一种无刷无励磁机的谐波励磁的混合励磁永磁同步电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，涉及一种永磁电机。

背景技术

与电励磁电机相比，永磁电机具有高效率、高功率密度、结构简单以及运行可靠等诸多优点，使得永磁电机在工业、民用、军事以及航空航天等领域均有广泛的应用。然而，无论是永磁发电机还是永磁电动机，均存在气隙磁场调节困难的缺点。当永磁电机作发电机使用时，其端电压会随负载大小、负载性质或者原动机转速等因素变化而变化，从而影响永磁发电机输出电压的质量；当永磁电机作电动机使用时，难以获得宽广的调速范围。因此，永磁电机气隙磁场调节困难的缺 点又在一定程度上限制了永磁电机的广泛应用。

混合励磁永磁电机中存在两种励磁磁动势：永磁磁动势和电励磁磁动势，通过调节电励磁磁动势实现了永磁电机气隙磁场的调节。经过国内外学者多年的研究，现有的混合励磁永磁电机结构近30种。在这些混合励磁永磁电机中，有些混合励磁永磁电机除了存在径向磁场外，还存在轴向磁场，因而增加了电机磁路长度，使得电机轴向长度不宜太长。有些混合励磁永磁电机是由一台永磁同步电机和一台电励磁同步电机组成，两台电机在磁路上相互独立，从而降低了电机的功率密度。有些混合励磁永磁电机除了存在工作主气隙，还存在附加气隙，从而降低了电机的效率，同时电机结构也变得复杂。

然而，有一类混合励磁永磁电机定子与普通交流电机相同，转子上既有永磁体，又有励磁绕组，两者产生的磁通流经相同的电机铁心，提高了材料的利用率，保持了永磁电机高功率密度的优点。电机中不存在轴向磁场和附加气隙，保持了永磁电机高效率的优点。但由于励磁绕组位于转子上，在没有交流励磁机的条件下使得励磁绕组与外部的连接仍需借助电刷和滑环等机械装置来实现，不能实现电机的无刷化，不仅降低了电机运行的可靠性，而且增加了电机的维护成本。为了保持该类混合励磁永磁电机的优点，同时克服其缺点，清华大学学者提出了一种谐波励磁与永磁励磁相结合的混合励磁永磁电机，但该电机定、转子均需要两套绕组，从而增加了电机的复杂程度和设计成本。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种无刷无励磁机的谐波励磁的混合励磁永磁同步电机。该电机转子上除永磁体外，仅有一套励磁绕组，每极的励磁绕组分别通过一个二极管直接短接，通过调节定子谐波励磁绕组电流可以调节转子每极励磁绕组电流，以实现永磁电机气隙磁场的调节。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种无刷无励磁机的谐波励磁的混合励磁永磁同步电机，包括一机壳，机壳内装有由定子铁心、定子电枢绕组、定子谐波励磁绕组组成的定子和由转子铁心、转子励磁绕组、永磁体、非导磁材料、转轴组成的转子。定子电枢绕组和定子谐波励磁绕组分布于定子铁心上沿圆周方向开设的槽中；转子铁心上布置有永磁体和转子励磁绕组，转子励磁绕组分布于两块永磁体之间的转子铁心沿圆周方向开设的槽中，且转子每极励磁绕组均分别通过二极管直接短接，非导磁材料位于转子铁心和转轴之间。

所述的定子电枢绕组可以为三相绕组，也可以为单相或者多相绕组；可以为整数槽绕组，也可以为分数槽绕组。

所述的定子谐波励磁绕组可以为三相绕组，也可以为单相或者多相绕组。

所述的转子永磁体充磁方式可以为切向充磁，也可以为径向充磁或者混合充磁。

所述的转子可以在定子内或者放置于定子外。

所述的定子电枢绕组和定子谐波励磁绕组可以相互独立或采用一套定子电枢绕组实现两套绕组的功能。

所述的混合励磁永磁同步电机极对数可以根据需要任意设置，且定子极对数与转子极对数相同。

所述的转子励磁绕组节距与定子谐波励磁绕组节距相同。

本发明的一种无刷无励磁机的谐波励磁的混合励磁永磁同步电机定子上布置两套绕组：定子电枢绕组和定子谐波励磁绕组，既可以相互独立或采用一套定子电枢绕组实现两套绕组的功能。定子电枢绕组用于机电能量转换，定子谐波励磁绕组用于产生静止的谐波磁场，定子谐波励磁绕组极对数大于定子电枢绕组极对数。电机转子上不仅有永磁体，而且布置了转子励磁绕组，转子励磁绕组节距与定子谐波励磁绕组节距相同，且每极的转子励磁绕组分别通过二极管直接短接。转子极对数与定子电枢绕组极对数相同。定子电枢绕组与转子永磁体和转子励磁绕组相对应，产生电磁感应作用，相当于一台旋转磁极的同步发电机；同时，转子励磁绕组又与定子谐波励磁绕组相对应，产生电磁感应作用，相当于一台旋转电枢的同步发电机。转子每极励磁绕组感应的电动势经过二极管整流后得到直流励磁电流，该直流励磁电流建立的电励磁磁动势用于调节电机的气隙磁场。通过调节输入到定子谐波励磁绕组中的电流就可以实现转子每极励磁绕组电流的调节，从而达到调节气隙磁场和发电机端电压的目的。

与现有技术相比，本发明的混合励磁永磁电机具有如下特点。

1、通过控制定子谐波励磁绕组的电流可实现发电机端电压的调节，具有气隙磁场调节方便以及易于实现的优点。

2、无需电刷、滑环以及交流励磁机，且转子仅有一套励磁绕组，具有结构简单，可靠性高的优点。

3、与普通永磁同步电机结构相似，不存在轴向磁路和附加气隙，且谐波励磁仅用于实现气隙磁场的辅助调节，电励磁容量较小，保持了永磁电机高功率密度和高效率的优点。

附图说明

图1是图2的A-A截面图，为一种无刷无励磁机的谐波励磁的混合励磁永磁同步电机结构示意图。其中1为机壳，2为定子铁心，3为定子电枢绕组，4为定子谐波励磁绕组，5为永磁体，6为转轴，7为转子铁心，8为转子励磁绕组，9为非导磁材料，10为轴承。

图2是图1中电机截面图，以4极为例。其中2为定子铁心，3为定子电枢绕组，4为定子谐波励磁绕组，5为永磁体，6为转轴，7为转子铁心，8为转子励磁绕组，9为非导磁材料，11为定子铁心上布置绕组的槽，12为转子铁心上布置励磁绕组的槽。

图3是图2中B-B部分详细说明图，为了方便，展开为直线画图。其中2为定子铁心，3为定子电枢绕组，4为定子谐波励磁绕组，5为永磁体，6为转轴，7为转子铁心，8为转子励磁绕组，9为非导磁材料，11为定子铁心上布置绕组的槽，12为转子铁心上布置励磁绕组的槽。图中还画出了定子谐波励磁绕组输入直流电流后产生的二次谐波磁场。

图4是无刷无励磁机的谐波励磁的混合励磁永磁同步电机电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例。

由图1和图2可知，本发明的一种无刷无励磁机的谐波励磁的混合励磁永磁同步电机，包括机壳1，机壳内配置有定子铁心2，定子铁心2上沿圆周方向开槽，槽内布置有定子电枢绕组3和定子谐波励磁绕组4。机壳1与定子铁心2固定不动。机壳1内配置有转轴6，转轴6通过轴承10与机壳1连接。转轴6上配置非导磁材料9，转子铁心7固定在非导磁材料9上；同时，转子铁心7上布置有永磁体5和转子励磁绕组8，两块永磁体5之间的转子铁心7上开槽，槽内布置转子励磁绕组8。转子励磁绕组8、永磁体5、转子铁心7与非导磁材料9可一起随着转轴在定子铁心内旋转。

本发明的工作原理是：当电机空载运行时，转轴6以同步速旋转，转子永磁体5建立空载气隙磁场，在定子电枢绕组3中感应同步频率的空载电动势，该电动势在转速一定时保持恒定。当电机带上电感性负载后，由于电枢反应的去磁作用，使得定子电枢绕组3的电动势下降。为了调节定子电枢绕组3的电动势，在定子铁心2上布置了定子谐波励磁绕组4，转子铁心7上布置了转子励磁绕组8，且转子励磁绕组8的节距与定子谐波励磁绕组4节距相同。当定子谐波励磁绕组4中通入直流电时，其产生的静止谐波磁场与旋转的转子励磁绕组8之间存在相对运动，在转子励磁绕组8感应谐波电动势，经过二极管整流后获得直流励磁电流。该直流励磁电流产生的电励磁磁动势可以调节电机的气隙磁场以及定子电枢绕组3的电动势，即通过改变定子谐波励磁绕组4的电流便可控制定子电枢绕组3的电动势，在没有电刷、滑环以及交流励磁机的情况下，实现了在定子上调节发电机端电压的功能，同时保持了永磁电机无刷化的优点。

下面参照图3来具体说明定子谐波励磁绕组4与转子励磁绕组8之间的电磁作用。以定子电枢绕组3极距为定子谐波励磁绕组4极距的两倍为例进行说明，图3中的定子电枢绕组3和定子谐波励磁绕组4都以最简单的集中整距绕组为例。定子谐波励磁绕组4通入直流电流，气隙中将产生二次谐波磁场，如图3所示。该磁场相对于定子铁心2静止，与同步速旋转的转子铁心7存在相对运动，在转子励磁绕组8中感应电动势的频率为定子电枢绕组3基波感应电动势的两倍。当转轴转速保持不变时，改变定子谐波励磁绕组4的直流电流大小，便可以调节转子励磁绕组8的感应电动势大小，在没有电刷、滑环以及交流励磁机的条件下，实现了将励磁能量由定子侧传递到转子侧，电路原理图如图4所示。

本发明定子谐波励磁绕组8与励磁控制器相连。用作发电机时，定子电枢绕组3与负载相连；用作电动机时，定子电枢绕组3与驱动电源相连。