CN101662193A - 双转子轴向磁通切换型混合励磁同步发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发电机技术，特别是一种高效率、直接驱动、变速恒频的双转子轴向磁通切换型混合励磁同步发电机。本发明包括定子和转子，定子由6a个“H”型单元定子铁心拼装成圆形，a为正整数，电枢绕组采用集中绕组，周向缠绕在相邻“H”型单元定子铁心的定子齿上，永磁体交错排列在相邻“H”型单元定子铁心中间，永磁体切向充磁，励磁绕组轴向缠绕在永磁体的表面，通入励磁绕组中的直流电产生周向磁场，增强或削弱永磁磁场；转子包括转子磁轭和固定于其内侧的转子极，转子和定子同轴安装。本发明是一种效率较高、直驱型、电压调节范围宽广的新型混合励磁同步发电机。

Description

双转子轴向磁通切换型混合励磁同步发电机

技术领域

本发明涉及发电机技术，特别是一种高效率、直接驱动、变速恒频的双转子轴向磁通切换型混合励磁同步发电机。

背景技术

永磁电机转子上无绕组，结构简单，因此电机无励磁损耗，且效率高、工作可靠；稀土永磁材料矫顽力和剩磁密度高，故稀土永磁电机还具有功率密度高、性能好等特点；然而，磁场不能调节成为此类电机作为发电机和电动机应用的瓶颈。

混合励磁电机是一类磁通可控型永磁同步电机，由于辅助励磁绕组的存在，混合励磁电机不仅能继承永磁电机的诸多优点，且磁场可灵活调节，特别适合于恒压发电和恒功率宽调速驱动，在风力发电、航空航天、工业传动和电动汽车等领域具有广阔的应用前景。近年来，经过国内外电机专家的不断努力，相继提出了磁极分割式、爪极式、组合转子式、并列结构式、磁分路式等多种拓扑结构形式的混合励磁电机，并取得了一定的研究成果。以上几种混合励磁电机中的永磁体均位于转子上，属于转子永磁型混合励磁电机，往往需要对转子采取特别的辅助措施，如安装不锈钢紧圈等来固定永磁体，因此增加了转子结构的复杂性，同时电机冷却条件差，散热困难，且较高的温升可能会导致永磁体发生不可逆退磁，限制电机出力、降低电机的功率密度等，制约了此类混合励磁电机性能的进一步提高。

永磁式磁通切换电机是一种定子永磁型双凸极电机，转子结构简单；随着转子位置的变化，磁通能够自动切换路径，以致定子绕组内磁链的大小和方向均发生变化，从而产生交变的感应电动势。相对于转子永磁型永磁电机，磁通切换型电机转子上既无永磁体又无绕组，具有体积小、重量轻、工作可靠、冷却方便、高功率密度以及较高的效率等优点。然而，在永磁式磁通切换型电机中，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，恒功率运行范围窄等缺点。

为了综合永磁式与电励磁式磁通切换电机的优点，法国学者E.Hoang于07年提出了磁通切换型混合励磁电机。与永磁式磁通切换型电机相比，此电机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心构成回路，降低了永磁体的利用率；(2)随着励磁电流的增加，当电励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心中磁饱和加剧，铁损和漏磁相应上升。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高功率密度、电压调节范围较为宽广的双转子轴向磁通切换型混合励磁同步发电机。

技术方案：一种双转子轴向磁通切换型混合励磁同步发电机，包括定子和转子，定子1由6a个“H”型单元定子铁心5拼装成圆形，a为正整数，电枢绕组7采用集中绕组，周向缠绕在相邻“H”型单元定子铁心的定子齿9上，永磁体6交错排列在相邻“H”型单元定子铁心5之间，永磁体切向充磁，励磁绕组8轴向缠绕在永磁体6的表面，通入励磁绕组中的直流电产生周向磁场，增强或削弱永磁磁场；转子2采用盘式结构，包括转子磁轭4和固定于其内侧的转子极3，转子和定子同轴安装。

电机定子、转子极为6a/5a结构，a为正整数。

永磁体6选用钕铁硼永磁材料。

a取2，定子1由十二个“H”型单元定子铁心5拼装成圆形。

a取2，定子极数为十二，转子极数为十。

本发明的双转子轴向磁通切换型混合励磁同步发电机由一个定子和两个转子所组成，定子由数个“H”型单元定子铁心拼装组成，结构简单；电枢绕组散嵌在由永磁体隔开的相邻定子单元铁心中，采用集中绕组；永磁体交替切向充磁；励磁绕组轴向缠绕在永磁体表面，使电机成为一种无刷交流电机，所述的永磁体选用钕铁硼永磁材料；电机内主磁场呈轴向分布，有利于电机散热，降低热损，进一步提高电机效率。转子由转子极、转子磁轭、电机轴等组成，采用盘式结构；电机轴采用非导磁钢；电机的两个转子完全相同，均采用导磁材料制成，转子上无绕组，结构简单，易于制造。

电机具体工作原理如下：

无励磁电流时，电机可看成为一台双转子轴向磁通切换型永磁电机，气隙磁场主要由永磁体建立，根据电机磁路磁阻最小的原则，电机工作于磁通切换状态，绝大部分磁通由永磁体N极出发，经“H”型单元定子铁心、气隙、转子极、转子磁轭、相邻的转子极、气隙、相邻的“H”型单元定子铁心，再回到永磁体S极。这部分磁通参与电机的能量转换，为电机的主磁通。当转子转过相邻的两个“H”型定子单元铁心时，从磁路的角度看，磁通切换电机磁路经历一个周期，此时穿过电枢绕组的磁通也经历一个周期，分别为磁通穿出电枢绕组和磁通进入电枢绕组，因此，电枢绕组中的感应电动势也变化一个周期。

当电机通以直流励磁电流时，电机的磁路和和永磁体单独工作时的磁通路径完全相同，当励磁电流大于零时，电机合成气隙磁场增强，电枢绕组匝链的有效磁链增多，感应电动势也相应提高，此时，励磁电流对永磁体起增磁作用；同理，当励磁电流小于零时，电机合成气隙磁场被削弱，电枢绕组匝链的有效磁链减少，绕组感应电动势也相应降低，此时，励磁电流对永磁体起弱磁作用。

有益效果：由于直流励磁绕组置于由永磁体和“H”型单元定子铁心所形成的区域内，空间利用率高，结构紧凑；同时，因励磁绕组轴向置于定子内部，致使每匝励磁线圈长度大大缩短，且绕组端部较小，从而使励磁绕组电阻和励磁损耗减小，电机效率得以提高；由于定子铁心体积可根据所需的励磁线圈匝数适当调整，灵活性好；定子采用由数个“H”型单元定子铁心组成的结构，可大大简化制造工艺；转子采用盘式结构，无绕组，结构简单，可靠性高；电机热负荷较低，散热性较好，可进一步降低电机的热损耗，提高电机的效率；控制励磁电流的大小和方向可实现气隙磁场自由的调节，而且可根据实际需要合理安排永磁体和励磁绕组所占空间比例，在保证电机基本功率的基础上，实现所需的磁场强度和电压调节范围。综上所述，本发明由于采用了轴向磁通切换的原理和励磁绕组安置在定子上的结构，转子上无任何绕组，成功解决了磁通切换型永磁发电机电压调节的缺陷，其调磁效果十分明显，有效地提高了电压的调节性能。本发明是一种效率较高、直驱型、电压调节范围宽广的新型混合励磁同步发电机。

本发明通过将永磁体设计在定子上，使电机成为一种定子永磁型发电机；相对于转子永磁型电机，为防止电机旋转时造成永磁体损坏的现象，需要对永磁体采取加固的一些措施，定子永磁型发电机就不需考虑这种情况，从而可减小电机的体积，电机的功率密度可得到一定程度的提高。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明磁通穿出电枢绕组单元电机磁路示意图；

图3是本发明磁通进入电枢绕组单元电机磁路示意图。

图中1定子，2转子，3转子极，4转子磁轭，5“H”型单元定子铁心，6永磁体，7电枢绕组，8励磁绕组，9定子齿。

具体实施方式

本发明定子与普通交流电机的定子不同，定子由“H”型单元定子铁心拼装成圆形并固定于电机外壳上，电枢绕组7散嵌在相邻“H”型单元定子铁心的定子齿上，图1中只给出了电机定子上一个集中绕组的分布方式，其余绕组未画。永磁体交错镶嵌在相邻单元定子铁心所形成的空间内，切向充磁，励磁绕组轴向缠绕在永磁体的表面，空间利用率高，结构紧凑；此外，励磁绕组的端部较短，电机的励磁损耗较小，电机效率得以提高。

定子采用由“H”型单元定子铁心组成的结构，转子采用盘式结构，可大大简化制造工艺。

通过将永磁体和励磁绕组布置在定子中，使电机成为一种无刷结构，从而可提高电机工作的可靠性。

如图1所示，双转子轴向磁通切换型混合励磁同步发电机主要由以下几个部分组成：定子1，转子2，转子极3，转子磁轭4，“H”型单元定子铁心5，永磁体6，电枢绕组7，励磁绕组8等。

“H”型单元定子铁心5采用卷绕式硅钢片，可以轴向和周向导磁，材料可选用0.5mm厚50W470冷轧无取向硅钢片。

永磁体6直接粘贴在相邻的“H”型单元定子铁心5之间，电机的两个转子轴向完全对齐，且对称地分布在定子的两侧，定子和转子同轴安装。定、转子之间通过轴承柔性连接。

图1中，定子极数为12，转子极数为10。

此外，从提高电机气隙磁密和永磁体的热稳定性考虑，选择具有较高内禀矫顽力和剩磁密度的钕铁硼永磁材料作为电机永磁体的材料。

Claims (5)

1、一种双转子轴向磁通切换型混合励磁同步发电机，包括定子和转子，其特征是：定子(1)由6a个“H”型单元定子铁心(5)拼装成圆形，a为正整数，电枢绕组(7)采用集中绕组，周向缠绕在相邻“H”型单元定子铁心的定子齿(9)上，永磁体(6)交错排列在相邻“H”型单元定子铁心(5)中间，永磁体切向充磁，励磁绕组(8)轴向缠绕在永磁体(6)的表面，通入励磁绕组中的直流电产生周向磁场，增强或削弱永磁磁场；转子(2)采用盘式结构，包括转子磁轭(4)和固定于其内侧的转子极(3)，转子和定子同轴安装。

2、根据权利要求1所述的双转子轴向磁通切换型混合励磁同步发电机，其特征是：电机定子、转子极为6a/5a结构，a为正整数。

3、根据权利要求1所述的双转子轴向磁通切换型混合励磁同步发电机，其特征是：永磁体(6)选用钕铁硼永磁材料。

4、根据权利要求1所述的双转子轴向磁通切换型混合励磁同步发电机，其特征是：a取2，定子(1)由十二个“H”型单元定子铁心(5)拼装成圆形。

5、根据权利要求2所述的双转子轴向磁通切换型混合励磁同步发电机，其特征是：a取2，定子极数为十二，转子极数为十。

Images