CN101969257B - 齿谐波励磁的混合励磁永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种齿谐波励磁的混合励磁永磁电机，其包括一机壳，其特征在于：所述机壳内装设有由定子铁心、定子绕组构成的定子，以及由永磁磁极、铁磁磁极、转轴、转子铁心和转子绕组组成的转子；所述定子铁心固定在所述机壳内，并在沿圆周方向上开设有多个凹槽，所述定子绕组分布于各个所述凹槽中；所述转子的转轴通过所述轴承与所述机壳连接，所述转子铁心设置在所述转轴外周，能随着所述转轴在所述定子铁心内旋转，所述永磁磁极和铁磁磁极布设在所述转子铁心上，所述转子绕组包括转子齿谐波绕组和转子励磁绕组，设置在所述铁磁磁极上。

Description

齿谐波励磁的混合励磁永磁电机

技术领域

本发明涉及一种永磁电机，特别是指一种采用齿谐波励磁的混合励磁永磁电机。

背景技术

随着永磁材料性能的不断提高以及价格的不断下降，永磁材料在电机中的应用日益广泛。与电励磁同步电机相比，永磁电机不需要励磁绕组和直流励磁电源，取消了电刷和滑环，实现了电机的无刷化，因此，永磁电机的结构简单，运行可靠，而且，由于永磁电机不存在励磁损耗，还使电机的效率得到了提高。此外，永磁电机还具有功率密度高，体积小、重量轻，及结构灵活的优点。因此，永磁电机在工业、民用、军事以及航空航天等领域中应用非常广泛。

但无论是永磁发电机还是永磁电动机，都存在气隙磁场难以调节的缺点。作发电机使用时，当负载的大小、负载性质或者原动机的转速发生变化时，永磁发电机的端电压会随之发生变化，从而影响供电的质量。作电动机使用时，由于永磁同步电动机的转子励磁磁场是由永磁体产生的，不可能直接削弱转子磁场，通常利用直轴电枢反应使电动机气隙磁场减弱，但由于永磁体的存在，需要一个很大的直轴电枢反应磁势，这样不仅使电机的效率降低，且不可能实现宽范围的调磁。

可见，永磁电机的励磁磁场调节困难在一定程度上限制了永磁电机的广泛应用。因此，研究和解决永磁电机磁场调节问题，对于永磁电机性能的提高和广泛推广具有重要意义。

混合励磁永磁电机结合了电励磁电机调磁方便以及永磁电机高功率密度和高效率等优点。目前，混合励磁永磁电机已经成为电机领域中的一个研究热点，国内外许多专家和学者已经做了大量的研究工作，取得了一定的研究成果，提出了许多混合励磁永磁电机方案。

美国的学者提出的混合励磁永磁电机方案，定子与普通的同步电机类似，转子上既有永磁磁极，又有铁磁磁极，通常永磁磁极占大部分，铁磁磁极占小部分。方案中永磁磁势产生的磁通和电励磁磁势产生的磁通经过相同的电机磁路，因此材料利用率高，保持了永磁电机功率密度高的优点。磁路与传统电机相似，电机中只存在径向磁通，并且电励磁磁势与永磁磁势在磁路上并联，因而所需的励磁磁动势小，保持了永磁电机效率高的特点。但由于励磁绕组在转子上，导致励磁绕组与外部的连接仍需要滑环和电刷，不能实现无刷化，以致电机维护工作量大。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种不需要电刷和集电环的采用齿谐波励磁的混合励磁永磁电机。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种齿谐波励磁的混合励磁永磁电机，其包括一机壳，其特征在于：所述机壳内装设有由定子铁心、定子绕组构成的定子，以及由永磁磁极、铁磁磁极、转轴、转子铁心和转子绕组组成的转子；所述定子铁心固定在所述机壳内，并在沿圆周方向上开设有多个凹槽，所述定子绕组分布于各个所述凹槽中；所述转子的转轴通过所述轴承与所述机壳连接，所述转子铁心设置在所述转轴外周，能随着所述转轴在所述定子铁心内旋转，所述永磁磁极和铁磁磁极布设在所述转子铁心上，所述转子绕组包括转子齿谐波绕组和转子励磁绕组，设置在所述铁磁磁极上。

所述铁磁磁极上开设有槽，所述转子齿谐波绕组和所述转子励磁绕组分置于所述槽中。

所述定子绕组为三相绕组、单相或者多相绕组以及整数槽绕组或分数槽绕组中的一种或一种以上的结合。

所述转子齿谐波绕组为三相绕组、单相绕组或多相绕组中的一种。

所述转子励磁绕组为集中绕组或分布绕组。

所述转子永磁磁极与所述铁磁磁极的比例根据电压调节范围确定。

所述转子设置在所述定子内或者设置在所述定子外。

所述转子励磁绕组的极距与所述定子绕组的极距相同。

所述永磁磁极为径向结构、切向结构及混合结构中的一种。

所述转子齿谐波绕组连接的整流电路采用桥式全波整流电路或半波整流电路。

采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明的齿谐波励磁的混合励磁永磁电机具有如下特点：

1、电机不需要电刷、集电环以及电压调节器，结构简单，可靠性高。

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。

3、不存在轴向磁路和附加气隙，磁路短，漏磁小，电励磁通过获取有槽电机中固有的齿谐波磁场来调节，不会出现磁路磁密过高的问题，保持了永磁电机的高效率。

附图说明

图1是本发明内转子式电机垂直于轴向的截面示意图

图2是沿图1中A-A剖线的截面图

图3是本发明外转子式电机的截面图

图4是本发明转子齿谐波绕组经整流桥与转子励磁绕组相联的电路原理图

具体实施方式

现举以下实施例并结合附图对本发明的结构及功效进行详细说明。

如图1、图2所示，为本发明所提供的齿谐波励磁的混合励磁永磁电机，本实施例是以12极内转子式电机为例。本发明的齿谐波励磁的混合励磁永磁电机包括一机壳10，机壳10内装设有由定子铁心21、定子绕组22构成的定子20，以及设置在定子20内由永磁磁极31、铁磁磁极32、转轴33、转子铁心34和转子绕组35组成的转子30。

其中，定子铁心21固定在机壳10内，并在沿圆周方向上开设有多个凹槽23，定子绕组22分布于各个凹槽23中。

转子30的转轴33通过轴承12与机壳10连接。转子铁心34设置在转轴33外周，永磁磁极31和铁磁磁极32布设在转子铁心34上。转子绕组35包括转子齿谐波绕组37和转子励磁绕组38，由此，转子齿谐波绕组37和转子励磁绕组38与转子铁心34可随着转轴33一起在定子铁心21内旋转。如图1所示，铁磁磁极32上开设有槽距不同的槽321，转子齿谐波绕组37和转子励磁绕组38分置在槽321中。开设在铁磁磁极32上的槽321根据实际需要可以设置为如本实施例采用的槽距不同的形式，也可以设置为相同槽距的形式。

本发明的工作原理是：转轴33以同步速旋转，转子永磁磁极31建立磁场，在定子绕组22中感应同步频率的电动势，该电动势在转速一定时不能进行调节。为了调节定子绕组22的电动势，在转子铁心34上布置了转子齿谐波绕组37和转子励磁绕组38。转子励磁绕组38的极距与定子主绕组22极距相同。

为了便于计算，假定转子表面光滑，已知定子开槽时的气隙导磁系数为

${\mathrm{\λ}}_s\left(\mathrm{\α}\right)={\mathrm{\λ}}_0+\underset{v_s=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_{v_s}\cos v_s\frac{Z}{p}\mathrm{\α}$

式中，v_s＝1，2，3…，Z为定子槽数，p为极对数，α为电角度，坐标原点在定子槽中心线上。

励磁磁势为

$f\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{v=1}{\overset{2n-1}{\mathrm{\Σ}}}{F}_v\cos \mathrm{v\θ}$

式中，v＝1，3，5...2n-1，θ为电角度，坐标原点在转子d轴上。

换算到定子坐标系下的励磁磁势为

$f\left(\mathrm{\α}\right)=\underset{v=1}{\overset{2n-1}{\mathrm{\Σ}}}{F}_v\cos v(\mathrm{\α}-\mathrm{\ωt})$

其中α＝θ+γ，γ＝ωt

v次谐波磁势作用在v_s阶定子齿谐波磁导上产生的齿谐波磁场相对的转子转速为和将在转子齿谐波绕组37中感应出次齿谐波电动势，经过整流向转子励磁绕组38输出励磁所需的直流电。定子三相合成磁势基波分量作用在v_s阶定子齿谐波磁导上产生的齿谐波磁场也将在转子齿谐波绕组37中感应出次齿谐波电动势。因此，电机运行时，齿谐波绕组感应电势大小能够随着负载的变化而自动改变，以达到调节磁场和电压的作用，从而实现了无电刷和集电环以及无电压调节器。转子励磁绕组37仅布置在铁磁磁极32上，因此只用来改变铁磁磁极32下的磁场。永磁磁极31下的磁场不会随转子齿谐波绕组37感应电势的变化而变化。

如图4所示，转子齿谐波绕组37感应的交流电动势经过整流电路得到直流电，直流电通入到转子励磁绕组38中实现励磁。

直流励磁电流流过转子励磁绕组38建立相对于转子铁心34静止的磁场，该磁场相对于定子铁心21和定子绕组22为同步速旋转，在定子绕组22中感应同步频率的电动势，定子绕组22与外部电路相联就可以向外输出能量。

综上所述，本发明的齿谐波励磁的混合励磁永磁电机的转子30上不仅设有永磁磁极31，而且还设置有具有转子齿谐波绕组37和转子励磁绕组38的铁磁磁极32，定子20上设置一套定子绕组22，用于机电能量转换。转子30的永磁磁极31和铁磁磁极32构成的总磁极对数与定子绕组22的极对数相同。每个铁磁磁极32上除了设有极距与永磁磁极31相同的转子励磁绕组38，每个铁磁磁极32上还设置有转子齿谐波绕组37。定子绕组22与永磁磁极31和铁磁磁极32对应设置，产生电磁感应作用，相当于一台旋转磁极的同步发电机。转子齿谐波绕组37感应的电动势经过旋转整流器整流得到直流电，给铁磁磁极32上的转子励磁绕组38提供直流电，转子齿谐波绕组37中感应的齿谐波电势能够随着电机负载的变化而自动改变，从而达到调节磁场和定子绕组22的电压的目的。

当本发明用作发电机时，定子绕组22与负载相连；用作电动机时，定子绕组22与驱动电源相连。

转子励磁绕组38可以是集中绕组，也可以为分布绕组。转子励磁绕组38的极距与定子绕组22的极距相同。

定子绕组22可以任意设置，可以为三相绕组，也可以为单相或者多相绕组；可以为整数槽绕组，也可以为分数槽绕组。

转子齿谐波绕组37可以任意设置，可以为三相绕组，也可以为单相或者多相绕组。

转子永磁磁极31与铁磁磁极32的数量可以任意设置，两者的比例为根据电压调节范围确定。

永磁磁极31可以采用径向结构、切向结构，以及混合结构。

整流电路可以采用桥式全波整流，也可以采用半波整流。

如图3所示，本发明也可以采用外转子式电机结构，转子30设置在定子20外。本实施例与前述实施例的区别在于定子20与转子30的位置互换。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，凡依据本发明说明书、权利要求书及说明书附图所作的等效结构变换，均应包含在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种齿谐波励磁的混合励磁永磁电机，其包括一机壳，其特征在于：所述机壳内装设有由定子铁心、定子绕组构成的定子，以及由永磁磁极、铁磁磁极、转轴、转子铁心和转子绕组组成的转子；

所述定子铁心固定在所述机壳内，并在沿圆周方向上开设有多个凹槽，所述定子绕组分布于各个所述凹槽中；所述定子上设置一套所述定子绕组，用于机电能量转换；

所述转子的转轴通过轴承与所述机壳连接，所述转子铁心设置在所述转轴外周，能随着所述转轴在所述定子铁心内旋转，所述永磁磁极和铁磁磁极布设在所述转子铁心上，所述转子绕组包括转子齿谐波绕组和转子励磁绕组，所述转子齿谐波绕组感应所述定子绕组作用在所述定子铁心开槽产生的齿谐波磁导上产生的齿谐波磁场，而产生感应电动势；ν次谐波磁势作用在ν_s阶定子齿谐波磁导上产生的齿谐波磁场相对转子旋转，将在所述转子齿谐波绕组中感应出次齿谐波电动势，经过整流向所述转子励磁绕组输出励磁所需的直流电；定子三相合成磁势基波分量作用在ν_s阶定子齿谐波磁导上产生的齿谐波磁场也将在所述转子齿谐波绕组中感应出次齿谐波电动势，其中，ν＝1,3,5...2n-1，ν_s＝1,2,3…，Z为定子槽数，p为极对数；所述铁磁磁极上开设有槽距不同的槽，所述转子齿谐波绕组和所述转子励磁绕组分别容置于所述槽中。

2.如权利要求1所述的齿谐波励磁的混合励磁永磁电机，其特征在于：所述定子绕组为单相或者多相绕组以及整数槽绕组或分数槽绕组中的一种或一种以上的结合。

3.如上述任一权利要求所述的齿谐波励磁的混合励磁永磁电机，其特征在于：所述转子齿谐波绕组为单相绕组或多相绕组中的一种。

4.如权利要求1或2所述的齿谐波励磁的混合励磁永磁电机，其特征在于：所述转子励磁绕组为集中绕组或分布绕组。

5.如权利要求1或2所述的齿谐波励磁的混合励磁永磁电机，其特征在于：所述转子永磁磁极与所述铁磁磁极的比例根据电压调节范围确定。

6.如权利要求1或2所述的齿谐波励磁的混合励磁永磁电机，其特征在于：所述永磁磁极为径向结构、切向结构及混合结构中的一种。

7.如权利要求1或2所述的齿谐波励磁的混合励磁永磁电机，其特征在于：所述转子齿谐波绕组连接的整流电路采用桥式全波整流电路或半波整流电路。