CN101345453A - 并列结构混合励磁无刷同步电机 - Google Patents

Abstract

一种并列结构混合励磁无刷同步电机，属混合励磁同步电机。包含永磁同步电机和电励磁无刷同步电机。永磁同步电机定子铁心(4)和电励磁无刷同步电机定子铁心(9)套装电枢绕组(5)。永磁同步电机转子由N极极靴(1)、S极极靴(2)、永磁磁钢(3)构成，电励磁无刷同步电机转子由导磁体A(6)、导磁体B(7)和不锈钢块(8)构成，还有励磁绕组(10)、导磁桥(11)。两电机的转子和定子磁路相互独立，共用电枢绕组(5)和转轴(15)。励磁电流双向调节电励磁无刷同步电机中的气隙磁通，从而调节电枢绕组感应电势或输出转矩，既可作无刷交流发电机，也可外接整流电路构成无刷直流发电机，还可以作为电动机，适用于宽转速范围的航空变频电源、风力发电系统及电动汽车驱动系统。

Description

并列结构混合励磁无刷同步电机

技术领域

本发明涉及一种无刷同步电机。

技术背景

永磁同步电机易于实现无刷结构且功率密度大、效率高，因此受到极大关注。但是，永磁同步电机制成后气隙磁场难以调节，使其发电状态输出电压调节和灭磁困难，电动状态弱磁困难、恒功率运行范围窄，这成为限制高效永磁同步电机应用范围最重要的技术瓶颈。电励磁同步电机气隙磁场调节容易，然而其励磁功率完全由电励磁磁势提供，励磁损耗较大，导致电机效率偏低。混合励磁同步电机就是将上述两种电机进行有机结合形成的一种新型电机。它既有永磁体又有励磁绕组，两个磁势源同时存在，尽可能综合电励磁同步电机调磁方便和永磁同步电机效率高、转矩/质量比大等优点，在许多工业领域和航空航天、舰船等军事领域具有广阔的应用前景。

英国学者SPOONER提出的转子分割型混合励磁同步电机一直以来是混合励磁同步电机的典型代表，日本T.Mizuno博士、美国著名电机专家T.A.Lipo教授以及中国学者都对这种电机进行了大量研究和改进。该电机的气隙磁场是由永磁磁通和电励磁磁通的周向分量叠加得到，因此在电机的最佳工作状态时永磁磁势和电励磁磁势作用基本相等，励磁安匝较大，气隙磁密和功率密度较低。另外，轴向磁路必须经过机壳(定子背轭)，存在轴向/径向磁路，磁路易饱和且电机结构优化受约束。

发明专利(ZL.200310106346.1)提出一种双凸极混合励磁电机，它由永磁双凸极电机和电励磁双凸极电机两部分组成，两部分电机的定子齿数与转子齿数相同，定子电枢绕组串联连接。该电机结构简单可靠，转子上无绕组，为无刷结构，该电机为磁阻式工作原理，效率偏低，且输出电势非正弦，不适合用作交流发电机。

专利申请(申请号：200510044103.9)公开了一种混合励磁稳压发电机，其转轴上装有切向式永磁转子和凸极式电励磁转子，两段转子共用一个电枢绕组，产生的磁势在磁路中并联合成，永磁磁场与电励磁磁场迭加后的总气隙磁场调节灵活。但是其电励磁转子部分为传统的电励磁结构，仍然存在电刷和滑环，整个电机还是有刷结构，限制了其功率提升、使用寿命及可靠性。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种结构可靠、转子磁路独立的新型无刷结构混合励磁同步电机，气隙磁场调节灵活，调节范围宽，既能用作交流发电机，也可外接整流电路构成无刷直流发电机，也能作为无刷直流电动机和起动发电机。它特别适用于航空应急电源及变频电源系统、风力发电系统以及车辆起动发电系统。

本发明的并列结构混合励磁无刷同步电机在一个电机机壳内采用两种电机结构型式，内部为两段式结构，一段为永磁同步电机，另一段为特殊新结构电励磁无刷同步电机，两段电机同轴旋转。两段电机定子铁心及转子均相互独立，定子共用一套电枢绕组，两段电机在电枢绕组中的感应电势迭加，在磁路上相互独立。

永磁同步电机为传统的径向结构或切向结构，电励磁无刷同步电机转子由两个特殊结构的转子导磁体和非导磁材料填充块(如不锈钢)构成，两个转子导磁体A、B的延伸端之间有嵌绕励磁绕组的环形导磁桥，两个转子导磁体A、B和环形导磁桥之间各有一个附加气隙，环形导磁桥固定于电机后端盖上，从而形成新型无刷结构，消除传统电励磁同步电机的电刷和滑环。当励磁绕组通以直流励磁电流时，励磁电流产生励磁磁势，励磁磁势产生的磁通经过环形导磁桥、附加气隙a、转子导磁体A、气隙、定子铁心、气隙、转子导磁体B、附加气隙b，最后回到环形导磁桥闭合，通过改变励磁绕组电流大小和方向就能改变电励磁无刷同步电机部分的气隙磁通大小和方向，从而有效调节整个电机的气隙合成磁场，最终调节电枢绕组感应电势。

并列结构混合励磁无刷同步电机中永磁同步电机和电励磁无刷同步电机极数相同，且极弧系数也相等。定子电枢绕组结构与传统永磁同步电机及电励磁同步电机相同，既可以设计为分布绕组也可以设计为集中绕组，绕组电势既可以为正弦波也可以是梯形波，所以本发明的并列结构混合励磁无刷同步电机既可用作交流电机，也可以外接整流电路构成无刷直流发电机。

对于航空应急电源系统，主要由永磁同步电机发电，电励磁无刷同步电机部分主要起调节作用，因此电励磁无刷同步电机部分铁心长度可以设计的较短。而对于需要宽范围电压调节(如航空变频电源系统、风力发电系统)或宽范围转速调节(如电动汽车驱动系统)的应用场合，可以增大电励磁无刷同步电机部分与永磁同步电机部分的铁心长度比。另外，还可以通过灵活设计永磁同步电机和电励磁无刷同步电机的气隙长度来改变电机气隙磁场的调节范围。

综上，本发明的并列结构混合励磁无刷同步电机有如下特点：

①利用新型转子导磁体结构和导磁桥的设置实现电机无刷化，显著提高电机可靠性；

②灵活设计两段电机的铁心和气隙长度比可以改变并列结构混合励磁无刷同步电机气隙磁场的调节范围，从而满足航空变频电源、风力发电系统等宽范围电压调节要求和电动汽车驱动系统宽范围的转速调节需求；

③既可用作无刷交流发电机，也可作为无刷直流电机，完全满足航空及车载起动发电机一体化设计要求。

附图说明

图1为并列结构混合励磁无刷同步电机结构图。

图2为并列结构混合励磁无刷同步电机内永磁同步电机段转子A-A剖面图。

图3为并列结构混合励磁无刷同步电机内电励磁无刷同步电机段转子B-B剖面图。

图4为并列结构混合励磁无刷同步电机内电励磁无刷同步电机导磁体A结构图。

图5为并列结构混合励磁无刷同步电机内电励磁无刷同步电机导磁体B结构图。

图6为并列结构混合励磁无刷同步电机内电励磁无刷同步电机环形导磁桥及励磁绕组结构图。

图7为并列结构混合励磁无刷同步电机内电励磁无刷同步电机转子及导磁桥装配结构图。

图8为并列结构混合励磁无刷同步电机内电励磁无刷同步电机内主磁通路线图。

图9为并列结构混合励磁无刷同步电机内径向结构永磁同步电机剖面图。

上述图中的标号及符号说明：

1、永磁同步电机段转子N极极靴；2、永磁同步电机段转子S极极靴；3、永磁同步电机段永磁磁钢；4、永磁同步电机段定子铁心；5、电枢绕组；6、电励磁无刷同步电机段转子导磁体A；7、电励磁无刷同步电机段转子导磁体B；8、非导磁不锈钢块；9、电励磁无刷同步电机段定子铁心；10、励磁绕组；11、环形导磁桥；12、后端盖；13、机壳；14、前端盖；15、转轴；16、径向结构永磁同步电机转子极靴；17、径向结构永磁同步电机永磁磁钢。

A1、B1、C1-电枢绕组输出端；If+-励磁绕组正端；If--励磁绕组负端。

具体实施方式

本发明的并列结构混合励磁无刷同步电机可以灵活设计两段电机铁心长度和气隙长度，这里以四对极、永磁同步电机部分切向结构为例详细说明实施方法。

由图1可知，本发明的并列结构混合励磁无刷同步电机由两段构成，一段为切向结构永磁同步电机，它包括由转子N极极靴1、转子S极极靴2以及切向充磁的永磁磁钢3构成的转子和由定子铁心4、电枢绕组5构成的定子，转子剖面图如图2所示。另一段为电励磁无刷同步电机，它包括由转子导磁体A6、转子导磁体B7和不锈钢块8构成的转子和由定子铁心9、电枢绕组5构成的定子，转子剖面图如图3所示，由图2和图3可见，切向结构永磁同步电机和电励磁无刷同步电机转子极弧系数相等。切向结构永磁同步电机和电励磁无刷同步电机定子铁心共用电枢绕组5。电励磁无刷同步电机两个转子导磁体(转子导磁体A6和转子导磁体B7)结构如图4和图5所示，两个转子导磁体A、B的延伸端放置有嵌绕励磁绕组10的环形导磁桥11，如图6所示，转子导磁体A6和环形导磁桥11之间有附加气隙a，转子导磁体B7和环形导磁桥11之间有附加气隙b，两个转子导磁体A、B和环形导磁桥装配后如图7所示。

当环形导磁桥中的励磁绕组通有某一方向的励磁电流时，励磁磁势在电机内产生的主磁通路线如图8中红实线及虚线所示，经过环形导磁桥11、附加气隙a、转子导磁体A6、气隙、定子铁心9、气隙、转子导磁体B7、附加气隙b，最后回到环形导磁桥11闭合，磁通大小随励磁电流变化而变化，当励磁电流反向，则磁通方向也将相反。环形导磁桥11固定于电机后端盖12上，从而形成无刷励磁结构，省去传统电励磁同步电机的电刷和滑环。

两段电机的转子和定子磁路相互独立，共用机壳13和转轴15，前端盖14与机壳采用螺钉连接。机壳13为普通的金属结构件，不需要象转子分割型混合励磁同步电机那样必须采用导磁机壳。

本发明的并列结构混合励磁无刷同步电机中的永磁同步电机也可以为径向结构，为径向结构时，永磁同步电机部分的转子剖面图如图9所示，转子由转子极靴16和径向充磁或平行充磁的径向永磁磁钢17构成。

Claims (2)

1.一种并列结构混合励磁无刷同步电机，包括一段永磁同步电机和一段电励磁无刷同步电机，两段同步电机共用一套电枢绕组(5)，共用一个转轴(15)，置于同一个机壳(13)内，机壳(13)前端装有前端盖(14)，机壳(13)后端装有后端盖(12)，所述永磁同步电机为切向结构永磁同步电机或径向结构永磁同步电机，其中切向结构永磁同步电机包括转子N极极靴(1)、转子S极极靴(2)、永磁磁钢(3)、永磁同步电机定子铁心(4)、与电励磁无刷同步电机共用的电枢绕组(5)，其中转子N极极靴(1)、转子S极极靴(2)和永磁磁钢(3)都装在转轴(15)上构成转子，永磁磁钢(3)置于转子N极极靴(1)和转子S极极靴(2)之间，转子N极极靴(1)对应永磁磁钢(3)的N极，转子S极极靴(2)对应永磁磁钢(3)的S极，与电励磁无刷同步电机共用的电枢绕组(5)套装在永磁同步电机定子铁心(4)上构成定子；径向结构永磁同步电机与切向结构永磁同步电机的不同是，转子极靴(16)装在转轴(15)上，径向永磁磁钢(17)均分地贴装在转子极靴(16)外圆周表面，其特征在于，所述电励磁无刷同步电机，包括转子导磁体A(6)、转子导磁体B(7)、非导磁不锈钢块(8)、与永磁同步电机共用的电枢绕组(5)、电励磁无刷同步电机定子铁心(9)、励磁绕组(10)、环形导磁桥(11)，其中非导磁不锈钢块(8)置于转子导磁体A(6)与转子导磁体B(7)之间，连同两块转子导磁体A、B均装在转轴(15)上构成转子，与永磁同步电机共用的电枢绕组(5)套装在电励磁无刷同步电机定子铁心(9)上构成定子，环形导磁桥(11)放置在转子导磁体A(6)与转子导磁体B(7)的延伸端之间，且固定在后端盖(12)内壁上，励磁绕组(10)嵌绕在环形导磁桥(11)上，转子导磁体A(6)与环形导磁桥(11)之间存有附加气隙a，转子导磁体B(7)与环形导磁桥(11)之间存有附加气隙b。

2.根据权利要求1所述的并列结构混合励磁无刷同步电机，其特征在于永磁同步电机和电励磁无刷同步电机转子极弧系数相等。

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