磁分路式混合磁极型同步电的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种磁分路式混合磁极型同步电机，包括机壳、设置在机壳内的定子和转子。转子上的电励磁N极沿轴向一端呈喇叭状延伸，集合于圆环形电励磁N极极靴；电励磁S极沿轴向同一端呈瓶颈状收缩延伸，集合于圆环形电励磁S极极靴。在圆环形N极极靴和圆环形S极极靴之间设置有嵌放励磁绕组的励磁支架。调磁使用的轴向磁路经过圆环形N极极靴、励磁支架、圆环形S极极靴，而不经过端盖、机壳。本发明永磁磁路和电励磁磁路相互独立，既不是并联磁路，也不是串联磁路，同时又避免了退磁的风险。本发明采用无刷结构，可靠性高。另外，采用直流调磁方式，控制简单，可实现双向励磁，电励磁磁极的气隙磁场调节范围宽。
【专利说明】磁分路式混合磁极型同步电机
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种永磁电机，特别涉及一种磁分路式混合磁极型同步电机，属于同 步电机领域。
【背景技术】
[0002] 随着永磁材料性能的提高和价格的下降，永磁材料在电机中的使用日益广泛。永 磁电机具有功率密度高，体积小，重量轻，效率高，无刷化，结构简单等优点。世界各国均投 入了大量的人力、物力，出现了很多新型结构的永磁电机。永磁电机的主极气隙磁场无法调 节或难度较大，但是永磁电机在用于发电机时，负载引起电枢电流变化或者转速发生变化 会使得发电机的端电压随之变化，因此为保证电压稳定，需要调节磁场；用于电动机时，在 一些应用场合，要求宽范围调速，在高速段采用恒功率方式进行调速，此时需减弱磁场。
[0003] 在此背景下，出现了一种在永磁电机中引入电励磁的新型电机即混合励磁电机， 通过合理的结构设计可使混合励磁电机，既有永磁电机的效率高、转矩/质量比大，又有电 励磁电机调磁方便的优点。
[0004] 混合励磁电机，特别是无刷励磁型混合励磁同步电机一般存在径向磁路和轴向磁 路，其中代表性的有英国学者E.Spooer提出的转子磁极分割型混合励磁同步电机，该电机 的电励磁磁路经过定子机壳，轴向磁路长；另一种是转子磁分路式混合励磁同步电机，轴向 磁路经过转子的N极磁轭延伸体、S极磁轭延伸体和导磁桥，结构简单，轴向磁路短，磁场调 节容易，但在转子上电励磁和永磁为并联磁路，调磁过程中电励磁和永磁相互影响。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种磁分路式混合磁极型同步电机，永磁磁路 和电励磁磁路在磁路上相互独立，耦合程度低，调磁方便；同时，采用无刷结构，使可靠性更 商。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0007] 本发明提供一种磁分路式混合磁极型同步电机，包括机壳、设置在机壳内的定子 和转子，所述定子包括定子铁心和电枢绕组。所述转子包括转轴以及设置在转轴轴向一端 的圆环形的电励磁S极极靴、圆环形的电励磁N极极靴；所述圆环形的电励磁S极极靴与转 轴固定连接。所述电励磁S极极靴、电励磁N极极靴之间设置有一个圆环形的励磁绕组支 架，所述励磁绕组支架分别与电励磁S极极靴、电励磁N极极靴之间形成两个附加气隙。所 述励磁绕组支架固定在端盖上，所述励磁绕组放置在所述励磁绕组支架上。所述转子的表 面分布有电励磁磁极和永磁磁极，且电励磁磁极、永磁磁极的分布方式为每两个电励磁磁 极之间设置一个永磁磁极、或每两个永磁磁极之间设置一个电励磁磁极。所述电励磁磁极 包括电励磁N极、电励磁S极，其中，电励磁N极沿轴向一端呈喇叭状延伸，集合于圆环形电 励磁N极极靴；电励磁S极沿轴向同一端呈瓶颈状收缩延伸，集合于圆环形电励磁S极极 靴；所述电励磁S极极靴固定在转轴上。所述转子还包括永磁体、固定在转轴上的永磁磁极 磁轭，所述永磁体设置在永磁磁极磁轭的外边缘。
[0008] 作为本发明的进一步优化方案，所述励磁绕组支架上设置有开槽，所述励磁绕组 放置在所述励磁绕组支架的开槽内，实现无刷励磁。
[0009] 作为本发明的进一步优化方案，所述定子铁心固定在机壳上。
[0010] 作为本发明的进一步优化方案，相邻的电励磁磁极、永磁磁极之间填充有非导磁 材料，使用固化措施使电励磁磁极和永磁磁极相对固定为一整体。
[0011] 作为本发明的进一步优化方案，所述机壳、端盖、转轴均由非导磁材料制成。
[0012] 作为本发明的进一步优化方案，所述电励磁N极极靴、电励磁S极极靴、励磁绕组 支架、电励磁S极极靴、电励磁N极极靴、永磁N极磁极、永磁S极磁极、永磁磁极磁轭、定子 铁心均由导磁材料制成。
[0013] 作为本发明的进一步优化方案，所述端盖通过轴承与转轴连接。
[0014] 作为本发明的进一步优化方案，所述电励磁磁极、永磁磁极分别与定子铁心之间 存在主气隙。
[0015] 本发明一种磁分路式混合磁极型同步电机中，永磁磁通的路径为：永磁体、永磁磁 极极面下的气隙、定子铁心、永磁磁极极面下的气隙、永磁体、永磁磁轭构成磁回路。电励磁 磁通的路径为：电励磁磁极、电励磁磁极极面下的气隙、定子铁心、电励磁磁极极面下的气 隙、电励磁磁极、电励磁极靴、励磁绕组支架、电励磁极靴构成电励磁磁回路。由此可以看 出，电励磁磁极由电励磁产生，永磁磁极由永磁体产生，仅就在转子上而言，两者在磁路关 系上相互独立，既非串联，也非并联，另外轴向磁路不经过端盖和机壳。通过改变励磁绕组 中的直流电流大小可以改变电励磁磁极大小，通过改变励磁绕组中的直流电流方向可以改 变电励磁磁极极性,在电励磁变化过程中，不影响永磁磁极大小。
[0016] 本发明中定子铁心中的电枢绕组因转子旋转而感应出电势，仅就构成电枢绕组的 同一个线圈而言，因转子旋转而依次切割2个电励磁磁极、1个永磁磁极，但电励磁磁极大 小和永磁磁极大小不一定相同，因此同一个线圈依次感应出的交流电势幅值大小也是不同 的，即非正弦电，为实现输出正弦的相电压以及对称的三相交流电，则需要在绕组的连接方 式上进行相应的处理。
[0017] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0018] (1)本发明的设计方案中，转子上的电励磁磁路和永磁磁路在磁路上相互独立，耦 合程度低，调磁方便；
[0019] (2)本发明的设计方案与现有并联磁路型混合励磁电机相比，永磁磁通漏磁程度 低；
[0020] (3)本发明的设计方案中，采用直流励磁，控制简单，可双向励磁，电励磁磁极的气 隙磁场调节范围宽；
[0021] (4)本发明的设计方案中，励磁绕组设置在位于轴向端上静止的励磁支架上，为无 刷励磁，提高了可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1是磁分路式混合磁极型同步电机沿对称中心线的轴向剖面示意图。
[0023] 图2是磁分路式混合磁极型同步电机偏对称中心线60度的轴向剖面示意图。
[0024] 图3是图1中A-A的截面图。
[0025] 图4是转子结构图。
[0026] 图5是电励磁S极结构图。
[0027] 图6是电励磁N极结构图。
[0028] 图7是永磁磁极结构图。
[0029] 图8是永磁磁通路径图。
[0030] 图9是增磁时电励磁磁通路径图。
[0031] 其中：1-转轴；2-端盖；3-励磁绕组；4-电励磁S极极靴；5-电励磁S极；6-永磁 磁极磁轭；7-电枢绕组；8-定子铁心；9-机壳；10-轴承；11-励磁绕组支架；12-电励磁N 极极靴；13-电励磁N极；14-永磁体；15-永磁N极磁极；16-永磁S极磁极。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0033] 本发明设ii 种磁分路式混合磁极型同步电机，如图1、图2,包括机壳9、设置在 机壳9内的定子和转子，所述定子包括定子铁心8和电枢绕组7,所述转子包括永磁体14。 所述定子铁心8固定在机壳上。
[0034] 所述转子包括转轴1以及设置在转轴1轴向一端的圆环形的电励磁S极极靴4、圆 环形的电励磁N极极靴12 ;所述圆环形的电励磁S极极靴4与转轴1固定连接。
[0035] 如图4所示，所述电励磁S极极靴4、电励磁N极极靴12之间设置有一个圆环形的 励磁绕组支架11，所述励磁绕组支架11分别与电励磁S极极靴4、电励磁N极极靴12之间 形成两个附加气隙。所述励磁绕组支架11固定在端盖2上，所述励磁绕组3放置在所述励 磁绕组支架11上。
[0036] 所述转子的表面分布有电励磁磁极和永磁磁极，且电励磁磁极、永磁磁极的分布 方式为每两个电励磁磁极之间设置一个永磁磁极、或每两个永磁磁极之间设置一个电励磁 磁极。相邻的电励磁磁极、永磁磁极之间填充有非导磁材料，使用固化措施使电励磁磁极和 永磁磁极相对固定为一整体。所述电励磁磁极、永磁磁极分别与定子铁心8之间形成主气 隙。如图3所不，两个电励磁S极5之间设置一个永磁磁极N极15,每两个电励磁N极13 之间设置一个永磁磁极S极16。
[0037] 所述电励磁磁极包括电励磁N极13、电励磁S极5，其中，电励磁N极13沿轴向一 端呈喇叭状延伸，集合于圆环形电励磁N极极靴12,如图5所示；电励磁S极5沿轴向同一 端呈瓶颈状收缩延伸，集合于圆环形电励磁S极极靴4,如图6所示；所述电励磁S极极靴4 固定在转轴1上。
[0038] 所述转子还包括固定在转轴1上的永磁磁极磁轭6,所述永磁体14设置在永磁磁 极磁轭6的外边缘。所述的永磁磁极是由两个顺势（磁势）相连的永磁体14形成的永磁 磁极N极15和永磁磁极S极16,如图7所示。
[0039] 所述机壳9、端盖2、转轴1均为非导磁材料制成，所述电励磁N极极靴12、电励磁 S极极靴4、励磁绕组支架11、电励磁S极极靴4、电励磁N极极靴12、永磁N极磁极15、永 磁S极磁极16、永磁磁极磁轭6、定子铁心8均由导磁材料制成。
[0040] 在本发明的技术方案中，电机转子转动时，机壳9、定子铁心8、端盖2、励磁绕组支 架11均是静止不动的部件，转轴1拖动转子一起转动。
[0041] 本发明磁分路式混合磁极型同步电机的磁场调节原理及其调压原理如下：
[0042] ①当励磁绕组3中的励磁电流为零时，转子磁极仅存在永磁磁场，如图8所示，根 据永磁体14的极性可知永磁磁通路径为：永磁N极磁极15 -永磁N极磁极15极面下的气 隙一定子铁心8 -定子铁心轭部一永磁S极磁极16极面下的气隙一永磁S极磁极16 -永 磁体14 -永磁磁极轭部6 -永磁N极磁极15构成磁回路，此时电机极数为2。
[0043] ②当励磁绕组3中存在励磁电流且电流方向如图9中所示时，电励磁磁极的磁通 路径为：电励磁磁极S极5 -电励磁S极极靴4 -附加气隙一励磁绕组支架11 -附加气隙 -电励磁N极极靴12 -电励磁N极13 -电励磁N极13极面下的气隙一定子铁心8 -电 励磁S极5极面下的气隙一电励磁S极5构成电励磁磁回路，通过改变励磁电流的大小和 方向可相应地改变电励磁气隙磁场的大小和极性分布；电机气隙中除了存在电励磁磁通之 夕卜，还存在永磁磁通，此时的永磁磁通路径与①中相同，此时电机极数为6。
[0044] ③如图9所示，位于定子铁心8中的电枢绕组7因转子旋转而感应出电势，仅以构 成电枢绕组7的某一个线圈为例分析该电机的感应电势的特点：在转子旋转过程中，某一 个线圈依次切割2个电励磁磁极、1个永磁磁极，但电励磁磁极大小和永磁磁极大小不一定 相同，因此同一个线圈中依次感应出的交流电幅值大小也是变化的，即非正弦电，为实现输 出正弦的相电压以及对称的三相交流电，则在绕组的连接方式上需要进行相应的处理。
[0045] 本发明磁分路式混合磁极型同步电机与传统同步电机绕组相带的划分方式相同， 可按照60度相带分配，也可按照120度相带，下面以60度相带为例进行说明 ：
[0046] 如图3所示电机为3对极，按照60度相带的划分方法划分本发明磁分路式混合磁 极型同步电机的电枢绕组，相带依次为：1A、1Z、1B、1X、1C、1Y、1A、2Z、2B、2X、2C、2Y、3A、3Z、 3B、3X、3C、3Y。
[0047] 表1相带分配
[0048]
【权利要求】
1. 磁分路式混合磁极型同步电机，包括机壳（9)、设置在机壳（9)两端的端盖（2)、设 置在机壳（9)内的定子和转子，所述定子包括定子铁心（8)和电枢绕组（7)，所述转子包括 永磁体（14)，其特征在于： 所述转子包括转轴（1)以及设置在转轴（1)轴向一端的圆环形的电励磁S极极靴（4)、 圆环形的电励磁N极极靴（12);所述圆环形的电励磁S极极靴（4)与转轴（1)固定连接； 所述电励磁S极极靴（4)和电励磁N极极靴（12)之间设置有一个圆环形的励磁绕组支 架（11)，所述励磁绕组支架（11)分别与电励磁S极极靴（4)、电励磁N极极靴（12)之间形 成两个附加气隙；所述励磁绕组支架（11)固定在端盖（2)上；所述励磁绕组（3)放置在所 述励磁绕组支架（11)上； 所述转子的表面分布有电励磁磁极和永磁磁极，且电励磁磁极、永磁磁极的分布方式 为每两个电励磁磁极之间设置一个永磁磁极、或每两个永磁磁极之间设置一个电励磁磁 极； 所述电励磁磁极包括电励磁N极（13 )、电励磁S极（5 )，其中，电励磁N极（13 )沿轴向 一端呈喇叭状延伸，集合于圆环形的电励磁N极极靴（12);电励磁S极（5)沿轴向同一端呈 瓶颈状收缩延伸，集合于圆环形的电励磁S极极靴（4 )。
2. 根据权利要求1所述的磁分路式混合磁极型同步电机，其特征在于，相邻的电励磁 磁极、永磁磁极之间填充有非导磁材料，使用固化措施使电励磁磁极和永磁磁极相对固定 为一整体。
3. 根据权利要求1所述的磁分路式混合磁极型同步电机，其特征在于，所述机壳（9)、 端盖（2)、转轴（1)均由非导磁材料制成。
4. 根据权利要求1所述的磁分路式混合磁极型同步电机，其特征在于，所述端盖（2)通 过轴承（10 )与转轴（1)连接。
5. 根据权利要求1所述的磁分路式混合磁极型同步电机，其特征在于，所述转子还包 括固定在转轴（1)上的永磁磁极磁轭（6 )，所述永磁体（14 )设置在永磁磁极磁轭（6 )的外边 缘。
6. 根据权利要求6所述的磁分路式混合磁极型同步电机，其特征在于，所述电励磁N极 极靴（12 )、电励磁S极极靴（4 )、励磁绕组支架（11)、电励磁N极（13 )、电励磁S极（5 )、永磁 磁极、永磁磁极磁轭（6)、定子铁心（8)均由导磁材料制成。
7. 根据权利要求1所述的磁分路式混合磁极型同步电机，其特征在于，所述电励磁磁 极、永磁磁极分别与定子铁心（8 )之间形成主气隙。
8. 根据权利要求1所述的磁分路式混合磁极型同步电机，其特征在于，所述定子铁心 (8)固定在机壳（9)上。
【文档编号】H02K21/14GK104158372SQ201410335182
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月14日 优先权日:2014年7月14日
【发明者】宁银行, 汤杰, 刘闯, 朱姝姝, 干兴业 申请人:南京航空航天大学