CN1808845A - 旁路式混合励磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旁路式混合励磁电机。它包含有壳体、两个端盖、两套直接励磁绕组、定子和转子，转子表面磁极由永磁极和铁磁性转子磁极交错排列构成，有两套直流励磁绕组分别安置在左右两个端盖内，壳体和端盖由导磁材料制成，转轴为非铁磁性材料制成。本发明采用磁通旁路方法调节气隙磁通，既可改变感应电势大小，又能避免对磁钢去磁的危害。

Description

旁路式混合励磁电机

技术领域

本发明涉及一种电机，特别是一种利用磁通旁路方法来控制气隙磁场的混合励磁电机。

背景技术：

我国稀土资源丰富，开发应用永磁节能电机具有重大的战略意义。“十五”期间，永磁风力发电机系统与电动汽车用永磁电机驱动系统列入国家863重大计划已取得快速发展；目前，风力发电与混合动力汽车已成为人们关注的热点之一。在研究风力发电与全电或混合动力汽车用宽调速永磁电机驱动系统和永磁发电机系统磁场控制技术的过程中，促使研究者深入思考与探索永磁电机的磁场控制技术和混合励磁结构，使得永磁电机设计理念不断产生新的变革和创新，导致了永磁电机结构、机理、设计、性能和制造技术方面的革命，逐渐形成新概念永磁电机家族。永磁电机优点很多，但励磁调节困难。一般的IPM电机采用矢量控制技术，通过增加定子电流直轴去磁分量来减弱磁通，达到改变线圈感应电势的目的。但随着直轴去磁电流的不断增大，永磁材料会发生不可逆退磁的危险，降低了电机的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以简单、灵活、经济地调节电机气隙磁场，改变线圈感应电势，且能够避免永磁体产生不可逆去磁的旁路式混合励磁电机。

为了达到上述目的，本发明的构思是：采用磁通旁路的方法调节气隙磁通既可改变感应电势的大小，又能避免对磁钢去磁的危害。旁路式混合励磁电机是根据磁通走磁阻最小路径的原则，通过调节直流励磁电流的大小和方向，来控制旁路磁通的量值，以达到控制主磁通大小的目的。所以，旁路式混合励磁电机在变速发电应用场合可以提供恒压电源；在变速电动应用场合可实现理想的、比一般永磁电机更宽广的恒功率调速范围。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种旁路式混合励磁电机，包括壳体、两个端盖、两套直接励磁绕组、由定子铁芯和电枢绕组构成的定子、以及由固定于转轴上的转子铁芯和转子铁芯表面的磁极构成的转子，其特征在于：

(1)所述的转子表面磁极采用永磁极和铁磁性转子磁极交错排列构成，所有的永磁极有相同的极性；

(2)有两套直接励磁绕组分别安置在所述的左右两个端盖内，两套直接励磁绕组接通的直流电流大小相同方向相反；

(3)所述的壳体和端盖由导磁材料制成，转轴由非铁磁性材料制成。

上述的转子的永磁极和铁磁性转子磁极的个数等于电机的极对数。

上述的左右两个端盖与转子铁芯之间的最小间隙小于定、转子之间气隙的长度。

上述的两个端盖内侧有带有双向侧壁的凸缘，该凸缘的内侧壁与所述的转子铁芯之间形成所述的最小间隙，而其外侧壁与端盖内壁之间形成的环形凹槽内嵌入所述的直流励磁绕组。

其原理如下：

端盖与转子之间的最小间隙(简称第二气隙)小于电机气隙长度，具体见图1。由于铁磁性转子磁极比永磁极的磁阻小得多，根据磁通走磁阻最小路径的原则，直流励磁电流产生的磁通主要经过铁磁性转子磁极、气隙，定子铁芯，壳体、端盖、第二气隙、转子铁芯构成回路，磁路方向由励磁电流方向决定。而永磁磁路的具体路径也通过改变直流励磁电流大小和方向加以控制，可以经过永磁体、气隙、定子铁芯、气隙、铁磁性转子磁极以及转子铁芯构成回路；也可以通过永磁体、气隙、定子铁芯、壳体、端盖、第二气隙、转子铁芯构成回路，即永磁磁通不通过铁磁性转子磁极，而是经过壳体、端盖旁路一定的磁通量。这样，不管直流励磁电流如何变化，永磁极对应的气隙磁密基本保持不变，铁磁性转子磁极对应的气隙磁密则由直流励磁磁通和永磁磁通共同决定，所以，改变直流励磁电流的大小和方向，可以调节铁磁性转子磁极对应的气隙磁密的幅值与方向。

由于电枢绕组的两个有效边分别位于相邻的永磁极与铁磁性转子磁极所对应的位置，当铁磁性转子磁极磁密改变后，线圈感应电势也随之改变。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和优点：

1.由于铁磁性转子磁极对应的气隙磁通双向可控，感应电势的可调范围广。

2.无需对交、直轴电流分量进行控制，控制策略简单。

3.由于直流励磁磁通通过铁磁性转子磁极、气隙、定子铁芯、壳体、端盖、第二气隙和转子铁芯构成回路，不会对永磁体产生不可逆去磁的危害。

4.直流励磁绕组分别安置在左右端盖内，无需电刷，电机可靠性高。

附图说明

图1是旁路式混合励磁电机结构示意图(图中图(a)是旁路式混合励磁电机的轴向剖面图，图(b)是旁路式混合励磁电机转子横截面图)。

图2是直流励磁磁路示意图

图3是永磁磁路示意图(图中图(c)是横截面示意图，图(d)是轴向剖面示意图)。

图4是不同励磁情况下一个线圈的感应电势示意图(图中的图(e)、图(f)和图(g)分别示出不同励磁及其感应电势示意图)。

具体实施方法

下面结合附图和具体实施例对本发明的旁路式混合励磁电机作进一步详细说明：

1)为保证直流励磁磁场的有效控制，在电机制造中必须保证第二气隙小于电机定、转子之间的气隙长度，而且越小越好。在本发明实施例中：将端盖2内侧加工成带有双向侧壁凸缘10形状，凸缘10一侧正好与转子的内圆匹配，保证第二气隙尽可能小，即使电机有纵向串动，也不会影响磁通路径，凸缘10另一侧用于固定直流励磁绕组3、11，具体见图1。

2)由于第二气隙小于电机定、转子间气隙长度，且各永磁极6极性均相同，根据磁路走磁阻最小路径的原则，在没有直流励磁电流的情况下，永磁极6产生的磁通路径为：永磁体6→气隙→定子铁芯8→壳体9→端盖2→第二气隙→转子铁芯4构成回路，具体如图3(d)所示。此时铁磁性转子磁极5对应的气隙磁密基本为零，线圈感应电势等于一条有效边的感应电势，如图4(e)所示。

3)假设永磁体的极性均为N极，磁通从转子通过气隙进入定子。当直流励磁绕组通以某个方向的电流(两套直流励磁绕组电流大小相同方向相反)，使直流励磁磁通路径为：铁磁性转子磁极5出来→气隙→定子铁芯8→壳体9→端盖2→第二气隙→转子铁芯4形成回路，具体如图2所示；永磁磁路同上述2)情况。此时，在相邻的一对极下直流励磁磁通和永磁磁通的方向相同，线圈两条有效边所产生的感应电势反向串联，相互抵消，线圈合成感应电势减小，达到了常规电机通过弱磁来减小绕组感应电势的目的，具体如图4(f)所示。

4)若改变上述3)直流励磁电流的方向，直流励磁磁通的路径同图2，但方向相反。由于直流励磁磁势和永磁磁势方向相反，永磁磁通只能通过永磁体6→气隙→定子铁芯8→气隙→铁磁性转子磁极5→转子铁芯4构成回路，如图3(c)所示。此时，在相邻的极下直流励磁磁通和永磁磁通的方向相反，线圈两条有效边所产生的感应电势正向串联，数值相加，使得线圈合成感应电势增加，达到了常规电机通过助磁来增加线圈感应电势的目的，具体如图4(g)所示。另外，由于端盖2和壳体9是磁路的一部分，且去磁的时候端盖2和壳体9上的磁密最大，因而端盖2与壳体9的壁厚必须以去磁时的磁密情况进行设计。

Claims (4)

1.一种旁路式混合励磁电机，包括壳体(9)、两个端盖(2)、两套直接励磁绕组(3、11)、由定子铁芯(8)和电枢绕组(7)构成的定子、以及由固定于转轴(1)上的转子铁芯(4)和转子铁芯表面的磁极构成的转子，其特征在于：

(1)所述的转子表面磁极采用永磁极(6)和铁磁性转子磁极(5)交错排列构成，所有的永磁极(6)有相同的极性；

(2)有两套直接励磁绕组(3、11)分别安置在所述的左右两个端盖(2)内，两套直接励磁绕组(3、11)接通的直流电流大小相同方向相反；

(3)所述的壳体(9)和端盖(2)由导磁材料制成，转轴(1)由非导磁材料制成。

2.根据权利要求1所述的旁路式混合励磁电机，其特征在于所述的转子的永磁极(6)和铁磁性转子磁极(5)的个数等于电极的极对数。

3.根据权利要求1所述的旁路式混合励磁电机，其特征在于所述的左右两个端盖(2)与转子铁芯(4)之间的最小间隙小于定、转子之间气隙的长度。

4.根据权利要求3所述的旁路式混合励磁电机，其特征在于所述的两个端盖(2)内侧有带有双向侧壁的凸缘(10)，该凸缘(10)的内侧壁与所述的转子铁芯(4)之间形成所述的最小间隙，而其外侧壁与端盖(2)内壁之间形成的环形凹槽内嵌入所述的直流励磁绕组(3、11)。

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