CN102185448B - 无线传输、齿谐波励磁的混合励磁永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于电机技术领域的一种无线传输、齿谐波励磁的混合励磁永磁电机。在机壳内装有定子和转子，转轴穿过转子铁心中心孔并与转子铁心固定；转轴通过轴承与机壳连接；定子绕组与永磁体和转子励磁绕组相对应，产生电磁感应作用，转子齿谐波绕组和转子励磁绕组通过二极管整流电路和斩波电路相连，斩波电路中开关器件的驱动信号通过无线接收模块获得。励磁控制系统向无线发射模块输出脉冲信号，然后由无线发射模块传递到转子上的无线接收模块，控制斩波电路中开关器件的开通和关断，向转子励磁绕组提供所需的励磁电流，从而实现对气隙磁场和定子绕组输出电压的调节。本发明与现有技术相比，无电刷和集电环，结构简单，没有附加气隙，不存在轴向磁路，漏磁小，电励磁损耗小，电机效率高，具有较好的调节主磁场能力。

Description

无线传输、齿谐波励磁的混合励磁永磁电机

技术领域

本发明属于电动机技术领域，特别涉及一种无线传输、齿谐波励磁的混合励磁永磁电机。

背景技术

与电励磁电机相比，永磁电机具有很多优点：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；由于永磁电机不存在励磁损耗，电机的效率得到了提高；此外，永磁电机还具有体积小、重量轻，并且结构灵活等优点。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。但永磁电机不足之处在于气隙磁场调节困难，使得永磁电机的应用在一定程度上受到了限制。因此，研究和解决永磁电机磁场调节问题具有非常重要的意义。

混合励磁永磁电机结合了电励磁同步电机以及永磁电机大部分优点。目前，对混合励磁永磁电机的研究已经成为电机领域的一个研究热点，现有混合励磁永磁电机方案近30种。其中有些方案永磁磁势和电励磁磁势在磁路上串联，由于永磁体的相对磁导率与空气基本相等，为了对气隙磁场进行调节，需要输入一个较大的励磁电流，从而增加了励磁损耗，降低电机的效率。有些方案存在附加气隙以及轴向和径向磁场共存，不仅降低了电机的效率，而且电机结构变得更加复杂。有些方案是由一台永磁同步电机和一台电励磁同步电机的组合而成，从而降低了电机的功率密度。还有一类方案，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，励磁绕组产生的磁场主要是对气隙磁场进行调节。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，使得励磁绕组与外部的连接仍需要滑环和电刷，增加了电机维护量，降低了电机的运行可靠性。

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无线传输、齿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：采用无线传输的齿谐波励磁混合励磁永磁电机，在机壳1内装有定子和转子，转轴6穿过转子铁心7中心孔并与转子铁心7固定；转轴6通过轴承5与机壳1连接；定子由定子绕组3分布于定子铁心2上沿圆周方向开设的槽9中组成；转子由永磁体4和转子绕组8布置在转子铁心7上组成；转子绕组8转子绕组8由转子齿谐波绕组10和转子励磁绕组11组成，转子齿谐波绕组10和转子励磁绕组11通过二极管整流电路12和斩波电路13相连，斩波电路13中的开关器件的驱动信号通过无线接收模块14获得；定子绕组3与永磁体4和转子励磁绕组11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。

所述定子绕组为单相、三相或多相绕组；为整数槽绕组或为分数槽绕组。

所述转子齿谐波绕组为单相、三相或多相绕组。

所述转子励磁绕组为集中绕组或为分布绕组。

所述转子永磁体的数量根据电机设计需要成对设置。

所述转子在定子内或者放置于定子外。

所述永磁体采用径向结构、切向结构或混合结构。

所述二极管整流电路采用桥式全波整流或采用半波整流。

所述斩波电路为升压、降压或者升降压。

本发明的有益效果是与现有技术相比，本发明的混合励磁永磁电机具有如下特点：

1.电机不需要电刷和集电环，结构简单，维护量小。

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。

3.不存在轴向磁路和附加气隙，磁路短，漏磁小，保持了永磁电机的高效率。

4.励磁电流通过获取有槽电机中固有的齿谐波磁场，提高了电机材料的利用率和功率密度。

5.斩波电路的驱动信号通过无线传输的方式获得，提高了系统运行的可靠性和响应速度。

附图说明

图1为采用无线传输、齿谐波励磁的混合励磁永磁电机结构示意图。

图2为图1的A-A截面图。

图3是无线传输的齿谐波励磁混合励磁永磁电机系统的原理图。

图4是齿谐波磁场产生的原理图，为了方便说明，将定子槽展开为直线画图。图中画出了a.定子开槽，b.一阶齿谐波磁导，c.励磁磁势基波分量以及产生的齿谐波磁密波形。

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。9为定子铁心上布置绕组的槽，10为转子铁心上布置的齿谐波绕组，11为转子铁心上布置的励磁绕组。12为二极管整流电路，13为斩波电路，14为无线接收模块，15为无线发射模块，16为励磁控制系统。

具体实施方式

本发明为一种不需要电刷和集电环的采用无线传输、齿谐波励磁的混合励磁永磁电机。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、3可知，本发明采用无线传输的齿谐波励磁的混合励磁永磁电机，在机壳1内装有定子和转子，转轴6穿过转子铁心7中心孔并与转子铁心7固定；转轴6通过轴承5与机壳1连接；定子由定子绕组3分布于定子铁心2上沿圆周方向开设的槽9中组成，机壳1与定子铁心2固定不动。转子由永磁体4和转子绕组8布置在转子铁心7上组成；转子绕组8由转子齿谐波绕组10和转子励磁绕组11组成，转子绕组8与转子铁心7一起随着转轴6旋转。转子齿谐波绕组10和转子励磁绕组11通过二极管整流电路12和斩波电路13相连，斩波电路13中的开关器件的驱动信号通过无线接收模块14获得；定子绕组3与永磁体4和转子励磁绕组11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。

本发明的工作原理是：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中感应同步频率的电动势，在转子齿谐波绕组10中感应出齿谐波电动势，当转速一定时，定子绕组3的电动势保持恒定。当发电机带上电感性负载时，由于电枢反应的去磁作用，发电机的端电压要下降。为了保持发电机输出电压恒定，在转子铁心7上布置了转子齿谐波绕组10和转子励磁绕组11。转子齿谐波绕组10和转子励磁绕组11之间通过二极管整流电路12和斩波电路13相连。当发电机端电压下降时，励磁控制系统16向无线发射模块15输出脉冲信号，然后由无线发射模块15传递到转子上的无线接收模块14，用于控制斩波电路13的输出电压，以达到调节气隙磁场和发电机端电压的作用。当发电机端电压下降越多，脉冲就越宽，励磁电流就越大，从而使发电机输出电压仍然保持恒定。

下面来具体说明转子齿谐波绕组10感应齿谐波电动势的原理。图4中画出了a.定子开槽，b.一阶齿谐波磁导、c.励磁磁势基波分量以及产生的齿谐波磁密波形。

假设定子开槽，转子表面光滑。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＝1，2，3L，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次谐波励磁磁势作用在v_s阶定子齿谐波磁导上产生的齿谐波磁场相对转子的转速为

和

将在转子齿谐波绕组10中感应出

次齿谐波电动势。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相对转子的转速为

和

将在转子齿谐波绕组10中感应出

次齿谐波电动势。

转子齿谐波绕组10感应的齿谐波电动势经过二极管整流电路12整流后得到直流电，该直流电作为斩波电路13的输入电源，斩波电路13的输出端与转子励磁绕组11相连，斩波电路13的输出电压根据发电机输出的端电压来决定，驱动信号通过无线传输的方式由定子传到转子，电路图如图3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与外部电路相连，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。

转子励磁绕组11可以是集中绕组，也可以为分布绕组。

二极管整流电路12可以采用桥式全波整流，也可以半波整流。

斩波电路13可以采用升压、降压或者升降压斩波电路。

Claims (9)

1.一种无线传输、齿谐波励的磁混合励磁永磁电机，其特征在于，在机壳（1）内装有定子和转子，转轴（6）穿过转子铁心（7）中心孔并与转子铁心（7）固定；转轴（6）通过轴承（5）与机壳（1）连接；定子由定子绕组（3）分布于定子铁心（2）上沿圆周方向开设的槽（9）中组成；转子由永磁体（4）和转子绕组（8）布置在转子铁心（7）上组成；转子绕组（8）由转子励磁绕组（11）间隔嵌入转子齿谐波绕组（10）槽中组成，转子齿谐波绕组（10）和转子励磁绕组（11）通过二极管整流电路（12）和斩波电路（13）相连，斩波电路（13）中的开关器件的驱动信号通过无线接收模块（14）获得；定子绕组（3）与永磁体（4）和转子励磁绕组（11）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；

上述转轴（6）以同步速旋转，转子永磁体（4）建立磁场，在定子绕组（3）中感应同步频率的电动势，在转子齿谐波绕组（10）中感应出齿谐波电动势，当转速一定时，定子绕组（3）的电动势保持恒定；当发电机带上电感性负载时，由于电枢反应的去磁作用，发电机的端电压要下降；为了保持发电机输出电压恒定，在转子铁心（7）上布置了转子齿谐波绕组（10）和转子励磁绕组（11），转子齿谐波绕组（10）和转子励磁绕组（11）之间通过二极管整流电路（12）和斩波电路（13）相连；当发电机端电压下降时，励磁控制系统（16）向无线发射模块（15）输出脉冲信号，然后由无线发射模块（15）传递到转子上的无线接收模块（14），用于控制斩波电路（13）的输出电压，以达到调节气隙磁场和发电机端电压的作用。

2.根据权利要求1所述无线传输、齿谐波励的磁混合励磁永磁电机，其特征在于：所述定子绕组为单相或多相绕组；所述定子绕组为整数槽绕组或为分数槽绕组。

3.根据权利要求1所述无线传输、齿谐波励的磁混合励磁永磁电机，其特征在于：所述转子齿谐波绕组为单相或多相绕组。

4.根据权利要求1所述无线传输、齿谐波励的磁混合励磁永磁电机，其特征在于：所述转子励磁绕组为集中绕组或为分布绕组。

5.根据权利要求1所述无线传输、齿谐波励的磁混合励磁永磁电机，其特征在于：所述转子永磁体的数量根据电机设计需要成对设置。

6.根据权利要求1所述无线传输、齿谐波励的磁混合励磁永磁电机，其特征在于：所述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，其特征在于：所述永磁体采用径向结构、切向结构或混合结构。

8.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：所述二极管整流电路采用桥式全波整流或采用半波整流。

9.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：所述斩波电路采用升压、降压或者升降压斩波电路。

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