CN107317457A - 一种永磁耦合调速电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种永磁耦合调速电机，其中，永磁耦合调速电机包括：外壳(1)、输出轴(2)、控制结构(3)、电动结构、调速结构；其中，电动结构包括电动转子(5)和设置在外壳内壁上的定子(4)，调速结构包括绕组转子(6)和永磁转子(7)；定子的磁场与电动转子的磁场相互作用以传递转矩，绕组转子的磁场与永磁转子的磁场相互作用以传递转矩；绕组转子和永磁转子中的一者与电动转子固定连接，另一者与输出轴固定连接；控制结构与绕组转子电连接，控制结构调节绕组转子的电流或电压。该永磁耦合调速电机能够高效运行、调速平滑且调速范围大、特性硬、轴向尺寸短，具有低电压穿越能力。
Description
技术领域
本发明涉及电机领域，具体地，涉及一种永磁耦合调速电机。
背景技术
调速运行是公认的实现电机节能的最佳方式之一，电机的调速运行，主要有以下三种方式：
1、电磁调速
电磁调速由笼型电机、电磁转差离合器和直流励磁电源(控制器)组成。电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组组成，电枢与笼型电机转子同轴联接并且由笼型电机带动，磁极通过联轴器与负载连接，励磁绕组通直流电。当电枢随笼型电机旋转时，由于电枢与磁极之间相对运动，使电枢感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动转子沿同一方向旋转，但转子的转速始终低于电枢的转速，即电磁调速为转差调速方式，调节电磁转差离合器的直流励磁电流，就可以改变电磁转差离合器的输出转矩和转速。
但是，电磁调速效率低，转差功率损耗大，轴向长度较大，占用空间较大，导致安装不便。
2、串级调速
串级调速通常是在绕线式异步电机的转子回路中串联转差功率变换装置，将转差功率回馈给电网，既达到调速的目的，又获得较高的效率。其中，转子回路电流由半导体整流器整流为直流电，再经由逆变器把直流电变为工频交流电，然后将能量回馈到交流电网中。通过控制逆变器的逆变角，则可以改变逆变器直流侧的电压，从而达到调速的目的。
但是，串级调速不具备低电压穿越能力。即，当电网发生电压跌落(电压暂时下降)时，电机为维持输出转矩不变，则定子的电流增大，导致转子侧感应电流较大。由于转差功率变换装置的变频器直接串联在转子回路上，转差功率变换装置因为电流过大容易烧毁，导致电机故障停产。
3.变频调速
变频调速是通过改变电动机定子的供电频率来改变旋转磁场，从而改变旋转磁场同步转速来进行调速，这种方式无附加转差损耗。变频调速***的关键装置是频率变换器，即变频器，由它来提供变频电源。变频器可分为交-直-交(交流-直流-交流)变频器和交-交(交流-交流)变频器两大类。其特点包括效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高。但是，变频调速的关键装置变频器容量大，技术复杂，造价高，安装环境要求高，维护检修困难。
因此，综合现有技术中各种电机的调速运行方式，需要一种高效、体积小、具有低电压穿越能力的低成本调速电机。
发明内容
本发明的目的是提供一种永磁耦合调速电机，该永磁耦合调速电机能够高效运行、体积小，具有低电压穿越能力且成本低。
为了实现上述目的，本发明方案一提供一种永磁耦合调速电机，所述永磁耦合调速电机包括：外壳、输出轴、控制结构、电动结构、调速结构；
其中，所述电动结构包括电动转子和设置在所述外壳内壁上的定子，所述调速结构包括绕组转子和永磁转子；
所述定子的磁场与所述电动转子的磁场相互作用以传递转矩，所述绕组转子的磁场与所述永磁转子的磁场相互作用以传递转矩；
所述绕组转子和所述永磁转子中的一者与所述电动转子5固定连接，另一者与所述输出轴固定连接；
所述控制结构与所述绕组转子电连接，所述控制结构调节所述绕组转子的电流或电压。
方案二、根据方案一所述的永磁耦合调速电机，其中，所述定子与所述控制结构电连接，通过所述控制结构可将所述调速结构的转差功率回馈给所述定子。
方案三、根据方案二所述的永磁耦合调速电机，其中，所述定子包括主绕组和副绕组，所述主绕组与外部电源电连接，所述副绕组与所述控制结构电连接，当所述输出轴的转速低于所述电动转子的转速时，通过所述控制结构将所述调速结构的转差功率回馈给所述定子的副绕组。
方案四、根据方案一所述的永磁耦合调速电机，其中，所述控制结构与电网电连接，通过所述控制结构将所述调速结构的转差功率回馈给电网。
方案五、根据方案四所述的永磁耦合调速电机，其中，所述定子包括主绕组，所述主绕组与外部电源电连接，当所述输出轴的转速低于所述电动转子的转速时，通过所述控制结构将所述调速结构的转差功率回馈给电网。
方案六、根据方案一至五之任一项所述的永磁耦合调速电机，其中，当所述输出轴的转速高于所述电动转子的转速时，通过控制结构给所述绕组转子供电，所述绕组转子向电网吸收功率。
方案七、根据方案一至六之任一项所述的永磁耦合调速电机，其中，所述绕组转子与所述电动转子固定连接，所述永磁转子与所述输出轴固定连接。
方案八、根据方案七所述的永磁耦合调速电机，其中，所述永磁转子、所述绕组转子、所述电动转子和所述定子沿所述输出轴的径向依次布置。
方案九、根据方案一至六之任一项所述的永磁耦合调速电机，其中，所述永磁转子与所述电动转子固定连接，所述绕组转子与所述输出轴固定连接。
方案十、根据方案九所述的永磁耦合调速电机，其中，所述绕组转子、所述永磁转子、所述电动转子和所述定子沿所述输出轴的径向依次布置。
方案十一、根据方案一至十之任一项所述的永磁耦合调速电机，其中，所述永磁耦合调速电机还包括可转动地安装在所述外壳内部的承载架，所述承载架包括筒状主体、第一端板和第二端板，所述筒状主体与所述输出轴同轴设置，所述第一端板连接于所述筒状主体的靠近所述输出轴的连接端的一端，所述第二端板连接于所述筒状主体的远离所述输出轴的连接端的一端，所述第一端板上形成有向外延伸的第一轴颈，所述第二端板上形成有向外延伸的第二轴颈，所述第一轴颈通过第一轴承安装在所述外壳的第一端盖上，所述第二轴颈通过第二轴承安装在所述外壳的第二端盖上。
方案十二、根据方案十一所述的永磁耦合调速电机，其中，所述电动转子固定于所述筒状主体的外壁，所述绕组转子和所述永磁转子位于所述承载架的内部，并且所述绕组转子和所述永磁转子中的一者固定于所述筒状主体的内壁，另一者与所述输出轴固定连接。
方案十三、根据方案十一或十二所述的永磁耦合调速电机，其中，所述绕组转子通过集电环、碳刷和引线与所述控制结构电连接，所述集电环套设在所述第二轴颈上。
方案十四、根据方案十一或十二所述的永磁耦合调速电机，其中，所述绕组转子通过集电环、碳刷和引线与所述控制结构电连接，所述输出轴的与连接端相反的一端伸出所述第二端盖，所述集电环套设在所述输出轴的与连接端相反的一端。
方案十五、根据方案十四所述的永磁耦合调速电机，其中，所述永磁耦合调速电机还包括保护盖，所述保护盖与所述第二端盖可拆卸地连接，所述输出轴的与连接端相反的一端位于所述保护盖内。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明的电动转子始终高速运行，电动结构转差率s基本不变，从而保证了电动结构始终高效运行，且永磁调速结构除自身损耗外，将全部转差功率回馈给电网或电动结构自身再利用，因此本发明效率更高；
2、本发明调速范围大，特性硬，调速平滑，尤其负载低速运行时，可保持额定转矩运行；
3、本发明通过控制结构简单地控制绕组转子回路的ON/OFF，即可实现离合功能，且无机械动作、无摩擦磨损；
4、本发明通过调节绕组中的感应电流的大小，控制传递转矩的大小，实现调速和软起动；
5、本发明具有过载保护功能；
6、本发明具有低电压穿越能力。当电网发生电压跌落时，电动结构为维持其输出转矩不变，定子电流变大，电动转子侧感应出较大感应电流，但由于时间较短且电动结构中不需要设置功率变换器件，故电动结构自身可以承受，不会被烧毁。调速结构的绕组转子固定在承载架内部与电动转子一起旋转，绕组转子只承受电动结构传递的转矩，调速绕组感应的电流只与永磁转子和绕组转子之间的转差和传递的转矩大小有关，与电网电压或定子电流大小无关，所以电网电压跌落对调速结构及控制结构无影响；
7、本发明轴向长度短，总体长度与普通电动机相当，占用空间少，对于改造旧***非常有利；
8、本发明只有一个轴伸端，四个轴承通过两个注油孔即可更换油脂，只需两个废脂盒即可收集四个轴承的废脂。滑环和碳刷安装在非驱动端，有利于维护和更换；
9、本发明相比变频调速，尤其是高压变频器，成本明显降低。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的第一实施方式的永磁耦合调速电机的剖视图；
图2是本发明的第二实施方式的永磁耦合调速电机的剖视图；
图3是本发明的第三实施方式的永磁耦合调速电机的剖视图；
图4是本发明的第四实施方式的永磁耦合调速电机的剖视图；
图5是本发明的永磁耦合调速电机的功率分布图。
附图标记说明
1 外壳 1a 第一端盖
1b 第二端盖 2 输出轴
2a 连接端 3 控制结构
4 定子 4a 主绕组
4b 副绕组 5 电动转子
6 绕组转子 7 永磁转子
8 承载架 81 筒状主体
82 第一端板 83 第二端板
84 第一轴颈 85 第二轴颈
9 第一轴承 10 第二轴承
11 集电环 12 碳刷
13 引线 14 保护盖
15 外部电源
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
如图1所示，本发明的实施例一提供了一种永磁耦合调速电机，该永磁耦合调速电机包括：外壳1、输出轴2、控制结构3、电动结构、调速结构；其中，电动结构由电动转子5和设置在外壳1内壁上的定子4构成，调速结构包括绕组转子6和永磁转子7；定子4的磁场与电动转子5的磁场相互作用以传递转矩，绕组转子6的磁场与永磁转子7的磁场相互作用以传递转矩；绕组转子6与电动转子5固定连接，永磁转子7与输出轴2固定连接，永磁转子7、绕组转子6、电动转子5和定子4沿输出轴2的径向依次布置；定子4包括第一铁心、主绕组4a和副绕组4b，主绕组4a用于与外部电源15电连接，副绕组4b与控制结构3电连接，控制结构3调节绕组转子6的电流或电压，并且通过控制结构3将调速结构的转差功率回馈至定子4的副绕组4b。
定子4的主绕组4a和副绕组4b设置在同一个槽中且同相。
电动转子5可以是鼠笼转子或永磁转子或绕线转子，优选的本实施例为鼠笼转子，电动转子5包括第二铁心和鼠笼导体。
绕组转子6包括第三铁心和调速绕组，绕组转子6通过集电环11、碳刷12和引线13与控制结构3电连接。
永磁转子7包括第四铁心和永磁体，永磁体可以设置在第四铁心表面，或永磁体嵌在第四铁心内。
如图1所示，永磁耦合调速电机还包括可转动地安装在外壳1内部的承载架8，承载架8包括筒状主体81、第一端板82和第二端板83，筒状主体81与输出轴2同轴设置，第一端板82连接于筒状主体81的靠近输出轴2的连接端2a的一端，第二端板83连接于筒状主体81的远离输出轴2的连接端2a的一端，第一端板82上形成有向外延伸的第一轴颈84，第二端板83上形成有向外延伸的第二轴颈85，第一轴颈84通过第一轴承9安装在外壳1的第一端盖1a上，第二轴颈85通过第二轴承10安装在外壳1的第二端盖1b上。
电动转子5固定于筒状主体81的外壁，绕组转子6和永磁转子7位于承载架8的内部，并且绕组转子6固定于筒状主体81的内壁，永磁转子7与输出轴2固定连接。绕组转子6通过集电环11、碳刷12和引线13与控制结构3电连接，集电环11套设在第二轴颈85上，位于非驱动端，从而方便集电环11的安装以及绕组转子6与集电环11的电连接，有利于维护和更换。
输出轴2从承载架8的内部穿过，并且穿过第一轴颈84和第二轴颈85的各自的孔，承载架8能够相对于输出轴2转动，绕组转子6和永磁转子7位于承载架8的内部并且位于承载架8和输出轴2之间。电动转子5和绕组转子6安装在承载架8上，使得电动转子5转动带动绕组转子6，从而使得输出轴2随之转动，以传递转矩。
下面对实施例一的永磁耦合调速电机的工作原理进行说明：
外部电源15通过接线盒给定子4的主绕组4a供交流电I1，定子4中产生旋转磁场，且同步转速为n0。电动转子5的导体切割定子4的旋转磁场而产生感应电流I2，进而电动转子5中产生第一感应磁场。定子4的旋转磁场与电动转子5的第一感应磁场相互作用以传递转矩T1和第一电磁功率Pe1，电动转子5随定子4的旋转磁场而旋转，转速为n1，输出功率为Pe2。
电动转子5旋转带动绕组转子6同步旋转，两者转速相同。绕组转子6与永磁转子7之间发生相对转动，绕组转子6中的调速绕组切割永磁转子7的永磁磁场而产生感应电流I3，进而绕组转子6中产生第二感应磁场。绕组转子6的第二感应磁场与永磁转子7的永磁磁场相互作用以传递转矩T2和第二电磁转矩Pe2’，使得永磁转子7旋转，其转速为n2，输出功率为P2。
通过控制结构3控制绕组转子6的感应电流I3的大小来控制输出轴2传递的转矩大小，以适应转速要求，实现调速功能。
当输出轴2的输出转速n2低于电动转子5的转速n1时，调速结构的转差功率Ps通过控制结构3回馈给定子4的副绕组4b，并且通过定子4产生的旋转磁场与电动转子5的第一感应磁场相互作用产生正向的拖动转矩，使得电动结构从电网吸收的有功功率减少，实现节能。
当输出轴2的输出转速n2高于电动转子5的转速n1时，通过控制结构3给绕组转子6供电，绕组转子6向电网吸收功率，实现升速。
其中，如图5所示，永磁耦合调速电机的转速、转矩和功率满足以下条件(忽略机械损耗、杂散损耗和绕组转子铁耗)：
T1＝T2＝T
Pe2＝Pe2’＝kTn1
Pe1＝kTn0，Pe2＝kTn1，P2＝kTn2，
Ps＝Pe2-P2-Pcu3＝kT(n1-n2)-Pcu3，
其中，k＝1.0472，Pcu1为定子4的铜耗，PFe1为定子4的铁耗，Pcu2为电动转子5的铜耗，Pcu3为绕组转子6的铜耗，Ps为调速结构的转差功率，m为电动转子5的导体相数，R2为电动转子5的内阻。
如图5可以看出实施例一中，定子4的功率损耗仅为定子4的内阻铜耗Pcu1和铁耗PFe1，电动转子5的功率损耗仅为电动转子5的内阻铜耗，电动转子5的转速n1接近于同步转速n0，电动转子5始终高速运行，实施例一的永磁耦合调速电机从电网吸收的有功功率为P1-Ps。
实施例一在定子4的绕组中增加了一套副绕组4b，取消了永磁调速结构向电网输送能量的逆变变压器，降低了成本。永磁耦合调速的转差功率反馈给定子4的副绕组，对电网无污染。
实施例一的电动转子5始终高速运行，电动结构的转差率s基本不变，从而保证了电动结构始终高效运行，且永磁调速结构除自身损耗外，将全部转差功率回馈给电动结构自身再利用，没有变压器损耗，因此实施例一效率更高。
实施例一调速范围广，调速平滑，尤其负载低速运行时，可保持额定转矩运行。
实施例一通过控制结构简单地控制绕组转子6回路的ON/OFF，即可实现离合功能，且无机械动作、无摩擦磨损。
实施例一通过调节绕组转子6中的感应电流的大小，控制传递转矩的大小，实现调速和软起动。
实施例一具有过载保护功能。
实施例一具有低电压穿越能力。电压跌落是指工频电压条件下电压均方根值减小到额定电压的0.1-0.9倍之间，且持续时间为0.5周波至1分钟内的短时间的电压变动现象。低电压穿越能力是指小型发电***在确定的短时间内能够承受一定限值的电网低电压而不退出运行的能力，即能够承受电压跌落的能力。
当电网发生电压跌落时，实施例一电动结构为维持其输出转矩不变，定子4电流变大，电动转子5侧感应出较大感应电流，但由于时间较短且实施例一电动结构中无功率变换器件，实施例一的电动结构自身可以承受，不会被烧毁。实施例一调速结构的绕组转子6固定在承载架8内部，与电动转子5一起旋转，绕组转子6只承受电动结构传递的转矩，调速绕组感应的电流只与永磁转子7和绕组转子6之间的转差和传递的转矩大小有关，与电网电压或定子电流大小无关，所以电网电压跌落对实施例一的调速结构及控制结构无影响。
实施例一轴向长度短，总体长度与普通电动机相当，对于改造旧***非常有利。
实施例一只有一个轴申端，四个轴承通过两个注油孔即可更换油脂，只需两个废脂盒即可收集四个轴承的废脂。集电环11和碳刷12安装在非驱动端，有利于维护和更换。
实施例一相比变频调速，尤其是高压变频器，成本低。
实施例二：
如图2所示，本发明的实施例二提供的永磁耦合调速电机，该永磁耦合调速电机包括：外壳1、输出轴2、控制结构3、电动结构、调速结构；其中，电动结构由电动转子5和设置在外壳1内壁上的定子4构成，调速结构包括绕组转子6和永磁转子7；定子4的磁场与电动转子5的磁场相互作用以传递转矩，绕组转子6的磁场与永磁转子7的磁场相互作用以传递转矩；永磁转子7与电动转子5固定连接，绕组转子6与输出轴2固定连接，绕组转子6、永磁转子7、电动转子5和定子4沿输出轴2的径向依次布置；定子4包括第一铁心、主绕组4a和副绕组4b，主绕组4a用于与外部电源15电连接，副绕组4b与控制结构3电连接，控制结构3调节绕组转子6的电流或电压，并且通过控制结构3将调速结构的转差功率回馈至定子4的副绕组4b。
实施例二与实施例一原理相同，不同之处在于：
永磁转子7固定于筒状主体81的内壁，并随电动转子5一起旋转，绕组转子6与输出轴2固定连接。绕组转子6通过集电环11、碳刷12和引线13与控制结构3电连接，输出轴2的与连接端2a相反的一端伸出第二端盖1b，集电环11套设在输出轴2的与连接端2a相反的一端。
集电环11置于外壳1外侧，更有利于集电环11的维护和更换，甚至在安装现场即可进行集电环11的拆装。
如图2所示，永磁耦合调速电机还包括保护盖14，保护盖14与第二端盖1b可拆卸地连接，输出轴2的与连接端2a相反的一端位于保护盖14内。保护盖14对位于外壳1的外部的集电环11等元件起到保护作用，并且在需要对集电环11进行维修和更换时，可以将保护盖14拆下。
实施例三：
如图3所示，本发明的实施例三提供的永磁耦合调速电机，永磁耦合调速电机包括：外壳1、输出轴2、控制结构3、电动结构、调速结构；其中，电动结构由电动转子5和设置在外壳1内壁上的定子4构成，调速结构包括绕组转子6和永磁转子7；定子4的磁场与电动转子5的磁场相互作用以传递转矩，绕组转子6的磁场与永磁转子7的磁场相互作用以传递转矩；绕组转子6与电动转子5固定连接，永磁转子7与输出轴2固定连接，永磁转子7、绕组转子6、电动转子5和定子4沿输出轴2的径向依次布置；定子4包括第一铁心和主绕组4a，主绕组4a与外部电源15电连接，控制结构3与绕组转子6电连接，控制结构3调节绕组转子6的电流或电压，并且通过控制结构3将调速结构的转差功率回馈至电网。
电动转子5可以是鼠笼转子或永磁转子或绕线转子，优选的本实施例为鼠笼转子，电动转子5包括第二铁心和鼠笼导体。
绕组转子6包括第三铁心和调速绕组，绕组转子6通过集电环11、碳刷12和引线13与控制结构3电连接。
永磁转子7包括第四铁心和永磁体，永磁体可以设置在第四铁心表面，或永磁体嵌在第四铁心内。
如图3所示，永磁耦合调速电机还包括可转动地安装在外壳1内部的承载架8，承载架8包括筒状主体81、第一端板82和第二端板83，筒状主体81与输出轴2同轴设置，第一端板82连接于筒状主体81的靠近输出轴2的连接端2a的一端，第二端板83连接于筒状主体81的远离输出轴2的连接端2a的一端，第一端板82上形成有向外延伸的第一轴颈84，第二端板83上形成有向外延伸的第二轴颈85，第一轴颈84通过第一轴承9安装在外壳1的第一端盖1a上，第二轴颈85通过第二轴承10安装在外壳1的第二端盖1b上。
电动转子5固定于筒状主体81的外壁，绕组转子6和永磁转子7位于承载架8的内部，并且绕组转子6固定于筒状主体81的内壁，永磁转子7与输出轴2固定连接。绕组转子6通过集电环11、碳刷12和引线13与控制结构3电连接，集电环11套设在第二轴颈85上，位于非驱动端，从而方便集电环11的安装以及绕组转子6与集电环11的电连接，有利于维护和更换。
输出轴2从承载架8的内部穿过，并且穿过第一轴颈84和第二轴颈85的各自的孔，承载架8能够相对于输出轴2转动，绕组转子6和永磁转子7位于承载架8的内部并且位于承载架8和输出轴2之间。电动转子5和绕组转子6安装在承载架8上，使得电动转子5转动带动绕组转子6，从而使得输出轴2随之转动，以传递转矩。
下面对实施例三的永磁耦合调速电机的工作原理进行说明：
外部电源15通过接线盒给定子4的主绕组4a供交流电I1，定子4中产生旋转磁场，且同步转速为n0。电动转子5的导体切割定子4的旋转磁场而产生感应电流I2，进而电动转子5中产生第一感应磁场。定子4的旋转磁场与电动转子5的第一感应磁场相互作用以传递转矩T1和第一电磁功率Pe1，电动转子5随定子4的旋转磁场而旋转，转速为n1，输出功率为Pe2。
电动转子5旋转带动绕组转子6同步旋转，两者转速相同。绕组转子6与永磁转子7之间发生相对转动，绕组转子6中的调速绕组切割永磁转子7的永磁磁场而产生感应电流I3，进而绕组转子6中产生第二感应磁场。绕组转子6的第二感应磁场与永磁转子7的永磁磁场相互作用以传递转矩T2和第二电磁转矩Pe2’，使得永磁转子7旋转，其转速为n2，输出功率为P2。
通过控制结构3控制绕组转子6的感应电流I3的大小来控制输出轴2传递的转矩大小，以适应转速要求，实现调速功能。
当输出轴2的输出转速n2低于电动转子5的转速n1时，调速结构的转差功率通过控制结构3回馈给电网，实现节能。
当输出轴2的输出转速n2高于电动转子5的转速n1时，通过控制结构3给绕组转子6供电，绕组转子6向电网吸收功率，实现升速。
其中，如图5所示，永磁耦合调速电机的转速、转矩和功率满足以下条件(忽略机械损耗、杂散损耗和绕组转子铁耗)：
T1＝T2＝T
Pe2＝Pe2’＝kTn1
Pe1＝kTn0，Pe2＝kTn1，P2＝kTn2，
Ps＝Pe2-P2-Pcu3＝kT(n1-n2)-Pcu3，
其中，k＝1.0472，Pcu1为定子4的铜耗，PFe1为定子4的铁耗，Pcu2为电动转子5的铜耗，Pcu3为绕组转子6的铜耗，Ps为调速结构的转差功率，m为电动转子5的导体相数，R2为电动转子5的内阻。
如图5可以看出实施例三中，定子4的功率损耗仅为定子4的内阻铜耗Pcu1和铁耗PFe1，电动转子5的功率损耗仅为电动转子5的内阻铜耗，电动转子5的转速n1接近于同步转速n0，电动转子5始终高速运行，并且将转差功率Ps回馈给电网。
实施例三的电动转子5始终高速运行，电动结构的转差率s基本不变，从而保证了电动结构始终高效运行，且永磁调速结构除自身损耗外，将全部转差功率回馈给电网，因此实施例三效率更高。
实施例三调速范围广，调速平滑，尤其负载低速运行时，可保持额定转矩运行。
实施例三通过控制结构简单地控制绕组转子6回路的ON/OFF，即可实现离合功能，且无机械动作、无摩擦磨损。
实施例三通过调节绕组转子6中的感应电流的大小，控制传递转矩的大小，实现调速和软起动。
实施例三具有过载保护功能。
实施例三具有低电压穿越能力。电压跌落是指工频电压条件下电压均方根值减小到额定电压的0.1-0.9倍之间，且持续时间为0.5周波至1分钟内的短时间的电压变动现象。低电压穿越能力是指小型发电***在确定的短时间内能够承受一定限值的电网低电压而不退出运行的能力，即能够承受电压跌落的能力。当电网发生电压跌落时，实施例三电动结构为维持其输出转矩不变，定子4电流变大，电动转子5侧感应出较大感应电流，但由于时间较短且实施例三电动结构中无功率变换器件，实施例三的电动结构自身可以承受，不会被烧毁。实施例三调速结构的绕组转子6固定在承载架8内部，与电动转子5一起旋转，绕组转子6只承受电动结构传递的转矩，调速绕组感应的电流只与永磁转子7和绕组转子6之间的转差和传递的转矩大小有关，与电网电压或定子电流大小无关，所以电网电压跌落对实施例三的调速结构及控制结构无影响。
实施例三轴向长度短，总体长度与普通电动机相当，对于改造旧***非常有利。
实施例三只有一个轴申端，四个轴承通过两个注油孔即可更换油脂，只需两个废脂盒即可收集四个轴承的废脂。集电环11和碳刷12安装在非驱动端，有利于维护和更换。
实施例三相比变频调速，尤其是高压变频器，成本低。
实施例四：
如图4所示，本发明的实施例四提供的永磁耦合调速电机，该永磁耦合调速电机包括：外壳1、输出轴2、控制结构3、电动结构、调速结构；其中，电动结构由电动转子5和设置在外壳1内壁上的定子4构成，调速结构包括绕组转子6和永磁转子7；定子4的磁场与电动转子5的磁场相互作用以传递转矩，绕组转子6的磁场与永磁转子7的磁场相互作用以传递转矩；永磁转子7与电动转子5固定连接，绕组转子6与输出轴2固定连接，绕组转子6、永磁转子7、电动转子5和定子4沿输出轴2的径向依次布置；定子4包括第一铁心和主绕组4a，主绕组4a与外部电源15电连接，控制结构3与绕组转子6电连接，控制结构3调节绕组转子6的电流或电压，并且通过控制结构3将调速结构的转差功率回馈至电网。
实施例四与实施例三原理相同，不同之处在于：
永磁转子7固定于筒状主体81的内壁，并随电动转子5一起旋转，绕组转子6与输出轴2固定连接。绕组转子6通过集电环11、碳刷12和引线13与控制结构3电连接，输出轴2的与连接端2a相反的一端伸出第二端盖1b，集电环11套设在输出轴2的与连接端2a相反的一端。
集电环11置于外壳1外侧，更有利于集电环11的维护和更换，甚至在安装现场即可进行集电环11的拆装。
如图4所示，永磁耦合调速电机还包括保护盖14，保护盖14与第二端盖1b可拆卸地连接，输出轴2的与连接端2a相反的一端位于保护盖14内。保护盖14对位于外壳1的外部的集电环11等元件起到保护作用，并且在需要对集电环11进行维修和更换时，可以将保护盖14拆下。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (10)
1.一种永磁耦合调速电机，其特征在于，所述永磁耦合调速电机包括：外壳(1)、输出轴(2)、控制结构(3)、电动结构、调速结构；
其中，所述电动结构包括电动转子(5)和设置在所述外壳(1)内壁上的定子(4)，所述调速结构包括绕组转子(6)和永磁转子(7)；
所述定子(4)的磁场与所述电动转子(5)的磁场相互作用以传递转矩，所述绕组转子(6)的磁场与所述永磁转子(7)的磁场相互作用以传递转矩；
所述绕组转子(6)和所述永磁转子(7)中的一者与所述电动转子(5)固定连接，另一者与所述输出轴(2)固定连接；
所述控制结构(3)与所述绕组转子(6)电连接，所述控制结构(3)调节所述绕组转子(6)的电流或电压。
2.根据权利要求1所述的永磁耦合调速电机，其特征在于，所述定子(4)与所述控制结构(3)电连接，通过所述控制结构(3)将所述调速结构的转差功率回馈给所述定子(4)。
3.根据权利要求2所述的永磁耦合调速电机，其特征在于，所述定子(4)包括主绕组(4a)和副绕组(4b)，所述主绕组(4a)与外部电源(15)电连接，所述副绕组(4b)与所述控制结构(3)电连接，当所述输出轴(2)的转速低于所述电动转子(5)的转速时，通过所述控制结构(3)将所述调速结构的转差功率回馈给所述定子(4)的副绕组(4b)。
4.根据权利要求1所述的永磁耦合调速电机，其特征在于，所述控制结构(3)与电网电连接，通过所述控制结构(3)将所述调速结构的转差功率回馈给电网。
5.根据权利要求4所述的永磁耦合调速电机，其特征在于，所述定子(4)包括主绕组(4a)，所述主绕组(4a)与外部电源(15)电连接，当所述输出轴(2)的转速低于所述电动转子(5)的转速时，通过所述控制结构(3)将所述调速结构的转差功率回馈给电网。
6.根据权利要求1-5之任一项所述的永磁耦合调速电机，其特征在于，当所述输出轴(2)的转速高于所述电动转子(5)的转速时，通过控制结构(3)给所述绕组转子(6)供电，所述绕组转子(6)向电网吸收功率。
7.根据权利要求1-6之任一项所述的永磁耦合调速电机，其特征在于，所述绕组转子(6)与所述电动转子(5)固定连接，所述永磁转子(7)与所述输出轴(2)固定连接。
8.根据权利要求7所述的永磁耦合调速电机，其特征在于，所述永磁转子(7)、所述绕组转子(6)、所述电动转子(5)和所述定子(4)沿所述输出轴(2)的径向依次布置。
9.根据权利要求1-6之任一项所述的永磁耦合调速电机，其特征在于，所述永磁转子(7)与所述电动转子(5)固定连接，所述绕组转子(6)与所述输出轴(2)固定连接。
10.根据权利要求9所述的永磁耦合调速电机，其特征在于，所述绕组转子(6)、所述永磁转子(7)、所述电动转子(5)和所述定子(4)沿所述输出轴(2)的径向依次布置。
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