CN1767316A

CN1767316A - 径向结构混合励磁同步电机

Info

Publication number: CN1767316A
Application number: CN 200510094523
Authority: CN
Inventors: 张卓然; 严仰光; 孟小利; 陈志辉; 赵朝会; 王慧贞
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2005-09-26
Filing date: 2005-09-26
Publication date: 2006-05-03

Abstract

涉及一种径向结构混合励磁同步电机，其构成是：装于机壳1内的由电枢铁心2、电枢绕组3组成的定子和由转轴11、转子铁心10、N极永磁体4和S极永磁体6组成的转子所构成的径向结构永磁同步电机的基础上，在转子的N极永磁体及S极永磁体上分别粘结附加导磁体5和7，并将N极附加导磁体与S极附加导磁体向同一方向延伸。对应于转子的延伸部分，设置有励磁绕组9及环形励磁磁桥8。与现有技术相比，气隙磁通主要由永磁体提供，电励磁磁场主要起控制作用，电机轴向磁路短，附加气隙小，漏磁小，电励磁效率高，兼具永磁电机的高效率和电励磁电机的励磁可控的优点。既可作发电机又可作电动机用，在航空航天、车辆及机械工业上有广泛的应用前景。

Description

径向结构混合励磁同步电机

一、技术领域

本发明涉及一种混合励磁同步电机。

二、技术背景

永磁同步电机以永磁体励磁，消除了电励磁同步电机的励磁损耗，并消除了机械接触装置，具有结构简单、运行可靠和功率密度大、效率高的显著优点。但是，永磁电机固有的永磁磁场调节困难已经成为它在发电机和调速电动机方面应用和推广的瓶颈。混合励磁同步电机中既有永磁体又有励磁绕组，两个磁势源同时存在，综合了电励磁同步电机调磁方便和永磁同步电机效率高、转矩/质量比大等优点，同时又克服了永磁同步电机磁场调节难的缺陷，在许多工业领域和航空航天、舰船等军事领域具有广阔的应用前景。

莫斯科航空学院B.A.Балагуров教授在1988年提出并联磁势混合励磁同步发电机的结构。定子和普通同步电机相同，转子分为两部分，一部分为永磁励磁，另一部分为电励磁。该电机的电励磁部分为爪极结构，附加气隙多，轴向磁路，漏磁大，电励磁功能受制约。

上世纪90年代，日本T.Mizuno博士提出了转子分割型混合励磁同步电机。该电机的定子电枢绕组为通常的三相对称绕组，定子铁心被定子环形直流励磁绕组分成两段，这两段铁心由其外的背轭(用于轴向导磁的机壳)在机械上和磁上连接；转子也分成两部分：N极端和S极端，每极端由同极性永磁极和铁心形成的中间极交错排列，且两端的N、S永磁极及中间极也交错排列。转子铁心及转轴间有一实心导磁套简(转子背轭)，用于转子的轴向导磁，存在轴向/径向磁路，电机结构优化受约束，且励磁安匝较大。

美国威斯康星-麦迪逊大学的Lipo教授等提出了一种轴向磁场转子分割型混合励磁同步电机结构。它由二个开槽的环形定子铁芯(其中嵌有多相电枢绕组)、二个盘式转子、一个直流励磁绕组构成。在转子表面交错排列着永磁极和铁芯形成的中间极。这种电机由于采用了中间极，加上定、转子铁芯均被分为两段，附加气隙多，所需励磁安匝大。

香港大学陈清泉、上海工业大学江建中教授等提出了一种爪极式混合励磁同步电机。该电机的外定子与普通电机的定子类似，槽中嵌有多相对称绕组，转子采用爪极结构，在相邻的两个爪极之间放置永磁体。由于直流励磁绕组置于由爪极的内、外单元所形成的区域内，空间利用率高，结构紧凑。但由于存在轴向磁路，电励磁效率低。

三、发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种结构简单，电励磁效率高的具有永磁体磁分路的径向结构混合励磁同步电机。

本发明的径向结构混合励磁同步电机的构成是在径向结构永磁同步电机的基础上，分别在转子铁心外表面上的每极永磁体外侧再紧贴放置瓦片形导磁体，将对应于N极和S极的瓦片形导磁体沿轴向向同一方向延伸。两极导磁体延伸部分之间有固定环形导磁桥，励磁控制绕组嵌绕于环形磁桥内。定子上的电枢绕组和普通永磁同步电机的电枢绕组结构相同。

本径向结构混合励磁同步电机如下，在机壳内装有由电枢铁心和电枢绕组组成的定子和装有转子转轴的转子铁心以及径向式瓦片N极永磁体和S极永磁体组成的置于定子内的转子所构成的径向结构同步电机，其特点是在转子的N极永磁体外侧紧贴有瓦片形N极附加导磁体，S极永磁体外侧紧贴有瓦片形S极附加导磁体，N极附加导磁体和S极附加导磁体沿轴向向同一方向延伸，N极(或S极)附加导磁体呈喇叭状扩展，集合成内径较大的空心圆柱形N极(或S极)环形导磁体；S极或N极导磁体呈瓶颈状收缩，集合成外径较小的空心圆柱形S极(或N极)环形导磁体。两极导磁体延伸端的空心圆柱形导磁体之间放置有嵌绕励磁绕组的环形导磁桥。

本径向结构混合励磁同步电机具有如下特点：

①克服了永磁同步电机气隙磁密难以调节的缺点，可以通过励磁电流方便地调节气隙磁密。

②可以通过调整电励磁与永磁部分转子长度以及主气隙与附加气隙长度的比例来控制气隙磁场的调节范围。

③励磁线圈中没有励磁电流时，电机与普通径向结构永磁同步电机相比处于弱磁状态，气隙磁密小。随着励磁电流增大，气隙磁密相应增大。

④气隙磁通并非励磁电流磁场建立，而主要是由径向充磁永磁体生成，避免了励磁电流建立气隙磁场需要励磁安匝大的缺点，较小的励磁安匝就能获得气隙磁场的宽范围调整。

⑤与转子分割型混合励磁同步电机相比，电机的轴向磁路显著缩短，电机的体积、尺寸小，结构简单。

⑥本混合励磁同步电机用作无刷交流发电机时，与三级式旋转整流器式无刷同步发电机相比，省去了励磁机及旋转整流器，从而简化电机结构，提高了工作可靠性。

⑦电机作电动运行时，可以工作于恒转矩和恒功率两个区域，恒功率区的范围宽且可控。

四、附图说明

图1是2对极径向结构混合励磁同步电机结构示意图。

图2是图1中电机转子部分A-A截面图。

图3是转子的附加导磁体及其延伸部分结构图。

上述图中标号名称：1、机壳；2、电枢铁心；3、电枢绕组；4、N极永磁体；5、N极附加导磁体及其延伸部分；6、S极永磁体；7、S极附加导磁体及其延伸部分；8、环形磁桥；9、励磁绕组；10、转子铁心；11、转轴。

图4是径向结构混合励磁同步电机等效磁路原理图。

图4中符号名称：R_δN-N极相对的气隙磁阻；R_δS-S极相对的气隙磁阻；R_A-电枢齿部和轭部磁阻；R_PMN-N极永磁体磁阻；R_PMS-S极永磁体磁阻；R_δ11-N极延伸导磁体与环形磁桥间附加气隙磁阻；R_δ12-环形磁桥与S极延伸导磁体间附加气隙磁阻；R_FE-环形磁桥磁阻；U_N-N极永磁体磁势；U_S-S极永磁体磁势。

五、具体实施方式

由图1、图2和图3可知，本发明的径向结构混合励磁同步电机的组成是，由径向结构永磁同步电机以及与其转子表面永磁体紧密相连的导磁体和一侧的电励磁部分组成。即在由电枢绕组3、电枢铁心2组成的定子和装有转轴11且由转子铁心10与表面式N极和S极永磁体4与6组成的转子所构成的径向结构永磁同步电机的基础上，在转子每一极表面式永磁体的外侧都紧贴一瓦片形附加导磁体5与7，对应于N极永磁体的附加导磁体和对应于S极永磁体的附加导磁体沿轴向向同一方向延伸。如图1和图3所示，N极(或S极)附加导磁体呈喇叭状扩展，集合成内径较大的空心圆柱形N极(或S极)导磁环；相应地S极(或N极)附加导磁体呈瓶颈状收缩，集合成外径较小的空心圆柱形S极(或N极)导磁环。附加导磁体上可以设置隔磁槽，以降低交轴电枢反应电抗。两极导磁体延伸端的圆柱形导磁体之间放置有可以嵌绕励磁绕组9的环形导磁桥8。上述结构均装于机壳1内，机壳为普通的金属结构件。

径向结构混合励磁同步电机的工作原理：

a.本发明的径向结构混合励磁同步电机由于环形磁桥、附加导磁体以及附加气隙的磁分路作用，永磁体磁场同时提供径向磁通和轴向磁通。径向磁通路径为：N极磁体→主气隙→定子齿部及轭部→主气隙→S极磁体→转子铁心→N极磁体；轴向磁通路径为：N极磁体→N极附加导磁体及其延伸部分→附加气隙→环形磁桥→附加气隙→S极附加导磁体及其延伸部分→S极磁体→转子铁心→N极磁体。

环形磁桥内的励磁绕组没有励磁电流时，由于附加气隙相对于主气隙较小，永磁体磁场主要提供轴向磁通，电机处于弱磁状态。

励磁绕组通入某一方向励磁电流时，励磁磁场可以阻碍永磁体产生的轴向磁通，从而增大主气隙磁通；励磁绕组通入反方向电流时，可以进一步弱磁，直至气隙磁通为零。

b.径向结构混合励磁同步电机既可以作为发电机，也可以作为电动机。可以根据图4所示的等效磁路来分析该电机的工作原理。

将N极相对的气隙磁阻标记为R_δN；将S极相对的气隙磁阻标记为R_δS；将与主气隙串联的电枢齿部及轭等磁阻标记为R_A；将N极永磁体的磁阻标记为R_PMN，将S极永磁体的磁阻标记为R_PMS；N极永磁体提供的磁势为U_N，S极永磁体提供的磁势为U_S；延伸导磁体1与环形磁桥间附加气隙的磁阻标记为R_δ11，环形磁桥与延伸导磁体2间附加气隙的磁阻标记为R_δ12；环形磁桥的磁阻标记为R_FE。

一般情况下，R_δN＝R_δS＝R_δ；R_PMN＝R_PMS＝R_PM。

励磁绕组无励磁电流时，励磁磁势不存在。从等效磁路可以推导出气隙主磁通为：

Φ_{S} = \frac{R_{δ 11} + R_{FE} + R_{δ 12}}{({2 R}_{δ} + R_{A}) (R_{δ 11} + R_{FE} + R_{δ 12}) + {2 R}_{PM} ({2 R}_{δ} + R_{A} + R_{δ 11} + R_{FE} + R_{δ 12})} \times (U_{N} + U_{S})

= \frac{1}{({2 R}_{δ} + R_{A}) + {2 R}_{PM} + \frac{{2 R}_{PM} ({2 R}_{δ} + R_{A})}{R_{δ 11} + R_{FE} + R_{δ 12}}} \times (U_{N} + U_{S})

由电磁学知识，相对于气隙磁阻，R_A和R_FE较小，

另外R_δ12＜R_δ11＜＜R_δ＜＜R_PM，所以：

\frac{{2 R}_{pm} ({2 R}_{δ} + R_{A})}{R_{δ 11} + R_{FE} + R_{δ 12}} > > 1

可见，无励磁电流时，由于磁分路的作用，主气隙磁通Φ_s较小，电机处于弱磁状态。

励磁绕组中通入励磁电流时，下面推导完全抵消磁分路中的永磁磁势所需的励磁磁势值。

励磁磁势完全抵消磁分路中的永磁磁势，则永磁磁通全部通过主气隙。

Φ_{S} = \frac{U_{N} {+ U}_{S}}{{2 R}_{PM} + {2 R}_{δ} + R_{A}}

所以，所需的励磁磁势为

U_{F} = \frac{{2 R}_{δ} + R_{A}}{{2 R}_{PM} + {2 R}_{δ} + R_{A}} \times (U_{N} + U_{S})

可见，励磁电流作用时，较小的励磁磁势就能抵消磁分路作用，控制主气隙磁通增加。也就是说，较小的励磁磁势就能实现对主气隙磁通的宽范围调整。

适当设计电机的结构尺寸，可以使得R_PM，R_δ和R_FE有合理的数值，从而改变弱磁状态下气隙磁场的强弱，改变励磁电流将可以有效地控制气隙磁场的强弱。

径向结构混合励磁同步电机的优点，

①克服了普通永磁电机气隙磁密难以调节的缺点，可以通过励磁电流方便地调节气隙磁密。

②气隙磁场的调节范围可以通过调整电励磁与永磁部分转子长度以及主气隙和附加气隙长度的比例来控制，易于满足不同性能的电机设计要求。

③当不加励磁时，主磁极下的磁场处于弱磁状态，减小永磁体被退磁的可能性。励磁电流作用时，阻碍了附加气隙的磁通，使主气隙的磁通增加，起到增磁的效果。调节气隙磁场时所需的励磁安匝比起普通电励磁同步电机要小得多，降低了励磁损耗，更加节能。

④由于环形磁桥及电励磁部分设置与永磁部分的一侧，使得电机的轴向磁路比转子分割型混合励磁同步电机缩短，可以减小电机的体积、尺寸，结构简单。

⑤既可以作发电机也可以作电动机用。作为发电机，励磁可调，且相比电励磁无刷交流电机省去了励磁机及旋转整流器，大大简化电机结构；作为电动机，可以工作于恒功率和恒转矩区，恒功率范围宽且可控。

Claims

1.一种径向结构混合励磁同步电机，包括在机壳(1)内装有由电枢铁心(2)和电枢绕组(3)组成的定子和装有转轴(11)的转子铁心(10)、以及径向磁化N极永磁体(4)和S极永磁体(6)组成的置于定子内的转子所构成的径向结构同步电机，其特征在于：还包括在转子的N极永磁体(4)的外侧沿轴向方向紧贴N极附加导磁体及其延伸部分(5)，在S极永磁体(6)的外侧沿轴向方向紧贴S极附加导磁体及其延伸部分(7)，两极附加导磁体的延伸方向相同，在N极附加导磁体延伸端与S极附加导磁体延伸端之间的空心圆柱形导磁体空间设置嵌绕励磁绕组(9)的环形励磁磁桥(8)。

2.根据权利要求1所述的径向结构混合励磁同步电机，其特征在于，N极或S极附加导磁体延伸端呈喇叭状扩展，集合成内径较大的空心圆柱形N极或S极环形导磁体，相应地S极或N极附加导磁体延伸端呈瓶颈状收缩，集合成外径比前者较小的空心圆柱形S极或N极环形导磁体。