CN100370680C - 混合励磁永磁同步发电机 - Google Patents
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Abstract
一种混合励磁永磁同步发电机，属于电动机技术领域。包括壳体、定子铁心、直流励磁绕组、转子铁心、转轴、定子电枢绕组及永磁体，定子铁心与转子铁心均沿轴向分成两段，分段的定子铁心分别与壳体相连接，在分段的定子铁心之间置有环形直流励磁绕组，定子电枢绕组为三相对称绕组，分别置于各段定子铁心槽内，在分段的转子铁心之间的转轴上置有实心导磁套筒，沿各段转子铁心圆周交错分布有永磁体块及永磁体和铁磁极组合块，相邻永磁体的磁极极性相反，永磁体和铁磁极沿两段转子铁心轴向间隔排列，即永磁体-铁磁极-永磁体，且间隔排列的永磁体磁极极性相同。本发明可调整永磁体和电励磁所占磁极面积的比例，以使发电机的性能达到最优。
Description
技术领域
本发明属于发电机技术领域，特别是涉及一种混合励磁永磁同步发电机。
技术背景
目前永磁同步发电机结构主要有串励式、并励式及组合式混合励磁电机结构。由于永磁发电机由永磁体励磁，电机一经做成磁场就不可调节，发电机的发电电压就会随着负载和温度变化而变化，因此很难保证在负载工作时电压恒定。G.Hennneberger等人提出了一种串励式结构的电机，该电机的电励磁绕组安放在转子永磁体的下面，不需要占用额外的空间，因此结构简单，体积较小。但这种结构转子励磁电流的引入采用有刷式，可靠性降低。此外电励磁的磁路经过永磁体，而永磁体的磁导率接近空气的磁导率，因此磁路的磁阻大，为了调节气隙磁通，必须通入很大的励磁电流，铜耗增加。同时，电励磁磁动势直接作用于永磁体，容易发生不可逆退磁。
日本学者Nobuyuki Naoe 和Tadashi Fukami，Trial Production of a Hybrid ExcitationType Synchronous Machine.Proceedings of IEMDC’2001，France.International AcademicPublishers，2001：545-547，提出的一种并励式混合励磁永磁同步发电机：其结构可以认为是一般永磁发电机与电励磁发电机的复合。分段转子上励磁电流和永磁体各自激励自己的磁通。但由于励磁电流由集电环引入，使电机的可靠性降低，不适合在较恶劣的工况下运行，维护费用增加。同时，如果绕线转子长度与永磁体转子长度相等时，为了产生与永磁体相等大小的磁通，通入绕线转子的励磁电流必须较大，势必增加转子铜耗，电机的温升变大，由此导致效率下降、永磁体的工作点改变甚至导致退磁等问题。
南京航空航天大学窦一平、陈海镇等，混合励磁永磁发电机及其设计.微特电机，1996(4)：9-12；A Design Research for Hybrid Excitation Rare Earth Permanent MagnetSynchronous Generator.ICEMS’2001 Shenyang.2001：856-859，提出一种组合式混合励磁电机结构：其电励磁辅助发电部分与永磁发电部分共用一个定子铁心及定子绕组，磁通在气隙中合成。电励磁利用转轴作为磁路的一部分，永磁主发电部分的结构与普通永磁发电机相同。该种结构的电机能够较好地调整发电机的输出电压，运行可靠性较高，故障率比有刷结构和旋转整流器低。但发电机电励磁部分的水平磁极的两侧都为长度较小气隙，加工和装配精度要求非常高，这显然增加了装配工时和制造成本。同时水平磁极和垂直磁极为电励磁磁通提供通路，需要有较大的导磁面积，降低了电机的功率密度。由于存在两个附加气隙，使电机电励磁磁路磁阻显著增大，致使励磁电流较大，电机的效率不高。
阿尔及利亚学者YacineAmara等人，A New Topology of Hybrid SynchronousMachine.IEEE Trans.IA.2001，37(5)：1273-128，提出了一种并励式混合励磁电机结构，电机定子结构和转子结构都过于复杂，制造和装配成本显著增加，并且电机的功率密度不高，转矩波动较大，噪声较大，漏磁严重。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种混合励磁永磁同步发电机，它是通过改变永磁体的分布结构，可以任意调整永磁体和电励磁所占磁极面积的比例，使电压输出稳定，效率高，温升低。
本发明的结构包括壳体、定子铁心、直流励磁绕组、转子铁心、转轴、定子电枢绕组及永磁体，定子铁心沿壳体轴向固定在壳体上，转子铁心置于定子铁心内的转轴上，定子铁心与转子铁心均沿轴向分成两段，分段的定子铁心分别与壳体相连接，在分段的定子铁心之间的转轴上置有环形直流励磁绕组，定子电枢绕组为三相对称绕组，分别置于各段定子铁心槽内；在分段的转子铁心之间置有实心导磁套筒，沿各段转子铁心圆周交错分布有永磁体块及永磁体和铁磁极组合块，圆周方向相邻永磁体的磁极极性相反，且相邻永磁体N、S极相互错开，错开的角度小于或等于一个极距，永磁体和铁磁极沿两段转子铁心轴向间隔排列，即永磁体—铁磁极—永磁体，且轴向间隔排列的永磁体磁极极性相同。
本发明的工作原理：直流励磁电流产生的磁场由铁磁极出发，经气隙、定子，再通过气隙，最终回到相邻铁磁极；与永磁磁通具有不同的磁路，但两个磁场在发电机的气隙中合成，可以通过调整励磁电流来调节电机的主磁通。当负载较大时，电枢反应的去磁作用很明显，仅依靠永磁体部分提供的磁通而产生的反电动势是不够的，因此，通过发电机本身的输出电压经过整流通到直流励磁绕组中，使气隙磁场增强，从而使输出电压满足负载的要求。当负载较小时，电枢反应的去磁作用不是很明显，从而导致输出电压将过大。因此，通过发电机本身的输出电压经过整流通到直流励磁绕组中，且可反向，使气隙磁场减弱，从而保证稳定电压输出。
本发明的优点是实现了无刷化，可靠性高，在电励磁调节过程中永磁体无退磁危险，漏磁小，电励磁损耗小，温升低，功率密度较高且电压调整率和电压波形畸变率低的。根据应用场合不同，可以任意调整永磁体和电励磁所占磁极面积的比例，以使发电机的性能达到最优。在双向调节过程中，仅需很小的直流励磁电流来调节磁通，使电压输出稳定，效率高，温升低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，
图2为本发明转子铁心上的永磁体及铁磁极分布示意图；
图中1.壳体，2.定子铁心，3.直流励磁绕组，4.永磁体N极，5.转子铁心，6.导磁套筒，7.转轴，8.永磁体S极，9.定子电枢绕组，10.铁磁极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：
实施例：如图1所示，本发明的结构包括壳体1、定子铁心2、直流励磁绕组3、转子铁心5、转轴7、定子电枢绕组9及永磁体，定子铁心2沿壳体轴向固定在壳体上，转子铁心5置于定子铁心2内的转轴7上，由轴承和机座支撑，定子铁心2与转子铁心5均沿轴向分成两段，分段的定子铁心2分别与壳体1相连接，并通过壳体1在机械上和电磁上相连接，在分段的定子铁心2之间置有环形直流励磁绕组3，定子电枢绕组9为三相对称绕组，分别置于各段定子铁心2的槽内，在分段的转子铁心5之间的转轴上置有实心导磁套筒6，用于转子的轴向导磁，沿各段转子铁心5圆周交错分布有永磁体块及永磁体和铁磁极10组合块，相邻永磁体的磁极极性相反，即永磁体N极块、永磁体S极和铁磁极10组合块间隔排列在转子铁心5的圆周上，且相邻永磁体N、S极相互错开，错开的角度为一个极距；永磁体和铁磁极10沿两段转子铁心5轴向间隔排列，即永磁体—铁磁极—永磁体，且间隔排列的永磁体磁极极性相同，本例中的具体排列为：永磁体N极—铁磁极组合块、永磁体N极，永磁体S极、铁磁极—永磁体S极组合块，各两列沿圆周间隔排列，保证在同一个线圈下的永磁体的磁化方向相同，形成本例的混合励磁永磁同步发电机。
其工作原理：直流励磁电流产生的磁场由铁磁极出发，经气隙、定子，再通过气隙，最终回到相邻铁磁极；与永磁磁通具有不同的磁路，但两个磁场在发电机的气隙中合成，可以通过调整励磁电流来调节电机的主磁通。
本发明是利用直流励磁绕组来调整发电电压，当永磁体励磁产生的发电电压在工作时低于额定电压，则可以通过控制直流励磁绕组中通过电流的方向使软铁磁极与永磁体磁极同相的，这时直流励磁绕组起动增磁的作用；当永磁体励磁产生的电压在工作时高于额定电压时，则可通过控制直流励磁绕组中通过电流的方向使软铁磁极与永磁体磁极相反，这时直流励磁绕组起去磁作用，这样就可以通过控制直流励磁绕组中电流的大小和方向来方便的调节发电机的磁场，使发电机在负载和温度变化的情况下保持恒定。
Claims (2)
1.一种混合励磁永磁同步发电机，包括壳体、定子铁心、直流励磁绕组、转子铁心、转轴、定子电枢绕组及永磁体，定子铁心沿壳体轴向固定在壳体上，转子铁心置于定子铁心内的转轴上，定子铁心与转子铁心均沿轴向分成两段，分段的定子铁心分别与壳体相连接，其特征在于在分段的定子铁心之间置有环形直流励磁绕组，定子电枢绕组为三相对称绕组，分别置于各段定子铁心槽内，在分段的转子铁心之间的转轴上置有实心导磁套筒，沿各段转子铁心圆周交错分布有永磁体块及永磁体和铁磁极组合块，圆周方向相邻永磁体的磁极极性相反，永磁体和铁磁极沿两段转子铁心轴向间隔排列，即永磁体-铁磁极-永磁体，且轴向间隔排列的永磁体磁极极性相同。
2.根据权利要求1所述的一种混合励磁永磁同步发电机，其特征在于所述的转子铁心两端相邻的极性相反的永磁体N、S极相互错开，错开的角度小于或等于一个极距。
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