一种基于谐波励磁的无刷混合励磁永磁电机的制作方法

本发明属于电机技术领域，涉及一种永磁电机，特别涉及一种基于谐波励磁的混合励磁永磁电机。

背景技术：

为了削弱或者消除电机中按空间分布的谐波磁场，电机设计者提出了许多有效的措施，如绕组的短距和分布、分数槽绕组、定子斜槽或者转子斜极、磁极形状优化、极槽配合，以及定、转子槽配合等。然而，在满足电机运行性能要求的前提下，将谐波磁场感应的谐波电动势进行励磁是一种利用谐波磁场的有效方式，尤其是将谐波励磁与永磁励磁相结合形成的谐波励磁的混合励磁永磁电机更具有广阔的应用前景。首先，谐波励磁与永磁励磁相结合的方式克服了传统谐波励磁同步电机励磁功率不足的缺陷；其次，无需附加的起励装置，且建压时间短，起励速度快；此外，由于永磁体的存在，且永磁励磁起主导作用，所需的谐波励磁功率较小，运行效率较高；同时，获取的谐波磁场也可用于调节永磁电机的气隙磁场。

专利ZL 2013 1 0076126.2提出了一种三次谐波励磁的混合励磁永磁同步电机，该电机定子有两套绕组：电枢绕组和三次谐波绕组，三次谐波绕组的极距为电枢绕组极距的1/3，利用气隙中固有的三次谐波磁场在定子三次谐波绕组中感应的三次谐波电动势，经晶闸管整流后借助电刷和集电环等机械装置，提供给发电机的励磁绕组进行励磁，通过控制晶闸管的触发脉冲实现永磁电机气隙磁场的调节。但该电机仍保留了电刷和滑环等机械装置，维护困难，失去了永磁电机应有的无刷化优点。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于谐波励磁的无刷混合励磁永磁电机，该电机在上述专利的基础上，在转子侧增加一套与定子三次谐波绕组极距匹配的谐波绕组，借助电磁感应的机理，将谐波励磁功率由定子侧直接传递到转子侧，无需电刷和集电环等机械装置。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于谐波励磁的无刷混合励磁永磁电机，包括一机壳（1），机壳（1）内装有由定子铁心（2）、定子电枢绕组（3）和定子三次谐波绕组（4）组成的定子，以及由转子铁心（5）、永磁体（6）、转子励磁绕组（7）、转子谐波绕组（8）和转轴（9）的转子。定子电枢绕组（3）和定子三次谐波绕组（4）分布于定子铁心上沿圆周方向均匀开设的槽（10）中，定子三次谐波绕组（4）通过双向可控器件短接，可控器件导通时间由励磁控制器根据发电机的端电压决定。转子铁心（5）上布置有永磁体（6）、转子励磁绕组（7）和转子谐波绕组（8），转子励磁绕组（7）和转子谐波绕组（8）分布于转子铁心（5）沿圆周方向开设的槽（11）中，两者通过二极管整流电路直接相连。

所述的定子电枢绕组（3）可以为多相对称绕组，也可以为单相绕组；可以为整数槽绕组，也可以为分数槽绕组。

所述的定子三次谐波绕组（4）为单相绕组。

所述的定子电枢绕组（3）极距为定子三次谐波绕组（4）极距的三倍。

所述的定子三次谐波绕组（4）节距与转子谐波绕组（8）节距相等。

所述的转子谐波绕组（8）可以为多相对称绕组，也可以为单相绕组。

所述的转子励磁绕组（7）可以是集中绕组，也可以为分布绕组。

所述的转子励磁绕组（7）和转子谐波绕组（8）可以相互独立，也可以采用一套转子励磁绕组（7）实现两套绕组的功能。

所述的永磁体（6）数量可以根据需要成对任意设置。

所述的永磁体（6）可以采用切向结构，以及混合结构。

所述的混合励磁永磁电机定、转子基波极对数相等。

所述的双向可控器件可以为两个可控器件的组合，也可以为具有双向导通功能的集成模块。

所述的可控器件可以为半控型器件，也可以为全控型器件；

所述的转子可以在定子内或者放置于定子外。

本发明的一种基于谐波励磁的混合励磁永磁电机定子上布有定子电枢绕组（3）和定子三次谐波绕组（4）。定子电枢绕组（3）用于实现机电能量转换，定子三次谐波绕组（4）用于感应三次谐波电动势，定子电枢绕组（3）的极距为定子三次谐波绕组（4）极距的三倍。电机转子上布有永磁体（6）、转子励磁绕组（7）和转子谐波绕组（8）。定、转子基波极对数相等，定子三次谐波绕组（4）节距与转子谐波绕组（8）节距相等。励磁磁动势建立的基波磁场和三次谐波磁场分别在定子电枢绕组（3）和定子三次谐波绕组（4）感应基波电动势和三次谐波电动势。转子谐波绕组（8）与定子三次谐波绕组（4）产生的谐波磁场相对应，产生电磁感应作用，在转子谐波绕组（8）中感应谐波电动势，经过二极管整流电路得到的直流电流，直接提供给转子励磁绕组（7）建立励磁磁动势，通过控制双向可控器件的导通时间，可以控制转子谐波绕组（8）感应的谐波电动势以及转子励磁绕组（7）中的直流励磁电流，从而实现气隙磁场和发电机端电压的调节。

与现有技术相比，本发明的混合励磁永磁电机具有如下特点。

1、该混合励磁永磁电机所需的谐波励磁功率较小，克服了传统谐波励磁同步电机励磁功率不足的缺陷，同时具有较高的运行效率。

2、该混合励磁永磁电机无需附加的起励装置，具有建压时间短，起励速度快等优点。

3、该混合励磁永磁电机借助电力电子技术和定、转子之间的谐波磁场耦合关系，保持了永磁电机无刷化的优点。

附图说明

图1是本发明的基于谐波励磁的混合励磁永磁电机结构示意图，也是图2的A-A截面图。其中1为机壳，2为定子铁芯，3为定子电枢绕组，4为定子三次谐波绕组，5为转子铁心，6为永磁体，7为转子励磁绕组，8为转子谐波绕组，9为转轴，12为轴承。

图2是本发明图1所示电机的截面图，以4极为例。其中2为定子铁芯，3为定子电枢绕组，4为定子三次谐波绕组，5为转子铁心，6为永磁体，7为转子励磁绕组，8为转子谐波绕组，9为转轴，10为定子槽，11为转子槽。

图3是图2中B-B部分详细说明图，定子以24槽为例，转子以12槽为例。为了方便，展开为直线画图。其中2为定子铁心，3为定子电枢绕组，4为定子三次谐波绕组，5为转子铁心,6为永磁体，7为转子励磁绕组，8为转子谐波绕组，9为转轴，10为定子槽，11为转子槽。图中还画出了励磁磁动势产生的基波和三次谐波磁通密度波形。

图4是基于谐波励磁的混合励磁永磁电机电路原理图。

图5是另一实施例的电机截面图，以4极为例。其中2为定子铁芯，3为定子电枢绕组，4为定子三次谐波绕组，5为转子铁心，6为永磁体，7为转子励磁绕组，9为转轴，10为定子槽，11为转子槽。

图6是另一实施例的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

由图1和图2可知，本发明的基于谐波励磁的混合励磁永磁电机，包括机壳1，机壳1内配置有定子铁心2，定子铁心2上沿圆周方向开槽10，槽10内布置有定子电枢绕组3和定子三次谐波绕组4。机壳1与定子铁心2固定不动。机壳1内配置有转轴9，转轴9通过轴承12与机壳1连接。转子铁心5上布有永磁体6、转子励磁绕组7和转子谐波绕组8，永磁体6为混合充磁方式，转子励磁绕组7布置在两个切向充磁的永磁体6之间的转子槽11中，且关于磁极中心线左右对称，转子谐波绕组8均布在转子铁心5沿圆周方向开设的槽11中。转子铁心5、永磁体6、转子励磁绕组7和转子谐波绕组8可一起随转轴9在定子铁心2内旋转。

下面参照图3来具体说明定子三次谐波绕组4和转子谐波绕组8感应电动势的原理。以一对极为例进行说明，图3中的定子电枢绕组3和定子三次谐波绕组4相对基波和三次谐波均为整距，定子三次谐波绕组4极距为定子电枢绕组3极距的1/3。励磁磁动势作用在平均气隙磁导上产生基波磁通密度和三次谐波磁通密度，如图3所示，均随转子以同步速旋转，分别在定子电枢绕组3和定子三次谐波绕组4中感应基波频率的电动势和三倍频率的谐波电动势。三倍频率的谐波电动势产生三倍频率的谐波电流，该谐波电流建立的磁动势作用在平均气隙磁导上产生的谐波磁场由两部分组成：一部分以同步速旋转，相对转子静止；另一部分相对转子以两倍同步速反转，在转子谐波绕组8中感应六倍频率的谐波电动势。

本发明的工作原理是：当发电机空载运行时，转轴以同步速旋转，永磁体6建立空载气隙磁场，气隙磁场中的基波磁通密度在定子电枢绕组3中感应基波频率的电动势，在转速一定时保持电动势保持恒定；气隙磁场中的三次谐波磁通密度在定子三次谐波绕组4中三倍频率的谐波电动势，为了充分发挥永磁体的性能，此时励磁控制器不输出控制信号，双向可控器件不工作，定子三次谐波绕组4中没有三次谐波电流，相应地，转子谐波绕组8没有谐波感应电动势，转子励磁绕组7没有励磁电流，相当于一台永磁同步发电机。当发电机负载运行时，由于电枢反应的去磁作用，使得端电压下降，此时励磁控制器输出控制信号，双向可控器件导通，定子三次谐波绕组4中流过三次谐波电流，转子谐波绕组8感应谐波电动势，经二极管整流后提供给转子励磁绕组7建立气隙磁场，如图4所示，以补偿电枢反应的去磁作用，实现发电机端电压的恒定。双向可控器件导通时间由励磁控制器检测发电机的端电压决定。

图5为本发明另一实施例的电机截面图。与图2的区别在于转子上只有一套转子励磁绕组7，其节距与定子三次谐波绕组4节距相等，定子三次谐波绕组4感应的三倍频率谐波电流产生的谐波磁场会在转子励磁绕组7中感应六倍频率的谐波电动势。每极的转子励磁绕组7均通过二极管短接，如图6所示。

本发明另一实施例的工作原理是：当发电机空载运行时，转轴以同步速旋转，永磁体6建立空载气隙磁场，气隙磁场中的基波磁通密度在定子电枢绕组3中感应基波频率的电动势，在转速一定时保持电动势保持恒定；气隙磁场中的三次谐波磁通密度在定子三次谐波绕组4中三倍频率的谐波电动势，为了充分发挥永磁体的性能，此时励磁控制器不输出控制信号，双向可控器件不工作，定子三次谐波绕组4中没有三次谐波电流，相应地，转子励磁绕组7没有谐波感应电动势，相当于一台永磁同步发电机。当发电机负载运行时，由于电枢反应的去磁作用，使得端电压下降，此时励磁控制器输出控制信号，双向可控器件导通，定子三次谐波绕组4中流过三次谐波电流，转子励磁绕组7感应谐波电动势，经自身的二极管整流后得到直流电流，并建立气隙磁场，如图6所示，以补偿电枢反应的去磁作用，实现发电机端电压的恒定。双向可控器件导通时间由励磁控制器检测发电机的端电压决定。

本发明用作发电机时，定子电枢绕组3与负载相连，用作电动机时，定子电枢绕组3与驱动电源相连。