專利名稱：軸向磁場雙定子游標電機的制作方法
技術領域：
本發明屬于電機領域，具體涉及一種游標電機，適用于風力發電、艦船驅動等。
背景技術：
風能作為可再生能源中很重要的一部分，受到了包括中國在內的世界各國的高度重視。在過去幾年里，風力發電的裝機容量連續多年大比例增長，尤其在中國，風力發電已成為一個重要的可再生能源行業。其中，風力發電機作為風力發電系統中最關鍵的部件之一，其設計技術、生產工藝已成為世界各國競爭的技術制高點，尤其是直驅式風力發電機，其轉速低，體積大，重量沉，高功率密度的風力發電機可以大幅度降低風力發電機的重量和成本，具有極大的社會經濟效益。游標電機(Vernier Machine)近年受到越來越多業界的重視,這種電機的拓撲具有超高的功率密度且機械結構簡單的優點，有望得到大規模工程應用。由于在轉速恒定的情況下，電機的轉矩與其空載反電勢大小有關，對于傳統的電機，定子和轉子的極對數是相同的，所以增大極數會同比例的減小定子磁鏈，因而不能通過增大極數來提高空載反電勢。如圖1所示，現有的游標電機和普通的永磁電機的結構類似，由轉子和定子組成，游標電機最主要的特點在于其定轉子的極對數不同，且通常轉子的極對數是定子極對數的幾倍，轉速恒定情況下，轉子極對數多可以提高定子磁鏈的交變頻率，同時定子的極對數少使得定子磁鏈不會因轉子極數增加而同比例減少，解決了傳統電機增大極對數會同比例減少定子每極磁通量的矛盾，從而可以增加磁鏈交變頻率與定子磁鏈乘積，進而增大空載反電勢，增加轉矩和功率密度。現有的游標電機的主要缺點是其功率因數低，導致給定輸出功率的情況下，需增大驅動變流器容量，從而帶來增加成本，降低系統運行可靠性等問題。游標永磁電機功率因數低的原因與主磁鏈和電機電感與相電流的乘積之比有關。與傳統電機相比，游標電機轉子極數很多，與齒數接近，由圖1可以看出，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，當相鄰永磁體一個面對定子齒部，一個將面對定子槽，相鄰永磁體構成的磁路磁阻大，導致主磁通很低，所以現有的游標電機功率因數很低。實際上，在采用和傳統永磁電機相近的電負荷的情況下，現有技術的游標電機功率因數可以低至0.2 0.3，而傳統永磁電機的功率因數可達0.90以上。
發明內容
本發明旨在提出一種軸向磁場雙定子游標電機，其通過采用雙定子及其錯位對置結構形式，從而提高電機的功率因數，并進一步提高功率密度，解決了現有游標電機低功率因數低導致的運行可靠性低問題，而且減小整體體積。本發明的一種軸向磁場雙定子結構電機，包括:轉子，其呈圓環形，環體周向上間隔布置有多個永磁體；
定子，其呈圓環形，環體一端端面在周向上開有多個凹槽，各凹槽用于容納繞組，各凹槽之間的凸起部分形成定子齒；其特征在于，所述定子為兩個，以凹槽相對的方式同軸間隔布置，所述轉子同軸設置在兩定子之間，且其中第一定子的定子齒與第二定子的定子齒在周向上相距半個槽距角。作為本發明的改進，所述第一定子的定子齒與第二定子的定子齒分別依次與轉子上相鄰的極靴正對布置。作為本發明的改進，所述轉子分別與所述第一定子和第二定子平行相對。作為本發明的改進，所述各永磁體通過極靴間隔，各極靴通過硅鋼橋或非導磁材料連接。作為本發明的改進，所述極靴上設置有螺栓孔，轉子通過上述螺栓孔與轉矩管連接。作為本發明的改進，所述轉子一體成型，所述永磁體容置在轉子上周向均勻間隔設置的凹槽內。作為本發明的改進，所述第一定子和第二定子分別固定在機殼內壁軸向兩端，所述轉子通過固定設置在電機轉軸中部的轉矩管固定安裝。本發明采用徑向磁場雙定子結構,其中轉子和兩定子采用軸向間隔布置，而且轉子位于兩定子之間，通過設置定子齒與轉子極靴的相對位置關系，從而獲得緊湊的電機結構，在與傳統游標電機的轉矩密度相近的情況下，功率因數顯著提高，可以達到0.8以上。
圖1為現有技術中的一種游標電機結構示意圖；圖2為本發明實施例的軸向雙定子游標永磁電機的結構示意圖；圖3為本發明實施例的軸向雙定子游標永磁電機的磁通示意圖；圖4 (a)-4 (d)為本發明實施例的軸向雙定子游標永磁電機的4種不同轉子結構(1/4模型)示意圖；圖5為本發明實施例軸向雙定子游標永磁電機的整體結構示意圖。圖6為本發明的軸向雙定子游標永磁電機在直驅式風力發電系統中的應用示意圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和效果更加清晰明白，下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明，以下實施例僅是用于解釋本發明，并不構成對本發明的限定。如圖2所示，本實施例的游標電機包括兩個定子和一個轉子，其中定子I (在本實施例的圖2中為左邊的定子)和定子3 (在本實施例的圖2中為右邊的定子)。定子I和定子3均為圓環形結構，定子I環體一端的端面(圖2中為右端面)上沿軸向均勻開設有多個凹槽，同樣，定子3環體一端的端面(圖2中為左端面)上沿軸向也均勻開設有多個凹槽。凹槽中用于放置繞組，定子繞組可以采用單相或多相繞組，(圖2只畫出了繞組的有效部分，端部沒有畫出)。定子端面上的各凹槽之間的凸起部分即稱為定子齒，凹槽也稱為定子槽。定子齒寬和定子槽寬可以相等也可以不相等。兩定子同軸放置，優選同軸平行放置，兩定子的凹槽相對，兩定子具有相同的定子極數和槽數，且兩定子的定子齒在周向上依次相差半個槽距角。可有多種定轉子極數和定子槽數的組合，本實施例的圖2中，優選是44個轉子極、4個定子極、24個槽。轉子2同樣為圓環形結構，其設置在兩定子I和3之間，與兩定子同軸，且優選與兩定子分別平行，更優選在軸向上與兩定子距離相等。轉子永磁體優選采用內置式、切向充磁，永磁體磁場方向如圖3箭頭所示。本實施例的游標電機采用雙邊定子，左定子齒與右定子齒相差半個槽距角，即左定子齒與右定子槽相對，又由于轉子極數與定子齒數相近，所以，左定子齒與右定子齒分別與相鄰的極靴相對，如圖3所示，相比于傳統的游標電機，雙定子結構利用左定子和右定子結構位置上錯位半個槽距，使得左定子齒部和右定子齒部配合構成主磁鏈，且磁路中磁阻小，增強主磁場，解決了傳統游標電機相鄰磁極由定子齒和槽構成磁路磁阻大，且為漏磁的問題，大大減少了漏磁通，此外還利用磁體放置方式實現聚磁效應，大大提高了主磁通，提高了功率因數。本發明實施例的轉子2的磁體采用周向充磁，圖4給出了四種不同的轉子機械結構，其中，圖4 (a)所示的轉子各個極靴通過較窄的硅鋼橋連接，極靴上有螺栓孔，螺栓孔的數目不定；轉子通過這些軸向螺栓與轉矩管連接，這種結構由于其硅鋼橋較窄，構成的漏磁路磁阻大,這樣可以減小永磁體漏磁通。圖4 (b)與(a)相比，沒有軸向螺栓孔，其他部分結構相同；采用這種結構由于沒有螺栓孔，主磁路不會受到螺栓孔的影響，但轉子機械穩定性不如(a)。圖4 (C)所示結構中，各個極靴可以采用非導磁材料如環氧樹脂等連接，采用這種結構有沒有硅鋼橋，其永磁體漏磁小，增加永磁體利用率，提高轉矩輸出能力。圖4(d)轉子是一體的，永磁體被放置在轉子上所開的槽里，該結構機械穩定性好，但漏磁較大。上述幾種轉子結構只是示意結構，本發明并不限于這些結構，其他類似的結構變換都在本發明的保護范圍。如圖5所示為本實施例的一種優選的游標電機結構，其包括兩個定子一個轉子，兩個軸承，機殼，端蓋和轉軸，其中，兩定子分別固定在機殼內壁軸向兩端，通過軸承支撐，轉子通過固定設置在電機轉軸中部的轉矩管固定安裝。作為一種機電能量轉換裝置，電機轉矩的產生可以歸結于定子旋轉磁場與轉子磁場相互作用帶動轉子旋轉(電動機)，為了產生恒定轉矩，兩個旋轉磁場極數必須一樣。游標電機只需滿足定轉子極對數之和等于槽數即可實現其功能。具體來說，轉子永磁體產生的磁場與定子齒槽相互作用，產生很多磁場諧波，當滿足定轉子極對數之和等于定子槽數這一條件時，轉子永磁體產生的氣隙磁場中，與定子極數相同的諧波磁場含量很大，此時該諧波磁場與定子產生的磁場相互作用產生恒定轉矩，從而實現動力產生。本發明的軸向游標電機可以應用于直驅風力發電系統中，如圖6所示為一種基于軸向磁場雙定子游標電機的直驅風力發電系統，其由風葉，軸向磁場雙定子游標發電機，整流器，直流母線，逆變器組成。當然，軸向磁場雙定子游標發電機在風電領域應用不僅限于上述系統，也可配合不同的風電系統。本發明的游標電機還可以用于艦船的電力推進領域等其他動力系統領域。
權利要求
1.一種軸向磁場雙定子結構電機,包括: 轉子(2)，其呈圓環形，環體周向上間隔布置有多個永磁體； 定子(1，3)，其呈圓環形，環體一端端面在周向上均勻開有多個凹槽，各凹槽用于容納繞組，各凹槽之間的凸起部分形成定子齒； 其特征在于，所述定子(1，3)為兩個，以凹槽相對的方式同軸間隔布置，所述轉子同軸設置在兩定子(1，3)之間，且其中第一定子(I)的定子齒與第二定子(3)的定子齒在周向上相距半個槽距角。
2.根據權利要求1所述的一種軸向磁場雙定子結構電機，其中，所述轉子(2)分別與所述第一定子(I)和第二定子(3 )平行相對布置。
3.根據權利要求1或2所述的一種軸向磁場雙定子結構電機，其中，所述各永磁體通過極靴間隔，各極靴通過硅鋼橋或非導磁材料連接。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的一種軸向磁場雙定子結構電機，其中，所述極靴上設置有螺栓孔，轉子(2 )通過上述螺栓孔與轉矩管連接。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的一種軸向磁場雙定子結構電機，其中，所述轉子(2)—體成型，所述永磁體容置在轉子(2)上周向均勻間隔設置的凹槽內。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的一種軸向磁場雙定子結構電機，其中，所述第一定子(I)和第二定子(3)分別固定在機殼內壁軸向兩端，所述轉子(3)通過固定設置在電機轉軸中部的轉矩管固定安裝。
7.權利要求1-6中任一項所述的軸向磁場雙定子游標電機在風力發電系統或艦船動力系統中的應用。
全文摘要
本發明公開了一種軸向磁場雙定子游標電機，包括轉子，其呈圓環形，環體周向上均勻間隔布置有多個永磁體；定子，其呈圓環形，環體一端端面在周向上均勻開有多個凹槽，各凹槽用于容納繞組，各凹槽之間的凸起部分形成定子齒；其特征在于，所述定子為兩個，以凹槽相對的方式同軸間隔布置，所述轉子同軸設置在兩定子之間，且其中第一定子的定子齒與第二定子的定子齒在周向上相距半個槽距角。本發明的游標電機采用軸向磁場雙定子結構，與傳統游標電機的轉矩密度相近的情況下，功率因數顯著提高，可以達到0.8以上。
文檔編號H02K16/04GK103178667SQ20131006961
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月6日 優先權日2013年3月6日
發明者托馬斯安東尼·李泊, 曲榮海 申請人:華中科技大學