CN103887908A - 一种无刷谐波励磁同步电机 - Google Patents

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Abstract

一种无刷谐波励磁同步电机，属于电励磁同步电机领域。本发明是为了解决现有永磁电机要依赖于昂贵的永磁材料，电励磁电机需要独立励磁机的问题。本发明所述的一种无刷谐波励磁同步电机，在每一极的极靴中间位置开有绕组槽，将极靴分出转子分齿，并在每个转子分齿均嵌套谐波绕组，利用定子中的三次谐波电流、高次谐波电流或直流分量电流在电机气隙中产生谐波磁场，在谐波绕组中产生感应电流给励磁绕组提供励磁电流，实现无刷励磁。本发明所述的电机完全基于电励磁，不依赖于永磁材料和励磁机，克服了独立的励磁机励磁方式中的电机系统结构复杂且庞大的不足，结构简单、制造方便、性能良好。本发明适用于风力发电和混合动力汽车的应用。

Description

一种无刷谐波励磁同步电机
技术领域
本发明属于电励磁同步电机领域。
背景技术
永磁同步电机由于具有高效节能、功率密度高及无刷控制等特点，在工业界逐渐得到了广泛的应用。特别是在一些中小功率应用场合，如电动汽车，新能源发电系统等。然而，永磁电机的这些优点都是建立在高性能的稀土永磁材料的基础之上的。随着工业和社会的发展，对稀土资源需求量会不断增大。近十年来，稀土永磁材料的价格上涨了数倍之多，这会使稀土资源逐渐成为影响高性能永磁电机发展的瓶颈。并且，永磁同步电机本身还存在一些技术上的问题，如：(1)在一些特定的场合，需要发电机在较大的转速差的情况下控制输出电压调整率，永磁电机由于磁场调节困难，难以达到相关要求。(2)在作为电动机时，由于永磁体的气隙磁场不能调节，不能进行弱磁控制，会限制电机的转速调节范围。(3)永磁同步电机存在固有的定位转矩，消除定位转矩也是比较复杂的问题。
对于大型电励磁同步电机，主要采用同轴联接的旋转电枢式励磁机及旋转整流器构成无刷励磁系统。而对于中小功率电机，受限于体积重量与成本等因素，往往不适合增加额外励磁机。
此外，耦合变压器励磁在中小型电机无刷励磁中也有所采用。但是，与普通变压器高效传递能量不同，在耦合变压器中，磁通路径不全是铁心，在定、转子铁心部分之间必然存在一段气隙，这就需要很大的变压器激磁电流来克服气隙磁压降，从而使功率传递效率及功率因数等指标降低。采用谐波励磁最大的问题是，由于谐波电动势依然属于运动电动势，因此与采用独立励磁机情况相同，适合于发电机运行，而作为电动机运行时存在起动问题需要解决。而各种混合励磁方式中电机的都较复杂，而且也同样依赖于永磁材料。
发明内容
本发明是为了解决现有永磁电机要依赖于昂贵的永磁材料，电励磁电机需要独立励磁机的问题，现提供一种无刷谐波励磁同步电机。
一种无刷谐波励磁同步电机，所述电机的转子铁芯为4极结构，每一极的极靴中间位置均开有绕组槽，该绕组槽将4个极靴分为8个转子分齿，每个转子分齿上均嵌套有谐波绕组。
上述电机的定子铁芯为12槽结构，定子绕组为单层结构，节距为3，且为开放绕组。
上述电机的定子铁芯为12槽结构，定子绕组为双层结构，节距为3。
上述电机的定子铁芯为18槽结构，定子绕组为双层结构，节距为2。
上述电机的定子铁芯为18槽结构，定子绕组为双层结构，节距为4。
上述电机的定子绕组中通入的电流为幅值为N的基波电流和幅值为小于N的三次谐波电流。
上述电机的定子绕组中通入的电流为幅值为N的基波电流和幅值为N/5的三次谐波电流。
上述电机的定子绕组中通入的电流为幅值为N的基波电流和高次谐波电流。
上述电机的定子绕组中通入的电流为幅值为N的基波电流和直流分量电流。
本发明所述的一种无刷谐波励磁同步电机，在每一极的极靴中间位置开有绕组槽，将极靴分出转子分齿，并在每个转子分齿均嵌套谐波绕组，利用定子中的三次谐波电流、高次谐波电流或直流分量电流在电机气隙中产生谐波磁场，在谐波绕组中产生感应电流给励磁绕组提供励磁电流，实现无刷励磁。本发明所述的电机完全基于电励磁，不依赖于永磁材料和励磁机，克服了独立的励磁机励磁方式中的电机系统结构复杂且庞大的不足，结构简单、制造方便、性能良好。本发明所述的一种无刷谐波励磁同步电机，适用于风力发电和混合动力汽车的应用。
附图说明
图1为本发明所述的一种无刷谐波励磁同步电机转子部分的结构示意图。
图2为具体实施方式二所述的一种无刷谐波励磁同步电机的结构示意图。
图3为定子电枢磁场与转子绕组结构变化曲线图，其中箭头1表示基波磁场旋转方向，箭头2表示三次谐波脉振磁场方向，箭头3表示转子同步旋转方向；曲线4表示基波电流波形曲线，曲线5表示三次谐波电流波形曲线；折线6表示定子齿槽结构，折线7表示转子齿结构；A、B和C分别表示定子三相绕组的每一相绕组，F表示转子励磁绕组，H表示转子谐波绕组。
图4为本发明所述的一种无刷谐波励磁同步电机的电气原理图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种无刷谐波励磁同步电机，所述电机的转子铁芯1为4极结构，每一极的极靴2中间位置均开有绕组槽，该绕组槽将4个极靴分为8个转子分齿3，每个转子分齿3上均嵌套有谐波绕组4。
本实施方式中，所述无刷谐波励磁同步电机与普通电励磁同步电机相比，本实施方式所述电机在转子上增加了一套谐波绕组，该谐波绕组能够利用定子电流产生的谐波磁场感应谐波电势，谐波电势通过旋转整流器给励磁绕组提供励磁电流，从而实现无刷励磁。本实施方式所述电机完全基于电励磁，而不依赖于永磁材料励磁，也不需要独立励磁机励磁，因此使成本降低。
具体实施方式二：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种无刷谐波励磁同步电机作进一步说明，本实施方式中，所述电机的定子铁芯为12槽结构，定子绕组为单层结构，节距为3，且为开放绕组。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种无刷谐波励磁同步电机作进一步说明，本实施方式中，所述电机的定子铁芯为12槽结构，定子绕组为双层结构，节距为3。
本实施方式中，当所述电机的定子铁芯为12槽结构，定子绕组为双层结构，节距为3时，电机产生的谐波电势最大。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种无刷谐波励磁同步电机作进一步说明，本实施方式中，所述电机的定子铁芯为18槽结构，定子绕组为双层结构，节距为2。
本实施方式中，当所述电机的定子铁芯为18槽结构，定子绕组为双层结构，节距为2时，电机产生的谐波电势最大。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种无刷谐波励磁同步电机作进一步说明，本实施方式中，所述电机的定子铁芯为18槽结构，定子绕组为双层结构，节距为4。
本实施方式中，当所述电机的定子铁芯为18槽结构，定子绕组为双层结构，节距为4时，电机产生的谐波电势最大。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种无刷谐波励磁同步电机作进一步说明，本实施方式中，所述电机的定子绕组中通入的电流为幅值为N的基波电流和幅值为小于N的三次谐波电流。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六所述的一种无刷谐波励磁同步电机作进一步说明，本实施方式中，所述电机的定子绕组中通入的电流为幅值为N的基波电流和幅值为N/5的三次谐波电流。
具体实施方式六和七中，定子绕组中通过的是基波电流和三次谐波电流，三次谐波电流在气隙中形成周期为1/3基波周期的脉振磁场，如图3所示，任一时刻转子励磁绕组同一极线圈的两个有效边在脉振磁场中所感应的电动势是相互抵消的，因此励磁绕组不会在三次谐波脉振磁场中产生感应电流，即三次谐波脉振磁场对励磁绕组无影响。而谐波绕组每一个线圈的两个有效边在三次谐波脉振磁场中感应的电动势是同向的，可以产生感应电流，该电流经过旋转整流器整流后给励磁绕组提供励磁电流，实现谐波无刷励磁。
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种无刷谐波励磁同步电机作进一步说明，本实施方式中，所述电机的定子绕组中通入的电流为幅值为N的基波电流和高次谐波电流。
具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种无刷谐波励磁同步电机作进一步说明，本实施方式中，所述电机的定子绕组中通入的电流为幅值为N的基波电流和直流分量电流。
本发明所述的一种无刷谐波励磁同步电机的工作原理是三次谐波电流、高次谐波电流或直流分量电流励磁原理。
在定子三相绕组中通入幅值为N的基波和幅值为N/5的三次谐波电流、高次谐波电流或直流分量电流，谐波绕组能在所产生的谐波脉振磁场中产生感应电流，经过旋转整流器整流后给励磁绕组提供励磁电流，原理如图4所示。其中，定子开放绕组中的电流由图4中所示的双逆变器控制，电机定子绕组的一端接在一个逆变器的交流侧，电机定子绕组的另一端接在另一个逆变器的交流侧。稳态条件下，基波分量电流在气隙中形成同步旋转的磁场，转子也作同步旋转，转子上的励磁绕组和谐波绕组与基波磁场的相对位置不变，不会产生感应电势，因此基波电流分量对励磁绕组和谐波绕组中的电势均无影响。本发明所述的一种无刷谐波励磁同步电机作为发电机时，在原动机的带动下可以在定子绕组中产生反电势，向负载供电。此时需要用双逆变器控制定子绕组中的三次谐波电流，定子绕组中有谐波电流才会继续在谐波绕组中产生感应电势，在励磁绕组中产生励磁电流。本发明所述的一种无刷谐波励磁同步电机在作为电动机时，双逆变器给电机定子提供含基波和谐波的电流，谐波磁场可以在转子中产生励磁电流，励磁电流在气隙中产生的励磁磁场与定子绕组基波电流产生中的基波磁场相互作用，实现电机的同步旋转。现有永磁电机励磁磁场难以调节，本发明所述的一种无刷谐波励磁同步电机，与传统的电励磁电机类似，励磁磁场的调节都是通过控制电机转子上励磁绕组的电流大小来改变的。与传统电励磁电机不同，本电机不需要独立的励磁机，励磁电流的调节是通过改变电机定子中所加入的三次谐波电流的幅值来改变的。励磁电流的大小与定子中的三次谐波电流幅值成正相关关系，所以通过改变定子三次谐波电流的幅值即可调节励磁电流，进而达到调节励磁磁场的目的。

Claims (9)

1.一种无刷谐波励磁同步电机，其特征在于，所述电机的转子铁芯(1)为4极结构，每一极的极靴(2)中间位置均开有绕组槽，四个绕组槽将4个极靴分为8个转子分齿(3)，每个转子分齿(3)上均嵌套有谐波绕组(4)。
2.根据权利要求1所述的一种无刷谐波励磁同步电机，其特征在于，所述电机的定子铁芯为12槽结构，定子绕组为单层结构，节距为3。
3.根据权利要求1所述的一种无刷谐波励磁同步电机，其特征在于，所述电机的定子铁芯为12槽结构，定子绕组为双层结构，节距为3。
4.根据权利要求1所述的一种无刷谐波励磁同步电机，其特征在于，所述电机的定子铁芯为18槽结构，定子绕组为双层结构，节距为2。
5.根据权利要求1所述的一种无刷谐波励磁同步电机，其特征在于，所述电机的定子铁芯为18槽结构，定子绕组为双层结构，节距为4。
6.根据权利要求1所述的一种无刷谐波励磁同步电机，其特征在于，所述电机的定子绕组中通入的电流为幅值为N的基波电流和幅值为小于N的三次谐波电流。
7.根据权利要求6所述的一种无刷谐波励磁同步电机，其特征在于，所述电机的定子绕组中通入的电流为幅值为N的基波电流和幅值为N/5的三次谐波电流。
8.根据权利要求1所述的一种无刷谐波励磁同步电机，其特征在于，所述电机的定子绕组中通入的电流为幅值为N的基波电流和高次谐波电流。
9.根据权利要求1所述的一种无刷谐波励磁同步电机，其特征在于，所述电机的定子绕组中通入的电流为幅值为N的基波电流和直流分量电流。
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105610255A (zh) * 2016-03-01 2016-05-25 中车株洲电力机车研究所有限公司 一种电励磁同步电机的转子装置及电机
CN105846620A (zh) * 2015-01-29 2016-08-10 铃木株式会社 旋转电机
CN107340002A (zh) * 2017-06-28 2017-11-10 西安微电机研究所 一种小惯量有限角度传感器
CN108880158A (zh) * 2018-07-19 2018-11-23 哈尔滨工业大学 具有分立正交谐波绕组的同步电机及该电机的谐波磁场定向无刷励磁方法
CN108964392A (zh) * 2018-07-19 2018-12-07 哈尔滨工业大学 一种双三相同步电机及该电机的谐波磁场定向无刷励磁方法
CN109889003A (zh) * 2019-03-11 2019-06-14 上海理工大学 高频感应式无线馈电电励磁同步电机
CN111262410A (zh) * 2020-01-19 2020-06-09 东华大学 具有齿谐波自励磁稳压能力的无刷谐波励磁直流发电机
US11509175B1 (en) 2022-04-06 2022-11-22 John Sheung-Chun Hsu Homopolar multi-core energy conversion device

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH077900A (ja) * 1993-05-24 1995-01-10 Tadashi Fukami ブラシレス三相同期発電機
EP0716496A1 (en) * 1994-12-08 1996-06-12 Satake Corporation Three-phase brushless self-excited synchronous generator with no rotor excitation windings
WO2004013953A1 (de) * 2002-07-30 2004-02-12 Daimlerchrysler Ag Generator/motor-system und verfahren zum betreiben dieses generator/motor-systems
CN101562382A (zh) * 2009-05-27 2009-10-21 泰豪科技股份有限公司 五次谐波励磁无刷同步发电机
CN102185448A (zh) * 2011-05-09 2011-09-14 清华大学 无线传输、齿谐波励磁的混合励磁永磁电机
CN102420560A (zh) * 2011-12-09 2012-04-18 南京航空航天大学 变频交流起动发电系统励磁结构及交、直流励磁控制方法
CN103683775A (zh) * 2013-12-03 2014-03-26 南昌大学 一种三次谐波励磁同步电机

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1406695A2 (ru) * 1987-01-05 1988-06-30 Казанский Авиационный Институт Им.А.Н.Туполева Синхронный электродвигатель с электромагнитным возбуждением

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH077900A (ja) * 1993-05-24 1995-01-10 Tadashi Fukami ブラシレス三相同期発電機
EP0716496A1 (en) * 1994-12-08 1996-06-12 Satake Corporation Three-phase brushless self-excited synchronous generator with no rotor excitation windings
WO2004013953A1 (de) * 2002-07-30 2004-02-12 Daimlerchrysler Ag Generator/motor-system und verfahren zum betreiben dieses generator/motor-systems
CN101562382A (zh) * 2009-05-27 2009-10-21 泰豪科技股份有限公司 五次谐波励磁无刷同步发电机
CN102185448A (zh) * 2011-05-09 2011-09-14 清华大学 无线传输、齿谐波励磁的混合励磁永磁电机
CN102420560A (zh) * 2011-12-09 2012-04-18 南京航空航天大学 变频交流起动发电系统励磁结构及交、直流励磁控制方法
CN103683775A (zh) * 2013-12-03 2014-03-26 南昌大学 一种三次谐波励磁同步电机

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
邓秋玲等: "谐波励磁的同步发电机", 《湖南电力》, 28 February 2001 (2001-02-28), pages 17 - 24 *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105846620A (zh) * 2015-01-29 2016-08-10 铃木株式会社 旋转电机
CN105610255A (zh) * 2016-03-01 2016-05-25 中车株洲电力机车研究所有限公司 一种电励磁同步电机的转子装置及电机
CN107340002A (zh) * 2017-06-28 2017-11-10 西安微电机研究所 一种小惯量有限角度传感器
CN107340002B (zh) * 2017-06-28 2021-07-06 西安微电机研究所 一种小惯量有限角度传感器
CN108880158A (zh) * 2018-07-19 2018-11-23 哈尔滨工业大学 具有分立正交谐波绕组的同步电机及该电机的谐波磁场定向无刷励磁方法
CN108964392A (zh) * 2018-07-19 2018-12-07 哈尔滨工业大学 一种双三相同步电机及该电机的谐波磁场定向无刷励磁方法
CN109889003A (zh) * 2019-03-11 2019-06-14 上海理工大学 高频感应式无线馈电电励磁同步电机
CN111262410A (zh) * 2020-01-19 2020-06-09 东华大学 具有齿谐波自励磁稳压能力的无刷谐波励磁直流发电机
US11509175B1 (en) 2022-04-06 2022-11-22 John Sheung-Chun Hsu Homopolar multi-core energy conversion device

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