CN103683775B - 一种三次谐波励磁同步电机 - Google Patents

Abstract

一种三次谐波励磁同步电机，包括一机壳、定子铁心、定子电枢绕组、定子三次谐波绕组、转子铁心、转子励磁绕组、转子谐波绕组、转轴。电枢绕组和三次谐波绕组分布于定子槽中；励磁绕组套在磁极极身，谐波绕组分布于转子槽中，三次谐波绕组通过反并联晶闸管短接，晶闸管触发脉冲的相位由励磁控制器给定，励磁绕组与谐波绕组通过二极管整流电路相连。本发明通过定子三次谐波绕组与转子谐波绕组之间的磁耦合实现了将三次谐波绕组感应的电动势传递到励磁绕组进行励磁，取消了电刷和集电环或者交流励磁机，具有可靠性高、维护量小和制造成本低等优点；通过控制反并联晶闸管的触发脉冲相位实现了发电机端电压的调节，具有控制方便、易于调节的优点。

Description

一种三次谐波励磁同步电机

技术领域

本发明涉及一种电励磁同步电机，特别涉及一种新型三次谐波励磁同步电机。

背景技术

电机中的谐波磁场是客观存在的，通常都设法减弱或消除谐波对电机性能的影响。然而，在不影响电机性能的前提下，采用谐波进行励磁，则是巧妙地利用电机中的谐波磁场。自20世纪70年代起，国内一些学者和电机厂技术人员开始对气隙中三次谐波磁场的利用进行研究，并成功地应用于同步发电机的励磁系统中，形成了一种三次谐波励磁的同步发电机。

三次谐波励磁同步电机结构与普通同步电机相似，区别在于电机定子铁心槽里除了布置电枢绕组外，还布置了一套三次谐波绕组，三次谐波绕组用于获取气隙中的三次谐波磁场能量，整流后提供给发电机的励磁绕组进行励磁。

采用三次谐波励磁的励磁方式与基波相复励相比，具有线路简单、反应速度快以及良好的相复励特性等优点，但由于三次谐波绕组在定子侧，需要借助电刷和集电环输入到转子励磁绕组中，形成有刷的三次谐波励磁同步发电机，或者需要借助交流励磁机形成无刷的三次谐波励磁同步发电机，从而降低了电机运行的可靠性以及增加了电机维护的工作量和制造成本。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种新型三次谐波励磁同步电机。该电机在传统三次谐波励磁同步电机的基础上，增加了一套转子谐波绕组，通过定子三次谐波绕组与转子谐波绕组之间的磁场耦合关系实现了将定子三次谐波绕组感应的三次谐波电动势传递到转子励磁绕组，取消了电刷和集电环或者交流励磁机。

本发明是通过以下技术方案是实现的。

一种新型三次谐波励磁同步电机，包括一机壳，机壳内装有由定子铁心、定子电枢绕组、定子三次谐波绕组组成的定子，以及由转子铁心、转子励磁绕组、转子谐波绕组、转轴组成的转子。定子电枢绕组和定子三次谐波绕组分布于定子铁心上沿圆周方向开设的槽中。转子励磁绕组布置于转子磁极极身，转子谐波绕组分布于转子铁心上沿圆周方向开设的槽中。定子三次谐波绕组通过一对反并联的晶闸管短接，晶闸管触发脉冲的相位由励磁控制器决定，转子励磁绕组与转子谐波绕组通过二极管整流电路相连。

所述的定子电枢绕组可以为三相绕组，也可以为单相或者多相绕组；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为单相绕组。

所述的转子谐波绕组可以为三相绕组，也可以为单相或者多相绕组。

所述的定子电枢绕组极距为定子三次谐波绕组极距的三倍。

所述的定子三次谐波绕组节距与转子谐波绕组节距相等。

所述的三次谐波励磁同步电机定子极对数与转子极对数相同。

所述的三次谐波励磁同步电机可以为凸极结构，也可以为隐极结构。

本发明的三次谐波励磁同步电机定子上布置两套绕组：定子电枢绕组和定子三次谐波绕组。定子电枢绕组用于机电能量转换，定子三次谐波绕组用于获取气隙中的三次谐波磁场能量，定子三次谐波绕组极对数为定子电枢绕组极对数的三倍。电机转子上也布置两套绕组：转子励磁绕组和转子谐波绕组，定子三次谐波绕组节距与转子谐波绕组节距相等。转子极对数与定子电枢绕组极对数相同。定子电枢绕组和定子三次谐波绕组分别与励磁磁动势产生的基波磁场和三次谐波磁场相对应，产生电磁感应作用，相当于一台旋转磁极的同步发电机。定子三次谐波绕组与转子谐波绕组相对应，产生电磁感应作用，相当于一台旋转电枢的同步发电机。转子谐波绕组感应的电动势经过二极管整流电路得到的直流电直接提供给转子励磁绕组进行励磁，通过控制定子反并联的晶闸管触发脉冲相位，可以实现转子励磁绕组电流的调节，从而达到调节定子电枢绕组电压的目的。

与现有技术相比，本发明的三次谐波励磁同步电机具有如下特点：

1、通过定子三次谐波绕组与转子谐波绕组之间的磁场耦合关系实现了将定子三次谐波绕组感应的三次谐波电动势传递到转子励磁绕组，取消了电刷和集电环或者交流励磁机，提高了电机运行的可靠性、减少了电机维护的工作量和制造成本。

2、通过控制定子反并联的晶闸管触发脉冲的相位可调节转子励磁绕组电流以及发电机端电压，具有控制方便、易于调节的优点。

附图说明

图1是图2的A-A截面图，为三次谐波励磁同步电机结构示意图。其中1为机壳，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为转子励磁绕组，6为转子谐波绕组，7为转子铁心，8为转轴，9为轴承。

图2是图1中电机截面图，以4极为例。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为转子励磁绕组，6为转子谐波绕组，7为转子铁心，8为转轴，10为定子铁心上布置绕组的槽，11为转子铁心上布置转子谐波绕组的槽。

图3是三次谐波励磁同步电机电路原理图。

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。

实施例。

由图1和图2可知，本发明的新型三次谐波励磁同步电机，包括机壳，机壳内配置有定子铁心，定子铁心上沿圆周方向开槽，槽内布置有定子电枢绕组和定子三次谐波绕组。机壳与定子铁心固定不动，机壳内配置有转轴，转轴通过轴承与机壳连接。转子励磁绕组布置在转子磁极极身上，转子谐波绕组分布于转子铁心上沿圆周方向开设的槽中。转子励磁绕组、转子谐波绕组、转子铁心可一起随着转轴在定子铁心内旋

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，电机剩磁会在定子电枢绕组和定子三次谐波绕组中分别感应同步频率的电动势和感应3倍同步频率的电动势，3倍同步频率的电动势产生3倍同步频率的电流，该电流产生的磁场在转子谐波绕组中感应谐波电动势，经二极管整流后提供给转子励磁绕组进行励磁，以增强电机的气隙磁场，从而建立电机的空载电压。为了调节定子电枢绕组电动势，在普通电励磁同步电机的基础上增加了一套定子三次谐波绕组和一套转子谐波绕组，通过控制反并联晶闸管的触发脉冲相位便可以调节定子三次谐波绕组中电流大小，从而控制转子谐波绕组电动势以及励磁绕组电流大小，实现了调节发电机端电压的功能。晶闸管触发脉冲的相位由励磁控制器检测发电机端电压后决定，电路原理图如图3所示。

下面具体说明定子三次谐波绕组和转子谐波绕组之间的电磁作用，以凸极结构的同步电机为例进行说明。

当不考虑定子齿槽影响时，气隙导磁系数为

式中，θ为转子坐标系的电角度，坐标系纵轴轴线与转子d轴重合；λ₀为平均气隙磁导；λ_l为各次谐波磁导幅值；l为正整数。

励磁磁动势中只含有基波和奇数次谐波，可以表示为

式中，F_fdmν为各次谐波磁动势幅值；ν为奇数。

当励磁磁动势作用在气隙磁导上产生的气隙磁场可以表示为

由式（3）可知，气隙中含有基波和奇数次谐波磁场，这些磁场随转子以同步速旋转，在定子侧感应基波和奇数次谐波电动势。

谐波电动势中以三次谐波电动势幅值最大，则定子三次谐波绕组感应的三次谐波电动势可以表示为

e₃(t)＝E_3mcos(3ωt) （4）

式中，E_3m为三次谐波电动势幅值；ω为基波角频率；t为时间。

定子三次谐波绕组产生的三次谐波电流可以表示为

式中，I_3m为三次谐波电流幅值；为三次谐波电动势与三次谐波电流之间的相位差。

三次谐波电流产生的三次谐波磁动势可以表示为

式中，α为定子坐标系的电角度，坐标系纵轴轴线与三次谐波绕组轴线重合；F_3m为三次谐波磁动势幅值。

三次谐波磁动势作用在平均气隙磁导上产生的气隙磁场可以表示为

由式（7）可知，三次谐波磁动势作用在平均气隙磁导上产生的气隙磁场由两部分组成：式中第一项相对定子转速为ω，相对转子静止，不会在转子谐波绕组中感应交流电动势；式中第二项定子转速为-ω，相对转子-2ω，在转子谐波绕组中感应6倍同步频率的电动势。

转子谐波绕组感应的6倍同步频率的交流电动势经过二极管整流后得到直流励磁电流，直流励磁电流通入到转子励磁绕组中实现励磁，电路原理图如图3所示。

直流励磁电流流过转子励磁绕组建立相对于转子铁心静止的磁场，该磁场相对于定子铁心和定子电枢绕组为同步速旋转，在定子电枢绕组中感应同步频率的电动势，定子电枢绕组与外部电路相联就可以向外输出能量。

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

定子三次谐波绕组通过反并联晶闸管短接，晶闸管触发脉冲的相位由励磁控制器通过检测端电压后给定，反并联晶闸管可以由两只晶闸管组成，也可以由一只具有双向功能的晶闸管组成。

二极管整流电路可以采用桥式全波整流，也可以是半波整流。

Claims (8)

1.一种三次谐波励磁同步电机，包括一机壳，其特征在于：机壳内装有由定子铁心、定子电枢绕组、定子三次谐波绕组组成的定子和由转子铁心、转子励磁绕组、转子谐波绕组、转轴组成的转子；定子电枢绕组和定子三次谐波绕组分布于定子铁心上沿圆周方向开设的槽中，定子电枢绕组极距为定子三次谐波绕组极距的三倍，转子励磁绕组布置于转子磁极极身，转子谐波绕组分布于转子铁心上沿圆周方向开设的槽中，定子三次谐波绕组节距与转子谐波绕组节距相等，定子三次谐波绕组通过一对反并联的晶闸管短接，晶闸管触发脉冲的相位由励磁控制器检测发电机端电压后决定，转子励磁绕组与转子谐波绕组通过二极管整流电路相连；定子三次谐波绕组感应三倍同步频率的电动势，三倍同步频率的电动势产生三倍同步频率的电流，该电流产生的磁场在转子谐波绕组中感应六倍同步频率的电动势，经二极管整流后提供给转子励磁绕组进行励磁；通过控制反并联晶闸管的触发脉冲相位便可以调节定子三次谐波绕组中电流大小，从而控制转子谐波绕组电动势以及励磁绕组电流大小。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征是所述的定子电枢绕组为单相或多相绕组。

3.根据权利要求1所述的电机，其特征是所述的定子电枢绕组为整数槽绕组或分数槽绕组。

4.根据权利要求1所述的电机，其特征是所述的定子三次谐波绕组为单相绕组。

5.根据权利要求1所述的电机，其特征是所述的转子谐波绕组为单相或多相绕组。

6.根据权利要求1所述的电机，其特征是所述的三次谐波励磁同步电机定子极对数与转子极对数相同。

7.根据权利要求1所述的电机，其特征是所述的三次谐波励磁同步电机为凸极结构或隐极结构。

8.根据权利要求1所述的电机，其特征是所述的反并联晶闸管由两只晶闸管组成或由一只具有双向功能的晶闸管组成。