CN1710787A - 切向磁钢混合励磁同步电机 - Google Patents

Abstract

一种切向磁钢混合励磁同步电机，属混合励磁同步电机，其构成是：在由电枢绕组(4)、电枢铁心(5)组成的定子和装有转轴(9)且由N极磁轭(11)、S极磁轭(12)与切向磁化永磁体(7)组成的转子所构成的普通切向结构永同步电机的基础上，将转子的N极磁轭(11)与S极磁轭(12)分别向两端延伸，对应于转子的延伸部分，定子上设置有励磁绕组(3)及相应的环形励磁磁桥(2)。上述结构均装于机壳(1)内，机壳(1)应为导磁材料。本切向磁钢混合励磁同步电机与现有技术相比，附加气隙小，漏磁小，电励磁效率高，便于电机结构优化设计，达到最佳应用和节能效果。无励磁电流时，电机处于弱磁状态，避免了普通永磁同步电机弱磁时，磁钢被退磁的危险。本发明适合于可调压发电机和宽调速电动机。

Description

切向磁钢混合励磁同步电机

技术领域

本发明涉及一种混合励磁同步电机

技术背景

莫斯科航空学院巴拉古诺夫教授在1988年提出并联磁势混合励磁同步发电机的结构。定子和普通同步电机相同，转子分为两部分，一部分为永磁励磁，另一部分为电励磁。该电机特点：电励磁部分为爪极结构，附加气隙多，轴向磁路，漏磁大，电励磁功能受制约。

日本T.Mizuno博士等提出了轴向/径向磁路混合励磁同步发电机。该电机的定子电枢绕组为通常的三相对称绕组，定子铁心被定子环形直流励磁绕组分成两段，这两段铁心由其外的背轭(用于轴向导磁的机壳)在机械上和磁上连接；转子也分成两部分：N极端和S极端，每极端由同极性永磁极和铁心形成的中间极交错排列，且两端的N、S永磁极及中间极也交错排列。转子铁心及转轴间有一实心导磁套简(转子背轭)，用于转子的轴向导磁。该电机特点：附加气隙多，但为固定气隙；存在轴向/径向磁路，电机结构优化受约束。

美国威斯康星-麦迪逊大学的Lipo教授等提出了一种轴向磁场中间磁极混合励磁电机结构。它由二个开槽的环形定子铁芯(其中嵌有多相电枢绕组)、二个盘式转子、一个直流励磁绕组构成。在转子表面交错排列着永磁极和铁芯形成的中间极。这种电机由于采用了中间极，加上定、转子铁芯均被分为两段，附加气隙多，功率密度和材料利用率难以提高。

还有一种混合励磁双凸极电机，它是在双凸极永磁电机的基础上演变出来的，保留了双凸极永磁电机的全部优点。该电机可以通过控制励磁电流的方向和大小，调节气隙磁场。但电励磁回路穿越永磁体，电励磁效率低。

香港大学陈清泉、上海工业大学江建中教授等提出了一种爪极式混合励磁同步电机。该电机的外定子与普通电机的定子类似，槽中嵌有多相对称绕组，转子采用爪极结构，在相邻的两个爪极之间放置永磁体，在内定子上放有环形直流励磁绕组。由于直流励磁绕组置于由爪极的内、外单元所形成的区域内，空间利用率高，结构紧凑。但由于存在轴向磁路，电励磁效率低。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种具有轴向/径向磁路和附加气隙的电机。该电机的电励磁效率高，且便于电机结构的优化设计，以达到最佳节能效果。

本发明的切向磁钢混合励磁同步电机的构成是在切向磁钢同步电机的基础上，将转子的N极磁轭或S极磁轭或N极磁轭和S极磁轭进行轴向延伸，对应于转子延伸的导磁体，定子上设置有励磁绕组及相应的环形磁桥结构。因此，定子上除了有普通切向磁钢同步电机的电枢绕组之外，还设有环形磁桥结构和励磁绕组。

本切向磁钢混合励磁同步电机的具体构成，包括在导磁的机壳内装有由电枢铁心和电枢绕组组成的定子和装有转轴由N极磁轭、S极磁轭以及切向磁化永磁体组成的转子所构成的切向磁钢同步电机，其特点是还包括转子的N极磁轭具有N极磁轭的延伸导磁体和S极磁轭具有S极磁轭的延伸导磁体，与延伸导磁体相对应在定子电枢铁心两端设置嵌绕励磁绕组的环形励磁磁桥。

与现有技术相比，本切向磁钢混合励磁同步电机具有如下特点：

(1)根据应用场合，可以调整电励磁与永磁部分铁芯长度的比例。便于实现电机结构的优化设计，达到最佳的节能效果。

(2)在不通励磁电流时，该电机与普通切向磁钢同步电机相比处于弱磁状态。另外，励磁电流可以双向控制，可适应宽的运行速度要求。

(3)与现有的混合励磁电机相比，虽然存在轴向磁路和附加气隙，但电励磁效率高。

附图说明

图1是2对极切向磁钢混合励磁同步电机结构示意图。

图2是图1中A-A截面图。

图3是转子的磁轭结构。

图4是切向磁钢混合励磁同步电机等效磁路示意图。

图1-3中标号名称：1、机壳；2、环形励磁磁桥；3、励磁绕组；4、电枢绕组；5、电枢铁心；6、S极磁轭延伸导磁体；7、永磁体；8、N极磁轭延伸导磁体；9、转轴；10、隔磁结构；11、N极磁轭；12、S极磁轭。

具体实施方式

由图1可知，本发明的切向磁钢混合励磁同步电机的组成是，由中间部分的普通的切向磁钢永磁励磁同步电机和两边的电励磁部分组成。即在由电枢绕组4、电枢铁心5组成的定子和装有转轴9且由N极磁轭11、S极磁轭12与切向磁化永磁体7组成的转子所构成的普通切向结构永同步电机的基础上，将转子的N极磁轭11与S极磁轭12分别向两端延伸，形成如图3结构。对应于转子的延伸部分，定子上设置有励磁绕组3及相应的环形励磁磁桥2。上述结构均装于机壳1内，机壳1应为导磁材料。

另外，可以只将转子的N极磁轭或S极磁轭延伸以得到不同性能的混合励磁同步电机。还可以根据需要取消或设置隔磁结构10。

切向磁钢混合励磁同步电机的工作原理

切向磁钢混合励磁同步电机既可以作为发电机，也可以作为电动机。可以根据图4所示的等效磁路来分析该电机的工作原理。

将N极相对的气隙磁阻标记为R_N；将S极相对的气隙磁阻标记为R_S；将永磁体的磁阻标记为R_PM；附加气隙的磁阻标记为R_f；与附加气隙串联的机壳磁路、励磁结构磁路等的磁阻标记为R_Ff；永磁体提供的磁势为E_PM；励磁绕组提供的磁势为U_N和U_S。励磁磁势和永磁磁势在主气隙中形成并联的关系。

一般情况下，R_N＝R_S＝R_NS。

从等效磁路容易推导出N极相对的气隙磁通为：

${\mathrm{\φ}}_N=\frac{E_{\mathrm{PM}}}{2R_{\mathrm{NS}}+R_{\mathrm{PM}}+\frac{R_{\mathrm{NS}}\·R_{\mathrm{PM}}}{R_f+R_{\mathrm{Ff}}}}+\frac{U_N}{R_{\mathrm{NS}}+R_f+R_{\mathrm{Ff}}+R_{\mathrm{NS}}\·\frac{R_f+R_{\mathrm{Ff}}}{R_{\mathrm{PM}}+(R_f+R_{\mathrm{Ff}})//R_{\mathrm{NS}}}}$

$\frac{U_S}{(R_{\mathrm{NS}}+R_f+R_{\mathrm{Ff}})[2+\frac{R_{\mathrm{PM}}}{(R_f+R_{\mathrm{Ff}})//R_{\mathrm{NS}}}]}$

S极相对的气隙磁通为：

${\mathrm{\φ}}_S=\frac{E_{\mathrm{PM}}}{2R_{\mathrm{NS}}+R_{\mathrm{PM}}+\frac{R_{\mathrm{NS}}\·R_{\mathrm{PM}}}{R_f+R_{\mathrm{Ff}}}}+\frac{U_S}{R_{\mathrm{NS}}+R_f+R_{\mathrm{Ff}}+R_{\mathrm{NS}}\·\frac{R_f+R_{\mathrm{Ff}}}{R_{\mathrm{PM}}+(R_f+R_{\mathrm{Ff}})//R_{\mathrm{NS}}}}$

$\frac{U_N}{(R_{\mathrm{NS}}+R_f+R_{\mathrm{Ff}})[2+\frac{R_{\mathrm{PM}}}{(R_f+R_{\mathrm{Ff}})//R_{\mathrm{NS}}}]}$

适当设计电机的结构尺寸，可以使得R_PM，R_NS和(R_f+R_Ff)有合理的数值。改变励磁电流将可以有效地控制气隙磁场的强弱。

切向磁钢混合励磁同步电机的优点

(1)当不加励磁时，主磁极下的磁场处于弱磁状态。可以通过调整主气隙长度和附加气隙长度及主磁极轴向长度与励磁磁极轴向长度来调节弱磁的程度。减小永磁体被退磁的可能性。

(2)当加励磁电流时，阻碍了附加气隙的磁通，使主气隙的磁通增加，起到增磁的效果。而增磁时需要的励磁安匝比起普通电励磁同步电机要小，因此要更节能；相比永磁同步电机，励磁磁场易于调节，容易实现宽的调速范围。

Claims (1)

1.一种切向磁钢混合励磁同步电机，包括在导磁的机壳(1)内装有由电枢铁心(5)和电枢绕组(4)组成的定子和装有转轴(9)由N极磁轭(11)、S极磁轭(12)以及切向磁化永磁体(7)组成的置于定子内的转子所构成的切向磁钢同步电机，其特征在于：还包括转子的N极磁轭(11)具有N极磁轭的延伸导磁体(8)和S极磁轭(12)具有S极磁轭的延伸导磁体(6)，与转子的延伸导磁体相对应在定子电枢铁心(5)两端设置嵌绕励磁绕组(3)的环形励磁磁桥(2)。

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