CN209748381U - 一种并联式混合励磁无刷同步发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种并联式混合励磁无刷同步发电机，包括定子和转子，定子包括定子铁芯和设置在其中的电枢绕组和定子辅助励磁绕组，转子包括磁极铁芯和设置在其中的转子励磁绕组和永磁体，转子励磁绕组直接短接，转子励磁绕组在定子辅助励磁绕组电流感应下产生感应励磁电流，感应励磁电流产生的气隙磁场与永磁体构成的气隙磁场呈并联关系。励磁控制***通过控制定子辅助励磁绕组通入电流方向和大小，进而控制转子励磁绕组感应励磁电流方向和大小，使转子励磁绕组产生的气隙磁场方向与永磁体的相同或相反，实现气隙磁场的调节。本实用新型集成了感应励磁同步发电机调磁方便、永磁同步发电机效率高、功率密度高的优点，大大增强了电机的输出能力。

Description

一种并联式混合励磁无刷同步发电机

技术领域

本实用新型涉及同步发电机技术领域，特别是涉及一种并联式混合励磁无刷同步发电机。

背景技术

励磁***是供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备的统称，是同步发电机正常工作不可缺少的组成部分，发电机的功率密度、输出特性以及效率特性都与励磁方式相关。根据获得磁场方式的不同，励磁方式分为电励磁、感应励磁和永磁体励磁。

电励磁是同步发电机转子上的励磁绕组，获得可调节的直流电流，产生同步发电机的气隙磁场。感应励磁是同步发电机定转子上分别放置辅助绕组和励磁绕组，电机转动后，辅助绕组通过电流，短接的励磁绕组产生感生励磁电流，励磁绕组不接任何电源，绕组直接短接或通过二级管短接。感应励磁方式无刷、无励磁机，因此反应速度快，可靠性好，结构简单，维护方便。所以说，电励磁与感应励磁同步发电机，具有励磁绕组，在励磁控制***的作用下，可根据负载的变化实时调整励磁电流的大小，进而灵活调节电机的气隙磁场。但感应励磁同步发电机中励磁能量的传递多了一个环节，发电机定子主绕组的部分容量被定子辅助励磁绕组所占用，在相同体积或相同有效材料的情况下，感应励磁式同步发电机容量小，效率低。

永磁体励磁省去了励磁绕组和励磁控制***，电机体积小、简单结构、功率密度高、效率高，特别适用于航空航天及其他要求高可靠性和高功率密度的场合，在风力发电机领域，永磁同步发电机的比例也在逐步增加。但永磁同步发电机由永磁体所提供的磁场不可调节，在变频、变速、变负载的工况下，不能实时调节磁场，在很大程度上影响了永磁发电机的输出电压调节率特性。并且因为加工工艺、永磁材料的分散性、永磁材料的温度系数等因素，永磁同步发电机存在磁场难以调节、不能满足对电压稳态调整率要求较高的特殊应用场合。

由此可见，上述现有的同步发电机在结构、方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种新的并联式混合励磁无刷同步发电机，使其将感应励磁与永磁发电机相结合，组合成感应励磁式并联无刷励磁发电机，使得并联混合励磁发电机可以无刷化励磁，实时灵活调节发电机气隙磁场，从而调整发电机输出电压，既具有感应励磁同步发电机良好的气磁场调节性能，又具有高效率、高功率密度、高可靠性的特点。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种并联式混合励磁无刷同步发电机，使其将感应励磁与永磁发电机结合起来，实现并联混合励磁发电机可以无刷化励磁，还可以实时灵活调节发电机气隙磁场，从而调整发电机输出电压，既具有感应励磁同步发电机良好的气磁场调节性能，又具有高效率、高功率密度、高可靠性的特点。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种并联式混合励磁无刷同步发电机，包括定子和转子，所述定子包括定子铁芯和设置在所述定子铁芯中的电枢绕组和定子辅助励磁绕组，所述转子包括磁极铁芯、转子励磁绕组和永磁体，所述磁极铁芯通过转子衬套与发电机转轴联接且随转轴旋转，所述磁极铁芯上设置有多组永磁体槽及转子槽，所述永磁体槽里放置所述永磁体，所述转子槽里绕制所述转子励磁绕组，每个所述转子槽里的转子励磁绕组直接短接，所述转子励磁绕组在所述定子辅助励磁绕组电流感应下产生感应励磁电流，所述感应励磁电流产生的气隙磁场与永磁体构成的气隙磁场呈并联关系。

进一步改进，还包括励磁控制***，所述励磁控制***用于控制所述定子辅助励磁绕组通入的电流方向和大小，进而控制所述转子励磁绕组的感应励磁电流方向和大小，使所述转子励磁绕组产生的气隙磁场方向与所述永磁体产生的气隙磁场方向相同或相反，实现气隙磁场的调节。

进一步改进，所述电枢绕组、定子辅助励磁绕组、转子励磁绕组和永磁体的极数相等。

进一步改进，所述磁极铁芯上的永磁体槽呈细长的条形结构，所述条形结构的近定子端部设置成楔形结构，所述楔形结构中设置转子槽楔，所述永磁体设置在所述条形结构中，且所述永磁体两端分别设置永磁体槽底垫条和永磁体楔下垫条。

采用这样的设计后，本实用新型至少具有以下优点：

1、本实用新型并联式混合励磁无刷同步发电机通过在定子上设置电枢绕组和定子辅助励磁绕组，在转子上设置转子励磁绕组和永磁体，使定子辅助励磁绕组和转子励磁绕组组成感应励磁***，再结合励磁控制***，共同构成全波感应励磁***，并通过对转子励磁绕组的直接短接，使转子励磁绕组感应的转子励磁电流与永磁体共同作用产生发电机的气隙主磁场，且两者产生的气隙主磁场为并联关系。在永磁体的充磁方向已经确定的情况下，励磁控制***控制定子辅助励磁绕组通入的电流方向和大小发生周期改变，控制转子励磁绕组的感应励磁电流方向和大小随之改变，从而实现与永磁体产生的气隙磁场方向相同或相反的转子励磁绕组气隙磁场方向，起到对永磁体产生的气隙磁场增磁或去磁的作用，达到灵活调节气隙磁场的目的，实现稳定调节输出电压的效果。

2.本实用新型并联式混合励磁无刷同步发电机集成了感应励磁同步发电机调磁方便、永磁同步发电机效率高、功率密度高的优点，解决了永磁同步发电机气隙磁场难以调节的缺陷。并且该并联式混合励磁无刷同步发电机还可作为一台内置式永磁同步发电机使用。

3.本实用新型并联式混合励磁无刷同步发电机结构简单、无电刷和滑环***，容易实现，保持了永磁电机高效率、高功率密度的优点，又实现了无刷化励磁，大大增强了电机的输出能力，对永磁电机在发电领域的推广使用具有重要意义。

附图说明

上述仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

图1现有技术中三相倍极感应励磁同步发电机的结构原理图。

图2本实用新型并联式混合励磁无刷同步发电机的结构原理图。

图3本实用新型并联式混合励磁无刷同步发电机的定转子结构示意图。

图4本实用新型并联式混合励磁无刷同步发电机的结构示意图。

图5本实用新型并联式混合励磁无刷同步发电机的转子励磁电流与永磁体共同作用产生的并联增磁磁通路径图。

图6本实用新型并联式混合励磁无刷同步发电机的转子励磁电流与永磁体共同作用产生的并联去磁磁通路径图。

具体实施方式

参照附图1所示，图1为现有常规三相倍极感应励磁同步发电机原理图。以4极电机为例，常规三相倍极感应励磁同步发电机，定子上设置有两套绕组，4极主绕组1(Wa)和2极定子辅助绕组2(We)，转子铁芯5上设置有4极励磁绕组3(Wf1ˉWf4)。4极励磁绕组3(Wf1ˉWf4)分别由二极管4(Vf1ˉVf4)短接。电机旋转时，给定子辅助绕组We通直流电流，该电流在气隙中建立恒定的2极磁场，4极励磁绕组3(Wf1ˉWf4)产生交变电势，交变电势经二极管4(Vf1ˉVf4)进行半波整流，在励磁绕组3(Wf1ˉWf4)中产生脉动的直流电流。该直流电流在气隙中建立起旋转的4极主磁场，在定子4极主绕组1中感应出交变电动势，带负载后，发电机输出电功率。

该现有常规三相倍极感应励磁同步发电机中外加的直流励磁电流不是直接通入转子励磁绕组3(Wf1ˉWf4)，而是先通入定子辅助励磁绕组2(We)，再通过感应传输到转子励磁绕组3，在能量的传递上多了一个环节，电机主绕组的部分容量被定子辅助绕组占用，则在同样体积或有效材料下，感应励磁方式的同步发电机容量下降，效率降低；同时，定子辅助励磁绕组2的极数是转子励磁绕组3极数的一半，转子励磁绕组3的励磁电流是单向的。

本实用新型并联式混合励磁无刷同步发电机就是在现有常规三相倍极感应励磁同步发电机基础上进行的改进，具体改进点如下。

参照附图2所示，图2是本申请并联式混合励磁无刷同步发电机的原理图。该并联式混合励磁无刷同步发电机，将永磁同步发电机与感应励磁方式相结合，形成一种新型并联混合励磁同步发电机。该并联混合励磁同步发电机定子上设置有主绕组11(Wa)和辅助绕组12(We)，转子铁芯14上设置有励磁绕组13和永磁体15。主绕组11、辅助绕组12、转子励磁绕组14和转子永磁体15的极数均相等，每极转子励磁绕组13不通过二极管短接，而是直接短接。这样利用电机位置检测和电机控制技术，在发电机定子辅助励磁绕组12上，加入控制电路，使加在定子辅助励磁绕组12上的电流方向和大小周期性改变，则转子励磁绕组13上会产生相应的感应励磁电流，并且转子励磁绕组13上的感应励磁电流方向和大小会随定子辅助励磁绕组12上给定的电流方向和大小改变。其中转子励磁绕组13和转子永磁体15构成磁路上的并联关系，无励磁电流时，该同步发电机就是一台内置式永磁同步发电机，输出额定功率和额定电压；当负载变化，需要调整输出电压时，控制定子辅助励磁绕组12的励磁电流的方向和大小，进而控制转子励磁绕组13的励磁电流方向和大小，使得转子励磁绕组13产生的气隙磁场对永磁体15产生的气隙磁场起增磁或去磁作用，灵活调节气隙磁场，从而达到稳定输出所需电压的目的。

具体的，本申请并联式混合励磁无刷同步发电机的具体结构以及其中定转子的结构如附图3和4所示。该并联式混合励磁无刷同步发电机包括定子、转子和转轴。

该定子包括定子铁芯31、电枢绕组32和定子辅助励磁绕组33。该定子铁芯31与常规电机中铁芯结构类似，其中包括极数相等的电枢绕组32和定子辅助励磁绕组33。

该转子包括磁极铁芯41、转子励磁绕组44和永磁体46。该转子的结构与内置式切向永磁电机中转子结构类似，该磁极铁芯41通过转子衬套42与转轴43联接成一个整体，随转轴43旋转。该磁极铁芯41上设置有转子槽411及永磁体槽412，转子槽411里绕制转子励磁绕组44，该转子励磁绕组44直接各自短接在一起，与定子辅助励磁绕组33组成感应励磁***。

该永磁体槽412里放置永磁体4。该永磁体槽412呈细长的条形结构，该条形结构的近定子端部设置成楔形结构，该楔形结构中设置转子槽楔48，起到固定永磁体46的作用。该永磁体46就设置在该条形结构中，且永磁体46两端分别设置永磁体槽底垫条45和永磁体楔下垫条46。

这样，该并联式混合励磁无刷同步发电机的主磁场由转子励磁绕组44和永磁体46共同作用产生，二者磁路是并联关系。定子辅助励磁绕组33中流过由励磁控制***调整后的电流，发电机转动后，定子辅助励磁绕组33产生的磁链匝链转子励磁绕组44，进而转子励磁绕组44上产生感应励磁电流，永磁体46产生的磁链与转子励磁绕组44产生的磁链同时经过磁场气隙在定子铁芯内闭合，与电枢绕组32匝链进而发出电能，输出电压。根据上述该无刷同步发电机的结构原理，通过励磁控制***调节通入定子辅助励磁绕组33中电流的大小和方向，可方便的实时地调节气隙磁场。

如附图5所示，在永磁体46的充磁方向已经确定的情况下，励磁控制***控制定子辅助励磁绕组33通入的电流方向，进而控制转子励磁绕组44的感应励磁电流方向，使得转子励磁绕组44产生的气隙磁场52方向与永磁体46产生的气隙磁场51方向一致，则转子励磁绕组44产生的气隙磁场对永磁体46产生的气隙气场起到并联增磁的作用。

如附图6所示，在永磁体46的充磁方向已经确定的情况下，励磁控制***改变定子辅助励磁绕组33通入的电流方向，进而改变转子励磁绕组44的感应励磁电流方向，使得转子励磁绕组44产生的气隙磁场53方向与永磁体46产生的气隙磁场51方向相反，则转子励磁绕组44产生的气隙磁场对永磁体46产生的气隙气场起到并联去磁的作用。

本实用新型并联式混合励磁无刷同步发电机，将全波感应励磁方式与永磁同步发电机相结合，定子上设置电枢绕组和定子辅助励磁绕组，转子上设置有转子励磁绕组和永磁体，转子励磁绕组各自短接，定子辅助励磁绕组、转子励磁绕组组成感应励磁***，结合励磁控制***，共同构成全波感应无刷励磁***；转子励磁电流与永磁体共同作用产生发电机的气隙主磁场，两者产生的气隙主磁场为并联关系。在永磁体的充磁方向已经确定的情况下，在励磁控制***的作用下，控制定子辅助励磁绕组通入的电流方向和大小，进而控制转子励磁绕组的感应励磁电流方向和大小，使得转子励磁绕组产生的气隙磁场方向与永磁体产生的气隙磁场方向相同或相反，进而转子励磁绕组产生的气隙磁场会对永磁体产生的气隙磁场起到增磁或去磁的作用，相应调节气隙磁场，从而达到调节输出电压的目的。

本实用新型并联式混合励磁无刷同步发电机通过将发电机转子励磁绕组上的短接二极管去掉，引用电机位置检测和电机控制技术，在发电机定子辅助励磁绕组上加入控制电路，使定子辅助励磁绕组上的电流大小值和方向可以改变，从而使转子励磁绕组产生方向和大小可以随之改变的感应励磁电流，又由于转子励磁绕组与转子永磁体构成磁路上的并联关系，则需要调整输出电压时，控制定子辅助励磁绕组上的电流大小和方向，可实现灵活调节气隙磁场的目的，并且在需要输出额定电压时，无需供给定子辅助励磁绕组电流，该并联式混合励磁无刷同步发电机则是一台内置式永磁同步发电机。

本实用新型并联式混合励磁无刷同步发电机集成了感应励磁同步发电机调磁方便、永磁同步发电机效率高及功率密度高等优点，可以解决永磁同步发电机气隙磁场难以调节的困难，该同步发电机结构简单、可靠性高、维护简单。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种并联式混合励磁无刷同步发电机，包括定子和转子，其特征在于，所述定子包括定子铁芯和设置在所述定子铁芯中的电枢绕组和定子辅助励磁绕组，所述转子包括磁极铁芯、转子励磁绕组和永磁体，所述磁极铁芯通过转子衬套与发电机转轴联接且随转轴旋转，所述磁极铁芯上设置有多组永磁体槽及转子槽，所述永磁体槽里放置所述永磁体，所述转子槽里绕制所述转子励磁绕组，每个所述转子槽里的转子励磁绕组直接短接，所述转子励磁绕组在所述定子辅助励磁绕组电流感应下产生感应励磁电流，所述感应励磁电流产生的气隙磁场与永磁体构成的气隙磁场呈并联关系。

2.根据权利要求1所述的并联式混合励磁无刷同步发电机，其特征在于，还包括励磁控制***，所述励磁控制***用于控制所述定子辅助励磁绕组通入的电流方向和大小，进而控制所述转子励磁绕组的感应励磁电流方向和大小，使所述转子励磁绕组产生的气隙磁场方向与所述永磁体产生的气隙磁场方向相同或相反，实现气隙磁场的调节。

3.根据权利要求2所述的并联式混合励磁无刷同步发电机，其特征在于，所述电枢绕组、定子辅助励磁绕组、转子励磁绕组和永磁体的极数相等。

4.根据权利要求1所述的并联式混合励磁无刷同步发电机，其特征在于，所述磁极铁芯上的永磁体槽呈细长的条形结构，所述条形结构的近定子端部设置成楔形结构，所述楔形结构中设置转子槽楔，所述永磁体设置在所述条形结构中，且所述永磁体两端分别设置永磁体槽底垫条和永磁体楔下垫条。