CN112910123B - 转子磁极调制型感应混合励磁无刷电机及发电*** - Google Patents

转子磁极调制型感应混合励磁无刷电机及发电*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种转子磁极调制型感应混合励磁无刷电机及发电***，包括定子、磁极调制型转子、电枢绕组、感应励磁绕组、主励磁绕组、感应电枢绕组和旋转整流器；电枢绕组和感应励磁绕组均设在定子中；主励磁绕组和感应电枢绕组均设在磁极调制型转子内；主励磁绕组通过旋转整流器与感应电枢绕组相连接；磁极调制型转子沿周向包括k个重复的磁极单元，其中，k为正整数；每个磁极单元的极对数均为p 0，则磁极调制型转子极对数p=k×p 0，p 0m =n，p 0i =n+1，n为正整数。本发明采用磁极调制型转子，单个主励磁线圈能同时调节p 0i 个铁心极的磁通，调磁效率高。同时，能实现转子上主励磁绕组的无刷化供电，并提高感应效率。此外，还能实现电机的自励，不需要外部电源。

Description

转子磁极调制型感应混合励磁无刷电机及发电***
技术领域
本发明涉及电机设计和制造领域，特别是一种转子磁极调制型感应混合励磁无刷电机及发电***。
背景技术
永磁电机具有高转矩/功率密度、高效率和高功率因素等优点，已在许多场合得到应用。然而，永磁电机的弱磁是通过控制电枢绕组中的直轴电流分量(-id)来实现，永磁体有着不可逆退磁的风险，且弱磁能力有限。
在恒压发电场合，永磁电机需要全功率的可控变换器来实现输出电压的稳定，***重量和成本均过高，稳压需要位置信息且控制复杂。
混合励磁电机具有两个磁势源(励磁绕组和永磁体)，即具备电励磁电机磁场调节方便的优点，又具有永磁电机的高功率密度和高效率等优点。采用直流励磁的混合励磁电机不需要位置信息、控制方式简单，通过小功率的变换器调节励磁绕组的电流大小，就可以实现气隙磁场的有效调节。因此，混合励磁电机在恒压发电场合具有很大的应用潜力。
然而，现有的转子永磁型(永磁***于转子)混合励磁电机在实现永磁和电励磁磁势呈并联关系的同时也引入了附加磁路。永磁磁通经过附加磁路短路，形成了漏磁，降低了永磁材料的利用率。而且，附加磁路大多为实心的导磁部件，增加了涡流损耗。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种转子磁极调制型感应混合励磁无刷电机及发电***，该转子磁极调制型感应混合励磁无刷电机及发电***采用磁极调制型转子，单个主励磁绕组可以同时调节p0i个铁心极的磁通，调磁效率高。同时，结合感应绕组和旋转整流器来实现了转子上主励磁绕组的无刷化供电，而高磁导的铁心极也为感应励磁绕组产生的磁通提供低磁阻路径，提高了感应效率。此外，由于永磁体磁通的存在，其构成的发电***可以输出初始电压；初始电压可以通过直流变换器为定子感应励磁绕组供电，从而实现电机的自励，不需要外部电源。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种转子磁极调制型感应混合励磁无刷电机，包括定子、磁极调制型转子、电枢绕组、感应励磁绕组、主励磁绕组、感应电枢绕组和旋转整流器。
定子和磁极调制型转子同轴套设，且两者间具有气隙。
电枢绕组和感应励磁绕组均绕设在定子的定子槽中。其中，感应励磁绕组为直流绕组。
主励磁绕组和感应电枢绕组均绕设在磁极调制型转子的转子槽内。其中，主励磁绕组为直流绕组，通过旋转整流器与感应电枢绕组相连接。且相邻两个主励磁绕组的绕线方向相反。
磁极调制型转子沿周向包括k个重复的磁极单元，其中，k为正整数。每个磁极单元的极对数均为p0，则磁极调制型转子极对数p满足如下计算公式：
p＝k×p0 (1)
在每个磁极单元中，假设永磁极对数为p0m，铁心极对数为p0i，则：
p0m＝n (2)
p0i＝n+1 (3)
p0＝p0m+p0i＝2n+1 (4)
其中，n为正整数。
转子槽包括大槽和小槽。其中，小槽设置在永磁极和/或铁心极面向气隙侧的转子铁心上。
在每个磁极单元中，2p0m个永磁极不相接。在2p0i个铁心极中，存在两组相接的铁心极，每组相接铁心极之间均设置一个大槽。
主励磁绕组绕制在相邻两个大槽中，感应电枢绕组绕制在小槽和相邻的大槽中或仅绕制在小槽中。
小槽设置在每个永磁极的中心d轴上。
永磁体为表贴式永磁体或内置式永磁体。
内置式永磁体为一层或多层混合型。每个内置式永磁体的形状均呈“一”字型、V型、W型或U型。
一种转子磁极调制型感应混合励磁发电***，包括混合励磁无刷电机、整流器、负载和直流变换器。
混合励磁无刷电机的结构，如上所述。
电枢绕组连接在整流器的交流侧，整流器的直流侧与负载相连。
感应励磁绕组连接在直流变换器的输出端，直流变换器的输入端与负载相并联。
在原动机或机械能带着磁极调制型转子转动时，永磁体产生的永磁磁场，会在电枢绕组中感应出反电动势，从而输出初始电压。初始电压经过直流变换器为感应励磁绕组供电，且通过直流变换器中的电压脉宽调制，调节感应励磁绕组中的电流大小。当感应励磁绕组中通入电流时，会在气隙中产生空间位置固定的感应励磁磁场，随磁极调制型转子旋转的感应电枢绕组，将切割感应励磁磁场而产生感应电动势，感应电枢绕组中的电动势经过旋转整流器变换成直流电后供给主励磁绕组。
由于铁心极的磁导率远大于永磁体的磁导率，单个主励磁绕组产生的磁通经过p0i个铁心极进行闭合，因而，单个主励磁绕组能够同时调节p0i个铁心极的磁通，调磁效率高。
增磁时，通入直流电流的主励磁绕组在铁心极上产生的磁通与相邻永磁体在永磁极上产生的磁通沿径向上方向相反。从而，2p0m个永磁极和2p0i个铁心极能够产生p0对极的气隙磁场。因而，通过直流变换器控制感应励磁绕组电流的大小，就能调节主励磁绕组中的直流电流大小，进而就能调节铁心极的气隙磁场，实现电枢绕组磁链和输出电压的调节。
感应电枢绕组的相数为单相、三相、五相或双三相。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明混合励磁无刷电机的转子为磁极调制型转子，单个主励磁绕组可以同时调节p0i个铁心极的磁通，调磁效率高。
2、高磁导的铁心极也为感应励磁绕组产生的磁通提供低磁阻路径，提高了感应效率。
3、本发明电机构成的发电***可以实现自励，不需要外部电源。
4、主励磁绕组和感应励磁绕组产生的磁通不经过永磁体，降低了退磁风险。
5、无附加磁路，永磁极产生的磁通经过气隙和定子齿闭合(即为有效磁通)，无附加漏磁，永磁材料利用率高。
6、无实心导磁部件，涡流损耗小。
附图说明
图1显示了本发明转子磁极调制型感应混合励磁无刷电机的结构示意图。
图2显示了本发明转子磁极调制型感应混合励磁发电***的结构示意图。
图3显示了本发明中磁极调制型转子的结构示意图。
图4显示了p0＝3且增磁时，主励磁绕组产生的磁通路径示意图。
图5显示了永磁体产生的气隙磁密分布图。
图6显示了增磁模式时，主励磁绕组产生的气隙磁动势、磁导和磁密分布图。
图7显示了增磁模式时，永磁体和主励磁绕组共同产生的气隙磁密分布图。
图8显示了感应励磁绕组中通入直流电流时，主励磁绕组中建立的电流-时间曲线图。
图9显示了不同励磁模式下，电枢绕组磁链-转子位置的曲线图。
图10显示了不同励磁模式下，电枢绕组的整流输出电压-时间曲线图。
图11显示了p0＝5且增磁时，主励磁绕组产生的磁通路径示意图。
其中有：
10.定子；11.电枢绕组；12.感应励磁绕组；
20.磁极调制型转子；
21.主励磁绕组；22.感应电枢绕组；23.永磁体；24.大槽；25.小槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
本发明中的电机以p0＝3，定子槽数Ns＝36，转子极对数p＝6，三相电枢绕组(A相、B相、C相)为例，进行详细说明。
如图2所示，一种转子磁极调制型感应混合励磁发电***，包括混合励磁无刷电机、整流器、负载和直流变换器。
上述混合励磁无刷电机，也即本发明的一种转子磁极调制型感应混合励磁无刷电机。
如图1所示，一种转子磁极调制型感应混合励磁无刷电机，包括定子10、磁极调制型转子20、电枢绕组11、感应励磁绕组12、主励磁绕组21、感应电枢绕组22和旋转整流器。
定子和磁极调制型转子同轴套设，且两者间具有气隙。
进一步，定子铁心和转子铁心均为导磁材料。
上述电枢绕组、主励磁绕组以及定转子铁心构成了主电机；感应励磁绕组和感应电枢绕组为辅助励磁部分，与主电机共用定转子铁心。
电枢绕组和感应励磁绕组均绕设在定子的定子槽中。其中，感应励磁绕组为直流绕组。电枢绕组和感应励磁绕组在定子槽中的排放位置可根据极槽配合和槽型灵活改变。
如图2所示，电枢绕组连接在整流器的交流侧，整流器的直流侧与负载相串联。
感应励磁绕组串联在直流变换器的输出端，直流变换器的输入端与负载相并联。
主励磁绕组和感应电枢绕组均绕设在磁极调制型转子的转子槽内。
如图1和图2所示，主励磁绕组为直流绕组，通过旋转整流器与感应电枢绕组相连接。
上述感应电枢绕组的相数可为单相，也可为三相，或五相、双三相等多相。
相邻两个主励磁绕组的绕线方向相反。
磁极调制型转子沿周向包括k个重复的磁极单元，其中，k为正整数。每个磁极单元的极对数均为p0，则磁极调制型转子极对数p满足如下计算公式：
p＝k×p0 (1)
在每个磁极单元中，假设永磁极对数为p0m，铁心极对数为p0i，则：
p0m＝n (2)
p0i＝n+1 (3)
p0＝p0m+p0i＝2n+1 (4)
其中，n为正整数。
当p0＝3时，p0m＝n＝1，p0i＝n+1＝2，也即每个磁极单元，具有2个永磁极和4个铁心极，如图4所示。
当p0＝5时，p0m＝n＝2，p0i＝n+1＝3，也即每个磁极单元，具有4个永磁极和6个铁心极，如图11所示。
转子永磁体可以为表贴式，也可以为内置式。内置式永磁体可以为“一”字型、V型、W型和U型等，也可以为多层混合型。图1和图3采用的为内置V型永磁体，图4和图11采用的为表贴式永磁体。
转子槽包括大槽和小槽；其中，小槽设置在永磁极和/或铁心极面向气隙侧的转子铁心上。为避免小槽对永磁极的磁路产生影响，永磁极上的小槽优选位于永磁极的中心线(即d轴)上。
在每个磁极单元中，2p0m个永磁极不相接。在2p0i个铁心极中，存在两组相接的铁心极，每组相接铁心极之间均设置一个大槽。
相邻两个大槽中绕制一个主励磁绕组，小槽和相邻的大槽中或仅在相邻小槽中绕组一个感应电枢绕组。
本发明具有电源自激励、调磁和调压等功能，具体分析如下。
一、电源自激励
本发明电机构成的发电***在没有外部电源的情况下可实现自励，如图2所示。具体地，在原动机或机械能带着转子转动时，永磁磁场会在电枢绕组中感应出反电动势，从而输出初始电压；初始电压经过直流变换器为定子感应励磁绕组供电，且通过电压脉宽调制可调节感应励磁绕组电流的大小；当感应励磁绕组中通入电流时，会在气隙中产生空间位置固定(静止)的感应励磁磁场，随转子旋转的感应电枢绕组会切割该磁场而产生感应电动势，感应电枢绕组中的电动势经过旋转整流器变换成直流电后供给主励磁绕组，实现了无刷励磁。
二、调磁
在图3中，磁极调制型转子的极对数p＝6，其中，k＝2，p0＝3，p0i＝2，p0m＝1。
对于每个磁极单元，2p0m个永磁极不相接；2p0i个铁心极中，存在两组相接的铁心极，每组相接的铁心极之间设置大槽。相邻两个主励磁绕组的绕线方向相反(即E1和E3的绕线方向相同，与E2和E4的相反)。
由于铁心极的磁导率远大于永磁体的磁导率，单个主励磁线圈产生的磁通经过p0i个铁心极进行闭合，即单个主励磁线圈可以同时调节p0i(本实例p0i＝2)个铁心极的磁通，如图4所示，调磁效率高。
增磁时，通入直流电流的主励磁绕组在铁心极上产生的磁通与相邻永磁体在永磁极上产生的磁通沿径向上方向相反。
永磁体单独产生的气隙磁密，如图5所示。其中，θ为气隙圆周位置，Bg为气隙磁密沿圆周位置的分布，Bgm为永磁体单独在永磁极所对应的气隙产生的磁密幅值，p0m对永磁极产生p0m对极性正负相反的气隙磁密。
主励磁绕组单独产生的气隙磁动势、磁导和磁密分布，如图6所示。其中，fe为主励磁绕组产生的气隙磁动势，正负极性相反；Pg为考虑永磁体磁阻的等效气隙磁导；Bgi为主励磁绕组单独在铁心极所对应的气隙产生的磁密幅值。
从图6中可以看出，铁心极上的气隙磁密极性与相邻永磁极上的气隙磁密极性相反。从而，2p0m个永磁极和2p0i个铁心极可以产生p0对极的气隙磁场，如图7所示。
三、调压
感应励磁绕组通入直流电时，主励磁绕组中建立的电流如图8所示，稳态时接近直流电。通过直流变换器控制感应励磁绕组电流的大小，就可以调节主励磁绕组中的直流电流大小，进而就可以有效地调节铁心极的气隙磁场，从而实现电枢绕组磁链和输出电压的有效调节，分别如图9和10所示。
以上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等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种转子磁极调制型感应混合励磁无刷电机，其特征在于：包括定子、磁极调制型转子、电枢绕组、感应励磁绕组、主励磁绕组、感应电枢绕组和旋转整流器；
定子和磁极调制型转子同轴套设，且两者间具有气隙；
电枢绕组和感应励磁绕组均绕设在定子的定子槽中；其中，感应励磁绕组为直流绕组；
主励磁绕组和感应电枢绕组均绕设在磁极调制型转子的转子槽内；其中，主励磁绕组为直流绕组，通过旋转整流器与感应电枢绕组相连接；且相邻两个主励磁绕组的绕线方向相反；
磁极调制型转子沿周向包括k个重复的磁极单元，其中，k为正整数；每个磁极单元的极对数均为p 0，则磁极调制型转子极对数p满足如下计算公式：
p=k×p 0 (1)
在每个磁极单元中，假设永磁极对数为p 0m ，铁心极对数为p 0i ，则：
p 0m =n (2)
p 0i =n+1 (3)
p 0=p 0m +p 0i =2n+1 (4)
其中，n为正整数；
转子槽包括大槽和小槽；其中，小槽设置在永磁极和/或铁心极面向气隙侧的转子铁心上；
在每个磁极单元中，2p 0m 个永磁极不相接；在2p 0i 个铁心极中，存在两组相接的铁心极，每组相接铁心极之间均设置一个大槽；
主励磁绕组绕制在相邻两个大槽中，感应电枢绕组绕制在小槽和相邻的大槽中或仅绕制在小槽中。
2.根据权利要求1所述的转子磁极调制型感应混合励磁无刷电机，其特征在于：小槽设置在每个永磁极的中心d轴上。
3.根据权利要求1所述的转子磁极调制型感应混合励磁无刷电机，其特征在于：永磁体为表贴式永磁体或内置式永磁体。
4.根据权利要求3所述的转子磁极调制型感应混合励磁无刷电机，其特征在于：内置式永磁体为一层或多层混合型；每个内置式永磁体的形状均呈“一”字型、V型、W型或U型。
5.一种转子磁极调制型感应混合励磁发电***，其特征在于：包括混合励磁无刷电机、整流器、负载和直流变换器；
混合励磁无刷电机的结构，如权利要求1至4的任一项所述；
电枢绕组连接在整流器的交流侧，整流器的直流侧与负载相连；
感应励磁绕组连接在直流变换器的输出端，直流变换器的输入端与负载相并联；
在机械能带着磁极调制型转子转动时，永磁体产生的永磁磁场，会在电枢绕组中感应出反电动势，从而输出初始电压；初始电压经过直流变换器为感应励磁绕组供电，且通过直流变换器中的电压脉宽调制，调节感应励磁绕组中的电流大小；当感应励磁绕组中通入电流时，会在气隙中产生空间位置固定的感应励磁磁场，随磁极调制型转子旋转的感应电枢绕组，将切割感应励磁磁场而产生感应电动势，感应电枢绕组中的电动势经过旋转整流器变换成直流电后供给主励磁绕组；
由于铁心极的磁导率远大于永磁体的磁导率，单个主励磁绕组产生的磁通经过p 0i 个铁心极进行闭合，因而，单个主励磁绕组能够同时调节p 0i 个铁心极的磁通，调磁效率高。
6.根据权利要求5所述的转子磁极调制型感应混合励磁发电***，其特征在于：增磁时，通入直流电流的主励磁绕组在铁心极上产生的磁通与相邻永磁体在永磁极上产生的磁通沿径向上方向相反；从而，2p 0m 个永磁极和2p 0i 个铁心极能够产生p 0对极的气隙磁场；因而，通过直流变换器控制感应励磁绕组电流的大小，就能调节主励磁绕组中的直流电流大小，进而就能调节铁心极的气隙磁场，实现电枢绕组磁链和输出电压的调节。
7.根据权利要求5所述的转子磁极调制型感应混合励磁发电***，其特征在于：感应电枢绕组的相数为单相、三相、五相或双三相。
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