无电励磁转子的并列结构混合励磁同步发电机

摘要

本发明涉及一种无电励磁转子的并列结构混合励磁同步发电机。它由永磁电机(17)和电励磁部分(18)组成，同轴并列置于机壳(13)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(12)中还放置另外一套三相或多相励磁绕组(10)，电励磁定子(12)内圆有一导磁圆环(11)，为电励磁磁场和电枢磁场提供通路。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，特别是一种无电励磁转子的并列结构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电动势的大小和相位，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。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提出了一种无电励磁转子的并列结构混合励磁同步发电机。

本发明的无电励磁转子的并列结构混合励磁同步发电机，其主要结构件包括端盖、机壳、由转轴、永磁转子铁心、永磁磁钢、永磁部分定子铁心和电枢绕组构成的永磁电机部分、以及由电励磁部分内导磁圆环、电励磁定子铁心、电励磁绕组和电枢绕组构成的电励磁部分。该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，两部分在磁路上彼此独立，两部分共用一套定子电枢绕组，具有相同的绕组分布形式，通过电枢绕组将两部分在电路上联系起来；两部分的感应电动势在电枢绕组中进行叠加。

在电励磁部分定子铁心中除了上述电枢绕组外还嵌放另外一套交流励磁绕组，在电励磁部分定子铁心内圆上增加一导磁圆环作为内磁轭，为电励磁磁场和电枢磁场提供通路，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；另励磁电流直接加在励磁部分定子的励磁绕组上，电励磁采用无刷结构，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，便于嵌放励磁绕组。电励磁部分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嵌放另外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，如果是多相励磁绕组，则多相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。

在电励磁部分定子内圆上增加一导磁圆环，导磁圆环作为内磁轭为电励磁磁场和电枢磁场提供通路，为了减小电励磁部分旋转磁场在导磁环上产生涡流损耗，导磁环采用圆环形硅钢片叠压而成。导磁圆环和电励磁定子之间没有工作气隙和附加气隙。

本发明的无电励磁转子的并列结构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.电励磁部分没有转子，励磁绕组位于定子部分，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.电励磁部分定子内圈有一导磁环，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，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为无电励磁转子的并列结构混合励磁同步发电机轴向剖面示意图；

图2为无电励磁转子的并列结构混合励磁同步发电机电励磁部分截面示意图；

图3为无电励磁转子的并列结构混合励磁同步发电机永磁转子截面示意图。

图4为无电励磁转子的并列结构混合励磁同步发电机空载时的时空相矢量图。

图5为无电励磁转子的并列结构混合励磁同步发电机轻负载时的时空相矢量图。

图6为无电励磁转子的并列结构混合励磁同步发电机中度负载时的时空相矢量图。

图7为无电励磁转子的并列结构混合励磁同步发电机重负载时的时空相矢量图。

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-非导磁不锈钢螺钉，9-永磁电机定子铁心，10-电励磁绕组，11-电励磁部分内导磁圆环，12-电励磁部分定子铁心，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-电励磁部分，-永磁励磁磁动势基波矢量，-A相电枢电枢绕组中永磁励磁电动势向量，-电励磁绕组A相电流向量，-电励磁电流合成旋转磁动势矢量，-A相电枢绕组中电励磁电动势向量，-A相电枢绕组中合成电动势向量，-发电机A相输出电压向量，-A相电枢绕组电流向量，X_c-发电机同步电抗。

具体实施方式

由图1可知，本发明的无电励磁转子的并列结构混合励磁同步发电机由左边的永磁同步发电机部分17和右边的电励磁部分18组成，同轴并列装在同一个机壳13内。永磁部分定子铁心9和电励磁部分定子铁心12均由硅钢片叠压而成，具有同样的齿槽数，本实施例为36槽，电励磁部分定子齿槽比永磁部分的深，两部分定子共用一套三相电枢绕组5。在电励磁定子铁心12中还嵌放有另外一套对称三相电励磁绕组10。

如图2所示，在电励磁部分定子12内圆增加一导磁圆环11，导磁圆环11作为内磁轭为电励磁磁场和电枢电流磁场提供通路，为了减小电励磁部分旋转磁场在导磁圆环11上产生涡流损耗，导磁圆环11采用圆环形硅钢片叠压而成。导磁圆环11和电励磁定子铁心12之间没有附加气隙和工作气隙。发电机转轴1和导磁圆环11圆环之间有足够大的缝隙，便于装配。

如图3所示，永磁转子采用表面磁钢结构，永磁磁钢6采用非导磁不锈钢螺钉8固定在转子铁心4上，转子铁心4为二十号钢加工而成。

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设计了风扇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。

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。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。

如图4所示，当发电机空载运行时，输出电压(即空载电压)通常高于额定电压，此时在电励磁绕组中通入三相交流励磁电流，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，由于永磁部分电动势和电励磁电动势在电枢绕组中相叠加，即于是总的输出电压降低到额定电压附近，此时的励磁电流相当于起去磁作用。

当发电机带上较轻负载运行时，如果忽略发电机的电阻，则有如果励磁电流和空载时一样不调整，则输出电压低于额定电压，因此此时需要降低励磁电流大小，使励磁部分的感应电动势变小，使电枢绕组中的合成电动势适当增大，从而使输出电压继续维持在额定电压附近，时空相矢量图如图5所示，此时的励磁电流依然相当于起去磁作用。

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同步电抗压降相平衡，此时不需要提供电励磁电流，如图6所示。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，另外发电机温升也会使永磁感应电动势降低，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，使电励磁电流合成的磁场和永磁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的平行线上，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在时间上同相位，电枢绕组中的合成电动数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，时空矢量图如图7所示。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。