CN103904856A - 一种具有初始自励磁能力的无刷谐波励磁同步发电机 - Google Patents

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Abstract

一种具有初始自励磁能力的无刷谐波励磁同步发电机，涉及电励磁同步发电机领域。本发明是为了解决现有永磁发电机要依赖于昂贵的永磁材料、气隙磁场难以调节，而现有电励磁发电机需要独立励磁机的问题。本发明所述的电机的转子铁芯为4极结构，每一极的极靴中间位置均开有绕组槽，形成转子主齿和转子分齿，4个转子主齿上分别嵌入励磁绕组，8个转子分齿分别嵌入谐波绕组，在4个转子主齿的两端均安装有钕铁硼材料的永磁体，且每一极上的两个永磁体的励磁方向相同。它可用于风力发电中。

Description

一种具有初始自励磁能力的无刷谐波励磁同步发电机
技术领域
本发明属于电励磁同步发电机领域。
背景技术
永磁同步发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，如离网型风力等新能源发电系统等。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，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。
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。
上述因素限制了永磁发电机的应用和发展，现有电励磁方式也存在一些不足，本发明所述的新原理无刷同步电机只需要少量的永磁材料(只相当于普通永磁电机所用永磁材料的7％)，基本上不依赖于永磁材料,并且励磁磁场可调节，是解决问题的途径之一。
发明内容
本发明是为了解决现有永磁发电机要依赖于昂贵的永磁材料、气隙磁场难以调节，而现有电励磁发电机需要独立励磁机的问题。现提供一种具有初始自励磁能力的无刷谐波励磁同步发电机。
一种具有初始自励磁能力的无刷谐波励磁同步发电机，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，形成转子主齿和转子分齿，4个转子主齿上分别嵌入励磁绕组，8个转子分齿1-1分别嵌入谐波绕组，在4个转子主齿的两端均安装有钕铁硼材料的永磁体，且每一极上的两个永磁体的励磁方向相同。
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。
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的三次谐波或高次谐波电流或直流分量的混合电流。
本发明所述的一种具有初始自励磁能力的无刷谐波励磁同步发电机，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或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，实现无刷励磁，并且气隙磁场可调节。本发明所述的新原理无刷同步电机只需要少量的永磁材料，只相当于普通永磁电机所用永磁材料的7％，基本上不依赖于永磁材料，不依赖于励磁机，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。适用于风力发电的应用。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的一种具有初始自励磁能力的无刷谐波励磁同步发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具有初始自励磁能力的无刷谐波励磁同步发电机的结构示意图。
图3为本发明所述的一种具有初始自励磁能力的无刷谐波励磁同步发电机的电气原理图。
图4为定子电枢磁场与转子绕组结构变化曲线图，其中箭头10表示基波磁场旋转方向，箭头11表示三次谐波脉振磁场方向，箭头12表示转子同步旋转方向；曲线13表示基波电流波形曲线，曲线14表示三次谐波电流波形曲线；折线15表示定子齿槽结构，折线16表示转子齿槽结构；A、B和C分别表示定子三相绕组的每一相绕组。
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具有初始自励磁能力的无刷谐波励磁同步发电机，所述电机的转子铁芯1为4极结构，每一极的极靴中间位置均开有绕组槽，形成转子主齿1-2和转子分齿1-1，4个转子主齿1-2上分别嵌入励磁绕组F，8个转子分齿1-1分别嵌入谐波绕组H，在4个转子主齿1-2的两端均安装有钕铁硼材料的永磁体6，且每一极上的两个永磁体6的励磁方向相同。
本实施方式中，每一极的极靴上的两个永磁体的励磁方向相同，如图2中所示永磁体6和永磁体6-1对气隙的磁性方向一致，都为N极或S极。
本实施方式中，所述一种具有初始自励磁能力的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H，该谐波绕组H能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，实现无刷励磁，如图4所示。
具体实施方式二：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种具有初始自励磁能力的无刷谐波励磁同步发电机的不同点在于，所述电机的定子铁芯7为12槽结构，定子绕组8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。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一所述的一种具有初始自励磁能力的无刷谐波励磁同步发电机的不同点在于，所述电机的定子铁芯7为12槽结构，定子绕组8为单层结构，节距为3，且为开放绕组。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一所述的一种具有初始自励磁能力的无刷谐波励磁同步发电机的不同点在于，所述电机的定子铁芯7为18槽结构，定子绕组8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8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：本实施方式与具体实施方式一所述的一种具有初始自励磁能力的无刷谐波励磁同步发电机的不同点在于，所述电机的定子铁芯7为18槽结构，定子绕组8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8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：本实施方式与具体实施方式一所述的一种具有初始自励磁能力的无刷谐波励磁同步发电机的不同点在于，所述电机的定子绕组8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：本实施方式与具体实施方式一所述的一种具有初始自励磁能力的无刷谐波励磁同步发电机的不同点在于，所述电机的定子绕组8中通入的电流为幅值为N的基波电流和高次谐波电流。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一所述的一种具有初始自励磁能力的无刷谐波励磁同步发电机的不同点在于，所述电机的定子绕组8中通入的电流为幅值为N的基波电流和直流分量电流。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六所述的一种具有初始自励磁能力的无刷谐波励磁同步发电机的不同点在于，所述电机的定子绕组8中通入的电流为幅值为N的基波电流和幅值为N/5的三次谐波的混合电流。
本发明所述的一种具有初始自励磁能力的无刷谐波励磁同步发电机的工作原理是三次谐波或高次谐波或直流分量励磁原理。与普通电励磁同步电机相比是在转子上增加了一套谐波绕组H，该谐波绕组H能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H提供励磁电流，实现无刷励磁。
稳态条件下，定子绕组8电流中含有基波分量和三次谐波分量或高次谐波或直流分量。基波分量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F和谐波绕组H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F.和谐波绕组H中的电势均无影响。
在原动机的驱动下，转子以同步转速旋转。转子上的永磁体会在气隙中产生磁场，定子三相绕组中会感应出反电势。用双逆变器控制定子中的电流，是定子电流为幅值为N的基波电流和幅值为N/5的三次谐波或高次谐波电流或直流分量的混合电流，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，稳态工作时的励磁电流主要来源于谐波励磁电流。这样，发电机可以自己提供初始励磁电流并且能持续工作。原理如图3所示。其中，定子开放绕组中的电流由图3中的双逆变器控制。电机定子绕组的a1、b1、c1端接在一个逆变器的交流侧，a2、b2、c2端接在另一个逆变器的交流侧。
这样，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或高次谐波或直流分量，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。

Claims (9)

1.一种具有初始自励磁能力的无刷谐波励磁同步发电机，其特征在于，所述电机的转子铁芯(1)为4极结构，每一极的极靴中间位置均开有绕组槽，形成转子主齿(1-2)和转子分齿(1-1)，4个转子主齿(1-2)上分别嵌入励磁绕组(F)，8个转子分齿1-1分别嵌入谐波绕组(H)，在4个转子主齿(1-2)的两端均安装有钕铁硼材料的永磁体(6)，且每一极上的两个永磁体(6)的励磁方向相同。
2.根据权利要求1所述的一种具有初始自励磁能力的无刷谐波励磁同步发电机，其特征在于，所述电机的定子铁芯(7)为12槽结构，定子绕组(8)为双层结构，节距为3。
3.根据权利要求1所述的一种具有初始自励磁能力的无刷谐波励磁同步发电机，其特征在于，所述电机的定子铁芯(7)为12槽结构，定子绕组(8)为单层结构，节距为3。
4.根据权利要求1所述的一种具有初始自励磁能力的无刷谐波励磁同步发电机，其特征在于，所述电机的定子铁芯(7)为18槽结构，定子绕组(8)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(7)为18槽结构，定子绕组(8)为双层结构，节距为4。
6.根据权利要求1所述的一种具有初始自励磁能力的无刷谐波励磁同步发电机，其特征在于，所述电机的定子绕组(8)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，其中，N为正数。
7.根据权利要求1所述的一种具有初始自励磁能力的无刷谐波励磁同步发电机，其特征在于，所述电机的定子绕组(8)中通入的电流为幅值为N的基波电流和高次谐波电流。
8.根据权利要求1所述的一种具有初始自励磁能力的无刷谐波励磁同步发电机，其特征在于，所述电机的定子绕组(8)中通入的电流为幅值为N的基波电流和直流分量电流。
9.根据权利要求6所述的一种具有初始自励磁能力的无刷谐波励磁同步发电机，其特征在于，所述电机的定子绕组(8)中通入的电流为幅值为N的基波电流和幅值为N/5的三次谐波的混合电流。
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