CN105656269B

CN105656269B - 一种无轴承永磁同步发电机

Info

Publication number: CN105656269B
Application number: CN201610140641.6A
Authority: CN
Inventors: 朱熀秋; 胡亚民; 李慧; 郝正杰; 陈颖; 郁叶; 刘浩; 蒋莉
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Yangzhong Guanjie Technology Innovation Co ltd; Zhenjiang Top Management Consulting Co ltd
Priority date: 2016-03-14
Filing date: 2016-03-14
Publication date: 2018-02-27
Anticipated expiration: 2036-03-14
Also published as: CN105656269A

Abstract

本发明公开一种无轴承永磁同步发电机，定子铁心同轴套在永磁转子外，定子铁心沿圆周方向均匀设有36个定子槽，每个定子槽中均布置内外两层绕组，外层绕组是每极每相定子槽数为3的2对极发电绕组，内层绕组是1对极悬浮力绕组和2对极励磁绕组；发电绕组沿顺时针方向按A1+、B1‑、C1+、A1‑、B1+、C1‑、A2+、B2‑、C2+、A2‑、B2+、C2‑相排列，悬浮力绕组沿顺时针方向按a+、b‑、c+、a‑、b+、c‑相排列，励磁绕组沿顺时针方向按X1+、Y1‑、Z1+、X1‑、Y1+、Z1‑、X2+、Y2‑、Z2+、X2‑、Y2+、Z2‑相排列，提高了电机在特殊工况下运行的可靠性。

Description

一种无轴承永磁同步发电机

技术领域

本发明涉及永磁同步发电机和无轴承电机领域，特别涉及在原动机驱动转速变化和外电路负载变化的特殊工况下使用的无轴承永磁同步发电机。

背景技术

永磁同步发电机具有结构简单、效率高、功率密度大、拓扑结构灵活多样、无需电刷结构、运行可靠等诸多优点，在风力发电机、燃气轮发电机、航空电源、混合动力汽车、飞轮储能系统电动发电一体机等诸多场合的应用日益广泛，这对发电机运行的可靠性提出了更高的要求。由于发电机工作环境复杂多变，容易引发其定子、转子、轴承等部件的一系列电气或机械故障，其中轴承故障率高达40%左右。轴承是实现传动系统高速和超高速运行的瓶颈，因此，提出了无轴承电机，削弱轴承故障的影响，延长发电机的轴承使用寿命，减少了维护成本。

目前永磁发电机的电机调节磁场的能力很小，一般永磁电机磁场是通过增加辅助电励磁进行调节，因此出现一些不同结构的混合励磁发电机模型，例如：横向磁通混合励磁结构、双盘式混合励磁结构等等，这些电机大都是永磁磁场和电励磁磁场耦合的混合磁路结构，如：双凸极混合励磁电机、无刷爪极电动机和混合励磁爪极发电机等等，这些结构大部分都是针对转子进行改进，转子由发电用的永磁部分和调压用的电励磁部分组成，将永磁部分和电励磁部分同轴安装，通过调节其励磁电流来改变气隙磁通大小达到稳压目的，但是装配工艺复杂，增加了维修成本，转子负担加重，功率密度降低。

无轴承电机的悬浮力是由悬浮力绕组磁场和转矩绕组磁场合成的不平衡磁场产生的麦克斯韦力的合力。虽然无轴承永磁同步发电机结构简单、运行可靠，但发电机运行时会遇到诸如原动机给定转速变化和用电负载变化等一系列问题，这会使得发电绕组中磁场产生变化。由于发电机气隙磁场较难自主调节，导致该无轴承永磁同步发电机的发电绕组和悬浮力绕组合成磁场发生变化。保持恒压对发电机来说是比较困难的，对于稳定性要求较高的场合，必须采用电力电子变换器调压、双转子或双定子调压等方法，这会增加成本，降低动态性能。

发明内容

为了克服现有发电机存在的上述问题，本发明提出一种新型高性能无轴承永磁同步发电机，提高特殊工况下发电机的悬浮性能和发电品质。

本发明一种无轴承永磁同步发电机采用的技术方案是：本发明包括定子铁心、永磁转子和转轴，定子铁心同轴套在永磁转子外，永磁转子同轴套在转轴外，永磁转子由永磁体和紧固连接件组成，紧固连接件外表面上沿圆周方向均匀表贴有四块径向充磁、极对数为2的永磁体，定子铁心沿圆周方向均匀设有36个定子槽，每个定子槽中均布置内外两层绕组，外层绕组是每极每相定子槽数为3的2对极发电绕组，内层绕组是1对极悬浮力绕组和2对极励磁绕组。

进一步地，发电绕组沿顺时针方向按A1+、B1-、C1+、A1-、B1+、C1-、A2+、B2-、C2+、A2-、B2+、C2-相排列，相邻的3个槽为一相的进线端或出线端，悬浮力绕组沿顺时针方向按a+、b-、c+、a-、b+、c-相排列，励磁绕组沿顺时针方向按X1+、Y1-、Z1+、X1-、Y1+、Z1-、X2+、Y2-、Z2+、X2-、Y2+、Z2-相排列。

更进一步地，发电绕组的A1+相所在的3个定子槽中，沿顺时针方向的第一个槽中的内层绕组是励磁绕组的X1+相，第二个和第三个槽中的内层绕组是悬浮力绕组的第一个a+相；发电绕组B1-相所在3个定子槽中，沿顺时针方向的第一个槽中的内层绕组是励磁绕组的Y1-相，第二个和第三个槽中的内层绕组是悬浮力绕组的第二个a+相，相邻的第一个a+相和第二个a+相组合成悬浮力绕组的一个完整a+相；内层绕组的其他相按顺时针方向占第一个槽的励磁绕组和占第二、第三两个槽的悬浮力绕组交错排列，相邻两个第二、第三两个槽中的悬浮力绕组。

本发明的优点在于：

1．本发明的定子铁芯上有内外双层绕组，在定子上添加一套励磁绕组补偿合成磁场，不仅减小机械噪音，提高电机在特殊工况下运行的可靠性，而且具有无摩擦、无接触、无需润滑和维护费用低等优点。

2、本发明由于转子永磁体的极对数和悬浮力绕组的极对数不同，当没有转子偏心时，永磁体在悬浮力绕组中不产生感应电流，悬浮力绕组电流也不会产生转矩，即无轴承永磁同步发电机的悬浮力控制与发电控制是自然解耦的。

3．本发明中的励磁绕组充分利用了内层的定子绕组结构并采用与永磁体相同的极对数，当原动机给定转速发生变化或是发电机外电路负载发生变化时，发电绕组中的感应电流变化会导致合成磁场变化，此时在励磁绕组中通以相应电流来补偿合成磁场的变化，能够使得无轴承永磁同步发电机继续稳定悬浮运行。

附图说明

图1为本发明一种无轴承永磁同步发电机的轴向剖面示意图；

图2为图1去掉机壳后的径向剖面放大图以及绕组布置示意图；

图3为图2中各个绕组水平展开后的接线示意图；

图4为图3中各个绕组与负载电路和驱动功率电路的连接示意图；

图5为本发明工作时悬浮力及电机磁场空间分布结构示意图；

图6为本发明工作时补偿绕组合成磁场加强示意图；

图7为本发明工作时补偿绕组合成磁场减弱示意图。

图中：1-机壳，2-定子铁心，3-发电绕组，4-悬浮力绕组，5-励磁绕组，6-径向充磁的表贴式永磁体，7-径向位移传感器，8-基准环，9-左端盖，10-右端盖，11-备用轴承，12-调心轴承，13-转轴，14-光电码盘，15-连接永磁体和转轴的紧固连接件。

具体实施方式

参见图1，本发明包括机壳1、定子铁心2、永磁转子和转轴13，最外部是机壳1，机壳1的轴向左端固定左端盖9、轴向右端固定右端盖10。机壳1的中心处安装转轴13，转轴13与机壳1同轴连接，转轴13的右端伸出右端盖10外且连接光电码盘14。在机壳1内部有定子铁心2和永磁转子，定子铁心2固定连接机壳1内壁，永磁转子同轴套在转轴13外，定子铁心2同轴套在永磁转子外，属外定子内转子结构。定子铁心2和永磁转子之间具有径向气隙。永磁转子由永磁体6和紧固连接件15组成，永磁体6径向充磁，表贴在紧固连接件15上。紧固连接件15将永磁体6和转轴13固定连接成一个整体。紧固连接件15的左端通过调心轴承12支撑在左端盖9上，紧固连接件15的右端通过备用轴承11支撑在右端盖10上，在发电机不工作时，备用轴承11起支撑作用。定子铁心2和永磁转子安装在转轴13的轴向中部位置，在机壳1内的定子铁心2左端空间有4个径向位移传感器7，径向位移传感器7安装在基准环8上，基准环8同轴固定套在转轴13上。定子铁芯2上有内外两层绕组，外层绕组为发电绕组3，内层绕组为悬浮力绕组4和励磁绕组5，悬浮力绕组4用以产生径向悬浮力，励磁绕组5用以补偿磁场。

参见图2，在紧固连接件15外表面上表贴了四块径向充磁的永磁体6，四块永磁体6沿圆周方向均匀布置，形成极数为2的结构。在定子铁心2沿圆周方向均匀设有36个定子槽，每个定子槽中都布置有内外两层绕组，绕组采用分布式内外两层布置方式。外层绕组是每极每相定子槽数为3的分布式发电绕组3，发电绕组3沿顺时针方向按A1+、B1-、C1+、A1-、B1+、C1-、A2+、B2-、C2+、A2-、B2+、C2-相排列，相邻的3个槽为一相的进线端或出线端，这样的排列使得发电绕组3为2对极，和永磁转子中的永磁体6的极对数一样，可感应发电。内层绕组是悬浮力绕组4和励磁绕组5，悬浮力绕组4沿顺时针方向按a+、b-、c+、a-、b+、c-相排列，励磁绕组5沿顺时针方向按绕组X1+、Y1-、Z1+、X1-、Y1+、Z1-、X2+、Y2-、Z2+、X2-、Y2+、Z2-相排列。

发电绕组3的A1+相所在的3个定子槽中，沿顺时针方向的第一个槽中的内层绕组是励磁绕组5的X1+相，第二个和第三个槽中的内层绕组是悬浮力绕组5的a+相。发电绕组B1-相所在3个定子槽中，沿顺时针方向的第一个槽中的内层绕组是励磁绕组5的Y1-相，第二个和第三个槽中的内层绕组依然是悬浮力绕组的a+相，这与A1+相所在的定子槽中a+相组成相邻的两个a+相，相邻的两个a+相组合成完整的悬浮力绕组5的a+相。内层绕组其他相的布置方式以此类推，按顺时针方向占第一个槽的励磁绕组5和占第二、第三两个槽的悬浮力绕组4如此交错排列。相邻两个第二、第三两个槽中的悬浮力绕组4组成一相，相邻两个第二槽和第三槽为悬浮力绕组4一相的进线端或出线端，如此，形成的1对极悬浮力绕组4和发电绕组3的极对数相差1，满足无轴承电机的悬浮原理。而励磁绕组5形成了与发电绕组3、永磁体6一样的2对极，可以对主磁场起到补偿和削弱的作用。

将本发明中的绕组水平展开，能直观理解绕组的接线安排与电流流向，参见图3。发电绕组3以A相为例，每3个定子槽的绕组为一相的进线端或出线端，绕组沿顺时针方向按A1+、B1-、C1+、A1-、B1+、C1-、A2+、B2-、C2+、A2-、B2+、C2-相排列。A相的接线是从A1+侧进线，从相邻的A1-侧出线，再绕置到A2+端进线，从相邻的A2-端出线。B相和C相的接线原理和A相相同。再将A1+、B1+、C1+相接在一起作为发电绕组3的中性点，而A2-、B2-、C2-相分别连接到图4所示的三相PWM整流桥的A、B、C三个桥臂，发电机感应发电的电流从发电绕组3的中性点流入PWM整流桥，供给负载用电。

悬浮力绕组4以a相为例，沿顺时针方向按a+、b-、c+、a-、b+、c-排列。悬浮力绕组4连接图4所示的第一三相桥式逆变电路，由第一三相逆变电路的a相接线到a+侧进线，从a-侧出线，b相和c相的接线原理和a相相同。将a-、b-、c-端接在一起作为悬浮力绕组4的中性点，而a+、b+、c+分别连接到图4所示的第一三相桥式逆变电路的a、b、c三个桥臂，电流由第一三相桥式逆变电路流向悬浮力绕组4。

励磁绕组5以X相为例，沿顺时针方向按X1+、Y1-、Z1+、X1-、Y1+、Z1-、X2+、Y2-、Z2+、X2-、Y2+、Z2-相排列。励磁绕组5连接图4所示的第二三相桥式逆变电路，由第二三相逆变桥式电路的X相接线，从X1+侧进线，从相邻的X1-侧出线，再绕置到X2+端进线，从相邻的X2-端出线，励磁绕组5的Y相和Z相接线原理和X相相同。将励磁绕组5的X2-、Y2-、Z2-端接在一起作为励磁绕组5的中性点，而X1+、Y1+、Z1+分别接线到图4所示的第二三相桥式逆变电路的X、Y、Z三个桥臂，电流由第二三相桥式逆变电路流向励磁绕组5。

图4中，C是电容，表示容性负载，R是电感，表示感性负载。PWM整流桥和两个桥式逆变电路中的V1-V6为可控开关管，VD1-VD6为续流二极管。

本发明工作时，悬浮原理如图5所示，运行时转子的调心操作是通过检测转子径向位移的反馈信号来调节给定的悬浮绕组的电流信号。以发电绕组3的A相和悬浮力绕组4的a相为例，定子槽中缠绕着4极发电绕组3和2极悬浮力绕组4。当悬浮力绕组4中未通入图4所示的第一三相桥式逆变电路的电流时，发电绕组3产生感应磁场与永磁体6合成的4极气隙磁通ϕ _m是平衡的，径向力合力为零。该气隙磁通分别经过发电绕组3、定子铁芯2、气隙、永磁体6、转轴13这些部件，将发电机在空间上平均分成四部分。当悬浮力绕组4中通入图4所示的第一三相桥式逆变电路的正电流后，会产生2极磁通ϕ _α。该磁通分别经过悬浮力绕组4、定子铁芯2、气隙、永磁体6、转轴13这些部件，将发电机在空间上平均分成两部分。这导致转子在水平方向一侧气隙处的气隙磁密增加，转子径向水平方向另一侧气隙处的气隙磁密减小，从而产生沿例如x轴负方向的麦克斯韦力F _m，使转子向x轴负方向偏移（图5中省略了水平方向的x轴和垂直方向的y轴）。如果图4中第一三相桥式逆变电路通以方向相反的电流，则会产生一个沿x轴正方向的麦克斯韦力。同理，沿y轴方向的麦克斯韦力可以通过在其他相绕组中通入相应电流获得。本发明无轴承永磁同步电机除了受麦克斯韦径向力之外，还会受到洛伦兹径向力的作用。根据左手定则，悬浮力绕组4受到洛伦兹力F ₁，发电绕组3受到洛伦兹力F ₂，转子表面上对应的力为其反作用力Fs₁和Fs₂。从图5中可以看出，这两部分洛伦兹力的合力方向为水平方向，即转子受到了x轴方向的径向悬浮力。通过对以上这两个径向力和悬浮力绕组电流的闭环控制，可实现发电机转子的稳定悬浮。

本发明发电原理和普通永磁同步发电机一样，将原动机和本发明无轴承永磁同步发电机同轴连接，在原动机的驱动下，转子旋转产生变化的感应磁场，发电绕组切割磁感线产生三相感应电流。由于发电绕组3的A2-、B2-、C2-相均接线到图4所示的PWM整流桥的A、B、C桥臂，发电机感应发电的电流将从中性点流入PWM整流桥供给负载用电，在负载两端产生发电电压，进行电能的储存。

励磁原理如图6图7所示，当图4中控制励磁绕组5的逆变电路通电时，励磁绕组5产生的磁场ϕ _e分别经过励磁绕组5、定子铁芯2、气隙、永磁体6、转轴13这些部件，将发电机在空间上平均分成与发电绕组3一样的四部分，这也是本发明可以补偿或削弱主磁场的原理。当发电绕组3和悬浮力绕组4的合成磁场减弱时辅之以增强的励磁磁场，反之，给以反向的励磁磁场来减弱发电绕组3和悬浮力绕组4的合成磁场。图6中励磁绕组5的磁场与合成磁场同向，表示为励磁绕组5对合成磁场的补偿作用，图7中励磁绕组5的磁场与合成磁场反向，表示为励磁绕组5对合成磁场的削弱作用。以A相的发电绕组3和X相的励磁绕组5为例，当原动机给定转速变化时，发电绕组3中感应电流的变化会导致合成磁场的变化，进而影响悬浮力性能和发电品质。通过检测转子角位置和原动机给定转速的信号，调节图4所示第三三相逆变电路的输入电流来控制励磁绕组5中的电流增减，进而起到稳定发电机内部磁场的作用。当发电机负载发生变化时，发电绕组3内的电流同样会发生变化，影响合成磁场。此时通过检测转子位置角和发电电压的信号，调节图4所示第二三相逆变电路的输入电流来控制励磁绕组5中的电流增减，从而稳定发电机内部合成磁场。本发明由于励磁绕组5的存在，使悬浮性能和发电品质均得到提高。

Claims

1.一种无轴承永磁同步发电机，包括定子铁心、永磁转子和转轴，定子铁心同轴套在永磁转子外，永磁转子同轴套在转轴外，永磁转子由永磁体和紧固连接件组成，其特征是：紧固连接件外表面上沿圆周方向均匀表贴有四块径向充磁、极对数为2的永磁体，定子铁心沿圆周方向均匀设有36个定子槽，每个定子槽中均布置内外两层绕组，所有外层绕组形成每极每相定子槽数为3的2对极发电绕组，所有内层绕组形成1对极悬浮力绕组和2对极励磁绕组。

2.根据权利要求1所述一种无轴承永磁同步发电机，其特征是：发电绕组沿顺时针方向按A1+、B1-、C1+、A1-、B1+、C1-、A2+、B2-、C2+、A2-、B2+、C2-相排列，相邻的3个槽为一相的进线端或出线端，悬浮力绕组沿顺时针方向按a+、b-、c+、a-、b+、c-相排列，励磁绕组沿顺时针方向按X1+、Y1-、Z1+、X1-、Y1+、Z1-、X2+、Y2-、Z2+、X2-、Y2+、Z2-相排列。

3.根据权利要求2所述一种无轴承永磁同步发电机，其特征是：发电绕组的A1+相所在的3个定子槽中，沿顺时针方向的第一个槽中的内层绕组是励磁绕组的X1+相，第二个和第三个槽中的内层绕组是悬浮力绕组的第一个a+相；发电绕组B1-相所在3个定子槽中，沿顺时针方向的第一个槽中的内层绕组是励磁绕组的Y1-相，第二个和第三个槽中的内层绕组是悬浮力绕组的第二个a+相，相邻的第一个a+相和第二个a+相组合成悬浮力绕组的一个完整a+相；内层绕组的其他相按顺时针方向占第一个槽的励磁绕组和占第二、第三两个槽的悬浮力绕组交错排列，相邻两个第二、第三两个槽中的悬浮力绕组组成一相，相邻两个第二槽和第三槽为悬浮力绕组一相的进线端或出线端。

4.根据权利要求3所述一种无轴承永磁同步发电机，其特征是：悬浮力绕组连接第一三相逆变电路，电流由第一三相桥式逆变电路流向悬浮力绕组，从a+侧进线，a-侧出线，b相和c相的接线原理和a相相同，将a-、b-、c-端接在一起作为的中性点，a+、b+、c+相分别连接第一三相桥式逆变电路的三个桥臂。

5.根据权利要求3所述一种无轴承永磁同步发电机，其特征是：励磁绕组连接第二三相桥式逆变电路，电流由第二三相桥式逆变电路流向励磁绕组，从X1+侧进线，从相邻的X1-侧出线，再绕置到X2+端进线，从相邻的X2-端出线，励磁绕组的Y相和Z相接线原理和X相相同，将励磁绕组的X2-、Y2-、Z2-端接在一起作为中性点，X1+、Y1+、Z1+端分别连接第二三相桥式逆变电路的三个桥臂。

6.根据权利要求3所述一种无轴承永磁同步发电机，其特征是：发电绕组的A相从A1+侧进线，从相邻的A1-侧出线，再绕置到A2+端进线，从相邻的A2-端出线，B相和C相的接线原理和A相相同，将A1+、B1+、C1+相接在一起作为中性点，A2-、B2-、C2-相分别连接三相PWM整流桥的三个桥臂，感应发电的电流从中性点流入PWM整流桥。