[发明专利]永磁电机

说明书

技术领域

本发明总体涉及既用作同步发电机又用作同步电动机的永磁（PM）电机。更具体地，本发明涉及负载时输出/定子电压及电流波形中谐波分量的控制。

背景技术

PM同步机是耐用、可靠且高效的，并且具有相对高的能量密度。与具有有刷或无刷励磁机的绕线式励磁同步机相比，PM同步机具有很多吸引人的特性。由于PM同步机的减排转子，储存能量和增加电动机和发电机效率的需求表明，PM同步机越来越成为受欢迎的选择。在一些情况下，通过采用PM转子代替绕线转子，可以节省最高达20%的能量。

虽然有这些优势，一些现有设计的PM同步机还有缺陷。PM同步机采用相对大量的磁性材料，这增加了其成本。当用作同步发电机时，PM同步机在承载时稳压性较差并且会受畸变电压和电流波形的影响。当用作同步电动机时，在没有一些形式的传感反馈的情况下，其很难启动。此外，承载时，PM电机（定子）的反电势波形（back emf waveform）会被扭曲，降低其效率并且需要更复杂的控制电路。

具有低级数（例如2-极和4-极）的机器中，这些问题更明显，通常承载时，会出现严重的波形扭曲。该领域中使用PM发电机的问题在于，2-极和4-极发电机难以设计，且在负载条件下可能遭受严重的波形畸变。畸变的产生源于所谓的通量曳引效应，该效应导致转子中的磁通量因为绕组中的负载电流而从磁体径向轴线偏斜。与磁极数量更多的发电机相比，为实现相同的功率输出，PM 2-极和4-极PM发电机还使用了更多的磁体材料。相应地，还没有发现在小规模电力应用中广泛使用PM同步发电机，例如，5至20kW范围内的单相和三相3000rpm（2-极）或1500rpm（4-极）汽油和柴油驱动发电机。

当前唯一实用的2-极和4-极设计是表面安装磁体的类型。然而，这些设计在负载条件下也有畸变的输出电压/反向电势（back emf）和电流波形，并且在高负载条件下可能遭受磁缘（magnet edge）去磁化。用于2-极和4-极转子的表面安装的磁体段具有大弧段（large arc segment），这表明在其制造中存在大量废料，这增加了磁体的货币成本。表面安装PM AC发电机的当前设计在负载条件下显示出巨大的压降。因为恒速条件下这些发电机没有的简单的调压方法，发电机应用需要好的调压，无法使用PM同步类型。

但是，有些PM同步发电机具有可接受的波形和调压。这些发电机具有一体PM转子。这些设计的主要问题在于，就算是在较低功率条件下，它们使用的磁体材料也是等效的表面安装设计的六倍或更多，并且不能在4-极配置中制成。相反，此类发电机当在2-极设计中仅在3kW额定功率及以下时是实用的。如果高于该额定功率，则磁体成本和体积会按照转子直径的平方而增加，使其不再具有成本效益。

这些问题表明，PM发电机和电动机的当前设计仅适合于低级别、低功率的应用，其中调压（即发电机）或反电势（即电动机）和谐波畸变都不重要。

有必要克服或至少改善这些缺点中的一个或多个。

发明内容

广义上而言，本发明提供了一种包括绕组定子及转子的同步发电机。该转子包括：至少两个磁极，并且每个磁极由一对成角度地隔开的永久磁体构成；转子磁极片，位于每个所述磁极之间；三角形空隙，位于转子磁极片中；以及多个狭槽，位于转子磁极片中。

披露了其他方面。

附图说明

在附图中：

图1示出了2-极机器的截面图；

图2A示出了图1机器的在空载条件下的通量线；

图2B示出了图1机器的在满载条件下的通量线；

图3是图1机器的局部截面图；

图4示出了已组装的2-极机器的剖视图；

图5示出了4-极机器的截面图；

图6A示出了图5机器的在空载条件下的通量线；

图6B示出了图5机器的在满载条件下的通量线；

图7示出了具有无通量空隙的已知2-极机器的在负载条件下的输出电压波形；

图8示出了图7的输出波形的基础及谐波频率分量的曲线；

图9示出了图1的2-极机器在负载条件下的输出电压波形；以及

图10示出了图9的输出波形的基础及谐波频率分量的曲线。

具体实施方式

在下面，除非明确指明，否则关于“发电机”（或简称“机器”）应理解为等同于与发电机或电动机的应用。