CN107889545A - 涉及无励磁器同步电机的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
同步电机和相关系统包括通过气隙分离的定子和转子。转子包括被联接至邻接于气隙布置的励磁器绕组的旋转DC功率供给。来自包括气隙槽谐波的气隙谐波的功率在励磁器绕组中感应出电流，该电流被整流并供给至转子场绕组。在操作中，可以通过控制到在励磁器绕组中感应出规定电流的定子绕组电流中的DC功率供给或谐波的叠加来实现转子场绕组中的期望的电流水平。
Description
技术领域
本教导涉及具有要求励磁的场绕组的同步电机。特别地，本教导涉及包括了要求场绕组的励磁的无刷电机的同步电动机和发电机。
背景技术
大多数无刷同步电机都包括两个分离的机器，主机和励磁机。励磁机为主机的场绕组提供励磁功率。励磁器的定子具有电磁极，该电磁极由自动电压调节器(“AVR”)中的分离的功率级提供功率。通过励磁机的定子上的励磁的电压和频率中的一个或两者的调节，可以间接地调节主机的励磁。为励磁机提供功率的这样的功率级要求诸如变压器、断路器和有功功率电子器件等的部件。除了功率级所要求的部件之外，20MVA级电机的励磁器重量占组合的主机和励磁机的总重量的约2％，并且可能占据组合的电机的轴的总长度的高达20％。因此，组合的电机的总重量和尺寸大于在没有励磁器和操作励磁器所要求的相关联的设备的情况下的总重量和尺寸。较长的轴也降低了转子的临界速度。因此，能够在不需要励磁机和相关联的功率级的情况下向主机提供励磁将是有益的。
发明内容
同步电机和相关系统包括通过气隙分离的定子和转子。转子包括被联接至邻接于气隙布置的励磁器绕组的旋转DC功率供给。包括了气隙槽谐波的来自气隙谐波的功率在励磁器绕组中感应出电流，该电流被整流并供给至转子场绕组。在操作中，转子场绕组中的期望的电流水平可以通过对进入到在励磁器绕组中感应出规定电流的定子绕组电流中的DC功率供给或谐波的叠加的控制来实现。
附图说明
在附图中，图示出结构和方法，其与下面所提供的详细描述一起描述了无励磁器同步电机和涉及它的系统和方法的多个方面。应注意的是，单个部件可以被实施为多个部件或者多个部件可以被实施为单个部件。图没有按比例绘制并且某些部件的比例已被夸大为了便于说明。此外，在附图和下面的描述中，贯穿附图和所写的描述，分别用相同的参考符号来指示相似的部件。
图1图示出无励磁器同步电机100的示意图。
图2图示出示出了跨越同步电机的电周期的磁场强度和来自用于模型化同步电机的谐波的磁场贡献的分布的图表200、202。
图3图示出具有励磁器绕组300的同步电机的局部截面图。
图4图示出同步电机400的示意图。
图5图示出用于操作同步电机的过程500。
图6图示出用于操作同步电机的过程600。
具体实施方式
参照图1，根据本教导的无励磁器同步电机100包括定子102和转子104。转子104包括极106，为了便于说明示出了其中的仅一个。极106包括场绕组108，和励磁器绕组110。励磁器绕组110邻接于同步电机100的气隙112布置。虽然所图示的转子104是内转子104，但是本教导也可以应用于外转子104几何形状。
同步电机100的气隙112含有显著的通量含量。同步电机100的气隙112中的通量分布可以取决于若干因素，包括但不限于由于绕组的分布、开槽、凸极而导致的空间谐波、由于定子绕组中的非理想电流的时间谐波和当定子绕组被连接至功率电子器件转换器时功率电子器件装置的开关。气隙112中存在的谐波分布也可以以不同的操作模式变化，包括了无负载、满负载或部分负载状态。开放槽式线路馈送同步电机的气隙112中的谐波主要含有归因于定子102中的大槽开口的开槽谐波。气隙磁通密度波形的傅里叶扩展表明，作为图1的电机100的情况中的24阶谐波的开槽谐波与标称操作期间气隙112通量分布中存在的其他谐波相比非常显著。在无负载和短路的情况中可以看到类似的效果。此外，转换器馈送同步电机可以除了开槽谐波之外还含有低阶谐波。
继续参照图1，励磁器绕组110邻接于气隙112布置，其中阻尼条可以典型地放置在具有分离的励磁机的有刷或无刷同步电机中。然而，励磁器绕组110节距可以被优化用于从开槽谐波收集最大能量。根据本教导的一个方面，阻尼条由励磁器绕组110代替，以便捕获至少部分归因于气隙112中的开槽谐波而存在的电动势。传统阻尼条的主要功能之一是阻尼同步电动机中的瞬变。这样的瞬变可能会引起由同步电机进行的“速度偏差”行为并且是不期望的。励磁器绕组110可以执行由传统阻尼条执行的该功能和其他功能，包扩缓解瞬变、辅助电动机起动、场绕组的保护和瞬变或次瞬变电抗的减少。与可能在转子104的轴向端部被短路的阻尼条不一样，励磁器绕组110被连接至捕获励磁器绕组110中所生成的电流并将该电流提供至转子104的场绕组108的本文中所描述的附加部件。应该注意的是，除了励磁器绕组110之外也可以实施传统阻尼条，例如以使电抗维持在期望的水平。此外，从一个到所有的励磁器绕组110可以被配置成选择性地操作为传统阻尼条，例如通过使一个或多个励磁器绕组100短路并绕过电压供给114。例如，在其中励磁器绕组110以多极配置进行布置的布置中，励磁器绕组110的多个极中的一个或多个可以被短路而表现为阻尼条。
继续参照图1，励磁器绕组110中的电压可以被馈送至旋转电压供给114。旋转电压供给114可以包括有源阻尼器116、整流器118和DC-DC转换器120。有源阻尼器116通过引线124接收ACIN。有源阻尼器116可以包括被配置成例如在电机的直接在线起动期间分散过电压条件的三端双向可控硅开关元件(TRIAC)150和电阻器152。示例有源阻尼器116被图示出而不是限制性的，并且有源阻尼器116还可以包括多种过电压保护电路和部件。整流器118可以是包括了全波二极管桥119的多相无源整流器。整流器118将ACIN转换成DCIN。槽谐波具有与电机的基频比更高的频率，并因此快速开关二极管优于基于传统晶闸管的整流器，该晶闸管对于这样的高频率可能不是理想的。然而，新的高频率开关晶闸管可以在电压供给114中实施。整流器118包括在全波二极管桥119中的四个快速开关二极管。所描绘的DC-DC转换器120包括以升压转换器配置进行布置的电感器L、开关T、二极管D和电容器C。根据本教导的其他方面，DC-DC转换器120可以是降压转换器、反激式转换器或者包括了实施有源或无源部件的DC-DC转换器在内的其他形式的DC-DC转换器。转换器120从整流器118接收DCIN并产生可变DC输出DCVAR。电压供给114通过引线121将DCVAR供给至场绕组108。根据本教导的另一方面，电压供给114可以实施晶闸管整流器以执行场绕组108中的电流的控制。
无线控制区域网络(无线CAN)收发器126允许旋转电压供给114从自动电压调节器(AVR)128接收控制信号。AVR128被联接至定子引线130，该定子引线130可以将同步电机100的定子102联接至三相AC。通过引线130处的状态的检测，AVR128可以确定转子绕组108中所要求的电流以在气隙112中生成期望的场。AVR128可以通过凭借与收发器126(发射器和接收器的组合)通信的无线CAN收发器132控制旋转供给114来间接地控制转子绕组108的电流。应该注意的是，收发器126和132的双发射器/接收器能力可以用发射器和接收器对来代替，使得收发器126用接收器代替，并且收发器132用发射器代替，这准许了控制信号的单向通信。根据本教导的其他方面，AVR可以通过多种介质(包括通过其他无线方法和诸如刷子等的“有线”方法)而与旋转电压供给通信。一些合适的无线通信形式可以包括无线电调制技术、光学通信或者通过使用电容或电感通信技术。根据本教导的一个方面，旋转电压供给114可以靠近转子104的中心布置以降低在短路状态下可达到高达20G的由供给114所经历的转动加速度。根据本教导的另一方面，可以实施单个供给114，或者可以实施多个供给114，包括但不限于冗余备用供给114。收发器126通过对升压转换器的开关T的控制来控制DCVAR。
参照图2，图表200中是经过完整电周期的在满负载下的具有图1中所示电机100的配置的模型化发电机的气隙处的以特斯拉为单位的磁通密度。在图表202中，示出了针对图表200中所描绘的电机的气隙附近的通量的傅里叶频谱分布。如图202中所示，作为图1中所示电机中的24阶空间谐波的开槽谐波是谐波的最显著的贡献者，特别是对于开放槽电机。示出为图表202中的6阶谐波处的贡献的相带谐波与开槽谐波相比是小的。
参照图3，示出了单相谐波励磁器绕组300。根据本教导的一个方面，绕组槽302的数量是对于单相能量收集绕组300的横跨气隙305的定子槽304的数量的约两倍。励磁器绕组的数量可以随着励磁器绕组的相的数量、转子的宽度和数量、电机的尺寸和定子中的各包括定子绕组318的绕组槽304的数量而变化。在非限制性的情况下，包括励磁器绕组300的转子励磁器绕组槽302的数量(Nrs)可以使用以下等式来表达：
其中k是整数值、m是励磁器绕组300的相的数量、brp是转子极的圆弧宽度、rgap是电机的气隙半径、Nss是定子中的槽304的数量并且p是电机中的转子极的数量。整数k可以优选地是1或2，但是不限于此并且可以采用转子和电机尺寸所准许的任何合适的整数值，诸如3、4或5。根据本教导的一个方面，具有励磁器绕组的转子槽302的数量将是具有由以上等式给出的最大值的整数数量。根据另一方面，励磁器绕组槽302的数量可以是约Nrs。可以使用比Nrs少的数量的转子槽302，取决于设计要求和对转子表面的实际空间限制。根据另一方面，通过最低数量的具有可操作以提供电机的场额定要求的绕组300的绕组槽302，可以找到绕组槽302的最小数量。根据再一方面，具有绕组300的绕组槽302的数量可以采用从能够提供电机的场额定要求所要求的最小数量直到约Nrs的任何整数值。根据又一方面，励磁器绕组槽302的数量可以是Nrs的值的约一小部分、诸如约Nrs/10、约Nrs/5、约Nrs/4、约Nrs/3或约Nrs/2的整数值。
根据本教导的另一方面，绕组300的数量对于多相操作将是变化的。可放置的绕组的数量将受到能量收集绕组区的饱和的限制，该饱和具有显著地减少所收集的最大能量的结果。用于从槽谐波中获得在励磁器绕组300中的感应电流的最大量的配置可以基于绕组300之间的距离、槽开口宽度、电机的气隙、电机的速度和所实施的功率电子器件转换器的类型而变化，并且这样的方面可以是变化的以在励磁器绕组300中生成要求量的感应电流。根据本教导的另一方面，多个励磁器绕组300在极306的径向边缘310处布置在转子308的极306内。根据本教导的再一方面，转子308是具有相对于极横向部分或极“靴”314向内且围绕极芯316布置的场绕组312的凸极转子。根据本教导的进一步的方面，图3中所描绘的转子308和定子320是用于20MVA级发电机。励磁器绕组300可以布置在开放的槽302中。槽302可以被尺寸和形状做成使得仅包括励磁器绕组，排除其他绕组，包括但不限于场绕组312、阻尼条或其他辅助绕组。可以转子边缘310上包括附加槽，其除了阻尼条或其他绕组之外还含有励磁器绕组300。
继续参照图3，单独的励磁器绕组300可以使用波浪绕组配置来连接，在单相励磁器绕组300配置中该波浪绕组配置可以造成以180电角度相异的邻接绕组，使得邻接绕组300在反并行方向上携带电流。应该注意的是，根据本教导也可以实施其他绕组配置。例如，匝数可以是变化的，以便使电压水平接近期望的电压。根据本教导的一个方面，绕组300是绞合的，这归因于涡流考虑可能是期望的。在一个替代示例中，传统阻尼条可以与励磁器绕组300组合地布置在槽302中的一个或多个中。
若干发电机测试的结果证明了励磁器绕组(包括但不限于本文中的励磁器绕组110和300)的在宽范围的应用中的有效性。这些测试包括了具有和没有联接的转换器的发电机，并且使用具有一定范围的额定值和同步操作速度的发电机执行。在各情况中，可以从励磁器绕组中提取充分的功率以向相应电机的场绕组提供能量。对电机的场功率要求是同步电机的额定值的小部分，约1％，并且根据本教导的电机可以生成所要求的场功率的200％。各种因素影响着可以从诸如绕组110和300等的励磁器绕组提取的功率的量。电机的气隙、电机的槽开口、电机的频率和转换器的类型的特征是可以影响所要求和所提取的功率的量的一些因素。来自励磁器绕组的功率提取可以取决于励磁器绕组和负载的阻抗。
参照图4，本教导的另一方面包括可以对于变速电机有益的电机400的无源转子401。转子401不包括任何有源或受控的电子部件，而是包括旋转无源整流器402。整流器402用作向包围凸极408的芯406的转子场绕组404的励磁能量的供给。整流器402可以是全波桥二极管整流器，但是其他形式的整流器也是合适的。整流器402输入端子410接收在励磁器绕组412中发展的感应电流。输出端子414被联接至转子场绕组404并将DC电流提供至绕组404。场绕组404用作用于整流器402的负载。
定子绕组450通过转换器452被电联接至电网。转换器452接收横跨端子454的三相功率。整流器456(其可以是基于SCR的整流器)将横跨端子458的DC电压提供至逆变器460(其可以是基于SCR的逆变器)。转换器452由控制器462控制，该控制器462可以包括计算装置的部件，除别的部件以外包括但不限于处理器、存储器、通信接口和用户接口。转换器还可以包括谐波注入器模块466。谐波注入器模块466可以是基于软件的、基于硬件的或者将软件和硬件合并，在硬件的情况中的操作期间或在软件的情况中的执行期间该谐波注入器模块466可以通过选择性地操作转换器以将谐波引入供给中而选择性地将任意谐波引入转换器电压输出中。这样的谐波可以例如通过由控制器462进行的转换器452的脉冲受控开关来引入。这样的受控开关可以通过基于SCR的逆变器来实施，使得转换器452的输出包括规定的空间或时间谐波中的一个或两者。引入的谐波通过引线464被施加至定子绕组450，这向定子绕组450供给了适合于电机400的相应应用的AC供给。通过控制器462进行的谐波的选择性引入可以确定地影响励磁器绕组412中的感应电流。根据本教导的一个方面，引入具有电机400的槽谐波的空间频率的谐波。通过引入这样的谐波，可以根据需要增加在励磁器绕组412中所感应的电流。控制器462还可以与诸如调节器128等的电压调节器通信。根据本教导的另一方面，控制器462可以被集成到诸如调节器128等的AVR中。根据本教导的再一方面，谐波注入器模块466可以被配置成供给仅固定谐波，该固定谐波可以被选择成匹配用于特定电机400的槽谐波。电机400的配置可以应用于电动机和发电机两者。对于转换器频率受限的较大电机，除开槽谐波外的其他较低阶时间谐波、诸如五阶和七阶时间谐波对于注入是优选的。
参照图5，用于操作同步电机400的过程500包括在步骤502中确定转子场绕组404中的规定的电流水平。该确定可以如通过确定安倍数本身的量而直接地完成，或者如通过确定与绕组404中的电流具有确定性关系的诸如电压或功率等的另一电可测量而间接地完成。在步骤504中，基于在步骤502中确定的场绕组404的规定电流水平，例如利用包括谐波注入器模块的控制器，以使槽频率对整体气隙场的贡献变化的频率或多个频率选择性地注入谐波失真。谐波可以是时间谐波或空间谐波。谐波的量可以通过或者改变注入的谐波的振幅或者改变注入的谐波的相位角而变化。在步骤506中，在励磁器绕组412处接收通过选择性地注入的谐波所引入的气隙谐波。在步骤508中，将包括归因于该注入的电流在内的在励磁器绕组412中感应的电流整流并供给至转子绕组404，由此实现转子中的规定电流。
参照图6，用于操作同步电机100的过程600包括在步骤602中确定转子场绕组108中的规定的电流。在步骤604中，基于场绕组404的规定电流，经由无线CAN收发器126、130将控制信号从AVR128发送至旋转功率供给114。在步骤606中，旋转功率供给114基于接收到的控制信号将电流供给至转子绕组108。
诸如电机100和400等的无励磁器同步电机可以在同步电动机和发电机中并且在没有分离的励磁机的情况下实施。这样的无励磁器电机由于缺少分离的励磁系统因而是更紧凑的同步电机，其可以在宽范围的领域中应用，包括但不限于在海运推进电动机、同步发电机、采矿电动机和风力涡轮发电机中，其中的发电机是低压(LV)发电机和中压(MV)发电机两者。
在本公开中，跟着字母索引的附图标记是指所图示的元件中的一个，而没有字母索引的附图标记的使用是指所图示的元件中的一个或多个。为了本公开的目的并且除非另有指出，“一”或“一个”是指“一个或多个”。就本说明书或权利要求书中使用术语“包括”或“包括”来说，其旨在以类似于术语“包括”的方式是包容性的，因为该术语在权利要求中采用时被解释为过渡性词语。此外，就采用术语“或”(例如，A或B)来说，其旨在意味着“A或B或两者”。当申请人打算指示“仅A或B而不是两者”时，那么将会采用术语“仅A或B而不是两者”。如本文中所使用的，“约”将由本领域普通技术人员所理解并且将在某种程度上取决于其使用的上下文而变化。如果存在有本领域普通技术人员不清楚的术语的使用，那么考虑到其使用的上下文，“约”将意味着直到特定术语的加或减10％。从约A到B旨在意味着从约A到约B，其中A和B是指定值。
各种实施例的描述和这些实施例的细节是说明性的并且不旨在将所要求保护的本发明的范围约束或以任何方式限制为这些实施例和细节。附加优点和修改对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明在其更广泛的方面不限于所示出和描述的具体细节和说明性示例。相应地，在不脱离申请人要求保护的发明的精神或范围的情况下，可以从这样细节进行偏离。
Claims (18)
1.一种同步电机，包括：
定子；
转子，相对于所述定子可操作地布置，所述转子的第一表面和所述定子的第二表面通过气隙分离，所述转子包括旋转DC功率供给和邻接于所述气隙布置在所述转子的所述第一表面中的励磁器绕组，所述励磁器绕组被电联接至所述DC功率供给的输入，所述DC功率供给被电联接至转子绕组；和，
电压调节器，被电联接至所述定子的定子绕组并且能够将控制信号通信至所述DC功率供给。
2.根据权利要求1所述的电机，其中所述DC功率供给包括DC-DC转换器。
3.根据权利要求2所述的电机，其中所述DC功率供给包括无线接收器，并且所述电压调节器具有可操作以与所述接收器通信的无线发射器。
4.根据权利要求3所述的电机，其中所述接收器和发射器是无线CAN收发器。
5.根据权利要求2所述的电机，其中所述DC功率供给包括光接收器。
6.根据权利要求5所述的电机，其中所述电压调节器具有可操作以与所述接收器通信的光发射器。
7.根据权利要求1所述的电机，其中所述DC功率供给包括被电联接至所述励磁器绕组的晶闸管，所述晶闸管被配置成提供DC输出。
8.根据权利要求1所述的电机，其中所述转子包括包含所述转子的所述第一表面的多个极，所述励磁器绕组布置在至少一个励磁器绕组槽内并且所述定子绕组布置在至少一个定子绕组槽内，其中包括励磁器绕组的励磁器绕组槽的数量在可操作以向所述电机提供场额定要求功率的励磁器绕组槽的最小数量到通过以下等式给出的约Nrs之间：
<mrow>
<msub>
<mi>N</mi>
<mrow>
<mi>r</mi>
<mi>s</mi>
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<mo>&CenterDot;</mo>
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<mi>N</mi>
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<mi>s</mi>
</mrow>
</msub>
<mi>p</mi>
</mfrac>
</mrow>
其中Nrs是励磁器绕组槽的数量、k是整数值、m是励磁器绕组的相的数量、brp是所述转子极的圆弧宽度、rgap是所述电机的气隙半径、Nss是所述定子中的定子槽的数量并且p是所述电机中的转子极的数量。
9.根据权利要求8所述的电机，其中k具有1、2、3、4或5的值。
10.根据权利要求9所述的电机，其中k具有1、2或3的值。
11.根据权利要求1所述的电机，其中所述定子绕组布置在至少一个定子绕组槽内，并且所述至少一个定子绕组槽是开放的槽。
12.一种用于操作具有定子和转子的同步电机的系统，包括：
通过气隙分离的所述转子的第一表面和所述定子的第二表面，所述转子包括旋转DC功率供给和邻接于所述气隙布置在所述转子的所述第一表面中的励磁器绕组，所述励磁器绕组被电联接至所述DC功率供给的输入；和，
转换器，被电联接至所述定子并且包括谐波注入器。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述DC功率供给是无源DC功率供给。
14.根据权利要求12所述的系统，其中转换器包括具有被电联接至多相供给的输入和被联接至逆变器的输出的整流器，所述谐波注入器被电联接至所述逆变器并且被配置成选择性地将时间谐波和空间谐波中的一个或两者供给至所述逆变器。
15.一种用于操作同步电机的方法，包括：
选择所述同步电机的转子绕组中的规定的电流水平；
将谐波失真注入所述同步电机的定子绕组，在邻接于所述电机的气隙布置在所述转子的表面中的励磁器绕组中感应出归因于所述谐波失真的电流；
将所述励磁器绕组中的电流整流；和，
将所述经过整流的电流供给至所述转子的转子绕组，由此实现所述转子绕组中的所述规定的电流水平。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述选择步骤包括选择对应于规定电流水平的电压水平或功率水平中的一个或多个。
17.一种用于操作同步电机的方法，包括：
至少部分基于所述电机的定子绕组中的电状况来选择所述同步电机的转子绕组中的规定的电流水平；
将控制信号通信至所述转子中的旋转DC功率供给，所述控制信号对应于所述规定的电流水平；
将邻接于所述电机的气隙布置在所述转子的外表面中的励磁器绕组中的电流整流；和，
基于所述控制信号将所述电流供给至所述转子绕组。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述通信步骤包括将来自被电联接至自动电压调节器的发射器的控制信号通信至被联接至DC功率供给的接收器。
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