CN103780039A

CN103780039A - 一种转子回路双端励磁型混合励磁电机

Info

Publication number: CN103780039A
Application number: CN201410019464.7A
Authority: CN
Inventors: 宁银行; 朱姝姝; 刘闯; 汤杰; 干兴业
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2014-01-16
Filing date: 2014-01-16
Publication date: 2014-05-07

Abstract

本发明公开了一种转子回路双端励磁型混合励磁电机，包括机壳，机壳内装有由电枢铁心、电枢绕组组成的定子和由N极磁轭、N极靴、S极磁轭、S极靴、切向磁化的永磁体、转轴组成的转子，以及轴向两端各配置有一套电励磁装置；该电机的主极气隙磁场由永磁体和电励磁共同产生，通过励磁装置可实现无刷化电励磁，从而在一定范围内对主极气隙磁场进行平滑调节，该电机用于电动机时，调节磁场使得电机具有较宽的恒功率区，实现弱磁升速，用作发电机时，通过结构参数的设计来满足电压的调节需求，与现有技术相比，除了具有轴向磁路短，永磁为聚磁结构，气隙磁场大，效率高等特点；另外，轴向结构对称，轴向上转子重量分布均衡，左右两端轴承受力一致；导磁桥位于轴向端，装配方便。

Description

一种转子回路双端励磁型混合励磁电机

技术领域

本发明涉及永磁电机，特别涉及一种转子回路双端励磁型混合励磁电机，属于同步电机领域。

背景技术

随着永磁材料性能的提高和价格的下降，永磁材料在电机中的使用日益广泛。永磁电机具有功率密度高，体积小，重量轻，效率高，无刷化，结构简单等优点。世界各国均投入了大量的人力、物力，出现了很多新型结构的永磁电机。永磁电机的主极气隙磁场无法调节或难度较大，但是永磁电机在用于发电机时，负载引起电枢电流变化或者转速发生变化会使得发电机的端电压随之变化，为保证正常工作需要调节磁场；用于电动机时，在一些应用场合，要求宽范围调速，在高速段采用恒功率方式进行调速，此时需要减弱磁场。

在此背景下，出现了一种在永磁电机中引入电励磁的新型电机即混合励磁电机，通过合理的结构设计可使混合励磁电机，既有永磁电机的效率高、转矩/质量比大，又有电励磁电机调磁方便的优点。

混合励磁电机，特别是无刷励磁型混合励磁同步电机一般存在径向磁路和轴向磁路，其中代表性的有英国学者E.Spooer提出的转子磁极分割型混合励磁同步电机，该电机的电励磁磁路经过定子机壳，轴向磁路长；另一种是转子磁分路混合励磁同步电机，轴向磁路经过转子的N极磁轭延伸体、S极磁轭延伸体和导磁桥，结构简单，轴向磁路短，磁场调节容易，但属于单端励磁，转子磁场在轴向上分布不均匀，易造成局部饱和，此外，为保证励磁绕组的放置空间，则需要延长其中一端的轴向部分，转子结构不对称，造成转子重量在轴向上分布不均衡。

发明内容

针对上述背景技术的不足，提出了一种转子回路双端励磁结构的混合励磁同步电机。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种转子回路双端励磁型混合励磁电机，包括转子，其特征在于：所述转子轴向两端设置有两套励磁装置。

作为本发明的进一步创新，所述励磁电机还包括固定部，所述固定部在电机转动时为静止状态；

所述其中一套励磁装置包括设置在N极磁轭外边缘的导磁体N极靴、设置在S极磁轭的内边缘的导磁体S极导磁环，所述N极靴和S极导磁环之间设置有导磁桥L，在导磁桥L内设置有励磁绕组L；

所述其中另一套励磁装置包括设置在S极磁轭外缘导磁的导磁体S极靴、设置在N极磁轭的内边缘导磁的的导磁体N极导磁环，所述S极靴和N极导磁环之间设置有导磁桥R，在导磁桥R内设置有励磁绕组R；

所述导磁桥R和导磁桥L和固定部固定连接。

作为本发明的进一步创新，所述N极靴为N极磁轭的外边缘延伸体，所述S极靴为S极磁轭的外边缘延伸体。

作为本发明的进一步创新，所述S极导磁环为固定在S极磁轭内边缘的空心圆柱体，所述N极导磁环为固定在N极磁轭内边缘的空心圆柱体。

作为本发明的进一步创新，在所述空心导磁桥L内开有环形槽，所述励磁绕组L放置在在环形槽A中；

在所述柱形导磁桥R上开有一环形槽，所述励磁绕组R放置在在环形槽B中。

作为本发明的进一步创新，所述导磁桥L和导磁桥R均为圆环形。

作为本发明的进一步创新，所述S极导磁环和N极导磁环均为空心圆柱形。

作为本发明的进一步创新，所述固定部包括机壳、端盖L和端盖R，所述定子固定在机壳内壁上，所述导磁桥L固定在端盖L上，所述导磁桥R固定在端盖R上。

作为本发明的进一步创新，定子包括固定在机壳内壁上的圆环形电枢铁心以及分布于所述电枢铁心圆周方向上的电枢绕组。

有益效果

（1）轴向结构对称，轴向上转子重量分布均衡，左右两端轴承受力一致；导磁桥位于轴向端，装配方便。

（2）轴向两端各存在一套励磁绕组，当一端励磁装置不正常时，另一侧励磁绕组仍可正常工作，具有容错性，另外双端电励磁使得转子铁磁材料利用充分。

（3）转子上永磁体切向磁化，在零励磁时气隙中具有永磁磁场，为起动提供方便，易于起/发一体化。

（4）与旋转整流器式无刷励磁同步电机相比，省去了旋转整流器部分，简化了结构，提高了可靠性。

附图说明

图1是（转子回路双端励磁型）混合励磁电机对称中心位置处的纵贯切面示意图。

图2是（转子回路双端励磁型）混合励磁电机对称中心位置处的横贯切面示意图。

图3是图2中A-A的截面图。

图4是转子和励磁装置的结构图。

图5是图1中10在6一侧的磁通路径图。

图6是图1中10在14一侧的磁通路径图。

图7是图1中8增磁时的电励磁磁通路径图。

图8是图1中13增磁时的电励磁磁通路径图。

图9是图1中8去磁时的电励磁磁通路径图。

图10是图1中13去磁时的电励磁磁通路径图。

图中：上述图中标号的说明：1、电枢铁心；2、N极磁轭；3、N极靴；4、S极磁轭；5、S极靴；6、导磁桥R；7、N极导磁环；8、励磁绕组R；9、电枢绕组；10、永磁体；11、S极导磁环；12、转轴；13、励磁绕组L；14、导磁桥L；15、机壳，16、端盖R；17、端盖L；18、轴承。

（图中箭头为永磁体、磁轭以及励磁装置的磁路方向）。

具体实施方式

下面结合附图对发明的实施方案进行说明

转子回路双端励磁型混合励磁同步电机的结构如图1、图2、图3所示，本发明是在普通切向永磁同步电机的基础上改进而来，包括一机壳15，机壳15内装有由电枢铁心1，电枢铁心1为圆环形，所述电枢铁心1的外壁和机壳15内壁接触，在电枢铁心1的内壁沿圆周方向上径向开槽，在槽中布置有电枢绕组9；如图4是所述电机的转子和励磁装置结构图，以转轴12为中心，沿圆周方向依次装配N极磁轭2、永磁体10、S极磁轭4、永磁体10固定在转轴12上构成转子，在转子轴向的一端，N极磁轭2的延伸部分N极靴3的内壁与S导磁环11的外壁之间有固定在端盖L17上的圆环形导磁桥L14，在环形导磁桥L14中开有环形槽A，在环形槽中放置一定匝数的励磁绕组L13；在转子轴向的另一端，S极磁轭4的延伸部分S极靴5的内壁与N导磁环7的外壁之间有固定在端盖R16上的圆环形导磁桥R 6，在环形导磁桥R 6中开有环形槽B，在环形槽B中放置一定匝数的励磁绕组R8。

所述的N极磁轭2外壁与电枢铁心1内壁之间存在N极主气隙；所述的S极磁轭4外壁与电枢铁心1内壁之间存在S极主气隙；所述的N极靴3的内壁与导磁桥L14的外壁之间，以及导磁桥L14的内壁与S极导磁环L11的外壁均存在附加气隙A，同理，所述的S极靴5的内壁与导磁桥R6的外壁之间，以及导磁桥R6的内壁与N极导磁环R7的外壁均存在附加气隙B。

在电机转子转动时，机壳15、定子铁心1、端盖R16、端盖L17均是静止不动的部件，端盖R16与端盖L17固定在机壳15的两边，端盖R16和端盖L17均通过轴承18与转轴12连接在一起，转轴12拖动转子一起转动，与之一起转动的还有在N极磁轭2内侧的轴向端固定的N极导磁环7以及在S极磁轭4内侧的轴向端固定的S导磁环11。

机壳15、端盖16、端盖17因不参与导磁，可使用普通的金属材料，定子铁心1可使用普通的导磁材料，磁轭、极靴、导磁桥、导磁环可使用导磁性能较好的电工钢材料。

本发明转子回路双端励磁型混合励磁同步电机的工作原理是：由励磁装置的励磁绕组和转子的永磁体10共同产生主极气隙磁场，主极气隙磁场旋转时在电枢绕组9上感应电势，通过调节励磁绕组电流的大小可以调节主极磁场，从而实现对电枢绕组9上感应电势大小的控制。

下面参照图 3、图 5-图 10具体说明励磁绕组R8和励磁绕组L13对主极磁场的调节作用，在工作时应使励磁绕组R8和励磁绕组L13两者对主极气隙磁场的调磁作用一致，即要么同时增磁，要么同时反向去磁。

本电机的磁场调节原理为：

①在励磁绕组R8和励磁绕组L13的电流均为0时，永磁体10存在径向磁路和轴向磁路，其中径向磁路路径：永磁体N极→转子N极磁轭→N极主气隙→定子电枢铁心→S极主气隙→转子S极磁轭→永磁体S极；位于轴向两端的轴向磁路分别使用图 5、图 6表示，其中，图 5是励磁绕组R8所在的轴向端的轴向磁路路径是：永磁体10的S极→转子S极磁轭4→S极环形极靴5→附加气隙B→导磁桥R 6→附加气隙B→N极导磁环7→N极磁轭2→永磁体10的N极。图 6是励磁绕组L13所在的轴向端的轴向磁路路径：永磁体10的N极→转子N极磁轭2→N极环形极靴3→附加气隙A→导磁桥L14→附加气隙A→S极导磁环11→S极磁轭→永磁体10的S极。永磁磁通的一部分直接经过轴向磁路而不经过主极气隙和定子铁心，使得主极气隙磁场较小，为弱磁状态。

②轴向两端的电励磁对主极磁场同时增磁：在励磁绕组R8和励磁绕组L13中分别施加如图 7、图 8所示的磁路方向时，可以同时增磁，其中图 7是励磁绕组R8产生的电励磁磁通路径：N极导磁环→N极磁轭→N极主气隙→电枢铁心→S极主气隙→S极磁轭→S极靴→导磁桥R→N极导磁环。图 8中是励磁绕组L13产生的电励磁磁通路径：S极导磁环→导磁桥L→N极靴→N极磁轭→N极主气隙→电枢铁心→S极主气隙→S极磁轭→S极导磁环。此时电励磁与永磁在气隙中产生的磁场极性相同，电励磁为增磁。

③轴向两端的电励磁对主极磁场同时去磁：在励磁绕组R8和励磁绕组L13中分别施加如图 9、图 10所示的磁路方向时，电励磁与永磁体在主极气隙中产生的磁场极性相反，电励磁为同时去磁，从而使主极磁场进一步减弱。

转子回路双端励磁型混合励磁同步电机具有以下优点：

(1) 通过控制励磁磁势可以方便地调节气隙磁场，改变轴向两端的励磁电流可工作在同时增磁，或同时弱磁状态，另外，径向磁路和轴向磁路属于并联磁路，具有聚磁特点，气隙磁密大。

(2) 主极气隙磁场主要由永磁体产生，电励磁主要负责主极气隙磁场的辅助调节，使用较小的电励磁即可实现对气隙磁场的宽范围调节。

该电机用于电动机时，调节磁场使得电机具有较宽的恒功率区，易于实现弱磁升速，用作发电机时，调节磁场来满足电压的调节需求。

Claims

1.一种转子回路双端励磁型混合励磁电机，包括转子，其特征在于：所述转子轴向两端设置有两套励磁装置。

2.如权利要求1所述的一种转子回路双端励磁型混合励磁电机，其特征在于：所述励磁电机还包括固定部，所述固定部在电机转动时为静止状态；

所述其中一套励磁装置包括设置在N极磁轭（2）外边缘的导磁体N极靴（3）、设置在S极磁轭（4）的内边缘的导磁体S极导磁环（11），所述N极靴（3）和S极导磁环（11）之间设置有导磁桥L（14），在导磁桥L（14）内设置有励磁绕组L（13）；

所述其中另一套励磁装置包括设置在S极磁轭（4）外缘导磁的导磁体S极靴（5）、设置在N极磁轭（3）的内边缘导磁的的导磁体N极导磁环（7），所述S极靴（3）和N极导磁环（7）之间设置有导磁桥R（6），在导磁桥R（6）内设置有励磁绕组R（8）；

所述导磁桥R（6）和导磁桥L(14)和固定部固定连接。

3.如权利要求2所述的一种转子回路双端励磁型混合励磁电机，其特征在于：所述N极靴（3）为N极磁轭（2）的外边缘延伸体，所述S极靴（5）为S极磁轭（4）的外边缘延伸体。

4.如权利要求2所述的一种转子回路双端励磁型混合励磁电机，其特征在于：所述S极导磁环（11）为固定在S极磁轭（4）内边缘的空心圆柱体，所述N极导磁环（7）为固定在N极磁轭（2）内边缘的空心圆柱体。

5.如权利要求2所述的一种转子回路双端励磁型混合励磁电机，其特征在于：在所述空心导磁桥L（14）内开有环形槽，所述励磁绕组L（13）放置在在环形槽A中；

在所述柱形导磁桥R(6)上开有一环形槽，所述励磁绕组R(8)放置在在环形槽B中。

6.如权利要求2所述的一种转子回路双端励磁型混合励磁电机，其特征在于：所述导磁桥L（14）和导磁桥R（8）均为圆环形。

7.如权利要求2所述的一种转子回路双端励磁型混合励磁电机，其特征在于：所述S极导磁环和N极导磁环均为空心圆柱形。

8.如权利要求2所述的一种转子回路双端励磁型混合励磁电机，其特征在于：所述固定部包括机壳（15）、端盖L（17）和端盖R（16），所述定子固定在机壳（15）内壁上，所述导磁桥L（14）固定在端盖L(17)上，所述导磁桥R（6）固定在端盖R（16）上。

9.如权利要求8所述的一种转子回路双端励磁型混合励磁电机，其特征在于：所述定子包括固定在机壳（15）内壁上的圆环形电枢铁心（1）以及分布于所述电枢铁心（1）圆周方向上的电枢绕组（9）。