CN100495869C - 具有磁分路的切向磁钢混合励磁同步电机 - Google Patents

Abstract

涉及一种具有磁分路的切向磁钢混合励磁同步电机，其构成包括机壳(1)、由电枢铁心(2)、电枢绕组(3)组成的定子和由转轴(9)、N极极靴(5)、S极极靴(6)和切向磁化永磁体(4)组成的转子所构成的切向结构永磁同步电机，其特点是直接将转子的N极极靴(5)和S极极靴(6)向同一方向延伸，在转子极靴延伸端部的环状极靴之间设置有嵌绕励磁绕组(8)的环形励磁桥(7)。与现有技术相比，电机气隙磁密大，电励磁效率高。轴向磁路短，铁磁材料不易饱和，附加气隙小，兼具永磁电机的高效率和电励磁电机的励磁可控等优点。既可作发电机又可作电动机用，适用于极数多且要求气隙磁密高的场合，在航空航天、车辆上的起动发电系统及机械工业上的伺服系统中有较高的应用价值。

Description

具有磁分路的切向磁钢混合励磁同步电机

一、技术领域

本发明涉及一种混合励磁同步电机。

二、技术背景

中国专利CN1710787A(申请号：200510040412.9)的切向磁钢混合励磁同步电机，是在切向磁钢同步电机的基础上，将转子的N极极靴和S极极靴向相反方向进行轴向延伸，对应于转子延伸的导磁体，定子上设置有励磁绕组及相应的环形磁桥结构。该电机不加励磁时，主磁极下的磁场处于弱磁状态。可以通过调整主气隙长度和附加气隙长度及主磁极轴向长度与励磁磁极轴向长度来调节弱磁的程度。减小永磁体被退磁的可能性。但是电机的附加气隙磁路必须经过电机机壳，使得轴向磁路路径较长，而且导磁机壳中同时存在径向和轴向磁路，容易引起机壳内磁路饱和，一定程度上影响电励磁效率，不利于降低电机体积和重量。

三、发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种结构简单，具有优化的轴向磁通回路，电励磁效率高的切向结构混合励磁同步电机。

本发明的切向磁钢混合励磁同步电机的构成是在切向磁钢永磁同步电机的基础上，将转子的N极极靴和S极极靴沿轴向向同一方向延伸，对应于转子延伸的导磁体。两极极靴延伸段端部之间固定有环形励磁桥，励磁控制绕组嵌绕于环形磁桥内。定子上的电枢绕组和普通切向磁钢同步电机的电枢绕组结构相同，电机机壳沿转子延伸方向进行相应延长。

本切向磁钢混合励磁同步电机的具体构成，包括在机壳内装有由电枢铁心和电枢绕组组成的定子和装有转轴由N极极靴、S极极靴以及切向磁化永磁体组成的转子所构成的切向磁钢同步电机，其特点是直接将转子的N极极靴和S极极靴沿轴向向同一方向延伸，每个N极或S极极靴呈喇叭状扩展，集合于内径较大的环形极靴；同时，每个S极或N极极靴呈瓶颈状收缩，集合于外径较小的空心圆柱形极靴。N极或S极延伸端的环形极靴和S极或N极延伸端的空心圆柱形极靴之间设置有嵌绕励磁绕组的环形励磁桥。环形极靴和环形励磁桥之间以及环形导磁桥和空心圆柱形极靴之间形成两个附加气隙，两个附件气隙的长度都要比主气隙长度小。其特点还在于N极和S极极靴延伸过程中，在向环形极靴喇叭状扩展或向空心圆柱形极靴瓶颈状收缩的过渡段遵循等截面原则，以避免极靴延伸过程中存在磁密分布不均匀、磁路局部饱和的缺点。

与现有技术相比，本切向磁钢混合励磁同步电机具有如下特点：

①克服了永磁同步电机气隙磁密难以调节的缺点，可以通过励磁电流方便地调节气隙磁密，而且具有切向磁钢永磁电机气隙磁密大的优点。

②可以通过调整电励磁与永磁部分转子长度以及主气隙与附加气隙长度的比例来控制气隙磁场的调节范围。

③励磁线圈中没有励磁电流时，电机与普通切向磁钢永磁同步电机相比处于弱磁状态，气隙磁密小。随着励磁电流增大，气隙磁密相应增大。

④气隙磁通并非励磁电流磁场建立，而主要是由切向磁钢永磁体生成，避免了励磁电流建立气隙磁场需要励磁安匝大的缺点，较小的励磁安匝就能获得气隙磁场的宽范围调整。

⑤与转子分割型混合励磁同步电机相比，电机的轴向磁路显著缩短，电机的体积、尺寸小，结构简单。

⑥本混合励磁同步电机用作无刷交流发电机时，与三级式旋转整流器式无刷同步发电机相比，省去了励磁机及旋转整流器，从而简化电机结构，提高了工作可靠性。

⑦电机作电动运行时，可以工作于恒转矩和恒功率两个区域，恒功率区的范围宽且可控。

四、附图说明

图1是3对极具有磁分路的切向磁钢混合励磁同步电机结构示意图。

图2是图1中转子A-A截面图。

图3是转子极靴及其延伸体等截面喇叭状扩展结构图。

图4是转子极靴及其延伸体等截面瓶颈状收缩结构图。

图5是环形励磁桥结构图。

上述图中标号名称：1、机壳；2、电枢铁心；3、电枢绕组；4、永磁体；5、N极极靴及其延伸部分；6、S极极靴及其延伸部分；7、环形励磁桥；8、励磁绕组；9、转轴；10、隔磁结构。

图6是具有磁分路的切向磁钢混合励磁同步电机等效磁路原理图。

图6中符号名称：R_δN—N极相对的气隙磁阻；R_δS—S极相对的气隙磁阻；R_A—电枢齿部和轭部磁阻；R_PM—永磁体磁阻；U_PM—永磁体磁势；R_δ11—N极延伸导磁体与环形磁桥间附加气隙磁阻；R_δ12—环形磁桥与S极延伸导磁体间附加气隙磁阻；R_FE—环形磁桥磁阻；U_F—励磁绕组提供的励磁磁势；Φ_s—主气隙磁通。

五、具体实施方式

由图1、图2、图3、图4和图5可知，本发明的切向磁钢混合励磁同步电机的组成是，由一侧的切向磁钢永磁同步电机和另一侧的电励磁部分组成。即在由电枢铁心2、电枢绕组3组成的定子和装有转轴9且由N极极靴、S极极靴与切向磁化永磁体组成的转子所构成的切向结构永磁同步电机的基础上，直接将转子的N极极靴5与S极极靴6分别向同一端延伸，形成如图3结构。转子上N极(或S极)极靴呈喇叭状扩展，扩展过程中，遵循等截面原则，最后集合成内径较大的环形N极(或S极)极靴；相应地S极(或N极)极靴呈瓶颈状收缩，收缩过程中也遵循等截面原则，最后集合成外径较小的空心圆柱形S极(或N极)极靴。N极(或S极)极靴延伸端的环形极靴和S极(或N极)极靴延伸端的空心圆柱形极靴之间设置有嵌绕励磁绕组8的环形励磁桥7。上述结构均装于机壳1内，机壳为普通的金属结构件。转子极靴上可以设置隔磁槽10，填充以非导磁金属材料，以降低交轴电枢反应电抗。

切向磁钢混合励磁同步电机的工作原理

本发明的切向磁钢混合励磁同步电机由于转子极靴延伸部分、环形磁桥以及附加气隙的磁分路作用，电机内同时存在轴向和径向磁场。电机主气隙部分每极永磁体的径向磁通路径为：永磁体N极→转子N极极靴→主气隙→电枢齿部→电枢轭部及机壳→电枢齿部→主气隙→转子S极极靴→永磁体S极；轴向磁通路径为：永磁体N极→转子N极极靴及其延伸部分→附加气隙→环形磁桥→附加气隙→转子S极极靴延伸部分及S极极靴→永磁体S极，可见，轴向磁通无需经过机壳，机壳不用导磁体，轴向磁路短。

环形磁桥内的励磁绕组没有励磁电流时，由于附加气隙相对于主气隙较小，永磁体磁通主要由轴向磁路经过附加气隙，主气隙中磁通较少，电机处于弱磁状态。

励磁绕组通入某一方向励磁电流时，励磁磁场可以阻碍永磁体产生的轴向磁通，从而增大主气隙磁通；励磁绕组通入反方向电流时，可以进一步弱磁。

本发明的具有磁分路的切向磁钢混合励磁同步电机既可以作为发电机，也可以作为电动机。可以根据图5所示的等效磁路来分析该电机的工作原理。

因为N极和S极转子极靴及其延伸部分的磁阻比定子齿部和轭部磁阻以及主气隙和附加气隙磁阻都小得多，分析中简化起见将其忽略。

将单极永磁体提供的磁势标记为R_PM；永磁体提供的磁势标记为F_PM；N极相对的主气隙磁阻标记为R_δN；将S极相对的主气隙磁阻标记为R_δS；与主气隙串联的电枢齿部及轭部等磁阻标记为R_A；N极延伸导磁体与环形磁桥间附加气隙磁阻标记为R_δ11；环形磁桥与S极延伸导磁体间附加气隙磁阻标记为R_δ12；环形磁桥的磁阻标记为R_FE；励磁绕组提供的励磁磁势标记为F_i。

一般情况下，R_δN＝R_δS＝R_δ。

励磁绕组无励磁电流时，励磁磁势不存在。从等效磁路可以推导出气隙主磁通为：

${\mathrm{\Φ}}_S=\frac{R_{\mathrm{\δ}11}+R_{\mathrm{FE}}+R_{\mathrm{\δ}12}}{(2R_{\mathrm{\δ}}+R_A)(R_{\mathrm{\δ}11}+R_{\mathrm{FE}}+R_{\mathrm{\δ}12})+R_{\mathrm{PM}}(2R_{\mathrm{\δ}}+R_A+R_{\mathrm{\δ}11}+R_{\mathrm{FE}}+R_{\mathrm{\δ}12})}\×F_{\mathrm{PM}}$

$=\frac{1}{(2R_{\mathrm{\δ}}+R_A)+R_{\mathrm{PM}}+\frac{R_{\mathrm{PM}}(2R_{\mathrm{\δ}}+R_A)}{R_{\mathrm{\δ}11}+R_{\mathrm{FE}}+R_{\mathrm{\δ}12}}}\×F_{\mathrm{PM}}$

由电磁学知识，R_δ12<R_δ11<<R_δ<<R_PM，所以：

$\frac{R_{\mathrm{PM}}(2R_{\mathrm{\&delta;}}+R_A)}{R_{\mathrm{\&delta;}11}+R_{\mathrm{FE}}+R_{\mathrm{\&delta;}12}}>>1$

可见，无励磁电流时，由于磁分路的作用，主气隙磁通Φ_s较小，电机处于弱磁状态。

励磁绕组中通入励磁电流时，下面推导完全抵消磁分路中的永磁磁势所需的励磁磁势值。

励磁磁势完全抵消磁分路中的永磁磁势，则永磁磁通全部通过主气隙。

${\mathrm{\&Phi;}}_S=\frac{F_{\mathrm{PM}}}{R_{\mathrm{PM}}+2R_{\mathrm{\&delta;}}+R_A}$

所以，所需的励磁磁势为

$F_i=\frac{2R_{\mathrm{\&delta;}}+R_A}{R_{\mathrm{PM}}+2R_{\mathrm{\&delta;}}+R_A}\&times;F_{\mathrm{PM}}<<F_{\mathrm{PM}}$

可见，励磁电流作用时，较小的励磁磁势就能抵消磁分路作用，控制主气隙磁通增加。也就是说，较小的励磁安匝就能实现对主气隙磁通的宽范围调整。

适当设计电机的结构尺寸，可以使得R_PM，R_δ，R_FE，R_δ11，R_δ12有合理的数值，从而改变弱磁状态下气隙磁场的强弱，改变励磁电流将可以有效地控制气隙磁场的强弱。

具有磁分路的切向磁钢混合励磁同步电机的优点

①克服了普通切向磁钢永磁同步电机气隙磁密难以调节的缺点，可以通过励磁电流方便地调节其气隙磁密，实现有效灭磁。具有切向磁钢永磁电机气隙磁密大的优点，有利于降低电机体积重量。

②由于环形磁桥及电励磁部分设置在永磁部分的一侧，使得电机的轴向磁路比转子分割型混合励磁同步电机缩短，可以减小电机的体积、尺寸，结构简单。而且，由于转子极靴的延伸段遵循轴向等截面原则，从而保证轴向磁路不易饱和。

③当不加励磁时，主磁极下的磁场处于弱磁状态，减小永磁体被退磁的可能性。励磁电流作用时，阻碍了附加气隙的磁通，使主气隙的磁通增加，起到增磁的效果。调节气隙磁场时所需的励磁安匝比普通电励磁同步电机要小得多，降低了励磁损耗，提高电机效率。

④气隙磁场的调节范围可以通过调整电励磁与永磁部分转子长度以及主气隙和附加气隙长度的比例来控制，易于满足不同性能的电机设计要求。

⑤既可以作发电机也可以作电动机用。作为发电机，励磁可调，且相比电励磁无刷交流电机省去了励磁机及旋转整流器，大大简化电机结构；作为电动机，可以工作于恒功率和恒转矩区，恒功率范围宽且可控。

Claims (1)

1.一种具有磁分路的切向磁钢混合励磁同步电机，包括在机壳(1)内装有由电枢铁心(2)和电枢绕组(3)组成的定子和装有转轴(9)由N极极靴(5)、S极极靴(6)以及切向磁化永磁体(4)组成的置于定子内的转子所构成的切向磁钢同步电机，其特征在于转子的N极极靴(5)和S极极靴(6)各自遵循轴向等截面原则沿轴向向同一方向延伸，每个N极极靴呈喇叭状扩展，集合于内径较大的环形极靴，同时每个S极极靴呈瓶颈状收缩，集合于外径较小的空心圆柱形极靴，即此外径小于前者呈喇叭状扩展后的环形极靴内径，在N极延伸的环形极靴内侧与S极延伸的空心圆柱形极靴外侧之间设置用于嵌绕励磁绕组(8)的环形励磁桥(7)，或者每个S极极靴呈喇叭状扩展，集合于内径较大的环形极靴，同时每个N极极靴呈瓶颈状收缩，集合于外径较小的空心圆柱形极靴，在S极延伸的环形极靴内侧与N极延伸的空心圆柱形极靴外侧之间设置用于嵌绕励磁绕组(8)的环形励磁桥(7)，环形极靴和环形励磁桥(7)之间以及环形励磁桥(7)和空心圆柱形极靴之间形成两个附加气隙。

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