并列结构的无刷无附加气隙混合励磁同步发电机

摘要

本发明涉及一种并列结构的无刷无附加气隙混合励磁同步发电机。它由永磁电机(18)和电励磁电机(19)两部分组成，同轴并列置于机壳(14)内，两部分磁路彼此独立，电枢绕组(5)放置在两部分定子铁心内。在电励磁定子铁心(13)中还放置一套三相或多相励磁绕组(10)，电励磁转子(11)为由圆形硅钢片叠压而成的光滑圆柱体。通过变频器改变励磁绕组(10)中电流的大小和相位来调节电枢绕组(5)中电励磁感应电动势大小和相位，达到改变总电动势及输出电压大小的目的。由于电励磁部分没有附加气隙，电励磁所需的磁动势少，磁场调节效率高。电励磁磁动势不会对永磁体造成不可逆退磁，并且采用无刷交流励磁，电机的可靠性高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种混合励磁同步电机，特别是一种并列结构的无刷无附加气隙混合励磁同步发电机。

背景技术

永磁同步电机具有可靠性高、效率高以及体积小等优点，相对于传统的电励磁同步电机具有许多优势。但是永磁电机由于转子采用永磁磁钢励磁，气隙磁场不容易调节，作为发电机运行，当温度升高时，永磁磁钢会产生可逆退磁，使发电机输出电压降低，另外，当发电机负载改变时，尤其是当感性负载增大时，输出电压进一步降低。通常永磁发电机的电压变化率在±10％左右，对负载设备的可靠运行产生不利影响。于是混合励磁同步电机被提出并进行了大量的研究，出现了多种结构的混合励磁电机，按电励磁磁场与永磁磁场的叠加方式可分为串励式、并励式和混励式三种结构，它们的主要思想是永磁磁场依然作为电机的主磁场，电励磁部分调节电动势需要调节的部分，从而保证了发电机输出电压的稳定。

发明专利(ZL.200310106346.1)提出了一种双凸极结构的混合励磁电机，它由永磁双凸极电机和电励磁双凸极电机两部分构成，两部分的定子绕组相串连。转子旋转时磁路磁阻发生变化，通过改变电励磁部分定子上励磁绕组电流大小，可以调节电励磁部分电枢绕组的电动势。但该结构利用磁阻式工作原理，使输出电压正弦性不是很好，作为发电机运行时需要变流设备才能得到高质量的电压。

发明专利(ZL.200310106347.6)提出了一种两段结构的混合励磁同步电机，电机分为永磁同步电机和电励磁同步电机两部分，两部分在磁路上互相独立，共用一套定子电枢绕组。通过调节电励磁电流，即可调节电机电动势的大小。但是由于电励磁部分的励磁电流是通过电刷和滑环引入到转子励磁绕组的，降低了电机的可靠性以及环境适应性。

专利申请(申请号：200810024775.7)公布了一种并列结构的混合励磁同步电机，电机为两段结构，一段为永磁同步电机，另一段为无刷电励磁同步电机，两段电机转子同轴旋转。两段电机在磁路上互相独立，定子共用一套电枢绕组，两段电机的感应电动势在电枢绕组中进行叠加。通过改变励磁绕组电流的大小和方向可以调节电枢绕组中电励磁部分的电动势大小和相位，从而实现整个电枢绕组电动势的调节。但是电励磁部分采用爪极电机结构，电励磁磁路上除了工作气隙外，还存在两段附加气隙，需要消耗更多的电励磁磁动势，降低了电励磁效率。

发明专利(ZL.200510112091.9)提出了一种双馈电混合励磁轴向磁场永磁电机，轴向磁场电机转子内圈作为永磁电机部分，外圈为电励磁部分，通过改变磁场控制绕组中的电流幅值和方向来调节电机气隙总磁通大小，达到改变感应电势大小的目的。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提出了一种并列结构的无刷无附加气隙混合励磁同步发电机。

本发明的目的是通过下列技术手段实现的：

本发明的并列结构无刷无附加气隙混合励磁同步发电机，在同一机壳内分为永磁电机和电励磁电机两部分，在磁路上彼此独立的永磁转子和电励磁转子同轴安装。两部分电机定子铁心彼此独立，共用一套定子电枢绕组，两部分的感应电动势在电枢绕组中进行叠加。

永磁同步电机部分为传统的表面磁钢或内置式永磁电机结构，定子铁心由硅钢片叠压而成，定子极/槽配合采用传统的分布绕组甚至分数槽的极/槽比，以降低电枢绕组电动势中的谐波含量。永磁转子通过选择合适的极弧系数或磁极形状优化进一步减小电枢绕组电动势中的谐波含量。电励磁定子铁心与永磁部分定子铁心具有相同的齿槽数，但是齿槽深度比永磁电机定子的齿槽深，便于放置励磁绕组，电励磁电机和永磁电机共用一套三相电枢绕组，具有相同的绕组分布形式。在电励磁电机的定子槽中除了上述电枢绕组外还嵌放另外一套与永磁转子极数相同的三相(或多相)励磁绕组，通过励磁绕组分布形式的设计，保证励磁电流产生的合成磁场谐波尽可能的小，基波磁场尽可能的大。如果励磁绕组是三相，励磁绕组轴线和电枢绕组轴线重合；如果是多相励磁绕组，则多相励磁绕组其中一相的轴线和三相电枢绕组其中一相的轴线重合。为了减小励磁电流产生的高次谐波磁场在电励磁转子上的谐波损耗，电励磁转子为由圆形硅钢片叠压而成的光滑圆柱体，转子直径小于永磁转子直径，转子上无绕组，电励磁电机的气隙可以小于永磁电机的气隙，以提高电励磁部分的励磁效率。

本发明的并列结构无刷无附加气隙混合励磁同步发电机与现有技术相比，具有以下特点：

1.发电机采用交流励磁调节输出电压，通过控制三相(或多相)对称励磁电流的大小和相位实现发电机输出电压的调节。

2.电励磁绕组位于电机的定子部分，电励磁转子是光滑的圆柱体，没有绕组，实现了励磁的无刷化，增加了电机的可靠性及环境适应性。

3.电励磁部分磁路不存在附加气隙，只有工作气隙，电励磁所需的磁动势少，电励磁效率高。

4.由于永磁电机部分和电励磁电机在磁路上彼此独立，调节电励磁电流，不会引起永磁体的不可逆退磁，电机的可靠性高。

5.在电励磁电机最大饱和程度一定的情况下，通过设计电励磁与永磁部分铁心的长度，可以改变发电机输出电压的可调整范围。

6.通过定子电枢绕组、励磁绕组分布形式以及永磁转子磁极结构的设计，可以得到高质量的发电机输出电压。

附图说明

下面结合附图对本发明作详细说明：

图1为并列结构的无刷无附加气隙混合励磁同步发电机轴向剖面示意图；

图2为并列结构的无刷无附加气隙混合励磁同步发电机永磁部分截面示意图；

图3为并列结构的无刷无附加气隙混合励磁同步发电机永磁转子截面示意图；

图4为并列结构的无刷无附加气隙混合励磁同步发电机电励磁部分截面示意图。

附图标记：

1-转轴，2-轴承，3-端盖，4-永磁电机转子铁心，5-电枢绕组，6-永磁磁钢，7-永磁电机气隙，8-不锈钢非导磁螺钉，9-永磁电机定子铁心，10-电励磁绕组，11-电励磁转子铁心，12-电励磁部分气隙，13-电励磁定子铁心，14-机壳，15-O型密封垫圈，16-风扇，17-风扇罩，18-永磁同步发电机部分，19-电励磁发电机部分。

具体实施方式

由图1可知，本发明的并列结构无刷无附加气隙混合励磁同步发电机由左边的永磁同步发电机18和右边的电励磁发电机19两部分组成，装在同一个机壳14内。永磁电机定子铁心9和电励磁定子铁心13具有同样的齿槽数，在本实施例中为36槽，电励磁部分定子齿槽比永磁部分的深，如图4所示，两部分定子共用一套三相电枢绕组5，在电励磁定子铁心13中还嵌放有三相电励磁绕组10。永磁电机转子铁心4和电励磁转子铁心11装在同一转轴1上，永磁转子采用表面磁钢结构，永磁磁钢6采用不锈钢非导螺钉8固定在转子铁心4上，如图2、3、4所示，转子铁心4为二十号钢加工而成。电励磁转子铁心11为由圆型硅钢片叠压而成的光滑圆柱体，上面没有励磁绕组，电励磁部分气隙12比永磁电机气隙7要小，以提高电励磁效率。

为了保证发电机的正常运行，如图1所示，发电机转轴1靠两端的两个轴承2支撑，轴承2安装在两端端盖3的轴承座内。在发电机机壳14和两端端盖3的结合面处，用O型密封垫圈15进行密封，以提高发电机对潮湿甚至雨水环境的适应性。为了提高发电机的散热能力，在发电机的非轴伸端安装了风扇16及风扇罩17，风扇16安装在转轴1的非机械功率输入端，对发电机进行风冷散热。

并列结构的无刷无附加气隙混合励磁同步发电机的工作原理：三相(或多相)励磁绕组中通入对称交流励磁电流时，在电励磁电机部分的空间上形成旋转励磁磁场，旋转励磁磁场的大小与励磁电流有关，励磁电流越大，磁场越强；旋转磁场的空间相位与励磁电流的相位有关。通过变频器调节励磁电流的大小和相位，即可调节电枢绕组中电励磁感应电动势的大小和相位。

当发电机空载运行或较轻负载运行时，输出电压通常高于额定电压，此时在三相(或多相)电励磁绕组中通入交流励磁电流，控制励磁电流的大小和相位，使励磁电流合成磁场在空间上和永磁磁场相位相反，即励磁电流合成磁场在永磁磁极轴线的平行线上，但方向和永磁磁场相反，从而使电枢绕组的电励磁部分中产生的电励磁电动势与永磁部分的电动势反相位，由于永磁电机部分电动势和电励磁电机电动势在电枢绕组中相叠加，于是电枢绕组中总电动势降低，输出电压维持在额定电压附近，此时的励磁电流相当于起去磁作用。

当发电机所带负载继续增大，即电枢电流增大到某一数值时，永磁部分产生的电动势刚好和额定电压以及发电机阻抗压降相平衡，此时不需要提供电励磁电流，输出电压维持在额定电压附近。

当发电机负载继续增大时，电枢电流变大，电机阻抗压降进一步增大，使输出电压低于额定电压，此时需要调节励磁电流大小和相位，使励磁电流合成的磁场和永磁电机部分的磁场空间上同相位，即励磁电流合成磁场在永磁磁极轴线平行线上，并且方向和永磁磁场相同，从而电励磁磁场在电枢绕组中感应的电动势和永磁磁场感应的电动势同相位，电枢绕组中的合成电动势大于永磁电动势，励磁电流相当于起增磁作用，输出电压继续维持在额定电压附近。