專利名稱：雙饋混合磁極永磁電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電機技術領域，特別涉及混合勵磁永磁電機。
背景技術：
我國稀土資源豐富，開發(fā)應用永磁節(jié)能電機具有重大的戰(zhàn)略意義。永磁同步發(fā)電機以永磁體勵磁，消除了電勵磁同步電機勵磁損耗，并消除了機械接觸裝置，具有結構簡單，運行可靠和功率密度大、效率高的顯著優(yōu)點。但是，永磁電機固有的永磁磁場調節(jié)困難已經成為它在發(fā)電機方面應用和推廣的瓶頸?；旌蟿畲磐诫姍C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磁方便和永磁同步電機效率高、轉矩/質量比大等優(yōu)點，同時也克服了永磁同步電機磁場調節(jié)難的缺陷。因此混合勵磁電機已經成為一個熱點話題，各國學者對其進行了深入研究，并提出了許多勵磁方案。
美國威斯康星大學的Thomas A. Lipo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，結構簡單，但是轉子電勵繞組與外部的仍需要滑環(huán)和電刷，不能實現無刷化，以致電機維護工作量大。
目前，混合勵磁永磁電機主要有兩類， 一類是采用軸向/徑向磁路混合勵磁的永磁電機，它是通過改變電機軸向磁路的磁通來控制電樞繞組的電壓，其勵磁繞組為環(huán)形線圈，可實現無刷化。但這種軸向混合勵磁，存在附加氣隙，電勵磁效率低，材料利用率及功率密度不高。另一類是釆用分離磁路混合勵磁的永磁電機，它是將電機分為
兩段，使永磁磁路和電勵磁磁路完全分開，通過改變電機電勵磁部分磁路的磁通來控制電樞繞組的電壓。但是這種電機實質是一般永磁發(fā)電機與電勵磁發(fā)電機的復合，其結構復雜，電勵磁效率，材料利用率及功率密度也不高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對上述現有技術的不足，提供一種轉子無繞組，不存在軸向磁路，電機無需分為兩段，結構簡單，可運行于高轉速，高效率，磁場調節(jié)范圍大的雙饋混合磁極永磁電機。
本發(fā)明的雙饋混合磁極永磁電機由定子和轉子構成。轉子上不設繞組，電機繞組全部安放在定子上。電機繞組由主繞組與諧波繞組組成。主繞組用于機電能量轉換，諧波繞組用于勵磁控制。轉子的極對數與主繞組的極對數相同， 一部分為永磁磁極，另一部分為鐵磁磁極。電機的諧波繞組采用分數次諧波，其極對數與鐵磁磁極的極對數相同，為主繞組的極對數的1/N, N可以為大于1的任何整數。本發(fā)明主要采用N-2和N-3。當N-2時，轉子的永磁磁極的極數為電機極數的一半，可以做成極對數P-2，4， 6, 8......的各種電機；當N-3時，轉子的永磁磁極的極數為電機極數的2/3，可以做成極對數P-3， 6, 9， 12......的各種電機。
本發(fā)明所述的轉子可設計成內轉子，也可設計成外轉子。
本發(fā)明所述的主繞組與諧波繞組，可以做成兩套獨立的繞組，也可以做成一套具有兩組端口的繞組。
與現有技術相比，本發(fā)明的雙饋混合磁極永磁電機具有如下特點
1、 電機結構簡單，電機無需分段，轉子無繞組，可靠性高。
2、 與普通永磁電機結構相近，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節(jié)，其勵磁損耗小，電機的效率高。
4、 諧波控制繞組電流可以實現增磁和減磁的雙向控制，具有很強的調節(jié)主磁場能力，能使電機適應寬的運行速度要求。


圖1是圖2 A-A截面圖為雙饋混合磁極永磁電機結構示意圖。其中1為機殼，2為定子鐵心，3為電機繞組，4為永磁磁極，5為鐵磁磁極，6為轉軸，7為轉子鐵心。
圖2是圖1中電機截面圖，以^3時的6極為例。其中2為定子鐵心，3為電機繞組，4為永磁磁極，5為鐵磁磁極，6為轉軸，7為轉子鐵心。
圖3也是圖1電機截面圖，以N=2時的8極為例。其中2為定子鐵心，3為電機繞組，4為永磁磁極，5為鐵磁磁極，6為轉軸，7為轉子鐵心。
圖4是6極電機的外轉子式結構示意圖。其中2為定子鐵心，3為電機繞組，4為永磁磁極，5為鐵磁磁極，6為轉軸，7為轉子鐵心。
圖5是8極電機的外轉子式結構示意圖。其中2為定子鐵心，3為電機繞組，4為永磁磁極，5為鐵磁磁極，6為轉軸，7為轉子鐵心。
圖6是6極電機永磁磁路示意圖。
圖7是6極電機電勵磁磁路示意圖。
圖8是8極電機永磁磁路示意圖。
圖9是8極電機電勵磁磁路示意圖。
圖IO是釆用TCR的勵磁控制器主回電路原理圖。
圖ll是釆用STATC0M (Static Synchronous Compensator)的勵磁控制器主回電路原理圖。
具體實施例方式
下面結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。
1、由圖l、 2、 3可知，本發(fā)明的諧波混合磁極永磁電機，包括具有永磁磁極的轉子和具有繞組的定子兩部分。轉子上不設繞組，具有兩種磁極， 一部分為永磁磁極4，一部分為鐵磁磁極5。定子結構與普通的電機相同，只是定子繞組3由主繞組和諧波繞組組成，主繞組極對數與轉子磁極的極對數相同，用作發(fā)電機時與負載相連，用作 電動機與驅動電源相連；諧波繞組極對數與轉子鐵磁極的極對數相同，與勵磁控制器 相連。
2、 當N=3時，轉子磁極的安排順序為永磁N極》>.鐵磁S極4.永磁N極~>.永 磁S極4,鐵磁N極—.永磁S極，依次循環(huán)。圖2為循環(huán)一次的6極電機的示例；當 N=2時，轉子磁極的安排順序為永磁N極~>.鐵磁S極->.鐵磁N極4,永磁S極，依 次循環(huán)。圖3為循環(huán)兩次的8極電機的示例；轉子可設計成內轉子，也可設計成外轉 子(圖4、圖5)
3、 由圖6和圖8可知，永磁體產生的磁通路徑有兩種， 一種是經過兩個永磁體磁 極構成回路；另一種是經過一個永磁體磁極和一個鐵磁磁極構成回路。顯然，由兩個 永磁體磁極構成的回路的磁通大于由一個永磁體構成的回路的磁通，經過鐵磁磁極的 磁通的大小與電機軛部磁路有關，當軛部磁路較窄時，鐵磁磁極的磁通較大，反之則 較小。也就是說，電機無勵磁電流的工作點可通過對電機的軛部設計來調整。
4、 電機運行時，定子諧波繞組的電流頻率為主繞組同步頻率的1/N,產生的諧波 磁勢隨轉子同步旋轉，其極對數與轉子鐵磁磁極的極對數相同。由圖7和圖9可知， 定子諧波繞組產生的諧波磁場主要通過定子鐵心、鐵磁磁極氣隙，轉子鐵心、到達另 一個鐵磁磁極的氣隙。當諧波磁勢作用在鐵磁磁極上產生的磁場方向與鐵磁磁極的極 性相同時，諧波磁勢起助磁作用，使鐵磁磁極的磁通量達到甚至超過永磁磁極的磁通 量，電機的基波磁場可以被增強到最大值，諧波磁場可以被減小到最小值；反之則起 去磁作用，使鐵磁磁極的磁通量減小甚至反向增大，電機的基波磁場可以被減小到最 小值，諧波磁場可以被增強到最大值。因此，只要控制諧波繞組電流的大小和相位就 可以有效的調節(jié)永磁電機的勵磁。電機可以進行很大范圍電壓調節(jié)，且磁路短，沒有 附加氣隙。
5、 諧波繞組為三相繞組，電流經過交流勵磁控制器，按要求調節(jié)勵磁電流，使電 機主繞組的電壓符合運行要求。轉子旋轉時，定子上的諧波繞組會產生感應電壓，其 頻率正好符合交流勵磁頻率控制的要求，因此只需控制電流的相位和大小，使其產生 所需的感性或容性無功電流。圖IO和圖11為勵磁控制器主回路的原理圖。圖10的原 理圖只能產生感性無功電流，起增強基波磁場的作用，主要用于發(fā)電機的場合。圖ll 的原理圖不僅能產生感性無功電流，還能產生容性無功電流，具有增磁和弱磁的雙重 功能，既可以用于發(fā)電機也可以用于電動機。
權利要求
1、一種雙饋混合磁極永磁電機，包括在機殼內裝有定子鐵心、電機繞組組成的定子和裝有磁極、轉軸、轉子鐵心組成的轉子，其特征在于電機繞組由主繞組和諧波控制繞組組成，分布于定子槽中，轉子磁極由永磁磁極和鐵磁磁極組成，轉子上不設繞組，主繞組極數與轉子極數相同；諧波繞組極數與轉子鐵磁磁極的極數相同。
2、 根據權利要求l所述的電機，其特征在于電機的諧波繞組釆用分數次諧波，其極對數為主繞組的極對數的1/N, N可以為大于1的整數。
3、 根據權利要求2所述的電機，其特征在于N-2時，轉子的永磁磁極的極數為電機極數的一半，極對數P-2， 4， 6， 8......。
4、 根據權利要求2所述的電機，其特征在于—3時，轉子的永磁磁極的極數為電機極數的2/3，極對數P-3， 6， 9， 12......。
5、 根據權利要求1所述的電機，其特征在于所述的轉子在定子內或者放置于定子外。
6、 根據權利要求1所述的電機，其特征在于所述的主繞組與諧波繞組，為兩套獨立的繞組或者一套具有兩組端口的繞組。
全文摘要
一種雙饋混合磁極永磁電機，屬于電機技術領域。包括在機殼內裝有定子鐵心、電機繞組組成的定子和裝有磁極、轉軸、轉子鐵心組成的轉子，電機繞組由主繞組和諧波控制繞組組成，分布于定子槽中，轉子磁極由永磁磁極和鐵磁磁極組成，轉子上不設繞組，主繞組極數與轉子極數相同；諧波繞組極數與轉子鐵磁磁極的極數相同；本發(fā)明結構簡單，可靠性高；有利于磁路分布和電機繞組的優(yōu)化設計，電機功率密度高，電壓畸變率低；無軸向磁路和附加氣隙，磁路短，漏磁小，勵磁損耗小，效率高；諧波控制繞組電流可以實現增磁和減磁的雙向控制，具有很強的調節(jié)主磁場能力，能使電機適應寬的運行速度要求。
文檔編號H02K21/00GK101478207SQ20091011485
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月19日 優(yōu)先權日2009年1月19日
發(fā)明者黃劭剛 申請人:南昌大學