CN103208893A - 感应励磁式混合励磁无刷同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明是感应励磁式混合励磁无刷同步电机，其结构包括定子和转子，其中定子包括定子铁心、电枢定子绕组和定子励磁绕组：其中电枢绕组和定子励磁绕组安放于定子槽中；转子包括转子铁心、永磁体、多个转子励磁绕组，整流二极管和转轴，其中多个转子励磁绕组彼此独立，分别通过二极管短接；永磁体安放于转子，其个数及排列方式可根据励磁要求确定为多种形式。当定子励磁绕组通入直流电，在气隙建立恒定的磁场；当转轴以同步速运转时，在转子绕组上感应出脉振的励磁电流，改变气隙磁场的大小，通过改变定子励磁绕组中电流的大小，即控制电机的输出电压。优点：无电刷滑环，无需励磁机，结构简单，实现了转子励磁混合励磁电机的无刷励磁。

Description

感应励磁式混合励磁无刷同步电机

技术领域

本发明涉及的是一种感应励磁式混合励磁无刷同步电机，属于无刷励磁同步电机的领域。     

背景技术

感应励磁电励磁同步电机最早由日本学者于上世纪60年代提出。该种电机主励磁绕组安放于转子上。为了实现了转子励磁电机的无刷化励磁，在定子上再加上一组定子励磁绕组。当定子励磁线圈通入直流电后，在转子励磁绕组上感应出转子励磁电流，从而实现电机的无刷化励磁。比起传统的三级式无刷励磁方案，该种电机可以在无励磁机的情况下实现转子励磁电机的无刷化励磁，极大地减小了发电系统的体积。但是该种方案的励磁效率较低。在同样体积下，感应励磁电励磁同步电机产生的功率只有普通同步电机的1/2到2/3。为了尽量提高励磁效率，感应励磁电励磁同步电机的气隙必须尽量小，使得电机的电枢反应变大，电机的外特性变软。为了解决这一问题，有日本学者提出在发电机输出端并联电容，利用增磁作用抑制电枢反应。但是电容的增加也增加了发电系统的复杂度和体积重量。在此基础上，国内外的学者做了许多研究以提高电机输出功率，以实现感应励磁电机的高功率密度。

混合励磁同步电机拥有励磁绕组和永磁体两套励磁源，通过合理的设计拥有电压的可调性好和功率密度高的优点。混合励磁同步电机的励磁绕组可以安放于定子，也可以安放于转子。对于转子励磁电机需要引入电刷滑环实现直流励磁，电刷和滑环需要定期更换，安放使用不当可能导致火花。另外，还可以运用三级式无刷励磁方案，但是副励磁机、励磁机的引入增大了发电系统的体积和轴向长度。

发明内容

本发明提出的是一种感应励磁式混合励磁无刷同步电机，其目的：针对转子励磁混合励磁电机的无刷励磁问题，实现转子励磁混合励磁电机的无刷化励磁。混合励磁电机中存在永磁体，使其具有了和永磁电机类似的抗电枢反应能力。由于永磁体的存在，同时混合励磁电机的功率密度远高于电励磁电机，可解决传统方案中励磁效率低的问题。

本发明的技术解决方案：其结构是电机采有两套励磁源，包括永磁体和电励磁绕组，永磁体安放于转子；电励磁绕组分为定子励磁绕组和转子励磁绕组；定子部分包括定子铁心，电枢绕组，定子励磁绕组，端盖，机壳，其中电枢绕组和定子励磁绕组嵌在定子槽中，端盖安装于机壳的两端，定子槽开设于沿圆周方向开设的定子铁心中；转子部分包括转子励磁绕组、转子铁心、转轴、整流二极管，其中转子励磁绕组安放于转子槽内；转子励磁绕组有多个，多个转子励磁绕组分别经二极管短接；当定子励磁绕组通入直流电时，气隙中建立起恒定的磁场，随着转子的旋转，该磁场在转子励磁绕组中感应出电势，经二极管单波整流后得到脉动励磁电流，从而达到控制气隙磁密大小的目的，实现发电机的调压功能。

本发明的优点：1）无需副励磁机，励磁机，即可实现转子励磁式混合励磁电机的无刷化励磁；2）本发明克服了普通电励磁感应电机电枢反应较大，整体输出功率不高的缺点电枢反应小，功率密度高的特点；3）励磁方式简单，无需配备专门的励磁方式，现有的励磁调压方法均可运用于该种电机。本发明采用感应励磁，解决了转子励磁电机无刷励磁的难题。可以很好地控制永磁磁势，从而控制气隙磁密的大小，起到了调节电压的目的。由于采用了混合励磁的励磁模式，克服了传统电励磁感应励磁电机电枢反应大，功率密度低的不足。

附图说明

图1是感应励磁式混合励磁无刷同步电机结构图。

图2是基于切向/径向混合励磁电机的感应励磁混合励磁电机结构图。

图3是定子励磁电流所建立的磁场，以一对极为例说明定子励磁电流建立的磁场示意图。

图4是无励磁电流时的磁场分布情况示意图。

图5是通入励磁电流时的磁场分布情况示意图。

图6是转子励磁绕组连接方式示意图。

图中的1为定子铁心，2为电枢绕组，3为定子励磁绕组，4为定子槽，5为转子铁心，6为永磁体，7为转子槽，8为转轴，9为转子励磁绕组，10为整流二极管，11为转子极靴，12为转子齿，13为定子齿，14为定子励磁电流所建立的磁场、15为无定子励磁电流时的永磁体磁场、16为有定子励磁电流时永磁体磁场、17为有定子励磁电流时转子励磁绕组磁场。

具体实施方式

本发明的实现方法可由多种。电机可以分为旋转磁极式和旋转电枢式，定子铁心可以是凸极结构，也可以是隐极结构，电枢绕组可以是任意交流绕组形式。转子铁心5可以是凸极结构也可以是隐极结构，永磁体6安放于转子铁芯5上。

对照附图1，感应励磁混合励磁无刷同步电机，其结构是电机采有两套励磁源，包括永磁体6和电励磁绕组，永磁体6安放于转子；电励磁绕组分为定子励磁绕组和转子励磁绕组9；定子部分包括定子铁心，电枢绕组2，定子励磁绕组3，端盖，机壳，其中电枢绕组2和定子励磁绕组3嵌入定子槽中，端盖安装于机壳的两端；转子部分包括转子励磁绕组9、转子铁心5、转轴、整流二极管10，其中转子励磁绕组9安放于转子槽内，转子励磁绕组9通过整流二极管10短接，所述的电枢绕组2可为任意交流绕组形式，定子励磁绕组3为集中绕组，极对数不限，转子上安放了永磁体6和转子励磁绕组9，构成了混合励磁结构；转轴位于转子铁心圆心部位。各个定子槽之间的铁心部分为定子齿；各个转子槽之间的铁心部分为转子齿。

当定子励磁绕组3通入直流电时，气隙中建立起恒定的磁场；随着转子的旋转，该磁场在转子励磁绕组9中产生感应电势，经二极管10整流后得到脉动励磁电流，从而达到控制气隙磁密大小的目的。

对照附图2，基于切向/径向混合励磁电机的感应励磁混合励磁电机，其结构包括定子铁心1，电枢绕组2，定子励磁绕组3，定子槽4，转子铁心5，永磁体6，转子槽7，转轴8，转子励磁绕组9，整流二极管10，转子极靴11，转子齿12，定子齿13，其中电枢绕组2和定子励磁绕组3嵌在定子槽4中，定子槽4开设于沿圆周方向开设的定子铁心1中，从多个转子励磁绕组9安放于转子槽7内，分别经二极管10短接，多个永磁体6安放于转子铁芯5上，分别嵌入相邻两个转子极靴11间，相邻的两块永磁体6极性相对，磁场为切向；转子励磁绕组9产生的磁场为径向，在定子槽4中安放定子励磁绕组3，建立恒定磁场在转子励磁绕组9上感应出脉动的励磁电流，所产生的径向磁场控制永磁体磁势进入气隙的大小，起到了通过改变定子励磁电流即可控制气隙磁密大小的目的。转轴8位于转子铁心5圆心部位。各个定子槽4之间的铁心部分为定子齿13；各个转子槽7之间的铁心部分为转子齿12。

所述电机的的转子上拥有转子励磁绕组9和永磁体6两套磁源，其数目以及安放位置没有特别限制，根据电机具体性能具体设计。

定子和转子为隐极结构或凸极结构，定子电枢绕组2设计为任意交流绕组，包括集中绕组、分布绕组，单相、三相和多相，是单层绕组或双层绕组多种形式的交流绕组；定子励磁绕组3和转子励磁绕组9为集中绕组。励磁方式为向定子励磁绕组通入直流电。

以图3中的基于切向/径向混合励磁电机的感应励磁混合励磁电机为实例。在该实例中，电机的定子槽数为36，转子槽数为4。定子励磁极对数为1，转子励磁极对数为2。定子铁心1是隐极结构，也可以是凸极结构。电枢绕组2和定子励磁绕3嵌入槽4中，层序不受限制。实例中，电枢绕组2为三相分布绕组，定子励磁绕组3采用集中绕组绕制方式。转子励磁绕组9安放于转子槽7中。多个转子励磁绕组9彼此独立，分别通过一个二极管短接。永磁块6分别嵌入相邻两个极靴11间，永磁磁场形成切向结构，相邻两永磁体6并联，且与该磁极上励磁线圈产生的磁场极性相同，共同作用形成主磁场，而永磁磁势和电励磁磁势也是并联连接。

对照附图4，当定子励磁绕组3中励磁电流为0的磁场分布情况，当定子励磁电流为0时，永磁体产生的磁链从永磁体的N极出发穿过转子极靴，转子齿，转子轭，转子齿，转子极靴，最后回到永磁体的S极，磁链沿着转子铁心闭合，不经过气隙与电枢绕组匝链，电机的输出电压理论为0。

以定子励磁极对数一对极为例，为定子励磁绕组3输入直流电即可建立恒定的磁场，如图5所示。

如图6所示，当转子运转时，定子励磁绕组产生的磁场切割转子励磁绕组。转子励磁绕组上感应出励磁电流。随着转子的旋转，该磁场在转子励磁绕组中产生感应电势，经二极管半波整流后得到脉动转子励磁电流。永磁体所产生的磁链受到转子励磁绕组所产生的磁链影响，不再沿着转子铁心闭合，在通过转子极靴后，穿过气隙，与定子电枢相匝链。该磁链为切向。转子励磁绕所产生的磁链通过转子齿，进入气隙，从而与定子电枢相匝链。该磁链为径向。转子励磁绕组磁链控制了永磁磁链进入气隙的大小，从而达到控主气隙磁场大小可控的目的。

在需要调压时，只需改变定子励磁电流的大小，就可以改变转子励磁电流的大小，便控制了转子励磁绕组磁链的大小，从而改变永磁磁链进入气隙的大小，有效控制了气隙磁密的大小，实现电机的输出电压的调节。

本发明用做发电机时。定子电枢绕组与负载相连；用做电动机时，定子电枢绕组与驱动电源相连。

定子绕组可以设置为任意交流绕组，可以为三相绕组，也可以为单相或者多相绕组；可以为整数槽绕组，也可以为分数槽绕组；可以为集中绕组也可以为分布绕组。

转子极对数和根据转速要求而变动。永磁体个数和转子励磁绕组个数与所设计的转子极对数相同。

转子极靴表面也可以嵌入阻尼绕组以改善电机启动以及带不对称负载时的性能。

Claims (5)

1.感应励磁混合励磁无刷同步电机，其特征是电机采有两套励磁源，包括永磁体和电励磁绕组，永磁体安放于转子；电励磁绕组分为定子励磁绕组和转子励磁绕组；定子部分包括定子铁心，电枢绕组，定子励磁绕组，端盖，机壳，其中电枢绕组和定子励磁绕组嵌在定子槽中，端盖安装于机壳的两端，定子槽开设于沿圆周方向开设的定子铁心中；转子部分包括转子励磁绕组、转子铁心、转轴、整流二极管，其中转子励磁绕组安放于转子槽内，多个转子励磁绕组分别经二极管短接；当定子励磁绕组通入直流电时，气隙中建立起恒定的磁场，随着转子的旋转，该磁场在转子励磁绕组中感应出电势，经二极管单波整流后得到脉动励磁电流，从而达到控制气隙磁密大小的目的，实现发电机的调压功能。

2.根据权利要求1所述的感应励磁混合励磁无刷同步电机，其特征所述的永磁体安放于转子铁芯上，其个数及排列方式根据励磁要求而确定为多种形式；当定子励磁绕组通入直流电，在气隙建立恒定的磁场，当转轴以同步速运转时，在转子绕组上感应出脉动的励磁电流，改变了气隙磁场的大小，通过改变定子励磁绕组中电流的大小，即可控制电机的输出电压。

3.感应励磁式切向/径向磁路并联式混合励磁电机，其特征是包括定子铁心，电枢绕组，定子励磁绕组，定子槽，转子铁心，永磁体，转子槽，转轴，转子励磁绕组，整流二极管，转子极靴，转子齿，定子齿，其中电枢绕组和定子励磁绕组嵌在定子槽中，定子槽开设于沿圆周方向开设的定子铁心中，转子励磁绕组安放于转子槽内，多个转子励磁绕组分别经二极管短接，永磁体安放于转子铁芯上，多个永磁体分别嵌入相邻两个转子极靴间，相邻的两块永磁体极性相对，磁场为切向；转子励磁绕组产生的磁场为径向，在定子槽中安放定子励磁绕组，建立恒定磁场在转子励磁绕组上感应出脉振的励磁电流，所产生的径向磁场控制永磁体磁势进入气隙的大小，起到了通过改变定子励磁电流即能控制气隙磁密大小的目的；转轴安放于转子铁心的圆心；各个定子槽之间的铁心部分为定子齿；各个转子槽之间的铁心部分为转子齿。

4.根据权利要求1或3所述的电机，其特征是定子和转子为隐极结构或凸极结构，定子电枢绕组设计为任意交流绕组，包括集中绕组、分布绕组，单相、三相和多相，是单层绕组或双层绕组多种形式的交流绕组；定子励磁绕组和转子励磁绕组为集中绕组。

5.根据权利要求1或3所述的电机，其特征是励磁方式为向定子励磁绕组通入直流电。

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