CN111049355B - 一种轴向和径向磁通结合的无刷功率回馈型永磁调速装置 - Google Patents

一种轴向和径向磁通结合的无刷功率回馈型永磁调速装置 Download PDF

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Abstract

一种轴向和径向磁通结合的无刷功率回馈型永磁调速装置，包含一个轴向和径向磁通结合的永磁调速器和一个滑差功率回馈控制单元，永磁调速器包含同心安装的永磁转子、导体转子、三相绕组定子，永磁转子固定于输入轴与原动机相连，导体转子固定于输出轴与负载相连，三相绕组定子与机壳固定在一起，与输出轴通过轴承连接；永磁转子与导体转子之间存在轴向气隙、径向气隙；三相绕组定子与导体转子存在轴向气隙；定子侧绕组与所述滑差功率回馈控制单元连接。本发明提升了调速器的空间利用率，也相应提升了其转矩密度；实现了导体转子滑差功率无刷化的传递到三相绕组定子；将定子侧功率回馈至电网，实现了任意运行工况下调速器的高效运行。

Description

一种轴向和径向磁通结合的无刷功率回馈型永磁调速装置
技术领域
本发明涉及永磁调速器，尤其涉及一种轴向和径向磁通结合的无刷功率回馈型永磁调速装置。
背景技术
随着高性能永磁材料推广应用而迅速发展起来的永磁调速技术，是一种应用于原动机和负载之间的新型电机驱动系统调速节能技术。调速型永磁耦合器有着良好的节能效果，降低了运行成本，还可以实现电机的软起动与软停止的功能。它可以运行在易燃易爆、潮湿、粉尘含量高等恶劣环境中，并且本身是机械结构，能够适应电网质量不稳定、电流变化冲击负载等情况。主要应用于化学工业、石油化工、煤炭水泥、冶金钢铁、舰船等领域的大功率风机、泵类负载的电机驱动系统调速节能。
按照永磁涡流调速装置的主磁通方向可以分为轴向磁通结构（盘式）和径向磁通结构（筒式）两大类。轴向磁通结构的永磁调速装置通常采用调整磁转子与导体转子之间的轴向气隙长度来控制气隙磁场大小，进而控制负载侧的运行速度。而径向磁通结构的永磁涡流调速装置，通常采用改变导体转子和永磁转子之间的耦合面积来控制负载侧的转速。目前已经有相当多的产品应用到工业实践中，有一部分可以实现在线调速。
以上两种主流传统结构的永磁涡流调速装置存在以下不足：（1）均需通过电动执行机构，沿轴向平移永磁转子或者导体转子。调整两个转子相对轴向位置的难度较大，尤其对于轴向结构，磁转子与导体转子之间存在相当大的轴向磁拉力。从而造成了电动执行机构结构复杂，机械强度要求高，占据轴向的空间体积相对较大，作为一款安装在原动机与泵和风机类负载之间应用于调速节能工业改造的产品，具有一定的空间局限性；（2）传统的永磁涡流调速装置通常采用轴向或者径向磁通结构，没有充分发挥调速器空间利用，且传统永磁涡流调速器的导体转子的导体部分通常采用均匀厚度的铜层固定于导体转子铁心表面构成，而导体部分磁导率与空气接近，增加了磁路磁阻，造成了气隙磁场强度减弱，在一定程度上降低了永磁调速器的转矩密度；（3）传统永磁涡流调速器中，永磁转子与导体转子之间的滑差功率转换为导体转子导体部分的涡流损耗，以热能的形式消耗掉，造成了高滑差运行时，调速器本身效率较低的问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种轴向磁通和径向磁通相结合的永磁调速器，充分利用调速器内部空间，提升调速器转矩密度；另外，该调速器还通过导体转子绕组的折叠设计，实现导体转子滑差功率传递到定子侧的无刷化，一方面，可通过电力电子装置控制回馈至电网的滑差功率，实现调速器转矩和转速调节；另一方面，由于滑差功率回馈至电网，重新利用，即实现调速系统宽调速范围内高效运行。
技术方案：为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种轴向和径向磁通结合的无刷功率回馈型永磁调速装置，包含一个轴向和径向磁通结合的永磁调速器和一个滑差功率回馈控制单元，所述永磁调速器包含同心安装的永磁转子、导体转子、三相绕组定子，所述永磁转子固定于输入轴与原动机相连，所述导体转子固定于输出轴与负载相连，所述三相绕组定子与机壳固定在一起，与输出轴通过轴承连接；所述永磁转子与导体转子之间存在轴向气隙、径向气隙；所述三相绕组定子与导体转子存在轴向气隙；定子侧绕组与所述滑差功率回馈控制单元连接。
优选的是，本发明的永磁转子为轴向磁通和径向磁通相结合的结构，由轴向充磁永磁体套件和径向充磁永磁体套件分别安装于盘式背铁铁心和筒式背铁铁心构成，且盘式背铁铁心和筒式背铁铁心固定在一起，构成永磁转子背铁铁心。
优选的是，本发明的导体转子由弯折的集中式绕组镶嵌于导体转子背铁铁心的永磁转子侧径向槽、永磁转子侧轴向槽和定子侧径向槽中构成。
优选的是，本发明的轴向气隙位于轴向充磁永磁套件与集中式绕组之间。
优选的是，本发明的径向气隙位于径向充磁永磁套件与集中式绕组之间。
优选的是，本发明的绕组定子由集中式绕组镶嵌于盘式定子铁心径向槽中构成。
优选的是，本发明的永磁转子和导体转子轴向相对位置固定，径向和轴向气隙长度保持不变，且两者存在相对旋转运动。
优选的是，本发明的永磁转子采用极性交替的面贴式永磁布置方式。
优选的是，本发明的滑差功率回馈控制单元采用交-直-交的电力电子功率变换控制。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
（1）本发明通过轴向磁通和径向磁通相结合的方法，提升了永磁调速器的空间利用率，区别于现有技术中采用单纯采用轴向磁通或者径向磁通结构，永磁调速器转矩密度提升效果有限；
（2）本发明通过弯折集中绕组的设计，将导体转子中的滑差功率，通过与定子侧三相绕组的电磁耦合，传递给定子侧，实现了导体转子滑差功率传递的无刷化。
（3）本发明将定子侧滑差的功率，通过滑差功率回馈控制单元，回馈至电网，提升整个调速系统的运行效率，另外，导体转子的滑差功率不再通过热能的形式散发掉，解决了永磁调速器的散热问题。
附图说明
图1为本发明沿轴线的剖面示意图；
图2是本发明永磁转子的结构示意图；
图3是本发明导体转子的结构示意图；
图4是本发明导体转子的铁心结构示意图；
图5是本发明导体转子单元线圈结构示意图；
图6是本发明三相绕组定子的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，一种轴向和径向磁通结合的无刷功率回馈型永磁调速装置，该装置主要包含一个轴向和径向磁通结合的永磁调速器和一个滑差功率回馈控制单元。所述永磁调速器包含同心安装的永磁转子、导体转子和三相绕组定子；所述永磁转子固定于输入轴4与原动机相连，所述导体转子固定于输出轴5与负载相连，所述三相绕组定子与机壳6固定在一起，与输出轴5通过轴承7连接；所述永磁转子由轴向充磁永磁套件101和径向充磁永磁套件102固定于永磁转子背铁铁心103内侧构成；所述导体转子由一种弯折的三相集中绕组201镶嵌于导体转子背铁铁心202的槽中构成；所述永磁转子的轴向充磁永磁套件101与导体转子的弯折的集中式绕组201之间存在轴向气隙8；所述永磁转子的径向充磁永磁套件102与导体转子的弯折的集中式绕组201之间存在径向气隙9；所述三相绕组定子与导体转子存在轴向气隙10，通过轴向磁场耦合，实现导体转子滑差功率无刷化的传输到定子侧。定子侧绕组与所述滑差功率回馈控制单元11连接，通过电力电子功率变换技术，将滑差功率回馈到电网的同时实现调速器转矩和转速的调节。
如图2所示，本发明的永磁转子为轴向磁通和径向磁通相结合的结构，由轴向充磁永磁体套件101和径向充磁永磁体套件102分别安装于盘式背铁铁心104和筒式背铁铁心105构成，且盘式背铁铁心104和筒式背铁铁心105固定在一起，构成永磁转子背铁铁心103。本发明的轴向充磁永磁体套件101和径向充磁永磁体套件102采用充磁极性交替排布的方式，形成交变磁场。
如图3、图4和图5所示，本发明的导体转子由弯折的集中式绕组201镶嵌于导体转子背铁铁心202的永磁转子侧径向槽203、永磁转子侧轴向槽204和定子侧径向槽205中构成。
如图6所示，本发明的三相绕组定子由集中式绕组301镶嵌于盘式定子铁心302径向槽中构成。
如图1所示，本发明的永磁转子和导体转子轴向相对位置固定，径向和轴向气隙长度保持不变，且两者存在相对旋转运动。
如图2所示，本发明的永磁转子采用极性交替的面贴式永磁布置方式。
本发明通过轴向磁通和径向磁通相结合的方法，提升了永磁调速器的空间利用率，该新型调速器的转矩密度大大提升，区别于现有技术中采用单纯采用轴向磁通或者径向磁通结构，永磁调速器转矩密度提升效果有限；通过弯折集中绕组的设计，将导体转子中的滑差功率，通过与定子侧三相绕组的电磁耦合，传递给定子侧，实现了导体转子滑差功率传递的无刷化。定子侧的滑差功率，通过滑差功率回馈控制单元，本发明的滑差功率回馈控制单元采用交-直-交的电力电子功率变换控制，回馈至电网，提升整个调速系统的运行效率，另外，导体转子的滑差功率不再通过热能的形式散发掉，解决了永磁调速器的散热问题。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特点和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界。

Claims (7)

1.一种轴向和径向磁通结合的无刷功率回馈型永磁调速装置，其特征在于包含一个轴向和径向磁通结合的永磁调速器和一个滑差功率回馈控制单元（11），所述永磁调速器包含同心安装的永磁转子、导体转子、三相绕组定子，所述永磁转子固定于输入轴（4）与原动机相连，所述导体转子固定于输出轴（5）与负载相连，所述三相绕组定子与机壳（6）固定在一起，与输出轴（5）通过轴承（7）连接；所述永磁转子与导体转子之间存在轴向气隙（8）、径向气隙（9）；所述三相绕组定子与导体转子存在轴向气隙（10）；定子侧绕组与所述滑差功率回馈控制单元（11）连接；永磁转子为轴向磁通和径向磁通相结合的结构，由轴向充磁永磁体套件（101）和径向充磁永磁体套件（102）分别安装于盘式背铁铁心（104）和筒式背铁铁心（105）构成，且盘式背铁铁心（104）和筒式背铁铁心（105）固定在一起，构成永磁转子背铁铁心（103）；导体转子由弯折的集中式绕组（201）镶嵌于导体转子背铁铁心（202）的永磁转子侧径向槽（203）、永磁转子侧轴向槽（204）和定子侧径向槽（205）中构成。
2.根据权利要求1所述的轴向和径向磁通结合的无刷功率回馈型永磁调速装置，其特征在于：上述轴向气隙（8）位于轴向充磁永磁套件（101）与集中式绕组（201）之间。
3.根据权利要求1所述的轴向和径向磁通结合的无刷功率回馈型永磁调速装置，其特征在于：上述径向气隙（9）位于径向充磁永磁套件（102）与集中式绕组（201）之间。
4.根据权利要求1所述的轴向和径向磁通结合的无刷功率回馈型永磁调速装置，其特征在于：上述绕组定子（3）由集中式绕组（301）镶嵌于盘式定子铁心（302）径向槽中构成。
5.根据权利要求1所述的轴向和径向磁通结合的无刷功率回馈型永磁调速装置，其特征在于：上述永磁转子和导体转子轴向相对位置固定，径向和轴向气隙长度保持不变，且两者存在相对旋转运动。
6.根据权利要求1所述的轴向和径向磁通结合的无刷功率回馈型永磁调速装置，其特征在于：上述永磁转子采用极性交替的面贴式永磁布置方式。
7.根据权利要求1所述的轴向和径向磁通结合的无刷功率回馈型永磁调速装置，其特征在于：上述滑差功率回馈控制单元（11）采用交-直-交的电力电子功率变换控制。
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