CN110838779A - 一种混合励磁绕线转子及混合励磁绕线式同步电机 - Google Patents

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张利勃
刘炎
刘聪
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Abstract

本发明公开了一种混合励磁绕线转子及混合励磁绕线式同步电机,包括:位于转子中心的转轴,所述转轴外设置转子铁心,所述转子铁心上设置设定数量的凸极,每个凸极两侧上缠绕线圈形成转子励磁绕组,每个凸极的几何中心线的电机转子旋转运动方向的反向一侧表面安装永磁体,整个转子的永磁体呈非对称分布。本发明混合励磁绕线转子可有效利用直流励磁转矩和永磁转矩,并且永磁体非对称设计不仅增加电机的凸极比而增大磁阻转矩,而且使得电机的直流励磁转矩、永磁转矩和磁阻转矩在相同或相近的电流相位角处叠加而提升电磁转矩,进而提升本发明混合励磁绕线式同步电机的转矩密度、效率和功率因数等电磁性能。

Description

一种混合励磁绕线转子及混合励磁绕线式同步电机
技术领域
本发明涉及混合励磁同步电机技术领域,尤其涉及一种混合励磁绕线转子及混合励磁绕线式同步电机。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息,不必然构成在先技术。
近年来,永磁同步电机以其高转矩密度和高效率引起了人们的广泛关注。然而,由于稀土永磁材料价格昂贵,因此开发稀土永磁体用量少或无稀土永磁体的高性能电机势在必行。绕线转子同步电机不依赖永磁材料,成本低、稳定性强,但性能相对较低。很多研究人员提出了大量的技术来改进绕线转子同步电机的性能,但与永磁同步电机的性能依然差距很大。集合了两种电机优点的混合励磁绕线转子同步电机因其提高了转矩密度、效率和具有较好的弱磁能力而受到越来越多的关注。传统的混合励磁绕线式同步电机的设计是基于对称的永磁体和励磁绕组的转子结构,这也使得电机对各转矩成分不能充分利用。
发明内容
本发明为了解决上述问题,提出了一种混合励磁绕线转子及混合励磁绕线式同步电机,充分利用了直流励磁转矩、永磁转矩和磁阻转矩,提高了电机的转矩密度、效率和功率因数。
在一些实施方式中,采用如下技术方案:
一种混合励磁绕线转子,包括:位于转子中心的转轴,所述转轴外设置转子铁心,所述转子铁心上设置设定数量的凸极,每个凸极上缠绕线圈形成转子励磁绕组,每个凸极的几何中心线沿电机转子旋转运动方向的反向一侧安装表贴式永磁体,整个转子的永磁体呈非对称分布。
进一步地,所述转子铁心由硅钢片叠压制作而成。
进一步地,所述永磁体为钕铁硼永磁体或其他永磁体材料。
进一步地,所述永磁体为瓦片形。
进一步地,所述永磁体充磁方向沿径向方向向外或者向里充磁,相邻两磁极上永磁体的充磁方向相反。
进一步地,所述转子励磁绕组通电流后产生的磁动势方向与磁极上安装永磁体的充磁方向相同。
在另一些实施方式中,采用如下技术方案:
一种混合励磁绕线式同步电机,包括:定子部分和转子部分,所述转子部分采用上述的混合励磁绕线转子。
进一步地,所述定子部分包括:定子铁心和定子绕组,所述定子铁心为圆筒状,沿转轴方向延伸。
进一步地,所述定子铁心的内周上沿着圆周方向等间隔设置设定数量的定子槽,所述定子槽从定子铁心侧向转轴方向延伸成凸状;所述定子槽中设置三相定子绕组。
进一步地,定子铁心和转子铁心之间行成环状气隙间隔。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明混合励磁绕组转子可同时输出直流励磁转矩、永磁转矩和磁阻转矩,显著提高电机的转矩、效率和功率因数等电磁性能。
本发明混合励磁转子凸极侧的永磁体设计安装具有非对称性,该非对称结构可以优化传统绕线转子同步电机和永磁同步电机的转矩成分叠加关系,使得本发明混合励磁绕线式同步电机的直流励磁转矩、永磁转矩和磁阻转矩在相同或相近的电流相位角处进行叠加,从而提高电机对其转矩成分的利用率,在不改变电机尺寸的前提下,提高电机的转矩输出,进一步的提高电机的转矩密度、效率及功率因数等整体性。
本发明混合励磁转子采用永磁体和直流绕线线圈分别作为励磁源,两种励磁源的配合使用可以全面的提升电机的性能,在本发明中,把两种励磁源产生的直流励磁转矩和永磁转矩统称为励磁转矩。永磁体的非对称安装提高各转矩成分利用率,提升整体的转矩输出;绕线线圈的使用使得转子磁链具有易控制的特点,可以更方便的实现电机的弱磁升速,同时控制转子绕线的电流还可以在保证定子侧电流不发生变化的情况下增大电机的转矩输出,使得电机的性能更加稳定。
附图说明
图1是本发明实施例一中27槽4极高电磁性能混合励磁绕线转子同步电机垂直于转轴的剖面结构图;
图2是本发明实施例一中标注了永磁体充磁方向和绕组通电电流的转子剖面结构图;
图3是本发明实施例一中混合励磁绕线转子一个磁极剖面结构图;
图4为本发明实例电机的转矩特性曲线;
图5为作为对比用的传统绕线式同步电机、混合励磁式同步电机或凸极永磁同步电机的转矩特性图;
其中,1.定子铁心,2.定子绕组,3.气隙,4.转子固定螺丝,5.转子励磁绕组,6.转子铁心,7.永磁体,8.转轴,9.直流励磁转矩和永磁转矩(或合称励磁转矩),10.磁阻转矩,11.电磁转矩。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明,本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中,公开了一种混合励磁绕线转子,应用于绕线式永磁电机中,该转子包括转轴8,固定于转轴8上的转子铁心6,转子铁心6上的绕组线圈,以及安装在转子凸极端部的永磁体7。每个凸极上安装一套绕组线圈,用于产生转子磁动势。每个凸极端部的几何中心线沿电机转子旋转运动方向的反向一侧安装一块瓦片形永磁体7,该永磁体7使该转子具有非对称性。所述转子部分的铁心由冷轧硅钢片轴向叠压而成。转子铁心6上的绕组通过电刷滑环接入直流电源,电流通过绕组产生转子磁动势。
电机部分,包括上述混合励磁绕线转子、定子铁心1、定子绕组2,定子铁心1由硅钢片叠压而成。定子绕组2由线圈构成。定子绕组2通三相交流电,产生定子磁动势。
本实施例采用27槽4极分布式绕组结构对本发明转子结构以及电机结构进行说明,但并不表明该电机只能使用27槽4极的结构分布式绕组,定子槽数、转子极数以及线圈的绕组形式都可以改变,只要保证转子结构按上述形式设计所得到的转子均属于该专利的保护范围。
参照图2和图3,转子部分包含:转子固定螺丝4、转子励磁绕组5、转子铁心6、钕铁硼材料制成的瓦片形永磁体7和转轴8。转轴8位于转子中心,两端通过轴承固定在机壳上。转子铁心6由硅钢片叠压制作而成。本实施方式采用永磁体7励磁与线圈励磁两种励磁方式混合的励磁方式,在转子铁心6设置分成4个凸极。每个凸极上缠绕线圈形成转子励磁绕组5,钕铁硼材料制成的瓦片形永磁体7表贴于每个凸极的几何中心线沿电机转子旋转运动方向的反向一侧,呈非对称分布。
当然,永磁体7也可以采用其他形式的永磁体7材料,比如:钐钴永磁体7、铝镍钴永磁体7或者铁氧体永磁体7等。
图2表示第一实施方式所涉及的高性能混合励磁绕线式同步电机标注了永磁体7充磁方向和绕组通电电流方向的转子剖面结构图。
永磁体7在凸极的安装位置呈非对称分布,使得转子结构具有非对称性,转子的非对称结构能够改变直流励磁转矩、永磁转矩和磁阻转矩10的耦合叠加关系,使电枢反应转矩和磁阻转矩10的最大值在相同或者相近的电流相位角处叠加,从而提高电机对这两种转矩成分的利用率,使电机输出的电磁转矩11获得显著提高。永磁体7位于转子凸极端部中心线沿电机转子旋转运动方向的反向一侧,本实例中永磁跨度为30电角度,充磁方向沿径向方向向外或者向里充磁,相邻两磁极上永磁体7的充磁相反。如:钕铁硼永磁体7-1充磁方向沿径向方向向外充磁、永磁体7-2充磁方向为沿径向方向向里充磁。转子绕组接入直流电源,电流从绕组一侧流入,另一侧流出,为说明清楚图2中,转子绕组线圈中×表示电流流入、·表示电流流出,如转子绕组线圈5-1为电流流入端,转子绕组线圈5-2为电流流出端。在转子绕组通电流后产生的磁动势方向应与磁极上安装永磁体7的充磁方向相同。
图3为表示第一实施方式所涉及的混合励磁绕线转子一个磁极剖面结构图。每个凸极上安装永磁体7,凸极极身两侧缠绕转子励磁绕组5,共同为转子提供磁动势,永磁体7位于转子凸极端部中心线沿电机转子旋转运动方向的反向一侧,本实例中永磁跨度为30电角度。转子由四个结构相同的磁极组成且相邻两个磁极的永磁体的充磁方向相反。转子非对称结构使励磁转矩和磁阻转矩10的最大值在相同或者相近的电流相位处叠加,以提高电机的输出转矩。
实施例二
在一个或多个实施方式中,公开了一种混合励磁绕线式同步电机,参照图1,高性能混合励磁绕线式同步电机在外壳的内部具有定子部分和转子部分。
其中,转子部分采用实施例一中公开的转子部分结构。
定子部分包含:定子铁心1、定子绕组2。定子铁心1是在转轴8方向上通过叠压硅钢片构成的,该硅钢片是为了降低涡流损耗而在铁中添加硅而制成的薄板。定子铁心1为圆筒状,且在转轴8的转轴8方向上延伸。定子槽在定子的内周上沿着圆周方向等间隔排列,从定子铁心1侧向转轴8方向延伸成凸状。本实施方式设置了27个定子槽,同时在定子槽中设置了三相定子绕组2。三相定子绕组2采用分布式绕组布线,定子铁心1和转子铁心6之间行成环状气隙3间隔。
图4给出了高性能混合励磁绕线式同步电机正常运行时,以两种励磁源产生的励磁转矩最大值对励磁转矩进行标幺化和磁阻转矩10最大值对磁阻转矩10进行标幺化,通过非对称混合励磁绕线转子改变电机的转子励磁转矩和磁阻转矩10的耦合叠加关系,使转子励磁源产生的励磁转矩和磁阻转矩10的最大值能够在相同或相近的电流相位角处叠加,对转矩成分充分利用,电磁转矩11达到2的示意图。
图4中,标号9代表直流励磁转矩和永磁转矩,或者合称励磁转矩。
作为对比,图5给出了传统绕线式同步电机、混合励磁式同步电机或凸极永磁同步电机的转矩特性图。图中励磁转矩和磁阻转矩10的最大值所对应的电流相位角相差45电角度,转矩成分仅能部分利用。按上述方法进行标幺化处理,电磁转矩11最大仅为1.76。
本实施例混合励磁绕线式同步电机的转子分别采用永磁体7和绕线线圈两种方式励磁,同时永磁体7在转子每一极呈非对称形式安装。该电机不仅具有励磁可调的特点,同时还具增强电机凸极比,提高电机各转矩成分利用率的特点。在不改变电机尺寸、材料及输入条件的前提下,使电机的电磁转矩11获得显著提高,从而进一步提高电机的转矩密度、效率及功率因数等整体性能。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种混合励磁绕线转子,包括:位于转子中心的转轴,所述转轴外设置转子铁心,其特征在于,所述转子铁心上设置多个凸极,每个凸极上缠绕线圈形成转子励磁绕组,每个凸极的几何中心线的电机转子旋转方向的反向一侧表面安装永磁体,整个转子的永磁体呈非对称分布。
2.如权利要求1所述的一种混合励磁绕线转子,其特征在于,所述转子铁心由硅钢片叠压制作而成。
3.如权利要求1所述的一种混合励磁绕线转子,其特征在于,所述永磁体为钕铁硼永磁体或其他永磁体。
4.如权利要求1所述的一种混合励磁绕线转子,其特征在于,所述永磁体为瓦片形且在凸极上呈非对称分布。
5.如权利要求1所述的一种混合励磁绕线转子,其特征在于,所述永磁体充磁方向沿径向方向向外或者向里充磁,相邻两磁极上永磁体的充磁相反。
6.如权利要求1所述的一种混合励磁绕线转子,其特征在于,所述转子励磁绕组通电流后产生的磁动势方向与磁极上安装永磁体的充磁方向相同。
7.一种混合励磁绕线式同步电机,包括:定子部分和转子部分,其特征在于,所述转子部分采用权利要求1-6任一项所述的混合励磁绕线转子。
8.如权利要求7所述的一种混合励磁绕线式同步电机,其特征在于,所述定子部分包括:定子铁心和定子绕组,所述定子铁心为圆筒状,沿转轴方向延伸。
9.如权利要求8所述的一种混合励磁绕线式同步电机,其特征在于,所述定子铁心的内周上沿着圆周方向等间隔设置若干定子槽,所述定子槽从定子铁心侧向转轴方向延伸成凸状;所述定子槽中设置三相定子绕组。
10.如权利要求8所述的一种混合励磁绕线式同步电机,其特征在于,定子铁心和转子铁心之间行成环状气隙间隔。
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