CN113507176B - 一种转子多槽型感应励磁式混合励磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种转子多槽型感应励磁式混合励磁电机，定子槽内安放定子电枢绕组，转子槽内安放转子直流励磁绕组，转子铁心轭部均匀开设若干转子轭部槽，转子轭部槽内安放转子轭部绕组，各转子极身上开设转子附加槽，转子附加槽的一端连通对应的转子轭部槽，另一端延伸至转子极靴边缘，在转子铁心上设置永磁体，转子轭部绕组通过旋转整流器与转子直流励磁绕组连接。本发明无电刷滑环，无需额外增加励磁机，可实现混合励磁电机的无刷励磁，且可实现输出电压的宽范围调节。

Description

一种转子多槽型感应励磁式混合励磁电机
技术领域
本发明属于无刷励磁电机领域，特别涉及了一种混合励磁电机。
背景技术
对于转子磁极式电机来说，如何实现转子直流励磁绕组的供电是该种电机的设计难点。无刷化励磁对航空航天，炼油矿业等特殊场合至关重要，如果仍然采用电刷滑环为转子直流励磁绕组供电，无法保证其安全性。为此需要对该种电机的无刷化进行研究。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种转子多槽型感应励磁式混合励磁电机。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种转子多槽型感应励磁式混合励磁电机，定子槽内安放定子电枢绕组，转子槽内安放转子直流励磁绕组，转子铁心轭部均匀开设若干转子轭部槽，转子轭部槽内安放转子轭部绕组，各转子极身上开设转子附加槽，转子附加槽的一端连通对应的转子轭部槽，另一端延伸至转子极靴边缘，在转子铁心上设置永磁体，转子轭部绕组通过旋转整流器与转子直流励磁绕组连接。
进一步地，相邻转子槽与转子附加槽之间的转子极身上开槽，该槽内安放转子极身绕组。
进一步地，在转子极靴处开设转子极靴部槽，转子极靴部槽内安放转子极靴部绕组；所述转子极靴部绕组与转子轭部绕组由如下三种连接方式：
方式一：所述转子轭部绕组与转子极靴部绕组依次串联后与旋转整流器连接；
方式二：所述转子轭部绕组与转子极靴部绕组分别与旋转整流器连接；
方式三：所述转子轭部绕组与转子极靴部绕组分别与旋转整流器连接后，再并联在转子直流励磁绕组两端。
进一步地，在转子铁心上设置切向磁通永磁体，所述切向磁通永磁体设置在各转子槽与转子极靴边缘之间的位置，相邻切向磁通永磁体相对的面的极性相同。
进一步地，在转子铁心上设置径向磁通永磁体，所述径向磁通永磁体设置在转子极靴表面。
进一步地，每个转子极靴表面设置至少1个径向磁通永磁体，当每个转子极靴表面仅设置1个径向磁通永磁体时，相邻径向磁通永磁体的极性不同；当每个转子极靴表面设置的径向磁通永磁体的数量大于1时，位于同一转子极靴表面的径向磁通永磁体的极性相同，相邻转子极靴上的径向磁通永磁体的极性不同。
进一步地，将径向磁通永磁体间隔设置在转子极靴表面，即相邻两个转子极靴中仅有一个转子极靴上设置径向磁通永磁体，所有径向磁通永磁体的极性相同，当转子直流励磁绕组的极性为S极，则径向磁通永磁体的极性为N极，或者当转子直流励磁绕组的极性为N极，则径向磁通永磁体的极性为S极。
进一步地，所述径向磁通永磁体与转子直流励磁绕组全部设置在相同的转子极上，或者径向磁通永磁体与转子直流励磁绕组全部设置在不同的转子极上。
进一步地，定子槽内还安放定子励磁绕组。
进一步地，每个转子极身上开设隔离槽，隔离槽靠近气隙的一端设置磁桥，另一端与转子附加槽连通。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明省去了有刷电机励磁所必须的滑环和电刷，实现了转子励磁电励磁电机的无刷励磁；省去了三级式无刷同步电机中需要增加的副励磁机和励磁机两台电机，减小了电机体积。本发明在保证永磁体的安放不能阻碍到定子励磁磁场或者谐波磁场的磁路的同时，又保证定子励磁磁场可以用合适的磁通路与转子轭部绕组匝链，实现无刷化励磁。本发明永磁体产生的磁场可以在气隙中与转子励磁磁场相叠加，实现气隙磁场的可控。相比于励磁绕组安放在定子上的方案，本发明将励磁绕组安放在转子上，励磁效率更高。
附图说明
图1是电机定子结构示意图；
图2是切向永磁磁通结构示意图；
图3是切向径向混合式永磁磁通结构示意图；
图4是径向永磁磁通结构示意图；
图5是多块径向永磁磁通结构示意图；
图6是单极性多块径向永磁磁通结构示意图；
图7是单极性电励磁多块径向永磁磁通结构1示意图；
图8是单极性电励磁多块径向永磁磁通结构2示意图；
图9是单极性电励磁多块径向永磁磁通结构3示意图；
图10是转子轭部绕组电流整流拓扑图；
图11是附加极靴绕组结构示意图；
图12是附加极靴绕组与转子轭部绕组串联形式拓扑图；
图13是附加极靴绕组与转子轭部绕组共同整流形式拓扑图；
图14是附加极靴绕组与转子轭部绕组并联形式拓扑图；
图15是切向永磁磁通结构进行辅助转子极靴开槽示意图；
图16是径向永磁磁通结构进行辅助转子极靴开槽示意图；
图17是附加极靴绕组、转子轭部绕组、转子极身绕组共同作用结构示意图；
标号说明：1、定子铁心；2、定子电枢绕组；3、定子励磁绕组；4、定子槽；5、转子铁心；6、转轴；7、转子轭部绕组；8、转子直流励磁绕组；9、隔离槽；10、转子附加槽；11、永磁体；12、转子极靴部绕组；13、转子极靴部槽；14、转子极身绕组；15、转子极身；16、转子极靴；17、转子铁心轭部；18、旋转整流器。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明设计了一种转子多槽型感应励磁式混合励磁电机，定子槽内安放定子电枢绕组，转子槽内安放转子直流励磁绕组，转子铁心轭部均匀开设若干转子轭部槽，转子轭部槽内安放转子轭部绕组，各转子极身上开设转子附加槽，转子附加槽的一端连通对应的转子轭部槽，另一端延伸至转子极靴边缘，在转子铁心上设置永磁体，转子轭部绕组通过旋转整流器与转子直流励磁绕组连接。
图1为本发明定子部分的一种结构实例，定子励磁绕组3中可以通入直流电，在气隙中建立静止的附加磁场；也可以通入交流电，在气隙中建立速度与转子速度不同的旋转附加磁场。附加磁场切割转子轭部绕组。转子轭部绕组，转子轭部绕组和转子极身绕组上产生感应电势，通过旋转整流器整流后为转子直流励磁绕组提供转子直流励磁电流，转子直流励磁电流产生的磁场感应定子电枢绕组。转子附加槽保证了附加磁场不会通过转子极靴短路。也可以不安装定子励磁绕组，直接利用谐波磁场作为附加磁场感应转子交流绕组。此外，附加磁场在转子直流励磁绕组上感应电势为0V，转子直流励磁绕组的转子励磁电流产生的磁场在定子励磁绕组上的感应电势为0V。
由于永磁体的磁阻很大，因此在转子方案设计中需要保证永磁体的结构既要起到增强主气隙磁场的作用，又要不影响气隙谐波或者定子励磁绕组电流产生的磁通进入气隙与转子各绕组匝链。
图2为本发明设计的一种切向永磁磁通结构，相邻永磁体相对的面的极对性相同。在转子铁心上开转子槽，安放转子直流励磁绕组。直流励磁绕组安放在永磁体下方。转子轭部绕组槽开设到转子铁心轭部，相邻转子直流励磁绕组槽中间的转子轭部的开槽槽与气隙之间都开设转子附加槽。当无励磁电流时，永磁磁场沿着转子铁心磁短路。当通入定子励磁电流后，定子励磁电流产生的磁场与转子交流绕组匝链，转子轭部绕组通过旋转整流器整流后为转子直流励磁绕组供电。转子附加槽在保证定子励磁磁场不会通过转子极靴磁短路的同时，不影响永磁磁场和转子电励磁磁场的路径。该种方案还可以设计成永磁体切向径向混合式，如图3所示。切向和径向永磁磁通在气隙中叠加。将径向磁通永磁体嵌入式地安装安排在极靴表面，既起到防止定子励磁磁通磁短路又起到增强气隙磁场的作用。
图4为本发明设计的一种径向永磁磁通结构，在该种永磁体设计中，永磁磁场的方向和转子直流励磁绕组电流产生的磁场方向相同，每极形成NS交错的磁极。永磁体的极弧设计不能过大，为定子励磁磁场和转子直流励磁磁场留下通路。
如图5所示，采用多块永磁体设计，为定子励磁磁场和转子直流励磁磁场留下铁心路径。也可以将永磁体设置成单极性。如图6所示，以保留N极上的永磁体为例，永磁磁通从N极出发，经过气隙和定子电枢绕组后回到气隙，到达相邻的没有永磁体只缠绕转子直流励磁绕组的转子极身。转子直流电励磁绕组中电流产生的磁场仍然按照NS交替的规律磁化转子铁心极。该种方案也可以只留下S极上的永磁体。除了永磁体设计成单极性，还可以将电励磁部分也设计成单极性。
可以将永磁体和转子直流电励磁绕组线圈安装在相同的转子极身上，如图7所示，每隔一个转子极身上安放永磁体和转子直流电励磁绕组线圈，永磁体的磁通和转子直流电励磁电流产生的磁通方向相同。磁通从永磁体和转子直流电励磁绕组线圈的N极出发，进入气隙，与定子电枢绕组匝链后，进入气隙，再进入没有永磁体和转子直流励磁绕组线圈的铁心极，通过转子铁心轭回到永磁体和转子直流励磁绕组线圈的S极。
还可以将永磁体和转子直流电励磁绕组线圈安装在相同的转子极身上，如图8所示，对于永磁磁通来说，N极为永磁磁极，其他没有永磁体的部分为铁心极。永磁磁通从永磁体的N极出发，进入气隙，与定子电枢绕组匝链后，进入气隙进入没有永磁的转子铁心极身，通过转子轭回到永磁体的S极。电励磁磁通从电励磁线圈的N极出发，通过转子铁心轭，进入安装了永磁体的转子极身，进入气隙，与定子电枢绕组匝链后，进入气隙后回到转子直流励磁绕组线圈的S极。也可以如图9所示，只留下S极上的永磁体和N极上的转子直流励磁绕组线圈。
绕组连接方案如图10所示，以转子轭部绕组设计成三相为例，与旋转整流器相连后为转子直流励磁绕组提供电能。
图11为辅助转子极靴部开槽实例图。在安装转子轭部绕组的基础上增加转子极靴部绕组共同感应定子励磁磁场或者气隙谐波磁场。以转子直流励磁绕组设计成单极性为例，在转子极靴处增加转子极靴部槽，内部安放转子极靴部绕组。转子极靴部绕组和转子轭部绕组相同，都用来感应气隙中的谐波磁场或者定子励磁电流产生的磁场。转子极靴部绕组和转子轭部绕组的数量可以根据需要来制定。转子极靴部绕组可以设计成单层绕组也可以设置成双层绕组，可以设置成单相，也可以设置成两相，三相或者多相。其产生的感应电势的相数和相位如果和转子轭部绕组的感应电势的相数和相位相同，则两者可以采用串联形式连接，以转子极靴部绕组和转子轭部绕组的相数都为3时为例，串联连接方式如图12所示。旋转整流器可以为半波整流也可以为全波整流。转子轭部绕组和转子极靴部绕组可以同时进行整流，整流方式可以是半波整流也可以为全波整流。以转子极靴部绕组和转子轭部绕组的相数都为3时为例，连接方式如图13所示。转子轭部绕组和转子极靴部绕组也可以分别进行整流，整流方式可以是半波整流也可以为全波整流，然后再并联在转子直流励磁绕组两端，以转子极靴部绕组和转子轭部绕组的相数都为3时为例，并联连接方式如图14所示。
对于切向永磁磁通结构进行辅助转子极靴开槽方案如图15所示。对于径向永磁磁通结构进行辅助转子极靴开槽方案如图16所示。每极极靴上均有永磁体时方案如只要转子极靴部槽和永磁体的位置不影响气隙谐波磁场和定子励磁绕组电流产生的磁通的路径即可，保证两者的磁通路径可以匝链转子极靴绕组和转子轭部绕组即可。
可以在转子极身上开槽安放转子极身绕组，如图17所示，用以感应气隙中的谐波磁场或者定子励磁磁场，通过旋转整流器为转子直流励磁绕组供电。转子轭部绕组，转子极靴部绕组以及转子极身绕组分别单独工作或者两两组合安装均可以为转子直流励磁绕组提供直流电。也可以仅依靠转子极靴部绕组感应气隙谐波磁场或者定子励磁电流产生的磁场得到感应电势，再通过旋转整流器为转子直流励磁绕组供电。该电机在只有永磁体或者转子直流电励磁绕组时仍能工作，只是功率有所降低。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种转子多槽型感应励磁式混合励磁电机，其特征在于：定子槽内安放定子电枢绕组，转子槽内安放转子直流励磁绕组，转子铁心轭部均匀开设若干转子轭部槽，转子轭部槽内安放转子轭部绕组，处于转子槽下部的转子轭部槽直接与转子槽连；对于处于相邻转子槽之间的转子轭部槽，在各转子极身上加工呈径向开设的细长转子附加槽，转子附加槽的一端连通对应的转子轭部槽，另一端延伸至转子极靴边缘，在转子铁心上设置永磁体，转子轭部绕组通过旋转整流器与转子直流励磁绕组连接。
2.根据权利要求1所述转子多槽型感应励磁式混合励磁电机，其特征在于：相邻转子槽与转子附加槽之间的转子极身上开槽，该槽内安放转子极身绕组。
3.根据权利要求1所述转子多槽型感应励磁式混合励磁电机，其特征在于：在转子极靴处开设转子极靴部槽，转子极靴部槽内安放转子极靴部绕组；所述转子极靴部绕组与转子轭部绕组由如下三种连接方式：
方式一：所述转子轭部绕组与转子极靴部绕组依次串联后与旋转整流器连接；
方式二：所述转子轭部绕组与转子极靴部绕组分别与旋转整流器连接；
方式三：所述转子轭部绕组与转子极靴部绕组分别与旋转整流器连接后，再并联在转子直流励磁绕组两端。
4.根据权利要求1所述转子多槽型感应励磁式混合励磁电机，其特征在于：在转子铁心上设置切向磁通永磁体，所述切向磁通永磁体设置在各转子槽与转子极靴边缘之间的位置，相邻切向磁通永磁体相对的面的极性相同。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述转子多槽型感应励磁式混合励磁电机，其特征在于：在转子铁心上设置径向磁通永磁体，所述径向磁通永磁体设置在转子极靴表面。
6.根据权利要求5所述转子多槽型感应励磁式混合励磁电机，其特征在于：每个转子极靴表面设置至少1个径向磁通永磁体，当每个转子极靴表面仅设置1个径向磁通永磁体时，相邻径向磁通永磁体的极性不同；当每个转子极靴表面设置的径向磁通永磁体的数量大于1时，位于同一转子极靴表面的径向磁通永磁体的极性相同，相邻转子极靴上的径向磁通永磁体的极性不同。
7.根据权利要求5所述转子多槽型感应励磁式混合励磁电机，其特征在于：将径向磁通永磁体间隔设置在转子极靴表面，即相邻两个转子极靴中仅有一个转子极靴上设置径向磁通永磁体，所有径向磁通永磁体的极性相同，当转子直流励磁绕组的极性为S极，则径向磁通永磁体的极性为N极，或者当转子直流励磁绕组的极性为N极，则径向磁通永磁体的极性为S极。
8.根据权利要求7所述转子多槽型感应励磁式混合励磁电机，其特征在于：所述径向磁通永磁体与转子直流励磁绕组全部设置在相同的转子极上，或者径向磁通永磁体与转子直流励磁绕组全部设置在不同的转子极上。
9.根据权利要求1所述转子多槽型感应励磁式混合励磁电机，其特征在于：定子槽内还安放定子励磁绕组。
10.根据权利要求1所述转子多槽型感应励磁式混合励磁电机，其特征在于：每个转子极身上开设隔离槽，隔离槽靠近气隙的一端设置磁桥，另一端与转子附加槽连通。
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