專(zhuān)利名稱(chēng)：徑向結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種混合勵(lì)磁同步電機(jī)。
二、技術(shù)背景永磁同步電機(jī)以永磁體勵(lì)磁，消除了電勵(lì)磁同步電機(jī)的勵(lì)磁損耗，并消除了機(jī)械接觸裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠和功率密度大、效率高的顯著優(yōu)點(diǎn)。但是，永磁電機(jī)固有的永磁磁場(chǎng)調(diào)節(jié)困難已經(jīng)成為它在發(fā)電機(jī)和調(diào)速電動(dòng)機(jī)方面應(yīng)用和推廣的瓶頸?；旌蟿?lì)磁同步電機(jī)中既有永磁體又有勵(lì)磁繞組，兩個(gè)磁勢(shì)源同時(shí)存在，綜合了電勵(lì)磁同步電機(jī)調(diào)磁方便和永磁同步電機(jī)效率高、轉(zhuǎn)矩/質(zhì)量比大等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)調(diào)節(jié)難的缺陷，在許多工業(yè)領(lǐng)域和航空航天、艦船等軍事領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
莫斯科航空學(xué)院B.A.Балагуров教授在1988年提出并聯(lián)磁勢(shì)混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)。定子和普通同步電機(jī)相同，轉(zhuǎn)子分為兩部分，一部分為永磁勵(lì)磁，另一部分為電勵(lì)磁。該電機(jī)的電勵(lì)磁部分為爪極結(jié)構(gòu)，附加氣隙多，軸向磁路，漏磁大，電勵(lì)磁功能受制約。
上世紀(jì)90年代，日本T.Mizuno博士提出了轉(zhuǎn)子分割型混合勵(lì)磁同步電機(jī)。該電機(jī)的定子電樞繞組為通常的三相對(duì)稱(chēng)繞組，定子鐵心被定子環(huán)形直流勵(lì)磁繞組分成兩段，這兩段鐵心由其外的背軛(用于軸向?qū)Т诺臋C(jī)殼)在機(jī)械上和磁上連接；轉(zhuǎn)子也分成兩部分N極端和S極端，每極端由同極性永磁極和鐵心形成的中間極交錯(cuò)排列，且兩端的N、S永磁極及中間極也交錯(cuò)排列。轉(zhuǎn)子鐵心及轉(zhuǎn)軸間有一實(shí)心導(dǎo)磁套簡(jiǎn)(轉(zhuǎn)子背軛)，用于轉(zhuǎn)子的軸向?qū)Т?，存在軸向/徑向磁路，電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化受約束，且勵(lì)磁安匝較大。
美國(guó)威斯康星-麥迪遜大學(xué)的Lipo教授等提出了一種軸向磁場(chǎng)轉(zhuǎn)子分割型混合勵(lì)磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)。它由二個(gè)開(kāi)槽的環(huán)形定子鐵芯(其中嵌有多相電樞繞組)、二個(gè)盤(pán)式轉(zhuǎn)子、一個(gè)直流勵(lì)磁繞組構(gòu)成。在轉(zhuǎn)子表面交錯(cuò)排列著永磁極和鐵芯形成的中間極。這種電機(jī)由于采用了中間極，加上定、轉(zhuǎn)子鐵芯均被分為兩段，附加氣隙多，所需勵(lì)磁安匝大。
香港大學(xué)陳清泉、上海工業(yè)大學(xué)江建中教授等提出了一種爪極式混合勵(lì)磁同步電機(jī)。該電機(jī)的外定子與普通電機(jī)的定子類(lèi)似，槽中嵌有多相對(duì)稱(chēng)繞組，轉(zhuǎn)子采用爪極結(jié)構(gòu)，在相鄰的兩個(gè)爪極之間放置永磁體。由于直流勵(lì)磁繞組置于由爪極的內(nèi)、外單元所形成的區(qū)域內(nèi)，空間利用率高，結(jié)構(gòu)緊湊。但由于存在軸向磁路，電勵(lì)磁效率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電勵(lì)磁效率高的具有永磁體磁分路的徑向結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī)。
本發(fā)明的徑向結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī)的構(gòu)成是在徑向結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)的基礎(chǔ)上，分別在轉(zhuǎn)子鐵心外表面上的每極永磁體外側(cè)再緊貼放置瓦片形導(dǎo)磁體，將對(duì)應(yīng)于N極和S極的瓦片形導(dǎo)磁體沿軸向向同一方向延伸。兩極導(dǎo)磁體延伸部分之間有固定環(huán)形導(dǎo)磁橋，勵(lì)磁控制繞組嵌繞于環(huán)形磁橋內(nèi)。定子上的電樞繞組和普通永磁同步電機(jī)的電樞繞組結(jié)構(gòu)相同。
本徑向結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī)如下，在機(jī)殼內(nèi)裝有由電樞鐵心和電樞繞組組成的定子和裝有轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)子鐵心以及徑向式瓦片N極永磁體和S極永磁體組成的置于定子內(nèi)的轉(zhuǎn)子所構(gòu)成的徑向結(jié)構(gòu)同步電機(jī)，其特點(diǎn)是在轉(zhuǎn)子的N極永磁體外側(cè)緊貼有瓦片形N極附加導(dǎo)磁體，S極永磁體外側(cè)緊貼有瓦片形S極附加導(dǎo)磁體，N極附加導(dǎo)磁體和S極附加導(dǎo)磁體沿軸向向同一方向延伸，N極(或S極)附加導(dǎo)磁體呈喇叭狀擴(kuò)展，集合成內(nèi)徑較大的空心圓柱形N極(或S極)環(huán)形導(dǎo)磁體；S極或N極導(dǎo)磁體呈瓶頸狀收縮，集合成外徑較小的空心圓柱形S極(或N極)環(huán)形導(dǎo)磁體。兩極導(dǎo)磁體延伸端的空心圓柱形導(dǎo)磁體之間放置有嵌繞勵(lì)磁繞組的環(huán)形導(dǎo)磁橋。
本徑向結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī)具有如下特點(diǎn)①克服了永磁同步電機(jī)氣隙磁密難以調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)，可以通過(guò)勵(lì)磁電流方便地調(diào)節(jié)氣隙磁密。
②可以通過(guò)調(diào)整電勵(lì)磁與永磁部分轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度以及主氣隙與附加氣隙長(zhǎng)度的比例來(lái)控制氣隙磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)范圍。
③勵(lì)磁線(xiàn)圈中沒(méi)有勵(lì)磁電流時(shí)，電機(jī)與普通徑向結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)相比處于弱磁狀態(tài)，氣隙磁密小。隨著勵(lì)磁電流增大，氣隙磁密相應(yīng)增大。
④氣隙磁通并非勵(lì)磁電流磁場(chǎng)建立，而主要是由徑向充磁永磁體生成，避免了勵(lì)磁電流建立氣隙磁場(chǎng)需要?jiǎng)?lì)磁安匝大的缺點(diǎn)，較小的勵(lì)磁安匝就能獲得氣隙磁場(chǎng)的寬范圍調(diào)整。
⑤與轉(zhuǎn)子分割型混合勵(lì)磁同步電機(jī)相比，電機(jī)的軸向磁路顯著縮短，電機(jī)的體積、尺寸小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
⑥本混合勵(lì)磁同步電機(jī)用作無(wú)刷交流發(fā)電機(jī)時(shí)，與三級(jí)式旋轉(zhuǎn)整流器式無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)相比，省去了勵(lì)磁機(jī)及旋轉(zhuǎn)整流器，從而簡(jiǎn)化電機(jī)結(jié)構(gòu)，提高了工作可靠性。
⑦電機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可以工作于恒轉(zhuǎn)矩和恒功率兩個(gè)區(qū)域，恒功率區(qū)的范圍寬且可控。
四

圖1是2對(duì)極徑向結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1中電機(jī)轉(zhuǎn)子部分A-A截面圖。
圖3是轉(zhuǎn)子的附加導(dǎo)磁體及其延伸部分結(jié)構(gòu)圖。
上述圖中標(biāo)號(hào)名稱(chēng)1、機(jī)殼；2、電樞鐵心；3、電樞繞組；4、N極永磁體；5、N極附加導(dǎo)磁體及其延伸部分；6、S極永磁體；7、S極附加導(dǎo)磁體及其延伸部分；8、環(huán)形磁橋；9、勵(lì)磁繞組；10、轉(zhuǎn)子鐵心；11、轉(zhuǎn)軸。
圖4是徑向結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī)等效磁路原理圖。
圖4中符號(hào)名稱(chēng)RδN-N極相對(duì)的氣隙磁阻；RδS-S極相對(duì)的氣隙磁阻；RA-電樞齒部和軛部磁阻；RPMN-N極永磁體磁阻；RPMS-S極永磁體磁阻；Rδ11-N極延伸導(dǎo)磁體與環(huán)形磁橋間附加氣隙磁阻；Rδ12-環(huán)形磁橋與S極延伸導(dǎo)磁體間附加氣隙磁阻；RFE-環(huán)形磁橋磁阻；UN-N極永磁體磁勢(shì)；US-S極永磁體磁勢(shì)。
五具體實(shí)施例方式
由圖1、圖2和圖3可知，本發(fā)明的徑向結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī)的組成是，由徑向結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)以及與其轉(zhuǎn)子表面永磁體緊密相連的導(dǎo)磁體和一側(cè)的電勵(lì)磁部分組成。即在由電樞繞組3、電樞鐵心2組成的定子和裝有轉(zhuǎn)軸11且由轉(zhuǎn)子鐵心10與表面式N極和S極永磁體4與6組成的轉(zhuǎn)子所構(gòu)成的徑向結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)的基礎(chǔ)上，在轉(zhuǎn)子每一極表面式永磁體的外側(cè)都緊貼一瓦片形附加導(dǎo)磁體5與7，對(duì)應(yīng)于N極永磁體的附加導(dǎo)磁體和對(duì)應(yīng)于S極永磁體的附加導(dǎo)磁體沿軸向向同一方向延伸。如圖1和圖3所示，N極(或S極)附加導(dǎo)磁體呈喇叭狀擴(kuò)展，集合成內(nèi)徑較大的空心圓柱形N極(或S極)導(dǎo)磁環(huán)；相應(yīng)地S極(或N極)附加導(dǎo)磁體呈瓶頸狀收縮，集合成外徑較小的空心圓柱形S極(或N極)導(dǎo)磁環(huán)。附加導(dǎo)磁體上可以設(shè)置隔磁槽，以降低交軸電樞反應(yīng)電抗。兩極導(dǎo)磁體延伸端的圓柱形導(dǎo)磁體之間放置有可以嵌繞勵(lì)磁繞組9的環(huán)形導(dǎo)磁橋8。上述結(jié)構(gòu)均裝于機(jī)殼1內(nèi)，機(jī)殼為普通的金屬結(jié)構(gòu)件。
徑向結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī)的工作原理a.本發(fā)明的徑向結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī)由于環(huán)形磁橋、附加導(dǎo)磁體以及附加氣隙的磁分路作用，永磁體磁場(chǎng)同時(shí)提供徑向磁通和軸向磁通。徑向磁通路徑為N極磁體→主氣隙→定子齒部及軛部→主氣隙→S極磁體→轉(zhuǎn)子鐵心→N極磁體；軸向磁通路徑為N極磁體→N極附加導(dǎo)磁體及其延伸部分→附加氣隙→環(huán)形磁橋→附加氣隙→S極附加導(dǎo)磁體及其延伸部分→S極磁體→轉(zhuǎn)子鐵心→N極磁體。
環(huán)形磁橋內(nèi)的勵(lì)磁繞組沒(méi)有勵(lì)磁電流時(shí)，由于附加氣隙相對(duì)于主氣隙較小，永磁體磁場(chǎng)主要提供軸向磁通，電機(jī)處于弱磁狀態(tài)。
勵(lì)磁繞組通入某一方向勵(lì)磁電流時(shí)，勵(lì)磁磁場(chǎng)可以阻礙永磁體產(chǎn)生的軸向磁通，從而增大主氣隙磁通；勵(lì)磁繞組通入反方向電流時(shí)，可以進(jìn)一步弱磁，直至氣隙磁通為零。
b.徑向結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī)既可以作為發(fā)電機(jī)，也可以作為電動(dòng)機(jī)?？梢愿鶕?jù)圖4所示的等效磁路來(lái)分析該電機(jī)的工作原理。
將N極相對(duì)的氣隙磁阻標(biāo)記為RδN；將S極相對(duì)的氣隙磁阻標(biāo)記為RδS；將與主氣隙串聯(lián)的電樞齒部及軛等磁阻標(biāo)記為RA；將N極永磁體的磁阻標(biāo)記為RPMN，將S極永磁體的磁阻標(biāo)記為RPMS；N極永磁體提供的磁勢(shì)為UN，S極永磁體提供的磁勢(shì)為US；延伸導(dǎo)磁體1與環(huán)形磁橋間附加氣隙的磁阻標(biāo)記為Rδ11，環(huán)形磁橋與延伸導(dǎo)磁體2間附加氣隙的磁阻標(biāo)記為Rδ12；環(huán)形磁橋的磁阻標(biāo)記為RFE。
一般情況下，RδN＝RδS＝Rδ；RPMN＝RPMS＝RPM。
勵(lì)磁繞組無(wú)勵(lì)磁電流時(shí)，勵(lì)磁磁勢(shì)不存在。從等效磁路可以推導(dǎo)出氣隙主磁通為ΦS=Rδ11+RFE+Rδ12(2Rδ+RA)(Rδ11+RFE+Rδ12)+2RPM(2Rδ+RA+Rδ11+RFE+Rδ12)×(UN+US)]]>=1(2Rδ+RA)+2RPM+2RPM(2Rδ+RA)Rδ11+RFE+Rδ12×(UN+US)]]>由電磁學(xué)知識(shí)，相對(duì)于氣隙磁阻，RA和RFE較小，另外Rδ12＜Rδ11＜＜Rδ＜＜RPM，所以2Rpm(2Rδ+RA)Rδ11+RFE+Rδ12>>1]]>可見(jiàn)，無(wú)勵(lì)磁電流時(shí)，由于磁分路的作用，主氣隙磁通Φs較小，電機(jī)處于弱磁狀態(tài)。
勵(lì)磁繞組中通入勵(lì)磁電流時(shí)，下面推導(dǎo)完全抵消磁分路中的永磁磁勢(shì)所需的勵(lì)磁磁勢(shì)值。
勵(lì)磁磁勢(shì)完全抵消磁分路中的永磁磁勢(shì)，則永磁磁通全部通過(guò)主氣隙。
ΦS=UN+US2RPM+2Rδ+RA]]>所以，所需的勵(lì)磁磁勢(shì)為UF=2Rδ+RA2RPM+2Rδ+RA×(UN+US)]]>可見(jiàn)，勵(lì)磁電流作用時(shí)，較小的勵(lì)磁磁勢(shì)就能抵消磁分路作用，控制主氣隙磁通增加。也就是說(shuō)，較小的勵(lì)磁磁勢(shì)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)主氣隙磁通的寬范圍調(diào)整。
適當(dāng)設(shè)計(jì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，可以使得RPM，Rδ和RFE有合理的數(shù)值，從而改變?nèi)醮艩顟B(tài)下氣隙磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，改變勵(lì)磁電流將可以有效地控制氣隙磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。
徑向結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，
①克服了普通永磁電機(jī)氣隙磁密難以調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)，可以通過(guò)勵(lì)磁電流方便地調(diào)節(jié)氣隙磁密。
②氣隙磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)范圍可以通過(guò)調(diào)整電勵(lì)磁與永磁部分轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度以及主氣隙和附加氣隙長(zhǎng)度的比例來(lái)控制，易于滿(mǎn)足不同性能的電機(jī)設(shè)計(jì)要求。
③當(dāng)不加勵(lì)磁時(shí)，主磁極下的磁場(chǎng)處于弱磁狀態(tài)，減小永磁體被退磁的可能性。勵(lì)磁電流作用時(shí)，阻礙了附加氣隙的磁通，使主氣隙的磁通增加，起到增磁的效果。調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)時(shí)所需的勵(lì)磁安匝比起普通電勵(lì)磁同步電機(jī)要小得多，降低了勵(lì)磁損耗，更加節(jié)能。
④由于環(huán)形磁橋及電勵(lì)磁部分設(shè)置與永磁部分的一側(cè)，使得電機(jī)的軸向磁路比轉(zhuǎn)子分割型混合勵(lì)磁同步電機(jī)縮短，可以減小電機(jī)的體積、尺寸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
⑤既可以作發(fā)電機(jī)也可以作電動(dòng)機(jī)用。作為發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁可調(diào)，且相比電勵(lì)磁無(wú)刷交流電機(jī)省去了勵(lì)磁機(jī)及旋轉(zhuǎn)整流器，大大簡(jiǎn)化電機(jī)結(jié)構(gòu)；作為電動(dòng)機(jī)，可以工作于恒功率和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，恒功率范圍寬且可控。
權(quán)利要求
1.一種徑向結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī)，包括在機(jī)殼(1)內(nèi)裝有由電樞鐵心(2)和電樞繞組(3)組成的定子和裝有轉(zhuǎn)軸(11)的轉(zhuǎn)子鐵心(10)、以及徑向磁化N極永磁體(4)和S極永磁體(6)組成的置于定子內(nèi)的轉(zhuǎn)子所構(gòu)成的徑向結(jié)構(gòu)同步電機(jī)，其特征在于還包括在轉(zhuǎn)子的N極永磁體(4)的外側(cè)沿軸向方向緊貼N極附加導(dǎo)磁體及其延伸部分(5)，在S極永磁體(6)的外側(cè)沿軸向方向緊貼S極附加導(dǎo)磁體及其延伸部分(7)，兩極附加導(dǎo)磁體的延伸方向相同，在N極附加導(dǎo)磁體延伸端與S極附加導(dǎo)磁體延伸端之間的空心圓柱形導(dǎo)磁體空間設(shè)置嵌繞勵(lì)磁繞組(9)的環(huán)形勵(lì)磁磁橋(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的徑向結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī)，其特征在于，N極或S極附加導(dǎo)磁體延伸端呈喇叭狀擴(kuò)展，集合成內(nèi)徑較大的空心圓柱形N極或S極環(huán)形導(dǎo)磁體，相應(yīng)地S極或N極附加導(dǎo)磁體延伸端呈瓶頸狀收縮，集合成外徑比前者較小的空心圓柱形S極或N極環(huán)形導(dǎo)磁體。
全文摘要
涉及一種徑向結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī)，其構(gòu)成是裝于機(jī)殼1內(nèi)的由電樞鐵心2、電樞繞組3組成的定子和由轉(zhuǎn)軸11、轉(zhuǎn)子鐵心10、N極永磁體4和S極永磁體6組成的轉(zhuǎn)子所構(gòu)成的徑向結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)的基礎(chǔ)上，在轉(zhuǎn)子的N極永磁體及S極永磁體上分別粘結(jié)附加導(dǎo)磁體5和7，并將N極附加導(dǎo)磁體與S極附加導(dǎo)磁體向同一方向延伸。對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子的延伸部分，設(shè)置有勵(lì)磁繞組9及環(huán)形勵(lì)磁磁橋8。與現(xiàn)有技術(shù)相比，氣隙磁通主要由永磁體提供，電勵(lì)磁磁場(chǎng)主要起控制作用，電機(jī)軸向磁路短，附加氣隙小，漏磁小，電勵(lì)磁效率高，兼具永磁電機(jī)的高效率和電勵(lì)磁電機(jī)的勵(lì)磁可控的優(yōu)點(diǎn)。既可作發(fā)電機(jī)又可作電動(dòng)機(jī)用，在航空航天、車(chē)輛及機(jī)械工業(yè)上有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H02K21/00GK1767316SQ20051009452
公開(kāi)日2006年5月3日 申請(qǐng)日期2005年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月26日
發(fā)明者張卓然, 嚴(yán)仰光, 孟小利, 陳志輝, 趙朝會(huì), 王慧貞 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)