CN100438280C - 切向磁钢双凸极混合励磁电机 - Google Patents

Abstract

一种切向磁钢双凸极混合励磁电机，属双凸极混合励磁电机，该电机的构成是：在由定子N极铁心(2)、定子S极铁心(4)、切向磁化永磁体(3)、励磁绕组(1)和电枢绕组(6)组成的定子和装有转轴(8)且由凸极转子(5)组成的转子所构成的切向磁钢双凸极混合励磁电机。上述结构均装于机壳(7)内。本切向磁钢双凸极混合励磁电机与现有技术相比，无附加气隙，永磁磁路与电励磁磁路作用于不同的极，漏磁小，电励磁效率高，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，避免了普通永磁电机弱磁时，永磁磁钢被退磁的危险。本发明适合于可调压发电机和宽调速电动机。

Description

切向磁钢双凸极混合励磁电机

一、技术领域

本发明涉及的切向磁钢双凸极混合励磁电机，属于一种双凸极混合励磁电机。

二、背景技术

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。

还有一种双凸极混合励磁电机，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。

三、发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种取消了轴向磁路和附加气隙的电机。该电机永磁励磁和电励磁回路基本独立，故励磁效率高，且便于电机结构的优化设计，以达到最佳节能效果。

本发明的切向磁钢双凸极混合励磁电机的构成是在定子上除了有普通切向磁钢双凸极永磁电机的电枢绕组和一部分永磁磁钢之外，还设有励磁绕组。构成原则是保证具有偶数个永磁磁钢，且有2对相邻的定子极之间没有放置永磁磁钢。若切向磁钢双凸极混合励磁电机的永磁磁钢数目与电励磁极数的比值越大，则电励磁部分占的比例越小，励磁功率越小；作为发电机的电压调节范围越小；作为电动机运行时的恒功率运行区也越小。

本切向磁钢双凸极混合励磁电机的具体构成，包括机壳，在机壳内装有由定子铁心、电枢绕组、励磁绕组和切向永磁磁钢组成的定子和装有转轴的由转子铁心组成的转子所构成的切向磁钢双凸极混合励磁电机，其特点是具有偶数个永磁磁钢，至少有2对相邻的定子极之间没有放置永磁磁钢，但可以放置励磁绕组。

与现有技术相比，本切向磁钢双凸极混合励磁电机具有如下特点：

(1)根据应用场合，可以选择不同的永磁磁钢数目和励磁绕组数目。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双凸极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，不存在轴向磁路和附加气隙，电励磁效率高。

四、附图说明

图1是6极切向磁钢双凸极混合励磁电机截面图。

图中标号名称：1、励磁绕组；2、定子N极铁心；3、永磁磁钢；4、定子S极铁心；5、转子铁心；6、电枢绕组；7、机壳；8、转轴。

图2是切向磁钢双凸极混合励磁电机等效磁路原理图。

图中标号名称：R_δ为每个极相对的气隙与定子齿部、转子齿部的磁阻，R_s为每个极对应的定子轭部磁阻；R_PM为永磁体的磁阻；E_PM为永磁体提供的磁势；U为电励磁磁势，φ₁～φ₆为气隙磁通。

五、具体实施方式

由图1可知，本发明的切向磁钢双凸极混合励磁电机的组成是，由定子上有普通的切向磁钢永磁双凸极电机的永磁磁钢结构以及特有的电励磁结构组成。即由电枢绕组6、定子N极铁心2、定子S极铁心4、永磁磁钢3、励磁绕组1组成的定子和装有转轴8且由与普通双凸极电机相同结构的凸极转子铁心5组成的转子组成，上述结构均装于机壳1内。其中，必须保证具有偶数个永磁磁钢，至少有2对相邻的定子极之间没有放置永磁磁钢，而是放置有励磁绕组。

另外，可以根据需要调整电机定子的极数、永磁磁钢和励磁绕组的数目。

切向磁钢双凸极混合励磁电机的工作原理

切向磁钢双凸极混合励磁电机既可以作为发电机，也可以作为电动机。可以根据图2所示的等效磁路来分析该电机的工作原理。

设每个极相对的气隙与定子齿部、转子齿部的磁阻为R_δ，每个极对应的定子轭部磁阻标记为R_s；将永磁体的磁阻标记为R_PM；永磁体提供的磁势为E_PM；励磁绕组提供的磁势为U。等效磁路中，忽略了转子轭部的磁阻。励磁磁势形成的主要磁路不通过永磁体，它和永磁磁势在主气隙中形成并联的关系。

通常，有R_s远小于R_δ和R_PM，为分析方便可以忽略其影响，即R_s＝0。

从等效磁路容易推导出1，3，4，6极相对的气隙磁通为：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{1,3,4,6}}=\frac{E_{\mathrm{PM}}}{{2R}_{\mathrm{\δ}}+\frac{3}{2}{R}_{\mathrm{PM}}}+\frac{U(R_{\mathrm{\δ}}//\frac{1}{2}{R}_{\mathrm{PM}})/R_{\mathrm{\δ}}}{{2R}_{\mathrm{\δ}}+(R_{\mathrm{\δ}}//\frac{1}{2}{R}_{\mathrm{PM}})}=\frac{2E_{\mathrm{PM}}}{{4R}_{\mathrm{\δ}}+{3R}_{\mathrm{PM}}}+\frac{U}{{4R}_{\mathrm{\δ}}+{3R}_{\mathrm{PM}}}\·\frac{R_{\mathrm{PM}}}{R_{\mathrm{\δ}}}$

2，5极相对的气隙磁通为：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{2,5}}=\frac{E_{\mathrm{PM}}}{{2R}_{\mathrm{\δ}}+\frac{3}{2}{R}_{\mathrm{PM}}}+\frac{2U}{{2R}_{\mathrm{\δ}}+(R_{\mathrm{\δ}}//\frac{1}{2}{R}_{\mathrm{PM}})}=\frac{2E_{\mathrm{PM}}}{{4R}_{\mathrm{\δ}}+{3R}_{\mathrm{PM}}}+\frac{2U}{{4R}_{\mathrm{\δ}}+{3R}_{\mathrm{PM}}}\·\frac{R_{\mathrm{PM}}+{2R}_{\mathrm{\δ}}}{R_{\mathrm{\δ}}}$

在未施加励磁电流时，2，5极处于反向励磁状态，从整个电机来看，处于弱磁状态。若施加反方向的励磁电流可以使弱磁程度进一步加强。

适当设计电机的结构尺寸，可以使得R_PM，R_δ和R_s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。

切向磁钢双凸极混合励磁电机的优点

(1)当不加励磁时，主磁极下的磁场处于弱磁状态。可以通过选择不同的永磁体数目和励磁绕组数目来调整弱磁的程度。

(2)由于永磁体和电励磁磁路相对独立，励磁绕组的磁路不穿过永磁体，减小了永磁体被退磁的可能性。

(3)当加励磁电流时，在各个极下的气隙磁通都得以增强，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电机要小，因此要更节能；相比永磁双凸极电机，励磁磁场易于调节，容易实现宽的调速范围。

Claims (1)

1.一种切向磁钢双凸极混合励磁电机，包括机壳(7)，在机壳(7)内装有由定子N极铁心(2)、定子S极铁心(4)、切向磁化永磁磁钢(3)和电枢绕组(6)组成的定子和装有转轴(8)的由凸极转子(5)组成的置于定子内的转子，其特征在于，该切向磁钢双凸极混合励磁电机具有偶数个切向磁化永磁磁钢，至少有2对相邻的定子极之间没有放置切向磁化永磁磁钢，而是放置有励磁绕组(1)。

Images