專利名稱：一種無刷無勵磁機的諧波勵磁的混合勵磁永磁同步電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電機技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種永磁電機。
背景技術(shù)：
與電勵磁電機相比，永磁電機具有高效率、高功率密度、結(jié)構(gòu)簡單以及運行可靠等諸多優(yōu)點，使得永磁電機在工業(yè)、民用、軍事以及航空航天等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。然而，無論是永磁發(fā)電機還是永磁電動機，均存在氣隙磁場調(diào)節(jié)困難的缺點。當永磁電機作發(fā)電機使用時，其端電壓會隨負載大小、負載性質(zhì)或者原動機轉(zhuǎn)速等因素變化而變化，從而影響永磁發(fā)電機輸出電壓的質(zhì)量；當永磁電機作電動機使用時，難以獲得寬廣的調(diào)速范圍。因此，永磁電機氣隙磁場調(diào)節(jié)困難的缺點又在一定程度上限制了永磁電機的廣泛應(yīng)用?；旌蟿畲庞来烹姍C中存在兩種勵磁磁動勢:永磁磁動勢和電勵磁磁動勢,通過調(diào)節(jié)電勵磁磁動勢實現(xiàn)了永磁電機氣隙磁場的調(diào)節(jié)。經(jīng)過國內(nèi)外學者多年的研究，現(xiàn)有的混合勵磁永磁電機結(jié)構(gòu)近30種。在這些混合勵磁永磁電機中，有些混合勵磁永磁電機除了存在徑向磁場外，還存在軸向磁場，因而增加了電機磁路長度，使得電機軸向長度不宜太長。有些混合勵磁永磁電機是由一臺永磁同步電機和一臺電勵磁同步電機組成，兩臺電機在磁路上相互獨立，從而降低了電機的功率密度。有些混合勵磁永磁電機除了存在工作主氣隙，還存在附加氣隙，從而降低了電機的效率，同時電機結(jié)構(gòu)也變得復(fù)雜。然而，有一類混合勵磁永磁電機定子與普通交流電機相同，轉(zhuǎn)子上既有永磁體，又有勵磁繞組，兩者產(chǎn)生的磁通流經(jīng)相同的電機鐵心，提高了材料的利用率，保持了永磁電機高功率密度的優(yōu)點。電機中不存在軸向磁場和附加氣隙，保持了永磁電機高效率的優(yōu)點。但由于勵磁繞組位于轉(zhuǎn)子上，在沒有交流勵磁機的條件下使得勵磁繞組與外部的連接仍需借助電刷和滑環(huán)等機械裝置來實現(xiàn)，不能實現(xiàn)電機的無刷化，不僅降低了電機運行的可靠性，而且增加了電機的維護成本。為了保持該類混合勵磁永磁電機的優(yōu)點，同時克服其缺點，清華大學學者提出了一種諧波勵磁與永磁勵磁相結(jié)合的混合勵磁永磁電機，但該電機定、轉(zhuǎn)子均需要兩套繞組，從而增加了電機的復(fù)雜程度和設(shè)計成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種無刷無勵磁機的諧波勵磁的混合勵磁永磁同步電機。該電機轉(zhuǎn)子上除永磁體外，僅有一套勵磁繞組，每極的勵磁繞組分別通過一個二極管直接短接，通過調(diào)節(jié)定子諧波勵磁繞組電流可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子每極勵磁繞組電流，以實現(xiàn)永磁電機氣隙磁場的調(diào)節(jié)。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的?！N無刷無勵磁機的諧波勵磁的混合勵磁永磁同步電機，包括一機殼，機殼內(nèi)裝有由定子鐵心、定子電樞繞組、定子諧波勵磁繞組組成的定子和由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子勵磁繞組、永磁體、非導磁材料、轉(zhuǎn)軸組成的轉(zhuǎn)子。定子電樞繞組和定子諧波勵磁繞組分布于定子鐵心上沿圓周方向開設(shè)的槽中；轉(zhuǎn)子鐵心上布置有永磁體和轉(zhuǎn)子勵磁繞組，轉(zhuǎn)子勵磁繞組分布于兩塊永磁體之間的轉(zhuǎn)子鐵心沿圓周方向開設(shè)的槽中，且轉(zhuǎn)子每極勵磁繞組均分別通過二極管直接短接，非導磁材料位于轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)軸之間。所述的定子電樞繞組可以為三相繞組，也可以為單相或者多相繞組；可以為整數(shù)槽繞組，也可以為分數(shù)槽繞組。所述的定子諧波勵磁繞組可以為三相繞組，也可以為單相或者多相繞組。所述的轉(zhuǎn)子永磁體充磁方式可以為切向充磁，也可以為徑向充磁或者混合充磁。
所述的轉(zhuǎn)子可以在定子內(nèi)或者放置于定子外。所述的定子電樞繞組和定子諧波勵磁繞組可以相互獨立或采用一套定子電樞繞組實現(xiàn)兩套繞組的功能。所述的混合勵磁永磁同步電機極對數(shù)可以根據(jù)需要任意設(shè)置，且定子極對數(shù)與轉(zhuǎn)子極對數(shù)相同。所述的轉(zhuǎn)子勵磁繞組節(jié)距與定子諧波勵磁繞組節(jié)距相同。本發(fā)明的一種無刷無勵磁機的諧波勵磁的混合勵磁永磁同步電機定子上布置兩套繞組:定子電樞繞組和定子諧波勵磁繞組，既可以相互獨立或采用一套定子電樞繞組實現(xiàn)兩套繞組的功能。定子電樞繞組用于機電能量轉(zhuǎn)換，定子諧波勵磁繞組用于產(chǎn)生靜止的諧波磁場，定子諧波勵磁繞組極對數(shù)大于定子電樞繞組極對數(shù)。電機轉(zhuǎn)子上不僅有永磁體，而且布置了轉(zhuǎn)子勵磁繞組，轉(zhuǎn)子勵磁繞組節(jié)距與定子諧波勵磁繞組節(jié)距相同，且每極的轉(zhuǎn)子勵磁繞組分別通過二極管直接短接。轉(zhuǎn)子極對數(shù)與定子電樞繞組極對數(shù)相同。定子電樞繞組與轉(zhuǎn)子永磁體和轉(zhuǎn)子勵磁繞組相對應(yīng)，產(chǎn)生電磁感應(yīng)作用，相當于一臺旋轉(zhuǎn)磁極的同步發(fā)電機；同時，轉(zhuǎn)子勵磁繞組又與定子諧波勵磁繞組相對應(yīng)，產(chǎn)生電磁感應(yīng)作用，相當于一臺旋轉(zhuǎn)電樞的同步發(fā)電機。轉(zhuǎn)子每極勵磁繞組感應(yīng)的電動勢經(jīng)過二極管整流后得到直流勵磁電流，該直流勵磁電流建立的電勵磁磁動勢用于調(diào)節(jié)電機的氣隙磁場。通過調(diào)節(jié)輸入到定子諧波勵磁繞組中的電流就可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子每極勵磁繞組電流的調(diào)節(jié)，從而達到調(diào)節(jié)氣隙磁場和發(fā)電機端電壓的目的。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的混合勵磁永磁電機具有如下特點。1、通過控制定子諧波勵磁繞組的電流可實現(xiàn)發(fā)電機端電壓的調(diào)節(jié)，具有氣隙磁場調(diào)節(jié)方便以及易于實現(xiàn)的優(yōu)點。2、無需電刷、滑環(huán)以及交流勵磁機，且轉(zhuǎn)子僅有一套勵磁繞組，具有結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高的優(yōu)點。3、與普通永磁同步電機結(jié)構(gòu)相似，不存在軸向磁路和附加氣隙，且諧波勵磁僅用于實現(xiàn)氣隙磁場的輔助調(diào)節(jié)，電勵磁容量較小，保持了永磁電機高功率密度和高效率的優(yōu)點。


圖1是圖2的A-A截面圖，為一種無刷無勵磁機的諧波勵磁的混合勵磁永磁同步電機結(jié)構(gòu)示意圖。其中I為機殼，2為定子鐵心，3為定子電樞繞組，4為定子諧波勵磁繞組，5為永磁體,6為轉(zhuǎn)軸,7為轉(zhuǎn)子鐵心,8為轉(zhuǎn)子勵磁繞組,9為非導磁材料,10為軸承。圖2是圖1中電機截面圖，以4極為例。其中2為定子鐵心，3為定子電樞繞組，4為定子諧波勵磁繞組，5為永磁體，6為轉(zhuǎn)軸，7為轉(zhuǎn)子鐵心，8為轉(zhuǎn)子勵磁繞組，9為非導磁材料，11為定子鐵心上布置繞組的槽，12為轉(zhuǎn)子鐵心上布置勵磁繞組的槽。圖3是圖2中B-B部分詳細說明圖，為了方便，展開為直線畫圖。其中2為定子鐵心，3為定子電樞繞組，4為定子諧波勵磁繞組，5為永磁體，6為轉(zhuǎn)軸，7為轉(zhuǎn)子鐵心，8為轉(zhuǎn)子勵磁繞組，9為非導磁材料，11為定子鐵心上布置繞組的槽，12為轉(zhuǎn)子鐵心上布置勵磁繞組的槽。圖中還畫出了定子諧波勵磁繞組輸入直流電流后產(chǎn)生的二次諧波磁場。圖4是無刷無勵磁機的諧波勵磁的混合勵磁永磁同步電機電路原理圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。實施例。由圖1和圖2可知，本發(fā)明的一種無刷無勵磁機的諧波勵磁的混合勵磁永磁同步電機，包括機殼I，機殼內(nèi)配置有定子鐵心2,定子鐵心2上沿圓周方向開槽,槽內(nèi)布置有定子電樞繞組3和定子諧波勵磁繞組4。機殼I與定子鐵心2固定不動。機殼I內(nèi)配置有轉(zhuǎn)軸6,轉(zhuǎn)軸6通過軸承10與機殼I連接。轉(zhuǎn)軸6上配置非導磁材料9,轉(zhuǎn)子鐵心7固定在非導磁材料9上；同時,轉(zhuǎn)子鐵心7上布置有永磁體5和轉(zhuǎn)子勵磁繞組8,兩塊永磁體5之間的轉(zhuǎn)子鐵心7上開槽，槽內(nèi)布置轉(zhuǎn)子勵磁繞組8。轉(zhuǎn)子勵磁繞組8、永磁體5、轉(zhuǎn)子鐵心7與非導磁材料9可一起隨著轉(zhuǎn)軸在定子鐵心內(nèi)旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明的工作原理是:當電機空載運行時，轉(zhuǎn)軸6以同步速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子永磁體5建立空載氣隙磁場，在定子電樞繞組3中感應(yīng)同步頻率的空載電動勢，該電動勢在轉(zhuǎn)速一定時保持恒定。當電機帶上電感性負載后，由于電樞反應(yīng)的去磁作用，使得定子電樞繞組3的電動勢下降。為了調(diào)節(jié)定子電樞繞組3的電動勢，在定子鐵心2上布置了定子諧波勵磁繞組4，轉(zhuǎn)子鐵心7上布置了轉(zhuǎn)子勵磁繞組8，且轉(zhuǎn)子勵磁繞組8的節(jié)距與定子諧波勵磁繞組4節(jié)距相同。當定子諧波勵磁繞組4中通入直流電時，其產(chǎn)生的靜止諧波磁場與旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子勵磁繞組8之間存在相對運動，在轉(zhuǎn)子勵磁繞組8感應(yīng)諧波電動勢，經(jīng)過二極管整流后獲得直流勵磁電流。該直流勵磁電流產(chǎn)生的電勵磁磁動勢可以調(diào)節(jié)電機的氣隙磁場以及定子電樞繞組3的電動勢，即通過改變定子諧波勵磁繞組4的電流便可控制定子電樞繞組3的電動勢，在沒有電刷、滑環(huán)以及交流勵磁機的情況下，實現(xiàn)了在定子上調(diào)節(jié)發(fā)電機端電壓的功能，同時保持了永磁電機無刷化的優(yōu)點。下面參照圖3來具體說明定子諧波勵磁繞組4與轉(zhuǎn)子勵磁繞組8之間的電磁作用。以定子電樞繞組3極距為定子諧波勵磁繞組4極距的兩倍為例進行說明，圖3中的定子電樞繞組3和定子諧波勵磁繞組4都以最簡單的集中整距繞組為例。定子諧波勵磁繞組4通入直流電流，氣隙中將產(chǎn)生二次諧波磁場，如圖3所示。該磁場相對于定子鐵心2靜止，與同步速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子鐵心7存在相對運動，在轉(zhuǎn)子勵磁繞組8中感應(yīng)電動勢的頻率為定子電樞繞組3基波感應(yīng)電動勢的兩倍。當轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速保持不變時，改變定子諧波勵磁繞組4的直流電流大小，便可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁繞組8的感應(yīng)電動勢大小，在沒有電刷、滑環(huán)以及交流勵磁機的條件下，實現(xiàn)了將勵磁能量由定子側(cè)傳遞到轉(zhuǎn)子側(cè)，電路原理圖如圖4所示。本發(fā)明定子諧波勵磁繞組8與勵磁控制器相連。用作發(fā)電機時，定子電樞繞組3與負載相連；用作電動機時，定子電樞繞組3與驅(qū)動電源相連。
權(quán)利要求
1.一種無刷無勵磁機的諧波勵磁的混合勵磁永磁同步電機，包括一機殼，其特征是機殼內(nèi)裝有由定子鐵心、定子電樞繞組、定子諧波勵磁繞組組成的定子和由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子勵磁繞組、永磁體、非導磁材料、轉(zhuǎn)軸組成的轉(zhuǎn)子；定子電樞繞組和定子諧波勵磁繞組分布于定子鐵心上沿圓周方向開設(shè)的槽中；轉(zhuǎn)子鐵心上布置有永磁體和轉(zhuǎn)子勵磁繞組，轉(zhuǎn)子勵磁繞組分布于兩塊永磁體之間的轉(zhuǎn)子鐵心沿圓周方向開設(shè)的槽中，且轉(zhuǎn)子每極勵磁繞組均分別通過二極管直接短接，非導磁材料位于轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)軸之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機，其特征是所述的定子電樞繞組為三相繞組、單相或者多相繞組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電機，其特征是所述的定子電樞繞組為整數(shù)槽繞組或分數(shù)槽繞組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機，其特征是所述的定子諧波勵磁繞組為三相繞組、單相或者多相繞組。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機，其特征是所述的轉(zhuǎn)子永磁體充磁方式為切向充磁、徑向充磁或混合充磁。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機，其特征是所述的轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)或者放置于定子外。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機，其特征是電機極對數(shù)可以根據(jù)需要任意設(shè)置，且定子極對數(shù)與轉(zhuǎn)子極對數(shù)相同。
8.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的電機，其特征是所述的定子電樞繞組和定子諧波勵磁繞組為相互獨立或采用一套定子電樞繞組實現(xiàn)兩套繞組的功能。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機，其特征是轉(zhuǎn)子勵磁繞組節(jié)距與定子諧波勵磁繞組節(jié)距相同。
全文摘要
一種無刷無勵磁機的諧波勵磁的混合勵磁永磁同步電機，包括機殼、定子鐵心、電樞繞組、諧波勵磁繞組、轉(zhuǎn)子鐵心、勵磁繞組、永磁體、非導磁材料、轉(zhuǎn)軸；電樞繞組和諧波勵磁繞組分布于定子槽中；轉(zhuǎn)子鐵心上布置有永磁體和勵磁繞組，勵磁繞組分布于兩塊永磁體之間的轉(zhuǎn)子槽中，且每極勵磁繞組均分別通過二極管直接短接；轉(zhuǎn)子非導磁材料位于轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)軸之間；諧波勵磁繞組與勵磁控制器相連。本發(fā)明在電機運行時，可實現(xiàn)發(fā)電機端電壓的調(diào)節(jié)，具有氣隙磁場調(diào)節(jié)方便的優(yōu)點；在沒有電刷、滑環(huán)以及交流勵磁機的情況下，保持了永磁電機無刷化的優(yōu)點；不存在軸向磁路和附加氣隙，電勵磁損耗小，電機效率高。
文檔編號H02K1/27GK103219847SQ201310111240
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月2日
發(fā)明者夏永洪, 黃劭剛, 陳瑛, 張景明 申請人:南昌大學