數(shù)為2的疊繞組連接方式，每個(gè)線圈的兩線圈邊需通過跨六齒的線圈端部連接。可見，當(dāng)常規(guī)游標(biāo)電機(jī)的定子繞組均采用整數(shù)槽繞組時(shí)，繞組端部所跨齒數(shù)至少為3，這一繞組設(shè)置導(dǎo)致了游標(biāo)電機(jī)的一種主要問題，即繞組端部跨距過長(zhǎng)。為解決繞組端部過長(zhǎng)的問題，現(xiàn)有技術(shù)方案有兩種，一種是采用環(huán)形繞組，但該類繞組只有運(yùn)用于雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的游標(biāo)電機(jī)時(shí)才能有效減少繞組端部。如中國(guó)專利CN103178667A公開了一種軸向磁場(chǎng)雙定子游標(biāo)電機(jī)，其包括轉(zhuǎn)子和定子，其特征在于所述定子為兩個(gè)，以凹槽相對(duì)的方式同軸間隔布置，所述轉(zhuǎn)子同軸設(shè)置在兩定子之間，在轉(zhuǎn)矩密度相近的情況下，與傳統(tǒng)游標(biāo)電機(jī)相比，該雙定子游標(biāo)電機(jī)的功率因素顯著提高。另一種方案是采用非重疊繞組，如圖3為該類型游標(biāo)電機(jī)的典型拓?fù)?，但該類繞組必須應(yīng)用于有特殊輔助齒槽結(jié)構(gòu)的游標(biāo)電機(jī)中。但現(xiàn)有的兩種特殊繞組方案均需要與特殊的電機(jī)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，而針對(duì)如圖1所示的常規(guī)游標(biāo)電機(jī)拓?fù)洌F(xiàn)有技術(shù)方案只能采用整數(shù)槽繞組，這種繞組方式導(dǎo)致繞組端部跨距過長(zhǎng)，占據(jù)相當(dāng)一部分定子體積，且增大電機(jī)銅耗，削弱該類電機(jī)高轉(zhuǎn)矩密度的優(yōu)勢(shì)，降低了電機(jī)效率。除繞組端部過長(zhǎng)之外，現(xiàn)有游標(biāo)電機(jī)的另一大主要缺點(diǎn)是功率因數(shù)低，采用和傳統(tǒng)永磁電機(jī)相近的電負(fù)荷時(shí)，游標(biāo)電機(jī)功率因數(shù)與極比呈反相關(guān)關(guān)系，極比越高，定子齒數(shù)與轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)越接近，永磁體漏磁越嚴(yán)重，主磁通越低，現(xiàn)有的游標(biāo)電機(jī)功率因數(shù)低至0.2～0.3。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提出一種采用跨兩齒集中繞組的游標(biāo)永磁電機(jī)。這種游標(biāo)電機(jī)拓?fù)涞睦@組跨距相較于傳統(tǒng)游標(biāo)電機(jī)顯著減小，端部更短，有效降低了電機(jī)銅耗，縮小了電機(jī)體積。同時(shí)，采用跨兩齒的集中繞組，使得游標(biāo)電機(jī)的極比降低，在損失較小比例的輸出轉(zhuǎn)矩的情況下，可大幅提高電機(jī)的功率因數(shù)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種采用跨兩齒集中繞組的游標(biāo)永磁電機(jī)，其包括定子和轉(zhuǎn)子，其中，定子呈圓筒形，筒體周壁上均勻開有多個(gè)凹槽，各凹槽用于容納繞組，筒體周壁上的各凹槽之間的凸起部分形成定子齒；轉(zhuǎn)子呈圓環(huán)形，筒體周壁上間隔布置有多個(gè)永磁體；其特征在于，所述游標(biāo)永磁電機(jī)的電樞繞組為跨兩齒的集中繞組。進(jìn)一步地，所述游標(biāo)永磁電機(jī)的定子槽數(shù)Z，轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)Pr，定子極對(duì)數(shù)Ps，需滿足如下關(guān)系：ZGCD(Z,Ps)=3k,k=1,2,3...(1)Z=|Pr±Ps|(2)12<Z6Ps<1(3)]]>式中：GCD(Z,Ps)表示定子槽數(shù)與定子極對(duì)數(shù)的最大公約數(shù)。進(jìn)一步地，所述定子(1)和轉(zhuǎn)子(2)為同軸套設(shè)。進(jìn)一步地，定子(1)與轉(zhuǎn)子(2)可以是外定子內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，也可以是外轉(zhuǎn)子內(nèi)定子結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，一種跨兩齒集中繞組游標(biāo)永磁電機(jī)在風(fēng)力發(fā)動(dòng)系統(tǒng)或艦船動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用。總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：(1)本發(fā)明中，一種跨兩齒集中繞組游標(biāo)永磁電機(jī)的繞組跨距相較于傳統(tǒng)游標(biāo)電機(jī)顯著減小，端部更短，有效降低了電機(jī)銅耗，縮小了電機(jī)體積，提高了電機(jī)效率。(2)本發(fā)明中，采用跨兩齒的集中繞組，使得游標(biāo)電機(jī)的極比降低至2～5之間，在損失較小比例的輸出轉(zhuǎn)矩的情況下，可使電機(jī)的功率因數(shù)提高到0.8以上。附圖說明圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的一種常規(guī)游標(biāo)永磁電機(jī)示意圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)中的一種定子12槽，轉(zhuǎn)子10對(duì)極，極比5比1的常規(guī)游標(biāo)永磁電機(jī)一相整數(shù)槽疊繞組接線示意圖；圖3為現(xiàn)有技術(shù)中的一種定子6主槽，含18輔助槽，定子2對(duì)極，轉(zhuǎn)子10對(duì)極的帶幅值齒槽結(jié)構(gòu)，且采用非重疊繞組的游標(biāo)電機(jī)示意圖；圖4為現(xiàn)有技術(shù)中的一種定子12槽，轉(zhuǎn)子11對(duì)極，極比11比1的常規(guī)游標(biāo)永磁電機(jī)一相整數(shù)槽疊繞組接線示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例的一種跨兩齒集中繞組游標(biāo)永磁電機(jī)，即定子18槽，轉(zhuǎn)子14對(duì)極，極比3.5比1的跨兩齒集中繞組游標(biāo)電機(jī)的一相繞組接線示意圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例的一種跨兩齒集中繞組游標(biāo)永磁電機(jī)，即定子18槽，轉(zhuǎn)子14對(duì)極，極比3.5比1的跨兩齒集中繞組游標(biāo)電機(jī)的磁場(chǎng)分布示意圖。具體實(shí)施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。圖5為本發(fā)明實(shí)施例的一種跨兩齒集中繞組游標(biāo)永磁電機(jī)，其包括定子1和轉(zhuǎn)子2，其中，定子1呈圓筒形，筒體周壁上均勻開有多個(gè)凹槽，各凹槽用于容納繞組，筒體周壁上的各凹槽之間的凸起部分形成定子齒；轉(zhuǎn)子2呈圓環(huán)形，筒體周壁上間隔布置有多個(gè)永磁體；其特征在于，所述游標(biāo)永磁電機(jī)的電樞繞組為跨兩齒的集中繞組。其中，所述游標(biāo)永磁電機(jī)的定子槽數(shù)Z，轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)Pr，定子極對(duì)數(shù)Ps，需滿足如下關(guān)系：ZGCD(Z,Ps)=3k,k=1,2,3...(1)Z=|Pr±Ps|(2)12<Z6Ps<1(3)]]>式(1)中：GCD(Z,Ps)表示定子槽數(shù)與定子極對(duì)數(shù)的最大公約數(shù)；式(1)是實(shí)現(xiàn)三相對(duì)稱繞組的條件，適用于所有交流繞組；式(2)是所有游標(biāo)電機(jī)定轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)與定子槽數(shù)需滿足的條件，即定子齒數(shù)等于轉(zhuǎn)子上永磁體的極對(duì)數(shù)與定子電樞繞組的極對(duì)數(shù)之和或差的絕對(duì)值；式(3)為本發(fā)明跨兩齒集中繞組游標(biāo)電機(jī)的定子槽數(shù)與定子極對(duì)數(shù)所需滿足的條件，即定子繞組的每極每相槽數(shù)p介于0.5～1之間，其中，定子繞組的每極每相槽數(shù)p通過下式計(jì)算：p=Z2mPs]]>其中，Z為定子槽數(shù)；m為電機(jī)相數(shù)，本發(fā)明的技術(shù)方案中，m取3；Ps為定子的極對(duì)數(shù)，則：p=Z6Ps]]>滿足這三個(gè)條件后，本發(fā)明的游標(biāo)電機(jī)繞組端部跨兩齒繞制，繞組系數(shù)均大于0.86，極比均介于2～5之間。游標(biāo)永磁電機(jī)功率因數(shù)計(jì)算公式如下：其中，Pr指轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)；Ps指定子極對(duì)數(shù)；Ls指電機(jī)每相電感；Iph指相電流；Ψm指空載下永磁磁鏈。游標(biāo)永磁電機(jī)功率因數(shù)和電機(jī)電感與相電流的乘積與主磁鏈之比有關(guān)。常規(guī)的整數(shù)槽疊繞組游標(biāo)電機(jī)，轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)數(shù)與齒數(shù)非常接近，大量磁通從磁極穿過氣隙直接通過定子齒部，然后返回另一磁極，而沒有通過定子繞組，這就造成永磁體漏磁通大大增加，同時(shí)，當(dāng)相鄰永磁體一個(gè)面對(duì)定子齒部，一個(gè)將面對(duì)定子槽，相鄰永磁體構(gòu)成的磁路磁阻大，導(dǎo)致主磁鏈很低。進(jìn)一步考慮電樞電感與主磁鏈的比值，隨著極比的上升，該比值逐漸增大，因此功率因數(shù)會(huì)隨極比的升高而降低。常規(guī)游標(biāo)電機(jī)功率因數(shù)甚至低至0.2到0.3。本發(fā)明的跨兩齒集中繞組游標(biāo)電機(jī)，相比于傳統(tǒng)游標(biāo)電機(jī)，在損失較小比例的輸出轉(zhuǎn)矩的情況下，其電磁有效部分相比于傳統(tǒng)永磁電機(jī)仍具有很高的轉(zhuǎn)矩密度，繞組端部也大幅縮短，降低繞組銅耗的同時(shí)也縮小了電機(jī)的總體積。另外，本發(fā)明的跨兩齒集中繞組游標(biāo)電機(jī)的功率因數(shù)相比于傳統(tǒng)游標(biāo)電機(jī)也有顯著提高，采用和傳統(tǒng)永磁電機(jī)相近的電負(fù)荷時(shí)，功率因數(shù)可達(dá)到0.8以上。此外，定子1與轉(zhuǎn)子2為同軸套設(shè)。定子1與轉(zhuǎn)子2可以是外定子內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，也可以是外轉(zhuǎn)子內(nèi)定子結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的跨兩齒集中繞組游標(biāo)永磁電機(jī)可以在風(fēng)力發(fā)動(dòng)系統(tǒng)或艦船動(dòng)力系統(tǒng)中應(yīng)用。本實(shí)施例選取其中一種極槽配合方案進(jìn)行說明，圖5為本發(fā)明實(shí)施例的一種跨兩齒集中繞組游標(biāo)永磁電機(jī)，如圖5所示，其中，定子為18槽，轉(zhuǎn)子為14對(duì)極，定子為4對(duì)極，極比為3.5：1。因此，可以計(jì)算得到電樞繞組每極每相槽數(shù)為0.75，將電樞繞組設(shè)計(jì)為為跨兩齒的集中繞組，繞組端部相比于傳統(tǒng)整數(shù)槽疊繞組游標(biāo)電機(jī)顯著縮短，且繞組系數(shù)可達(dá)到0.95。本實(shí)施例采用和傳統(tǒng)永磁電機(jī)相近的電負(fù)荷時(shí)，功率因數(shù)可達(dá)到0.8以上。在本實(shí)施例中，定子具有18槽，定子繞組極對(duì)數(shù)為4，轉(zhuǎn)子具有14對(duì)極。圖5繪制了該實(shí)施例中一相繞組的連接方式。繞組連接方式如下，對(duì)于任意繞組來說，其均有兩個(gè)出線端，有時(shí)在三相繞組內(nèi)各取一出線端相連接成“Y”型，也可首尾相連接成“△”型。圖5所示繞組具有6個(gè)線圈，每個(gè)線圈均在兩個(gè)槽內(nèi)各占一線圈邊，其中靠近轉(zhuǎn)子的線圈邊稱為下層邊，遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子的稱為上層邊，上層邊與下層邊相連，形成多匝的線圈結(jié)構(gòu)，每個(gè)線圈均由一個(gè)線圈邊接入，另一個(gè)線圈邊引出。圖中所示繞組可分為兩個(gè)線圈組，第一組從線圈A的上層邊接入，經(jīng)線圈A下層邊連接線圈B下層邊，再通過線圈B上層邊連接線圈C上層邊，到C下層邊引出；第二組從線圈D的上層邊接入，經(jīng)線圈D下層邊連接線圈E下層邊，再通過線圈E上層邊連接線圈F上層邊，到F下層邊引出。兩線圈組可串聯(lián)或并聯(lián)連接，串聯(lián)時(shí)，線圈C下層邊連接線圈D上層邊，線圈A上層邊與F下層邊作為繞組出線端；并聯(lián)時(shí)，線圈A與D的上層邊相連作為繞組一個(gè)出線端，線圈C與F下層邊相連作為另一個(gè)出線端。圖6為本發(fā)明實(shí)施例的一種跨兩齒集中繞組游標(biāo)永磁電機(jī)，即定子18槽，轉(zhuǎn)子14對(duì)極，極比3.5比1的跨兩齒集中繞組游標(biāo)電機(jī)的磁場(chǎng)分布示意圖，如圖6所示，當(dāng)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的14對(duì)極的磁動(dòng)勢(shì)與氣隙磁導(dǎo)作用產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)主要包含4對(duì)極與14對(duì)極的旋轉(zhuǎn)諧波分量，恰好等于繞組極對(duì)數(shù)以及其齒諧波極對(duì)數(shù)。4對(duì)極諧波轉(zhuǎn)速較快，14對(duì)極諧波轉(zhuǎn)速較慢，均會(huì)在電樞繞組中感應(yīng)反電勢(shì)，且兩反電勢(shì)頻率與相位相同，共同構(gòu)成了反電勢(shì)的基波。當(dāng)電機(jī)通以與基波頻率相同的對(duì)稱三相交流電時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的功率即轉(zhuǎn)矩傳輸。本發(fā)明的技術(shù)方案中，實(shí)施例中給出了一種定子18槽，轉(zhuǎn)子14對(duì)極，定子4對(duì)極的跨兩齒集中繞組游標(biāo)電機(jī)，但本發(fā)明不限于上述實(shí)施例中的極槽配合方案，表1篩選出了屬于本發(fā)明范疇的部分槽極配合，其中PR指轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)，kw指基波繞組系數(shù)，SPP指每極每相槽數(shù)。本發(fā)明不限于這些槽極配合，只要符合定子槽數(shù)Z，轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)Pr，定子極對(duì)數(shù)Ps的上述關(guān)系的槽極配合均可。表1本發(fā)明跨兩齒集中繞組游標(biāo)電機(jī)的某些槽極配合本發(fā)明的技術(shù)方案中，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為本發(fā)明一種跨兩齒集中繞組游標(biāo)永磁電機(jī)最典型的應(yīng)用場(chǎng)合，但本發(fā)明不限于應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，也可以應(yīng)用在艦船動(dòng)力系統(tǒng)或其他領(lǐng)域。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3