CN205986383U - 隐极并列转子无刷混合励磁发电机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种隐极并列转子无刷混合励磁发电机。永磁转子、电励磁转子均为隐极形式，交流无刷励磁机及整流环分别放置于转子两端。永磁转子采用阵列磁体结构，转轴采用导磁性材料，有利于提高气隙磁密；在电励磁转子和交流无刷励磁机转子的绕组端部设置特定的支撑组件，以保证端部绑扎的可靠性；永磁体护环采用非金属材料，可降低涡流损耗；永磁部分和电励磁部分之间的定子铁心采用非导磁性材料，可消除转子轴向力，并降低定子漏抗。本实用新型提供的隐极并列转子无刷混合励磁发电机结构，能够充分利用电机的空间，更适于高速运行，有利于提高电机的功率密度及可靠性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种隐极并列转子无刷混合励磁发电机。
背景技术
永磁电机近年来得到了相当广泛的研究及应用，但因其气隙磁场难以调节，用作发电机时随着负载的变化其输出电压随之变化，不能实现稳压输出。为使永磁电机具备一定的电压调节能力，各国学者相继提出了不同结构的、永磁电机与电励磁电机相结合的混合励磁电机。混合励磁电机兼具了永磁电机高效率、高功率密度的优点及电励磁电机电压调节的能力，在新能源领域及舰船、航空等场合得到了广泛关注。特别是高速混合励磁发电机，由于体积小、重量轻，已成为高功率密度混合励磁电机的一个重要发展方向。
在这些混合励磁电机结构中，永磁转子与电励磁转子同轴并列的混合励磁电机是最为简单的结构形式之一，不具有附加气隙，电励磁调节磁通直接作用于电枢绕组，电压调节能力较强。如美国专利US5502368提出的并列转子结构混合励磁电机，其永磁转子、电励磁转子同轴并列，均为凸极结构，电励磁转子由电刷、滑环供电；中国专利CN201466928U提出的并列转子结构混合励磁电机，其永磁转子 为阵列磁体结构，该结构将不同磁化方向的永磁体按照一定的顺序排列，可获得较高的气隙磁场强度。该电机永磁转子外部采用不锈钢护套，转轴为非导磁性材料，其电励磁转子采用碳刷、滑环供电；中国专利CN101572464B提出的并列转子混合励磁同步电机，永磁转子同样采用阵列磁体结构，永磁体粘贴在非导磁转子上，并采用金属护套加以保护，电励磁转子为爪极结构，采用电刷和滑环供电。
上述并列转子结构混合励磁发电机，虽然采用了无附加气隙的同轴并列结构，有利于提高气隙磁场调节能力，但凸极转子、带有滑环和电刷结构，降低了高速运行的可靠性。并且，将永磁体粘贴在非导磁转子上，将会导致转子轭部磁阻增大，使气隙磁密降低，反而不利于提高电机性能。此外，不锈钢等金属护套在高速运行时也会产生较大的涡流损耗，可导致转子发热。
综述所述，现有并列转子混合励磁发电机结构用于高速运行时还存在一些缺点。
发明内容
本实用新型提供一种隐极并列转子结构无刷混合励磁发电机，使其满足高速运行的可靠性要求，并有效提高电机的功率密度。
本实用新型所采用的技术方案是：
一种隐极并列转子结构无刷混合励磁发电机，其无刷励磁机转子 (2)、永磁转子(10)、电励磁转子(13)、整流环(15)同轴排列并且套装在转轴(1)上；永磁转子(10)采用每极4个磁体的阵列磁体结构，将16个不同磁化方向的永磁体按顺序排列，使得相邻永磁体的磁化方向相差22.5°，在转轴(1)上设置轴向定位台阶(101)，保证永磁体准确定位并防止周向串动；电励磁转子(13)采用隐极结构，转子槽数与转子分度数之比为24/40，在电励磁转子(13)内圆设置键槽(131)，通过平键与转轴(1)联接，电励磁转子(13)采用阶梯槽132，以放置更多的励磁绕组，提高电压调节能力；永磁转子(10)与电励磁转子(13)共用一套定子绕组A(6)，并且永磁转子(10)与电励磁转子(13)的直轴精确重合；采用碳纤维材料，分别对永磁转子(10)的外圆、电励磁转子绕组端部(18)以及无刷励磁机转子绕组端部(23)进行缠绕绑扎，固化后形成永磁转子护环(8)、电励磁转子护环(14)以及无刷励磁机转子护环(24)，以固定永磁体、电励磁转子绕组端部及无刷励磁机转子绕组端部；在转轴(1)上，位于电励磁转子(13)与整流环(15)之间的空间套装不锈钢支撑组件A(19)，位于永磁转子(10)和电励磁转子(13)之间的空间套装不锈钢支撑组件B(20)，支撑组件A(19)和支撑组件B(20)一方面用于安放电励磁转子绕组端部(18)，另一方面用作电励磁转子护环(14)的支撑；在无刷励磁机转子绕组(23)的端部与转轴(1)之间放置绝缘支撑环(22)；转轴(1)采用导磁性材料并在转轴(1)中心开设通孔， 该通孔内放置无刷励磁机转子绕组引出线(21)和电励磁转子绕组引出线(17)。
一种隐极并列转子结构无刷混合励磁发电机，其定子铁心沿轴向分为三段，即永磁部分定子铁心(7)、电励磁部分定子铁心(12)以及中间部分定子铁心(11)，其中中间部分定子铁心(11)采用非导磁材料；这三段定子铁心具有相同的冲片结构尺寸，永磁部分定子铁心(7)与永磁转子(10)的轴向长度相同，电励磁部分定子铁心(12)与电励磁转子(13)的轴向长度相同；定子绕组A(6)为三相交流绕组，定子机座A(9)采用水冷方式。
一种隐极并列转子结构无刷混合励磁发电机，采用交流励磁方式，无刷励磁机转子铁心(2)与整流环(15)分别安置于转轴(1)两端，无刷励磁机的定子铁心(3)、转子铁心(2)均采用低损耗的叠压硅钢片制成，无刷励磁机的定子绕组B(25)和转子绕组(23)均采用三相交流绕组，无刷励磁机定子机座B(5)通过止口配合安装在发电机端盖(4)上，并通过端盖(4)上均布的螺栓进一步紧固，定子机座B(5)采用不锈钢材料，运行时无刷励磁机的定子绕组B(25)通入三相负序电压，该电压由定子绕组A(6)提供，构成自励方式，无需外部供电电源；旋转整流模块(16)通过螺栓紧固在整流环(15)上，交流无刷励磁机的转子绕组引出线(21)与旋转整流模块(16)的交流输入端子相连，电励磁转子 绕组引出线(17)与旋转整流模块(16)的直流输出端子相连。
本实用新型提出的并列转子无刷混合励磁发电机基本工作原理如下：由原动机拖动无刷混合励磁发电机到额定运行转速，此时永磁转子(10)在定子绕组A(6)中感应出交流电压，经电压调整装置后将其相序变为负序。该负序电压供给无刷励磁机定子绕组B(25)，使无刷励磁机转子的旋转方向与无刷励磁机定子同步磁场的方向始终相反，因而在任何转速下无刷励磁机转子绕组(23)都会感应出交流电压。无刷励磁机转子绕组(23)产生的感应电压经过旋转整流模块(16)后变为直流电压，从而实现电励磁转子(13)的直流励磁。当负载接入后，可根据定子绕组A(6)的电压变化情况，调节无刷励磁机定子绕组B(25)与定子绕组A(6)之间的电压调整装置，改变无刷励磁机定子绕组B(25)的输入电压大小，从而实现混合励磁发电机的稳压输出。
本实用新型具有以下有益特点：
(1)永磁转子、电励磁转子均为隐极结构，电励磁转子励磁绕组由无刷励磁机、旋转整流装置供电，由于无电刷、滑环，使转子更适于高速运行，并提高了可靠性。并且，无刷励磁机转子与旋转整流装置分别安置于转子两端，充分利用了电机的端部空间，有利于降低电机的轴向尺寸。
(2)转轴采用导磁性材料，与非导磁性材料相比，能大幅提高 气隙磁密，有利于提高电机功率密度，见图8。永磁转子护环、电励磁转子绕组以及无刷励磁机转子绕组的端部护环采用非金属材料制作，能够降低转子上的涡流损耗，有利于减小转子发热。
(3)永磁部分和电励磁部分之间的定子铁心，采用非导磁性材料叠压而成，与定子铁心全部采用硅钢片材料相比，可以消除因永磁转子、电励磁转子端部气隙磁通差别引起的轴向力，并降低定子漏抗。
(4)在电励磁转子绕组端部采用不锈钢支撑组件，在无刷励磁机转子绕组端部采用绝缘支撑环，这两种支撑结构一方面用于放置转子绕组端部，另一方面用作转子绕组端部护环的有效支撑，可提高转子绕组端部护环绑扎的可靠性。
(5)永磁转子采用每极4个磁体的阵列磁体结构，使相邻永磁体的磁化方向相差22.5°，电励磁转子采用的转子槽数与转子分度数为24/40。通过这一设计，使两个转子产生的电势谐波互相抵消，从而不必采用斜槽措施，就可获得正弦度良好的电压波形，如图9所示的36槽4极电机的空载反电动势合成波形。
(6)采用交流无刷励磁机，其励磁电压由发电机的定子绕组提供，构成自励方式，无需外部供电电源。正常情况下其定子绕组外接三相负序电压，特殊情况下也可将其中两相引出线并联后通入直流电，构成直流励磁的无刷励磁机，使其能够适应更多运行工况。
上述有关本实用新型的特点中，电励磁转子磁极采用隐极结构、转轴采用导磁性材料、永磁转子护套采用碳纤维等非金属材料、电励磁绕组采用自励的无刷供电方式以及利用谐波相互抵消来改善输出波形质量，都与现有并列转子混合励磁电机的专利特点不同。这些改进使得本实用新型提出的并列转子混合励磁发电机更适合高速运行，具有更高的功率密度，满足了电机高速运行时提高转子结构可靠性、降低转子损耗等相关需求。并且，交流无刷励磁机与旋转整流装置分别布置在电机转轴的两端，有效提高了电机空间利用率。
在实际应用中，可根据运行工况需求，通过电机结构的合理设计，进一步提高电压调节能力，比如使定子电流从0～IN的全负载变化范围都能实现稳压输出。因此，本实用新型对于负载变化大、稳压要求高的领域，如舰船、航空供电***等具有重要的应用价值。此外，如果将本实用新型应用于电驱动领域，如电动汽车的驱动电机，也可以通过调节励磁拓宽电机的调速范围，从而降低对变频器弱磁能力的要求。
附图说明
图1隐极并列转子无刷混合励磁发电机结构图；
图2永磁部分定转子截面图；
图3电励磁部分定转子截面图；
图4电励磁转子绕组端部支撑组件装配图；
图5电励磁转子绕组端部支撑组件剖面图；
图6交流无刷励磁机定转子截面图；
图7旋转整流装置结构图；
图8不同转轴材料的永磁转子径向气隙磁密；
图9永磁部分、电励磁部分及合成的空载反电动势。
具体实施方式：
下面结合附图对本实用新型的技术方案进行详细说明。
如图1所示，一种隐极并列转子结构无刷混合励磁发电机，其无刷励磁机转子2、永磁转子10、电励磁转子13、整流环15同轴排列并且套装在转轴1上。永磁转子10的截面如图2所示，永磁转子10采用每极4个磁体的阵列磁体结构，将16个不同磁化方向的永磁体按顺序排列，使得相邻永磁体的磁化方向相差22.5°；在转轴1上设置轴向定位台阶101，保证永磁体准确定位并防止周向串动。电励磁转子截面如图3所示，电励磁转子13采用隐极结构，转子槽数与转子分度数之比为24/40，在电励磁转子13的内圆设置键槽131，通过平键与转轴1联接，电励磁转子13采用阶梯槽132，以放置更多的励磁绕组，提高电压调节能力。永磁转子10与电励磁转子13共用一套定子绕组A6，并且永磁转子10与电励磁转子13直轴精确重合。如图1所示，采用碳纤维材料，分别对永磁转子10的外圆、电励磁转子绕组端部18以及无刷励磁机转子绕组端部23进行缠绕绑扎，固化后形成永磁转子护环8、电励磁转子护环14以及无刷励磁机转子护环24，以固定永磁体、电励磁转子绕组端部及无刷励磁机转子绕组端部；在转轴1上，位于电励磁转子13与整流环15之间的空间套装不锈钢支撑组件A19，位于永磁转子10和电励磁转子13之间的空间套装不锈钢支撑组件B20，支撑组件A19和支撑组件B20一方面用于安放电励磁转子绕组端部18，另一方面用作电励磁转子护环14的支撑；在无刷励磁机转子绕组23的端部与转轴1之间放置绝缘支撑环22；转轴1采用导磁性材料并在转轴1中心开设通孔，该通孔内放置无刷励磁机转子绕组引出线21和电励磁转子绕组引出线17。
如图4和图5所示，支撑组件20由支撑件201、支撑件202、支撑件203、支撑件204以及支撑件205装配而成。支撑件201、支撑件202、支撑件203、支撑件204用于支撑电励磁转子护环14，支撑件205为圆环状，用于支撑电励磁绕组端部18。不锈钢支撑组件A19与不锈钢支撑组件B20总体结构相似，但要为极间连接、引出线的布置预留相应的空间。
如图1所示，一种隐极并列转子结构无刷混合励磁发电机，其定子铁心沿轴向分为三段，即永磁部分定子铁心7、电励磁部分定子铁 心12以及中间部分定子铁心11，其中中间部分定子铁心11采用非导磁材料；这三段定子铁心具有相同的冲片结构尺寸，永磁部分定子铁心7与永磁转子10的轴向长度相同，电励磁部分定子铁心12与电励磁转子13的轴向长度相同；定子绕组A6为三相交流绕组，也可设计为多相交流绕组，定子机座A9采用水冷方式。
如图1所示，一种隐极并列转子结构无刷混合励磁发电机，采用交流励磁方式，无刷励磁机转子铁心2与整流环15分别安置于转轴1两端，无刷励磁机定子机座B5通过止口配合安装在发电机端盖4上，并通过端盖4上均布的螺栓进一步紧固，定子机座B5采用不锈钢材料，无刷励磁机的定子铁心3、转子铁心2均采用低损耗的叠压硅钢片制成。无刷励磁机的定转子截面如图6所示，交流无刷励磁机的定子槽数为30槽，转子槽数为18槽，无刷励磁机的定子绕组B25和转子绕组23均采用三相交流绕组。运行时无刷励磁机的定子绕组B25通入三相负序电压，该电压由定子绕组A6提供，构成自励方式，无需外部供电电源。如图7所示，旋转整流模块16通过螺栓紧固在整流环15上，交流无刷励磁机的转子绕组引出线21与旋转整流模块16的交流输入端子相连，电励磁转子绕组引出线17与旋转整流模块16的直流输出端子相连。
Claims (3)
1.一种隐极并列转子结构无刷混合励磁发电机，其特征是：无刷励磁机转子(2)、永磁转子(10)、电励磁转子(13)、整流环(15)同轴排列并且套装在转轴(1)上；永磁转子(10)采用每极4个磁体的阵列磁体结构，将16个不同磁化方向的永磁体按顺序排列，使得相邻永磁体的磁化方向相差22.5°，在转轴(1)上设置轴向定位台阶(101)，保证永磁体准确定位并防止周向串动；电励磁转子(13)采用隐极结构，转子槽数与转子分度数之比为24/40，在电励磁转子(13)内圆设置键槽(131)，通过平键与转轴(1)联接，电励磁转子(13)采用阶梯槽(132)，以放置更多的励磁绕组，提高电压调节能力；永磁转子(10)与电励磁转子(13)共用一套定子绕组A(6)，并且永磁转子(10)与电励磁转子(13)的直轴精确重合；采用碳纤维材料，分别对永磁转子(10)的外圆、电励磁转子绕组端部(18)以及无刷励磁机转子绕组端部(23)进行缠绕绑扎，固化后形成永磁转子护环(8)、电励磁转子护环(14)以及无刷励磁机转子护环(24)，以固定永磁体、电励磁转子绕组端部及无刷励磁机转子绕组端部；在转轴(1)上，位于电励磁转子(13)与整流环(15)之间的空间套装不锈钢支撑组件A(19)，位于永磁转子(10)和电励磁转子(13)之间的空间套装不锈钢支撑组件B(20)，支撑组件A(19)和支撑组件B(20)一方面用于安放电励磁转子绕组端部(18)，另一方面用作 电励磁转子护环(14)的支撑；在无刷励磁机转子绕组(23)的端部与转轴(1)之间放置绝缘支撑环(22)；转轴(1)采用导磁性材料并在转轴(1)中心开设通孔，该通孔内放置无刷励磁机转子绕组引出线(21)和电励磁转子绕组引出线(17)。
2.根据权利要求1所述的一种隐极并列转子结构无刷混合励磁发电机，其特征是：定子铁心沿轴向分为三段，即永磁部分定子铁心(7)、电励磁部分定子铁心(12)以及中间部分定子铁心(11)，其中中间部分定子铁心(11)采用非导磁材料；这三段定子铁心具有相同的冲片结构尺寸，永磁部分定子铁心(7)与永磁转子(10)的轴向长度相同，电励磁部分定子铁心(12)与电励磁转子(13)的轴向长度相同；定子绕组A(6)为三相交流绕组，定子机座A(9)采用水冷方式。
3.根据权利要求1所述的一种隐极并列转子结构无刷混合励磁发电机，其特征是：无刷混合励磁发电机采用交流励磁方式，无刷励磁机转子铁心(2)与整流环(15)分别安置于转轴(1)两端，无刷励磁机的定子铁心(3)、转子铁心(2)均采用低损耗的叠压硅钢片制成，无刷励磁机的定子绕组B(25)和转子绕组(23)均采用三相交流绕组，无刷励磁机定子机座B(5)通过止口配合安装在发电机端盖(4)上，并通过端盖(4)上均布的螺栓进一步紧固，定子机座B(5)采用不锈钢材料，运行时无刷励磁机的定子绕组B(25)通入三相负序电压，该电压由定子绕组A(6)提供，构成自励方式，无需外部供电电源；旋转整流模块(16)通过螺栓 紧固在整流环(15)上，交流无刷励磁机的转子绕组引出线(21)与旋转整流模块(16)的交流输入端子相连，电励磁转子绕组引出线(17)与旋转整流模块(16)的直流输出端子相连。
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