专利名称：混合励磁无刷爪极电机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种交流电机，特别是涉及一种混合励磁无刷爪极电机。
背景技术：
爪极电机可以分为电励磁爪极电机、永磁爪极电机和混合励磁爪极电机三大类。电励磁爪极电机包含电励磁悬臂爪极式无刷交流发电机、励磁线圈通过星形支架固定在定子上的无刷爪极发电机、和普通电励磁有刷爪极电机几类。(I)、电励磁悬臂爪极式无刷交流发电机参考附图1，其包含后爪极11、定子12、前爪极13、励磁绕组14、磁轭15、 轴16、支架17，以及后端盖18。励磁绕组14通过支架17被固定在端盖18上，励磁电流不需要通过电刷和滑环就能直接引入励磁绕组14，从而产生励磁磁场，实现无刷化。电励磁悬臂式无刷交流发电机，比爪极式有刷发电机多了两个附加磁场，消耗的励磁磁势多，效率低。使用电励磁绕组励磁，电机效率较低。(II)、励磁线圈通过星形支架固定在定子上的无刷爪极发电机参考附图(2)，其包含后爪极21、定子22、前爪极23、励磁绕组对、磁轭25、轴沈、支架27。励磁绕组M被吊在两个不同极性的爪极21和23之间，而两个爪极21、23是缩短的，以便转子在旋转时不会碰到固定在支架27上的励磁绕组对，这样励磁电流不需要电刷和滑环而直接弓I入励磁线圈，从而产生励磁磁场，成为无刷爪极电机。该电机使用电励磁绕组励磁，电机效率较低。(III)、普通电励磁有刷爪极电机参考附图(3)，由后爪极31、 定子32、前爪极33、励磁绕组34、磁轭35、轴36、滑环37、电刷38、以及刷簧39等组成。两块爪极31和33装在转子上，在两块爪极31、33的空腔内装有磁轭35，其上套有励磁绕组 34，滑环37由彼此绝缘的两个铜环组成，滑环37的外圆表面应平整光滑，以便转子高速运行时与电刷之间能够滑动接触。当两个电刷通电时，励磁电流产生轴向磁通，使得一块爪极被磁化成N极，另一块被磁化成S极，从而形成了互相交叉的N、S磁极。该电机因为有电刷和滑环，电刷及滑环的磨损和接触不良容易造成励磁不稳定或发电机不发电等故障，同时工作时易产生火花，而且由于只是单一的励磁线圈调节磁场，磁场范围调节较小，故而电机效率低。永磁爪极电机又称爪极式永磁同步电动机，其内转子时的结构可参考附图4，其包含定子支架41、线圈42、爪极43、短路环44，以及永磁转子45。线圈42的绕组固定在定子支架41上，定子为爪极43，转子45为永磁多极环状，其中永磁体的磁化方向为径向。混合励磁爪极电机包含混合励磁有刷爪极电机、串联磁路混合励磁爪极电机、和普通混合励磁无刷爪极电机几类。(I)、混合励磁有刷爪极电机参考附图5，包含后爪极51、 定子52、前爪极53、励磁绕组M、磁轭55、轴56、滑环57、电刷58，以及刷簧59。其在转子爪极51和53间增加了永磁体62，同时参考附图6，永磁体62的磁化方向为切向，永磁体62 增加主磁通和减少爪极间的漏磁通。除了转子上的励磁电流提供磁外，还有永磁体提供励磁，两者在气隙中合成，调节直流励磁的大小和方向即可实现磁场的调节。在普通爪极电机转子中引入永磁磁钢，有效地补偿极间漏磁带来的负面影响，提高电机的气隙磁密，所以该混合励磁爪极发电机可以明显提高发电机的低速输出特性和效率。该电机因为有电刷和滑环，电刷及滑环的磨损和接触不良容易造成励磁不稳定或发电机不发电等故障，同时工作时易产生火花，发生无线电干扰，电刷和滑环，使得输出特性差、故障率较高、噪声较大， 会因电刷和滑环接触不良导致磁场电流过小，导致发电机发电不足，效率偏低。(II)、串联磁路混合励磁爪极同步发电机的结构，参考附图7和附图8，附图7是附图8的分接结构示意图，其包含永磁体75、励磁绕组79、永磁和励磁绕组76、爪极77、转子74，定子铁芯71、电枢齿72，和定子电枢绕组73。该电机采用了永磁和电励磁相结合的励磁方式，在两个爪极 77间的中心轴上放置一块轴向充磁的圆饼状永磁体75，让其产生的磁力线通过爪极77 从而形成连续磁通，使其磁场与电励磁磁场形成串联结构。由于励磁绕组和永磁体的存在，通过调节励磁电流的大小和方向，可以自由调节气隙磁通，实现磁场可调。该电机由于励磁电流产生的磁场需要串联通过永磁体，磁场损耗较大。(III)、普通混合励磁无刷爪极电机参考附图8，其包含定子铁芯81、电枢绕组82、励磁线圈83、前爪极84、轴85、磁轭86、 线圈支架87、后爪极88、主气隙89，以及永磁体810。励磁线圈83被吊在两个不同极性的爪极84和88之间，而两个爪极84和88是缩短的，以便转子在旋转时不会碰到固定在线圈支架87上的励磁线圈83，这样励磁电流不需要电刷和滑环而直接引入励磁线圈，实现无刷化，其永磁体被镶嵌在电机转子爪极的外极面和相邻爪极之间，增加了主磁通和减少爪极间的漏磁通。由于励磁绕组和永磁体的存在，通过调节励磁电流的大小和方向，可以自由调节气隙磁通，实现磁场可调。该电机制作工艺复杂。现有技术中，附图1所示的悬臂式无刷交流发电机，比爪极式有刷发电机多了两个附加磁场，消耗的励磁磁势多，效率低。使用电励磁绕组励磁，电机效率较低。附图2所示的励磁线圈通过支架固定在定子上的爪极无刷交流发电机，使用电励磁绕组励磁，电机效率较低。附图3所示的普通电励磁有刷爪极电机，因为有电刷和滑环，电刷及滑环的磨损和接触不良容易造成励磁不稳定或发电机不发电等故障，同时工作时易产生火花，而且由于只是单一的励磁线圈调节磁场，磁场范围调节较小，故而电机效率低。附图4所示的爪极式永磁同步电机由于只有永磁体励磁，磁场不可调，可控制性能较差，不适合精度要求高的场合。附图5所示的混合励磁有刷爪极式交流发电机和附图6所示的为该混合励磁有刷爪极式交流电机转子间永磁体放置方式，用来减少两个相邻爪极之间的漏磁。因为有电刷和滑环，电刷及滑环的磨损和接触不良容易造成励磁不稳定或发电机不发电等故障，同时工作时易产生火花，发生无线电干扰，电刷和滑环，使得输出特性差、故障率较高、噪声较大 ，会因电刷和滑环接触不良导致磁场电流过小，导致发电机发电不足，效率偏低。附图7所示的串联磁路混合励磁爪极电机，由于两个爪极间中心轴上放置一块轴向充磁的永磁体， 转子质量较大。附图8所示普通混合励磁无刷爪极电机，制作工艺复杂。综而言之，上述所述的传统的爪极发电机，爪极式有刷交流发电机的电刷和滑环存在电火花问题。悬臂式无刷交流发电机、爪极式有刷发电机和励磁线圈通过支架固定在定子上的爪极无刷交流发电机由于只是单一的励磁线圈调节磁场，故而电机效率低。
发明内容本实用新型的目的在于提出一种新型的混合励磁无刷爪极电机，其不会发生电火花问题，并且电机效率高。本实用新型采用以下技术方案[0010]一种混合励磁无刷爪极电机，包括定子和转子两部分，所述定子包括通过支架固定在定子上的励磁绕组和永磁体、电枢绕组和定子铁芯；所述转子包括前爪极、后爪极、磁轭以及转子轴；所述定子与所述转子之间具有气隙。所述转子一端由后盖轴承座内的轴承支撑，另一端由前盖轴承座内的轴承支撑。所述前爪极和后爪极相互分离。所述转子轴的驱动端带有风扇和皮带轮，其通过半圆键用螺母和弹簧垫圈固定。进一步包括一轴向充磁的永磁体，所述轴向充磁的永磁体直接固定在支架上，其上再固定有产生的磁场与电励磁磁场形成并联结构的励磁线圈。所述永磁体具有永磁体N极和永磁体S极，所述气隙包含第一附加气隙、第一主气隙、第二附加气隙，和第二主气隙，混合励磁无刷爪极电机的各部分被设置成使空载时气隙中的磁通走向如下永磁体部分磁通由所述永磁体N极、第一附加气隙、前爪极、第一主气隙、定子铁芯、第二主气隙、后爪极、第二附加气隙、到永磁体S极，形成一个磁通回路；电励磁部分磁通进一步包括一星形支架，由所述星形支架上的励磁绕组、第一附加气隙、前爪极、第一主气隙、定子铁芯、第二主气隙、后爪极、第二附加气隙、到星形支架上的励磁绕组，形成一个磁通回路。本实用新型通过将永磁体和励磁绕组通过支架固定在定子上，省去了电刷和滑环，实现了无刷。本实用新型通过采用永磁励磁和电励磁相结合的励磁方式，使电机兼有永磁发电机和电励磁发电机的优点，解决了永磁发电机磁场不可调节的缺点，通过电励磁的调节，实现了发电机在转速及负载变化范围内恒定电压的输出。
以下结合附图对本实用新型的实施和优点作进一步解释。
附图1是现有的一种电励磁悬臂爪极式无刷交流发电机的结构示意图；附图2是现有的一种励磁线圈通过星形支架固定在定子上的无刷爪极发电机的结构示意图；附图3是现有的一种普通电励磁有刷爪极电机的结构示意图；附图4是现有的一种内转子结构的爪极式永磁同步电动机的结构示意图；附图5是现有的一种混合励磁有刷爪极电机的结构示意图；附图6是图5所示的混合励磁有刷爪极电机的永磁体的设置示意图；附图7是现有的一种串联磁路混合励磁爪极同步发电机的分解结构示意图；附图8是图7所示的串联磁路混合励磁爪极同步发电机的整体结构示意图；附图9是现有的一种普通混合励磁无刷爪极电机的结构示意图；附图10是本实用新型的一种混合励磁无刷爪极电机的结构示意图。
具体实施方式参见附图10。本实用新型提供的新型混合励磁无刷爪极电机包括定子和转子两部分，所述定子包括通过支架97固定在定子上的励磁绕组93和永磁体910、电枢绕组92和定子铁芯91 ；所述转子包括前爪极94、后爪极98、磁轭96及转子轴95 ；所述定子与所述转子之间具有气隙。继续参考图10。所述永磁体910具有永磁体N极和永磁体S极，所述气隙包含第一附加气隙912、第一主气隙99、第二附加气隙913，和第二主气隙911。所述电枢绕组92 为三相电枢绕组。所述支架97为星形支架。所述转子一端由后盖转子轴承座内的转子轴承支撑，另一端由前盖转子轴承座内的转子轴承支撑。所述励磁绕组93绕在永磁体10外圈，然后该星型支架97被三个螺钉固定在定子上。所述前爪极94和后爪极98是两块短型爪形磁极，前后不焊接，相互分离。所述转子轴95支撑环绕的磁轭96，即导磁铁芯96。所述定子铁芯91均由硅钢片叠压而成，定子铁芯91内侧为凸极齿槽结构，形成电枢齿槽。在一实施例中，转子轴的驱动端带有风扇和皮带轮，其通过半圆键用螺母和弹簧垫圈固定。所述转子轴向充磁的永磁体直接固定在支架上，其上再固定有产生的磁场与电励磁磁场形成并联结构的励磁线圈。通过永磁体和励磁绕组相结合，借助调节电励磁，解决永磁发电机磁场不可调节的缺点，实现发电机在转速及负载变化范围内满足输出恒定电压。混合励磁无刷爪极电机的气隙中的磁场由永磁体、励磁绕组中的励磁电流共同产生，电机的各部分被设置成使空载时气隙中的磁通由两部分组成，走向大体如下(1)永磁体部分磁通由所述永磁体910 N极、第一附加气隙912、前爪极94、第一主气隙99、定子铁芯91、第二主气隙911、后爪极98、第二附加气隙13、到永磁体910 S极， 形成一个磁通回路；(2)电励磁部分磁通由所述星形支架上的励磁绕组93、第一附加气隙912、前爪极94、第一主气隙9、定子铁芯91、第二主气隙911、后爪极98、第二附加气隙12、到星形支架97上的励磁绕组910，形成一个磁通回路。当励磁绕组93中励磁电流产生的磁场方向和永磁体910的磁化方向相同时，电机中气隙磁场增大；反之电机中的气隙磁场减小。因此通过调节励磁电流的大小和方向就可调节气隙磁场，方便的控制输出电压。传统的爪极发电机，爪极式有刷交流发电机由于电刷和滑环存在电火花问题。悬臂式无刷交流发电机、爪极式有刷发电机和励磁线圈通过支架固定在定子上的爪极无刷交流发电机由于只是单一的励磁线圈调节磁场，故而电机效率低。本实用新型的技术方案中，永磁体采用轴向充磁。由于永磁体和励磁线圈通过星型支架固定在定子上，所以实现无刷，避免有刷产生电火花等带来的一系列问题。由于采用了永磁体和线圈共同励磁，可以调节励磁电流来调节输出电压，兼具了输出电压可调节性和永磁电机的高效率于一身。励磁线圈环绕在永磁体上，励磁磁场的主要部分由永磁体产生，励磁绕组可作为辅助的调节装置，电机正常工作时励磁绕组中的励磁电流可为零，励磁绕组不消耗功率，当负载变化时，适当的加入励磁电流来调节气隙磁场，因此本实用新型是一种节能型电机。本实用新型具有效率高、电机低速性能好、集线圈励磁的电压调节性能和高功率密度等优点。本实用新型的混合励磁无刷爪极电机采用永磁体与电励磁两种磁势源相结合，扩大了磁场的调节范围。由于永磁体和励磁线圈通过星型支架固定在定子上，因此能实现无刷，从而能避免有刷产生电火花等带来的一系列问题，可以广泛用于电力工业、交通运输业等领域。 实用新型的具体应用范例，对本实用新型的保护范围不构成任何限制。除上述实施例外，本实用新型还可以有其它实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型所要求保护的范围之内。
权利要求1.一种混合励磁无刷爪极电机，包括定子和转子两部分，其特征在于，所述定子包括通过支架固定在定子上的励磁绕组和永磁体、电枢绕组和定子铁芯；所述转子包括前爪极、后爪极、磁轭以及转子轴；所述定子与所述转子之间具有气隙。
2.根据权利要求1所述的混合励磁无刷爪极电机，其特征在于，所述转子一端由后盖轴承座内的轴承支撑，另一端由前盖轴承座内的轴承支撑。
3.根据权利要求1所述的混合励磁无刷爪极电机，其特征在于，所述前爪极和后爪极即相互分离。
4.根据权利要求1所述的混合励磁无刷爪极电机，其特征在于，所述转子轴的驱动端带有风扇和皮带轮，其通过半圆键用螺母和弹簧垫圈固定。
5.根据权利要求1所述的混合励磁无刷爪极电机，其特征在于，进一步包括一轴向充磁的永磁体，所述轴向充磁的永磁体直接固定在支架上，其上再固定有产生的磁场与电励磁磁场形成并联结构的励磁线圈。
6.根据权利要求1所述的混合励磁无刷爪极电机，其特征在于，所述永磁体具有永磁体N极和永磁体S极，所述气隙包含第一附加气隙、第一主气隙、第二附加气隙，和第二主气隙，混合励磁无刷爪极电机的各部分被设置成使空载时气隙中的磁通走向如下永磁体部分磁通由所述永磁体N极、第一附加气隙、前爪极、第一主气隙、定子铁芯、 第二主气隙、后爪极、第二附加气隙、到永磁体S极，形成一个磁通回路；电励磁部分磁通进一步包括一星形支架，由所述星形支架上的励磁绕组、第一附加气隙、前爪极、第一主气隙、定子铁芯、第二主气隙、后爪极、第二附加气隙、到星形支架上的励磁绕组，形成一个磁通回路。
7.根据权利要求1所述的混合励磁无刷爪极电机，其特征在于，所述电枢绕组为三相电枢绕组，所述支架为星形支架。
8.根据权利要求1所述的混合励磁无刷爪极电机，其特征在于，进一步包括一星形支架，所述励磁绕组绕在永磁体外圈，星型支架通过螺钉固定在定子上。
专利摘要本实用新型提供一种混合励磁无刷爪极电机，包括定子和转子两部分，所述定子包括通过支架固定在定子上的励磁绕组和永磁体、电枢绕组和定子铁芯；所述转子包括前爪极、后爪极、磁轭以及转子轴；所述定子与所述转子之间具有气隙。本实用新型是一种节能型电机，能避免电机产生电火花、提高电极的效率，可以广泛用于电力工业、交通运输业等领域。
文档编号H02K1/12GK202178691SQ20112012410
公开日2012年3月28日 申请日期2011年4月25日 优先权日2011年4月25日
发明者曹书豪, 李华平, 李键, 赵朝会, 陈垒, 项峰 申请人:上海电机学院