CN102013779B - 五次谐波励磁的混合励磁永磁电机 - Google Patents

五次谐波励磁的混合励磁永磁电机 Download PDF

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五次谐波励磁的混合励磁永磁电机，包括一机壳(1)，其特征是机壳(1)内装有由定子铁心(2)、定子绕组(3)组成的定子和由永磁体(4)、转轴(6)、转子铁心(7)、转子绕组(8)组成的转子，定子绕组(3)分布于定子铁心(2)上沿圆周方向开设的槽(9)中，转子铁心(7)上布置有永磁体(4)和转子绕组(8)，转子绕组(8)由转子五次谐波绕组(10)和转子励磁绕组(11)组成。本发明电机不需要电刷、集电环以及电压调节器，结构简单，运行可靠，响应速度快；与普通永磁电机结构相近，具有较高的功率密度；不存在轴向磁路和附加气隙，磁路短，保持了永磁电机的高效率。

Description

五次谐波励磁的混合励磁永磁电机
技术领域
本发明属于电机技术领域，特别涉及一种永磁电机。
背景技术
永磁电机具有结构简单、运行可靠、效率高以及功率密度高等优点。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。不足之处在于永磁电机气隙磁场调节困难，这在一定程度上限制了永磁电机的广泛应用。然而，电励磁同步电机通过调节励磁绕组中励磁电流的大小可以方便地调节气隙磁场。
混合励磁永磁电机的特点是在一台电机中同时存在两种磁势源：永磁磁势和电励磁磁势。电励磁磁势产生的磁场主要是用来对永磁磁势产生的磁场进行调节，因而混合励磁永磁电机结合了永磁电机高效率和高功率密度以及电励磁同步电机气隙磁场调节方便的优点。目前，混合励磁永磁电机已经成为电机领域的一个研究热点，现有的混合励磁永磁电机方案有近30种。在这些方案中，有些方案永磁磁势和电励磁磁势在磁路上是串联的，电励磁磁势产生的磁通路径要经过永磁体，导致励磁损耗增大，电机效率降低，并且永磁体容易发生不可逆去磁。有些方案径向磁场和轴向磁场共存，因而电机轴向长度不宜太长。有些方案转子分成两段或者定转子都分成两段，可以看成是一台永磁电机和一台电励磁同步电机的复合，从而降低了电机的功率密度。有些方案存在附加气隙，从而降低了电机的效率，并使电机结构变得复杂。但有一类混合励磁永磁电机方案，定子与普通的交流电机相同，转子上既有永磁体，又有励磁绕组，两者产生的磁通流经相同的电机铁心，提高了材料的利用率，保持了永磁电机高功率密度的优点。此外，电机中不存在轴向磁场和附加气隙，保持了永磁电机高效率的优点。但由于励磁绕组在转子上，使得励磁绕组与外部的连接仍需要电刷和滑环等机械装置，从而降低了电机运行的可靠性，同时也增加了电机维护成本。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种不需要电刷和集电环的采用五次谐波励磁的混合励磁永磁电机。
本发明的技术方案是这样实现的(参见附图1、附图2)：采用五次谐波励磁的混合励磁永磁电机，包括一机壳[1]，机壳[1]内装有由定子铁心[2]、定子绕组[3]组成的定子和由永磁体[4]、转轴[6]、转子铁心[7]、转子绕组[8]组成的转子；定子绕组[3]分布于定子铁心[2]上沿圆周方向开设的槽[9]中，转子铁心[7]上布置有永磁体[4]和转子绕组[8]；转子绕组[8]由转子五次谐波绕组[10]和转子励磁绕组[11]组成。
所述的定子绕组[3]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。
所述的转子五次谐波绕组[10]可以为三相绕组，也可以为单相或者多相绕组。
所述的转子励磁绕组[11]可以是集中绕组，也可以为分布绕组。
所述的转子永磁体[4]的数量可以根据电机设计要求设置，其极数与定子绕组(3)的极数相同。
所述的转子在定子内或者放置于定子外。
所述的转子永磁体[4]可以采用径向结构、切向结构，以及混合结构。
本发明的五次谐波励磁的混合励磁永磁电机的转子上不仅有永磁体[4]，而且转子铁心[7]上布置了转子励磁绕组[11]和转子五次谐波绕组[10]，定子上布置一套定子绕组[3]，用于机电能量转换。转子的极对数与定子绕组[3]的极对数相同。定子绕组[3]与永磁体[4]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。转子五次谐波绕组[10]感应的电动势经过旋转整流器整流得到直流电，给转子铁心[7]上的转子励磁绕组[11]提供直流电，转子五次谐波绕组[10]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[3]电压的目的。
本发明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，运行可靠，响应速度快。
2、与普通永磁电机结构相近，具有较高的功率密度。
3、不存在轴向磁路和附加气隙，磁路短，保持了永磁电机的高效率。
附图说明
图1是图2的A-A截面图，为采用五次谐波励磁的混合励磁永磁电机结构示意图。其中1为机壳，2为定子铁心，3为定子绕组，4为永磁体，5为轴承，6为转轴，7为转子铁心，8为转子绕组。
图2是图1中电机截面图，以4极为例。其中2为定子铁心，3为定子绕组，4为永磁体，6为转轴，7为转子铁心，9为定子铁心上布置绕组的槽，10为转子五次谐波绕组，11为转子励磁绕组。
图3是图2中B-B部分详细说明图，为了方便，展开为直线画图。其中2为定子铁心，3为定子绕组，4为永磁体，6为转轴，7为转子铁心，9为定子铁心上沿圆周方向开设的槽，10为转子五次谐波绕组，11为转子励磁绕组。图中还画出了定子绕组合成磁势产生的基波磁场和五次谐波磁场分量。
图4是转子五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
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例。
由图1、2可知，本发明的五次谐波励磁的混合励磁永磁电机，包括机壳1，机壳1内配置有定子铁心2，定子铁心2上沿圆周方向开槽9，槽9内布置有定子绕组3。机壳1与定子铁心2固定不动。机壳1内配置有转轴6，转轴6通过轴承5与机壳1连接。转轴6上配置转子铁心7，转子铁心7上布置有永磁体4和转子绕组8，转子绕组8由转子五次谐波绕组10和转子励磁绕组11组成。永磁体4、转子绕组8与转子铁心7可一起随着转轴6在定子铁心2内旋转。
本发明的工作原理是：当电机空载运行时，转轴6以同步速旋转，转子永磁体4建立磁场，在定子绕组3中感应同步频率的空载电动势，该电动势在转速一定时保持恒定。当电机带上电感性负载后，由于电枢反应的去磁作用，使得在定子绕组3中感应的电动势下降。为了调节定子绕组3的电动势，在转子铁心7上布置了转子五次谐波绕组10和转子励磁绕组11。电机带上负载后，定子合成磁势中的五次谐波磁势分量产生的谐波磁场会在转子五次谐波绕组10中感应出谐波电动势，整流后输入到转子励磁绕组11中，转子励磁绕组11产生的磁场可以弥补由于电枢反应去磁作用使得电机绕组感应电动势的降低。当负载增加时，定子合成磁势中的五次谐波磁势分量也增加，转子五次谐波绕组10的感应电动势也随着增大。因此，转子五次谐波绕组10感应电动势的大小能够随着负载的变化而自动改变，以达到调节磁场和绕组感应电动势的作用，而且实现了无电刷和集电环以及无电压调节器。
下面参照图3来具体说明转子五次谐波绕组10感应电动势的原理。以一对极为例进行说明，图3中画出了定子绕组合成磁势产生的磁场基波分量和五次谐波分量，当转子铁心7以同步速旋转时，磁场的基波分量相对转子铁心7静止，不会在转子的五次谐波绕组10中感应出电动势；而磁场的五次谐波分量相对定子以1/5倍的同步速旋转，其方向与转子旋转方向相反，因此在转子五次谐波绕组10中感应电动势的频率为定子绕组3基波感应电动势的六倍，且转子五次谐波绕组10感应电动势的大小能够随着负载的变化而自动改变。
转子五次谐波绕组10感应的交流电动势经过整流得到直流电，直流电通入到转子励磁绕组11中实现励磁，电路图如图4所示。
直流励磁电流流过转子励磁绕组11建立相对于转子铁心7静止的磁场，该磁场相对于定子铁心2和定子绕组3为同步速旋转，在定子绕组3中感应同步频率的电动势，定子绕组3与外部电路相联就可以向外输出能量。
本发明用作发电机时，定子绕组3与负载相连，用作电动机时，定子绕组3与驱动电源相连。
转子五次谐波绕组10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11可以是集中绕组，也可以为分布绕组。
整流电路可以采用桥式全波整流，也可以是半波整流。

Claims (8)

1.五次谐波励磁的混合励磁永磁电机，包括一机壳(1)，其特征是机壳(1)内装有由定子铁心(2)、定子绕组(3)组成的定子和由永磁体(4)、转轴(6)、转子铁心(7)、转子绕组(8)组成的转子，定子绕组(3)分布于定子铁心(2)上沿圆周方向开设的槽(9)中，转子铁心(7)上布置有永磁体(4)和转子绕组(8)，转子绕组(8)由转子五次谐波绕组(10)和转子励磁绕组(11)组成，转子五次谐波绕组(10)中感应出谐波电动势，整流后输入到转子励磁绕组(11)以产生磁场从而实现混合励磁。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征是所述的定子绕组(3)为三相绕组、单相或者多相绕组。
3.根据权利要求1所述的电机，其特征是所述的定子绕组(3)为整数槽绕组或者分数槽绕组。
4.根据权利要求1所述的电机，其特征是所述的转子五次谐波绕组(10)为三相绕组、单相或者多相绕组。
5.根据权利要求1所述的电机，其特征是所述的转子励磁绕组(11)为集中绕组或者分布绕组。
6.根据权利要求1所述的电机，其特征是所述的转子在定子内或者放置于定子外。
7.根据权利要求1所述的电机，其特征是所述的永磁体(4)的数量根据电机设计要求设置，其极数与定子绕组(3)的极数相同。
8.根据权利要求1所述的电机，其特征是所述的永磁体(4)采用径向结构、切向结构或者混合结构。
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