專利名稱：采用諧波勵磁的混合勵磁永磁電機的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及 一種永磁電機，特別涉及 一種采用諧波勵磁的混合勵磁永磁電
背景技術(shù)：
隨著永磁材料性能的不斷提高和價格的不斷下降，永磁材料在電機中的使
用曰益廣泛。永磁材料的使用給電機帶來了很多優(yōu)越性功率密度高，體積小， 重量輕，效率高，無刷化，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，結(jié)構(gòu)靈活。永磁電機的研究 多年來一直是電機研究領域的熱點，因此世界各國均投入大量人力、物力和財 力研究開發(fā)永磁電機，出現(xiàn)了很多新型結(jié)構(gòu)的電機。但永磁電機研究和應用也 存在著一些難點，有待于進一步深入。
永磁電機種類繁多，不僅可以作為發(fā)電機運行，而且可以作為電動機運行。 作為發(fā)電機，永磁同步發(fā)電機采用永磁體勵磁，當負載引起電樞電流變化或者 轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，無法像普通電勵磁發(fā)電機那樣通過調(diào)節(jié)勵磁電流對勵磁磁動 勢進行調(diào)節(jié)，使得發(fā)電機的端電壓隨著發(fā)生變化，影響負載的正常工作。
對于電動機，在一些高性能應用場合，要求調(diào)速范圍寬，在高速段釆用恒 功率方式進行調(diào)速，此時需要減弱磁場調(diào)速，但是由于永磁電動機勵磁磁場無 法調(diào)節(jié)。
可見，永磁電機的勵磁磁場調(diào)節(jié)問題是永磁電機應用中的重要問題，研究 和解決永磁電機磁場調(diào)節(jié)問題，對于永磁電機性能的提高，永磁電機的廣泛推 廣和使用具有重要意義。
混合勵磁永磁電機中既有永磁磁極又有勵磁繞組，兩個磁勢源同時存在， 綜合了電勵磁同步電機調(diào)磁方便和永磁同步電機效率高、轉(zhuǎn)矩/質(zhì)量比大等優(yōu) 點。因此混合勵磁電機已經(jīng)成為一個熱點話題，各國學者對其進行了深入研究， 并提出了許多勵磁方案。
美國威斯康星大學提出了一種混合勵磁永磁電機，定子繞組與普通的永磁 機的類似，轉(zhuǎn)子上分別有永磁體和電勵磁，其中永磁體極占大部分，電勵磁極 提供小部分磁場以平衡氣隙磁場的變化。該方案電機磁路與傳統(tǒng)電機相似，結(jié) 構(gòu)簡單，但是轉(zhuǎn)子電勵繞組與外部的仍需要滑環(huán)和電刷，不能實現(xiàn)無刷化，以 致電機維護工作量大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種不需要電刷和集電 環(huán)的釆用諧波勵磁的混合勵磁永磁電機，可在定子上進行電機內(nèi)的磁場調(diào)節(jié)。 本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的釆用諧波勵磁的混合勵磁永磁電機，包括一機殼1,機殼1內(nèi)裝有由定子鐵心2、定子繞組3組成的定子和由永磁磁極
4、鐵磁磁極5、轉(zhuǎn)軸6、轉(zhuǎn)子鐵心7、轉(zhuǎn)子繞組8組成的轉(zhuǎn)子，定子繞組3由定 子主繞組11和定子諧波勵磁繞組12組成，分布于定子鐵心2上沿圓周方向開 設的槽9中，轉(zhuǎn)子鐵心7上布置有永磁磁極4和鐵磁磁極5,鐵磁磁極5上布置 轉(zhuǎn)子繞組8，轉(zhuǎn)子繞組8由轉(zhuǎn)子勵磁繞組13和轉(zhuǎn)子諧波繞組14組成。
所述的定子主繞組11可以任意設置，可以為三相繞組，也可以為單相或者 多相繞組。
所述的定子諧波勵磁繞組12可以任意設置，可以為三相繞組，也可以為單
相或者多相繞組。
所述的轉(zhuǎn)子勵磁繞組13可以是集中繞組，也可以為分布繞組。 所述的轉(zhuǎn)子諧波繞組14可以任意設置，可以為三相繞組，也可以為單相或
者多相繞組。
所述的轉(zhuǎn)子永磁磁極4與鐵磁磁極5的數(shù)量可以任意設置，兩者的比例可 以根據(jù)電壓調(diào)節(jié)范圍確定。
所述的轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)或者放置于定子外。
所述的定子主繞組11和定子諧波勵磁繞組12可以相互獨立，也可以采用 一套實現(xiàn)兩套繞組的功能。
所述的轉(zhuǎn)子勵磁繞組13的極距與定子主繞組11的極距相同。 所述的轉(zhuǎn)子諧波繞組14的極距與定子諧波勵磁繞組12的極距相同。 本發(fā)明的釆用諧波勵磁的混合勵磁永磁電機的轉(zhuǎn)子上不僅有永磁磁極4，而 且有布置了轉(zhuǎn)子勵磁繞組13和轉(zhuǎn)子諧波繞組14的鐵磁磁極5，定子上布置的兩 套繞組定子主繞組11和定子諧波勵磁繞組12，既可以相互獨立，也可以釆用 一套實現(xiàn)兩套繞組的功能。定子主繞組ll用于機電能量轉(zhuǎn)換，定子諧波勵磁繞 組12用于勵磁控制，定子諧波勵磁繞組12極對數(shù)大于定子主繞組11的極對數(shù)。 轉(zhuǎn)子的極對數(shù)與定子主繞組11的極對數(shù)相同， 一部分為永磁磁極4，另一部分 為鐵磁磁極5。每個鐵磁磁極5上除了套有極距與永磁磁極4相同的轉(zhuǎn)子勵磁繞 組13,每個鐵磁磁極5上還布置有極距與定子諧波勵磁繞組12極距相同的轉(zhuǎn)子 諧波繞組14。定子主繞組11與永磁磁極4和鐵磁磁極5相對應，產(chǎn)生電磁感應 作用，相當于一臺旋轉(zhuǎn)磁極的同步發(fā)電機；定子諧波勵磁繞組12與轉(zhuǎn)子諧波繞 組14相對應，產(chǎn)生電磁感應作用，相當于一臺旋轉(zhuǎn)電樞的同步發(fā)電機。轉(zhuǎn)子諧 波繞組14感應的電動勢經(jīng)過旋轉(zhuǎn)整流器整流得到直流電，給鐵磁磁極5上的轉(zhuǎn) 子勵磁繞組13提供直流電，通過調(diào)節(jié)定子諧波勵磁繞組12上的電流就可以實 現(xiàn)轉(zhuǎn)子勵磁繞組13電流的調(diào)節(jié)，從而達到調(diào)節(jié)定子主繞組11電壓的目的。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的混合勵磁永磁電機具有如下特點
1、 電機不需要電刷和集電環(huán)，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。
2、 與普通永磁電機結(jié)構(gòu)相近，有利于磁路分布和電機繞組的優(yōu)化設計，電機的功率密度高，電壓畸變率低。
3、不存在軸向磁路和附加氣隙，磁路短，漏磁小，電勵磁通過諧波磁勢調(diào) 節(jié)，其勵磁損耗小，電機的效率高。


圖1是圖2的A-A截面圖，為釆用諧波勵磁的混合勵磁永磁電機結(jié)構(gòu)示意圖。 其中1為機殼，2為定子鐵心，3為定子繞組，4為永磁磁極，5為鐵磁磁極，6 為轉(zhuǎn)軸，7為轉(zhuǎn)子鐵心，8為轉(zhuǎn)子繞組，15為軸承。
圖2是圖1中電機截面圖，以8極為例。其中2為定子鐵心，3為定子繞組， 4為永磁磁極，5為鐵磁磁極，6為轉(zhuǎn)軸，7為轉(zhuǎn)子鐵心，9為定子鐵心上布置繞
組的槽，io為轉(zhuǎn)子鐵心上布置繞組的槽。
圖3是圖2中B-B部分詳細說明圖，為了方便，展開為直線畫圖。其中2 為定子鐵心，4為永磁磁極，5為鐵磁磁極，7為轉(zhuǎn)子鐵心，9為定子鐵心上布 置繞組的槽，IO為轉(zhuǎn)子鐵心上布置繞組的槽，ll為定子主繞組，12為定子諧波 勵磁繞組，13為轉(zhuǎn)子勵磁繞組，14為轉(zhuǎn)子諧波繞組。圖中還畫出了定子諧波勵 磁繞組直流電后產(chǎn)生的磁場的基波分量。
圖4是轉(zhuǎn)子諧波繞組經(jīng)整流橋與轉(zhuǎn)子勵磁繞組相聯(lián)的電路原理圖。
圖5是本發(fā)明的另外一種實施例。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。 實施例
由圖1、 2、 3可知，本發(fā)明的采用諧波勵磁的混合勵磁永磁電機，包括機 殼1,機殼1內(nèi)配置有定子鐵心2，定子鐵心2上沿圓周方向開槽9，槽9內(nèi)布 置有定子繞組3，定子繞組3由定子主繞組11和定子諧波勵磁繞組12組成。機 殼1與定子鐵心2固定不動。機殼1內(nèi)配置有轉(zhuǎn)軸6，轉(zhuǎn)軸6通過軸承15與機 殼1連接。轉(zhuǎn)軸6上配置轉(zhuǎn)子鐵心7，轉(zhuǎn)子鐵心7上布置有永磁磁極4和鐵磁磁 極5,鐵磁磁極5上開槽10,槽10內(nèi)布置轉(zhuǎn)子繞組8，轉(zhuǎn)子繞組8由轉(zhuǎn)子勵磁 繞組13和轉(zhuǎn)子諧波繞組14組成。轉(zhuǎn)子繞組8與轉(zhuǎn)子鐵心7可一起隨著轉(zhuǎn)軸6 在定子鐵心2內(nèi)旋轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的工作原理是轉(zhuǎn)軸6以同步速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子永磁磁極4建立磁場， 在定子主繞組ll中感應同步頻率的電動勢，該電動勢在轉(zhuǎn)速一定時不能進行調(diào) 節(jié)。為了調(diào)節(jié)定子主繞組ll的電動勢，在定子鐵心2上布置了定子諧波勵磁繞 組12,轉(zhuǎn)子鐵心7上布置了轉(zhuǎn)子勵磁繞組13和轉(zhuǎn)子諧波繞組14。轉(zhuǎn)子勵磁繞 組13的極距與定子主繞組11極距相同，轉(zhuǎn)子諧波繞組14極距與定子諧波勵磁 繞組12極距相同。定子諧波勵磁繞組12中通入直流電產(chǎn)生磁場相對于轉(zhuǎn)子諧 波繞組14運動，轉(zhuǎn)子諧波繞組14感應電動勢，經(jīng)過整流向轉(zhuǎn)子勵磁繞組13輸
5出勵磁所需的直流電。
下面參照圖3來具體說明定子諧波勵磁繞組12與轉(zhuǎn)子諧波繞組14之間的 電磁作用。以定子諧波勵磁繞組12極距為定子主繞組11極距的1/2的情況為 例說明，圖3中的定子主繞組11和定子諧波勵磁繞組12都以最簡單的集中整 距繞組為例。定子諧波勵磁繞組12通入直流電流，將產(chǎn)生極對數(shù)為定子主繞組 ll極對數(shù)兩倍的磁場，圖3畫出了磁場中基波分量的示意。該磁場相對于定子 鐵心2不動，相對于轉(zhuǎn)子鐵心7以同步速旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)子諧波繞組13中感應的電 動勢的頻率為定子主繞組ll基波感應電動勢的兩倍。轉(zhuǎn)軸6轉(zhuǎn)速不變時，改變 定子諧波勵磁繞組12的直流電流的大小，就可以改變轉(zhuǎn)子諧波繞組14的感應 電動勢，實現(xiàn)了無電刷和集電環(huán)將勵磁能量由定子傳遞到轉(zhuǎn)子的目的。定子諧 波勵磁繞組12和轉(zhuǎn)子諧波繞組14極距相同，極距可以任意設置，只是轉(zhuǎn)子諧 波繞組14感應電動勢的頻率隨之變化。
轉(zhuǎn)子諧波繞組14感應的交流電動勢經(jīng)過整流得到直流電，直流電通入到轉(zhuǎn) 子勵磁繞組13中實現(xiàn)勵磁，電路圖如圖4所示。
直流勵磁電流流過轉(zhuǎn)子勵磁繞組13建立相對于轉(zhuǎn)子鐵心7靜止的磁場，該 磁場相對于定子鐵心2和定子主繞組11為同步速旋轉(zhuǎn)，在定子主繞組11中感 應同步頻率的電動勢，定子主繞組11與外部電路相聯(lián)就可以向外輸出能量。以 定子諧波勵磁繞組12極距為定子主繞組11極距1/2的情況為例，定子主繞組 11感應電動勢頻率為轉(zhuǎn)子諧波繞組14感應電動勢的1/2。改變轉(zhuǎn)子勵磁繞組13 的電流就可以改變定子主繞組11的感應電動勢，即通過定子諧波勵磁繞組12 的電流就可以控制定子主繞組11的電動勢，實現(xiàn)了在定子上調(diào)節(jié)電壓的功能， 同時無電刷和集電環(huán)。轉(zhuǎn)子勵磁繞組13僅布置在鐵磁磁極5上，因此只用來改 變鐵磁磁極5下的磁場。永磁磁極4下的磁場不會隨定子諧波勵磁繞組14電流 的變化而變化。
為了提高定子諧波勵磁繞組14產(chǎn)生磁場的利用率，提高電壓調(diào)節(jié)范圍，可 以采用如圖5所示的結(jié)構(gòu)，圖中畫出一對轉(zhuǎn)子鐵磁磁極5的布置，其余磁極布 置都與鐵磁磁極5相同，即將每個轉(zhuǎn)子磁極都制成鐵磁磁極5，鐵磁磁極5靠近 氣隙部分布置轉(zhuǎn)子勵磁繞組13和轉(zhuǎn)子諧波繞組14,鐵磁磁極5下部布置永磁磁 極4。
本發(fā)明用作發(fā)電機時，定子主繞組11與負載相連，用作電動機時，定子主 繞組11與驅(qū)動電源相連；定子諧波勵磁繞組12與勵磁控制器相連。 轉(zhuǎn)子勵磁繞組13可以是集中繞組，也可以為分布繞組。 整流電路可以釆用橋式全波整流，也可以是半波整流。
權(quán)利要求
1、采用諧波勵磁的混合勵磁永磁電機，包括一機殼(1)，其特征在于機殼(1)內(nèi)裝有由定子鐵心(2)、定子繞組(3)組成的定子和由永磁磁極(4)、鐵磁磁極(5)、轉(zhuǎn)軸(6)、轉(zhuǎn)子鐵心(7)、轉(zhuǎn)子繞組(8)組成的轉(zhuǎn)子，定子繞組(3)由定子主繞組(11)和定子諧波勵磁繞組(12)組成，分布于定子鐵心(2)上沿圓周方向開設的槽(9)中，轉(zhuǎn)子鐵心(7)上布置有永磁磁極(4)和鐵磁磁極(5)，鐵磁磁極(5)上布置轉(zhuǎn)子繞組(8)，轉(zhuǎn)子繞組(8)由轉(zhuǎn)子勵磁繞組(13)和轉(zhuǎn)子諧波繞組(14)組成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電機，其特征在于所述的定子主繞組(11)可 以任意設置，可以為三相繞組，也可以為單相或者多相繞組。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機，其特征在于所述的定子諧波勵磁繞組(12 ) 可以任意設置，可以為三相繞組，也可以為單相或者多相繞組。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電機，其特征在于所述的轉(zhuǎn)子勵磁繞組(13) 可以是集中繞組，也可以為分布繞組。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電機，其特征在于所述的轉(zhuǎn)子諧波繞組(14) 可以任意設置，可以為三相繞組，也可以為單相或者多相繞組。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機，其特征在于所述的轉(zhuǎn)子永磁磁極(4) 與鐵磁磁極(5)的數(shù)量可以任意設置，兩者的比例可以根據(jù)電壓調(diào)節(jié)范圍確定。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電機，其特征在于所述的轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)或者放 置于定子外。
8、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的電機，其特征在于所述的定子主繞組(ll) 和定子諧波勵磁繞組(12)可以相互獨立，也可以釆用一套實現(xiàn)兩套繞組的功能。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電機，其特征在于所述的轉(zhuǎn)子勵磁繞組(13) 的極距與定子主繞組(11)的極距相同。
10、 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的電機，其特征在于所述的轉(zhuǎn)子諧波繞組 (14)的極距與定子諧波勵磁繞組(12)的極距相同。
全文摘要
一種采用諧波勵磁的混合勵磁永磁電機，包括機殼1、定子鐵心2、定子繞組3、永磁磁極4、鐵磁磁極5、轉(zhuǎn)軸6、轉(zhuǎn)子鐵心7、轉(zhuǎn)子繞組8，轉(zhuǎn)子磁極由永磁磁極4和鐵磁磁極5組成，鐵磁磁極5上布置轉(zhuǎn)子繞組8，轉(zhuǎn)子繞組8由諧波繞組14和勵磁繞組13組成；定子繞組3由主繞組11和諧波勵磁繞組12組成，分布于定子槽中；主繞組的極距與轉(zhuǎn)子勵磁繞組極距相同；諧波勵磁繞組極距與轉(zhuǎn)子諧波繞組的極距相同；諧波勵磁繞組連接勵磁控制器，電機運行時，可控制諧波勵磁繞組中電流，以達到調(diào)節(jié)磁場和電壓的作用；本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，無電刷和集電環(huán)，結(jié)構(gòu)簡單，沒有附加氣隙，不存在軸向磁路，漏磁小，電勵磁損耗小，電機效率高，具有很強的調(diào)節(jié)主磁場能力。
文檔編號H02K21/14GK101651394SQ20091002279
公開日2010年2月17日 申請日期2009年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月2日
發(fā)明者夏永洪, 王善銘, 王祥珩, 蘇鵬聲 申請人:清華大學