并列转子结构混合励磁电机无刷电励磁转子磁极的制作方法

本发明涉及一种并列转子结构混合励磁电机无刷电励磁转子磁极。

背景技术：

混合励磁电机综合了永磁电机和电励磁电机的优点，不仅拥有永磁同步电机高效率和高功率密度的优势，同时还具备电励磁电机调节气隙磁场的能力，近年来在风力发电、电动汽车、舰船及航空供电系统等领域得到了广泛关注。在现有混合励磁电机拓扑中，永磁转子与电励磁转子同轴并列、电励磁绕组位于转子上的转子结构，因其结构较为简单，电励磁转子产生的调节磁通无需经过永磁体，不存在附加气隙，电压调节能力强，成为混合励磁电机中的一个重要研究方向。

美国专利US5502368是并列转子结构混合励磁电机的典型结构形式，转子由永磁和电励磁两部分组成，其中永磁转子带有极靴，电励磁转子为凸极结构，二者共用一套定子电枢绕组。该电机的电励磁绕组由电刷、滑环供电。中国专利CN101572464B提出一种并列转子混合励磁同步电机，该电机的永磁转子与电励磁转子同轴并列。其中，永磁体粘贴在非导磁转子上，并采用金属套加以固定，电励磁转子采用电刷和滑环供电。中国专利CN200520087443.5为用于汽车领域的 切向永磁与电磁混合励磁发电机，该电机的切向永磁转子与凸极电励磁转子同轴并列，二者共用一套定子电枢绕组，电励磁绕组采用碳刷、滑环供电。

上述电励磁绕组位于转子上的并列转子结构混合励磁电机，主要存在以下不足：

(1)电励磁绕组采用电刷及滑环供电，在实际应用中需定期维护，长期运行则导致供电装置磨损，降低了可靠性。

(2)分析上述专利的混合励磁电机结构可知，在永磁转子与电励磁转子之间都存在较大的间隙，这是安装电励磁绕组端部所必需的空间。该部分空间导致电机轴向长度增大，且与之对应的定子铁心部分却不提供任何出力，降低了电机的空间利用率及转矩密度。

此外，本发明人针对并列转子结构混合励磁电机开展了相关的研究与试制工作，也印证了上述两点不足。电机结构见文献[1]：参考文献[1]宫海龙,孙玉田,梁艳萍,王亮.多相高速混合励磁发电机气隙磁场解析研究[J].电机与控制学报.2014,18(1):66。

该电机同样采用高速滑环供电。样机试制经验表明，永磁转子与电励磁转子之间的空间要同时考虑电励磁绕组端部伸出以及手工操作所需的距离，该空间的轴向长度可达电励磁绕组端部最大伸出长度的1.3倍，增大了电机总长度而不能得到有效利用。并且，对于手工成型的励磁线圈，该空间内端部绕组形状不规则，导致端部护套绑扎厚度不均，降低了绑扎质量。

技术实现要素：

本发明的目的，是提供一种并列转子结构混合励磁电机无刷电励磁转子磁极，有效增强气隙磁场调节能力，实现电励磁转子励磁绕组的高品质、无刷化供电，提高混合励磁电机运行的可靠性。

本发明所采用的技术方案是：一种并列转子结构混合励磁电机无刷电励磁转子磁极，电励磁转子磁极由直线段铁心磁极(7)以及位于永磁转子磁极(2)和直线段铁心磁极(7)之间的端部铁心磁极(6)组成；直线段铁心磁极(7)、端部铁心磁极(6)组成的电励磁转子磁极与励磁机旋转电枢(15)以及永磁转子磁极(2)同轴排布；电励磁绕组(9)采用旋转整流供电系统实现无刷化供电，电励磁转子磁极与永磁转子磁极(2)共用一套定子绕组，且二者极数相同，端部铁心磁极(6)和直线段铁心磁极(7)与转轴(1)配合固定，通过键联接使端部铁心磁极(6)、直线段铁心磁极(7)以及永磁转子磁极(2)三者的直轴沿轴向方向重合。

一种并列转子结构混合励磁电机无刷电励磁转子磁极，所述端部铁心磁极(6)中C型转子槽(60)的槽数为直线段铁心磁极(7)中转子槽(70)的槽数的二分之一；端部铁心磁极(6)与直线段铁心磁极(7)的槽宽、槽深均相同，转子槽(60)和转子槽(70)均为矩形开口槽；在直线段铁心磁极(7)的槽口(71)处安装槽楔，端部铁心磁极(6)采用绑扎带(5)固定电励磁绕组(9)；第一C型转子齿(63)、第二C型转子齿(64)、第三C型转子齿(65)的宽度不小于直线段转子齿(72)的宽度；端部铁心磁极大极(62)的轴向长度不小于电励磁绕组(9)的转弯半径。

一种并列转子结构混合励磁电机无刷电励磁转子磁极，所述的旋 转整流供电系统，其励磁机旋转电枢绕组为六相双Y移30°形式，两套Y型旋转电枢绕组的引出线分别连接到第一三相旋转整流桥(16)、第二三相旋转整流桥(17)的输入端，第一三相旋转整流桥(16)、第二三相旋转整流桥(17)的直流输出为并联连接；励磁机旋转电枢铁心(15)上安装环形基座(13)，旋转整流模块(14)为多块对称安装在环形基座(13)两侧，非金属材料护环(11)将励磁机电枢绕组(12)的端部绑扎固定在环形基座(13)上。

一种并列转子结构混合励磁电机无刷电励磁转子磁极，所述的电励磁转子磁极由挡板(4)、端部铁心磁极(6)以及直线段铁心磁极(7)装配构成，挡板(4)采用非导磁材料，挡板(4)的厚度在满足绑扎强度要求的基础上取小值。

本发明具有以下有益特点：

(1)充分利用电机体积空间，提高气隙磁场调节能力：本发明所涉及的电励磁转子端部铁心磁极结构，可以在有限的电机体积内，充分利用永磁转子与电励磁转子之间的端部空间，提高了电机的空间利用率，有效地增大了电励磁转子的气隙总面积，有利于提高气隙磁场调节能力，降低励磁电流及励磁绕组损耗。

(2)提供规则的端部绑扎路径及有效的绑扎支撑结构：在端部铁心磁极C型路径的转子槽中，沿圆周方向的转子槽口为励磁绕组端部的绑扎提供了空间及路径。并且，C型转子齿的轴向部分提供了有效的支撑，可使绑扎更为紧密，形状更为规则，有利于提高励磁绕组端部固定的可靠性。

(3)提高电励磁绕组端部散热能力：本发明中电励磁绕组端部安装在端部铁心磁极的转子槽中，励磁绕组端部产生的热量通过槽内绝缘向端部铁心磁极C型齿和转轴传递，与常规电励磁转子端部采用不锈钢护环或非金属材料护环的情况相比，热量更容易被带走，提高了散热能力。

(4)提高长期运行的可靠性并具备故障冗余运行能力：本发明涉及的旋转整流供电系统，将六相双Y移30°旋转电枢绕组与两套三相旋转整流桥相结合，只利用一个励磁机旋转电枢部件就实现了12脉波的整流输出，既实现了电励磁转子供电的无刷化，又比常规六脉波整流具有更高的直流供电品质。如果考虑安全裕度，也可按照其中一组整流桥发生故障，另外一组仍能有效励磁进行设计。因此，有利于提高电机运行的可靠性，并具备了冗余能力。

本发明对于负载变化范围大、稳压性能要求高的独立电源供电系统以及需要宽调速范围运行的电动汽车、风力发电等领域具有重要的应用价值。

附图说明

图1带端部铁心磁极的无刷并列转子结构图；

图2端部铁心磁极结构俯视图；

图3端部铁心磁极结构斜视图；

图4直线段铁心磁极截面图；

图5电励磁转子磁极装配顺序示意图；

图6旋转整流供电系统的原理图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，一种并列转子结构混合励磁电机无刷电励磁转子磁极，由直线段铁心磁极7以及位于永磁转子磁极2和直线段铁心磁极7之间的端部铁心磁极6组成；直线段铁心磁极7、端部铁心磁极6组成的电励磁转子磁极与励磁机旋转电枢15以及永磁转子磁极2同轴排布；电励磁绕组9采用旋转整流供电系统实现无刷化供电。电励磁转子磁极与永磁转子磁极2共用一套定子绕组，且二者极数相同，端部铁心磁极6和直线段铁心磁极7与转轴1配合固定，通过键联接使端部铁心磁极6、直线段铁心磁极7以及永磁转子磁极2三者的直轴沿轴向方向重合。端部铁心磁极6的转子槽60在磁极表面呈C型，如图2所示。

如图3和图4所示，端部铁心磁极6中C型转子槽60的槽数为直线段铁心磁极7中转子槽70的槽数的二分之一；端部铁心磁极6与直线段铁心磁极7的槽宽、槽深均相同,转子槽60和转子槽70，其槽型均为矩形开口槽；在直线段铁心磁极7的槽口71处安装槽楔，并在端部铁心磁极6中采用绑扎带5固定电励磁绕组9，电励磁绕组9根据实际需要可采用铜扁线或者漆包线；第一C型转子齿63、第二C型转子齿64、第三C型转子齿65的宽度t₂不小于直线段转子齿72的宽度t₁；端部铁心磁极大极62的轴向长度L₂不小于电励磁绕组9的转弯半径R。第一C型转子齿63、第二C型转子齿64、第三C型转子齿65上的凹槽61，可为绑扎带5提供有效的支撑，有利于提 高端部绑扎的可靠性。在电励磁绕组9的端部与转轴1之间放置绝缘垫层10，采用不锈钢或非金属材料护环8固定电励磁绕组9的端部。以端部铁心磁极6的大极62为中心，依次向外定义C型转子齿序号为n＝1、2…(Z₂/2-1)，Z₂为每极转子槽数。假设大极62处的气隙磁密为B₀，不计饱和与非线性的影响，第n个C型转子齿处气隙磁密近似为B_nr＝(Z₂/2-n)B₀/(Z₂/2)。在轴向长度L₂空间内的磁极可近似看做是直线段铁心磁极7的延伸，加之各C型转子齿产生的阶梯磁密，使本发明提供的电励磁转子磁极产生的总气隙磁通要高于常规仅有直线段铁心磁极7的情况，有利于提高电机的气隙磁场调节能力。

如图5所示，所述的电励磁转子磁极由挡板4、端部铁心磁极6以及直线段铁心磁极7装配构成。挡板4采用非导磁材料，一方面可以增大永磁磁极2的端部漏磁磁路的磁阻，减小永磁磁极2的端部漏磁，另一方面可以降低定子漏抗。绑扎最外侧电励磁绕组所需的支撑台阶41位于挡板4上，挡板4的厚度(不含支撑台阶41)在满足绑扎强度要求的基础上取小值。

电励磁绕组9采用旋转整流供电系统实现无刷化供电，旋转整流供电系统的原理如图6所示。励磁机的旋转电枢绕组为六相双Y移30°形式，两套Y型电枢绕组的引出线分别连接到第一三相旋转整流桥16、第二三相旋转整流桥17的输入端，第一三相旋转整流桥16、第二三相旋转整流桥17的直流输出为并联连接。旋转整流系统的直流输出连接到电励磁绕组9的引出线，从而实现电励磁转子无刷化供电。励磁机旋转电枢铁心15上安装环形基座13，旋转整流模块14 为多块，对称安装在环形基座13两侧，采用非金属材料护环11将励磁机电枢绕组12的端部绑扎固定在环形基座13上。由于该整流系统为12脉波整流，因此供电品质高于常规6脉波整流。此外，因两组三相旋转整流桥为并联连接，因此可按照其中一组发生故障时，另一组仍然能够提供励磁进行设计，使供电系统具备故障冗余能力。