CN106533105B - 一种谐波自励恒压混合励磁永磁电机 - Google Patents

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Abstract

一种谐波自励恒压混合励磁永磁电机，包括机壳、定子铁芯、定子电枢绕组、转子铁芯、永磁体、转子谐波绕组、转子励磁绕组和转轴。定子电枢绕组分布于定子槽中，转子铁芯由永磁磁极和铁磁磁极组成，永磁磁极采用不均匀气隙，每个永磁磁极以内置方式嵌有永磁体，永磁体关于永磁磁极中心线对称分布，永磁磁极中心线的一侧沿圆周方向开槽，转子谐波绕组布置在永磁磁极开设的槽中，转子励磁绕组套在铁磁磁极极身，转子谐波绕组和转子励磁绕组通过二极管整流电路直接相连。与现有技术相比，本发明的混合励磁永磁电机具有宽范围的气隙磁场调节能力，以及自励、恒压输出和高效率等优点。

Description

一种谐波自励恒压混合励磁永磁电机
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
谐波励磁与永磁励磁相结合形成的谐波励磁混合励磁永磁电机，不仅可以解决现有谐波励磁存在的励磁功率不足以及电机起励时间长等问题，而且获取的谐波励磁功率可用于实现永磁电机气隙磁场的调节，故可以充分发挥谐波励磁和永磁励磁两者的优势。此外，由于永磁体的存在，且永磁励磁起主导作用，所需的谐波励磁功率较小，因此，该类电机可以保持永磁电机的高功率密度和高效率。
对于普通的交流电机，定子通常是开槽的，中国专利ZL201110118451.1提出了一种齿谐波励磁的混合励磁永磁电机，同时借助无线传输技术将控制信号由定子传递到转子，通过控制齿谐波励磁系统输出的励磁电流，以实现发电机带不同负载时的恒压输出。但该电机转子结构较复杂，需要布置无线接收模块和斩波电路，安装维护困难，同时降低了运行的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种谐波自励恒压混合励磁永磁电机，该电机利用气隙谐波磁场在转子谐波绕组中感应的谐波电动势进行励磁，且谐波电动势能够随着发电机负载的变化而变化。
本发明的技术方案是这样实现的。
本发明所述的一种谐波自励恒压混合励磁永磁电机，包括一机壳（1），机壳（1）内装有由定子铁芯（2）、定子电枢绕组（3）组成的定子和由转子铁芯（4）、永磁体（5）、转子谐波绕组（6）、转子励磁绕组（7）和转轴（8）组成的转子；定子铁芯（2）内圆表面均匀开槽（9），定子电枢绕组（3）分布于定子铁芯（2）上沿圆周方向均匀开设的槽（9）中，转子铁芯（4）由永磁磁极（10）和铁磁磁极（11）组成，永磁磁极（10）采用不均匀气隙，磁极顶部的气隙较小，磁极两侧的气隙较大，每个永磁磁极（10）以内置方式嵌有永磁体（5），永磁体（5）关于永磁磁极（10）中心线对称分布，永磁磁极（10）中心线的一侧沿圆周方向开槽（12），转子谐波绕组（6）布置在永磁磁极（10）开设的槽（12）中，转子励磁绕组（7）套在铁磁磁极（11）极身，转子谐波绕组（6）和转子励磁绕组（7）通过二极管整流电路直接相连。
本发明所述的定子电枢绕组（3）可以为多相对称绕组；也可以为单相绕组。
本发明所述的永磁磁极（10）与铁磁磁极（11）的数量可以根据电压调节范围确定。
本发明所述的电机可以为内转子电机或者外转子电机。
本发明所述的电机可以为旋转磁极式电机或者旋转电枢式电机。
本发明的谐波自励恒压混合励磁永磁电机定子铁芯（2）上布置一套定子电枢绕组（3），用于机电能量转换。转子铁芯（4）由永磁磁极（10）和铁磁磁极（11）组成，永磁体（5）、转子谐波绕组（6）布置在永磁磁极（10），转子励磁绕组（7）布置在铁磁磁极（11）极身。定子开槽产生的谐波磁场在转子谐波绕组（6）中感应谐波电动势，该谐波电动势经二极管整流后直接给转子励磁绕组（7）提供励磁电流。永磁磁极（10）和铁磁磁极（11）的极数之和与定子电枢绕组（3）的极数相同，定子电枢绕组（3）与永磁体（5）和转子励磁绕组（7）相对应，产生电磁感应作用，相当于一台旋转磁极的同步电机。
发电机空载运行时，永磁体（5）和转子励磁绕组（7）共同产生励磁磁动势，建立空载气隙磁场，由于转子谐波绕组（6）仅布置在永磁磁极（10）中心线一侧靠近q轴的位置，此时谐波电动势较小。发电机负载运行时，永磁体（5）、转子励磁绕组（7）以及定子电枢绕组（3）共同建立气隙磁场，由于电枢反应的交磁作用，气隙磁场的空间分布会偏移磁极中心线(d轴)一定的角度，使得与转子谐波绕组（6）相对应的谐波磁场比空载时大，相应地，谐波电动势也更大，从而补偿电枢反应的去磁作用，以保证发电机端电压的恒定。
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、该混合励磁永磁电机的谐波电动势是永磁磁动势作用在定子齿谐波磁导上产生的谐波磁场感应得到，解决了传统谐波励磁同步电机起励时间长或需要专门的起励装置的问题，具备自励的能力。
2、该混合励磁永磁电机通过合理设计永磁磁极上谐波绕组的位置和匝数，在无刷无交流励磁机以及无电压调节器的情况下，实现了发电机的恒压输出。
3、该混合励磁永磁电机由于永磁体的存在，所需谐波励磁功率较小，保持了永磁电机的高效率和高功率密度的优点。
附图说明
图1是本发明的谐波自励恒压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为定子电枢绕组，4为转子铁芯，5为永磁体， 7为转子励磁绕组，8为转轴，10为永磁磁极，11为铁磁磁极，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为定子电枢绕组，4为转子铁芯，5为永磁体，6为转子谐波绕组，7为转子励磁绕组，8为转轴，9为定子槽，10为永磁磁极，11为铁磁磁极，12为转子槽。
图3是本发明的电路原理图。
图4是本发明考虑定子开槽的空载气隙磁密空间分布波形。
图5是本发明空载运行时定子开槽产生的谐波磁密空间分布波形。
图6是本发明考虑定子开槽的负载气隙磁密空间分布波形。
图7是本发明负载运行时定子开槽产生的谐波磁密空间分布波形。
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-图3可知，本发明的谐波自励恒压混合励磁永磁电机，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内布置有定子电枢绕组3。机壳1与定子铁芯2固定不动。机壳1内配置有转轴8，转轴8通过轴承13与机壳1连接。转轴8上配置转子铁芯4，转子铁芯4由永磁磁极10和铁磁磁极11组成，永磁磁极10采用不均匀气隙，磁极顶部的气隙较小，磁极两侧的气隙较大，每个永磁磁极10嵌有呈V字型排列的永磁体5，永磁体5关于永磁磁极10中心线对称分布，永磁磁极10中心线的右侧沿圆周方向靠近q轴开槽12，开槽的具体位置与发电机内阻抗和负载性质有关，转子谐波绕组6布置在永磁磁极10开设的槽12中，转子励磁绕组7套在铁磁磁极11极身，转子谐波绕组6和转子励磁绕组7通过二极管整流电路直接相连。转子铁芯4、永磁体5、转子谐波绕组6和转子励磁绕组7可一起随转轴8在定子铁芯2内旋转。
本发明的工作原理是：当发电机空载运行时，转轴7逆时针方向以同步速旋转，永磁体5和转子励磁绕组7共同产生励磁磁动势，建立空载气隙磁场，图4为考虑定子开槽的空载气隙磁密空间分布波形，图5为空载运行时定子开槽产生的谐波磁密空间分布波形。由图5可知，由于转子谐波绕组6布置在永磁磁极10中心线右侧靠近q轴的位置，谐波磁密较小，相应地，谐波电动势也较小。发电机负载运行时，永磁体5、转子励磁绕组7以及定子电枢绕组3共同建立气隙磁场，由于电枢反应的交磁作用，气隙磁场的空间分布相对磁极中心线(d轴)偏移一定的角度，如图6所示。图7为负载运行时定子开槽产生的谐波磁密空间分布波形，由图5和图7的对比可知，与转子谐波绕组6相对应的谐波磁场比空载时大，相应地，谐波电动势也比空载时大，从而可以补偿电枢反应的去磁作用，实现保证发电机的恒压输出。
本发明用作发电机时，定子电枢绕组3与负载相连，用作电动机时，定子电枢绕组3与驱动电源相连。

Claims (5)

1.一种谐波自励恒压混合励磁永磁电机，包括一机壳（1），其特征是机壳（1）内装有由定子铁芯（2）、定子电枢绕组（3）组成的定子和由转子铁芯（4）、永磁体（5）、转子谐波绕组（6）、转子励磁绕组（7）和转轴（8）组成的转子；定子铁芯（2）内圆表面均匀开槽（9），定子电枢绕组（3）分布于定子铁芯（2）上沿圆周方向均匀开设的槽（9）中，转子铁芯（4）由永磁磁极（10）和铁磁磁极（11）组成，永磁磁极（10）采用不均匀气隙，磁极顶部的气隙较小，磁极两侧的气隙较大，每个永磁磁极（10）以内置方式嵌有永磁体（5），永磁体（5）关于永磁磁极（10）中心线对称分布，永磁磁极（10）中心线的一侧沿圆周方向开槽（12），且铁磁磁极（11）表面不开槽，转子谐波绕组（6）仅布置在永磁磁极（10）中心线一侧靠近q轴位置开设的槽（12）中，转子励磁绕组（7）套在铁磁磁极（11）极身，转子谐波绕组（6）和转子励磁绕组（7）通过二极管整流电路直接相连，发电机空载运行时，永磁体（5）和转子励磁绕组（7）共同产生励磁磁动势，建立空载气隙磁场，由于转子谐波绕组（6）仅布置在永磁磁极（10）中心线一侧靠近q轴的位置，此时谐波电动势较小，发电机负载运行时，永磁体（5）、转子励磁绕组（7）以及定子电枢绕组（3）共同建立气隙磁场，由于电枢反应的交磁作用，气隙磁场的空间分布会偏移磁极中心线(d轴)一定的角度，使得与转子谐波绕组（6）相对应的谐波磁场比空载时大，相应地，谐波电动势也更大，从而补偿电枢反应的去磁作用，以保证发电机端电压的恒定。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征是所述的定子电枢绕组（3）为多相对称绕组或单相绕组。
3.根据权利要求1所述的电机，其特征是所述的永磁磁极（10）与铁磁磁极（11）的数量根据电压调节范围确定。
4.根据权利要求1所述的电机，其特征是所述的电机为内转子电机或者外转子电机。
5.根据权利要求1所述的电机，其特征是所述的电机为旋转磁极式电机或者旋转电枢式电机。
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