CN110061603B - 一种转子磁路解耦型高速混合励磁同步电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种转子磁路解耦型高速混合励磁同步电机，包括机壳、定子、永磁转子、电励磁转子、励磁绕组、固定在端盖上的导磁桥和转轴。其中，永磁转子由磁钢、转子铁心与高强度护套组成，采用表贴式结构，高强度护套能有效提升永磁转子结构强度；电励磁转子由转子N极和S极铁心以及高强度支架组成，高强度支架能够有效提升电励磁转子结构强度。永磁转子侧和电励磁转子侧与定子铁心之间形成的两段主气隙长度不同，有利于同时实现低永磁体涡流损耗、高电励磁效率。本发明的混合励磁同步电机转子永磁磁路与电励磁磁路解耦，气隙磁场调节范围宽，转子磁钢涡流损耗低，电励磁效率高，永磁与电励磁组合转子结构强度高，适用于需调磁运行的高速场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种同步电机领域，特别涉及转子磁路解耦型高速混合励磁同步电机。
背景技术
混合励磁电机励磁源由永磁体和励磁绕组共同提供，永磁体励磁能够有效提高电机的转矩 /功率密度、运行效率，电励磁能够有效调节电机气隙磁通，使得混合励磁电机同时具有高转矩/功率密度、高效率和宽范围运行能力，在风力发电、飞机和车载电源等独立发电领域和驱动等领域具有广阔的应用前景。混合励磁电机根据永磁磁势和电励磁磁势的相互作用关系可以分成磁势串联式、并联式、并列式三种结构。
串联式混合励磁电机永磁磁势和电励磁磁势呈串联关系，电励磁励磁回路经过永磁体，磁阻大，励磁效率低，同时弱磁时，永磁体存在退磁风险。并联式混合励磁电机永磁磁势和电励磁磁势呈并联关系，结构复杂，漏磁严重，电机电枢反应严重，过载能力较差。无论是串联式结构还是并联式结构，永磁磁路与电励磁磁路在转子上耦合，运行原理复杂，设计难度大。并列式结构通过两种电机直接并列形成，电机结构简单，运行可靠性较高，但弱磁运行过程中，电励磁部分定子磁通随着弱磁深度的增加而增加，定子铁损随之增加；同时为了降低并列式混合励磁电机转子之间的漏磁，通常需要在转子之间设置较大的轴向气隙，导致转矩/功率密度严重降低；两个转子铁心之间较大的轴向气隙导致在转轴上形成两个质心，高速旋转过程中，极易产生轴向跳动引起定转子扫膛。专利CN102005876A采用永磁同步电机与电励磁同步电机并列结构，由于励磁绕组端部的存在，两个电机转子铁心之间必须保留足够的轴向长度，导致电机的转矩/功率密度较低，且为有刷结构，电机转速受到严重限制，不适用于高速场合；专利CN105048740B采用永磁同步电机和变磁阻电机并列结构，由于变磁阻电机存在定子励磁绕组，两个电机定子铁心之间必须保留足够的轴向长度，导致电机的转矩/功率密度较低，且反电势正弦度相对传统同步电机较差；专利CN100369359C采用永磁同步电机与混合励磁同步电机并列，电枢绕组串联，两套电机铁心之间必须保留足够的轴向距离，一方面为了放置绕组端部长度，另一方面为了降低转子之间漏磁。
上述的并列式混合励磁电机结构虽实现了永磁与电励磁磁路的解耦运行，但是带来了转矩 /功率密度降低、不适用于高速运行，同时弱磁过程中会增加定子铁心损耗等问题，本发明提出一种新的转子磁路解耦型混合励磁同步电机结构形式，以克服现有不足，本案由此产生。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种新的转子磁路解耦型混合励磁同步电机结构形式，以克服现有串联/并联式混合励磁电机结构复杂、电励磁与永磁转子磁路耦合严重以及现有并列式混合励磁电机无效轴向长度大、整机重量大、不适用于高速运行、弱磁过程中会增加定子铁心损耗的问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种转子磁路解耦型高速混合励磁同步电机，所述电机包括机壳、设于机壳内的定子、永磁转子、电励磁转子、励磁绕组、固定在端盖上的环形导磁桥和转轴；其中，以所述转轴为轴心，所述永磁转子和电励磁转子套装于所述转轴上；所述永磁转子位于所述电机的中部，以永磁转子为轴，两侧均对称设有电励磁转子，所述电励磁转子的S极铁心和N极铁心安装于所述电励磁转子支架上；以永磁转子为轴，所述励磁绕组安装于电励磁转子外侧，并在励磁绕组上安装有环形导磁桥。
进一步的，所述永磁转子为表贴式结构，包括径向充磁、平行充磁以及Halbach阵列方式，分块永磁之间采用交错相替的两种尺寸永磁体，便于磁钢安装与固定，永磁转子永磁体外侧采用缠绕碳纤维从而形成高强度护套。
进一步的，所述永磁转子永磁体采用径/轴向分块技术，分块粘接后进行整块充磁。
进一步的，所述电励磁转子由转子N极和S极铁心以及高强度的电励磁转子支架组成，电励磁转子N极铁心和电励磁转子S极铁心通过高强度转子支架卡位固定形成整体结构；其中，记转子极对数为pr，所述电机的电励磁转子包含2pr块转子铁心极，转子铁心极中有pr块 N极转子铁心和pr块S极转子铁心；pr块N极转子铁心与电励磁转子支架相邻，所有的N极铁心沿轴向向电机外侧延伸并集合形成一个圆环形极靴，相对的，pr块S极转子铁心与电励磁转子支架另一侧相邻，所有的S极铁心向电机中心内侧周向延伸并集合形成一个圆环形极靴，然后圆环形极靴沿轴向向电机外侧延伸，由此构成电励磁转子S极铁心；电励磁转子铁心极采用转子磁极外侧偏心方法形成非均匀气隙；
所述N极铁心的圆环形极靴在轴向上等极距设有若干个凹槽，所述S极铁心的圆环形极靴在圆环上等角度间隔设有对应个数的凸部，电励磁转子N极铁心与S极铁心通过支架卡位固定形成整体结构电励磁转子；所述N极铁心和S极铁心的结构可互换。
更进一步的，所述永磁转子与电励磁转子之间无缝隙拼接，所述永磁转子外径小于电励磁转子外径，使得定子铁心与永磁转子之间形成的气隙长度大于定子铁心与电励磁转子之间形成的气隙长度。
作为一种优选，所述定子铁心材料采用普通冲片结构或具有轴向导磁能力的软磁复合材料。
作为一种优选，所述环形导磁桥固定于端盖上，励磁绕组安装于环形导磁桥中，在环形导磁桥或端盖中设置环形冷却水道。
有益效果：
本发明提供的转子磁路解耦型高速混合励磁同步电机不仅具有气隙磁场调节范围宽的特点，永磁转子与电励磁转子无缝拼接，可显著减小电机轴向长度及重量，适用于高速运行，在风力发电、飞机和车载电源等独立发电领域和驱动等领域具有广阔的应用前景。具体的，具有以下几方面优点：
(1)永磁转子与电励磁转子无缝拼接，可显著减小电机轴向长度及重量，提升电机的转矩/功率密度，同时避免了同一根转轴上出现两个质心，适合高速运行；
(2)永磁部分与电励磁部分定子结构相同，定子铁心结构简单，集成度高，且弱磁运行过程中，随着弱磁深度增加定子铁心损耗随之降低；
(3)永磁转子侧与电励磁转子侧主气隙长度不同，减小了转子永磁体涡流损耗，提高了电励磁效率；
(4)Halbach永磁结构能够提高气隙磁密正弦度，同时永磁体采用径/轴向分块技术，分块粘接后进行整块充磁，充磁前粘接降低了工艺难度，分块结构有效降低了永磁体涡流损耗；
(5)永磁转子通过高强度护套保证了转子强度，电励磁转子N极(或S极)铁心和转子S极(或N极)铁心通过高强度转子支架卡位固定形成整体结构，提高了电励磁转子强度；
(6)转子永磁磁路与电励磁磁路实现了解耦，运行原理简单。
附图说明
图1是本发明的一种转子磁路解耦型高速混合励磁同步电机组合剖面图；
图2是本发明的一种转子磁路解耦型高速混合励磁同步电机原理示意图；
图3是本发明的实施例电励磁转子N极(或S极)铁心结构图；
图4是本发明的实施例电励磁转子S极(或N极)铁心结构图；
图5是本发明的实施例电励磁磁极形状示意图；
图6是本发明的实施例电励磁转子支架结构图；
图7是本发明的实施例电励磁转子装配结构图；
图8是本发明的实施例环形导磁桥结构图；
图9是本发明的实施例环形导磁桥剖视图；
图10是本发明的实施例Halbach阵列永磁转子结构图；
图11是本发明的一种转子磁路解耦型高速混合励磁同步电机等效磁路；
图12是本发明的一种转子磁路解耦型高速混合励磁同步电机弱磁状态下转子磁路分布示意图；
图13是本发明的一种转子磁路解耦型高速混合励磁同步电机零励磁状态下转子磁路分布示意图；
图14是本发明的一种转子磁路解耦型高速混合励磁同步电机增磁状态下转子磁路分布示意图；
图15是本发明的实施例空载反电势随励磁电流变化的曲线；
图16是本发明的实施例空载定子铁心损耗随励磁电流变化的曲线。
图中元件符号说明：
1——电枢绕组、2——定子铁心、3——环形导磁桥、4——励磁绕组、5——电励磁转子支架、6——电励磁转子N极(或S极)铁心、7—电励磁转子S极(或N极)铁心、8——永磁转子、8-1——永磁转子铁心、8-2——减重孔、8-3——定位凸台、8-4—永磁体1、8-5——永磁体2、9——永磁转子护套、10——电励磁转子、10-1——左侧电励磁转子、10-2——右侧电励磁转子、11——励磁结构、11-1——左侧励磁结构、11-2——右侧励磁结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1、图2所示，本发明提供一种转子磁路解耦型高速混合励磁同步电机，包括机壳及设于机壳内的定子绕组1、定子铁心2、永磁转子8、电励磁转子10、励磁结构11和转轴；定子绕组1嵌在定子铁心2槽内；定子铁心2固定在机壳上，定子铁心材料可采用传统冲片结构，采用软磁复合材料更有利于弱磁状态下进一步降低铁心损耗；永磁转子8与电励磁转子10-1、电励磁转子10-2无缝拼装于转轴上。
下面对附图中涉及的物理量符号做定义：
Fpm-永磁体磁动势；Fi-电励磁磁动势；Rpm-永磁体磁阻；RS-定子铁心磁阻；RδN1-永磁侧N 极气隙磁阻；RδS1-永磁侧S极气隙磁阻、RδN2-电励磁侧N极气隙磁阻；RδS2-电励磁侧S极气隙磁阻；Rfδ1、Rfδ1-电励磁侧附加气隙磁阻；RER-电励磁转子铁心磁阻。
记转子极对数为pr，电励磁转子包含2pr块转子铁心极，转子铁心极中有pr块N极转子铁心和pr块S极转子铁心。具体的，pr块N极转子铁心与转子支架5相邻，所有的N极转子铁心沿轴向向电机外侧延伸并集合形成一个圆环形极靴，由此构成电励磁转子N极铁心，结构如图3所示。同时相对的，pr块S极转子铁心与转子支架5另一侧相邻，所有的S极转子铁心分别向电机中心径向延伸并集合形成一个圆环形极靴，然后圆环形极靴沿轴向向电机外侧延伸，由此构成电励磁转子S极铁心。电励磁转子铁心极采用转子磁极外侧偏心方法形成非均匀气隙，如图5所示，l为偏心距，Rair-gap为最小主气隙处对应的转子内径，Rpole为磁极外轮廓的内径，其中
l＝Rair-gap-Rpole
针对l作为变量，气隙磁密谐波含量为目标函数，进行参数化扫描寻优设计。
如图6所示，电励磁高强度转子支架5采用高强度不锈钢制成，将电励磁转子N极铁心与S极铁心通过支架卡位固定形成整体结构电励磁转子10，如图7所示。
所述励磁绕组4嵌入环形导磁桥3中构成励磁结构11，励磁结构11通过螺钉固定于前后端盖，端盖与转轴之间通过滚动轴承18配合。如图2所示，励磁结构11在安装过程中与电励磁转子设置较小的附加气隙，构成固定励磁结构，实现简单可靠的无刷直流励磁。
如图8、图9所示，在所述环形导磁桥中设置环形水道，水道截面位于磁密不饱和的环形最外侧。
如图10所示，所述永磁转子8包含两种尺寸永磁体8-4、8-5与永磁转子铁心8-1，永磁转子铁心8-1在每极中心线永磁体下方设置减重孔8-2，永磁转子铁心8-1外侧设置定位凸台 8-3与两种不同尺寸永磁体8-4、8-5相对应。永磁体8-4、8-5生产过程中，采用轴向分段粘接工艺，粘接完成后进行充磁，充磁方向如图8、图9所示。安装过程中，先将永磁体8-5插入转子铁心外侧凹口处，每两块永磁体8-5之间形成凹口，插入永磁体8-4，形成永磁转子，然后再磁钢外侧缠绕碳纤维形成护套或安装高强度钢(钛合金)护套。
电励磁转子10-1、10-2和永磁转子8安装完成后，无缝安装于转轴上，形成高强度组合转子结构。
由图11、图12、图13和图14可以看出，永磁转子磁路(PM)与电励磁转子磁路(EM)实现完全解耦，永磁侧与电励磁侧定子部分磁路耦合，零励磁状态下永磁转子漏磁较低。
由图15可以看出，本发明转子磁路解耦型高速混合励磁同步电机仍具有气隙磁场调节范围宽的特点，而同时可以减小转子轴向长度与重量；由图16可以看出，本发明转子磁路解耦型高速混合励磁同步电机弱磁运行过程中，随着弱磁深度增加定子铁心损耗随之降低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种转子磁路解耦型高速混合励磁同步电机，其特征在于：所述电机包括机壳、设于机壳内的定子、永磁转子、电励磁转子、励磁绕组、固定在端盖上的环形导磁桥和转轴；其中，以所述转轴为轴心，所述永磁转子和电励磁转子套装于所述转轴上；所述永磁转子位于所述电机的中部，以永磁转子为轴，两侧均对称设有电励磁转子，所述电励磁转子的S极铁心和N极铁心安装于所述电励磁转子支架上；以永磁转子为轴，所述励磁绕组安装于电励磁转子外侧，并在励磁绕组上安装有环形导磁桥；
所述电励磁转子由转子N极和S极铁心以及高强度的电励磁转子支架组成，电励磁转子N极铁心和电励磁转子S极铁心通过高强度转子支架卡位固定形成整体结构；其中，记转子极对数为p r，所述电机的电励磁转子包含2p r块转子铁心极，转子铁心极中有p r块N极转子铁心和p r块S极转子铁心；p r块N极转子铁心与电励磁转子支架相邻，所有的N极铁心沿轴向向电机外侧延伸并集合形成一个圆环形极靴，相对的，p r块S极转子铁心与电励磁转子支架另一侧相邻，所有的S极铁心向电机中心内侧周向延伸并集合形成一个圆环形极靴，然后圆环形极靴沿轴向向电机外侧延伸，由此构成电励磁转子S极铁心；电励磁转子铁心极采用转子磁极外侧偏心方法形成非均匀气隙；
所述N极铁心的圆环形极靴在轴向上等极距设有若干个凹槽，所述S极铁心的圆环形极靴在圆环上等角度间隔设有对应个数的凸部，N极铁心与S极铁心通过支架卡位固定形成整体结构电励磁转子；所述N极铁心和S极铁心的结构可互换。
2.根据权利要求1所述的一种转子磁路解耦型高速混合励磁同步电机，其特征在于：所述永磁转子为表贴式结构，包括径向充磁、平行充磁以及Halbach阵列方式，分块永磁之间采用交错相替的两种尺寸永磁体，便于磁钢安装与固定，永磁转子永磁体外侧采用缠绕碳纤维从而形成高强度护套。
3.根据权利要求1所述的一种转子磁路解耦型高速混合励磁同步电机，其特征在于：所述永磁转子永磁体采用径/轴向分块技术，分块粘接后进行整块充磁。
4.根据权利要求1所述的一种转子磁路解耦型高速混合励磁同步电机，其特征在于：所述永磁转子与电励磁转子之间无缝隙拼接，所述永磁转子外径小于电励磁转子外径，使得定子铁心与永磁转子之间形成的气隙长度大于定子铁心与电励磁转子之间形成的气隙长度。
5.根据权利要求4所述的一种转子磁路解耦型高速混合励磁同步电机，其特征在于：所述定子铁心材料采用普通冲片结构或具有轴向导磁能力的软磁复合材料。
6.根据权利要求4所述的一种转子磁路解耦型高速混合励磁同步电机，其特征在于：所述环形导磁桥固定于端盖上，励磁绕组安装于环形导磁桥中，在环形导磁桥或端盖中设置环形冷却水道。
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