CN103023256B - 永磁电机 - Google Patents

Abstract

公开一种永磁电机，包括：绕组定子；以及转子，并且其中，所述转子包括：至少两个磁极，每个磁极由一对成角度地隔开的永久磁体构成；转子磁极片，位于每个所述磁极之间；三角形空隙，位于所述转子磁极片内；以及多个狭槽，位于所述转子磁极片内。

Description

永磁电机

技术领域

本发明总体涉及既用作同步发电机又用作同步电动机的永磁(PM)电机。更具体地，本发明涉及负载时输出/定子电压及电流波形中谐波分量的控制。

背景技术

PM同步机是耐用、可靠且高效的，并且具有相对高的能量密度。与具有有刷或无刷励磁机的绕线式励磁同步机相比，PM同步机具有很多吸引人的特性。由于PM同步机的减排转子，储存能量和增加电动机和发电机效率的需求表明，PM同步机越来越成为受欢迎的选择。在一些情况下，通过采用PM转子代替绕线转子，可以节省最高达20％的能量。

虽然有这些优势，一些现有设计的PM同步机还有缺陷。PM同步机采用相对大量的磁性材料，这增加了其成本。当用作同步发电机时，PM同步机在承载时稳压性较差并且会受畸变电压和电流波形的影响。当用作同步电动机时，在没有一些形式的传感反馈的情况下，其很难启动。此外，承载时，PM电机(定子)的反电势波形(back emf waveform)会被扭曲，降低其效率并且需要更复杂的控制电路。

具有低级数(例如2-极和4-极)的机器中，这些问题更明显，通常承载时，会出现严重的波形扭曲。该领域中使用PM发电机的问题在于，2-极和4-极发电机难以设计，且在负载条件下可能遭受严重的波形畸变。畸变的产生源于所谓的通量曳引效应，该效应导致转子中的磁通量因为绕组中的负载电流而从磁体径向轴线偏斜。与磁极数量更多的发电机相比，为实现相同的功率输出，PM 2-极和4-极PM发电机还使用了更多的磁体材料。相应地，还没有发现在小规模电力应用中广泛使用PM同步发电机，例如，5至20kW范围内的单相和三相3000rpm(2-极)或1500rpm(4-极)汽油和柴油驱动发电机。

当前唯一实用的2-极和4-极设计是表面安装磁体的类型。然而，这些设计在负载条件下也有畸变的输出电压/反向电势(back emf)和电流波形，并且在高负载条件下可能遭受磁缘(magnet edge)去磁化。用于2-极和4-极转子的表面安装的磁体段具有大弧段(large arc segment)，这表明在其制造中存在大量废料，这增加了磁体的货币成本。表面安装PM AC发电机的当前设计在负载条件下显示出巨大的压降。因为恒速条件下这些发电机没有的简单的调压方法，发电机应用需要好的调压，无法使用PM同步类型。

但是，有些PM同步发电机具有可接受的波形和调压。这些发电机具有一体PM转子。这些设计的主要问题在于，就算是在较低功率条件下，它们使用的磁体材料也是等效的表面安装设计的六倍或更多，并且不能在4-极配置中制成。相反，此类发电机当在2-极设计中仅在3kW额定功率及以下时是实用的。如果高于该额定功率，则磁体成本和体积会按照转子直径的平方而增加，使其不再具有成本效益。

这些问题表明，PM发电机和电动机的当前设计仅适合于低级别、低功率的应用，其中调压(即发电机)或反电势(即电动机)和谐波畸变都不重要。

有必要克服或至少改善这些缺点中的一个或多个。

发明内容

广义上而言，本发明提供了一种包括绕组定子及转子的同步发电机。该转子包括：至少两个磁极，并且每个磁极由一对成角度地隔开的永久磁体构成；转子磁极片，位于每个所述磁极之间；三角形空隙，位于转子磁极片中；以及多个狭槽，位于转子磁极片中。

披露了其他方面。

附图说明

在附图中：

图1示出了2-极机器的截面图；

图2A示出了图1机器的在空载条件下的通量线；

图2B示出了图1机器的在满载条件下的通量线；

图3是图1机器的局部截面图；

图4示出了已组装的2-极机器的剖视图；

图5示出了4-极机器的截面图；

图6A示出了图5机器的在空载条件下的通量线；

图6B示出了图5机器的在满载条件下的通量线；

图7示出了具有无通量空隙的已知2-极机器的在负载条件下的输出电压波形；

图8示出了图7的输出波形的基础及谐波频率分量的曲线；

图9示出了图1的2-极机器在负载条件下的输出电压波形；以及

图10示出了图9的输出波形的基础及谐波频率分量的曲线。

具体实施方式

在下面，除非明确指明，否则关于“发电机”(或简称“机器”)应理解为等同于与发电机或电动机的应用。

图1以截面图形式示出了实施本发明的2-极机器装置10。定子100具有传统形式的绕组101，绕组为单相或三相配置。转子由层叠叠片(stacked lamination)构成。这种叠片的数量决定了机器的输出功率。叠片通过穿过隔开孔102和117的棒(rod)(图1未示出)而夹紧在一起，且固定在任何最靠近端部的叠片，其通常使用端板(未示出)。用于5kW到20kW机器的典型转子直径范围是100mm到130mm。叠片包括位于两个磁极之间的转子磁极片107。每个磁极均由一对(嵌入式)永久磁体103构成，一对永久磁体通过中间磁体段106成角度地隔开。磁体103和转子磁极片107从中心轴105安装，该轴通常由非磁性材料制成。

转子磁极片107包括一系列均匀隔开的狭槽109和中心空隙108。理想条件下，该空隙从气隙121附近的一个点114延伸到相应磁体底部的内点115和116，然而，这将危害到转子的结构完整性，在这种情况下，空隙108会脱离所示转子材料的边缘。狭槽109的长度不同，将来自磁体103的通量以垂直于转子表面的所需角度引入气隙121。可通过建模或实验性尝试来改变狭槽109的宽度和角度，以便在负载和最高气隙通量条件下实现所需的最低波形畸变。狭槽109也有助于改变转子的凸极性(saliency)，如下文所述。空隙108和狭槽109通常由自由空间(free space)占据，但也可被非磁性材料(诸如铝)填充。

凸极性是直轴电感(Xd)除以交轴电感(Xq)的比。Xd轴线位于图2A所示方向201上，而Xq轴线与其成90度。磁通量线202也示出了。狭槽109的方向将Xd轴线和磁极(N-S)轴线之间的角二等分。此类狭槽的定向代表了Xd轴线与磁体定向之间的最佳工程折衷方案，并且实现了最优通量流，该最优通量流在负载和空载条件下均针对图1配置具有最低阻碍。

通过让磁体在内点118处接触且延伸到外点104的方式来确定磁体102的长度112和宽度110。理想2-极转子的长度112应为极弧长度的一半，极弧长度为转子的半径，但如果这样的话，磁体的宽度110会为零，不会有容纳轴105的空间。已经发现相对于极弧长度120的比例为0.7时能形成最大气隙通量，同时实现充足的轴直径113。外点104受限于需要克服机器全速运行时产生的离心力将磁体保持于适当位置的这种需要，但理想情况下应延伸到转子的整个直径。转子磁极片107上104处的悬垂物也可被移除，磁体可以通过其他方式(诸如胶合或粘合)被保持在适当位置。2-极转子的弧段111优选为60度，或是弧长度119的一半，代表的弧度比为1/3(用于2-极发电机)。分立磁体的布置使得，通过将所需磁体材料体积减少大约50％而大大节省成本。

图2B示出了图1的2-极机器在全电力或机械承载时的通量线。尽管空载条件下Xd轴线201位于通量线的中心，但负载条件下的Xd轴线204移动通过弧线250，引起轴105上的扭转负载和绕组101中的电流导致的通量曳引。中心空隙108和狭槽109降低了通量曳引效应。也可看出，来自磁体103的通量线203已经被曳引到右侧。还可进一步看出，绕组101内流动的电流试图将通量从磁体103曳引到磁体的右手侧。如果允许这种情况发生，那么气隙120中的通量将会不均匀。所包括的狭槽的数量代表了一个折衷方案，即在增加凸极性和避免形成磁极片的材料不充足(形成饱和从而导致不良的调压)之间的折衷方案。

现在参考图3，可以看出，中间磁体段106是弯曲的，提供了大的气隙间隙301，这么做使得定子100的磁链(flux linkage)保持最小。间隙301受到一种需要的限制，该需要是需要提供充足的磁性材料以防止中间磁体磁极片106变得饱和。中间磁体段106也将磁体103固定地锁定在适当位置，并且也防止了磁体与转子磁极片102的密切接触。

图4示出了图1转子的剖视图，其中，转子磁极片107的层叠叠片通过螺栓401保持在适当位置。磁体103和磁体段106配备在层叠转子磁极片107之间，且由各自的螺栓固定。设置中间板404以便对磁极片107进行机械支撑。螺栓401由软或高强度钢制成，并具有磁性，以便允许通量穿过它们。螺栓401锚固到法兰406，在另一端处，板402和螺母409用于将转子磁极片102夹紧在一起以及将磁体103和中间磁体段106保持于轴105。为了便于装配，较长转子的磁体也纵向剖分成多个段103’。轴105具有凹锥形(female taper)，用于在用作发电机时通过发动机驱动该机器。该锥形驱动(taper drive)可以被替换成任何适当的驱动。在轴105的背端上，是一根短轴408，其承担了用于端部支承的支撑任务。

图5示出了实施本发明的4-极PM AC机器50。机器具有定子500、绕组501、嵌入式永久磁体503(即每磁极具有一对磁体)、中间磁体段506和中心轴505，如图1所示发电机的情况一样。同样，设置了固定孔502，其与转子磁极片507一样。在该4-极转子的布置中，磁体长度512的正确比例是尺寸515，其为极段(pole segment)504的一半。该尺寸实现了用于最小磁体体积的最大通量集中(flux concentration)。通过将磁体分成两片实现的磁体体积的降低小于在2-极转子中的降低，大约为38％。然而，因为更高的气隙通量，每磁体体积的输出功率也更高。这是因为，理想的磁体-磁极的弧度比可以在4-极设计中实现。中心空隙508具有图1中一样的尺寸限制，但是具有曲边503，以与所需的4-极通量线一致。共有具有曲线轮廓的三个通量控制狭槽509，以便也与所需的通量线一致。可以容纳比图1实施例的情况中更大的轴尺寸514。

图6A示出了图5的4-极实施例的空载通量线603，其中，Xd轴线601位于通量线601的中心。与2-极配置相似，弯曲狭槽509被定向的方向将Xd轴线601和磁极轴线之间的角二等分。可以看出，中心空隙508的曲边513和弯曲狭槽509与通量线603一致。

图6B示出了满载条件下4-极转子中的通量线，其中可以看出，通量的有效中心已经从轴线601移动了一段弧形距离602并到达604。这示例示出了图5的4-极实施例的通量曳引效应。还可以看出，如图6A所示，绕组中的电流试图向右曳引通量线603。

图7示出了无通量空隙或通量控制狭槽的已知2-极嵌入式磁体机器在负载条件下的输出电压波形/反电势。图8是图7波形中谐波的曲线，表示大约19.0％的第三谐波分量以及大约7.0％的第五谐波，总谐波畸变(THD)超过20％。

图9示出了图1所示机器在负载条件下的输出电压波形/反电势，显示为近正弦波形。图10是图9所示波形/反电势中谐波的曲线，表示了大约1.0％的第三谐波分量以及大约1.5％的第五谐波，THD低于4％。此外，使得定子偏斜也进一步将THD总共降低50-60％。

其他实施例中，包含绕组101的定子100中的狭槽可以被偏斜一个或多个狭槽，超过定子的长度，以进一步降低总谐波畸变(THD)。这减少了穿过狭槽开口的磁体产生的谐波。转子可以铸造为一体件，在狭槽和空隙中使用压铸铝，以有效地将转子段116夹在一起，从而无需使用夹紧螺栓401和螺母409。当用作发电机时，转子段107中的空隙和狭槽的第二效果是，改进负载条件下的调压。当用作电动机时，由于增加了机械载荷，空隙和狭槽改进了转矩效率(Nm/A)。

在所示实施例中，当用作发电机时，从空载到满载的测定调压非常好，仅为±3％。改进的THD和调压的效果也提高了发动机的效率。

当用作电动机时，与已知2-极机器相比，可以发现满负载时传递用于相同电流的转矩会有20％的改善。此外，由于反电势呈现出较好的正弦波，可以在满负载范围内实现高效率。进一步，由于负载扭矩推动来自中心点的通量，反电势会改变，并且反电势的这种下降产生了增加的电流，这表明，具有变化负载(即提供完全无传感器的控制)的变频电源不需要反馈。由于该机器设计展现出非线性扭矩/反电势的关系，由此存在较大的角度，在这个角度内转子可以产生有效扭矩，使得易于启动低极数的电动机。

上述仅为本发明的一些实施例，只要不背离本发明的范围和精神，可对本发明进行修改和/或改变，实施例为示意性而非限制性。

Claims (7)

1.一种永磁旋转电机，包括：

绕组定子；以及

圆形的转子，所述转子包括至少两个磁极，每个磁极由一对成角度地隔开的永久磁体构成，该对成角度地隔开的永久磁体的异名磁极彼此相对；转子磁极片，位于每个所述磁极之间；三角形的空隙，位于所述转子磁极片的中央；以及多个细长的狭槽，位于所述转子磁极片内，并且位于空隙与相邻磁体之间，并且其中，所述狭槽在所述转子磁极片内被定向成将直轴电感和磁极轴线之间的角二等分。

2.根据权利要求1所述的电机，其中，所述空隙和狭槽的尺寸和位置被设置成使得在负载条件下的输出电压波形的相对总谐波畸变低于5％。

3.根据权利要求1所述的电机，其中，在空隙与相邻磁体之间存在两个磁极和四个狭槽。

4.根据权利要求1所述的电机，其中，在空隙与相邻磁体之间存在四个磁极和三个狭槽。

5.根据权利要求1所述的电机，进一步包括位于每个磁极的磁体之间的三角形的间隔件。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的电机，构造成发电机。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的电机，构造成马达。