CN101478207B - 双馈混合磁极永磁电机 - Google Patents

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Abstract

一种双馈混合磁极永磁电机,属于电机技术领域。包括在机壳内装有定子铁心、电机绕组组成的定子和装有磁极、转轴、转子铁心组成的转子,电机绕组由主绕组和谐波控制绕组组成,分布于定子槽中,转子磁极由永磁磁极和铁磁磁极组成,转子上不设绕组,主绕组极数与转子极数相同;谐波绕组极数与转子铁磁磁极的极数相同;本发明结构简单,可靠性高;有利于磁路分布和电机绕组的优化设计,电机功率密度高,电压畸变率低;无轴向磁路和附加气隙,磁路短,漏磁小,励磁损耗小,效率高;谐波控制绕组电流可以实现增磁和减磁的双向控制,具有很强的调节主磁场能力,能使电机适应宽的运行速度要求。

Description

双馈混合磁极永磁电机
技术领域
[0001] 本发明属于电机技术领域,特别涉及混合励磁永磁电机。 背景技术
[0002] 我国稀土资源丰富,开发应用永磁节能电机具有重大的战略意义。永磁同步发电 机以永磁体励磁,消除了电励磁同步电机励磁损耗,并消除了机械接触装置,具有结构简 单,运行可靠和功率密度大、效率高的显著优点。但是,永磁电机固有的永磁磁场调节困难 已经成为它在发电机方面应用和推广的瓶颈。混合励磁同步电机中既有永磁磁极又有励磁 绕组,两个磁势源同时存在,综合了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,同时也克服了永磁同步电机磁场调节难的缺陷。因此混合励磁电机已经 成为一个热点话题,各国学者对其进行了深入研究,并提出了许多励磁方案。
[0003] 美国威斯康星大学的Thomas A. Lipo提出了一种混合励磁永磁电机,定子绕组与 普通的永磁机的类似,转子上分别有永磁体和电励磁,其中永磁体极占大部分,电励磁极提 供小部分磁场以平衡气隙磁场的变化。该方案电机磁路与传统电机相似,结构简单,但是转 子电励绕组与外部的仍需要滑环和电刷,不能实现无刷化,以致电机维护工作量大。
[0004] 目前,混合励磁永磁电机主要有两类,一类是采用轴向/径向磁路混合励磁的永 磁电机,它是通过改变电机轴向磁路的磁通来控制电枢绕组的电压,其励磁绕组为环形线 圈,可实现无刷化。但这种轴向混合励磁,存在附加气隙,电励磁效率低,材料利用率及功率 密度不高。另一类是采用分离磁路混合励磁的永磁电机,它是将电机分为两段,使永磁磁路 和电励磁磁路完全分开,通过改变电机电励磁部分磁路的磁通来控制电枢绕组的电压。但 是这种电机实质是一般永磁发电机与电励磁发电机的复合,其结构复杂,电励磁效率,材料 利用率及功率密度也不高。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于针对上述现有技术的不足,提供一种转子无绕组,不存在轴向 磁路,电机无需分为两段,结构简单,可运行于高转速,高效率,磁场调节范围大的双馈混合 磁极永磁电机。
[0006] 本发明的双馈混合磁极永磁电机由定子和转子构成。转子上不设绕组,电机绕组 全部安放在定子上。电机绕组由主绕组与谐波绕组组成。主绕组用于机电能量转换,谐波 绕组用于励磁控制。转子的极对数与主绕组的极对数相同,一部分为永磁磁极,另一部分为 铁磁磁极。电机的谐波绕组采用分数次谐波,其极对数与铁磁磁极的极对数相同,为主绕 组的极对数的1/Ν,Ν可以为大于1的任何整数。本发明主要采用N = 2和N = 3。当N = 2时,转子的永磁磁极的极数为电机极数的一半,可以做成极对数P = 2,4,6,8……的各种 电机;当N = 3时,转子的永磁磁极的极数为电机极数的2/3,可以做成极对数P = 3,6,9, 12……的各种电机。
[0007] 本发明所述的转子可设计成内转子,也可设计成外转子。[0008] 本发明所述的主绕组与谐波绕组,可以做成两套独立的绕组,也可以做成一套具 有两组端口的绕组。
[0009] 与现有技术相比,本发明的双馈混合磁极永磁电机具有如下特点:
[0010] 1、电机结构简单,电机无需分段,转子无绕组,可靠性高。
[0011] 2、与普通永磁电机结构相近,有利于磁路分布和电机绕组的优化设计,电机的功 率密度高,电压畸变率低。
[0012] 3、不存在轴向磁路和附加气隙,磁路短,漏磁小,电励磁通过谐波磁势调节,其励 磁损耗小,电机的效率高。
[0013] 4、谐波控制绕组电流可以实现增磁和减磁的双向控制,具有很强的调节主磁场能 力,能使电机适应宽的运行速度要求。
附图说明
[0014] 图1是图2A-A截面图为双馈混合磁极永磁电机结构示意图。其中1为机壳,2为 定子铁心,3为电机绕组,4为永磁磁极,5为铁磁磁极,6为转轴,7为转子铁心。
[0015] 图2是图1中电机截面图,以N = 3时的6极为例。其中2为定子铁心,3为电机 绕组,4为永磁磁极,5为铁磁磁极,6为转轴,7为转子铁心。
[0016] 图3也是图1电机截面图,以N = 2时的8极为例。其中2为定子铁心,3为电机 绕组,4为永磁磁极,5为铁磁磁极,6为转轴,7为转子铁心。
[0017] 图4是6极电机的外转子式结构示意图。其中2为定子铁心,3为电机绕组,4为 永磁磁极,5为铁磁磁极,6为转轴,7为转子铁心。
[0018] 图5是8极电机的外转子式结构示意图。其中2为定子铁心,3为电机绕组,4为 永磁磁极,5为铁磁磁极,6为转轴,7为转子铁心。
[0019] 图6是6极电机永磁磁路示意图。
[0020] 图7是6极电机电励磁磁路示意图。 [0021 ] 图8是8极电机永磁磁路示意图。
[0022] 图9是8极电机电励磁磁路示意图。
[0023] 图10是采用TCR的励磁控制器主回电路原理图。
[0024] 图 11 是采用 STATCOMGtatic Synchronous Compensator)的励磁控制器主回电 路原理图。
具体实施方式
[0025] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0026] 实施例。
[0027] 1、由图1、2、3可知,本发明的谐波混合磁极永磁电机,包括具有永磁磁极的转子 和具有绕组的定子两部分。转子上不设绕组,具有两种磁极,一部分为永磁磁极4,一部分为 铁磁磁极5。定子结构与普通的电机相同,只是定子绕组3由主绕组和谐波绕组组成,主绕 组极对数与转子磁极的极对数相同,用作发电机时与负载相连,用作电动机与驱动电源相 连;谐波绕组极对数与转子铁磁极的极对数相同,与励磁控制器相连。
[0028] 2、当N = 3时,转子磁极的安排顺序为:永磁N极一铁磁S极一永磁N极一永磁S极一缺磁N极一永磁S极,依次循环。图2为循环一次的6极电机的示例;当N = 2时,转 子磁极的安排顺序为:永磁N极一铁磁S极一铁磁N极一永磁S极,依次循环。图3为循环 两次的8极电机的示例;转子可设计成内转子,也可设计成外转子(图4、图5)
[0029] 3、由图6和图8可知,永磁体产生的磁通路径有两种,一种是经过两个永磁体磁极 构成回路;另一种是经过一个永磁体磁极和一个铁磁磁极构成回路。显然,由两个永磁体磁 极构成的回路的磁通大于由一个永磁体构成的回路的磁通,经过铁磁磁极的磁通的大小与 电机轭部磁路有关,当轭部磁路较窄时,铁磁磁极的磁通较大,反之则较小。也就是说,电机 无励磁电流的工作点可通过对电机的轭部设计来调整。
[0030] 4、电机运行时,定子谐波绕组的电流频率为主绕组同步频率的1/N,产生的谐波磁 势随转子同步旋转,其极对数与转子铁磁磁极的极对数相同。由图7和图9可知,定子谐波 绕组产生的谐波磁场主要通过定子铁心、铁磁磁极气隙,转子铁心、到达另一个铁磁磁极的 气隙。当谐波磁势作用在铁磁磁极上产生的磁场方向与铁磁磁极的极性相同时,谐波磁势 起助磁作用,使铁磁磁极的磁通量达到甚至超过永磁磁极的磁通量,电机的基波磁场可以 被增强到最大值,谐波磁场可以被减小到最小值;反之则起去磁作用,使铁磁磁极的磁通量 减小甚至反向增大,电机的基波磁场可以被减小到最小值,谐波磁场可以被增强到最大值。 因此,只要控制谐波绕组电流的大小和相位就可以有效的调节永磁电机的励磁。电机可以 进行很大范围电压调节,且磁路短,没有附加气隙。
[0031] 5、谐波绕组为三相绕组,电流经过交流励磁控制器,按要求调节励磁电流,使电机 主绕组的电压符合运行要求。转子旋转时,定子上的谐波绕组会产生感应电压,其频率正好 符合交流励磁频率控制的要求,因此只需控制电流的相位和大小,使其产生所需的感性或 容性无功电流。图10和图11为励磁控制器主回路的原理图。图10的原理图只能产生感 性无功电流,起增强基波磁场的作用,主要用于发电机的场合。图11的原理图不仅能产生 感性无功电流,还能产生容性无功电流,具有增磁和弱磁的双重功能,既可以用于发电机也 可以用于电动机。

Claims (5)

1. 一种双馈混合磁极永磁电机,包括在机壳内装有定子铁心、电机绕组组成的定子和 装有磁极、转轴、转子铁心组成的转子,其特征在于:电机绕组由主绕组和谐波绕组组成,分 布于定子槽中,转子磁极由永磁磁极和铁磁磁极组成,转子上不设绕组,主绕组极数与转子 极数相同;谐波绕组采用分数次谐波,其极对数与铁磁磁极的极对数相同,为主绕组的极对 数的1/N,N为大于1的整数。
2.根据权利要求1所述的电机,其特征在于:N = 2时,转子的永磁磁极的极数为电机 极数的一半,极对数P = 2,4,6,8.......
3.根据权利要求1所述的电机,其特征在于:N = 3时,转子的永磁磁极的极数为电机 极数的2/3,极对数P = 3,6,9,12.......
4.根据权利要求1所述的电机,其特征在于:所述的转子在定子内或者放置于定子外。
5.根据权利要求1所述的电机,其特征在于:所述的主绕组与谐波绕组,为两套独立的 绕组或者一套具有两组端口的绕组。
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