CN101651394A - 采用谐波励磁的混合励磁永磁电机 - Google Patents
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Abstract
一种采用谐波励磁的混合励磁永磁电机，包括机壳1、定子铁心2、定子绕组3、永磁磁极4、铁磁磁极5、转轴6、转子铁心7、转子绕组8，转子磁极由永磁磁极4和铁磁磁极5组成，铁磁磁极5上布置转子绕组8，转子绕组8由谐波绕组14和励磁绕组13组成；定子绕组3由主绕组11和谐波励磁绕组12组成，分布于定子槽中；主绕组的极距与转子励磁绕组极距相同；谐波励磁绕组极距与转子谐波绕组的极距相同；谐波励磁绕组连接励磁控制器，电机运行时，可控制谐波励磁绕组中电流，以达到调节磁场和电压的作用；本发明与现有技术相比，无电刷和集电环，结构简单，没有附加气隙，不存在轴向磁路，漏磁小，电励磁损耗小，电机效率高，具有很强的调节主磁场能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种永磁电机，特别涉及一种采用谐波励磁的混合励磁永磁电机。
背景技术
随着永磁材料性能的不断提高和价格的不断下降，永磁材料在电机中的使用日益广泛。永磁材料的使用给电机带来了很多优越性：功率密度高，体积小，重量轻，效率高，无刷化，结构简单，可靠性高，结构灵活。永磁电机的研究多年来一直是电机研究领域的热点，因此世界各国均投入大量人力、物力和财力研究开发永磁电机，出现了很多新型结构的电机。但永磁电机研究和应用也存在着一些难点，有待于进一步深入。
永磁电机种类繁多，不仅可以作为发电机运行，而且可以作为电动机运行。作为发电机，永磁同步发电机采用永磁体励磁，当负载引起电枢电流变化或者转速发生变化时，无法像普通电励磁发电机那样通过调节励磁电流对励磁磁动势进行调节，使得发电机的端电压随着发生变化，影响负载的正常工作。
对于电动机，在一些高性能应用场合，要求调速范围宽，在高速段采用恒功率方式进行调速，此时需要减弱磁场调速，但是由于永磁电动机励磁磁场无法调节。
可见，永磁电机的励磁磁场调节问题是永磁电机应用中的重要问题，研究和解决永磁电机磁场调节问题，对于永磁电机性能的提高，永磁电机的广泛推广和使用具有重要意义。
混合励磁永磁电机中既有永磁磁极又有励磁绕组，两个磁势源同时存在，综合了电励磁同步电机调磁方便和永磁同步电机效率高、转矩/质量比大等优点。因此混合励磁电机已经成为一个热点话题，各国学者对其进行了深入研究，并提出了许多励磁方案。
美国威斯康星大学提出了一种混合励磁永磁电机，定子绕组与普通的永磁机的类似，转子上分别有永磁体和电励磁，其中永磁体极占大部分，电励磁极提供小部分磁场以平衡气隙磁场的变化。该方案电机磁路与传统电机相似，结构简单，但是转子电励绕组与外部的仍需要滑环和电刷，不能实现无刷化，以致电机维护工作量大。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种不需要电刷和集电环的采用谐波励磁的混合励磁永磁电机，可在定子上进行电机内的磁场调节。
本发明的技术方案是这样实现的：采用谐波励磁的混合励磁永磁电机，包括一机壳1，机壳1内装有由定子铁心2、定子绕组3组成的定子和由永磁磁极4、铁磁磁极5、转轴6、转子铁心7、转子绕组8组成的转子，定子绕组3由定子主绕组11和定子谐波励磁绕组12组成，分布于定子铁心2上沿圆周方向开设的槽9中，转子铁心7上布置有永磁磁极4和铁磁磁极5，铁磁磁极5上布置转子绕组8，转子绕组8由转子励磁绕组13和转子谐波绕组14组成。
所述的定子主绕组11可以任意设置，可以为三相绕组，也可以为单相或者多相绕组。
所述的定子谐波励磁绕组12可以任意设置，可以为三相绕组，也可以为单相或者多相绕组。
所述的转子励磁绕组13可以是集中绕组，也可以为分布绕组。
所述的转子谐波绕组14可以任意设置，可以为三相绕组，也可以为单相或者多相绕组。
所述的转子永磁磁极4与铁磁磁极5的数量可以任意设置，两者的比例可以根据电压调节范围确定。
所述的转子在定子内或者放置于定子外。
所述的定子主绕组11和定子谐波励磁绕组12可以相互独立，也可以采用一套实现两套绕组的功能。
所述的转子励磁绕组13的极距与定子主绕组11的极距相同。
所述的转子谐波绕组14的极距与定子谐波励磁绕组12的极距相同。
本发明的采用谐波励磁的混合励磁永磁电机的转子上不仅有永磁磁极4，而且有布置了转子励磁绕组13和转子谐波绕组14的铁磁磁极5，定子上布置的两套绕组：定子主绕组11和定子谐波励磁绕组12，既可以相互独立，也可以采用一套实现两套绕组的功能。定子主绕组11用于机电能量转换，定子谐波励磁绕组12用于励磁控制，定子谐波励磁绕组12极对数大于定子主绕组11的极对数。转子的极对数与定子主绕组11的极对数相同，一部分为永磁磁极4，另一部分为铁磁磁极5。每个铁磁磁极5上除了套有极距与永磁磁极4相同的转子励磁绕组13，每个铁磁磁极5上还布置有极距与定子谐波励磁绕组12极距相同的转子谐波绕组14。定子主绕组11与永磁磁极4和铁磁磁极5相对应，产生电磁感应作用，相当于一台旋转磁极的同步发电机；定子谐波励磁绕组12与转子谐波绕组14相对应，产生电磁感应作用，相当于一台旋转电枢的同步发电机。转子谐波绕组14感应的电动势经过旋转整流器整流得到直流电，给铁磁磁极5上的转子励磁绕组13提供直流电，通过调节定子谐波励磁绕组12上的电流就可以实现转子励磁绕组13电流的调节，从而达到调节定子主绕组11电压的目的。
与现有技术相比，本发明的混合励磁永磁电机具有如下特点：
1、电机不需要电刷和集电环，结构简单，可靠性高。
2、与普通永磁电机结构相近，有利于磁路分布和电机绕组的优化设计，电机的功率密度高，电压畸变率低。
3、不存在轴向磁路和附加气隙，磁路短，漏磁小，电励磁通过谐波磁势调节，其励磁损耗小，电机的效率高。
附图说明
图1是图2的A-A截面图，为采用谐波励磁的混合励磁永磁电机结构示意图。其中1为机壳，2为定子铁心，3为定子绕组，4为永磁磁极，5为铁磁磁极，6为转轴，7为转子铁心，8为转子绕组，15为轴承。
图2是图1中电机截面图，以8极为例。其中2为定子铁心，3为定子绕组，4为永磁磁极，5为铁磁磁极，6为转轴，7为转子铁心，9为定子铁心上布置绕组的槽，10为转子铁心上布置绕组的槽。
图3是图2中B-B部分详细说明图，为了方便，展开为直线画图。其中2为定子铁心，4为永磁磁极，5为铁磁磁极，7为转子铁心，9为定子铁心上布置绕组的槽，10为转子铁心上布置绕组的槽，11为定子主绕组，12为定子谐波励磁绕组，13为转子励磁绕组，14为转子谐波绕组。图中还画出了定子谐波励磁绕组直流电后产生的磁场的基波分量。
图4是转子谐波绕组经整流桥与转子励磁绕组相联的电路原理图。
图5是本发明的另外一种实施例。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例
由图1、2、3可知，本发明的采用谐波励磁的混合励磁永磁电机，包括机壳1，机壳1内配置有定子铁心2，定子铁心2上沿圆周方向开槽9，槽9内布置有定子绕组3，定子绕组3由定子主绕组11和定子谐波励磁绕组12组成。机壳1与定子铁心2固定不动。机壳1内配置有转轴6，转轴6通过轴承15与机壳1连接。转轴6上配置转子铁心7，转子铁心7上布置有永磁磁极4和铁磁磁极5，铁磁磁极5上开槽10，槽10内布置转子绕组8，转子绕组8由转子励磁绕组13和转子谐波绕组14组成。转子绕组8与转子铁心7可一起随着转轴6在定子铁心2内旋转。
本发明的工作原理是：转轴6以同步速旋转，转子永磁磁极4建立磁场，在定子主绕组11中感应同步频率的电动势，该电动势在转速一定时不能进行调节。为了调节定子主绕组11的电动势，在定子铁心2上布置了定子谐波励磁绕组12，转子铁心7上布置了转子励磁绕组13和转子谐波绕组14。转子励磁绕组13的极距与定子主绕组11极距相同，转子谐波绕组14极距与定子谐波励磁绕组12极距相同。定子谐波励磁绕组12中通入直流电产生磁场相对于转子谐波绕组14运动，转子谐波绕组14感应电动势，经过整流向转子励磁绕组13输出励磁所需的直流电。
下面参照图3来具体说明定子谐波励磁绕组12与转子谐波绕组14之间的电磁作用。以定子谐波励磁绕组12极距为定子主绕组11极距的1/2的情况为例说明，图3中的定子主绕组11和定子谐波励磁绕组12都以最简单的集中整距绕组为例。定子谐波励磁绕组12通入直流电流，将产生极对数为定子主绕组11极对数两倍的磁场，图3画出了磁场中基波分量的示意。该磁场相对于定子铁心2不动，相对于转子铁心7以同步速旋转。在转子谐波绕组13中感应的电动势的频率为定子主绕组11基波感应电动势的两倍。转轴6转速不变时，改变定子谐波励磁绕组12的直流电流的大小，就可以改变转子谐波绕组14的感应电动势，实现了无电刷和集电环将励磁能量由定子传递到转子的目的。定子谐波励磁绕组12和转子谐波绕组14极距相同，极距可以任意设置，只是转子谐波绕组14感应电动势的频率随之变化。
转子谐波绕组14感应的交流电动势经过整流得到直流电，直流电通入到转子励磁绕组13中实现励磁，电路图如图4所示。
直流励磁电流流过转子励磁绕组13建立相对于转子铁心7静止的磁场，该磁场相对于定子铁心2和定子主绕组11为同步速旋转，在定子主绕组11中感应同步频率的电动势，定子主绕组11与外部电路相联就可以向外输出能量。以定子谐波励磁绕组12极距为定子主绕组11极距1/2的情况为例，定子主绕组11感应电动势频率为转子谐波绕组14感应电动势的1/2。改变转子励磁绕组13的电流就可以改变定子主绕组11的感应电动势，即通过定子谐波励磁绕组12的电流就可以控制定子主绕组11的电动势，实现了在定子上调节电压的功能，同时无电刷和集电环。转子励磁绕组13仅布置在铁磁磁极5上，因此只用来改变铁磁磁极5下的磁场。永磁磁极4下的磁场不会随定子谐波励磁绕组14电流的变化而变化。
为了提高定子谐波励磁绕组14产生磁场的利用率，提高电压调节范围，可以采用如图5所示的结构，图中画出一对转子铁磁磁极5的布置，其余磁极布置都与铁磁磁极5相同，即将每个转子磁极都制成铁磁磁极5，铁磁磁极5靠近气隙部分布置转子励磁绕组13和转子谐波绕组14，铁磁磁极5下部布置永磁磁极4。
本发明用作发电机时，定子主绕组11与负载相连，用作电动机时，定子主绕组11与驱动电源相连；定子谐波励磁绕组12与励磁控制器相连。
转子励磁绕组13可以是集中绕组，也可以为分布绕组。
整流电路可以采用桥式全波整流，也可以是半波整流。
Claims (10)
1、采用谐波励磁的混合励磁永磁电机，包括一机壳(1)，其特征在于：机壳(1)内装有由定子铁心(2)、定子绕组(3)组成的定子和由永磁磁极(4)、铁磁磁极(5)、转轴(6)、转子铁心(7)、转子绕组(8)组成的转子，定子绕组(3)由定子主绕组(11)和定子谐波励磁绕组(12)组成，分布于定子铁心(2)上沿圆周方向开设的槽(9)中，转子铁心(7)上布置有永磁磁极(4)和铁磁磁极(5)，铁磁磁极(5)上布置转子绕组(8)，转子绕组(8)由转子励磁绕组(13)和转子谐波绕组(14)组成。
2、根据权利要求1所述的电机，其特征在于：所述的定子主绕组(11)可以任意设置，可以为三相绕组，也可以为单相或者多相绕组。
3、根据权利要求1所述的电机，其特征在于：所述的定子谐波励磁绕组(12)可以任意设置，可以为三相绕组，也可以为单相或者多相绕组。
4、根据权利要求1所述的电机，其特征在于：所述的转子励磁绕组(13)可以是集中绕组，也可以为分布绕组。
5、根据权利要求1所述的电机，其特征在于：所述的转子谐波绕组(14)可以任意设置，可以为三相绕组，也可以为单相或者多相绕组。
6、根据权利要求1所述的电机，其特征在于：所述的转子永磁磁极(4)与铁磁磁极(5)的数量可以任意设置，两者的比例可以根据电压调节范围确定。
7、根据权利要求1所述的电机，其特征在于：所述的转子在定子内或者放置于定子外。
8、根据权利要求2或3所述的电机，其特征在于：所述的定子主绕组(11)和定子谐波励磁绕组(12)可以相互独立，也可以采用一套实现两套绕组的功能。
9、根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于：所述的转子励磁绕组(13)的极距与定子主绕组(11)的极距相同。
10、根据权利要求3或4所述的电机，其特征在于：所述的转子谐波绕组(14)的极距与定子谐波励磁绕组(12)的极距相同。
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