專利名稱：混合勵磁雙凸極永磁同步電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的混合勵磁雙凸極永磁同步電機屬電機類的交/直流電機。
背景技術：
電勵磁同步電機由于可以方便地調節(jié)直流勵磁，且調節(jié)磁場的直流勵磁容量較小，所以在磁場調節(jié)方面具有永磁電機達不到的優(yōu)勢。而永磁(Permanent Magnet，PM)電機由于取消了電刷、滑環(huán)裝置也具有一系列獨特的優(yōu)點，如效率高、結構簡單、體積小等，但PM電機的氣隙磁場是由磁鋼和磁路磁導決定的，在運行中幾乎保持恒定，調節(jié)困難，這在很大程度上限制了PM電機的發(fā)展和應用。
混合勵磁電機(HEM，Hybrid Excitation Machine)存在2個磁勢源。電機氣隙磁場的主要部分由永磁磁鐵建立，而電壓調節(jié)所需的磁場變化部分靠輔助的電勵磁繞組來實現。與PM電機比較，它具有調整氣隙磁密的能力。因此，它綜合了永磁電機和電勵磁電機的優(yōu)點，同時又克服了兩者各自的缺陷。
HEM電機大約有7種拓撲，可分為混合勵磁同步電機(HybridExcitation Synchronous Machine，HESM)和混合勵磁雙凸極電機(Hybrid Excitation Doubly Salient Machine，HEDSM)1混合勵磁同步電機HESM是在永磁同步電機的基礎上附加電勵磁繞組構成的，有6種結構1.1爪極電勵磁永磁同步電機爪極電勵磁永磁同步電機(Permanent Magnet SynchronousMachine With Claw Pole Field Excitation，PSCPF)拓撲是在永磁同步電機的基礎上加上爪極結構的電勵磁部分而構成的，如圖1所示。它的轉子部分與徑向磁化結構稀土永磁轉子類似，稀土永磁體外裝有由導磁體極靴和非導磁體間隔焊成的緊圈，它是爪極轉子的一部分，爪極部分的電勵磁繞組及其導磁支架固定不動，由于電勵磁磁路存在非工作氣隙δ1和δ2，從而實現了無刷勵磁。
工作時，勵磁繞組產生的磁通經導磁支架的內圓筒(軸向)→導磁支架底部(徑向)→導磁支架外圓筒(軸向)→非工作氣隙δ1(徑向)→水平磁極(軸向)→氣隙δ(徑向)→定子鐵心(徑向)→氣隙δ(徑向)→爪極磁極N極(徑向)→導磁軸套(軸向)→非工作氣隙δ2(徑向)→導磁支架內圓筒形成磁路。永磁體產生的磁通經爪極磁極N極→氣隙δ(徑向)→定子鐵心→氣隙δ(徑向)→爪極水平磁極→永磁體→轉子鐵心→永磁體S極。勵磁繞組產生的磁勢增強或減弱氣隙磁通。在這種結構中，兩種磁勢是并聯關系，勵磁繞組放置在定子上，省去了滑環(huán)、電刷。但它的電勵磁部分為爪極結構，附加氣隙多，磁路長漏磁大，永磁磁路和電勵磁磁路耦合較強。電勵磁的磁通路徑中既存在軸向磁路，又存在徑向磁路，因此在這種結構中，電機不宜細長。PSCPF電機主要被用作發(fā)電機使用。
磁路獨立轉子混合勵磁電機，減少了永磁和電勵磁間的耦合，結構上同圖1的基本相同，但在永磁和電勵磁之間加入了隔磁環(huán)，使得電勵磁部分和永磁部分各自獨立。
1.2順極式混合勵磁同步電機順極式混合勵磁同步電機(Consequent Pole Permanent MagnetHybrid Excitation Machine，CPPM)是英國學者Spooner提出的一種電機，日本、美國學者隨后對這種新的結構(圖2)進行了研究。定子電樞繞組為三相對稱繞組，定子被環(huán)形直流勵磁繞組分成兩部分，定子兩段鐵心由其外的背軛在機械和電磁上相連接；轉子分成N極端和S極端兩部分，每極端由同極性永磁體極和鐵心極交錯排列，且兩端的N、S永磁體極和鐵心極也相互錯開。轉子鐵心和轉軸間為導磁性能好的轉子背軛，用于轉子的軸向導磁。
徑向/軸向磁場CPPM電機中，永磁體產生的磁通路徑為N極磁體(徑向)→氣隙(徑向)→定子鐵心(徑向)→定子背軛(軸向)→定子鐵心(徑向)→氣隙(徑向)→S極磁體(徑向)→轉子鐵心(徑向)→轉子背軛(軸向)→轉子鐵心(徑向)→N極磁體(徑向)；當勵磁繞組通電流時，勵磁電流所產生的電勵磁磁通路徑為定子鐵心(徑向)→定子背軛(軸向)→定子鐵心(徑向)→氣隙(徑向)→轉子鐵心極(徑向)→轉子鐵心(徑向)→轉子背軛(軸向)→轉子鐵心(徑向)→轉子鐵心極(徑向)→氣隙(徑向)→定子鐵心(徑向)→定子背軛。這兩個磁勢源的磁路可以認為是相對獨立的，兩者并聯提供工作磁通，共同作用形成電機的主磁場。
這種結構的電機為徑向/軸向混合結構磁路，兩種磁勢屬于并聯關系，附加氣隙多，磁路磁阻較大，故適宜為短而粗的結構。它既可用作發(fā)電機，也可用作電動機。
2002年，美國學者Lipo針對軸向磁通環(huán)形繞組永磁電機(AxialFlux Toroidally-wound PM Machine，AFTPM)電機的弱磁運行問題提出了CPPM電機的一種新的方案，如圖3示。
該電機由二個環(huán)形定子鐵心(其中嵌有多相電樞繞組)、二個盤式轉子和一個直流勵磁繞組構成。直流勵磁繞組放置在內外環(huán)形定子之間。兩個盤式轉子表面被分成內圈和外圈，上面交錯排列著永磁極和鐵心形成的中間極。永磁極被軸向安裝在兩片轉子的內表面，永磁極的N極如果被放在轉子的內圈，那么S極就被放在轉子的外圈。通過調節(jié)勵磁繞組的電流，氣隙中的磁場就可以發(fā)生改變。
該電機的兩種磁勢是并聯關系，磁路為軸向磁路，電機不宜細長。它既可用作發(fā)電機，也可用作電動機。
1.3混合勵磁爪極電機混合勵磁爪極電機(Claw Pole WithHybrid Excitation Machine，HECP)主要有定子、轉子爪極、轉子磁軛、永磁體和勵磁繞組組成。其中定子含內、外兩部分，外定子與普通電機的定子類似，槽中嵌有多相對稱繞組，內定子上放有環(huán)形直流勵磁繞組。在相鄰的兩個爪極之間放置永磁體，如圖4所示。
勵磁繞組是一個環(huán)形線圈，通電后所產生軸向磁通經轉子磁軛到達爪極，然后流經氣隙、定子鐵心、氣隙和爪極，回到轉子磁軛，如此形成一個回路，在爪極表面上形成N，S間隔的極性。
爪極式混合勵磁電機中存在軸向和徑向磁通，但以徑向磁通為主，結構上適宜短粗，不宜細長。
勵磁電流所產生的磁通與永磁磁通在磁路上呈并聯關系，氣隙磁場為兩者之和。通過控制勵磁繞組中電流的大小和方向，可靈活地調節(jié)氣隙磁場。爪極結構因為極數可做得多，所以適合于容量小、轉速低的電機。其缺點是有軸向磁路、漏磁大。它主要作為發(fā)電機使用。
1.4組合轉子混合勵磁電機組合轉子混合勵磁電機(Combination Rotor Hybrid ExcitationMachine，HECR)是英國學者Chalmers等在1998年提出的組合轉子混合勵磁電機，如圖5所示。電機采用普通交流電機定子，轉子則由ALA(Axially-Laminated Anisotropic)轉子和表貼式永磁轉子兩部分組合構成。
在這種結構中，永磁通和電勵磁磁通各自具有不同的物理磁路——永磁通只在永磁段的磁路中流通(徑向)，電勵磁磁通只在磁阻段中流通(徑向)，“弱磁”表現為一種合成的效果，在定子鐵心的硅鋼片中，并不存在真正的磁場削弱。因此，在低速運行時，磁阻部分基本上不產生轉矩，從而導致了較低的電機轉矩密度，而高速“弱磁”運行時，永磁段的磁通基本不變，磁阻段的磁通則隨“弱磁”程度的增大而增大，從而導致鐵磁損耗隨速度增大，永磁體直接暴露在電樞之下，也容易使其產生不可恢復的去磁。
組合轉子混合勵磁電機轉子的兩個部分之間用空氣隙隔開，相當于隔磁環(huán)，使得兩部分磁路彼此獨立，每一部分的磁路均為徑向的。兩部分磁勢并聯，長度視電機要求適當選取。它既可用作發(fā)電機，也可用作電動機。
1.5同步/永磁混合勵磁電機同步/永磁混合勵磁電機(Synchronous/permanent Magnet HybridMachine，SynPM)電機是美國學者Lipo 2000年提出的，如圖6所示。它的轉子上既有永磁極(4極)又有勵磁極(2極)，定子仍為傳統(tǒng)的多相電機的定子結構。通過調節(jié)勵磁電流，SynPM電機不僅氣隙磁場發(fā)生變化，而且極數也可以從6極變?yōu)?極。
在這種結構中，兩種磁勢為并聯關系，永磁體產生的磁通有兩條路徑，一是通過與它相鄰的永磁體，另一條是通過與它相鄰的電勵磁磁極。而電勵磁產生的磁通主要在兩個勵磁繞組之間流通。但不管是永磁體還是勵磁繞組，兩者產生的磁場均為徑向磁場。由于勵磁繞組在轉子上，故電機中有電刷和滑環(huán)。它既可用作發(fā)電機，也可用作電動機。
1.6環(huán)形定子橫向磁通電機環(huán)形定子橫向磁通電機(Toroidal-Stator Transverse-Fluxmachine，TSTF)是英國學者1989年提出的一種HESM拓撲，結構如圖7所示。
在這種結構中，永磁體和勵磁繞組產生的均為軸向磁場，兩種磁勢屬于并聯關系。勵磁繞組在定子上，省去了滑環(huán)和電刷。結構上宜短粗。它既可用作發(fā)電機，也可用作電動機。
2混合勵磁雙凸極電機雙凸極永磁電機(Doubly Salient Permanent Magnet Motor，簡稱DSPM)和雙凸極電勵磁電機(Doubly Salient Excitation Motor，簡稱DSEM)是隨著功率電子學和微電子學的發(fā)展出現的新型交流調速系統(tǒng)。它的定、轉子均為凸極齒槽結構，定子上裝有集中繞組，轉子無繞組。雙凸極電機的轉子結構簡單、堅固。
但在高速運行時，它將產生過高的永磁感應電勢，因此為了維持恒定的功率輸出，應設法減少氣隙中的磁場。
1995年，美國學者Lipo在DSPM電機內加入了勵磁繞組，提出了混合勵磁雙凸極電機(Hybrid Excitation Doubly Salient Machine，HEDSM)，如圖8所示。它的PM和直流勵磁控制繞組在定子上，轉子是一個簡單的疊片形狀，直流線圈產生的磁通與永磁磁通有相同的路徑，兩個磁勢源為串聯磁勢方式，因此控制直流電流的大小和方向可以產生增磁或弱磁效應。它保留了雙凸極永磁電機的全部優(yōu)點，具有結構簡單、繞組端部短、用銅省、電阻小等特點。由于勵磁繞組安裝在定子上，所以不需要滑環(huán)、電刷裝置，提高了可靠性。HEDSM既可用作發(fā)電機，也可用作電動機。
2004年出現了一種新的混合勵磁電機，如圖9所示，它把DSPM和DSEM組合在一起，兩個電機共用一個機殼和轉軸，左右放置，中間用氣隙隔開，形成了一種新的混合勵磁雙凸極電機。在這種電機中，勵磁繞組安裝在定子上，省去了滑環(huán)和電刷；兩種磁勢源屬并聯磁勢關系，減小了永磁體的去磁的可能性。但這種電機只能作為直流電機，而不能用于交流，專利申請?zhí)?200310106346.1)。
綜上所述，混合勵磁電機有2種第一種是混合勵磁同步電機；第二種是混合勵磁雙凸極電機，它只能用于直流電。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提出一種交/直流共用且結構簡單功率密度大的混合勵磁電機。
本發(fā)明的混合勵磁雙凸極永磁同步電機，由電磁式雙凸極電機和永磁式同步電機組合而成，電磁式雙凸極電機在左(或右)側，永磁同步電機在右(或左)側，共用殼體和轉軸，兩電機的電樞和轉子互相獨立，中間用氣隙隔開。兩部分的長度可以相等，也可以不等。
電勵磁雙凸極電機部分的定子與轉子均由硅鋼片疊壓而成，定子齒均勻分布，定子齒頂寬等于槽口寬，定子齒上套裝集中電樞繞組和勵磁繞組，每相電樞繞組既可以串聯，也可以并聯；轉子齒頂寬可等于或稍大于定子齒寬。轉子上無繞組。
永磁同步電機定子鐵心由硅鋼片疊壓而成，定子齒上套裝電樞繞組，電樞繞組可以是集中繞組，也可以是分布繞組，每相電樞繞組既可以串聯，也可以并聯；轉子可用切向、徑向或Halbach陣列磁鋼等結構。
本發(fā)明的混合勵磁雙凸極永磁同步電機，電樞繞組由電勵磁雙凸極電機的電樞繞組和永磁同步電機的電樞繞組串聯構成。
本發(fā)明的混合勵磁雙凸極永磁同步電機，可以是三相電機，也可以是多相電機；可以是直流電機，也可以是交流電機。
本發(fā)明的混合勵磁雙凸極永磁同步電機，永磁同步電機的極對數和電勵磁雙凸極的轉子齒數相同。調節(jié)電勵磁雙凸極電機勵磁電流的大小和方向即可改變電樞磁場的大小和方向，電機的相電勢即可得到調節(jié)。改變電勵磁雙凸極電機和永磁同步電機在軸向方向的長度比例，電機電勢的幅值相應地會發(fā)生變化。
本發(fā)明的混合勵磁雙凸極永磁同步電機同現有混合勵磁雙凸極電機的顯著區(qū)別在于它不僅可作為交流電機，而且也可作為直流電機。


圖1是爪極電勵磁永磁同步電機示意圖。
圖2是徑向/軸向CPPM電機示意圖。
圖3是軸向磁場的CPPM電機示意圖。
圖4是轉子爪極與磁鋼的示意圖。
圖5是組合轉子混合勵磁電機示意圖。
圖6是SynPM電機示意圖。
圖7是環(huán)形定子橫向磁通電機示意圖。
圖8、9是混合勵磁雙凸極電機示意圖。
圖10是混合勵磁雙凸極永磁同步電機截面結構示意圖。
圖11是三相混合勵磁雙凸極永磁同步電機的側剖面結構示意圖。
圖12是電樞繞組聯接方式示意圖。
圖10～11中的標號及符號說明1為電勵磁雙凸極電機的定子，2為電勵磁雙凸極電機的勵磁繞組，3為永磁同步電機的定子，4為電勵磁電機的電樞繞組，5為永磁同步電機的電樞繞組，6為電勵磁雙凸極電機的轉子，7為永磁同步電機的轉子。
A、B、C-電機電樞繞組的三相接線端；加注下標E表示電勵磁雙凸極電機的電樞繞組，M表示永磁同步電機的電樞繞組；D-整流二極管；Q-開關管；Cf-濾波電容。
具體實施例方式
由于多相電機的結構同三相電機相似，下面以三相電機為例來說明具體的實施方式。
本發(fā)明的混合勵磁雙凸極永磁同步電機的截面結構示意圖如圖10所示，電勵磁雙凸極電機和永磁同步電機裝于同一個殼體內，共用一根轉軸。
三相電勵磁雙凸極電機的結構如圖10和圖11a示，定子1與轉子6均由硅鋼片疊壓而成，電機為6N/4N結構，即定子齒數6N，轉子齒數為4N，N為正整數，如N＝1，為3相6/4結構；N＝2，為3相12/8結構。定子齒均勻分布，定子齒頂寬等于槽口寬，定子齒上套裝3相集中電樞繞組4和勵磁繞組2，每相電樞繞組可以串聯，也可以并聯；勵磁繞組的數量為定子的齒數被3除，定子齒數為6時，勵磁繞組數為2，定子齒數為12時，勵磁繞組數為4。
為了獲得正弦電勢，電勵磁雙凸極電機的轉子6采用斜齒，傾斜的角度為 P為極對數，其齒頂寬可等于或稍大于定子齒寬，轉子上無繞組。
永磁同步電機的結構如圖10和圖11b所示，定子鐵心3由硅鋼片疊壓而成，定子齒上套有3相電樞繞組5，每相電樞繞組可以串聯，也可以并聯，轉子7可用切向、徑向或Halbach陣列磁鋼等結構。
永磁同步電機的極對數和電勵磁雙凸極的轉子齒數相同。電勵磁雙凸極電機3相繞組AE、BE、CE的中心線應和永磁同步電機對應相電樞繞組的中心線重合。當永磁同步電機的永磁體與A相對齊時，如圖11b，在電機轉動方向，電勵磁同步電機轉子的中心面應超前A相中心線 角度，如圖11a。電勵磁雙凸極電機的三相電樞繞組和永磁同步電機的三相電樞繞組應串聯聯接。
作直流發(fā)電機時，電樞繞組的聯接方式如圖12a所示。三相繞組AE+AM、BE+BM、CE+CM通過D11-D16三相整流橋輸出直流電壓；作直流電動機時，電樞繞組的聯接方式如圖12b所示。直流電源通過三相逆變器把三相電送到電樞繞組AE+AM、BE+BM、CE+CM。
調節(jié)電勵磁雙凸極電機勵磁電流的大小和方向即改變電樞磁場的大小和方向，電機的相電勢即可得到調節(jié)。改變電勵磁雙凸極電機和永磁同步電機在軸向方向的長度比例，電機電勢的幅值相應地會發(fā)生變化。
權利要求
1一種混合勵磁雙凸極永磁同步電機，其特征是，電勵磁雙凸極電機和永磁同步電機共轉軸置于同一個殼體內左右放置，兩個電機的定子齒上各自套裝電樞繞組，每相電樞繞組既可串聯又可并聯，電勵磁雙凸極電機的定子齒上還裝有勵磁繞組，定子齒頂寬等于槽口寬，轉子無繞組；永磁同步電機的轉子嵌有切向或徑向磁鋼，或halbach陣列結構磁鋼，兩個電機的電樞繞組相互串聯構成本混合勵磁雙凸極永磁同步電機的電樞繞組，永磁同步電機的極對數和電勵磁雙凸極電機的轉子齒數相同。
2根據權利要求1所述的混合勵磁雙凸極永磁同步電機，其特征是，電勵磁雙凸極電機的轉子采用斜齒，傾斜角度為
3根據權利要求1或2所述的混合勵磁雙凸極永磁同步電機，其特征是，電勵磁雙凸極電機和永磁同步電機在軸向方向的長度比例可以發(fā)生變化，改變電勵磁雙凸極電機和永磁同步電機在軸向方向的長度比例，可以改變電功率的調節(jié)范圍。
全文摘要
一種混合勵磁雙凸極永磁同步電機屬電機類的交/直流電機。由電磁式雙凸極電機和永磁式同步電機組合而成，兩電機的定子和轉子互相獨立，共用殼體和轉軸，電勵磁式雙凸極電機的定子(1)齒上套有電樞繞組(4)和勵磁繞組(2)，轉子(6)上無繞組，永磁同步電機的定子(3)齒上套有電樞繞組(5)，兩個電機的電樞繞組互相串聯。調節(jié)勵磁電流的大小和方向，電機的相電勢可得到調節(jié)。改變電勵磁雙凸極電機和永磁同步電機在軸向方向的長度比例，電機電勢的幅值相應地會發(fā)生變化。它既可作3相電機，又可作多相電機；既可作交流電機，又可作直流電機。
文檔編號H02K1/14GK1658478SQ20051003814
公開日2005年8月24日 申請日期2005年1月19日 優(yōu)先權日2005年1月19日
發(fā)明者趙朝會, 朱德明, 嚴仰光, 孟小利 申請人:南京航空航天大學