电励磁部分双定子的无刷混合励磁同步发电机

摘要

本发明涉及一种电励磁部分双定子的无刷混合励磁同步发电机。它由永磁同步电机(17)和电励磁部分(18)组成，两部分磁路彼此独立，电枢绕组(5)放置在永磁部分定子铁心(9)和电励磁部分外定子铁心(12)中。电励磁部分有外定子铁心(12)和内定子铁心(11)，三相或多相励磁绕组(10)放置在内定子铁心(11)中。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，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，特别是一种电励磁部分双定子的无刷混合励磁同步发电机。

背景技术

相对于传统的电励磁同步电机，永磁同步电机具有可靠性高、效率高以及体积小等优点。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，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。调节电励磁电流，即可调节电机电动势的大小。但是由于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转子部分，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，本发明提出了一种电励磁部分双定子的无刷混合励磁同步发电机。

本发明的电励磁部分双定子的无刷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结构两部分，两部分在轴向并列布置，在磁路上彼此独立，两部分定子铁心也彼此独立，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。在电励磁部分定子内增加一套内定子铁心，既作为内磁轭为电励磁磁场和电枢磁场提供通路，又可以放置电励磁绕组。电励磁绕组和电枢绕组之间是类似于变压器原、副边绕组之间的强耦合，电励磁需要的磁动势少，电励磁效率高；另外励磁电流直接加在励磁部分内定子的励磁绕组上，采用无刷交流电励磁结构，环境适应性好。

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。电励磁外定子铁心与永磁部分定子铁心具有相同的结构，只是铁心长度可以不一样，电励磁外定子和永磁电机定子共用一套三相电枢绕组，具有相同的绕组分布形式。

电励磁外定子铁心用来放置电枢绕组，在电励磁外定子铁心内有一由硅钢片叠压而成的内定子铁心，内定子铁心和外定子铁心之间没有气隙，内定子铁心和外定子铁心具有相同或不同的齿槽数。内定子的齿槽开口在外圆周上，内定子极/槽配合采用传统的分布绕组、分数槽的极/槽比甚至可以嵌放对称多相绕组，在内定子的齿槽中嵌放一套和电枢绕组具有相同极对数的三相(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；如果励磁绕组是多相，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。内定子铁心和转轴之间有足够大的气隙，不影响转子的安装与旋转。

本发明的电励磁部分双定子的无刷混合励磁同步发电机与现有技术相比，具有以下特点：

1.电励磁部分采用变频器控制的交流励磁，通过控制三相(或多相)对称励磁电流的大小和相位实现电机总电动势及输出电压的调节。

2.励磁绕组位于电励磁部分的内定子部分，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.电励磁部分外定子铁心和内定子铁心之间没有相对旋转关系，电励磁磁路不存在工作气隙和附加气隙，励磁绕组和电枢绕组之间的磁路耦合增强，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部分在磁路上彼此独立，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比，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为电励磁部分双定子的无刷混合励磁同步发电机轴向剖面示意图；

图2为电励磁部分双定子的无刷混合励磁同步发电机永磁部分截面示意图；

图3为电励磁部分双定子的无刷混合励磁同步发电机一种永磁转子截面图；

图4为电励磁部分双定子的无刷混合励磁同步发电机电励磁部分截面示意图；

图5为电励磁部分双定子的无刷混合励磁同步发电机电励磁内定子铁心冲片示意图；

图6为电励磁部分双定子的无刷混合励磁同步发电机电励磁外定子铁心冲片示意图。

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-电励磁内定子铁心，12-电励磁外定子铁心，13-机壳，14-O型密封垫圈，15-风扇，16-风扇罩，17-永磁同步发电机部分，18-电励磁发电机部分。

具体实施方式

由图1可知，本发明的电励磁部分双定子的无刷混合励磁同步发电机，其主要结构件包括端盖3、机壳13、由转轴1、永磁电机转子铁心4、永磁磁钢6、永磁电机定子铁心9和电枢绕组5构成的永磁同步发电机部分17、以及由电励磁内定子铁心11、电励磁外定子铁心12、励磁绕组10和电枢绕组5构成的电励磁发电机部分18，左边的永磁同步发电机17和右边的电励磁发电机部分18同轴并列布置，安装在同一个机壳13内。永磁电机定子铁心9和电励磁外定子铁心12具有相同的齿槽数，本实施例为36槽，如图4所示，只是铁心长度可以不一样，两部分定子共用一套三相电枢绕组5。

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固定在转子永磁电机转子铁心4上，如图2、3所示，转子铁心4为二十号钢加工而成。

在电励磁外定子铁心12内有一由硅钢片叠压而成的电励磁内定子铁心11，电励磁内定子铁心11和电励磁外定子铁心12之间没有附加气隙，具有相同的齿槽数。内定子铁心与电枢绕组5具有相同分布形式的三相电励磁绕组10，三相电励磁绕组10与电枢绕组5轴线重合。

在电励磁内定子铁心11外圆的三个齿上分别有一个圆形突起，如图5所示，同时在电励磁外定子铁心12的对应齿上有一个凹陷，如图6所示，实现电励磁内定子11圆周方向的固定。

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。为了便于永磁转子的装配，永磁发电机部分的气隙7可以设计的稍大一些，(当然对于小功率的发电机可以设计的稍小一些)。在发电机机壳13和两端端盖3的结合面处，用O型密封垫圈14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15及风扇罩16，风扇15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。

本发明的电励磁部分双定子的无刷混合励磁同步发电机的工作原理如下：三相(或多相)电励磁绕组中通入对称交流励磁电流时，在电励磁部分的空间上形成旋转励磁磁场，励磁磁场的大小与励磁电流有关，励磁电流越大，磁场越强；旋转励磁磁场的空间相位与励磁电流的相位有关。调节励磁电流大小和相位，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，从而在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部分感应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，即励磁电流为零，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在空间上同相位，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。