CN104638862A - 三极组合磁极混合励磁同步电机 - Google Patents

三极组合磁极混合励磁同步电机 Download PDF

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Abstract

一种三极组合磁极混合励磁同步电机，属于电机技术领域。包括机壳(1)、定子铁心(2)、电枢绕组(3)、转子铁心(4)、永磁磁极(5)、铁磁磁极（6）、励磁绕组(7)、转轴(8)。电枢绕组分布于定子铁心槽中，极数与转子极数相同。转子铁心的三极组合磁极中间为永磁磁极，两边为铁磁磁极。励磁绕组安放在组合磁极两边的槽中，极数为转子极数的1/3。电机运行时，励磁绕组可以采用有刷励磁系统供电，也可以采用无刷励磁系统供电；只需要普通同步电机的大约三分之一的励磁容量，就可以实现电机磁场的宽范围调节。本三极组合磁极混合励磁同步电机与现有技术相比，结构简单，永磁材料用量少，电机效率高，具有很强的调节磁场能力，能适应宽范围的运行速度要求。

Description

三极组合磁极混合励磁同步电机
技术领域
本发明涉及一种混合励磁同步电机。
背景技术
同步电机一般都需要励磁。采用电励磁的同步电机的磁场调节方便，既可以保证作为恒速发电机运行时的电压稳定，又可以保证作为调速电动机运行时的宽范围调磁和高功率因数。采用永磁励磁的同步电机消除了电励磁同步电机励磁损耗，具有效率高的显著优点。但是，永磁电机固有的永磁磁场调节困难。混合励磁同步电机中既有永磁又有电励磁，两个磁势源同时存在，既可能综合两者的优点，也可能保留两者的缺点。
目前，混合励磁同步电机主要有三类。第一类是采用轴向/径向磁路混合励磁的永磁电机，它是通过改变电机轴向磁路的磁通来控制电枢绕组的电压，其励磁绕组为环形线圈，可实现无刷化。但这种轴向混合励磁，存在附加气隙，电励磁效率低，材料利用率及功率密度不高。第二类是采用分离磁路混合励磁的永磁电机，它是将电机分为两段，使永磁磁路和电励磁磁路完全分开，通过改变电机电励磁部分磁路的磁通来控制电枢绕组的电压。但是这种电机实质是一般永磁电机与电励磁电机的组合，其结构复杂，电励磁效率，材料利用率及功率密度也不高。第三类是电机磁路与传统电机相似的永磁电机，转子上有永磁磁极和电励磁极，其中永磁磁极占大部分，电励磁磁极提供小部分磁场以平衡气隙磁场的变化，其结构简单。但是这种电机调磁范围不大，电励磁效率也不高。总的来说，现有的混合励磁同步电机都是以永磁电机为基础增加电励磁调节，一般称为混合励磁永磁电机。因此，它们用作恒速运行的发电机时一般都可以通过励磁调节满足电压稳定运行的要求；但一般都难以通过励磁调节实现宽范围调磁，既不能满足宽范围变速的发电机恒电压运行的要求，也不能满足宽范围调速的电动机恒功率和高功率因数运行的要求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种结构简单，成本低，效率高，磁场调节范围大的三极组合磁极混合励磁同步电机。
本发明的混合励磁同步电机由定子和转子构成。定子与普通同步电机相同，电枢绕组分布于定子槽中，极数与转子极数相同。转子的三极组合磁极中间为永磁磁极，两边为铁磁磁极；励磁绕组安放在组合磁极两边的槽中，极距为电枢绕组极距的三倍。永磁磁极的永磁体可以是内置式，也可以是表贴式。励磁绕组可以采用有刷励磁系统供电，也可以采用无刷励磁系统供电。当转子磁极全部采用三极组合磁极时，永磁磁极的极数为转子极数的1/3，铁磁磁极的极数为转子极数的2/3；励磁绕组的极数为转子极数的1/3，可以做成极对数P=3，6，9，12……,的各种电机。电机运行时，只需要普通同步电机的大约三分之一的励磁容量，就可以实现电机磁场的宽范围调节。当转子磁极不全部采用三极组合磁极时，其余的转子磁极采用电励磁磁极，也可大大降低同步电机的的励磁容量，实现电机磁场的宽范围调节。三极组合磁极混合励磁同步电机转子可设计成内转子，也可设计成外转子。如果将电机转子和定子的运动关系互换，则可以成为一种磁极固定的电枢旋转的同步电机。
本发明的三极组合磁极混合励磁同步电机可以用于运行速度范围宽的发电机和电动机，以及极对数多的中频电机和无刷同步电机的交流励磁机，与现有技术相比，具有如下特点：
1. 结构简单，电机无需分段，也不存在轴向磁路和附加气隙，磁路短，漏磁小；
2. 永磁材料用量较少，只需在1/3的转子磁极上安放永磁体，降低了永磁材料的成本；
3. 励磁绕组的极对数少，只有电机磁极极对数的1/3，降低了励磁绕组的成本；
4. 励磁的效率高，可以大大提高电机的效率，具有明显的节能效果； 
5. 调磁范围宽，能使电机适应宽范围的运行速度的要求；
附图说明
图1.是三极组合磁极混合励磁同步电机结构示意图（图2 A-A截面）
图2.是三极组合磁极混合励磁同步电机截面图，以3对极为例
图3.是三极组合磁极混合励磁同步电机截面图，以7对极为例
图4.是三极组合磁极混合励磁同步电机截面图，以8对极为例
图5.是外转子结构和旋转电枢结构示意图
上述图中的标号名称：1、机壳；2、定子铁心；3、电枢绕组；4、转子铁心；5、永磁磁极；6、铁磁磁极；7、励磁绕组；8、转轴.。
具体实施方式   
下面结合附图和具体实施例对本发明的三极组合磁极混合励磁同步电机作进一步详细说明。
由图1、2可知，本发明的三极组合磁极混合励磁永磁电机，包括具有电枢绕组的定子和具有三极组合磁极的转子两部分。定子结构与普通的电机相同，电枢绕组分布于定子槽中，极数与转子极数相同，用作发电机时与负载相连，用作电动机与驱动电源相连。转子磁极的三极组合磁极的磁路结构是：中间为永磁磁极，两边为铁磁磁极，三极组合磁极内部没有励磁绕组。励磁绕组安放在三极组合磁极与相邻磁极之间的槽中，极距为电枢绕组极距的三倍，可以采用有刷励磁系统供电，也可以采用无刷励磁系统供电。
三极组合磁极的作用原理是：组合磁极中间的永磁磁极的磁阻很大，其建立的d轴基波磁场基本不受励磁绕组磁势和电枢绕组磁势的影响，占组合磁极产生的额定基波磁场的1/3。组合磁极内部没有励磁绕组，只需一个励磁绕组线圈就可以调节两个铁磁磁极的d轴基波磁场，大大提高了电励磁效率。当电机空载运行时，电机的d轴基波磁场随励磁电流而变化，所需的励磁安匝数与普通电励磁电机相比明显减小：建立额定基波磁场所需的励磁安匝数为普通电励电机的1/3；随着基波磁场下降（例如：额定值的2/3和1/3），所需的励磁安匝数与普通电励磁电机相比将进一步下降（比值为1/6和0）；只有基波磁场下降到额定值的1/9时，所需的反向励磁电流为额定值的1/3，其励磁安匝数的大小才与普通同步电机相同。当电机负载运行时，励磁绕组的磁势一方面调节电机的d轴基波磁场，另一方面抵消电枢绕组的d轴电枢反应基波磁势。调节电机的d轴基波磁场所需的励磁安匝数与空载运行时相同，抵消电枢绕组的d轴电枢反应基波磁势的励磁安匝数也为普通电励磁电机的1/3。
当转子磁极全部采用三极组合磁极时，永磁磁极的极数为转子极数的1/3，铁磁磁极的极数为转子极数的2/3，励磁绕组的极数为转子极数的1/3，所需的励磁容量约为普通电励磁电机的1/3，可以做成极对数P=3，6，9，12……,的各种电机。转子磁极不全部采用三极组合磁极时，其余的转子磁极采用电励磁磁极。将电机的极对数除以3余下的磁极采用电励磁磁极，可以做成极对数P=4，5，7，8，10，11……,的各种电机，它们所需的励磁容量则分别约为普通电励磁电机的2/4，3/5，3/7，4/8，4/10，5/11……。图3和图4分别给出了电机的极对数为7和8的两种情况的磁极安排。当励磁绕组电流单向调节时，全部采用三极组合磁极的电机的基波磁场的空载调磁比为3比1，增加电励磁磁极后，空载调磁比还将提高，完全可以满足同步电机宽范围调磁的要求。对于需要进一步加大调磁范围的应用场合，可以采用对励磁绕组电流进行双向调节。
三极组合磁极的永磁磁极的永磁体可以是内置式（图2），也可以是表贴式（图3、图4）。本发明的混合励磁同步电机的转子磁极可设计成内转子，也可设计成外转子。如果将电机转子和定子的运动关系互换，则成为一种磁极固定的电枢旋转的同步电机。图5给出了外转子结构和旋转电枢结构示意图。

Claims (6)

1.一种三极组合磁极混合励磁同步电机，包括在机壳（1），内装有定子铁心(2)、电枢绕组(3)组成的定子和装有转子铁心（4）、永磁磁极(5)、铁磁磁极(6) 、励磁绕组(7)、转轴(8)组成的转子，其特征在于：电枢绕组分布于定子铁心槽中，极数与转子极数相同；转子的三极组合磁极中间为永磁磁极，两边为铁磁磁极；励磁绕组安放在组合磁极两边的槽中，极距为电枢绕组极距的3倍。
2.根据权利要求1所述的三极组合磁极混合励磁同步电机，其特征在于：当转子磁极全部采用三极组合磁极时，永磁磁极的极数为转子极数的1/3，铁磁磁极的极数为转子极数的2/3；励磁绕组的极数为转子极数的1/3，可以做成极对数P=3，6，9，12……,的各种电机。
3.根据权利要求1所述的三极组合磁极混合励磁同步电机，其特征在于：当转子磁极不全部采用三极组合磁路时，其余的转子磁极采用电励磁磁极。
4.根据权利要求1所述的三极组合磁极混合励磁同步电机，其特征在于：所述的永磁磁极的永磁体可以是内置式，也可以是表贴式。
5.根据权利要求1所述的三极组合磁极混合励磁同步电机，其特征在于：所述的转子可在定子内，也可放置于定子外，成为一种外转子式的三极组合磁极混合励磁同步电机。
6.根据权利要求1所述的三极组合磁极混合励磁同步电机，其特征在于：所述的转子和定子的运动关系可以互换，成为一种磁极固定的电枢旋转的三极组合磁极混合励磁同步电机。
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