CN104158370B - 转子磁路独立型混合磁极同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转子磁路独立型混合磁极同步电机，包括机壳、设置在机壳内的定子和转子。转子上的电励磁S极、电励磁N极分别朝不同侧轴向延伸，集合于固定在转轴上的圆环形的电励磁S极极靴、电励磁N极极靴。电励磁S极极靴、电励磁N极极靴的外边缘分别设置有一个固定在端盖上的励磁绕组支架，励磁绕组支架上各固定有一套励磁绕组。本发明通过由端盖、机壳等部件构成的轴向磁路进行调磁。本发明永磁磁路和电励磁磁路对独立，既不是串联磁路，也不是并联磁路，调磁方便，同时又避免了永磁磁钢退磁的风险。本发明为无刷励磁方案，结构可靠。另外采用直流励磁方式，控制简单，可实现双向励磁，电励磁磁极的磁场调节范围宽。

Description

转子磁路独立型混合磁极同步电机

技术领域

本发明涉及一种永磁电机，特别涉及一种转子磁路独立型混合磁极同步电机，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，但是在转子上，电励磁和永磁为并联磁路，在调磁过程中相互影响，耦合程度高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种转子磁路独立型混合磁极同步电机，其中，转子上的永磁磁路和电励磁磁路在磁路上相互独立，且耦合程度低；采用直流励磁，控制简单，可双向励磁，且电励磁磁极的气隙磁场调节范围宽。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种转子磁路独立型混合磁极同步电机，包括机壳、设置在机壳两端的端盖、设置在机壳内的定子和转子，所述定子包括定子铁心和电枢绕组。所述转子包括转轴以及分别设置在转轴轴向两端的圆环形的电励磁S极极靴、圆环形的电励磁N极极靴；所述圆环形的电励磁S极极靴、圆环形的电励磁N极极靴分别与转轴固定连接；所述电励磁S极极靴、电励磁N极极靴分别与同轴向端的端盖的内壁之间形成附加气隙；所述圆环形的电励磁S极极靴、圆环形的电励磁N极极靴的外边缘分别设置有一个励磁绕组支架，每个所述励磁绕组支架分别固定在同轴向端的端上；每个所述励磁绕组支架分别放置一个励磁绕组；所述转子的表面分布有电励磁磁极和永磁磁极，且电励磁磁极、永磁磁极的分布方式为每两个电励磁磁极之间设置一个永磁磁极，或每两个永磁磁极之间设置一个电励磁磁极；所述电励磁磁极包括电励磁S极、电励磁N极，所述电励磁S极沿轴向一端延伸，集合于圆环形的电励磁S极极靴；电励磁N极沿轴向另一端延伸，集合于圆环形的电励磁N极极靴；所述转子还包括永磁体、固定在转轴上的永磁磁极磁轭，所述永磁体紧贴在永磁磁极磁轭的外边缘；相邻的电励磁磁极、永磁磁极的之间以及电励磁磁极、永磁磁极磁轭之间均填充有非导磁材料。

作为本发明的进一步优化方案，所述定子铁心固定在机壳上，所述机壳分别与端盖、定子铁心无缝接触。

作为本发明的进一步优化方案，所述端盖通过轴承与转轴连接。

作为本发明的进一步优化方案，所述电励磁磁极、永磁磁极分别与定子铁心之间形成主气隙。

作为本发明的进一步优化方案，所述机壳、端盖、电励磁S极极靴、电励磁N极极靴、电励磁磁极、永磁磁极、定子铁心均由导磁材料制成。

作为本发明的进一步优化方案，所述转轴由非导磁材料制成。

本发明一种转子磁路独立型混合磁极同步电机中，永磁磁通的路径为永磁体、永磁磁极极面下的气隙、定子铁心、永磁磁极极面下的气隙、永磁体、永磁磁极磁轭构成的永磁磁回路。电励磁磁通的路径为电励磁磁极、电励磁磁极极面下的气隙、定子铁心、机壳、端盖、附加气隙、电励磁磁极极靴、转子铁芯构成电励磁磁回路。由此可以看出，永磁磁极由永磁体产生，电励磁磁极由电励磁产生，仅就在转子上而言，两者在磁路关系上相互独立，既非串联，也非并联。通过改变励磁绕组中的直流电流大小可以改变电励磁磁极大小，通过改变励磁绕组中的直流电流方向可以改变电励磁磁极极性，在调节电励磁的过程中，不影响永磁磁极大小。

本发明中定子铁心中的电枢绕组因转子旋转而感应出电势，对于构成电枢绕组中的某一个线圈而言，在转子旋转过程中依次切割2个电励磁磁极，1个永磁磁极，因电励磁磁极大小和永磁磁极大小不一定相同，因此同一个线圈中感应出的交流电压幅值大小也是变化的，即非正弦电，为实现正弦的相电压以及对称的三相交流电输出，则需要在绕组的连接方式上进行相应的处理。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明的设计方案中，转子上的永磁磁路和电励磁磁路在磁路上相互独立，且耦合程度低；

(2)本发明的设计方案与组合式混合励磁电机相比，本发明的结构紧凑、功率密度高；

(3)本发明的设计方案，采用直流励磁，控制简单，可双向励磁，且电励磁磁极的气隙磁场调节范围宽；

(4)本发明的设计方案中，将励磁绕组设置于位于轴向端静止的励磁支架上，励磁时不需电刷，提高了可靠性。

附图说明

图1是转子磁路独立型混合磁极同步电机沿对称中心线的轴向剖面示意图。

图2是转子磁路独立型混合磁极同步电机偏对称中心线60度的轴向剖面示意图。

图3是图1中A-A的截面图。

图4是转子结构图。

图5是电励磁S极结构图。

图6是电励磁N极结构图。

图7是永磁磁极结构图。

图8是永磁磁通路径图。

图9是增磁时电励磁磁通路径图。

其中，1-转轴；2-端盖；3-励磁绕组；4-电励磁S极极靴；5-电励磁S极；6-永磁磁极磁轭；7-电枢绕组；8-定子铁心；9-机壳；10-励磁绕组支架；11-励磁绕组；12-电励磁N极极靴；13-电励磁N极；14-永磁体；15-永磁N极磁极；16-永磁S极磁极。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明设计一种转子磁路独立型混合磁极同步电机，如图1、图2所示，包括机壳9、设置在机壳9两端的端盖2、设置在机壳9内的定子和转子，所述定子包括定子铁心8和电枢绕组7，所述转子包括永磁体14。

所述转子包括转轴1以及分别设置在转轴1轴向两端的圆环形的电励磁S极极靴4、圆环形的电励磁N极极靴12；所述圆环形的电励磁S极极靴4、圆环形的电励磁N极极靴12分别与转轴1固定连接。所述电励磁S极极靴4、电励磁N极极靴12分别与同轴向端的端盖2的内壁之间形成附加气隙。

如图4所示，所述电励磁S极极靴4、电励磁N极极靴12的外边缘分别设置有一个励磁绕组支架10，每个所述励磁绕组支架10分别固定在同轴向端的端盖2上。每个所述励磁绕组支架10上分别放置一个励磁绕组。

所述转子的表面分布有电励磁磁极和永磁磁极，且电励磁磁极、永磁磁极的分布方式为每两个电励磁磁极之间设置一个永磁磁极，或每两个永磁磁极之间设置一个电励磁磁极。相邻的电励磁磁极、永磁磁极的之间填充有非导磁材料，使用固化措施使电励磁磁极和永磁磁极相对固定为一整体。所述电励磁磁极、永磁磁极分别与定子铁心8之间形成主气隙。如图3所示，每两个电励磁S极5之间设置一个永磁磁极N极15，每两个电励磁N极13之间设置一个永磁磁极S极16。

所述电励磁磁极包括电励磁S极5、电励磁N极13，所述电励磁S极5沿轴向一端延伸，集合于圆环形电励磁S极极靴4，如图5所示；电励磁N极13沿轴向另一端延伸，集合于圆环形电励磁N极极靴12，如图6所示。所述电励磁S极极靴4、电励磁N极极靴12均固定在转轴1上，

所述转子还包括永固定在转轴1上的永磁磁极磁轭6，所述永磁体14紧贴在永磁磁极磁轭6的外边缘，所述永磁磁极是由两个顺势(磁势)相连的永磁体14形成的永磁磁极N极15和永磁磁极S极16，如图7所示。

本发明的技术方案中，所述机壳9、端盖2、电励磁S极极靴4、电励磁N极极靴12、电励磁磁极、永磁磁极、定子铁心均由导磁材料制成。所述转轴1由非导磁材料制成。

所述定子铁心8固定在机壳9上，所述机壳9分别与端盖2、定子铁心8无缝接触，所述端盖2通过轴承17与转轴1连接。在电机转子转动时，机壳9、端盖2、定子铁心8均是静止不动的部件，转轴1拖动转子一起转动。

本发明转子磁路独立型混合磁极同步电机的磁场调节原理及其调压原理如下：

①如图8所示，当励磁绕组3和励磁绕组11中的励磁电流为零时，转子磁极仅存在永磁磁场，根据永磁体14的极性可知永磁磁通路径为：永磁体14的N极→永磁磁极极面下的气隙→定子铁心9→定子铁心轭部→另一永磁磁极极面下的气隙→永磁体14→永磁磁极磁轭6→永磁体14的S极构成磁回路，此时电机的极数为2；

②如图9所示，当励磁绕组3和励磁绕组11中存在励磁电流且电流方向如图中箭头所示时，电励磁磁极S极的磁通路径为：电励磁磁极S极5→电励磁磁极极靴4→附加气隙→端盖2→机壳9→定子铁心8→气隙→电励磁磁极S极5构成电励磁磁回路；在轴向另一端的电励磁磁极N极的磁通路径为：电励磁磁极N极13→气隙→电枢铁心8→机壳9→端盖2→附加气隙→电励磁N极极靴12构成电励磁磁回路，通过改变励磁电流的大小和方向可相应地改变电励磁气隙磁场的大小和极性；电机气隙中除了存在电励磁磁通之外，还存在永磁磁通，此时的永磁磁通路径与①中相同，此时电机的极数为6；

③位于定子铁心8中的电枢绕组7因转子旋转而感应出电势，仅以构成电枢绕组7的某一个线圈为例分析该电机的感应电势的特点：在转子旋转过程中，该线圈依次切割2个电励磁磁极，1个永磁磁极，但电励磁磁极大小和永磁磁极大小不一定相同，因此同一个线圈中感应出的交流电幅值大小是变化的，即非正弦电，为实现正弦的相电压以及对称的三相交流电输出，则在绕组的连接方式上需要进行相应的处理。

本发明转子磁路独立型混合磁极同步电机与传统同步电机绕组相带的划分方式相同，本发明转子磁路独立型混合磁极同步电机定子绕组可按照60度相带分配也可按照120度相带，此处以60度相带为例进行说明：

如图3所示电机为3对极，按照60度相带划分方法，本发明转子磁路独立型混合磁极同步电机的电枢绕组相带依次为：1A、1Z、1B、1X、1C、1Y、1A、2Z、2B、2X、2C、2Y、3A、3Z、3B、3X、3C、3Y。

表1相带分配

(1)表1中给出了A1相(由1A、1X、2A相带的线圈顺势串联构成)、B1相(由1B、1Y、2B相带的线圈顺势串联构成)、C1相(由1Z、1C、2Z相带的线圈顺势串联构成)。此时：A1相、B1相、C1相为三相对称的正弦交流电，其电压幅值大小由电励磁来调节，频率为其中，n为转速，p为极对数3。

(2)表1中给出了A2相(由2X、3A、3X相带的线圈顺势串联构成)、B2相(由2X、3B、3Y相带的线圈顺势串联构成)、C2相(由2C、3Z、3C相带的线圈顺势串联构成)。此时：A2相、B2相、C2相为三相对称的正弦交流电，其幅值大小由电励磁来调节，频率为其中，n为转速，p为极对数3。

(2)表1中的A1相、B1相、C1相构成一套三相对称的交流绕组，A2相、B2相、C2相构成一套三相对称的交流绕组，因此图3所示的电机的电枢绕组可以是并联支路数为2的三相交流同步电机，也可以是并联支路数为1的三相交流同步电机，即A相(A1相带和A2相带顺势串联)、B相(B1相带和B2相带顺势串联)、C相(C1相带和C2相带顺势串联)。

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。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1. 转子磁路独立型混合磁极同步电机，包括机壳（9）、设置在机壳（9）两端的端盖（2）、设置在机壳（9）内的定子和转子，所述定子包括定子铁心（8）和电枢绕组（7），所述转子包括永磁体（14），其特征在于：

所述转子包括转轴（1）以及分别设置在转轴（1）轴向两端的圆环形的电励磁S极极靴（4）、圆环形的电励磁N极极靴（12）；所述圆环形的电励磁S极极靴（4）、圆环形的电励磁N极极靴（12）分别与转轴（1）固定连接；

所述电励磁S极极靴（4）、电励磁N极极靴（12）分别与同轴向端的端盖（2）的内壁之间形成附加气隙；

所述圆环形的电励磁S极极靴（4）、圆环形的电励磁N极极靴（12）的外边缘分别设置有一个励磁绕组支架（10），每个所述励磁绕组支架（10）分别固定在同轴向端的端盖（2）上；每个所述励磁绕组支架（10）分别放置一个励磁绕组；

所述转子的表面分布有电励磁磁极和永磁磁极，且电励磁磁极、永磁磁极的分布方式为每两个电励磁磁极之间设置一个永磁磁极，或每两个永磁磁极之间设置一个电励磁磁极；

所述电励磁磁极包括电励磁S极（5）、电励磁N极（13），所述电励磁S极（5）沿轴向一端延伸，集合于圆环形的电励磁S极极靴（4）；电励磁N极（13）沿轴向另一端延伸，集合于圆环形的电励磁N极极靴（12）；

所述转子还包括固定在转轴（1）上的永磁磁极磁轭（6），所述永磁体（14）紧贴在永磁磁极磁轭（6）的外边缘；相邻的电励磁磁极、永磁磁极的之间以及电励磁磁极、永磁磁极磁轭之间均填充有非导磁材料。

2. 根据权利要求1所述的转子磁路独立型混合磁极同步电机，其特征在于，所述定子铁心（8）固定在机壳（9）上，所述机壳（9）分别与端盖（2）、定子铁心（8）无缝接触。

3. 根据权利要求1所述的转子磁路独立型混合磁极同步电机，其特征在于，所述端盖（2）通过轴承（17）与转轴（1）连接。

4. 根据权利要求1所述的转子磁路独立型混合磁极同步电机，其特征在于，所述电励磁磁极、永磁磁极分别与定子铁心（8）之间形成主气隙。

5. 根据权利要求1所述的转子磁路独立型混合磁极同步电机，其特征在于，所述机壳（9）、端盖（2）、电励磁S极极靴（4）、电励磁N极极靴（12）、电励磁磁极、永磁磁极、定子铁心均由导磁材料制成。

6. 根据权利要求1所述的转子磁路独立型混合磁极同步电机，其特征在于，所述转轴（1）由非导磁材料制成。