CN101262160A - 混合励磁磁通切换型电机 - Google Patents

Abstract

一种涉及混合励磁磁通切换型电机，由永磁磁通切换型电机和电励磁磁通切换型电机两部分组成。两部分电机的定子(2、9)齿数和转子(6、10)齿数分别相同，两部分的定子电枢绕组(3、8)串联连接，永磁段定子(2)上安置有永磁体(5)，电励磁段定子(9)上设有励磁绕组(4)。定子齿数为转子齿数的2倍，转子(6、10)上既无永磁体也无绕组，结构简单、坚固，适合宽转速范围运行。本发明具有较高的功率密度和转换效率，既能作为电动机使用，也能作为发电机使用。

Description

混合励磁磁通切换型电机

一、技术领域

本发明涉及一种混合励磁磁通切换型电机。

二、背景技术

所谓磁通切换电机，是指随着转子位置的变化，激磁磁通切换其路径，使得定子绕组内磁链的大小和方向均发生变化，从而产生交变的电势。磁通切换型电机定转子铁心都为双凸极结构，转子上既无永磁体又无绕组，体积小、重量轻、工作可靠、适合高速运行、冷却方便，具有高功率密度以及较高的效率。

法国学者E.Hoang在1997年的EPE会议上，首先提出了三相12/10结构的永磁式磁通切换型电机，定子为“U”形导磁铁心，中间嵌入切向交替充磁的永磁体。其后东南大学程明教授领导的课题组提出了两相8/6结构的永磁式磁通切换型电机，英国Leicester大学和Sheffield大学分别对单相8/4结构与4/2结构的永磁式磁通切换型电机进行了研究。永磁式磁通切换型电机不存在励磁损耗，转子上没有永磁体和绕组，因此结构简单、效率高，工作可靠。由于采用永磁体励磁方式无法直接改变磁场强度，作为发电机时存在电压调整率较大和故障灭磁困难，作为电动机时难以实现弱磁升速，恒功率运行范围窄。

1999年英国Leicester大学C.Pollock教授借鉴整距绕组感应电机和两相开关磁阻电机，提出了两相电励磁磁通切换型电机。凸极转子上没有永磁体和绕组，定子槽中一半放置电流极性不变的励磁绕组，另外一半放置电枢绕组，励磁绕组和电枢绕组均跨越2个定子齿，励磁绕组可以采用与电枢绕组串联或并联的方式。Leicester大学还通过Simulink仿真验证了发电机在变速运行时，可以实现高功率因数下的直流恒压输出。电励磁磁通切换型电机通过改变励磁绕组电流，可以方便地调节气隙磁场强度从而实现宽范围调压，而且断开励磁电路可以灭磁，实现电机系统故障保护，但励磁损耗的存在使得系统效率相对较低，难以实现高功率密度。

为了综合永磁励磁与电励磁磁通切换型电机的优点，法国学者E.Hoang于07年推出了混合励磁式磁通切换型电机。与其提出的永磁式磁通切换型电机相比，在永磁体端部增加了励磁绕组，通过控制励磁电流的大小和方向调节气隙磁密，对永磁磁场起到增磁或去磁的作用。由于同时存在两个磁势源，两者磁通路径相互耦合、相互影响。该电机存在两方面的问题：(1)永磁磁通经过励磁线圈端部的定子铁芯构成回路，降低了永磁体的利用率；(2)随着励磁电流增加，当电磁磁力线与永磁体磁化方向一致时，励磁线圈端部的定子铁芯中磁饱和加剧，铁损和漏磁相应上升。

三、发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种转子无永磁体和绕组、结构简单、转速运行范围宽，功率密度和转换效率高的单相混合励磁磁通切换型电机。

一种混合励磁磁通切换型电机，包括壳体、永磁磁通切换型电机、电励磁磁通切换型电机，永磁磁通切换型电机与电励磁磁通切换型电机共转轴，两段定子沿转轴的轴线方向固定在壳体内，分别置于两段定子内的永磁段转子与电励磁段转子均安装在同一转轴上，其特征在于：永磁段定子与电励磁段定子的齿数相同，永磁段转子与电励磁段转子齿数相同，且两部分电机的定子齿数均为转子齿数的2倍，永磁段电枢绕组与电励磁段电枢绕组串联连接，永磁段定子上安置有永磁体，电励磁段定子上设有励磁绕组，两部分电机的转子上既无永磁体也无绕组。

本发明的混合励磁磁通切换型电机具有如下特点：

(1)结合了永磁式磁通切换型电机效率高和电励磁磁通切换型电机气隙磁密可调的优点；

(2)混合励磁电机的部分励磁磁场由永磁体产生，电励磁部分功率比电励磁电机小，因此具有较小的励磁时间常数，提高了电机的瞬态响应性能；

(3)转子为凸极结构，没有永磁体和绕组，可以用于高速运行；

(4)根据应用场合，通过电机结构的优化设计，确定永磁段与电励磁段部分铁心长度的比例，以使电机的性能达到最优；

(5)不存在轴向磁路和附加气隙，电励磁效率高；

(6)励磁电流可以双向控制，可适应宽的运行速度要求；

四、附图说明

图1是混合励磁磁通切换型电机结构示意图，其中图(a)为整体结构示意图，图(b)为8/4结构混合励磁磁通切换型电机的永磁磁通切换型电机结构示意图，图(c)为8/4结构混合励磁磁通切换型电机的电励磁磁通切换型电机结构示意图。

图中标号名称：1.壳体，2.永磁段定子，3.永磁段电枢绕组，4.励磁绕组，5.永磁体，6.电励磁段转子，7.转轴，8.电励磁段电枢绕组，9.电励磁段定子，10.永磁段转子。

五、具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

实施例：如图1所示，本发明的结构包括壳体1、永磁段定子2、永磁段电枢绕组3、励磁绕组4、永磁体5、电励磁段转子6、转轴7、电励磁段电枢绕组8、电励磁段定子9及永磁段转子10，两段定子2、9沿壳体轴向固定在壳体内，两段转子6、10置于定子2、9内的转轴7上，由轴承和机座支撑，转子6、10上无永磁体和绕组，定子2、9和转子6、10均沿轴向分成两段，两段的定子2、9齿数和转子6、10齿数分别相同，定子齿数为转子齿数的2倍，图中左边永磁段电枢绕组3与右边电励磁段电枢绕组8串联连接，电励磁磁通切换型电机定子设有励磁绕组4，永磁段的永磁体5切向交替充磁。

六、混合励磁磁通切换型电机的工作原理

混合励磁磁通切换型电机既能作为电动机使用，也能作为发电机使用。

1.混合励磁磁通切换型发电机工作原理

混合励磁磁通切换型发电机的感应电动势为：

$E_a=\frac{{2N}_R{\mathrm{kN}}_a}{\mathrm{\π}}{\mathrm{\φ}}_f\mathrm{\ω}---\left(1\right)$

式中N_R：转子极数，N_a：定子电枢绕组匝数，ω：角速度，k：耦合系数，φ_f：气隙磁通，由电励磁磁场和永磁磁场共同作用产生。

当原动机的转速较低或者负载较大时，仅仅依靠永磁体单独产生的磁场，发电机中的感应电动势较小，不能维持相应的输出电压。这时就需要依靠电励磁磁场的作用来提升式(1)中的φ_f，从而增加发电机的感应电动势，以确保输出电压符合负载要求。

当原动机的转速较高或者负载较轻时，即便仅有永磁段工作，发电机的感应电动势也将过大。此时需要在电励磁绕组中施加反向的励磁电流，以削弱式(1)中的φ_f，从而降低发电机的感应电动势，以确保输出电压恒定。

2.混合励磁磁通切换型电动机工作原理

混合励磁磁通切换型电动机的电磁转矩表达式为：

$T=\frac{{2N}_{R}k{N}_a}{\mathrm{\π}}{\mathrm{\φ}}_f{I}_a---\left(2\right)$

式中I_a为定子电枢绕组电流。

电动机为了获取最大的起动转矩，除了变换器提供所允许的最大电枢电流外，还需要在励磁绕组中施加电流以增强(2)中的φ_f，从而提升输出转矩。

若保持气隙磁场不变，电动机的反电动势随着电动机转速的升高而同步增加，甚至会超过电机控制器所能输出的最大电压，导致输出转矩和功率都会快速下降。这时需要通过削减励磁绕组电流来降低式(2)中的φ_f和维持电枢电流，才能使电动机能恒功率运行于更高的转速；若转速继续升高，可以通过改变励磁电流方向来进一步减小气隙磁场，从而实现弱磁扩速。

七、混合励磁磁通切换型电机的优点

混合励磁磁通切换型电机与永磁式磁通切换型电机相比，增加了气隙磁场可控这一要素，作为发电机运行时，拓宽了原动机转速适用范围；作为电动机运行时，实现了宽的调速区间。与电励磁式磁通切换型电机相比，降低了励磁损耗，而且较小的励磁时间常数提升了系统的动态响应速度。

Claims (5)

1、一种混合励磁磁通切换型电机，包括壳体(1)、永磁磁通切换型电机、电励磁磁通切换型电机，永磁磁通切换型电机与电励磁磁通切换型电机共转轴(7)，两段定子沿转轴(7)的轴线方向分别固定在壳体(1)内，置于两段定子内的永磁段转子(10)与电励磁段转子(6)均安装在同一转轴(7)上，其特征在于：永磁段定子(2)与电励磁段定子(9)的齿数相同，永磁段转子(10)与电励磁段转子(6)齿数相同，且两部分电机的定子齿数均为转子齿数的2倍，永磁段电枢绕组(3)与电励磁段电枢绕组(8)串联连接，永磁段定子(2)上安置有永磁体(5)，电励磁段定子(9)上设有励磁绕组(4)，两部分电机的转子(6、10)上既无永磁体也无绕组。

2、根据权利要求1所述的混合励磁磁通切换型电机，其特征在于电励磁磁通切换型电机定子(9)用硅钢片叠加制成，永磁磁通切换型电机定子(2)为U型硅钢片单元和永磁体(5)拼装而成，两部分电机的转子(6、10)用硅钢片叠加制成。

3、根据权利要求1所述的混合励磁磁通切换型电机，其特征在于永磁体(5)切向交替充磁。

4、根据权利要求1所述的混合励磁磁通切换型电机，其特征在于永磁体(5)是铁氧体、钕铁硼或者钐钴材料。

5、根据权利要求1所述的混合励磁磁通切换型电机，其特征在于根据不同应用场合需要，调节永磁段与电励磁段长度比。

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