CN201536308U - 一种新型复合励磁永磁同步发电机 - Google Patents

一种新型复合励磁永磁同步发电机 Download PDF

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胡岗
林德芳
胡溢文
陈锋
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Suzhou Hexin Electric Co., Ltd.
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Abstract

本实用新型涉及一种新型复合励磁永磁同步发电机，在转子铁芯内圆周方向设有辅助电励磁绕组和内置式V型磁钢，内置式V型磁钢与极靴构成永磁极，辅助电励磁绕组与绕组间的铁心构成励磁极。由永磁体和辅助电励磁绕组共同产生电枢感应电势，调节电励磁绕组中直流励磁电流的大小与方向，可方便调节气隙磁场，实现输出端电压高效节能、高精度调节；同时，永磁转子采用V型分段磁钢，并在极靴内设置孔穴，以减轻转子重量，避免转子高速变形；极靴中心径向开槽并填充非磁性良导体，V型磁钢两端设置隔磁槽，以抑制静态、动态电枢反应，改善输出电压波形，提高气隙磁密，减少漏磁，提高输出功率；该发电机能高功率密度、高速、高精度平稳运行。

Description

一种新型复合励磁永磁同步发电机
技术领域
本实用新型涉及一种新型复合励磁永磁同步发电机，属于电机技术领域。
背景技术
随着稀土永磁材料的发展，永磁同步发电机的应用越来越广泛。与电励磁的同步电机相比，永磁励磁无需励磁绕组，具有结构简单、运行可靠、体积小、效率高、功率密度高等优点。但其最大的缺点是永磁励磁无法调节，作为电动机，无法通过调节励磁达到弱磁扩速、获得宽广的恒功率调速；作为发电机，由于转子永磁体的高矫顽力，使发电机的输出电压无法调节，当负载或转速变化时，永磁同步发电机难以保持恒压，因此在电动汽车中的应用受到限制。复合励磁永磁同步发电机较好地解决了永磁电机励磁调节困难以及电励磁电机效率低的问题，具有永磁体和励磁电流两种磁源，融合了两者的优点，利用永磁体和电励磁绕组组合励磁，对气隙磁进行控制，调节发电机输出电压。气隙磁场的主要部分由稀土永磁体建立，而电压调节所需的磁场变化部分由辅助的电励磁绕组来实现。
目前各种结构的复合励磁同步电机，各自存在以下缺陷：如爪极电励磁永磁同步电机、径向/轴向复合励磁同步电机和环形定子横向磁通电机等，电励磁磁路附加气隙多，轴向磁场受电机直径的制约，电机结构复杂；同步/永磁复合励磁电机电压谐波多，转矩波动大；同步/永磁复合励磁电机和组合转子复合励磁电机可靠性和效率较低；组合转子复合励磁电机铁磁损耗随速度显著增大；永磁轴向分段式电机，即永磁主发部分和电励磁辅发部分通过转轴共用一套定子铁心连接，结构有多种多样，但实际上在轴向是两台电机，体积、重量增加；后两种电机均为表面安装式永磁，磁场调节、弱磁扩速困难，并且没有极靴保护，存在去磁危险，调压性能差。
发明内容
本实用新型的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种新型复合励磁永磁同步发电机(HESG)，确保发电机负载变化时输出电压恒定，具有良好的波形。
本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：
一种新型复合励磁永磁同步发电机，所述电机包括机壳和机壳内的定子和转子，定子包括固定在机壳内壁的定子铁芯和定子绕组，定子铁芯包括定子磁轭、定子槽和定子齿，转子包括转轴和转子铁芯，特点是：所述转子铁芯内圆周方向设有辅助电励磁绕组和内置式V型磁钢，永磁体作用的磁路与电励磁作用的磁路在转子极面联成一体，两者磁路各自独立，共用一套定子铁芯(电枢)；电枢感应电势由永磁体和辅助电励磁绕组共同产生，达到输出端电压高效节能、高精度调节的目的，V型内置式永磁有显著的聚磁效应，可增加输出电压8％。
所述内置式V型磁钢与极靴构成永磁极，所述辅助电励磁绕组与该绕组间的铁心构成励磁极；相邻反极性的磁极不是自身励磁或者设置磁钢构成，而是磁通回路在转子铁芯8形成的铁心极10，实际极数和电机特性，取决于辅助电励磁绕组7产生的励磁极的励磁方式：设发电机极数为2P，则励磁极数为P/2，永磁极数为P/2；如果辅助电励磁绕组7通入正向励磁电流+Ie，即电励磁绕组产生的极性与永磁极性相同，则HESG形成对称2P极的磁场，励磁磁场在定子绕组感应的电势应与永磁磁场感应的电势相加，输出电压与功率最大；如果励磁绕组不励磁，Ie＝0，则HESG形成非对称P极的磁场，通过定子的磁通不为零，此时，感应的电势不为零，有少量输出电压与功率；如果励磁绕组通入反向励磁电流-Ie，即电励磁绕组产生的极性与永磁极性相反，则HESG形成对称P极的磁场。
进一步地，上述的一种新型复合励磁永磁同步发电机，其中，所述内置式V型磁钢为分段式结构，与V型整体磁钢相比，每段磁钢质量仅为整体磁钢1/3，大幅度减小发电机高速运行时对磁钢槽的应力和离心力，有利于发电机高速运行。
更进一步地，上述的一种新型复合励磁永磁同步发电机，其中，所述内置式V型磁钢间的极靴设置有孔穴，所述孔穴中填充树脂，减轻转子重量和应力，避免转子高速变形。
更进一步地，上述的一种新型复合励磁永磁同步发电机，其中，所述内置式V型磁钢间的极靴中心径向开槽，形成极靴槽，极靴槽中填充非磁性良导体(铜条)，负载突然增加时，在铜导体上产生涡流，阻碍磁通上升，抑制静态、动态电枢反应，避免磁钢去磁危险，改善输出电压波形，提高气隙磁密，提高输出功率。
再进一步地，上述的一种新型复合励磁永磁同步发电机，所述转子同时带有直流励磁绕组和内置式V型永磁，功率密度和可靠性高，但内置式永磁磁场的非线性和漏磁增加，为减小漏磁，内置式V型磁钢两端设置隔磁槽，减少漏磁，减少铁心损耗，提高气隙磁密25％、过载能力和输出功率，使HESG能高功率密度、高速、高精度、小型轻量化平稳运行。
本实用新型的实质性特点和进步主要体现在：
①本实用新型辅助励磁绕组与内置式V型永磁磁极间有良好的导磁通道，励磁磁通φe很方便通过气隙，直流励磁调压性能优良；
②本实用新型转子同时带有直流励磁绕组和内置式V型永磁，辅助电励磁部分与永磁部分共用一套定子铁心(电枢)，结构紧凑，功率密度和可靠性高；直流励磁绕组通入正反向励磁电流时其感应电势应与永磁磁场感应的电势相加减，实现输出端电压高效节能、高精度调节；
③本实用新型转子内采用分段磁钢、极靴内设置树脂填充的孔穴、开极靴槽、开隔磁槽等措施，有利于发电机高效、高速运行，既具有永磁同步发电机的优点，又方便的解决了永磁发电机的电压调节问题，同时具备永磁体励磁和电励磁两种励磁方式；
④体积小、结构简单和运行可靠，电励磁部分损耗小，具有永磁发电机高效节能的特点，通过调节电励磁部分来调节磁通，达到了调压的目的，过载能力强、负载范围宽、输出功率可调；与传统的发电机相比，性能指标显著提高。该发电机电压调整率小，并可全自动调压，具有接近水平的外特性。
附图说明
下面结合附图对本实用新型技术方案作进一步说明：
图1：复合励磁永磁同步发电机(HESG)原理示意图；
图2：复合励磁永磁同步发电机永磁转子原理示意图；
图3：复合励磁永磁同步发电机外特性示意图；
图4：带V型分段(6段)磁钢和极靴孔穴的HESG剖面图；
图5：带V型分段(6段)磁钢和极靴槽的HESG剖面图；
图6：复合励磁永磁同步发电机感应电势曲线。
图中各附图标记的含义见下表：
  附图标记 含义   附图标记 含义   附图标记 含义
  1   定子   2   定子磁轭   3  定子槽
  4   定子齿   5   气隙   6  内置式V型磁钢
6a   内置式V型分段磁钢 7 辅助电励磁绕组 8 转子铁心
  9   转轴   10   铁心极   11  极靴
  12   导磁桥   13   孔穴   14  隔磁槽
  附图标记 含义   附图标记 含义   附图标记 含义
  15   极靴槽   φm   永磁磁通   φe   电励磁磁通
A0   电励磁电流为IN时的外特性曲线 A1   电励磁电流为Imax时的外特性曲线 A2   电励磁电流为I1时的外特性曲线
  E0   空载感应电势   Ie   电励磁电流
具体实施方式
如图1所示，一种新型复合励磁永磁同步发电机(HESG)，电机包括机壳和机壳内的定子和转子，定子包括固定在机壳内壁的定子铁芯1和定子绕组，定子铁芯包括定子磁轭2、定子槽3和定子齿4，转子包括转轴9和转子铁芯8，定转子间形成气隙5，其中，转子铁芯内圆周方向设有辅助电励磁绕组7和内置式V型磁钢6。两者磁路各自独立，共用一套定子铁芯(电枢)。电枢感应电势由永磁体和辅助电励磁绕组共同产生，调节电励磁绕组中直流励磁电流的大小与方向，可方便调节气隙磁场，保持其端电压恒定，达到输出端电压高效节能、高精度调节的目的。V型内置式磁钢有显著的聚磁效应，可增加输出电压8％。当原动机的转速、负载或环境温度等条件发生变化时，HESG的端电压也随之变化。要保持其端电压恒定，需在辅助电励磁调节器的作用下给励磁绕组7通入直流励磁电流If来调节气隙磁场，保持其端电压恒定；当励磁电流建立的磁场极性与永磁磁场极性相同时为正向励磁，相反时为反向励磁；即通入正向励磁电流时其磁场在定子绕组感应的电势应与永磁磁场感应的电势相加，通入反向励磁电流时其感应电势应与永磁磁场感应的电势相减，达到输出端电压高效节能、高精度调节的目的。
内置式V型磁钢6与极靴构成永磁极，辅助电励磁绕组7与该绕组间的铁心构成励磁极，相邻反极性的磁极不是自身励磁或者设置磁钢构成，而是磁通回路在转子铁芯8形成的铁心极10。通过电励磁绕组通入正反向直流励磁电流时其感应电势与永磁磁场感应的电势相加减，来调节发电机输出端电压。图2中φm和φe分别为永磁磁通和辅助电励磁磁通，箭头方向为磁通路径走向。实际极数和电机特性，取决于辅助电励磁绕组7产生的励磁极的励磁方式：设发电机极数为2P，则励磁极数为P/2，永磁极数为P/2；如果辅助电励磁绕组7通入正向励磁电流+Ie，即如图2所示，电励磁绕组产生的极性与永磁极性相同，则HESG形成对称2P极的磁场，励磁磁场在定子绕组感应的电势应与永磁磁场感应的电势相加，输出电压与功率最大；如果励磁绕组不励磁，Ie＝0，则HESG形成非对称P极的磁场，通过定子的磁通不为零，此时，感应的电势不为零，有少量输出电压与功率；如果励磁绕组通入反向励磁电流-Ie，即电励磁绕组产生的极性与永磁极性相反，则HESG形成对称P极的磁场。
辅助电励磁绕组之间的铁心段和铁心极10径向截面积优化，在发电机小型轻量化设计原则下，控制转子铁心磁路饱和程度，使励磁磁通和永磁磁通形成良好的磁回路进行调控输出电压。
HESG在恒定转速下即使无励磁电流，定子绕组也有很小的感应电压。HESG高速运行时，即使励磁电流为零，也有足够的输出电压和电流，不需要电励磁或者可显著减小励磁电流，以提高发电机效率。输出电压的调控，不是传统上的两步控制策略，即平均励磁电流不是通过周期性的通/断转换来控制，而是通过调节励磁电流Ie的大小和正反向。
图3示意了复合励磁永磁同步发电机外特性，外特性曲线A0为额定点(IN，UN)，定子空载感应电势为E0；当负载电流增加到Imax時，HESG输出电压要下降，为了保持恒定的输出电压，需要加大电励磁电流，使感应电势增加到E01，外特性上移为曲线A1，过(Imax，UN)点；当负载电流减少到I1時，HESG输出电压要增加，为了保持恒定的输出电压，使电励磁电流反向，此时定子空载感应电势减少为E02，外特性下移至曲线A2，过(I1，UN)点。这样，发电机负载电流在0～Imax变化，通过调节励磁电流Ie的大小和正反向，保持HESG输出电压UN恒定。
图4示意了带V型分段(6段)磁钢和极靴孔穴的HESG剖面，图5示意了带V型分段(6段)磁钢和极靴槽的HESG剖面。d轴为永磁极中心线，q轴为相邻永磁极中心线，极弧角为a，箭头为分段磁钢磁场方向。内置式V型磁钢6为分段式结构，即永磁转子采用内置式V型分段磁钢6a，内置式V型相邻分段磁钢之间的铁心构成导磁桥12，与V型整体磁钢相比，每段磁钢质量仅为整体磁钢1/3，大幅度减小发电机高速运行时对磁钢槽的应力和离心力。内置式V型磁钢间的极靴11内设置由高强度树脂填充的孔穴13，进一步减轻转子重量和应力，避免转子高速变形。永磁转子采用极靴11中心径向开槽，即极靴槽15，极靴槽15内填充非磁性良导体，非磁性良导体一般选用铜条，负载突然增加时，在铜导体上产生涡流，阻碍磁通上升，抑制静态、动态电枢反应，避免磁钢去磁危险，改善输出电压波形，提高气隙磁密，提高输出功率。内置式V型磁钢6两端设置隔磁槽14，减少漏磁，减少铁心损耗，提高气隙磁密25％，增加输出功率，使HESG能高功率密度、高速、高精度平稳运行。
图6为复合励磁永磁同步发电机感应电势曲线，曲线表明：通过增加电励磁电流Ie，感应电势E线性增加，由于铁心饱和，感应电势E曲线逐渐趋于平坦，直到不再增加。如果增加反向电励磁电流-Ie，则感应电势E减小，直到HESG最后成为P/2极电机。图6曲线中，M区与N区分别为永磁磁场与辅助电励磁绕组产生的磁场同向和反向。
综上所述，本实用新型复合励磁永磁同步发电机(HESG)同时具备永磁励磁和电励磁两种励磁方式，集永磁同步发电机和电励磁同步发电机的优点于一体，具有较宽的电压调节能力或宽范围变速恒压出能力。其气隙磁场可以在转速、负载及环境温度等条件改变时进行调节，维持HESG***输出电压恒定，达到高精度调压的目的。适用于对电压稳定性要求较高的应用场合，可以作为电动汽车蓄电池动态充电电源、备用电源或独立供电电源使用，在电动汽车、城市轻轨、电力机车、电动装甲车、电动坦克、舰艇和航空航天等领域具有广泛的发展与应用前景。
以上仅是本实用新型的具体应用范例，对本实用新型的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本实用新型权利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种新型复合励磁永磁同步发电机，所述电机包括机壳和机壳内的定子和转子，定子包括固定在机壳内壁的定子铁芯(1)和定子绕组，定子铁芯包括定子磁轭(2)、定子槽(3)和定子齿(4)，转子包括转轴(9)和转子铁芯(8)，其特征在于：所述转子铁芯内圆周方向设有辅助电励磁绕组(7)和内置式V型磁钢(6)，所述内置式V型磁钢(6)与极靴构成永磁极，所述辅助电励磁绕组(7)与绕组间的铁心构成励磁极。
2.根据权利要求1所述的一种新型复合励磁永磁同步发电机，其特征在于：所述内置式V型磁钢(6)为分段式结构。
3.根据权利要求1或2所述的一种新型复合励磁永磁同步发电机，其特征在于：所述内置式V型磁钢间的极靴设置有孔穴(13)，所述孔穴(13)中填充树脂。
4.根据权利要求1或2所述的一种新型复合励磁永磁同步发电机，其特征在于：所述内置式V型磁钢间的极靴中心径向开槽，形成极靴槽(15)，极靴槽(15)中填充非磁性良导体。
5.根据权利要求4所述的一种新型复合励磁永磁同步发电机，其特征在于：所述非磁性良导体为铜条。
6.根据权利要求1或2所述的一种新型复合励磁永磁同步发电机，其特征在于：所述内置式V型磁钢两端设置隔磁槽(14)。
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