CN101976923B - 二次谐波励磁的混合励磁永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二次谐波励磁的混合励磁永磁电机，其特征在于包括：一机壳，所述机壳内配置有由定子铁心和定子绕组组成的定子，以及由永磁体、转轴、转子铁心、转子绕组组成的转子；所述定子铁心固定在所述机壳内，所述定子绕组分布于所述定子铁心上沿圆周方向开设的槽中；所述转轴与所述机壳转动连接，所述转子铁心设置在所述转轴上，所述永磁体和转子绕组设置在所述转子铁心上，所述永磁体、所述转子绕组与所述转子铁心能一起随着所述转轴旋转，所述转子绕组由转子二次谐波绕组和转子励磁绕组组成。

Description

二次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，特别涉及一种采用二次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，永磁电机具有结构简单，运行可靠的优点，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特点，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。

目前，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。将永磁电机作为发电机使用时，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，永磁电机的气隙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。

现有的混合励磁永磁电机方案中其中有一种方案，在该方案中定子与普通的同步电机相同，转子上既有永磁体，又有励磁绕组。永磁体产生的磁通和电励磁绕组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采用二次谐波励磁的混合励磁永磁电机，其不需要电刷和集电环，且结构简单，可靠性高，响应速度快。

为达到上述目的，本发明所提供的一种二次谐波励磁的混合励磁永磁电机，其特征在于包括：一机壳，所述机壳内配置有由定子铁心和定子绕组组成的定子，以及由永磁体、转轴、转子铁心、转子绕组组成的转子；所述定子铁心固定在所述机壳内，所述定子绕组分布于所述定子铁心上沿圆周方向开设的槽中；所述转轴与所述机壳转动连接，所述转子铁心设置在所述转轴上，所述永磁体和转子绕组设置在所述转子铁心上，所述永磁体、所述转子绕组与所述转子铁心能一起随着所述转轴旋转，所述转子绕组由转子二次谐波绕组和转子励磁绕组组成。

所述转子铁心上间隔设置有槽，所述转子二次谐波绕组和所述转子励磁绕组分别容置于所述槽中。

所述永磁体的极距与所述定子绕组的极距相同。

所述永磁体采用径向结构、切向结构及混合结构中的一种结构。

所述转子二次谐波绕组任意设置，采用三相绕组、单相绕组或者多相绕组中的一种。

所述定子绕组为三相绕组、单相绕组或者多相绕组中的一种；可以为整数槽绕组，也可以为分数槽绕组。

所述转子励磁绕组为集中绕组或分布绕组。

所述转子设置在所述定子内或设置在所述定子外。

采用上述技术方案，本发明与现有技术相比，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，响应速度快。

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，电励磁通过获取电机中的二次谐波磁场来调节，其励磁损耗小，电机的效率高。

附图说明

图1是本发明电机垂直于轴向的截面示意图

图2是沿图1中A-A剖线的电机结构示意图

图3是沿图1中B-B剖线的截面图，为便于理解，展开为直线画图

图4是转子二次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，为本发明所提供的采用二次谐波励磁的混合励磁永磁电机，本实施例以四极电机为例。其包括一机壳10，机壳10内配置有由定子铁心21和定子绕组22组成的定子20，以及由永磁体31、转轴32、转子铁心33、转子绕组34组成的转子30。

定子铁心21固定在机壳10内，定子绕组22分布于定子铁心21上沿圆周方向开设的槽23中。

转子30设置在定子20内，转轴32通过轴承11与机壳10连接，转子铁心33设置在转轴32上，永磁体31和转子绕组34设置在转子铁心33上，使永磁体31、转子绕组34与转子铁心33可一起随着转轴32在定子铁心21内旋转。永磁体31均匀分布在转子铁心33上，永磁体31的极距与定子绕组22的极距相同，即永磁体31形成的磁极数与电机的极数相同。转子绕组34由转子二次谐波绕组341和转子励磁绕组342组成。转子铁心33上间隔设有槽距不同的槽331，转子二次谐波绕组341和转子励磁绕组342分别容置于槽331中。开设在转子铁心33上的槽331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。

采用上述结构，本发明所提供的二次谐波励磁的混合励磁永磁电机的转子30上不仅有永磁体31，而且转子铁心33上还设置了转子二次谐波绕组341和转子励磁绕组342。在定子20上则设置有用于机电能量转换的定子绕组22。转子30的极对数与定子绕组22的极对数相同。定子绕组22与永磁体31相对应，产生电磁感应作用，相当于一台旋转磁极的同步发电机。转子二次谐波绕组341感应的电动势经过旋转整流器整流得到直流电，给设置在转子铁心33上的转子励磁绕组342提供直流电，转子二次谐波绕组341中感应的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电压的目的。

本发明的工作原理是：转轴32以同步速旋转，转子永磁体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。当电机带上负载后，定子合成磁势中的二次谐波磁势分量产生的谐波磁场会在设置在转子铁心33上的转子二次谐波绕组341中感应出谐波电动势，经整流后输入到转子励磁绕组342中，转子励磁绕组342产生的磁场可以弥补由于电枢反应去磁作用使得定子绕组22感应电动势的降低。当负载增加时，定子合成磁势中的二次谐波磁势分量也增加，转子二次谐波绕组341的感应电动势也随着增大。因此，转子二次谐波绕组341感应电动势的大小能够随着负载的变化而自动改变，达到调节磁场和定子绕组22感应电动势的作用，而且实现了无电刷和集电环以及无电压调节器。为了调节定子绕组22的电动势，可以采用下面两种常用的方式实现二次谐波励磁：一、通过定子绕组22的设置，如将相邻极下的定子绕组22设置得不对称，其合成磁势分量中将含有二次谐波磁势分量，在气隙中产生二次谐波磁场。二、利用谐波磁导，使正弦分布的磁场作用在磁导上，产生二次谐波磁场。

下面参照图3来具体说明转子二次谐波绕组342感应电动势的原理，以电机的一对极为例进行说明。如图3中所示的定子绕组合成磁势产生的磁场基波分量和二次谐波分量，当转子铁心33以同步速旋转时，磁场的基波分量相对转子铁心33静止，不会在转子的二次谐波绕组341中感应出电动势；而磁场的二次谐波分量相对定子20以二分之一倍的同步速旋转，其方向与转子30旋转方向相反，因此在转子二次谐波绕组341中感应电动势的频率为定子绕组22基波感应电动势的三倍，且转子二次谐波绕组341感应电动势的大小能够随着负载的变化而自动改变。

如图4所示，转子二次谐波绕组341感应的交流电动势经过整流电路整流后得到直流电励磁电流，直流励磁电流通入到转子励磁绕组342中实现励磁。直流励磁电流流过转子励磁绕组342建立相对于转子铁心33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与外部电路相连就可以向外输出能量。

本发明的转子二次谐波绕组341可以为三相绕组，也可以为单相或者多相绕组。

转子励磁绕组342可以是集中绕组，也可以为分布绕组。

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。

转子永磁体31的数量可以根据需要任意设置。

转子永磁体31可以采用径向结构、切向结构，以及混合结构。在本实施例中转子永磁体31采用切向结构。

转子30既可以设置在定子20内，也可以设置在定子20外。

连接转子二次谐波绕组341的整流电路可以采用桥式全波整流，也可以是半波整流。

本发明既可以用作发电机，也可以用作电动机。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。

Claims (23)

1.一种二次谐波励磁的混合励磁永磁电机，其特征在于包括：一机壳，所述机壳内配置有由定子铁心和定子绕组组成的定子，以及由永磁体、转轴、转子铁心、转子绕组组成的转子；

所述定子铁心固定在所述机壳内，所述定子绕组分布于所述定子铁心上沿圆周方向开设的槽中；

所述转轴与所述机壳转动连接，所述转子铁心设置在所述转轴上，所述永磁体和转子绕组设置在所述转子铁心上，所述永磁体、所述转子绕组与所述转子铁心能一起随着所述转轴旋转，所述转子绕组由转子二次谐波绕组和转子励磁绕组组成；所述转子二次谐波绕组感应的交流电动势经过整流电路整流后得到直流电励磁电流，直流励磁电流通入到所述转子励磁绕组中实现励磁。

2.如权利要求1所述的二次谐波励磁的混合励磁永磁电机，其特征在于：所述转子铁心上间隔设置有槽，所述转子二次谐波绕组和所述转子励磁绕组分别容置于所述槽中。

3.如权利要求1或2所述的二次谐波励磁的混合励磁永磁电机，其特征在于：所述永磁体的极距与所述定子绕组的极距相同。

4.如权利要求1或2所述的二次谐波励磁的混合励磁永磁电机，其特征在于：所述永磁体采用径向结构、切向结构及混合结构中的一种结构。

5.如权利要求4所述的二次谐波励磁的混合励磁永磁电机，其特征在于：所述永磁体采用径向结构、切向结构及混合结构中的一种结构。

6.如权利要求1或2或5所述的二次谐波励磁的混合励磁永磁电机，其特征在于：所述转子二次谐波绕组任意设置，采用三相绕组或单相绕组。

7.如权利要求3所述的二次谐波励磁的混合励磁永磁电机，其特征在于：所述转子二次谐波绕组任意设置，采用三相绕组或单相绕组。

8.如权利要求4所述的二次谐波励磁的混合励磁永磁电机，其特征在于：所述转子二次谐波绕组任意设置，采用三相绕组或单相绕组。

9.如权利要求1、2、5、7-8中任一项所述的二次谐波励磁的混合励磁永磁电机，其特征在于：所述定子绕组为三相绕组或单相绕组；能为整数槽绕组，也能为分数槽绕组。

10.如权利要求3所述的二次谐波励磁的混合励磁永磁电机，其特征在于：所述定子绕组为三相绕组或单相绕组；能为整数槽绕组，也能为分数槽绕组。

11.如权利要求4所述的二次谐波励磁的混合励磁永磁电机，其特征在于：所述定子绕组为三相绕组或单相绕组；能为整数槽绕组，也能为分数槽绕组。

12.如权利要求6所述的二次谐波励磁的混合励磁永磁电机，其特征在于：所述定子绕组为三相绕组或单相绕组；能为整数槽绕组，也能为分数槽绕组。

13.如权利要求1、2、5、7-8、10-12中任一项所述的二次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。

14.如权利要求3所述的二次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。

15.如权利要求4所述的二次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。

16.如权利要求6所述的二次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。

17.如权利要求9所述的二次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。

18.如权利要求1、2、5、7-8、10-12、14-17中任一项所述的二次谐波励磁的混合励磁永磁电机，其特征在于：所述转子设置在所述定子内或设置在所述定子外。

19.如权利要求3所述的二次谐波励磁的混合励磁永磁电机，其特征在于：所述转子设置在所述定子内或设置在所述定子外。

20.如权利要求4所述的二次谐波励磁的混合励磁永磁电机，其特征在于：所述转子设置在所述定子内或设置在所述定子外。

21.如权利要求6所述的二次谐波励磁的混合励磁永磁电机，其特征在于：所述转子设置在所述定子内或设置在所述定子外。

22.如权利要求9所述的二次谐波励磁的混合励磁永磁电机，其特征在于：所述转子设置在所述定子内或设置在所述定子外。

23.如权利要求13所述的二次谐波励磁的混合励磁永磁电机，其特征在于：所述转子设置在所述定子内或设置在所述定子外。

Images