CN100386953C - 混合励磁双凸极永磁同步电机 - Google Patents
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Abstract
一种混合励磁双凸极永磁同步电机属电机类的交/直流电机。由电磁式双凸极电机和永磁式同步电机组合而成，两电机的定子和转子互相独立，共用壳体和转轴，电励磁式双凸极电机的定子(1)齿上套有电枢绕组(4)和励磁绕组(2)，转子(6)上无绕组，永磁同步电机的定子(3)齿上套有电枢绕组(5)，两个电机的电枢绕组互相串联。调节励磁电流的大小和方向，电机的相电势可得到调节。改变电励磁双凸极电机和永磁同步电机在轴向方向的长度比例，电机电势的幅值相应地会发生变化。它既可作3相电机，又可作多相电机；既可作交流电机，又可作直流电机。
Description
技术领域
本发明的混合励磁双凸极永磁同步电机属电机类的交/直流电机。
背景技术
电励磁同步电机由于可以方便地调节直流励磁，且调节磁场的直流励磁容量较小，所以在磁场调节方面具有永磁电机达不到的优势。而永磁(Permanent Magnet，PM)电机由于取消了电刷、滑环装置也具有一系列独特的优点，如效率高、结构简单、体积小等，但PM电机的气隙磁场是由磁钢和磁路磁导决定的，在运行中几乎保持恒定，调节困难，这在很大程度上限制了PM电机的发展和应用。
混合励磁电机(HEM，Hybrid Excitation Machine)存在2个磁势源。电机气隙磁场的主要部分由永磁磁铁建立，而电压调节所需的磁场变化部分靠辅助的电励磁绕组来实现。与PM电机比较，它具有调整气隙磁密的能力。因此，它综合了永磁电机和电励磁电机的优点，同时又克服了两者各自的缺陷。
HEM电机大约有7种拓扑，可分为混合励磁同步电机(HybridExcitation Synchronous Machine，HESM)和混合励磁双凸极电机(Hybrid Excitation Doubly Salient Machine，HEDSM)：
1混合励磁同步电机
HESM是在永磁同步电机的基础上附加电励磁绕组构成的，有6种结构：
1.1爪极电励磁永磁同步电机
爪极电励磁永磁同步电机(Permanent Magnet SynchronousMachine With Claw Pole Field Excitation，PSCPF)拓扑是在永磁同步电机的基础上加上爪极结构的电励磁部分而构成的，如图1所示。它的转子部分与径向磁化结构稀土永磁转子类似，稀土永磁体外装有由导磁体极靴和非导磁体间隔焊成的紧圈，它是爪极转子的一部分，爪极部分的电励磁绕组及其导磁支架固定不动，由于电励磁磁路存在非工作气隙δ1和δ2，从而实现了无刷励磁。
工作时，励磁绕组产生的磁通经导磁支架的内圆筒(轴向)→导磁支架底部(径向)→导磁支架外圆筒(轴向)→非工作气隙δ1(径向)→水平磁极(轴向)→气隙δ(径向)→定子铁心(径向)→气隙δ(径向)→爪极磁极N极(径向)→导磁轴套(轴向)→非工作气隙δ2(径向)→导磁支架内圆筒形成磁路。永磁体产生的磁通经爪极磁极N极→气隙δ(径向)→定子铁心→气隙δ(径向)→爪极水平磁极→永磁体→转子铁心→永磁体S极。励磁绕组产生的磁势增强或减弱气隙磁通。在这种结构中，两种磁势是并联关系，励磁绕组放置在定子上，省去了滑环、电刷。但它的电励磁部分为爪极结构，附加气隙多，磁路长漏磁大，永磁磁路和电励磁磁路耦合较强。电励磁的磁通路径中既存在轴向磁路，又存在径向磁路，因此在这种结构中，电机不宜细长。PSCPF电机主要被用作发电机使用。
磁路独立转子混合励磁电机，减少了永磁和电励磁间的耦合，结构上同图1的基本相同，但在永磁和电励磁之间加入了隔磁环，使得电励磁部分和永磁部分各自独立。
1.2顺极式混合励磁同步电机
顺极式混合励磁同步电机(Consequent Pole Permanent MagnetHybrid Excitation Machine，CPPM)是英国学者Spooner提出的一种电机，日本、美国学者随后对这种新的结构(图2)进行了研究。定子电枢绕组为三相对称绕组，定子被环形直流励磁绕组分成两部分，定子两段铁心由其外的背轭在机械和电磁上相连接；转子分成N极端和S极端两部分，每极端由同极性永磁体极和铁心极交错排列，且两端的N、S永磁体极和铁心极也相互错开。转子铁心和转轴间为导磁性能好的转子背轭，用于转子的轴向导磁。
径向/轴向磁场CPPM电机中，永磁体产生的磁通路径为：N极磁体(径向)→气隙(径向)→定子铁心(径向)→定子背轭(轴向)→定子铁心(径向)→气隙(径向)→S极磁体(径向)→转子铁心(径向)→转子背轭(轴向)→转子铁心(径向)→N极磁体(径向)；当励磁绕组通电流时，励磁电流所产生的电励磁磁通路径为：定子铁心(径向)→定子背轭(轴向)→定子铁心(径向)→气隙(径向)→转子铁心极(径向)→转子铁心(径向)→转子背轭(轴向)→转子铁心(径向)→转子铁心极(径向)→气隙(径向)→定子铁心(径向)→定子背轭。这两个磁势源的磁路可以认为是相对独立的，两者并联提供工作磁通，共同作用形成电机的主磁场。
这种结构的电机为径向/轴向混合结构磁路，两种磁势属于并联关系，附加气隙多，磁路磁阻较大，故适宜为短而粗的结构。它既可用作发电机，也可用作电动机。
2002年，美国学者Lipo针对轴向磁通环形绕组永磁电机(AxialFlux Toroidally-wound PM Machine，AFTPM)电机的弱磁运行问题提出了CPPM电机的一种新的方案，如图3示。
该电机由二个环形定子铁心(其中嵌有多相电枢绕组)、二个盘式转子和一个直流励磁绕组构成。直流励磁绕组放置在内外环形定子之间。两个盘式转子表面被分成内圈和外圈，上面交错排列着永磁极和铁心形成的中间极。永磁极被轴向安装在两片转子的内表面，永磁极的N极如果被放在转子的内圈，那么S极就被放在转子的外圈。通过调节励磁绕组的电流，气隙中的磁场就可以发生改变。
该电机的两种磁势是并联关系，磁路为轴向磁路，电机不宜细长。它既可用作发电机，也可用作电动机。
1.3混合励磁爪极电机
混合励磁爪极电机(Claw Pole WithHybrid Excitation Machine，HECP)主要有定子、转子爪极、转子磁轭、永磁体和励磁绕组组成。其中定子含内、外两部分，外定子与普通电机的定子类似，槽中嵌有多相对称绕组，内定子上放有环形直流励磁绕组。在相邻的两个爪极之间放置永磁体，如图4所示。
励磁绕组是一个环形线圈，通电后所产生轴向磁通经转子磁轭到达爪极，然后流经气隙、定子铁心、气隙和爪极，回到转子磁轭，如此形成一个回路，在爪极表面上形成N，S间隔的极性。
爪极式混合励磁电机中存在轴向和径向磁通，但以径向磁通为主，结构上适宜短粗，不宜细长。
励磁电流所产生的磁通与永磁磁通在磁路上呈并联关系，气隙磁场为两者之和。通过控制励磁绕组中电流的大小和方向，可灵活地调节气隙磁场。爪极结构因为极数可做得多，所以适合于容量小、转速低的电机。其缺点是有轴向磁路、漏磁大。它主要作为发电机使用。
1.4组合转子混合励磁电机
组合转子混合励磁电机(Combination Rotor Hybrid ExcitationMachine，HECR)是英国学者Chalmers等在1998年提出的组合转子混合励磁电机，如图5所示。电机采用普通交流电机定子，转子则由ALA(Axially-Laminated Anisotropic)转子和表贴式永磁转子两部分组合构成。
在这种结构中，永磁通和电励磁磁通各自具有不同的物理磁路——永磁通只在永磁段的磁路中流通(径向)，电励磁磁通只在磁阻段中流通(径向)，“弱磁”表现为一种合成的效果，在定子铁心的硅钢片中，并不存在真正的磁场削弱。因此，在低速运行时，磁阻部分基本上不产生转矩，从而导致了较低的电机转矩密度，而高速“弱磁”运行时，永磁段的磁通基本不变，磁阻段的磁通则随“弱磁”程度的增大而增大，从而导致铁磁损耗随速度增大，永磁体直接暴露在电枢之下，也容易使其产生不可恢复的去磁。
组合转子混合励磁电机转子的两个部分之间用空气隙隔开，相当于隔磁环，使得两部分磁路彼此独立，每一部分的磁路均为径向的。两部分磁势并联，长度视电机要求适当选取。它既可用作发电机，也可用作电动机。
1.5同步/永磁混合励磁电机
同步/永磁混合励磁电机(Synchronous/permanent Magnet HybridMachine，SynPM)电机是美国学者Lipo 2000年提出的，如图6所示。它的转子上既有永磁极(4极)又有励磁极(2极)，定子仍为传统的多相电机的定子结构。通过调节励磁电流，SynPM电机不仅气隙磁场发生变化，而且极数也可以从6极变为2极。
在这种结构中，两种磁势为并联关系，永磁体产生的磁通有两条路径，一是通过与它相邻的永磁体，另一条是通过与它相邻的电励磁磁极。而电励磁产生的磁通主要在两个励磁绕组之间流通。但不管是永磁体还是励磁绕组，两者产生的磁场均为径向磁场。由于励磁绕组在转子上，故电机中有电刷和滑环。它既可用作发电机，也可用作电动机。
1.6环形定子横向磁通电机
环形定子横向磁通电机(Toroidal-Stator Transverse-Fluxmachine，TSTF)是英国学者1989年提出的一种HESM拓扑，结构如图7所示。
在这种结构中，永磁体和励磁绕组产生的均为轴向磁场，两种磁势属于并联关系。励磁绕组在定子上，省去了滑环和电刷。结构上宜短粗。它既可用作发电机，也可用作电动机。
2混合励磁双凸极电机
双凸极永磁电机(Doubly Salient Permanent Magnet Motor，简称DSPM)和双凸极电励磁电机(Doubly Salient Excitation Motor，简称DSEM)是随着功率电子学和微电子学的发展出现的新型交流调速系统。它的定、转子均为凸极齿槽结构，定子上装有集中绕组，转子无绕组。双凸极电机的转子结构简单、坚固。
但在高速运行时，它将产生过高的永磁感应电势，因此为了维持恒定的功率输出，应设法减少气隙中的磁场。
1995年，美国学者Lipo在DSPM电机内加入了励磁绕组，提出了混合励磁双凸极电机(Hybrid Excitation Doubly Salient Machine，HEDSM)，如图8所示。它的PM和直流励磁控制绕组在定子上，转子是一个简单的叠片形状，直流线圈产生的磁通与永磁磁通有相同的路径，两个磁势源为串联磁势方式，因此控制直流电流的大小和方向可以产生增磁或弱磁效应。它保留了双凸极永磁电机的全部优点，具有结构简单、绕组端部短、用铜省、电阻小等特点。由于励磁绕组安装在定子上，所以不需要滑环、电刷装置，提高了可靠性。HEDSM既可用作发电机，也可用作电动机。
2004年出现了一种新的混合励磁电机，如图9所示，它把DSPM和DSEM组合在一起，两个电机共用一个机壳和转轴，左右放置，中间用气隙隔开，形成了一种新的混合励磁双凸极电机。在这种电机中，励磁绕组安装在定子上，省去了滑环和电刷；两种磁势源属并联磁势关系，减小了永磁体的去磁的可能性。但这种电机只能作为直流电机，而不能用于交流，专利申请号(200310106346.1)。
综上所述，混合励磁电机有2种：第一种是混合励磁同步电机；第二种是混合励磁双凸极电机，它只能用于直流电。
发明内容
本发明的目的在于提出一种交/直流共用且结构简单功率密度大的混合励磁电机。
本发明的混合励磁双凸极永磁同步电机，由电磁式双凸极电机和永磁式同步电机组合而成，电磁式双凸极电机在左(或右)侧，永磁同步电机在右(或左)侧，共用壳体和转轴，两电机的电枢和转子互相独立，中间用气隙隔开。两部分的长度可以相等，也可以不等。
电励磁双凸极电机部分的定子与转子均由硅钢片叠压而成，定子齿均匀分布，定子齿顶宽等于槽口宽，定子齿上套装集中电枢绕组和励磁绕组，每相电枢绕组既可以串联，也可以并联；转子齿顶宽可等于或稍大于定子齿宽。转子上无绕组。
永磁同步电机定子铁心由硅钢片叠压而成，定子齿上套装电枢绕组，电枢绕组可以是集中绕组，也可以是分布绕组，每相电枢绕组既可以串联，也可以并联；转子可用切向、径向或Halbach阵列磁钢等结构。
本发明的混合励磁双凸极永磁同步电机，电枢绕组由电励磁双凸极电机的电枢绕组和永磁同步电机的电枢绕组串联构成。
本发明的混合励磁双凸极永磁同步电机，可以是三相电机，也可以是多相电机；可以是直流电机，也可以是交流电机。
本发明的混合励磁双凸极永磁同步电机，永磁同步电机的极对数和电励磁双凸极的转子齿数相同。调节电励磁双凸极电机励磁电流的大小和方向即可改变电枢磁场的大小和方向，电机的相电势即可得到调节。改变电励磁双凸极电机和永磁同步电机在轴向方向的长度比例，电机电势的幅值相应地会发生变化。
本发明的混合励磁双凸极永磁同步电机同现有混合励磁双凸极电机的显著区别在于它不仅可作为交流电机，而且也可作为直流电机。
附图说明
图1是爪极电励磁永磁同步电机示意图。
图2是径向/轴向CPPM电机示意图。
图3是轴向磁场的CPPM电机示意图。
图4是转子爪极与磁钢的示意图。
图5是组合转子混合励磁电机示意图。
图6是SynPM电机示意图。
图7是环形定子横向磁通电机示意图。
图8、9是混合励磁双凸极电机示意图。
图10是混合励磁双凸极永磁同步电机截面结构示意图。
图11是三相混合励磁双凸极永磁同步电机的侧剖面结构示意图。
图12是电枢绕组联接方式示意图。
图10～11中的标号及符号说明：
1为电励磁双凸极电机的定子，2为电励磁双凸极电机的励磁绕组，3为永磁同步电机的定子，4为电励磁电机的电枢绕组，5为永磁同步电机的电枢绕组，6为电励磁双凸极电机的转子，7为永磁同步电机的转子。
A、B、C-电机电枢绕组的三相接线端；加注下标E表示电励磁双凸极电机的电枢绕组，M表示永磁同步电机的电枢绕组；D-整流二极管；Q-开关管；Cf-滤波电容。
具体实施方式
由于多相电机的结构同三相电机相似，下面以三相电机为例来说明具体的实施方式。
本发明的混合励磁双凸极永磁同步电机的截面结构示意图如图10所示，电励磁双凸极电机和永磁同步电机装于同一个壳体内，共用一根转轴。
三相电励磁双凸极电机的结构如图10和图11a示，定子1与转子6均由硅钢片叠压而成，电机为6N/4N结构，即定子齿数6N，转子齿数为4N，N为正整数，如N＝1，为3相6/4结构；N＝2，为3相12/8结构。定子齿均匀分布，定子齿顶宽等于槽口宽，定子齿上套装3相集中电枢绕组4和励磁绕组2，每相电枢绕组可以串联，也可以并联；励磁绕组的数量为定子的齿数被3除，定子齿数为6时，励磁绕组数为2，定子齿数为12时，励磁绕组数为4。
为了获得正弦电势，电励磁双凸极电机的转子6采用斜齿，倾斜的角度为P为极对数，其齿顶宽可等于或稍大于定子齿宽，转子上无绕组。
永磁同步电机的结构如图10和图11b所示，定子铁心3由硅钢片叠压而成，定子齿上套有3相电枢绕组5，每相电枢绕组可以串联，也可以并联，转子7可用切向、径向或Halbach阵列磁钢等结构。
永磁同步电机的极对数和电励磁双凸极的转子齿数相同。电励磁双凸极电机3相绕组AE、BE、CE的中心线应和永磁同步电机对应相电枢绕组的中心线重合。当永磁同步电机的永磁体与A相对齐时，如图11b，在电机转动方向，电励磁同步电机转子的中心面应超前A相中心线
角度，如图11a。电励磁双凸极电机的三相电枢绕组和永磁同步电机的三相电枢绕组应串联联接。
作直流发电机时，电枢绕组的联接方式如图12a所示。三相绕组AE+AM、BE+BM、CE+CM通过D11-D16三相整流桥输出直流电压；
作直流电动机时，电枢绕组的联接方式如图12b所示。直流电源通过三相逆变器把三相电送到电枢绕组AE+AM、BE+BM、CE+CM。
调节电励磁双凸极电机励磁电流的大小和方向即改变电枢磁场的大小和方向，电机的相电势即可得到调节。改变电励磁双凸极电机和永磁同步电机在轴向方向的长度比例，电机电势的幅值相应地会发生变化。
Claims (2)
1.一种混合励磁双凸极永磁同步电机，由电励磁双凸极电机和永磁同步电机组合而成，所述的电励磁双凸极电机和永磁同步电机共转轴置于同一个壳体内左右放置，两个电机的定子齿上各自套装电枢绕组，每相电枢绕组串联或者并联而成，电励磁双凸极电机的定子齿上还装有励磁绕组，定子齿顶宽等于槽口宽，转子无绕组；永磁同步电机的转子嵌有切向或径向磁钢，或halbach结构磁钢，其特征是：两个电机的电枢绕组相互串联构成本混合励磁双凸极永磁同步电机的电枢绕组，永磁同步电机的极对数和电励磁双凸极电机的转子齿数相同。
2.根据权利要求1所述的混合励磁双凸极永磁同步电机，其特征是，混合励磁双凸极永磁同步电机为三相电机，电励磁双凸极电机的转子采用斜齿，倾斜角度为θ＝120°/(2*P)，式中P为极对数。
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Non-Patent Citations (6)
| Title |
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| A Novel Permanent Magnet Motor with DoublySalientStructure. Yuefeng Liao, Feng Liang,Thomas A.Lipo.IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS,Vol.31 No.5. 1995 |
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| 新型交流电动机及其控制技术系列讲座（5）：双凸极电动机. 王宏华.机械制造与自动化，第33卷第5期. 2004 |
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| 电磁式双凸极电机电磁特性的理论分析. 周波，相蓉，王川云，孟小利.航空学报，第24卷第4期. 2003 |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1658478A (zh) | 2005-08-24 |
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