CN107104613A - 一种同步电机转子励磁方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种同步电机转子励磁方法及装置，所述方法采用谐振式无线电能传输方式将直流或交流电源的电能以非接触方式传输给转子励磁绕组，实现转子电励磁或混合电励磁；所述装置包括发射端和接收端，发射端与机座固结，接收端随转子同步旋转并与转子励磁绕组连接，发射端包括相连接的谐振激励电路、发射端补偿电路和发射线圈，接收端包括相连接的接收线圈、接收端补偿电路和整流变换电路，整流变换电路与转子励磁绕组连接，谐振激励电路包括电源输入接口，谐振激励电路从电源输入电能并持续激励发射线圈及发射端补偿电路工作于谐振状态。与现有技术相比，本发明具有实现无线励磁，结构可靠，可调节励磁电流以满足电机在各工况下运行需求等优点。

Description

一种同步电机转子励磁方法及装置
技术领域
本发明属于电机与控制技术领域，尤其是涉及一种同步电机转子励磁方法及装置。
背景技术
当前，电机转子磁场外激励主要有两种方法，包括感应励磁和电励磁。
感应励磁方法基于电磁感应原理传输电能，以在异步电机上的应用为代表，通过在定子线圈中注入特定形式的电流，形成磁场并依赖定转子速差感应出转子端励磁电流，感应励磁方式的明显不足是效率偏低，导致采用感应励磁方式的电机效率也相对较低。
电励磁方法直接向电机转子线圈注入励磁电流，控制简单，效率高，可分为有刷和无刷两种。有刷电励磁通过电刷将定子端电能传递到转子端，结构简单，但由于存在定转子之间电刷和滑环的机械接触，两者常因接触不良等导致发热及损毁等，可靠性不高；目前的无刷励磁发电机常由励磁机与电机组成，发电机励磁电能由励磁机发电并整流得到，常用于发电机，很少在在电动机中应用。也存在通过在原边(定子侧)激励出交变磁场，在副边(转子侧)通过线圈匝链该交变磁场通过电磁感应原理传递励磁电流，但感应传输对传输距离非常敏感，传输效率也随负载波动较大。
因此，需要对现有的电机励磁方式进行改进。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种同步电机转子励磁方法及装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种同步电机转子励磁方法，该方法采用谐振式无线电能传输方式将直流或交流电源的电能以非接触方式传输给转子励磁绕组，实现转子电励磁或混合电励磁。
一种同步电机转子励磁装置，包括发射端和接收端，所述发射端与机座固结，所述接收端随转子同步旋转并与转子励磁绕组连接，所述发射端包括相连接的谐振激励电路、发射端补偿电路和发射线圈，所述接收端包括相连接的接收线圈、接收端补偿电路和整流变换电路，所述整流变换电路与转子励磁绕组连接，所述谐振激励电路包括电源输入接口，谐振激励电路从电源输入电能并持续激励发射线圈及发射端补偿电路工作于谐振状态。
所述发射线圈和发射端补偿电路形成的原边谐振电路与所述接收线圈和接收端补偿电路形成的副边谐振电路，具有相匹配的电磁谐振频率，实现谐振式无线电能传输，且该电磁谐振频率高于所述同步电机的工作频率。
所述发射线圈和定子绕组共用部分或全部磁场通路，并构造成一体。
所述接收线圈和转子励磁绕组共用部分或全部磁场通路，并构造成一体。
所述谐振激励电路连接有用于调节转子励磁电流大小的控制器。
一种电励磁同步电机，包括所述的转子励磁装置。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明依据谐振无线电能传输原理实现转子励磁的无线实现，没有电刷及滑环等机械接触，结构上稳定可靠；
2)本发明可设置控制器，转子励磁电流大小可以通过对发射端进行控制实现调节，电机在各工况下对励磁电流的需求易于实现；
3)本发明基于谐振无线电能传输原理，工作在谐振状态下，原边/副边的激励/负载电压和其相应电流相位基本一致，电能传输效率高；
4)本发明基于谐振无线电能传输原理，电能传输时磁场仅工作在特定频率，具有频率选择性，不会影响定子绕组等的正常工作；
5)本发明基于谐振无线电能传输原理，仅需要较弱磁场和感应电动势副边电路即可工作，相应发射线圈和接收线圈间互感可以很小，也即谐振无线电能传输距离可以较远。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为本发明励磁装置的实现示意图；
图3为本发明的等效电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提供一种同步电机转子励磁方法，该方法采用谐振式无线电能传输方式将直流或交流电源的电能传输给转子励磁绕组，实现无线励磁，实现电机固定侧和旋转部分之间电能传输，且没有机械接触。转子励磁可以根据实际需要采取单独电励磁，即转子磁场全部由励磁电流建立；也可构造成混合励磁方式，即与永磁或者磁阻电机相结合，电励磁只是提供部分励磁电流。本实施例以直流电源为例进行说明。
如图1-图3所示，本发明提供一种基于上述励磁方法的同步电机转子励磁装置，所述同步电机具有用于建立定子旋转磁场的多相定子绕组Sa、Sb、Sc和用于建立转子磁场的转子励磁绕组R，所述转子励磁装置包括发射端和接收端，发射端与定子固定连接，接收端分别与电机轴和转子励磁绕组连接，发射端包括相连接的谐振激励电路P1(含补偿电路)和发射线圈E，接收端包括相连接的接收线圈A和谐振变换电路P2(含补偿电路)，谐振变换电路P2与转子励磁绕组R连接，接收线圈A和发射线圈E相匹配，谐振激励电路P1包括直流电源S的输入接口。
所述发射线圈E和发射端补偿电路形成的原边谐振电路与所述接收线圈A和接收端补偿电路形成的副边谐振电路，具有相同的电磁谐振频率，且该电磁谐振频率高于所述同步电机的工作频率。所述发射线圈E和定子绕组Sa、Sb、Sc共用部分或全部磁场通路，并构造成一体。所述接收线圈A和转子励磁绕组R共用部分或全部磁场通路，并构造成一体。
所述谐振激励电路连接有用于调节转子励磁电流大小的控制器，可以方便调节转子励磁电流大小。
如图2所示为本发明转子励磁装置应用于爪极电机轴向励磁的实施例，爪极电机的励磁方向为轴向，励磁线圈转子同轴，通过向励磁线圈通入电流以激励磁场，励磁线圈形成的励磁磁场电路示意如图，励磁线圈产生轴向磁场，并由爪机式转子Z的“爪”进行磁路导向，磁场从一极的“爪”通过气隙进入定子铁芯D，再经由气隙返回到另一极的“爪”，并形成电路。此例中，直流电源S、谐振激励电路P1(含补偿电路)与发射线圈E为定子端部件，与电机定子部分固连，为非旋转件；接收线圈A、整流变换电路P2(含补偿电路)、转子励磁绕组R为转子端部件，与转子固连，为旋转件。其中，接收线圈A的设计与发射线圈E相匹配，它们具有相匹配(相等或基本一致)的电磁谐振频率，且谐振远高于电机工作频率，能够实现谐振。
整个励磁装置设置于电机轴M末端，谐振激励电路通过结构与电机外壳固连，发射线圈与激励电路固连，共同形成无线电能传输固定侧元器件；整流变换电路一起与电机转子轴固连，通过轴上导线向电机转子励磁线圈供电，接收线圈与整流变换电路固连，共同形成无线电能传输旋转侧元器件。
本实施例中，转子励磁装置采用串联-串联补偿拓扑结构，等效电路如图3所示，主要包含直流电源S、谐振激励电路P1、发射线圈E、接收线圈A、整流变换电路P2、负载L。谐振激励电路主要由直流支撑电容、全桥电路、谐振补偿电容组成；整流变换电路主要包含谐振补偿电容、全桥整流电路、滤波电路组成；在本例中，负载为励磁线圈，可表示为电感和电阻的串联组合，在稳态时，可等效为一个电阻。
其主要设计参数如下。
接收线圈直径90mm，匝数15，自感25uH；
发射线圈直径90mm，匝数15，自感25uH；
两线圈之间同轴，轴向距离15mm，两线圈之间互感18uH。
原边补偿电容容值100nF，副边补偿电容容值100nF；系统谐振频率/工作频率100kHz；负载线圈电阻10欧姆，系统理论能量传输效率约92.8％(不计谐振激励电路损耗)。
在励磁系统工作时，谐振激励电路P1将根据谐振无线电能传输原理，将直流电源电能变换成特定形式交流电，用于激励发射线圈E，通过发射线圈E形成频率为A、E两线圈谐振形式的震荡磁场。接收线圈A在震荡磁场作用下产生磁共振，发射端的能量传递到接收端。通过谐振变换电路P2处理，将接收线圈A接收到的磁场能量转换成直流电，并用于激励转子励磁绕组，完成整个无线励磁过程。
接收线圈A与电机转子固连，随电机运行旋转，因此与发射线圈的相对位置会变化，但接收线圈A接收发射线圈E磁场的能力并不随其旋转运动而变化，因此电能传输不受电机运动影响。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种同步电机转子励磁方法，其特征在于，该方法采用谐振式无线电能传输方式将直流或交流电源的电能以非接触方式传输给转子励磁绕组，实现转子电励磁或混合电励磁。
2.一种采用权利要求1所述励磁方法的同步电机转子励磁装置，其特征在于，包括发射端和接收端，所述发射端与机座固结，所述接收端随转子同步旋转并与转子励磁绕组连接，所述发射端包括相连接的谐振激励电路、发射端补偿电路和发射线圈，所述接收端包括相连接的接收线圈、接收端补偿电路和整流变换电路，所述整流变换电路与转子励磁绕组连接，所述谐振激励电路包括电源输入接口，谐振激励电路从电源输入电能并持续激励发射线圈及发射端补偿电路工作于谐振状态。
3.根据权利要求2所述的同步电机转子励磁装置，其特征在于，所述发射线圈和发射端补偿电路形成的原边谐振电路与所述接收线圈和接收端补偿电路形成的副边谐振电路，具有相匹配的电磁谐振频率，实现谐振式无线电能传输，且该电磁谐振频率高于所述同步电机的工作频率。
4.根据权利要求2所述的同步电机转子励磁装置，其特征在于，所述发射线圈和定子绕组共用部分或全部磁场通路，并构造成一体。
5.根据权利要求2所述的同步电机转子励磁装置，其特征在于，所述接收线圈和转子励磁绕组共用部分或全部磁场通路，并构造成一体。
6.根据权利要求2所述的同步电机转子励磁装置，其特征在于，所述谐振激励电路连接有用于调节转子励磁电流大小的控制器。
7.一种电励磁同步电机，其特征在于，包括如权利要求2-6任一所述的转子励磁装置。
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