CN104682648A - 双谐波励磁的混合励磁永磁电机 - Google Patents

Abstract

一种采用双谐波励磁的混合励磁永磁电机，包括机壳、定子铁芯、定子绕组、永磁体、转轴、转子铁芯、转子绕组。定子绕组分布于定子槽中，转子铁芯布置有永磁磁极和铁磁磁极，转子绕组由谐波绕组a、谐波绕组b和励磁绕组组成，谐波绕组a分布于永磁磁极的槽中，谐波绕组b分布于铁磁磁极的槽中，励磁绕组套在铁磁磁极的极身上，谐波绕组a和谐波绕组b通过二极管整流电路与励磁绕组相连。发电机运行时，谐波绕组感应电动势能够实现对气隙磁场的自动调节。本发明与现有技术相比，无需电刷和滑环、交流励磁机以及电压调节器，无附加气隙和轴向磁路，具有结构简单，以及良好的气隙磁场调节能力和复励特性。

Description

双谐波励磁的混合励磁永磁电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，涉及一种永磁电机。

背景技术

与电励磁电机相比，永磁电机具有高效率、高功率密度以及无刷等优点，因此，永磁电机在社会发展的各个领域应用均非常广泛。但由于永磁电机的励磁磁场是由永磁体产生，无法像电励磁电机一样通过调节励磁电流实现对气隙磁场的调节。为了克服永磁电机的这一缺点，国内外一些专家和学者提出了混合励磁永磁电机，该电机存在两种励磁磁动势：永磁励磁磁动势和电励磁磁动势，其中电励磁磁动势是用来调节电机的气隙磁场。目前，提出的混合励磁永磁电机均实现了永磁电机气隙磁场的调节，但有些混合励磁永磁电机的效率较低、或者存在附加气隙和轴向磁路、或者失去了永磁电机无刷的优点。此外，现有大部分混合励磁永磁电机方案都需要电压调节器。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种无刷无励磁机以及无电压调节器的采用双谐波励磁的混合励磁永磁电机，这里的双谐波励磁是指利用两种不同产生机理的谐波电动势进行励磁。

本发明的技术方案是这样实现的。

本发明包括一机壳(1)，机壳(1)内装有由定子铁芯(2)、定子绕组(3)组成的定子和由永磁磁极(4)、永磁体(41)，铁磁磁极(5)、转轴(6)、转子铁芯(7)、转子绕组(8)组成的转子；定子绕组(3)分布于定子铁芯(2)上沿圆周方向开设的槽(9)中，转子铁芯(7)上布置有永磁磁极(4)和铁磁磁极(5)，永磁磁极(4)和铁磁磁极(5)表面均开有槽(14)，转子绕组(8)由转子谐波绕组a(10)、转子谐波绕组b(11)和转子励磁绕组(12)组成，转子谐波绕组a(10)分布于永磁磁极(4)上沿圆周方向开设的槽(14)中，转子谐波绕组b(11)分布于铁磁磁极(5)上沿圆周方向开设的槽(14)中，转子励磁绕组(12)套在铁磁磁极(5)的极身上，转子谐波绕组a(10)和转子谐波绕组b(11)通过二极管整流电路与转子励磁绕组(12)相连。

本发明所述的谐波励磁系统可以为谐波绕组a(10)和谐波绕组b(11)串联后通过二极管整流电路与励磁绕组相连，也可以为谐波绕组a(10)和谐波绕组b(11)分别通过二极管整流电路串联后与励磁绕组(12)相连。

本发明所述的转子永磁磁极(4)与铁磁磁极(5)的数量可以任意设置，两者的比例可以根据电压调节范围确定。

本发明所述的永磁体(41)可以采用径向结构、切向结构，以及混合结构。

本发明所述的电机可以为内转子电机或者外转子电机；也可以为旋转磁极式电机或者旋转电枢式电机。

本发明的双谐波励磁的混合励磁永磁电机定子铁芯(2)上布置一套定子绕组(3)，用于机电能量转换，转子上不仅有永磁体(41)和励磁绕组(12)，而且还有谐波绕组a(10)和谐波绕组b(11)。转子永磁体(41)和转子励磁绕组(12)用于建立电机的气隙磁场，它们的极距均与定子绕组(3)极距相同。转子谐波绕组a(10)和转子谐波绕组b(11)用于获取气隙中的谐波磁场的能量，为转子励磁绕组(12)提供励磁电流，它们的极距分别与其对应的谐波磁场极距相同。转子的极对数与定子绕组(3)的极对数相同，定子绕组(3)与永磁体(41)和转子励磁绕组(12)相对应，产生电磁感应作用，相当于一台旋转磁极的同步发电机。转子谐波绕组a(10)的谐波感应电动势是由转子永磁磁动势中的基波分量，作用在定子齿谐波磁导上产生的谐波磁场感应得到，转子谐波绕组b(11)的谐波感应电动势是由定子电枢磁动势中的谐波分量，作用在平均气隙磁导上产生的谐波磁场感应得到。发电机空载运行时，永磁体(41)产生的磁动势和转子励磁绕组(12)产生的磁动势共同建立气隙磁场，其中转子励磁绕组(12)的励磁电流由转子谐波绕组a(10)经过二极管整流后提供。发电机负载运行时，永磁体(41)产生的磁动势、转子励磁绕组(12)产生的磁动势以及定子绕组产生的电枢磁动势共同建立气隙磁场，转子励磁绕组(12)的励磁电流由转子谐波绕组a(10)和转子谐波绕组b(11)经过二极管整流后共同提供，且转子谐波绕组b(11)感应的谐波电动势能够随着负载电流的增加而增大，用于补偿电枢反应的去磁作用，从而实现对气隙磁场的自动调节，以保证定子绕组(3)输出的电压恒定。

与现有技术相比，本发明的混合励磁永磁电机具有如下特点：

1、电机不需要电刷和集电环，以及交流励磁电机，结构简单、可靠性高。

2、在无电压调节器的情况下，充分利用谐波磁场良好的复励特性，实现了发电机的恒压输出。

3、与普通永磁同步电机结构相近，不存在轴向磁路和附加气隙，保持了永磁电机的高功率密度和高效率。

附图说明

图1是为本发明双谐波励磁的混合励磁永磁电机结构示意图，也是图2的A-A截面图。其中1为机壳，2为定子铁芯，3为定子绕组，4为永磁磁极，5为铁磁磁极，6为转轴，7为转子铁芯，8为转子绕组，13为轴承。

图2是本发明图1所示电机的截面图，以6极为例。其中2为定子铁芯，3为定子绕组，4为永磁磁极，41为永磁体，5为铁磁磁极，6为转轴，7为转子铁芯，9为定子铁芯上布置绕组的槽，10为转子永磁磁极4上布置的谐波绕组a，11为转子铁磁磁极5上布置的谐波绕组b，12为转子励磁绕组，14为转子铁芯上布置绕组的槽。

图3是本发明转子谐波绕组a和转子谐波绕组b串联后经二极管整流电路与转子励磁绕组12相连的电路原理图。

图4是本发明转子谐波绕组a和转子谐波绕组b分别经二极管整流电路串联后与转子励磁绕组12相连的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

由图1、2可知，本发明的双谐波励磁的混合励磁永磁电机，包括机壳1，机壳1内配置有定子铁芯2，定子铁芯2上沿圆周方向开槽9，槽9内布置有定子绕组3。机壳1与定子铁芯2固定不动。机壳1内配置有转轴6，转轴6通过轴承13与机壳1连接。转轴6上配置转子铁芯7，转子铁芯7上布置有永磁磁极4和铁磁磁极5，永磁磁极4和铁磁磁极5表面均开有槽14，永磁磁极4上布置有永磁体41和转子谐波绕组a10，铁磁磁极5上布置有转子谐波绕组b11，转子励磁绕组12套在铁磁磁极5的极身，转子绕组8由转子谐波绕组a10、转子谐波绕组b11和转子励磁绕组12组成。转子绕组8与转子铁芯7可一起随着转轴6在定子铁芯2内旋转。

本发明的转子谐波绕组a10感应谐波电动势的原理是：

对于普通的交流电机，定子铁芯表面均开有槽，发电机空载运行时，转子励磁磁动势作用在定子开槽引起的谐波磁导上，产生的谐波磁场可以表示为

$b_t(\mathrm{\θ},t)=\frac{{\mathrm{\λ}}_{s{v}_s}{F}_{{\mathrm{fdmv}}_{\mathrm{fd}}}}{2}\left\{\cos \right[v_s\frac{Z_1}{p}+v_{\mathrm{fd}}]\mathrm{\θ}+v_s\frac{Z_1}{p}\mathrm{\ωt}]+\cos [(v_s\frac{Z_1}{p}-v_{\mathrm{fd}})\mathrm{\θ}+v_s\frac{Z_1}{p}\mathrm{\ωt}]\}---\left(1\right)$

式中：θ为转子坐标系电角度；t为时间；为定子各阶齿谐波磁导幅值；ν_s为定子齿谐波磁导的阶数，取正整数；为ν_fd次谐波励磁磁动势幅值，ν_fd为奇数；Z₁为定子槽数；p为基波极对数；ω为电机旋转的电角速度。

由式(1)可知，谐波磁场的次数为ν_sZ₁/p+ν_fd次和ν_sZ₁/p-ν_fd，相对转子转速分别为-(ν_sZ₁/p)ω/(ν_sZ₁/p+ν_fd)和-(ν_sZ₁/p)ω/(ν_sZ₁/p-ν_fd)，在转子谐波绕组a10中均感应ν_sZ₁/p次谐波电动势。

本发明的转子谐波绕组b11感应谐波电动势的原理是：

以整数槽绕组的三相交流电机为例，当在三相对称的定子绕组中输入三相对称的基波电流，产生的定子三相合成电枢磁动势可以表示为

$f_a(\mathrm{\α},t)=F_{a1}\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\ωt})+\underset{v=6k\stackrel{\‾}{+}1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{av}}\cos (\mathrm{v\α}\±\mathrm{\ωt})---\left(2\right)$

式中：α为定子坐标系电角度；ω为定子基波电流的角频率，数值上与电角速度相等；F_a1为基波电枢磁动势幅值；F_aν为ν次谐波电枢磁动势幅值；k为正整数。

定子三相合成电枢磁动势作用在单位面积的平均气隙磁导λ₀上产生的气隙磁场可以表示为

$\begin{array}{c}{b}_a(\mathrm{\α},t)={\mathrm{\λ}}_0{f}_a(\mathrm{\α},t)\\ ={\mathrm{\λ}}_0{F}_{a1}\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\ωt})+{\mathrm{\λ}}_0\underset{v=6k\stackrel{\‾}{+}1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{av}}\cos (\mathrm{v\α}\±\mathrm{\ωt})\end{array}---\left(3\right)$

式(3)中第一项为基波电枢磁动势作用在λ₀上产生的基波磁场，该基波磁场沿+α方向相对定子以电角速度ω旋转，相对转子静止，不会在转子谐波绕组b11中感应电动势。

式(3)中第二项为谐波电枢磁动势作用在λ₀上产生的谐波磁场，谐波磁场的次数为ν＝6k±1。对于ν＝6k-1次的谐波磁场，其沿-α方向相对定子以电角速度ω/(6k-1)旋转，相对转子以电角速度6kω/(6k-1)旋转，会在转子谐波绕组b11中感应6k次谐波电动势。对于ν＝6k+1次的谐波磁场，其沿+α方向相对定子以电角速度ω/(6k+1)旋转，相对转子以电角速度6kω/(6k+1)旋转，会在转子谐波绕组b11中感应6k次的谐波电动势。

本发明的工作原理是：发电机空载运行时，转轴6以同步速旋转，永磁磁动势作用在定子齿谐波磁导上产生的谐波磁场会在转子谐波绕组a10感应谐波电动势，该谐波电动势经过二极管整流后提供给转子励磁绕组12，如图3所示，空载稳态运行时，永磁体41和励磁绕组12产生的磁动势共同建立气隙磁场，在定子绕组3中感应同步频率的电动势，该电动势在转速一定时保持恒定。当发电机带上电感性负载时，永磁体41和励磁绕组12产生的磁动势以及定子绕组产生的电枢磁动势共同建立气隙磁场，由于电枢反应的去磁作用，其端电压会下降，同时，谐波电枢磁动势作用在λ₀上产生的谐波磁场会在转子铁磁磁极5上的转子谐波绕组b11感应谐波电动势，该谐波电动势经过二极管整流后提供给转子励磁绕组12，如图3所示，可弥补电枢反应的去磁作用，且谐波电动势的大小能够随着负载电流的变化而自动改变，从而在无刷无交流励磁机以及无电压调节器的情况下，可实现对气隙磁场的自动调节，以使发电机的端电压仍然保持恒定。

本发明用作发电机时，定子绕组3与负载相连，用作电动机时，定子绕组3与驱动电源相连。

本发明的谐波励磁系统可以是谐波绕组a10和谐波绕组b11串联后通过二极管整流电路与励磁绕组12相连，也可以是谐波绕组a10和谐波绕组b11分别通过二极管整流电路串联后与励磁绕组12相连，如图3、图4所示。

本发明的二极管整流电路可以采用桥式全波整流，也可以是半波整流。

Claims (5)

1.采用双谐波励磁的混合励磁永磁电机，包括一机壳(1)，其特征在于：机壳(1)内装有由定子铁芯(2)、定子绕组(3)组成的定子和由永磁磁极(4)、永磁体(41)，铁磁磁极(5)、转轴(6)、转子铁芯(7)、转子绕组(8)组成的转子，定子绕组(3)分布于定子铁芯(2)上沿圆周方向开设的槽(9)中，转子铁芯(7)上布置有永磁磁极(4)和铁磁磁极(5)，永磁磁极(4)和铁磁磁极(5)表面均开有槽(14)，转子绕组(8)由转子谐波绕组a(10)、转子谐波绕组b(11)和转子励磁绕组(12)组成，转子谐波绕组a(10)分布于永磁磁极(4)上沿圆周方向开设的槽(14)中，转子谐波绕组b(11)分布于铁磁磁极(5)上沿圆周方向开设的槽(14)中，转子励磁绕组(12)套在铁磁磁极(5)的极身上，转子谐波绕组a(10)和转子谐波绕组b(11)通过二极管整流电路与转子励磁绕组(12)相连。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：所述的谐波励磁系统为谐波绕组a(10)和谐波绕组b(11)串联后通过二极管整流电路与励磁绕组相连，或者为谐波绕组a(10)和谐波绕组b(11)分别通过二极管整流电路串联后与励磁绕组(12)相连。

3.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：所述的转子永磁磁极(4)与铁磁磁极(5)的数量任意设置，两者的比例根据电压调节范围确定。

4.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：所述的永磁体(41)采用径向结构、切向结构或者混合结构。

5.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：所述的电机为内转子电机、外转子电机、旋转磁极式电机或者旋转电枢式电机。