CN103560637B - 一种高功率密度的混合励磁同步发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合励磁同步发电机，沿轴向分为全永磁部分和辅助电励磁部分，主要由定子铁心、定子导磁套筒、定子电枢绕组、直流励磁绕组、转子铁心极、永磁体N极、永磁体S极，转子背轭和转轴组成。全永磁部分位于电机中部，辅助电励磁部分位于电机两侧，转子铁心极和永磁极交错排列，在定子内布置两组环形直流励磁绕组，将定子铁心分成三段，定子铁心外部由导磁套筒实现磁路上的连接。两侧直流励磁绕组产生的磁场对中间全永磁部分的作用相互抵消，调节励磁电流对全永磁部分基本没有影响，电机整体具有较好的对称性。所述电机转子无绕组、结构简单、可高速运行、无附加气隙并具有高功率密度，特别适用于大功率高速永磁发电系统。

Description

一种高功率密度的混合励磁同步发电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，更具体地，涉及一种高功率密度的混合励磁同步发电机。

背景技术

与传统的电励磁发电机相比，永磁发电机取消了励磁绕组，具有结构简单、功率密度高、效率高等显著优点。但由于永磁发电机的气隙磁场基本恒定，调节气隙磁场困难从而导致电压调节的困难，在发电机运行下，转速变化或负载变化会造成输出电压的变动，对负载设备的可靠运行产生不利影响，阻碍了永磁发电机的发展和应用。

电励磁发电机可以调节直流或交流励磁电流，从而能够方便地调节气隙磁场，保持输出电压恒定。但其功率密度较低，结构复杂，特别是励磁绕组在转子上时需要电刷滑环或旋转整流器，因此难以实现电机的高速运行。

混合励磁发电机综合了上述两种电机的优点又能克服其缺陷，在永磁发电机的基础上引入辅助电励磁绕组，达到改善永磁发电机调压性能的目的。近年来，国内外学者对混合励磁发电机结构进行了深入的研究，但现有结构都存在不同的缺陷。电励磁绕组位于转子上的混合励磁发电机结构复杂，且励磁磁势只能单向调节，励磁功率损耗较大；电励磁绕组位于定子上的结构虽然适合高速运行，但是大多数存在附加气隙，降低了电机的功率密度和材料利用率，不适合用作大功率高速永磁发电系统。

发明内容

本发明的目的在于针对现有结构存在的缺陷，提供一种转子无绕组、结构简单、可高速运行、无附加气隙并具有高功率密度的混合励磁同步发电机。

本发明提供了一种混合励磁同步发电机，所述发电机包括定子和转子，定子由定子铁心、环形直流励磁绕组、定子电枢绕组和导磁套筒组成，在所述定子铁心内布置有两组环形直流励磁绕组，将所述定子铁心分成三段，在所述定子铁心上沿径向分布有定子电枢绕组，定子铁心的外部套有导磁套筒实现磁路连接；定子铁心内部为转子，转子与定子铁心之间留有磁气隙，转子由转轴、转子背轭、转子永磁极和转子铁心极和组成，转子的表面装有转子永磁极和转子铁心极，转子永磁极和转子铁心极的内部是转子背轭，转子背轭的内部是转轴，在所述转子表面与定子铁心中间段对应的位置装有转子永磁极，在所述转子表面与定子铁心侧边两段对应的位置装有转子永磁极和转子铁心极；发电机与定子铁心对应的中间段形成全永磁部分，发电机与定子铁心对应的侧边两段形成辅助电励磁部分，全永磁部分位于电机中部，辅助电励磁部分位于电机两侧。

优选地，在全永磁部分对应的转子中间段，永磁体N极与永磁体S极沿圆周依次排列，在辅助电励磁部分对应的转子侧边两段，永磁体与转子铁心极交错布置。

优选地，转子部分的永磁体为内置式或表贴式结构，充磁方式采用径向充磁、平行充磁或海尔贝克充磁方式。

优选地，定子部分利用水冷机套散热，并对环形直流励磁绕组进行灌胶处理，从而提高定子整体的散热性能。

优选地，定子铁心由硅钢片叠压而成。

具体地，定子电枢绕组为三相或多相。

本发明的工作原理是：由永磁体提供发电机的主磁场，由辅助的电励磁绕组来实现电压调节所需要的磁场变化。永磁体的磁通路径为永磁体N极→气隙→定子铁心→定子导磁套筒→定子铁心→气隙→永磁体S极→转子背轭→永磁体N极。直流励磁绕组产生的电励磁磁通路径为转子铁心极→气隙→定子铁心→定子导磁套筒→定子铁心→气隙→转子铁心极→转子背轭→转子铁心极。永磁体和直流励磁绕组产生的磁场在气隙中叠加，共同作用在定子电枢绕组上感应出电动势。

所述定子内的两组直流励磁绕组的电流方向相同，可以双向调节，当直流励磁电流为正时，沿转子轴向分布的铁心极和永磁极磁场方向相同，叠加后气隙磁场增强，输出电压增大；当直流励磁电流为负时，沿转子轴向分布的铁心极和永磁极磁场方向相反，从而使气隙磁场减弱，输出电压减小。

本发明与现有混合励磁电机相比，具有以下特点：

（1）两侧直流励磁绕组产生的磁场对中间全永磁部分的作用相互抵消，调节励磁电流对全永磁部分基本没有影响，电机整体具有较好的对称性。

（2）直流励磁绕组位于定子上，实现了无刷化励磁，转子上没有绕组，增加了电机的可靠性，有利于电机的高速运行。

（3）电励磁磁路不经过永磁体，不存在附加气隙，所需电励磁磁动势小，电励磁效率高，调节励磁电流不会引起永磁体的不可逆失磁。

（4）全永磁部分作为电机的主发电部分，使电机具有较高的功率密度，合理设计全永磁部分和辅助电励磁部分的比例，可以满足不同应用场合的调压要求。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的转子结构图；

图3为本发明实施例的全永磁部分的截面图；

图4为本发明实施例的辅助电励磁部分的截面图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-定子铁心2-定子导磁套筒3-定子电枢绕组4-直流励磁绕组5-转子铁心极6-永磁体N极7-永磁体S极8-转子背轭9-转轴

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，为本发明的混合励磁同步发电机结构示意图，由定子铁心1、定子导磁套筒2、定子电枢绕组3、直流励磁绕组4、转子铁心极5、永磁体N极6、永磁体S极7，转子背轭8和转轴9组成。全永磁部分位于电机中部，辅助电励磁部分位于电机两侧，在定子内布置两组环形直流励磁绕组4，将定子铁心1分成三段，定子铁心外部由导磁套筒2实现磁路上的连接。

在本实施例中，转子采用径向充磁的表贴式磁钢结构，如图2所示，转子为两对极，转子中部的永磁体N极6与永磁体S极7沿圆周依次排列，转子两侧的永磁体与铁心极5交错布置。由于环形励磁绕组4对两侧的铁心极5作用相反，交错布置的铁心极5可以使两组励磁绕组4产生的电励磁磁势对气隙磁场的作用相同，即同时增磁或同时去磁。两组环形励磁绕组4的电流大小相等，方向相同，产生的电励磁磁势对转子中部永磁体的作用相互抵消，调节励磁电流对全永磁部分基本没有影响，电机整体具有较好的对称性。高速运行时，需要在永磁体外加护套，护套材料可选用碳纤维或不锈钢。

本发明的定子铁心1由硅钢片叠压而成，定子电枢绕组3可以为三相或多相。本实施例的定子为48槽，全永磁部分的截面图如图3所示，设计方法与传统的永磁电机相同，此处不再赘述，通过永磁体的削极可以改善气隙磁场。辅助电励磁部分的截面图如图4所示，永磁体的磁场基本恒定，调节直流励磁电流的大小和方向，可以改变铁心极5磁场的大小和方向。当直流励磁电流为正时，沿转子轴向分布的铁心极和永磁极磁场方向相同，叠加后气隙磁场增强；当直流励磁电流为负时，沿转子轴向分布的铁心极和永磁极磁场方向相反，使气隙磁场减弱。由于永磁磁势和电励磁磁势共同作用于电枢绕组2，从而可以有效地调节电机的输出电压。合理设计全永磁部分和辅助电励磁部分的比例，可以满足不同应用场合的调压要求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种混合励磁同步发电机，其特征在于，所述发电机包括定子和转子，定子由定子铁心(1)、环形直流励磁绕组(4)、定子电枢绕组(3)和导磁套筒(2)组成，在所述定子铁心(1)内布置有两组环形直流励磁绕组(4)，将所述定子铁心(1)分成三段，在所述定子铁心(1)上沿径向分布有定子电枢绕组(3)，定子铁心(1)的外部套有导磁套筒(2)实现磁路连接；定子铁心(1)内部为转子，转子与定子铁心(1)之间留有磁气隙(10)，转子由转轴(9)、转子背轭(8)、转子永磁极和转子铁心极(5)组成，转子的表面装有转子永磁极和转子铁心极(5)，转子永磁极和转子铁心极(5)的内部是转子背轭(8)，转子背轭(8)的内部是转轴(9)，在所述转子表面与定子铁心(1)中间段对应的位置装有转子永磁极，在所述转子表面与定子铁心(1)侧边两段对应的位置装有转子永磁极和转子铁心极(5)；发电机与定子铁心(1)对应的中间段形成全永磁部分，发电机与定子铁心(1)对应的侧边两段形成辅助电励磁部分，全永磁部分位于电机中部，辅助电励磁部分位于电机两侧。

2.如权利要求1所述的混合励磁同步发电机，其特征在于，在全永磁部分对应的转子中间段，永磁体N极(6)与永磁体S极(7)沿圆周依次排列，在辅助电励磁部分对应的转子侧边两段，永磁体与转子铁心极(5)交错布置。

3.如权利要求1或2所述的混合励磁同步发电机，其特征在于，转子部分的永磁体为内置式或表贴式结构，充磁方式采用径向充磁、平行充磁或海尔贝克充磁方式。

4.如权利要求1或2所述的混合励磁同步发电机，其特征在于：定子部分利用水冷机套散热，并对环形直流励磁绕组(4)进行灌胶处理。

5.如权利要求1或2所述的混合励磁同步发电机，其特征在于，定子铁心(1)由硅钢片叠压而成。

6.如权利要求1或2所述的混合励磁同步发电机，其特征在于，定子电枢绕组(3)为三相或多相。