CN110289707A - 一种ltl型双凸极混合励磁发电机 - Google Patents

一种ltl型双凸极混合励磁发电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种LTL型双凸极混合励磁发电机，属于双凸极结构电机领域。所述的电机包括定子铁芯、转子铁芯、励磁绕组、永磁体、电枢绕组、电机壳、转轴。定子铁芯和转子铁芯采用双凸极结构，定子铁芯中每个主极包含3个定子极；所述转子铁芯位于定子铁芯内部，且与转轴固定；所述励磁绕组采用集中式绕组方式绕制于定子铁芯的主极内；所述永磁体嵌于定子铁芯的轭部，一端与电机壳相连，另一端与定子铁芯的隔磁桥相连；所述电枢绕组采用集中式绕组方式绕制于定子铁芯的定子极内；所述电机壳固定在定子铁芯外。本发明的电机绕组空间大，三相电感对称性好，不存在局部饱和引起的三相电压不均衡，运行效率高，不控整流输出电压波动低。

Description

一种LTL型双凸极混合励磁发电机
技术领域
本发明属于双凸极结构电机领域，具体地涉及一种LTL型双凸极混合励磁发电机。
背景技术
1992年Y.Liao,F.Liang与T.A.Lipo首先提出了一种新型的双凸极永磁电机结构，将传统永磁电机转子上的永磁体移至定子轭部，运行原理区别于传统永磁电机，可以视为开关磁阻电机和定子永磁励磁的一种组合。南京航空航天的孟小利、王莉和严仰光等人，将双凸极永磁电机的定子永磁体替换为励磁绕组，放置在定子槽内，于2005年提出一种新的电机结构，定子电励磁双凸极电机。
2010年程明将电励磁和永磁励磁相结合，提出一种新型的混合励磁的无刷电机结构，永磁磁场和电励磁磁场共同形成电机气隙主磁场.通过调节电励磁电流的大小和方向,能实现对电机主磁场的灵活调节与控制。
上述结构具有转子结构简单、可靠性强、功率密度高、可调性强等优点，具有良好的在直流发电能力，在航空发电机、汽车增程器等发电领域具有较好的应用前景。
然而无论是永磁励磁、电励磁还是混合励磁双凸极电机，励磁磁源均固定于定子，且周向、径向位置均保持不变，励磁磁源与各相对应齿的磁路长度、磁路宽度以及磁路饱和情况具有较大差异，导致各相电感不平衡，进而使得各相电压不对称，输出的直流母线电压波动较大。各相电感的不对称将导致各相响应电流的峰值存在差异，负载情况下电机铜耗增大，电机总体效率大大降低，短路运行时容易导致电机烧毁。相电压因电机局部饱和产生的不均衡会引起较大谐波分量，给后级电路中的直流电源或者电网负载带来谐波污染。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，基于已有混合励磁双凸极电机的技术基础，提出一种“LTL”型结构发电机，可以有效降低发电机因三相磁路不对称引起的直流母线电压波动的问题，大大改善直流输出电压性能，提高电机效率。
本发明是通过以下技术方案实现的：包括定子铁芯、转子铁芯、励磁绕组、永磁体、电枢绕组、电机壳、转轴。所述定子铁芯的每个主极中的三个定子极呈“LTL”型结构，与励磁绕组和永磁体较近的定子极为“L”型结构，相邻“L”型结构中间的定子极为“T”型结构。所述定子铁芯和转子铁芯为双凸极结构，定子铁芯中每个主极包含3个定子极；所述转子铁芯位于定子铁芯内部，且与转轴固定；所述励磁绕组采用集中式绕组方式绕制于定子铁芯的主极内；所述永磁体嵌于定子铁芯的轭部，一端与电机壳相连，另一端与定子铁芯的隔磁桥相连；所述电枢绕组采用集中式绕组方式绕制于定子铁芯的定子极内；所述电机壳固定在定子铁芯外；所述转轴的两端通过轴承固定于电机壳的端面上。每个定子极中，永磁体产生的磁场方向与励磁绕组产生的磁场方向一致，与电枢绕组产生的磁场方向相反。
进一步地，所述定子铁芯的主极总数为2k,定子铁芯所含定子极数为6k；转子铁芯所含极数为4k；k为正整数。
进一步地，每个定子极关于各自中心线对称，且中心线之间的角度θs＝2π/6k，各定子极的宽度相同。“L”型定子极齿顶极弧角度为βs＝αsθs,αs为定子极弧系数，取值范围为0.4～0.6；“T”型定子极齿顶的极弧角度为kTβs,kT取值大于1。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果：
1)本发明中的“L”型结构定子极，可以避免负载情况运行状况下，由于定子极齿顶两端不对称而呈现的局部饱和现象。局部饱和现象的削弱使得“L”型定子极所对应的相电压的正负对称性得到改善，相电压和相电流尖峰也得到削弱。相电流尖峰的削弱有利于降低电机的铜耗，并提高电机效率。
2)本发明中的“T”型结构定子极，在齿顶的延长距离将缩短电机气隙磁路的长度，扩大气隙磁路的宽度，降低气隙磁阻，补偿了“T”型结构定子极因远离永磁体和励磁绕组而增大的铁芯磁阻。由此三相磁路的磁阻得到补偿，三相电感之间的差异得到减小。“T”型结构定子极可以适当降低齿中部的宽度，为电枢绕组提供更多的绕组空间，有利于降低电机电密度，提高电机效率。
3)与励磁源相近的定子极随转子旋转时局部饱和现象得到消除，电磁性能更优，所引起的相电压非对称性弱。
4)各相电感的不平衡性降低，相电压对称性。
5)输出直流母线电压波动低，电机效率高。
6)绕组空间大，有利于电机电密度和绕组的设计。
附图说明
图1为本发明12/8型“LTL”双凸混合励磁发电机结构示意图；
图2为本发明6/4型“LTL”双凸混合励磁发电机结构示意图；
图3为本发明18/12型“LTL”双凸极混合励磁发电机结构示意图；
图4为本发明发电机“LTL”型定子单元示意图；
图5为本发明发电机三相电感与未采用“LTL”型发电机的比较；
图6为本发明发电机与未采用“LTL”型发电机三相不控整流输出电压比较。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2和图3，本发明所提供一种LTL型双凸极混合励磁发电机，包括定子铁芯1、转子铁芯2、励磁绕组3、永磁体4、电枢绕组5、电机壳6、转轴7。所述定子铁芯1的每个主极中的三个定子极呈“LTL”型结构，与励磁绕组3和永磁体4较近的定子极为“L”型结构，相邻“L”型结构中间的定子极为“T”型结构所述定子铁芯1和转子铁芯2为双凸极结构，定子铁芯1中每个主极包含3个定子极，例如A1、B1、C1为一主极，A2、B2、C2为另一主极。所述转子铁芯2位于定子铁芯1内部，且与转轴7固定；所述励磁绕组3采用集中式绕组方式绕制于定子铁芯1的主极内；所述永磁体4嵌于定子铁芯1的轭部，一端与电机壳6相连，以便于散热，另一端与定子铁芯1的隔磁桥相连，既保证定子铁芯1的结构完整性，也减小永磁体4的漏磁。所述电枢绕组5采用集中式绕组方式绕制于定子铁芯1的定子极内；所述电机壳6固定在定子铁芯1外；所述转轴7的两端通过轴承固定于电机壳6的端面上，机壳6采用不导磁的铝壳材料。
所述定子铁芯1的主极总数为2k,定子铁芯1所含定子极数为6k；转子铁芯2所含极数为4k；k为正整数。
每个主极下，永磁体4产生的磁场方向与励磁绕组3产生的磁场方向一致，与电枢绕组5产生的磁场方向相反。比如永磁体4和励磁绕组3所产生的磁场在主极A1、B1、C1中均指向电机中心，电枢绕组5产生的磁场相反，由电机中心远离电机方向。
所述定子铁芯的每个主极中的三个定子极呈“LTL”型结构，与励磁绕组和永磁体较近的定子极为“L”型结构，可以避免负载情况运行状况下，由于定子极齿顶两端不对称而呈现的局部饱和现象。局部饱和现象的削弱使得“L”型定子极所对应的相电压的正负对称性得到改善，相电压和相电流尖峰也得到削弱。相电流尖峰的削弱有利于降低电机的铜耗，并提高电机效率；相邻“L”型结构中间的定子极为“T”型结构，在齿顶的延长距离将缩短电机气隙磁路的长度，扩大气隙磁路的宽度，降低气隙磁阻，补偿了“T”型结构定子极因远离永磁体和励磁绕组而增大的铁芯磁阻。由此三相磁路的磁阻得到补偿，三相电感之间的差异得到减小。“T”型结构定子极可以适当降低齿中部的宽度，为电枢绕组提供更多的绕组空间，有利于降低电机电密度，提高电机效率。
如图4所示，每个主极关于各自中心线对称，且中心线之间的角度θs＝2π/6k，定子极的宽度相同。“L”型定子极齿顶极弧角度βs均为βs＝αsθs,αs为定子极弧系数，取值范围为0.4～0.6；βs取值太小将导致发电输出功率降低，βs取值太大将导致输出电压波动较大；“T”型定子极齿顶的极弧角度为kTβs,kT取值大于1，其主要目的是增大相对应定子极的等效磁路长度。
实施例1
图1为本发明12/8型“LTL”双凸混合励磁发电机结构示意图，这里k＝2，主极总数为4，定子极数为12，转子极数为8，每个定子极关于各自中心线对称，且中心线之间的角度θs＝2π/6k＝π/6，定子极的宽度相同。“L”型定子极齿顶极弧角度βs均为βs＝αsθs,αs为定子极弧系数，取值为0.5，故定子极弧角度为βs＝αsθs＝π/12，kT取值为4/3，则“T”型齿顶的极弧kTβs＝π/9。上述“LTL”双凸混合励磁发电机与传统双凸极混合励磁发电机相比，三相齿相对于固定的永磁励磁源和电励磁源具有相近的磁路长度、磁路宽度和磁路饱和特性，三相对称性更好。
如图5，为本发明所提供的“LTL”型双凸极混合励磁发电机与传统双凸极混合励磁发电机三相电感的对比。在电机额定运行饱和状态时，传统三相电感差异较大，采用本发明“LTL”结构后三相电感的差异性大大减弱。
如图6，为本发明的“LTL”型双凸极混合励磁发电机与传统双凸极混合励磁发电机外接不控整流电路和负载时的相电压波形和直流母线电压波形，采用本发明“LTL”结构后，三相电压非对称性减弱，直流母线电压电压波动减小。
实施例2
图2为本发明6/4型“LTL”双凸混合励磁发电机结构示意图；这里k＝1，主极总数为2，定子极数为6，转子极数为4。每个主极关于各自中心线对称，且中心线之间的角度θs＝2π/6k＝π/3，定子极的宽度相同。“L”型定子极齿顶极弧角度βs均为βs＝αsθs,αs为定子极弧系数，取值为0.6，故定子极弧角度为βs＝αsθs＝π/5，kT取值为1.226，则“T”型齿顶的极弧kTβs＝49π/200。
上述“LTL”双凸混合励磁发电机具有三相电压平衡性好、直流输出电压波动小、电机效率高的优点。
实施例3
图3为本发明18/12型“LTL”双凸混合励磁发电机结构示意图；这里k＝3，主极总数为6，定子极数为18，转子极数为12。每个主极关于各自中心线对称，且中心线之间的角度θs＝2π/6k＝π/9，定子极的宽度相同。“L”型定子极齿顶极弧角度βs均为βs＝αsθs,αs为定子极弧系数，取值为0.4，故定子极弧角度为βs＝αsθs＝2π/45，kT取值为1.237，则“T”型齿顶的极弧kTβs＝11π/200。
上述“LTL”双凸混合励磁发电机同样具有直流输出电压波动低，三相对称性好的优点。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种LTL型双凸极混合励磁发电机，其特征在于：包括定子铁芯(1)、转子铁芯(2)、励磁绕组(3)、永磁体(4)、电枢绕组(5)、电机壳(6)、转轴(7)。所述定子铁芯(1)的每个主极中的三个定子极呈“LTL”型结构，与励磁绕组(3)和永磁体(4)较近的定子极为“L”型结构，相邻“L”型结构中间的定子极为“T”型结构。所述定子铁芯(1)和转子铁芯(2)为双凸极结构，定子铁芯(1)中每个主极包含3个定子极；所述转子铁芯(2)位于定子铁芯(1)内部，且与转轴(7)固定；所述励磁绕组(3)采用集中式绕组方式绕制于定子铁芯(1)的主极内；所述永磁体(4)嵌于定子铁芯(1)的轭部，一端与电机壳(6)相连，另一端与定子铁芯(1)的隔磁桥相连；所述电枢绕组(5)采用集中式绕组方式绕制于定子铁芯(1)的定子极内；所述电机壳(6)固定在定子铁芯(1)外；所述转轴(7)的两端通过轴承固定于电机壳(6)的端面上。每个定子极中，永磁体(4)产生的磁场方向与励磁绕组(3)产生的磁场方向一致，与电枢绕组(5)产生的磁场方向相反。
2.根据权利要求1所述LTL型双凸极混合励磁发电机，其特征在于：所述定子铁芯(1)的主极总数为2k,定子铁芯(1)所含定子极数为6k；转子铁芯(2)所含极数为4k；k为正整数。
3.根据权利要求1所述LTL型双凸极混合励磁发电机，其特征在于：每个定子极关于各自中心线对称，且中心线之间的角度θs＝2π/6k，各定子极的宽度相同。“L”型定子极齿顶极弧角度为βs＝αsθs,αs为定子极弧系数，取值范围为0.4～0.6；“T”型定子极齿顶的极弧角度为kTβs,kT取值大于1。
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