[发明专利]一种高功率密度的混合励磁同步发电机

说明书

技术领域

本发明属于电机技术领域，更具体地，涉及一种高功率密度的混合励磁同步发电机。

背景技术

与传统的电励磁发电机相比，永磁发电机取消了励磁绕组，具有结构简单、功率密度高、效率高等显著优点。但由于永磁发电机的气隙磁场基本恒定，调节气隙磁场困难从而导致电压调节的困难，在发电机运行下，转速变化或负载变化会造成输出电压的变动，对负载设备的可靠运行产生不利影响，阻碍了永磁发电机的发展和应用。

电励磁发电机可以调节直流或交流励磁电流，从而能够方便地调节气隙磁场，保持输出电压恒定。但其功率密度较低，结构复杂，特别是励磁绕组在转子上时需要电刷滑环或旋转整流器，因此难以实现电机的高速运行。

混合励磁发电机综合了上述两种电机的优点又能克服其缺陷，在永磁发电机的基础上引入辅助电励磁绕组，达到改善永磁发电机调压性能的目的。近年来，国内外学者对混合励磁发电机结构进行了深入的研究，但现有结构都存在不同的缺陷。电励磁绕组位于转子上的混合励磁发电机结构复杂，且励磁磁势只能单向调节，励磁功率损耗较大；电励磁绕组位于定子上的结构虽然适合高速运行，但是大多数存在附加气隙，降低了电机的功率密度和材料利用率，不适合用作大功率高速永磁发电系统。

发明内容

本发明的目的在于针对现有结构存在的缺陷，提供一种转子无绕组、结构简单、可高速运行、无附加气隙并具有高功率密度的混合励磁同步发电机。

本发明提供了一种混合励磁同步发电机，所述发电机包括定子和转子，定子由定子铁心、环形直流励磁绕组、定子电枢绕组和导磁套筒组成，在所述定子铁心内布置有两组环形直流励磁绕组，将所述定子铁心分成三段，在所述定子铁心上沿径向分布有定子电枢绕组，定子铁心的外部套有导磁套筒实现磁路连接；定子铁心内部为转子，转子与定子铁心之间留有磁气隙，转子由转轴、转子背轭、转子永磁极和转子铁心极和组成，转子的表面装有转子永磁极和转子铁心极，转子永磁极和转子铁心极的内部是转子背轭，转子背轭的内部是转轴，在所述转子表面与定子铁心中间段对应的位置装有转子永磁极，在所述转子表面与定子铁心侧边两段对应的位置装有转子永磁极和转子铁心极；发电机与定子铁心对应的中间段形成全永磁部分，发电机与定子铁心对应的侧边两段形成辅助电励磁部分，全永磁部分位于电机中部，辅助电励磁部分位于电机两侧。

优选地，在全永磁部分对应的转子中间段，永磁体N极与永磁体S极沿圆周依次排列，在辅助电励磁部分对应的转子侧边两段，永磁体与转子铁心极交错布置。

优选地，转子部分的永磁体为内置式或表贴式结构，充磁方式采用径向充磁、平行充磁或海尔贝克充磁方式。

优选地，定子部分利用水冷机套散热，并对环形直流励磁绕组进行灌胶处理，从而提高定子整体的散热性能。

优选地，定子铁心由硅钢片叠压而成。

具体地，定子电枢绕组为三相或多相。

本发明的工作原理是：由永磁体提供发电机的主磁场，由辅助的电励磁绕组来实现电压调节所需要的磁场变化。永磁体的磁通路径为永磁体N极→气隙→定子铁心→定子导磁套筒→定子铁心→气隙→永磁体S极→转子背轭→永磁体N极。直流励磁绕组产生的电励磁磁通路径为转子铁心极→气隙→定子铁心→定子导磁套筒→定子铁心→气隙→转子铁心极→转子背轭→转子铁心极。永磁体和直流励磁绕组产生的磁场在气隙中叠加，共同作用在定子电枢绕组上感应出电动势。

所述定子内的两组直流励磁绕组的电流方向相同，可以双向调节，当直流励磁电流为正时，沿转子轴向分布的铁心极和永磁极磁场方向相同，叠加后气隙磁场增强，输出电压增大；当直流励磁电流为负时，沿转子轴向分布的铁心极和永磁极磁场方向相反，从而使气隙磁场减弱，输出电压减小。

本发明与现有混合励磁电机相比，具有以下特点：

（1）两侧直流励磁绕组产生的磁场对中间全永磁部分的作用相互抵消，调节励磁电流对全永磁部分基本没有影响，电机整体具有较好的对称性。

（2）直流励磁绕组位于定子上，实现了无刷化励磁，转子上没有绕组，增加了电机的可靠性，有利于电机的高速运行。

（3）电励磁磁路不经过永磁体，不存在附加气隙，所需电励磁磁动势小，电励磁效率高，调节励磁电流不会引起永磁体的不可逆失磁。

（4）全永磁部分作为电机的主发电部分，使电机具有较高的功率密度，合理设计全永磁部分和辅助电励磁部分的比例，可以满足不同应用场合的调压要求。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；