CN105680660A - 一种混合励磁电机装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种混合励磁电机装置。包括混合励磁电机的驱动系统、装设在机座上的混合励磁工作电机及同轴旋转的绕线式励磁电机，混合励磁工作电机包括转轴、工作电机定子绕组、定子铁芯、永磁体、励磁磁极铁芯、励磁绕组，绕线式励磁电机包括励磁电机定子铁芯、励磁电机定子绕组、励磁电机转子铁芯及励磁电机转子绕组，混合励磁电机的驱动系统包括主电路和控制电路。绕线式励磁电机转子感应电动势提供给混合励磁工作电机的励磁绕组作励磁用，根据混合励磁工作电机频率和负载转矩要求，控制绕线式励磁电机定子电源频率的大小和方向，以控制励磁电压的大小和方向，实现定量增磁或者弱磁。本发明满足低速大转矩和高转速的要求，提高电机的效率，扩大电机的调速范围。

Description

一种混合励磁电机装置

技术领域

本发明是一种混合励磁电机装置，属于混合励磁电机装置的改造技术。

背景技术

现有的永磁电机效率高，转子发热小，转动惯量轻，在机器人、加工中心等高速轻载领域广泛应用，但是近年来，永磁电机开始应用于电动汽车和一些重载设备上，这就要求电机既能在高转速下运行，又要求低速时能够提供大转矩。由于永磁电机的特性是一种恒转矩特性，难以同时满足大调速范围和大转矩的要求。因此，人们提出了各种混合励磁设想，发明了多种结构形式的混合励磁电机，以解决低速大扭矩，高速恒功率的问题。目前常用的有励磁绕组在定子的混合励磁电机、爪式电机、带滑环直流励磁的混合励磁电机等。但这些混合励磁电机的效率、调速范围及结构还有待改善。

发明内容

本发明在对上述问题研究的基础之上，提供一种既能满足低速大转矩和高转速的要求，又能提高电机的效率的混合励磁电机装置。本发明设计合理，方便实用。

本发明的技术方案是：本发明的混合励磁电机装置，包括有机座、混合励磁电机的驱动系统、装设在机座上的混合励磁工作电机及同轴旋转的绕线式励磁电机，其中混合励磁工作电机包括有转轴、工作电机定子绕组、定子铁芯、永磁体、励磁磁极铁芯、励磁绕组，转轴支承在机座上，励磁磁极铁芯套装在转轴上，永磁体置于励磁磁极铁芯的径向中部，励磁绕组绕在励磁磁极铁芯上，定子铁芯装设在励磁磁极铁芯的外侧，定子绕组嵌在定子铁芯的线槽中；绕线式励磁电机包括有励磁电机定子铁芯、励磁电机定子绕组、励磁电机转子铁芯及励磁电机转子绕组，其中励磁电机转子铁芯套装在转轴上，励磁电机转子绕组绕在励磁电机转子铁芯上，励磁电机定子铁芯装设在励磁电机转子铁芯的外侧，励磁电机定子绕组嵌在励磁电机定子铁芯的线槽中，混合励磁电机的驱动系统包括主电路和控制电路两部分，其中主电路包括整流电路、DC/DC变换电路和两路三相逆变电路，控制电路包括有中央处理单元、IGBT隔离驱动电路、电流采样电路、母线电压采样电路、速度处理电路，其中DC/DC变换电路的输出供电至三相逆变电路及中央处理单元，其中中央处理单元产生两组PWM波形，且分别通过IGBT隔离驱动电路驱动两路三相逆变电路，其中一路三相逆变电路给混合励磁工作电机供电，另一路三相逆变电路给绕线式励磁电机供电；母线电压采样电路，两路电流采样电路分别采集输入混合励磁工作电机及绕线式励磁电机的电流，母线电压采样电路采集DC/DC变换电路的输出电压，速度处理电路处理由速度检测电路采集的混合励磁工作电机的工作速度，两路电流采样电路、母线电压采样电路、速度处理电路都把采集的信号输入中央处理单元。

本发明的优点是当电机需要工作在低速大扭矩的场合时，尽管转速低，但是只需提高励磁电机定子绕组旋转磁场的频率，就能产生足够的电压供给工作电机的励磁绕组，使工作电机获得足够的磁通，从而产生足够的转矩；当需要高转速运行时，给励磁绕组反方向的电压使励磁磁通抵消一部分永磁磁通，以达到弱磁增速的目的。改变励磁电机定子绕组旋转磁场的转差方向，即可改变励磁电机的励磁电流的方向，可使电机工作在增磁或去磁状态。此外，混合励磁工作电机由普通变频驱动器控制其运行，绕线式励磁电机由提供特定给定电压的变频驱动器控制，绕线式励磁电机转子感应电动势提供给混合励磁工作电机的励磁绕组作励磁用，根据混合励磁工作电机频率和负载转矩要求，通过混合励磁算法，控制绕线式励磁电机定子电源频率的大小和方向，就可以控制励磁电压的大小和方向，实现定量增磁或者弱磁的目的。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的混合励磁电机装置。

附图说明

图1为本发明混合励磁电机的结构示意图；

图2为本发明中工作电机混合励磁转子的剖视图；

图3为本发明中励磁电机绕线转子的剖视图；

图4为本发明中工作电机励磁绕组与励磁电机转子绕组的接线关系图；

图5为混合励磁电机控系统硬件框图；

图6为励磁电机转子分别对于定子三相的感应电动势波形；

图7为励磁电机转子合成电动势波形；

图8为励磁电机定子A相给定电压波形；

图9为励磁电机定子B相给定电压波形；

图10为励磁电机定子C相给定电压波形。

具体实施方式

实施例：

本发明的结构示意图如图1、2、3、4所示，本混合励磁电机装置，包括有机座9、混合励磁电机的驱动系统、装设在机座9上的混合励磁工作电机及同轴旋转的绕线式励磁电机，其中混合励磁工作电机包括有转轴1、工作电机定子绕组6、定子铁芯7、永磁体8、励磁磁极铁芯10、励磁绕组11，转轴1支承在机座9上，励磁磁极铁芯10套装在转轴1上，永磁体8置于励磁磁极铁芯10的径向中部，励磁绕组11绕在励磁磁极铁芯10上，定子铁芯7装设在励磁磁极铁芯10的外侧，定子绕组6嵌在定子铁芯7的线槽中；绕线式励磁电机包括有励磁电机定子铁芯13、励磁电机定子绕组14、励磁电机转子铁芯20及励磁电机转子绕组19，其中励磁电机转子铁芯20套装在转轴1上，励磁电机转子绕组19绕在励磁电机转子铁芯20上，励磁电机定子铁芯13装设在励磁电机转子铁芯20的外侧，励磁电机定子绕组14嵌在励磁电机定子铁芯13的线槽中，混合励磁电机的驱动系统主要包括主电路和控制电路两部分，其中主电路包括整流电路、DC/DC变换电路和两路三相逆变电路，控制电路包括有中央处理单元、IGBT隔离驱动电路、电流采样电路、母线电压采样电路、速度处理电路，其中DC/DC变换电路的输出供电至三相逆变电路及中央处理单元，其中中央处理单元产生两组PWM波形，且分别通过IGBT隔离驱动电路驱动两路三相逆变电路，其中一路三相逆变电路给混合励磁工作电机供电，另一路三相逆变电路给绕线式励磁电机供电；母线电压采样电路，两路电流采样电路分别采集输入混合励磁工作电机及绕线式励磁电机的电流，母线电压采样电路采集DC/DC变换电路的输出电压，速度处理电路处理由速度检测电路采集的混合励磁工作电机的工作速度，两路电流采样电路、母线电压采样电路、速度处理电路都把采集的信号输入中央处理单元。

本实施例中，上述速度检测电路是编码器；上述两路电流采样电路都是霍尔电流传感器。

本实施例中，上述DC/DC变换电路通过整流电路与电源连接。

本实施例中，上述混合励磁工作电机的励磁绕组11的电源由与转子同轴旋转的绕线式励磁电机的励磁电机转子绕组19产生的感应电动势提供。

本实施例中，上述绕线式励磁电机的励磁电机定子绕组14采用交流变频供电，其给定电压为能产生转子直流感应电动势的特定波形电压，且给定电压的微分形式与转子感应电动势成正比关系，其给定频率由混合励磁工作电机频率和负载转矩要求，通过混合励磁算法获得。

本实施例中，上述励磁磁极铁芯10采用高磁密的矽钢片，或非晶材料。

本实施例中，上述机座9的端部装设有端盖4；上述转轴1的一端通过第一轴承3支承在端盖4上，转轴1的另一端通过第二轴承16支承在绕线式励磁电机机座12上。

本实施例中，上述第一轴承3的外侧装设有轴承盖2；上述第一轴承3及第二轴承16的内侧分别装设有第一轴承内盖5及第二轴承内盖15。

本实施例中，上述转轴1上装设有风叶17。上述风叶17的外侧装设有风罩18。

本发明混合励磁电机的驱动系统的工作原理如下：控制电路给定工作电机定子绕组6的旋转磁场的频率f_1a，由励磁磁极10和永磁体8、励磁绕组11组成的混合励磁转子随定子旋转磁场频率f_1a转动，同时由励磁电机转子绕组19、励磁电机铁芯20组成的励磁电机绕线转子也随工作电机定子旋转磁场频率f_1a转动，由励磁电机控制器根据工作电机对磁场的要求，控制励磁发电机定子绕组14的电源频率f_1L，与工作电机定子绕组6旋转磁场频率f_1a形成一定的转差(f_1L-f_1a)，使励磁电机处于发电状态，绕线转子产生的感应电压送到工作电机的励磁绕组11，改变工作电机的主磁通，从而达到控制电机的输出转矩的目的。当需要增磁时，使励磁电机的电流方向所产生的磁通与永磁体的磁通方向一致；当需要弱磁时，使励磁电机的电流方向所产生的磁通与永磁体的磁通方向相反。通过改变滑差方向实现增磁和弱磁之间的切换。滑差方向可以通过调整励磁发电机定子电源频率f_1L，使其大于或小于工作电机定子绕组6旋转磁场频率f_1a来实现。两频率之差越大，增磁或去磁效果越显著。

本发明中励磁发电机部分的定子电压与转子感应电动势关系推理如下：

转子感应电动势：E＝4.44sf_1LN₂K_Nφ₂(1)

定子电压：

故： $E=\frac{4.44{\mathrm{sf}}_{1L}{N}_2}{N_1}\∫Udt$ 或 $U=\frac{N_1}{4.44{\mathrm{sf}}_{1L}{N}_2}\frac{dE}{dt}---\left(3\right)$

以上各式中s——励磁发电机转差率；

f_1L——励磁发电机定子电源频率；

N₁——转子绕组串联匝数；

N₂——转子绕组串联匝数；

K_N——绕组系数；

φ₂——气隙磁通量。

若想励磁电机转子合成感应电动势波形如图7所示，则转子分别对于定子三相的感应电动势波形应该如图6三段曲线所示，每一相导通180度电角度，每相错开120度电角度，并以60度电角度升压和降压，理论上可获得稳定的直流。由以上公式得知，三相定子绕组给定电压波形应该分别如图8、9、10所示。

Claims (10)

1.一种混合励磁电机装置，其特征在于包括有机座（9）、混合励磁电机的驱动系统、装设在机座（9）上的混合励磁工作电机及同轴旋转的绕线式励磁电机，其中混合励磁工作电机包括有转轴（1）、工作电机定子绕组（6）、定子铁芯（7）、永磁体（8）、励磁磁极铁芯（10）、励磁绕组（11），转轴（1）支承在机座（9）上，励磁磁极铁芯（10）套装在转轴（1）上，永磁体（8）置于励磁磁极铁芯（10）的径向中部，励磁绕组（11）绕在励磁磁极铁芯（10）上，定子铁芯（7）装设在励磁磁极铁芯（10）的外侧，定子绕组（6）嵌在定子铁芯（7）的线槽中；绕线式励磁电机包括有励磁电机定子铁芯（13）、励磁电机定子绕组（14）、励磁电机转子铁芯（20）及励磁电机转子绕组（19），其中励磁电机转子铁芯（20）套装在转轴（1）上，励磁电机转子绕组（19）绕在励磁电机转子铁芯（20）上，励磁电机定子铁芯（13）装设在励磁电机转子铁芯（20）的外侧，励磁电机定子绕组（14）嵌在励磁电机定子铁芯（13）的线槽中，混合励磁电机的驱动系统包括主电路和控制电路两部分，其中主电路包括整流电路、DC/DC变换电路和两路三相逆变电路，控制电路包括有中央处理单元、IGBT隔离驱动电路、电流采样电路、母线电压采样电路、速度处理电路，其中DC/DC变换电路的输出供电至三相逆变电路及中央处理单元，其中中央处理单元产生两组PWM波形，且分别通过IGBT隔离驱动电路驱动两路三相逆变电路，其中一路三相逆变电路给混合励磁工作电机供电，另一路三相逆变电路给绕线式励磁电机供电；母线电压采样电路，两路电流采样电路分别采集输入混合励磁工作电机及绕线式励磁电机的电流，母线电压采样电路采集DC/DC变换电路的输出电压，速度处理电路处理由速度检测电路采集的混合励磁工作电机的工作速度，两路电流采样电路、母线电压采样电路、速度处理电路都把采集的信号输入中央处理单元。

2.根据权利要求1所述的混合励磁电机装置，其特征在于上述速度检测电路是编码器；上述两路电流采样电路都是霍尔电流传感器。

3.根据权利要求1所述的混合励磁电机装置，其特征在于上述DC/DC变换电路通过整流电路与电源连接。

4.根据权利要求1所述的混合励磁电机装置，其特征在于上述混合励磁工作电机的励磁绕组（11）的电源由与转子同轴旋转的绕线式励磁电机的励磁电机转子绕组（19）产生的感应电动势提供。

5.根据权利要求1所述的混合励磁电机装置，其特征在于上述绕线式励磁电机的励磁电机定子绕组（14）采用交流变频供电，其给定电压为能产生转子直流感应电动势的特定波形电压，且给定电压的微分形式与转子感应电动势成正比关系，其给定频率由混合励磁工作电机频率和负载转矩要求，通过混合励磁算法获得。

6.根据权利要求1所述的混合励磁电机装置，其特征在于上述励磁磁极铁芯（10）采用高磁密的矽钢片，或非晶材料。

7.根据权利要求1至6任一项所述的混合励磁电机装置，其特征在于上述机座（9）的端部装设有端盖（4）；上述转轴（1）的一端通过第一轴承（3）支承在端盖（4）上，转轴（1）的另一端通过第二轴承（16）支承在绕线式励磁电机机座（12）上。

8.根据权利要求7所述的混合励磁电机装置，其特征在于上述第一轴承（3）的外侧装设有轴承盖（2）；上述第一轴承（3）及第二轴承（16）的内侧分别装设有第一轴承内盖（5）及第二轴承内盖（15）。

9.根据权利要求7所述的混合励磁电机装置，其特征在于上述转轴（1）上装设有风叶（17）。

10.根据权利要求9所述的混合励磁电机装置，其特征在于上述风叶（17）的外侧装设有风罩（18）。