CN101630873B - 混合磁极结构的永磁开关磁链发电机 - Google Patents

Abstract

混合磁极结构的永磁开关磁链发电机，属于电机领域，本发明是为了解决低速永磁发电机随着功率等级的增加，功率密度低、绕组结构复杂、绝缘不易制造等问题。本发明的单相电机的技术方案：沿主轴外表面轴向方向设置两个定子铁芯，中间用导磁连接环状铁芯连接，形成的环形槽内设置有定子绕组，两个定子铁芯上的凸极相互错开半个定子极距，外转子由不导磁的机壳及其内表面交替设置的2P个铁主磁极和2P永磁极构成，两个定子铁芯的外端面轴向距离与铁主磁极的轴向长度相等，永磁极轴向长度是铁主磁极长度的0.1至0.3倍；本发明的两相电机由上述两个单相电机及转子轭连接件、支撑环和主轴连接件构成，两个单相电机呈正交绕组结构。

Description

混合磁极结构的永磁开关磁链发电机

技术领域

本发明涉及一种混合磁极结构的永磁开关磁链发电机，属于电机领域。

背景技术

由于永磁同步发电机具有高效率、高转距密度等优点，在许多应用中包括风力发电机、混合动力汽车发电机等均具有一定的优势，存在广泛应用的空间。目前，常见的永磁同步发电机结构主要包括：表面磁钢及内置磁钢转子结构的径向磁场常规电机结构，以及轴向磁场盘式电机或轴向磁场双定子结构电机等。然而目前永磁同步发电机的研发中依然存在很多难题需要解决，包括：

(1)普通低速永磁同步发电机的功率密度一般较低，随着功率等级的增加，发电机的体积及制造成本更加成为制约永磁发电机发展的重要因素。如何进一步提高发电机的功率密度及其他性能指标是个难题；

(2)由于受到体积成本等因素的制约，低速永磁电机的效率等性能指标一般很难达到较高水平；

(3)随着功率等级的增加，大电流会导致电缆安装及传输损耗等问题，因此高电压发电机是发展方向之一。但存在的问题是，随着电压的提高，电机的绝缘成为难题，会进一步降低电机的功率密度及其他性能指标，尤其是在低速多极多槽的分布绕组的结构中；

(4)随着功率等级的增加，绕组结构复杂，制造变得越来越困难，且绕组间的绝缘不好。简单的绕组型式有利于制造，同时有利于减小绕组电阻、降低绕组损耗。采用绕组节距为1的集中绕组形式是解决方案之一。但在该方案中，定子槽数必须与永磁磁极数相接近，功率等级的增加造成极数增多，主磁通将通过相邻的两个定子凸极与主磁极形成闭合回路。而在这样的磁路结构中必然存在大量定子槽漏磁通，导致很大的定子漏电抗，从而严重影响发电机的输出功率以及功率因数等。

以上因素限制了永磁同步发电机在包括风力发电等应用中的进一步发展。新型电磁结构以及新原理是解决问题的途径之一。

开关磁链电机不同于开关磁阻电动机，其基本特点是：激磁磁通始终存在且方向不变，随着转子位置的变化，激磁磁通将切换其路径，使得定子绕组内磁链的大小和方向均发生变化，从而产生反电动势。目前，在开关磁链电机的研究上存在着两种方向，一种是基于双凸极变磁阻电机的电磁式结构，采用激磁绕组；另一种是永磁开关磁链电机，一般永磁体被放置在定子上，转子采用凸极结构，实质上是永磁电机与双凸极变磁阻电机的混合。相对于采用激磁绕组的电磁式结构，永磁开关磁链电机结合了永磁电机及凸极电机的优点，受到了更多的关注。目前存在的结构形式包括，英国T.J.Miller等提出的在普通双凸极磁阻电机定子极内径表面安装永磁体，可以构成开关磁链结构；英国Z.Q.Zhu、浙江大学沈建新教授等提出将普通双凸极磁阻电机定子凸分为两部分，极间夹有永磁体。以上的各种开关磁链电机均是在普通双凸极磁阻电机的基础上构成的，磁路均为二维平面路径，永磁体一般放置在于定子上。而且不适合于大功率的发电机应用。

发明内容

本发明的目的是解决低速永磁发电机随着功率等级的增加，功率密度低、绕组结构复杂、绝缘不易制造的问题，以及分数槽永磁电机极数较多时漏磁过大的问题，提供了混合磁极结构的永磁开关磁链发电机。

本发明提供的第一种技术方案：混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机，它包括外转子、定子和主轴，所述定子位于主轴和外转子中间，并且定子和主轴固定不动，其特征在于，外转子包括不导磁的机壳、2P个铁主磁极和2P个永磁极，定子包括第一定子铁芯、第二定子铁芯、导磁连接环状铁芯和定子绕组，

沿主轴的轴向方向依次设置有第一定子铁芯、导磁连接环状铁芯和第二定子铁芯，第一定子铁芯、导磁连接环状铁芯和第二定子铁芯的内表面与主轴的外表面固定连接，相互平行设置的第一定子铁芯和第二定子铁芯大小相等，导磁连接环状铁芯的左右端面分别与第一定子铁芯和第二定子铁芯固定连接，在第一定子铁芯、第二定子铁芯和导磁连接环状铁芯围成的环形槽内设置有定子绕组，

沿第一定子铁芯外环面均布有P个第一定子凸极，沿第二定子铁芯外环面均布有P个第二定子凸极，P个第一定子凸极和P个第二定子凸极错开τ/2角度，τ为定子极距，

机壳内表面沿圆周方向均布2P个铁主磁极和2P个永磁极，铁主磁极和永磁极交替排布，铁主磁极和永磁极的中心点在同一圆周上，永磁极轴向长度是铁主磁极轴向长度的0.1至0.3倍，永磁极沿定子外圆切线方向充磁，铁主磁极为径向充磁，

第一定子铁芯外端面与第二定子铁芯外端面的轴向距离和铁主磁极的轴向长度相等，第一定子凸极和铁主磁极之间留有气隙，第二定子凸极和铁主磁极之间留有气隙，P为大于2的正整数。

本发明提供的第二种技术方案：基于第一种技术方案所述的混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机的混合磁极结构的两相永磁开关磁链发电机，它包括两个混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机、机壳连接件、支撑环和主轴连接件，

两个混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机的机壳和机壳连接件是一体件，两个混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机的主轴和主轴连接件是一体件，支撑环的外环面与机壳连接件的内表面固定连接，支撑环的内环面与主轴连接件轴承连接，

两个混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机的铁主磁极沿支撑环对称设置，两个混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机的P个第一定子凸极错开τ/2角度。

本发明的优点：每相只存在一个轴向集中绕组，不但有利于制造与绝缘，而且绕组利用率高，绕组电阻及电抗均大幅减小，发电机的性能得以大幅改善。同时，在定子上齿或极间不存在直接闭合的槽漏磁磁路，从而从根本上解决了分数槽永磁电机极数较多时漏磁过大的问题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，图2是图1的A-A剖视图，图3是混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机的两个定子铁芯的立体结构示意图，图4是磁路走向图，图5是实施方式三的结构示意图，图6是实施方式五定子绕组的接线示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机，它包括外转子、定子和主轴8，所述定子位于主轴8和外转子中间，并且定子和主轴8固定不动，其特征在于，外转子包括不导磁的机壳1、2P个铁主磁极2和2P个永磁极3，定子包括第一定子铁芯4、第二定子铁芯5、导磁连接环状铁芯6和定子绕组7，

沿主轴8的轴向方向依次设置有第一定子铁芯4、导磁连接环状铁芯6和第二定子铁芯5，第一定子铁芯4、导磁连接环状铁芯6和第二定子铁芯5的内表面与主轴8的外表面固定连接，相互平行设置的第一定子铁芯4和第二定子铁芯5大小相等，导磁连接环状铁芯6的左右端面分别与第一定子铁芯4和第二定子铁芯5固定连接，在第一定子铁芯4、第二定子铁芯5和导磁连接环状铁芯6围成的环形槽内设置有定子绕组7，

沿第一定子铁芯4外环面均布有P个第一定子凸极4-1，沿第二定子铁芯5外环面均布有P个第二定子凸极5-1，P个第一定子凸极4-1和P个第二定子凸极5-1错开τ/2角度，τ为定子极距，

机壳1内表面沿圆周方向均布2P个铁主磁极2和2P个永磁极3，铁主磁极2和永磁极3交替排布，铁主磁极2和永磁极3的中心点在同一圆周上，永磁极3轴向长度是铁主磁极2轴向长度的0.1至0.3倍，永磁极3沿定子外圆切线方向充磁，铁主磁极2为径向充磁，

第一定子铁芯4外端面与第二定子铁芯5外端面的轴向距离和铁主磁极2的轴向长度相等，第一定子凸极4-1和铁主磁极2之间留有气隙，第二定子凸极5-1和铁主磁极2之间留有气隙，P为大于2的正整数。

本实施方式发电机为单相开关磁链发电机，运行原理为开关磁链原理，即随着外转子在原动机驱动下旋转，永磁磁极所产生的主磁通将切换其路径，当第一定子凸极4-1与铁主磁极2的N极面正相对时，第二定子凸极5-1恰与铁主磁极2的S极面正相对，此时的磁路如图4所示，永磁极3的磁力线从N极发出沿定子外圆切线方向进入永磁极S极，磁力线方向改为轴向，经过铁主磁极2的半部分，然后磁力线改为径向，通过气隙进入第一定子凸极4-1，再经第一定子铁芯4、导磁连接环状铁芯6进入到第二定子铁芯5，再沿第二定子凸极5-1及气隙进入铁主磁极2的S极面，磁力线方向改为轴向，经过铁主磁极2的另一半部分，回到永磁极3的S极。

闭合磁路的磁通变化，使得定子定子绕组7中的磁链的大小和方向均发生变化，从而产生交流反电动势，将机械能转化为电能，实现发电。此时磁通最大，随着外转子转动，第一定子凸极4-1与所述铁主磁极2的N极面相对重合面积越来越小，则闭合磁路的磁通越来越小，当第一定子凸极4-1位于两个铁主磁极2之间区域时，磁通为0，输出电流为0，外转子继续转动，第一定子凸极4-1与铁主磁极2的S极面的重合面积逐渐增大，磁通由0开始渐渐变大，直到第一定子凸极4-1与所述铁主磁极2的S极面正相对，磁通又达到最大值，但是磁通方向与前述情况正好相反，此时，第二定子凸极5-1与铁主磁极2的N极面正相对。这样，上述过程周期性进行，形成单相正弦电输出。

具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，定子绕组7采用集中环型绕组，其它与实施方式一相同。

每相只存在一个轴向集中绕组，不但有利于制造与绝缘，而且绕组利用率高，绕组电阻及电抗均大幅减小，发电机的性能得以大幅改善。同时，在定子上齿或极间不存在直接闭合的槽漏磁磁路，从而从根本上解决了分数槽永磁电机极数较多时漏磁过大的问题。

具体实施方式三：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，第一定子凸极4-1的凸极宽度a为定子极距τ的0.3至0.4倍，第一定子凸极4-1和第二定子凸极5-1大小相等，其它与实施方式一相同。

第一定子铁芯4第二定子铁芯5完全一样，两个铁芯外圆表面均布的第一定子凸极4-1和第二定子凸极5-1也一样，大小相等，只是均匀相错分布，参见3所示，第二定子凸极5-1的凸极中心线与右侧相邻的第一定子凸极4-1凸极中心线的夹角为A2，相邻的两个第一定子凸极4-1凸极中心线的夹角为A1，两个角度之间存在的关系为：A1＝2×A2。

第一定子凸极4-1的凸极宽度a是其定子极距τ的0.3至0.4倍，其中以0.35倍最优。

具体实施方式四：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，第一定子铁芯4和第二定子铁芯5由多个电工钢冲片叠压而成，导磁连接环状铁芯6由多个电工钢片卷筒并叠压构成，其它与实施方式一相同。

具体实施方式五：下面结合图5说明本实施方式，本实施方式是基于实施方式一所述的混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机的混合磁极结构的两相永磁开关磁链发电机，它包括两个混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机9、机壳连接件10、支撑环11和主轴连接件12，

两个混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机9的机壳1和机壳连接件10是一体件，两个混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机9的主轴8和主轴连接件12是一体件，支撑环11的外环面与机壳连接件10的内表面固定连接，支撑环11的内环面与主轴连接件12轴承连接，

两个混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机9的铁主磁极2沿支撑环11对称设置，两个混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机9的P个第一定子凸极4-1错开τ/2角度。

具体实施方式六：下面结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式与实施方式五的不同之处在于，两个混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机9的定子绕组7采用集中环型绕组，且匝数相等，其它与实施方式五相同。

本实施方式所述的两相电机，因两个混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机9的第一定子凸极4-1相互错开τ/2角度，呈正交绕组结构，两个混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机9的定子绕组7的匝数相等，如一个混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机9的定子绕组7输出电势的相位为sinθ，则另一个混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机9的定子绕组7输出电势的相位为cosθ，相位差为90度，正交输出，构成两相电机。

具体实施方式七：下面结合图6说明本实施方式，本实施方式与实施方式五的不同之处在于，两个混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机9的定子绕组7采用集中环型绕组，一个混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机9的定子绕组7为N匝，且分为三部分，分别为第一绕组L1、第二绕组L2和第三绕组L3，另一个混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机9的定子绕组7分为两部分，分别为第四绕组L4和第五绕组L5，

第一绕组L1的异名端作为C相的一端，第一绕组L1的同名端与第四绕组L4的异名端相连，第四绕组L4的同名端作为C相的另一端，

第二绕组L2的同名端作为B相的一端，第二绕组L2的异名端与第五绕组L5的异名端相连，第五绕组L5的同名端作为B相的另一端，

第三绕组L3的两端分别作为A相的两端，

其中：

第一绕组L1的匝数为

第二绕组L2的匝数为

第三绕组L3的匝数为

第四绕组L4的匝数为

第五绕组L5的匝数为

其中N为正整数。

其它与实施方式五相同。

本实施方式所述的为三相开关磁链发电机，与混合磁极结构的两相永磁开关磁链发电机9相比，电机的主体结构不变，只是在定子绕组7的结构上有所不同，将一个混合磁极结构的两相永磁开关磁链发电机9的定子绕组7总的线圈匝数为N，定子绕组7分成了三部分，分别为L1、L2和L3，匝数分别为

以及

后者与前两者极性相反，另一个混合磁极结构的两相永磁开关磁链发电机9的定子绕组7分成了两部分，分别为L4和L5，匝数均为

但极性相反，各绕组的连接关系如图6所示，A相为正极性的第三绕组L3，B相为反极性的第二绕组L2与正极性的第五绕组L5相串联，C相为反极性的第一绕组L1与反极性的第四绕组L4相串联，A、B、C三相次序可以改变。

因两个混合磁极结构的两相永磁开关磁链发电机9的第一定子凸极4-1相互错开τ/2角度，呈正交绕组结构，一个混合磁极结构的两相永磁开关磁链发电机9的定子绕组7输出电势的相位为sinθ，则另一个混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机9的定子绕组7输出电势的相位为cosθ，设每匝线圈感应电动势幅值为e，根据两相正交绕组相位关系，各绕组感应电动势与转角θ分别为：

第一绕组L1： $E_{L1}=-\frac{1}{2}N\·e\·\sin \mathrm{\θ}$

第二绕组L2： $E_{L2}=-\frac{1}{2}N\·e\·\sin \mathrm{\θ}$

第三绕组L3：E_L3＝N·e·sinθ

第四绕组L4： $E_{L4}=-\frac{\sqrt{3}}{2}N\·e\·\cos \mathrm{\θ}$

第五绕组L5： $E_{L5}=\frac{\sqrt{3}}{2}N\·e\·\cos \mathrm{\θ}$

根据图6所示的绕组连接图，A、B、C三相的感应电动势可以表示为：

A相：E_A＝N·e·sinθ

B相： $E_B=-\frac{1}{2}N\·e\·\sin \mathrm{\θ}+\frac{\sqrt{3}}{2}N\·e\·\cos \mathrm{\θ}=N\·e\·\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})$

C相： $E_C=-\frac{1}{2}N\·e\·\sin \mathrm{\θ}-\frac{\sqrt{3}}{2}N\·e\·\cos \mathrm{\θ}=N\·e\·\sin (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})$

因此就形成了对称的三相正弦电输出。

具体实施方式八：本实施方式与实施方式五的不同之处在于，第一定子凸极4-1的凸极宽度a为定子极距τ的0.3至0.4倍，第一定子凸极4-1和第二定子凸极5-1大小相等，其它与实施方式五相同。

每一个混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机9中的第一定子铁芯4第二定子铁芯5完全一样，两个铁芯外圆表面均布的第一定子凸极4-1和第二定子凸极5-1也一样，大小相等，只是均匀相错分布，参见3所示，第二定子凸极5-1的凸极中心线与右侧相邻的第一定子凸极4-1凸极中心线的夹角为A2，相邻的两个第一定子凸极4-1凸极中心线的夹角为A1，两个角度之间存在的关系为：A1＝2×A2。

具体实施方式九：本实施方式与实施方式五的不同之处在于，第一定子铁芯4和第二定子铁芯5由多个电工钢冲片叠压而成，导磁连接环状铁芯6由多个电工钢片卷筒并叠压构成，其它与实施方式五相同。

Claims (9)

1.混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机，它包括外转子、定子和主轴（8），所述定子位于主轴（8）和外转子中间，并且定子和主轴（8）固定不动，其特征在于，外转子包括不导磁的机壳（1）、2P个铁主磁极（2）和2P个永磁极（3），定子包括第一定子铁芯（4）、第二定子铁芯（5）、导磁连接环状铁芯（6）和定子绕组（7），

沿主轴（8）的轴向方向依次设置有第一定子铁芯（4）、导磁连接环状铁芯（6）和第二定子铁芯（5），第一定子铁芯（4）、导磁连接环状铁芯（6）和第二定子铁芯（5）的内表面与主轴（8）的外表面固定连接，相互平行设置的第一定子铁芯（4）和第二定子铁芯（5）大小相等，导磁连接环状铁芯（6）的左右端面分别与第一定子铁芯（4）和第二定子铁芯（5）固定连接，在第一定子铁芯（4）、第二定子铁芯（5）和导磁连接环状铁芯（6）围成的环形槽内设置有定子绕组（7），

沿第一定子铁芯（4）外环面均布有P个第一定子凸极（4-1），沿第二定子铁芯（5）外环面均布有P个第二定子凸极（5-1），P个第一定子凸极（4-1）和P个第二定子凸极（5-1）错开τ/2角度，τ为定子极距，

机壳（1）内表面沿圆周方向均布2P个铁主磁极（2）和2P个永磁极（3），铁主磁极（2）和永磁极（3）交替排布，铁主磁极（2）和永磁极（3）的中心点在同一圆周上，永磁极（3）轴向长度是铁主磁极（2）轴向长度的0.1至0.3倍，永磁极（3）沿定子外圆切线方向充磁，铁主磁极（2）为径向充磁，

第一定子铁芯（4）外端面与第二定子铁芯（5）外端面的轴向距离和铁主磁极（2）的轴向长度相等，第一定子凸极（4-1）和铁主磁极（2）之间留有气隙，第二定子凸极（5-1）和铁主磁极（2）之间留有气隙，

P为大于2的正整数。

2.根据权利要求1所述的混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机，其特征在于，定子绕组（7）采用集中环型绕组。

3.根据权利要求1所述的混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机，其特征在于，第一定子凸极（4-1）的凸极宽度a为定子极距τ的0.3至0.4倍，第一定子凸极（4-1）和第二定子凸极（5-1）大小相等。

4.根据权利要求1所述的混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机，其特征在于，第一定子铁芯（4）和第二定子铁芯（5）由多个电工钢冲片叠压而成，导磁连接环状铁芯（6）由多个电工钢片卷筒并叠压构成。

5.基于权利要求1所述的混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机的混合磁极结构的两相永磁开关磁链发电机，其特征在于，它包括两个所述混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机（9）、机壳连接件（10）、支撑环（11）和主轴连接件（12），

两个所述混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机（9）的机壳（1）和机壳连接件（10）是一体件，两个所述混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机（9）的主轴（8）和主轴连接件（12）是一体件，支撑环（11）的外环面与机壳连接件（10）的内表面固定连接，支撑环（11）的内环面与主轴连接件（12）轴承连接，

两个所述混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机（9）的铁主磁极（2）沿支撑环（11）对称设置，两个所述混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机（9）的P个第一定子凸极（4-1）错开τ/2角度。

6.根据权利要求5所述的混合磁极结构的两相永磁开关磁链发电机，其特征在于，两个所述混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机（9）的定子绕组（7）采用集中环型绕组，且匝数相等。

7.根据权利要求5所述的混合磁极结构的两相永磁开关磁链发电机，其特征在于，两个所述混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机（9）的定子绕组（7）采用集中环型绕组，一个所述混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机（9）的定子绕组（7）为N匝，且分为三部分，分别为第一绕组（L1）、第二绕组（L2）和第三绕组（L3），另一个所述混合磁极结构的单相永磁开关磁链发电机（9）的定子绕组（7）分为两部分，分别为第四绕组（L4）和第五绕组（L5），

第一绕组（L1）的异名端作为C相的一端，第一绕组（L1）的同名端与第四绕组（L4）的异名端相连，第四绕组（L4）的同名端作为C相的另一端，

第二绕组（L2）的同名端作为B相的一端，第二绕组（L2）的异名端与第五绕组（L5）的异名端相连，第五绕组（L5）的同名端作为B相的另一端，

第三绕组（L3）的两端分别作为A相的两端，

其中：

第一绕组（L1）的匝数为                                                

，

第二绕组（L2）的匝数为，

第三绕组（L3）的匝数为

，

第四绕组（L4）的匝数为

，

第五绕组（L5）的匝数为

，其中N为正整数。

8.根据权利要求5所述的混合磁极结构的两相永磁开关磁链发电机，其特征在于，第一定子凸极（4-1）的凸极宽度a为定子极距τ的0.3至0.4倍，第一定子凸极（4-1）和第二定子凸极（5-1）大小相等。

9.根据权利要求5所述的混合磁极结构的两相永磁开关磁链发电机，其特征在于，第一定子铁芯（4）和第二定子铁芯（5）由多个电工钢冲片叠压而成，导磁连接环状铁芯（6）由多个电工钢片卷筒并叠压构成。

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