CN105305757A - 一种双交错混合励磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双交错混合励磁电机，包括前端盖、后端盖和机壳，转轴上设有转子轭，转子轭上固定有永磁N极、永磁S极和铁极，机壳上均匀设有电枢铁芯和励磁铁芯，电枢铁芯上设有交流电枢绕组，励磁铁芯上设有交流励磁绕组；转轴、转子轭、永磁N极、永磁S极和铁极构成转子；交流电枢绕组、电枢铁芯、交流励磁绕组、励磁铁芯和机壳构成定子。本发明采用交流电流调节气隙磁通，励磁磁动势与电枢磁动势为并联关系，通过调节磁通的分布来改变感应电势的大小，既能实现双向对称调磁，又能避免磁钢去磁的危险。本发明在变速发电应用场合可以提供恒压电源，在变速电动场合可实现比一般混合励磁电机更加宽广的调速范围。

Description

一种双交错混合励磁电机

技术领域

本发明涉及混合励磁电机的技术领域，具体涉及一种双交错混合励磁电机。

背景技术

钕铁硼等稀土永磁材料磁能积较高，使得永磁电机内气隙磁场难以调节。一般的永磁电机采用矢量控制技术，通过调节定子直轴电流来调节磁通。但直轴去磁电流有可能使永磁体发生不可逆退磁，降低了电机的可靠性。合理改变永磁电机结构，引入辅助电励磁绕组，实现气隙磁场灵活调节的混合励磁电机成为解决这一问题的有效途径。

混合励磁电机的分类方法有很多，按永磁体安放位置可以分为转子永磁型和定子永磁型；按永磁和电励磁两种励磁源相互关系可以分为串联型、并联型和混联型；按转子（动子）的运动方式可以分为旋转式和直线式；按气隙磁场调节方式可以分为直流励磁型和交流励磁型。

现有混合励磁电机大多采用直流励磁方式，其磁场调节的主要思想是：当直流励磁绕组中通入某一方向的励磁电流时，若使得同一极下铁极和永磁极的极性相反，则气隙平均磁密减弱，起到弱磁的效果。若改变励磁电流方向，则同一极下铁极和永磁极的极性相同，气隙平均磁密增强，起到增磁的效果。如图1所示，采用直流励磁时，电励磁磁动势F _f 的相位不可灵活调节；弱磁时电励磁磁动势F _f 与永磁磁动势F _pm 反相位，增磁时电励磁磁动势F _f 与永磁磁动势F _pm 同相位；当电枢磁动势F _a 发生变化时，合成磁动势F ₀也随之变化，但始终不与电励磁磁动势F _f 同相位或反相位。通过比较增磁、弱磁两种情况下气隙合成磁动势相对于无励磁时的空载磁动势幅值的变化量可以发现，直流励磁混合励磁电机的弱磁能力有限，增磁和弱磁调节范围不对称。

授权公告号为CN102005879B的中国发明专利，提出了一种采用交流调磁的混合励磁同步发电机。该电机为两段结构，一段为永磁电机，另一段为无刷电励磁同步电机，两部分在轴向并列布置，磁路上彼此独立。该电机两部分定子铁芯共用一套定子电枢绕组，电枢绕组和电励磁绕组中都流过交流电流，调节励磁电流的大小和相位可调节电枢绕组中电励磁感应电势的大小和相位。在磁路上电励磁磁动势和电枢磁动势是串联关系，电励磁绕组和电枢绕组之间类似于变压器原、副边绕组，弱磁时有一部分电枢磁动势会被抵消掉，没有完全发挥电枢磁动势的效用。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种双交错混合励磁电机，可以简单、灵活、经济地调节电机气隙磁场、改变线圈感应电势，能够避免永磁体产生不可逆退磁，具有双向对称调磁能力，电励磁磁动势和电枢磁动势是并联关系。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种双交错混合励磁电机，包括前端盖、后端盖和机壳，前端盖、后端盖的中部设有转轴，所述转轴上设有转子轭，转子轭上固定有永磁N极、永磁S极和铁极，所述机壳上均匀设有电枢铁芯和励磁铁芯，电枢铁芯上设有交流电枢绕组，励磁铁芯上设有交流励磁绕组；所述转轴、转子轭、永磁N极、永磁S极和铁极构成转子；交流电枢绕组、电枢铁芯、交流励磁绕组、励磁铁芯和机壳构成定子。

所述电机沿转轴方向分成N极边区域和S极边区域；所述N极边区域和S极边区域内均包含转子部分和定子部分；所述N极边区域转子部分由永磁N极和铁极沿圆周方向交错排列构成，永磁N极和S极边区域内的相邻铁极沿电机转轴方向对齐；所述S极边区域转子部分由永磁S极和铁极沿圆周方向交错排列构成，永磁S极与N极边区域内的相邻铁极沿电机转轴方向对齐。

所述交流电枢绕组和交流励磁绕组组成定子绕组，在N极边区域内交流电枢绕组和交流励磁绕组沿圆周方向交错排列，在S极边区域内交流电枢绕组和励磁绕组沿圆周方向交错排列，电枢铁芯和励磁铁芯沿电机转轴方向对齐。

所述N极边区域和S极边区域是等长的，所述永磁N极、永磁S极和铁极的大小相等，所述交流电枢绕组和交流励磁绕组均为对称绕组。

所述铁极的个数等于电机的极数，永磁N极和永磁S极的数目等于电机的极对数。

所述N极边区域定子槽数和S极边区域定子槽数与电机槽数相等，电机槽数为电机相数的偶数倍。

所述前端盖和后端盖的中部通过轴承与转轴相连接；前端盖和后端盖的端部与机壳相连接。

所述转轴的后端安装有风扇，风扇外端设有风扇罩，风扇罩固定在机壳上。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

1.本发明采用交流励磁调节气隙磁场，通过控制三相（或多相）对称励磁电流的大小和相位来实现对磁场的控制。

2.交流调磁时，本发明电励磁磁动势F _f 与合成磁动势F ₀同相位或反相位，增磁范围与弱磁范围对称，调磁性能好。

3.本发明定子电枢铁芯和励磁铁芯没有共用绕组，电励磁绕组和电枢绕组相互独立，在磁路上电励磁磁动势和电枢磁动势是并联关系。

4.本发明电枢绕组和交流励磁绕组都是三相（或多相）对称绕组，二者相数相同，可以是分布绕组或集中绕组。

5.本发明调节励磁电流时改变的是电机内三维磁场的分布，一对极下合成磁通发生变化，而穿过永磁体的磁通方向始终不变，不会引起永磁体退磁，电机的可靠性高。

6.本发明双交错混合励磁电机既可作为发电机在变速发电应用场合提供恒压电源，又可作为电动机实现比一般混合励磁电机更加宽广的恒功率调速范围。

7.本发明通过定子电枢绕组、励磁绕组分布形式以及永磁极和铁极的设计，可以得到高质量的发电机输出电压或电动机负载特性。

附图说明

图1为采用直流励磁的混合励磁电机磁动势空间矢量图；其中，（a）是弱磁矢量图，（b）是增磁矢量图。

图2为本发明一对极的转子结构示意图。

图3是本发明6槽2极集中绕组双交错混合励磁电机截面示意图。

图4是本发明6槽2极集中绕组双交错混合励磁电机剖视图，其中，（a）是A-A剖视图，（b）是B-B剖视图。

图5是本发明双交错混合励磁电机磁动势空间矢量图，其中，（a）是弱磁矢量图，图（b）是增磁矢量图。

图6是本发明双交错混合励磁电机转子磁通空间分布图，其中，（a）是无励磁时的分布情况，（b）是弱磁时的分布情况，（c）是增磁时的分布情况。

具体实施方式

下面通过附图和实施例具体描述本发明。

一种双交错混合励磁电机，如图2、图3和图4所示，包括前端盖3、后端盖4和机壳8，机壳8设置在前端盖3和后端盖4之间，机壳8由导磁材料制成。前端盖3、后端盖4的中部设有转轴1，前端盖3和后端盖4的中部通过轴承2与转轴1相连接，设置轴承2方便转轴1相对于前端盖3和后端盖4进行转动。前端盖3和后端盖4的端部与机壳8相连接。转轴1的后端安装有风扇7，风扇7关于转轴1是对称的，转轴1可以带动风扇7转动，有利于疏散机壳8内的热量。风扇7外端设有风扇罩5，风扇罩5固定在机壳8上。

转子轭6为圆柱形高导磁套筒，转轴1穿过转子轭6，转子轭6上固定有永磁N极13、永磁S极15和铁极14。机壳8上均匀设有电枢铁芯9和励磁铁芯10，电枢铁芯9上设有交流电枢绕组11，励磁铁芯10上设有交流励磁绕组12。转轴1、转子轭6、永磁N极13、永磁S极15和铁极14构成转子。交流电枢绕组11、电枢铁芯9、交流励磁绕组12、励磁铁芯10和机壳8构成定子。

电机沿转轴1方向分成N极边区域17和S极边区域16，N极边区域17和S极边区域16是等长的，且N极边区域17和S极边区域16均包含转子部分和定子部分。转子和定子都采用交错结构。

N极边区域17转子部分包括永磁N极13和铁极14，永磁N极13和铁极14沿圆周方向交错排列，永磁N极13与S极边区域16内相邻的铁极14沿电机转轴1方向对齐。S极边区域16转子部分由永磁S极15和铁极14沿圆周方向交错排列构成，且永磁S极15与N极边区域17内相邻的铁极14沿电机转轴1方向对齐。

永磁N极13、永磁S极15均为永磁体。铁极14的个数等于电机的极数，永磁N极13和永磁S极15的数目等于电机的极对数。永磁N极13、永磁S极15和铁极14的大小相等。永磁N极13、永磁S极15和铁极14与转轴1间有一高导磁套筒形成转子轭6，用于转子的轴向导磁。

为保证电枢磁场和励磁磁场均为圆形旋转磁场，在绕组分相过程中必须保证电枢绕组和励磁绕组沿圆周向和轴向对称分布。在本发明中采用交错分相法，每相绕组有一部分位于N极边区域17内，另一部分位于S极边区域16内，使得交流电枢绕组11和交流励磁绕组12都是对称绕组，流过对称交流电时产生圆形旋转磁场。

N极边区域17定子部分和S极边区域16定子部分均包含交流电枢绕组11、电枢铁芯9、交流励磁绕组12和励磁铁芯10。N极边区域17内的交流电枢绕组11和交流励磁绕组12沿圆周交错放置，S极边区域16内的交流电枢绕组11和交流励磁绕组12沿圆周交错放置，N极边区域17内的电枢铁芯9与S极边区域16内的励磁铁芯10沿电机转轴1方向对齐，N极边区域17内的励磁铁芯10与S极边区域16内的电枢铁芯9沿电机转轴1方向对齐。交流电枢绕组11和交流励磁绕组12均为对称绕组。电枢铁芯9和励磁铁芯10尺寸相同。N极边区域17槽数和S极边区域16槽数与电机槽数相等，且N极边区域17槽数和S极边区域16的槽数为电机相数的偶数倍。

图5所示是本发明双交错混合励磁电机磁动势空间矢量图。图中F _f 为励磁磁动势，F _pm 为永磁磁动势，F _a 为电枢磁动势，F ₀为F _pm 和F _a 的合成磁动势。交流励磁绕组12中流过励磁电流时产生励磁磁动势F _f ，励磁磁动势F _f 在空间与F _a 、F _pm 和F ₀同步旋转。本发明采用交流励磁电流灵活调节电励磁磁动势F _f ，使之随着合成磁动势F ₀实时变化；通过调节交流励磁电流的相位来控制电励磁磁动势F _f 的相位（与合成磁动势F ₀同相位或反相位）以改变电机内气隙三维磁场的分布，与电枢绕组交链的有效磁通随之改变，以达到调节磁场和感应电动势的目的；通过调节电励磁磁动势的大小，来控制气隙合成磁场的幅值。

N极边区域17内的永磁体的极性均为N极，S极边区域16内的永磁体的极性均为S极。弱磁时，通过调节交流励磁绕组12中电流的相位，使得电励磁磁动势F _f 与合成磁动势F ₀反相位，则N极边区域17的铁极14感应为N极，S极边区域16的铁极14感应为S极，电枢绕组11中线圈的两导体边所产生的感应电势反相串联，相互抵消，电枢绕组感应电势减小，达到了常规电机通过弱磁来减小绕组感应电势的目的。增磁时，若调节交流励磁绕组12中电流的相位，使得电励磁磁动势F _f 与合成磁动势F ₀同相位，则N极边区域17的铁极14感应为S极，S极边区域16的铁极14感应为N极，电枢绕组11中线圈的两导体边所产生的感应电势顺相串联，数值相加，电枢绕组感应电势增大，达到了常规电机通过增磁来增大绕组感应电势的目的。

本发明采用交流励磁电流调节气隙磁通的分布，以改变感应电势的大小，可以实现双向对称调磁。由于励磁磁动势F _f 与电枢磁动势F _a 在磁路上属于并联关系，调节励磁电流时改变的是电机内三维磁场的分布，一对极下合成磁通发生变化，而穿过永磁体的磁通方向始终不变，避免了磁钢去磁的危险。本发明在变速发电应用场合可以提供恒压电源，在变速电动场合可实现比一般混合励磁电机更加宽广的调速范围。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双交错混合励磁电机，包括前端盖（3）、后端盖（4）和机壳（8），前端盖（3）、后端盖（4）的中部设有转轴（1），其特征在于，所述转轴（1）上设有转子轭（6），转子轭（6）上固定有永磁N极（13）、永磁S极（15）和铁极（14），所述机壳（8）上均匀设有电枢铁芯（9）和励磁铁芯（10），电枢铁芯（9）上设有交流电枢绕组（11），励磁铁芯（10）上设有交流励磁绕组（12）；所述转轴（1）、转子轭（6）、永磁N极（13）、永磁S极（15）和铁极（14）构成转子，交流电枢绕组（11）、电枢铁芯（9）、交流励磁绕组（12）、励磁铁芯（10）和机壳（8）构成定子。

2.根据权利要求1所述的双交错混合励磁电机，其特征在于，电机沿转轴（1）方向分成N极边区域（17）和S极边区域（16）；所述N极边区域（17）和S极边区域（16）内均包含转子部分和定子部分。

3.根据权利要求2所述的双交错混合励磁电机，其特征在于，所述N极边区域（17）转子部分由永磁N极（13）和铁极（14）沿圆周方向交错排列构成，且永磁N极（13）与S极边区域（16）内相邻的铁极（14）沿转轴（1）方向对齐；所述S极边区域（16）转子部分由永磁S极（15）和铁极（14）沿圆周方向交错排列构成，且永磁S极（15）与N极边区域（17）内相邻的铁极（14）沿转轴（1）方向对齐。

4.根据权利要求1所述的双交错混合励磁电机，其特征在于，所述交流电枢绕组（11）和交流励磁绕组（12）组成定子绕组，在N极边区域（17）内交流电枢绕组（11）和交流励磁绕组（12）沿圆周方向交错排列，在S极边区域（16）内交流电枢绕组（11）和励磁绕组（12）沿圆周方向交错排列，电枢铁芯（9）和励磁铁芯（10）沿转轴（1）方向对齐。

5.根据权利要求2所述的双交错混合励磁电机，其特征在于，所述N极边区域（17）和S极边区域（16）是等长的，所述永磁N极（13）、永磁S极（15）和铁极（14）的大小相等，所述交流电枢绕组（11）和交流励磁绕组（12）均为对称绕组。

6.根据权利要求5所述的双交错混合励磁电机，其特征在于，所述铁极（14）的个数等于电机的极数，永磁N极（13）和永磁S极（15）的数目等于电机的极对数。

7.根据权利要求3所述的双交错混合励磁电机，其特征在于，所述N极边区域（17）定子槽数和S极边区域（16）定子槽数与电机槽数相等，电机槽数为电机相数的偶数倍。

8.根据权利要求1所述的双交错混合励磁电机，其特征在于，所述前端盖（3）和后端盖（4）的中部通过轴承（2）与转轴（1）相连接；前端盖（3）和后端盖（4）的端部与机壳（8）相连接。

9.根据权利要求1所述的双交错混合励磁电机，其特征在于，所述转轴（1）的后端安装有风扇（7），风扇（7）外端设有风扇罩（5），风扇罩（5）固定在机壳（8）上。