三次谐波励磁的混合励磁永磁同步电机

摘要

一种三次谐波励磁的混合励磁永磁同步电机，包括一机壳，基特征是机壳内装有由定子铁心、定子电枢绕组、定子三次谐波绕组组成的定子和固定在机壳上的电刷以及由转子铁心、转子励磁绕组、永磁体、转轴、集电环组成的转子。定子电枢绕组和定子三次谐波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永磁体之间的转子铁心沿圆周方向开设的槽中，其引线与集电环相连。集电环套在转轴上，与静止的电刷相连。本发明提高了材料的利用率，具有气隙磁场调节方便的优点，且电励磁损耗小，保持了永磁电机效率高的优点。

说明书

技术领域

本发明电机技术领域，涉及一种永磁电机。

背景技术

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，使得永磁电机的应用非常广泛，如电动汽车用驱动电机、空调压缩机、风力发电机、移动电源以及航天飞行器中的发电机。同时，气隙磁场调节困难的缺点也在一定程度上阻碍了永磁电机的进一步推广和应用。为了克服其缺点，许多专家和学者提出了多种混合励磁永磁电机，该电机中同时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。

目前，混合励磁永磁电机方案较多，根据励磁绕组在电机中的不同布置，可分为励磁绕组静止型混合励磁永磁电机和励磁绕组旋转型混合励磁永磁电机。对于励磁绕组静止型混合励磁永磁电机，其励磁绕组为环形，布置在定子上或者在电机的轴端，这类混合励磁永磁电机除了存在径向磁路外，还存在轴向磁路，甚至还存在附加气隙，因而增加了磁路长度，从而降低了电机的效率。对于励磁绕组旋转型混合励磁永磁电机，其中有一类混合励磁永磁电机是永磁同步电机和电励磁同步电机两者的组合，两台电机在磁路上相互独立，从而降低了电机的功率密度。并且，无论是励磁绕组静止型混合励磁永磁电机还是励磁绕组旋转型混合励磁永磁电机，其用于调节电机气隙磁场所需的励磁电流均是由外部电源提供。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种三次谐波励磁的混合励磁永磁同步电机，该电机通过获取气隙磁场中固有的三次谐波磁场能量实现永磁电机气隙磁场的调节。

本发明的技术方案是这样实现的：一种三次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、定子三次谐波绕组组成的定子和固定在机壳上的电刷以及由转子铁心、转子励磁绕组、永磁体、转轴、集电环组成的转子。定子电枢绕组和定子三次谐波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永磁体之间的转子铁心沿圆周方向开设的槽中，其引线与集电环相连。集电环套在转轴上，与静止的电刷相连。

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。

所述的定子三次谐波绕组为单相绕组。

所述的定子电枢绕组极距为定子三次谐波绕组极距的三倍。

所述的转子励磁绕组可以是集中绕组，也可以为分布绕组。

所述的转子永磁体数量可以根据需要成对任意设置。

所述的转子永磁体可以采用切向结构，以及混合结构。

所述的转子可以在定子内或者放置于定子外。

所述的混合励磁永磁同步电机定子极对数与转子极对数相同。

本发明的一种三次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三次谐波绕组。定子电枢绕组用于机电能量转换，定子三次谐波绕组用于获取气隙中的三次谐波磁场能量，定子三次谐波绕组极对数为定子电枢绕组极对数的三倍。电机转子上不仅有永磁体，而且布置了励磁绕组。转子极对数与定子电枢绕组极对数相同。定子电枢绕组和定子三次谐波绕组分别与励磁磁动势产生的基波磁场和三次谐波磁场相对应，产生电磁感应作用，相当于一台旋转磁极的同步发电机。定子三次谐波绕组感应的电动势经过晶闸管整流后得到所需的直流励磁电流，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，从而达到调节定子电枢绕组电压的目的。

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、通过获取气隙中固有的三次谐波磁场能量用于永磁电机气隙磁场的调节，并且无需为三次谐波磁场设置专门的铁磁材料，提高了材料的利用率。

2、通过控制晶闸管整流电路触发脉冲的相位可调节转子励磁绕组电流以及发电机端电压，具有气隙磁场调节方便的优点。

3、与普通永磁同步电机结构相近，不存在轴向磁路和附加气隙，且三次谐波磁场仅用于气隙磁场的辅助调节，电励磁损耗小，保持了永磁电机效率高的优点。

附图说明

图1是图2的A-A截面图，为三次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为定子三次谐波绕组，5为永磁体，6为转轴，7为转子铁心，8为转子励磁绕组，9为电刷，10为集电环，11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为定子三次谐波绕组，5为永磁体，6为转轴，7为转子铁心，8为转子励磁绕组，12为定子铁心上布置绕组的槽，13为转子铁心上布置转子励磁绕组的槽。

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为定子三次谐波绕组，5为永磁体，6为转轴，7为转子铁心，8为转子励磁绕组，12为定子铁心上布置绕组的槽，13为转子铁心上布置转子励磁绕组的槽。图中还画出了励磁磁动势产生的三次谐波磁通密度波形。

图4是三次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，本发明的三次谐波励磁的混合励磁永磁同步电机，包括机壳1，机壳1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和定子三次谐波绕组4。机壳1与定子铁心2固定不动，电刷9固定在机壳1上。机壳1内配置有转轴6，转轴6通过轴承11与机壳1连接。集电环10套在转轴6上，与静止的电刷9相连；同时，转子铁心7上布置有永磁体5和转子励磁绕组8，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引线接到集电环10上。转子励磁绕组8、永磁体5、转子铁心7与集电环10可一起随着转轴6在定子铁心2内旋转。

本发明的工作原理是：当发电机空载运行时，转轴6以同步速旋转，永磁体5建立励磁磁场，在定子电枢绕组3中感应同步频率的电动势，该电动势在转速一定时不能进行调节。为了调节定子电枢绕组3的电动势，在定子铁心2上布置了定子三次谐波绕组4，其极距为定子电枢绕组3极距的1/3，转子铁心7上布置了转子励磁绕组8。励磁磁动势产生的三次谐波磁场在定子三次谐波绕组4中感应三次谐波电动势，该三次谐波电动势通过晶闸管整流电路整流后的直流励磁电流经电刷9和集电环10输入到转子励磁绕组8中，直流励磁电流产生的电励磁磁动势可以实现气隙磁场的调节，从而调节定子电枢绕组3的电动势。通过控制晶闸管整流电路触发脉冲的相位就可以控制施加在转子励磁绕组8上的电压大小，实现了调节发电机端电压的功能。触发脉冲的相位由励磁控制器检测发电机端电压后决定，电路原理图如图4所示。

下面参照图3来具体说明定子三次谐波绕组4感应电动势的原理。以一对极为例进行说明，图3中的定子电枢绕组3和定子三次谐波绕组4都以最简单的集中整距绕组为例，定子三次谐波绕组4极距为定子电枢绕组3极距的1/3。励磁磁动势作用在平均气隙磁导上产生的气隙磁场中含有基波和奇数次谐波磁通密度，图3中画出了励磁磁动势产生的三次谐波磁通密度波形，其极距与定子三次谐波绕组4极距相等，随转子以同步速旋转，在定子三次谐波绕组4中感应电动势的频率为定子电枢绕组3基波感应电动势的三倍。

定子三次谐波绕组4感应的电动势经过晶闸管整流电路整流后得到直流励磁电流，直流励磁电流通过电刷9和集电环10通入到转子励磁绕组8中实现励磁，电路原理图如图4所示。

直流励磁电流流过转子励磁绕组8建立相对于转子铁心7静止的磁场，该磁场相对于定子铁心2和定子电枢绕组3为同步速旋转，在定子电枢绕组3中感应同步频率的电动势，定子电枢绕组3与外部电路相联就可以向外输出能量。

本发明用作发电机时，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。

定子三次谐波绕组4与晶闸管整流电路相连，晶闸管整流电路触发脉冲的相位由励磁控制器通过检测端电压后给定。

晶闸管整流电路可以采用单相桥式全控整流或者单相桥式半控整流，也可以采用单相半波可控整流。