轴向励磁的混合励磁双凸极电机

摘要

本发明公开了三种轴向励磁的混合励磁双凸极电机，属于双凸极结构电机领域。该电机包括至少两个轴向排列的双凸极单体结构，每个单体结构均包含凸极定子铁心(1)、绕制于定子铁心(1)齿上的电枢绕组(2)以及凸极转子铁心(3)，各单体结构的定子铁心(1)通过定子轴向导磁背铁(4)形成磁路，该电机可以采用轴向励磁绕组(6)和轴向磁化永磁磁钢(7)提供励磁的方案；或采用轴向励磁绕组(6)和非轴向磁化永磁体(8)提供励磁的方案；亦或采用轴向磁化永磁磁钢(7)和径向励磁的励磁绕组(9)提供励磁的方案，各单体结构的转子安装在转轴(5)上。本发明电机存在两种励磁源，励磁磁场易于调节，励磁效率高，应用范围广。

说明书

技术领域

本发明涉及三种轴向励磁的混合励磁双凸极电机，属于双凸极结构电机领域。

背景技术

莫斯科航空学院巴拉古诺夫教授在1988年提出并联磁势混合励磁同步发电机的结构。定子和普通同步电机相同，转子分为两部分，一部分为永磁励磁，另一部分为电励磁。该电机的缺陷为：电励磁部分为爪极结构，附加气隙多，轴向磁路，漏磁大，电励磁功能受制约。

日本T.Mizuno博士等提出了轴向/径向磁路混合励磁同步发电机。该电机的定子电枢绕组为通常的三相对称绕组，定子铁心被定子环形直流励磁绕组分成两段，这两段铁心由其外的背轭(用于轴向导磁的机壳)在机械上和磁上连接；转子也分成两部分：N极端和S极端，每极端由同极性永磁极和铁心形成的中间极交错排列，且两端的N、S永磁极及中间极也交错排列。转子铁心及转轴间有一实心导磁套简(转子背轭)，用于转子的轴向导磁。该电机的缺陷为：附加气隙多，但为固定气隙；存在轴向/径向磁路，电机结构优化受约束。

美国威斯康星-麦迪逊大学的Lipo教授等提出了永磁双凸极电机，其结构是在开关磁阻电机的基础上增加了永磁励磁，由于其励磁磁场不易调节，故不能作为发电机使用。

南京航空航天大学的严仰光教授等提出了电励磁双凸极电机(“双凸极无刷直流电机”，授权公告号CN1099155C)，将双凸极电机的励磁源从永磁体变成电励磁绕组。作为发电机工作时，不需要转子位置传感器，且励磁绕组仅需要单管变换器进行供电，调节励磁绕组电流可调节输出电压，故障时可灭磁，具有可靠性高的特点。

近年来，把永磁励磁和电励磁结合起来的混合励磁双凸极电机受到日益关注。

Lipo教授等提出一种双凸极混合励磁电机，它是在双凸极永磁电机的基础上演变出来的，保留了双凸极永磁电机的全部优点。该电机可以通过控制励磁电流的方向和大小调节气隙磁场。但电励磁回路穿越永磁体，电励磁效率低。

香港大学陈清泉、上海工业大学江建中教授等提出了一种爪极式混合励磁同步电机。该电机的外定子与普通电机的定子类似，槽中嵌有多相对称绕组，转子采用爪极结构，在相邻的两个爪极之间放置永磁体，在内定子上放有环形直流励磁绕组。由于直流励磁绕组置于由爪极的内、外单元所形成的区域内，空间利用率高，结构紧凑。但由于存在轴向磁路，电励磁效率低。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，并结合现有混合励磁电机的优势，而提出三种轴向具有励磁磁路且无附加气隙的混合励磁双凸极电机。

第一种轴向励磁的混合励磁双凸极电机，包括定子铁心、电枢绕组、转子铁心、定子轴向导磁背铁、转轴、励磁绕组和轴向磁化的永磁磁钢，其中：由定子铁心、电枢绕组和转子铁心组成至少两个按轴向排列的双凸极单体结构，定子轴向导磁背铁为定子铁心提供轴向磁路，励磁绕组绕制于相邻双凸极单体结构之间的定子轴向导磁背铁上，轴向磁化的永磁磁钢嵌在相邻双凸极单体结构之间的定子轴向导磁背铁处，电枢绕组绕制于定子铁心的齿上。

第二种轴向励磁的混合励磁双凸极电机，包括定子铁心、电枢绕组、转子铁心、定子轴向导磁背铁、转轴、励磁绕组和非轴向磁化的永磁体，其中：由定子铁心、电枢绕组、转子铁心和非轴向磁化的永磁体组成至少两个按轴向排列的双凸极单体结构，定子轴向导磁背铁为定子铁心提供轴向磁路，励磁绕组绕制于相邻双凸极单体结构之间的定子轴向导磁背铁上，电枢绕组绕制于定子铁心的齿上。

第三种轴向励磁的混合励磁双凸极电机，包括定子铁心、电枢绕组、转子铁心、定子轴向导磁背铁、转轴、轴向磁化的永磁磁钢和径向励磁的励磁绕组，其中：由定子铁心、电枢绕组、转子铁心和径向励磁的励磁绕组组成至少两个按轴向排列的双凸极单体结构，定子轴向导磁背铁为定子铁心提供轴向磁路，轴向磁化的永磁磁钢嵌在相邻双凸极单体结构之间的定子轴向导磁背铁处，电枢绕组绕制于定子铁心的齿上。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、由于永磁体和励磁绕组共同作为励磁源，励磁效率高，且励磁磁场易于调节。

2、可以通过各单体斜槽或单体之间错开角度减小转矩脉动。

3、可以根据不同应用场合选取相应的励磁组合方式，应用灵活，适用范围广。

附图说明

图1(a)为装有轴向磁化永磁磁钢和轴向励磁绕组的轴向励磁混合励磁双凸极电机的结构示意图；图1(b)为图1(a)的A-A截面结构示意图；图1(c)为图1(a)的B-B截面磁路示意图。

图2(a)为装有轴向励磁绕组的轴向励磁混合励磁双凸极电机的结构示意图；图2(b)为图2(a)的C-C截面结构示意图；图2(c)为图2(a)的D-D截面磁路示意图。

图3(a)为装有轴向磁化永磁磁钢的轴向励磁混合励磁双凸极电机的结构示意图；图3(b)为图3(a)的E-E截面结构示意图；图3(c)为图3(a)的F-F截面磁路示意图。

图1、图2、图3中的标号名称：1、定子铁心；2、电枢绕组；3、转子铁心；4、定子轴向导磁背铁；5、转轴；6、(轴向)励磁绕组；7、轴向磁化的永磁磁钢；8、切向磁化的永磁体；9、径向励磁的励磁绕组。

具体实施方式

如图1(a)～(c)所示，本发明的一种同时装有轴向磁化永磁磁钢和轴向励磁绕组的轴向励磁混合励磁双凸极电机结构，包括定子铁心1、电枢绕组2、转子铁心3、定子轴向导磁背铁4、转轴5、励磁绕组6和轴向磁化的永磁磁钢7，其中：由定子铁心1、电枢绕组2和转子铁心3组成至少两个按轴向排列的双凸极单体结构，转子铁心3安装在转轴5上，定子轴向导磁背铁4为定子铁心1提供轴向磁路，励磁绕组6绕制于相邻双凸极单体结构之间的定子轴向导磁背铁4上，轴向磁化的永磁磁钢7嵌在相邻双凸极单体结构之间的定子轴向导磁背铁4处，电枢绕组2绕制于定子铁心1的齿上。

如图2(a)～(c)所示，本发明的一种装有轴向励磁绕组的轴向励磁混合励磁双凸极电机结构，包括包括定子铁心1、电枢绕组2、转子铁心3、定子轴向导磁背铁4、转轴5、励磁绕组6和非轴向磁化的永磁体8，其中：由定子铁心1、电枢绕组2、转子铁心3和非轴向磁化的永磁体8组成至少两个按轴向排列的双凸极单体结构，转子铁心3安装在转轴5上，定子轴向导磁背铁4为定子铁心1提供轴向磁路，励磁绕组6绕制于相邻双凸极单体结构之间的定子轴向导磁背铁4上，电枢绕组2绕制于定子铁心1的齿上。所述非轴向磁化的永磁体8嵌在定子铁心1与定子轴向导磁背铁4之间。

如图3(a)～(c)所示，本发明的一种装有轴向磁化永磁磁钢的轴向励磁混合励磁双凸极电机结构，包括定子铁心1、电枢绕组2、转子铁心3、定子轴向导磁背铁4、转轴5、轴向磁化的永磁磁钢7和径向励磁的励磁绕组9，其中：由定子铁心1、电枢绕组2、转子铁心3和径向励磁的励磁绕组9组成至少两个按轴向排列的双凸极单体结构，转子铁心3安装在转轴5上，定子轴向导磁背铁4为定子铁心1提供轴向磁路，轴向磁化的永磁磁钢7嵌在相邻双凸极单体结构之间的定子轴向导磁背铁4处，电枢绕组2绕制于定子铁心1的齿上。

上述三种电机中的各双凸极单体结构对应齿上的电枢绕组2可以串联绕制，也可以单独绕制；凸极定子铁心1由硅钢片叠压而成；相邻各双凸极单体结构的凸极定子铁心1上设置有轴向导磁背铁4，将轴向的永磁磁势或轴向的电励磁磁势引到径向气隙中。

当本发明同时装有轴向磁化永磁磁钢和轴向励磁绕组时，双凸极单体结构中不需要常规电励磁双凸极电机的励磁绕组(径向)或常规永磁双凸极电机的永磁体(切向磁化或径向磁化)；当本发明仅装有轴向励磁绕组时，在双凸极单体结构中设置有常规永磁双凸极电机的永磁体(切向磁化或径向磁化)；当本发明仅装有轴向磁化永磁磁钢时，在双凸极单体结构中设置有常规电励磁双凸极电机的径向励磁绕组。

在各双凸极单体结构中，既有永磁体产生的磁势，又有电励磁绕组产生的磁势，至少有一对极的磁势是由轴向励磁源提供。设置励磁绕组的电流方向和永磁体的极性，使得在所述单体结构中每隔m×n(m为相数，n为正整数)个定子齿励磁极性变化一次。此外，各单体结构中的转子铁心可以错开角度或采用斜槽结构，以降低齿槽转矩或得到优化的电势波形。

本发明的轴向励磁混合励磁双凸极电机既可作为发电机，也可以作为电动机。下面对三种电机的励磁磁路进行分析。

在图1、图2、图3所示的三种电机中，轴向励磁源的磁路为：从某励磁绕组或永磁体产生的磁势N极出发，经过定子轴向导磁背铁，进入单体结构的定子铁心，再进入主气隙，经过转子铁心、相对的主气隙，再经过定子铁心、定子轴向导磁背铁回到相对的励磁绕组或永磁体产生的磁势S极。

在图2所示电机中，切向磁化永磁体提供的磁路为：从永磁体N极出发，经过定子铁心进入主气隙，经过转子铁心、再进入主气隙，再经过定子铁心回到该永磁体S极。

在图3所示电机中，励磁绕组磁势提供的磁路为：从定子铁心出发，进入主气隙，经过转子铁心、再进入主气隙，回到定子铁心。

因此，对于本发明轴向励磁的混合励磁双凸极电机来说，轴向励磁的永磁体之间或轴向励磁的励磁绕组之间是串联磁势的关系，使得相邻的两个双凸极单体结构的某些极下的磁路形成串联关系。但对于某个单体结构而言，各类励磁源在其中形成的磁路是相互独立的。

本发明中各双凸极单体结构可以具有相同或不同的定、转子极数，当每个单体结构的定、转子极数相同时，各单体结构对应定子极上的电枢绕组串联连接。