CN102306992A - 双向转子磁分路混合励磁同步电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双向转子磁分路混合励磁同步电机，属于同步电机领域。本发明所述的双向转子磁分路混合励磁同步电机，其构成包括在机壳内装有由电枢铁心和电枢绕组组成的定子，装有转轴并且由N极极靴、S极极靴、切向磁化永磁体组成的转子所构成的切向磁钢同步电机，与切向磁化的永磁体相邻的每个N极、S极极靴均由关于轴向或径向完全对称的两部分组成，每个N极或S极极靴完全对称的两部分沿转轴方向分别向转轴两端外径不变延伸，集合于圆环形极靴，同时转子的每个S极或N极极靴完全对称的两部分沿转轴方向分别向转轴两端延伸呈瓶颈状收缩，集合于空心圆柱形极靴。两端圆环形极靴和空心圆柱形极靴之间设置有嵌绕励磁绕组的两个环形导磁桥。所述混合励磁同步电机具有励磁磁势大、气隙磁场调节范围宽的特点，特别适用于航空电源、新能源汽车等高速高性能发电和驱动系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种双向转子磁分路混合励磁同步电机，属于同步电机领域。
背景技术
混合励磁电机因综合了永磁电机功率密度大，效率高和电励磁电机气隙磁场可调的特点而越来越受到研究者和工业界重视，在航空电源、电动汽车和风力发电领域引起人们广泛关注，混合励磁电机根据永磁磁势和电励磁磁势的相互作用关系可以分成磁势串励式、并励式、混励式三种结构。
串励式典型的结构是电励磁绕组嵌绕在永磁体下面的磁极上，电机机构简单，实现方便，但电励磁的磁路经过永磁体，磁路磁阻过大，使励磁电流较大，铜耗增加。同时，电励磁磁动势直接作用于永磁体，容易发生不可逆退磁。
混励式混合励磁电机永磁体的磁路和电励磁的磁路基本独立，磁场在气隙合成。此种结构，一般为无刷，电机可靠性较高。设计上可以灵活调整永磁体和电励磁所占的份额，但电机的结构和制造工艺较复杂。
并励式混合励磁电机磁路灵活，结构多种多样，现阶段国内外探索和研究混合励磁电机主要集中在这种形式，其典型结构可归纳为转子磁极分割型、旁路式、并列式、混合励磁爪极电机、磁分路式五大类。转子磁极分割型混合励磁电机气隙磁密调节范围宽，但轴向磁路经过机壳，所以轴向磁路较长，且易饱和，转子永磁体为表贴式结构，气隙磁密偏低。旁路式混合励磁电机具有良好的磁场控制能力，但受轴向磁路限制，电机轴向长度不能太长，而同时为保证轴向磁路的旁路作用，两端的凸缘必须具有足够的轴向长度，这使得转轴连接固定转子轭部部分的轴向长度有限，影响电机的结构可靠性。并列式混合励磁电机结构简单，运行可靠性较高，但无刷结构定子上的电励磁绕组通过两个附加气隙形成回路，主气隙磁密调节性能较差。混合励磁爪机电机内部结构紧凑，空间利用率较高，但无刷结构结构和磁路复杂，漏磁较严重。磁分路式混合励磁电机实现了无刷结构，转子径向磁化结构磁分路式混合励磁电机的气隙磁密较低，而由于轴向磁路中N极和S极爪极磁极受形状约束结构难以优化，局部饱和和漏磁现象较为严重，导致工作气隙的磁密值进一步降低。转子切向磁化结构磁分路式混合励磁电机中永磁体为切向充磁，呈聚磁效果，气隙磁密较大，且轴向磁通仅通过转子和环形导磁桥，易于控制，但为了获得较大的主气隙调节范围，需要较宽的轴向磁路以增加轴向磁路的磁导，就使得电机需要设计为“短而粗”结构，电机的转子外径和长度之比越大主气隙磁密的调节范围就越宽。而对于航空电源等高速应用场合，电机外径小，长径比较大，使得电机的主气隙磁场调节范围受到很大限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种双向转子磁分路混合励磁同步电机。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种双向转子磁分路混合励磁同步电机，包括机壳、设置在机壳内的定子和转子以及固定在端盖上的环形导磁桥；其中所述定子由电枢铁心和电枢绕组组成，所述转子装有转轴并且由N极极靴、S极极靴、切向磁化永磁体组成，与切向磁化的永磁体相邻的每个N极、S极极靴均由关于轴向或径向完全对称的两部分组成，每个N极或S极极靴完全对称的两部分沿转轴方向分别向转轴两端外径不变延伸，集合于圆环形极靴，同时转子的每个S极或N极极靴完全对称的两部分沿转轴方向分别向转轴两端延伸呈瓶颈状收缩，集合于空心圆柱形极靴；
在所述空心圆柱形极靴和圆环形极靴之间分别设置有一个环形的导磁桥，每个环形导磁桥分别和与其邻近的转轴一端的圆环形极靴以及空心圆柱形极靴形成两个附加气隙，附加气隙长度小于主气隙的长度。
所述双向转子磁分路混合励磁同步电机中，所述环形导磁桥分别固定在电机两边的端盖上且均嵌有励磁绕组，两套励磁绕组串联连接统一控制或相互独立协调控制。
所述双向转子磁分路混合励磁同步电机中，所述转轴在其两端的空心圆柱形极靴段与转子紧密配合，转轴的外径等于空心圆柱形极靴的内径。
所述双向转子磁分路混合励磁同步电机中，在转轴的表面和空心圆柱形极靴的内侧分别开有键槽，中间用键连接传动。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)利用双向转子轴向磁分路结构，增大了混合励磁电机的轴向磁通，从而使气隙磁场调节范围更宽。
(2)采用双端电励磁结构，励磁绕组具有冗余度，控制灵活，一套励磁绕组故障时，电机仍具有调磁效果，可正常工作。
(3)电机在长径比较大时仍具有良好的气隙磁场调节范围，避免“短而粗”的电机旋转时离心力大的问题，特别适用于高速航空电机等高性能驱动和发电应用领域。
(4)转子导磁体沿轴向延伸过程中外径不变，不需要避开定子电枢绕组的端接部分，减小电机轴向长度，有效提高电机功率密度。
(5)与转子磁极分割型混合励磁同步电机相比，电机的轴向磁路不经过机壳，转子永磁体为切向磁化结构，气隙磁密高。与旋转整流器式无刷同步电机相比，省去了旋转整流器，大大简化电机结构，提高了工作可靠性，且易于电动运行，实现起动发电一体化。
附图说明
图1是双向转子磁分路混合励磁同步电机结构图。
图2是双向转子磁分路混合励磁同步电机实施方案一的剖面图。
图3是双向转子磁分路混合励磁同步电机实施方案二的剖面图。
图4是双向转子磁分路混合励磁同步电机实施方案三的剖面图。
图5是双向转子磁分路混合励磁同步电机实施方案四的剖面图。
图6是双向转子磁分路混合励磁同步电机实施方案一的磁通路径图。
图7是双向转子磁分路混合励磁同步电机实施方案二的磁通路径图。
图8是双向转子磁分路混合励磁同步电机实施方案三的磁通路径图。
图9是双向转子磁分路混合励磁同步电机实施方案四的磁通路径图。
图中符号说明：1、机壳；2、定子铁芯；3-1、N极极靴的一部分及其延伸部分；3-2、N极极靴的另一部分及其延伸部分；3-A-1、N极极靴关于轴向对称时的一部分；3-A-2、N极极靴关于轴向对称时的另一部分；3-B-1、N极极靴关于径向对称时的一部分；3-B-2、N极极靴关于径向对称时的另一部分；4-1、S极极靴的一部分及其延伸部分；4-2、S极极靴的另一部分及其延伸部分；4-A-1、S极极靴关于轴向对称时的一部分；4-A-2、S极极靴关于轴向对称时的另一部分；4-B-1、S极极靴关于径向对称时的一部分；4-B-2、S极极靴关于径向对称时的另一部分；5、永磁体；6、电枢绕组；7-1、环形导磁桥1；7-2、环形导磁桥2；8-1、励磁绕组1；8-2、励磁绕组2；9、端盖；10、转轴。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
具体实施例1：如图2所示的双向转子磁分路混合励磁同步电机剖面图，转子的每个N极、S极极靴均由关于轴向完全对称的两部分组成，每个N极极靴一部分3-A-1沿转轴方向向一端外径不变延伸，集合于圆环形极靴，每个N极极靴另一部分3-A-2沿转轴方向向另一端外径不变延伸，集合于圆环形极靴，同时每个S极极靴的一部分4-A-1沿转轴方向向一端延伸呈并瓶颈状收缩于空心圆柱形极靴，每个S极极靴另一部分4-A-2沿转轴向方向另一端延伸并呈瓶颈状收缩于空心圆柱形极靴。在转轴两端的延伸段，延伸形成的空心圆柱形极靴和圆环形极靴之间分别设置有环形的导磁桥7-1、环形的导磁桥7-2。环形的导磁桥的外径小于圆环形极靴的内径，内径大于空心圆柱形极靴的外径。这样，每个环形导磁桥分别和与其邻近的转轴一端的圆环形极靴以及空心圆柱形极靴形成两个附加气隙，附加气隙长度小于主气隙的长度。环形导磁桥7-1、环形导磁桥7-2分别固定在电机两边的端盖9上，环形导磁桥7-1、环形导磁桥7-2内分别嵌有励磁绕组8-1、励磁绕组8-2，通过调节励磁绕组中电流的大小可以调节电机的轴向磁通进而调节主气隙磁通。转轴10在转轴两端的空心圆柱形极靴段与转子紧密配合，即转轴10的外径等于空心圆柱形极靴的内径，在转轴10的表面和空心圆柱形极靴的内侧分别开有键槽，中间用键连接传动。
具体实施例2：如图3所示的双向转子磁分路混合励磁同步电机剖面图，转子的每个N极、S极极靴均由关于径向完全对称的两部分组成，每个N极极靴的一部分3-B-1沿转轴方向向一端外径不变延伸并集合于圆环形极靴，每个N极极靴另一部分3-B-2沿转轴方向向另一端外径不变延伸并集合于圆环形极靴；每个S极极靴一部分4-B-1沿转轴方向向一端延伸并呈瓶颈状收缩于空心圆柱形极靴，每个S极极靴另一部分4-B-2沿转轴方向向另一端延伸并呈瓶颈状收缩于空心圆柱形极靴。与每个永磁磁钢5相邻的N极极靴一部分和S极极靴一部分延伸的部分相反。在转轴两端的延伸段，延伸形成的空心圆柱形极靴和圆环形极靴之间分别设置有环形的导磁桥7-1、环形的导磁桥7-2。环形的导磁桥的外径小于圆环形极靴的内径，内径大于空心圆柱形极靴的外径。这样，每个环形导磁桥分别和与其邻近的转轴一端的圆环形极靴以及空心圆柱形极靴形成两个附加气隙，附加气隙长度小于主气隙的长度。环形导磁桥7-1、环形导磁桥7-2分别固定在电机两边的端盖9上，环形导磁桥7-1、环形导磁桥7-2内分别嵌有励磁绕组8-1、励磁绕组8-2，通过调节励磁绕组中电流的大小可以调节电机的轴向磁通进而调节主气隙磁通。转轴10在转轴两端的空心圆柱形极靴段与转子紧密配合，即转轴10的外径等于空心圆柱形极靴的内径，在转轴10的表面和空心圆柱形极靴的内侧分别开有键槽，中间用键连接传动。
具体实施例3：如图4所示的双向转子磁分路混合励磁同步电机剖面图，转子的每个N极、S极极靴均由关于轴向完全对称的两部分组成，每个N极极靴一部分3-A-1沿转轴方向向一端延伸呈并瓶颈状收缩于空心圆柱形极靴，每个N极极靴另一部分3-A-2沿转轴方向向另一端延伸并呈瓶颈状收缩于空心圆柱形极靴，同时每个S极极靴的一部分4-A-1沿转轴方向向一端外径不变延伸，集合于圆环形极靴，每个S极极靴另一部分4-A-2沿转轴向方向另一端外径不变延伸，集合于圆环形极靴。在转轴两端的延伸段，延伸形成的空心圆柱形极靴和圆环形极靴之间分别设置有环形的导磁桥7-1、环形的导磁桥7-2。环形的导磁桥的外径小于圆环形极靴的内径，内径大于空心圆柱形极靴的外径。这样，每个环形导磁桥分别和与其邻近的转轴一端的圆环形极靴以及空心圆柱形极靴形成两个附加气隙，附加气隙长度小于主气隙的长度。环形导磁桥7-1、环形导磁桥7-2分别固定在电机两边的端盖9上，环形导磁桥7-1、环形导磁桥7-2内分别嵌有励磁绕组8-1、励磁绕组8-2，通过调节励磁绕组中电流的大小可以调节电机的轴向磁通进而调节主气隙磁通。转轴10在转轴两端的空心圆柱形极靴段与转子紧密配合，即转轴10的外径等于空心圆柱形极靴的内径，在转轴10的表面和空心圆柱形极靴的内侧分别开有键槽，中间用键连接传动。
具体实施例4：如图5所示的双向转子磁分路混合励磁同步电机剖面图，转子的每个N极、S极极靴均由关于径向完全对称的两部分组成，每个N极极靴的一部分3-B-1沿转轴方向向一端延伸并呈瓶颈状收缩于空心圆柱形极靴，每个N极极靴另一部分3-B-2沿转轴方向向另一端延伸并呈瓶颈状收缩于空心圆柱形极靴；每个S极极靴一部分4-B-1沿转轴方向向一端外径不变延伸，集合于圆环形极靴，每个S极极靴另一部分4-B-2沿转轴方向向另一端外径不变延伸，集合于圆环形极靴。与每个永磁磁钢5相邻的N极极靴一部分和S极极靴一部分延伸的部分相反。在转轴两端的延伸段，延伸形成的空心圆柱形极靴和圆环形极靴之间分别设置有环形的导磁桥7-1、环形的导磁桥7-2。环形的导磁桥的外径小于圆环形极靴的内径，内径大于空心圆柱形极靴的外径。这样，每个环形导磁桥分别和与其邻近的转轴一端的圆环形极靴以及空心圆柱形极靴形成两个附加气隙，附加气隙长度小于主气隙的长度。环形导磁桥7-1、环形导磁桥7-2分别固定在电机两边的端盖9上，环形导磁桥7-1、环形导磁桥7-2内分别嵌有励磁绕组8-1、励磁绕组8-2，通过调节励磁绕组中电流的大小可以调节电机的轴向磁通进而调节主气隙磁通。转轴10在转轴两端的空心圆柱形极靴段与转子紧密配合，即转轴10的外径等于空心圆柱形极靴的内径，在转轴10的表面和空心圆柱形极靴的内侧分别开有键槽，中间用键连接传动。
现在结合图6、图7、图8、图9说明双向转子磁分路混合励磁同步电机的磁通路径：
由图6和图7可知，如具体实施例1和具体实施例3所述的双向转子磁分路混合励磁同步电机同时存在一条径向磁通路径(又称为主磁通路径)和两条轴向磁通路径，主磁通路径如图中虚线所示，两条轴向磁通路径如图中实线所示：
电机主气隙部分每极永磁体的主磁通路径为：永磁体N极→转子N极极靴→主气隙→电枢齿部→电枢轭部→电枢齿部→主气隙→转子S极极靴→永磁体S极；
轴向磁通路径1为：永磁体N极→转子N极极靴及其一端的延伸部分→附加气隙1-A-1→环形导磁桥7-1→附加气隙1-A-2→转子S极极靴一端的延伸部分及S极极靴→永磁体S极。
轴向磁通路径2为：永磁体N极→转子N极极靴及其另一端的延伸部分→附加气隙2-A-1→环形导磁桥7-2→附加气隙2-A-2→转子S极极靴一端的延伸部分及S极极靴→永磁体S极。
由图8和图9可知，如具体实施例2和具体实施例4所述的双向转子磁分路混合励磁同步电机同时存在一条径向磁通路径(又称为主磁通路径)和两条轴向磁通路径，主磁通路径如图中虚线所示，两条轴向磁通路径如图中实线所示：
电机主气隙部分每极永磁体的主磁通路径为：永磁体N极→转子N极极靴→主气隙→电枢齿部→电枢轭部→电枢齿部→主气隙→转子S极极靴→永磁体S极；
轴向磁通路径1为：永磁体N极→转子N极极靴及其一端的延伸部分→附加气隙1-B-1→环形导磁桥7-1→附加气隙1-B-2→转子S极极靴一端的延伸部分及S极极靴→永磁体S极。
轴向磁通路径2为：永磁体N极→转子N极极靴及其另一端的延伸部分→附加气隙2-B-1→环形导磁桥7-2→附加气隙2-B-2→转子S极极靴一端的延伸部分及S极极靴→永磁体S极。
可见，两边环形导磁桥内的励磁绕组没有励磁电流时，由于附加气隙相对于主气隙较小，永磁体磁通主要由向两边由两条轴向磁路经过附加气隙，主气隙中磁通较少，电机处于弱磁状态；两边的励磁绕组通入某一方向励磁电流时，励磁磁场可以阻碍永磁体产生的轴向磁通，从而增大主气隙磁通；两边励磁绕组通入反方向电流时，可以进一步弱磁。
Claims (4)
1.一种双向转子磁分路混合励磁同步电机，包括机壳、设置在机壳内的定子和转子以及固定在端盖上的环形导磁桥；其中所述定子由电枢铁心和电枢绕组组成，所述转子装有转轴并且由N极极靴、S极极靴、切向磁化永磁体组成，其特征在于：与切向磁化的永磁体相邻的每个N极、S极极靴均由关于轴向或径向完全对称的两部分组成，每个N极或S极极靴完全对称的两部分沿转轴方向分别向转轴两端外径不变延伸，集合于圆环形极靴，同时转子的每个S极或N极极靴完全对称的两部分沿转轴方向分别向转轴两端延伸呈瓶颈状收缩，集合于空心圆柱形极靴；
在所述空心圆柱形极靴和圆环形极靴之间分别设置有一个环形的导磁桥，每个环形导磁桥分别和与其邻近的转轴一端的圆环形极靴以及空心圆柱形极靴形成两个附加气隙，附加气隙长度小于主气隙的长度。
2.根据权利要求1所述的双向转子磁分路混合励磁同步电机，其特征在于：所述环形导磁桥分别固定在电机两边的端盖上且均嵌有励磁绕组，两套励磁绕组串联连接统一控制或相互独立协调控制。
3.根据权利要求1所述的双向转子磁分路混合励磁同步电机，其特征在于：所述转轴在其两端的空心圆柱形极靴段与转子紧密配合，转轴的外径等于空心圆柱形极靴的内径。
4.根据权利要求1所述的双向转子磁分路混合励磁同步电机，其特征在于：在转轴的表面和空心圆柱形极靴的内侧分别开有键槽，中间用键连接传动。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20120104 |