CN108964392A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

针对电机起动以及谐波励磁利用率不高的问题，本发明提供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，属于永磁同步电机领域。本发明电机转子上安装有转子直流励磁绕组F和转子谐波感应绕组H，转子直流励磁绕组F的节距为1，转子谐波感应绕组H的节距为1/3，电机定子绕组为两套三相星接的定子绕组，相移为30°，且中性点连在一起。控制两套定子绕组的电流波形，使每三相定子绕组电流中均包含交变零序电流成分，且两套定子绕组的交变零序电流成分相位正交，根据转子位置进行谐波磁场定向控制，使交变谐波磁场在转子谐波感应绕组H感应谐波电动势，进而经旋转整流供给转子直流励磁绕组F建立转子主磁场，从而实现同步电机的无刷电励磁。

Description

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
技术领域
本发明涉及一种同步电机，特别涉及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，属于永磁同步电机领域。
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。
由于上述原因，电励磁电机不需要依赖于昂贵的稀土永磁材料，更可以方便地进行励磁调节，可以在许多应用中作为永磁电机技术的补充机种。对于电励磁电机，电刷和滑环的存在严重影响了电机寿命和性能，实现无刷化电励磁是电机可以可靠运行的关键。专利CN103887908A及CN103904856A等提出了通过定子绕组中增加谐波电流从而实现无刷化电励磁的方法。但此类方法应用于电动机时存在电机起动问题，以及谐波励磁的利用率不高等问题。
发明内容
针对上述电机起动以及谐波励磁的利用率不高的问题，本发明提供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。
本发明的一种双三相同步电机，所述电机的转子上安装有转子直流励磁绕组F和转子谐波感应绕组H，所述转子直流励磁绕组F的节距为1，转子谐波感应绕组H的节距为1/3，所述电机的定子绕组为两套三相星接的定子绕组，两套定子绕组的相移为30°，两套定子绕组的中性点连接在一起。
优选的是，所述电机的定子槽数为6的整数倍。
优选的是，所述电机的转子为凸极结构，在转子主磁极上安装有转子直流励磁绕组F安装在，在转子主磁极的中心线上开有绕组槽，该绕组槽将每个主磁极分成两个转子分齿，每个转子分齿均安装有转子谐波感应绕组H。
优选的是，所述主磁极的弧系数为主极矩的2/3。
优选的是，所述电机的转子为隐极开槽结构。
本发明还提供一种双三相同步电机的谐波磁场定向无刷励磁方法，所述方法为：
控制两套定子绕组的电流波形，使每三相定子绕组电流中均包含交变零序电流成分，并且两套定子绕组的交变零序电流成分相位正交，根据转子位置进行谐波磁场定向控制，使交变谐波磁场在转子谐波感应绕组H感应谐波电动势，进而经旋转整流供给转子直流励磁绕组F建立转子主磁场，从而实现同步电机的无刷电励磁。
优选的是，采用双三相四桥臂拓扑结构的功率变换器驱动双三相绕组，第四桥臂的中点与两套定子绕组的中性点构成电流回路，使每三相定子绕组电流中均包含交变零序电流成分，并且两套定子绕组的交变零序电流成分相位正交。
优选的是，采用双三相半桥拓扑结构的功率变换器驱动双三相绕组，利用两无极性电容构造的中点电位与两套定子绕组的中性点构成电流回路，使每三相定子绕组电流中均包含交变零序电流成分，并且两套定子绕组的交变零序电流成分相位正交。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
本发明的有益效果在于，本发明提出了一种在特定电机绕组结构的基础上通过谐波磁场定向控制实现无刷电励磁的方法。本发明的电机为将定子绕组裂相为相移30°双三相星接绕组，并通过注入相位正交的双交变零序电流，并根据转子位置进行谐波磁场定向控制，就可以改变脉振磁场空间位置，从而实现零序谐波磁场与转子感应绕组的定向耦合，使得在转子任意位置都可以实现完全耦合的无刷电励磁功率传输，从而解决电动机起动励磁问题以及提高运行过程中的良好励磁控制能力。本发明无需依赖昂贵的永磁体，也不需要独立励磁机励磁，既可以用于一般驱动用途的电动机励磁，也可以应用于具有功率变换器的发电机励磁，并且解决了一般励磁机励磁时的电动机起动问题。
附图说明
图1为本发明的双三相同步电机的一种定子驱动电路；
图2为本发明的双三相同步电机的另一种定子驱动电路；
图3为本发明双三相定子绕组的相位关系示意图；
图4为双三相定子绕组分布及磁场波形示意图；
图5为旋转整流器的电路连接示意图；
图6为凸极式转子结构，1表示电机转子，2表示电机定子，3表示定子绕组；A1、B1、C1分别表示三相定子绕组，A2、B2、C2分别表示相移30°三相定子绕组；
图7为隐极式转子结构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种双三相同步电机，所述电机的转子上安装有转子直流励磁绕组F和转子谐波感应绕组H，转子直流励磁绕组F的节距为1，转子谐波感应绕组H的节距为1/3，所述电机的定子绕组为两套三相星接的定子绕组，两套定子绕组的相移为30°，两套定子绕组的中性点连接在一起。
具体到电机电磁结构，为实现双三相绕组，定子槽数需要选取为相数6的整数倍。定转子极槽配合既可以为整数槽配合，也可以是分数槽配合。对于整数槽配合，定子槽数为电机极数的6K倍，K为正整数，这样可以构成完全相移30°双三相绕组。对于分数槽配合，定子槽数和电机极数可以没有直接关系，定子槽数依然为相数6的整数倍，通过合理的极相组分配，可以构成近似相移30°双三相绕组，虽然谐波励磁性能略受影响，但可以有效削弱齿谐波影响。
优选实施例中，电机的转子可以为凸极结构，在转子主磁极上安装有转子直流励磁绕组F，在转子主磁极的中心线上开有绕组槽，该绕组槽将每个主磁极分成两个转子分齿，每个转子分齿均安装有转子谐波感应绕组H。
优选实施例中，所述主磁极的弧系数为主极矩的2/3，可以使得空间三次谐波磁场对转子直流励磁绕组最小化。
优选实施例中，电机的转子可以为隐极开槽结构。
本实施方式还提供一种双三相同步电机的谐波磁场定向无刷励磁方法，所述方法为：
控制两套定子绕组的电流波形，使每三相定子绕组电流中均包含交变零序电流成分，并且两套定子绕组的交变零序电流成分相位正交，根据转子位置进行谐波磁场定向控制，使交变谐波磁场在转子谐波感应绕组H感应谐波电动势，进而经旋转整流供给转子直流励磁绕组F建立转子主磁场，从而实现同步电机的无刷电励磁，具体工作原理为：
每套三相定子绕组通电后均可产生空间基波旋转磁场和高次谐波磁场，包括空间三次谐波脉振磁场。对于相移30°的双三相绕组，三次谐波磁场空间相位恰好正交，如图4所示波形，如果电流中包括高频零序电流分量，且双绕组中的高频零序电流相位正交，则空间三次谐波磁场可以形成幅值可变的旋转磁场。通过功率变换器控制两套定子绕组的电流波形，使每三相定子电流中均包含交变零序电流成分，并且两套绕组的交变零序电流成分相位正交，利用此正交的交变零序电流成分产生空间三次谐波磁场，并且通过控制双三相绕组中的三次谐波电流相位，可以实现谐波磁场的定向控制。
当转子上存在一套绕组节距为1/3主极距的谐波感应绕组H时，如图4中所示H绕组，交变零序谐波磁场可以在谐波感应绕组感应谐波电动势，进而经旋转整流供给转子直流励磁绕组F建立转子主磁场，如图5所示。由于可以根据转子位置进行谐波磁场的定向控制，可以在任意转子位置将谐波励磁功率传递到转子谐波感应绕组。这样不但在任意转子位置均可以高效地通过谐波磁场将功率传递至转子直流励磁绕组F进行励磁，而且解决了电动机起动时刻的有效励磁问题，电动机可以负载起动。
优选实施例中，采用如图1所示的双三相四桥臂拓扑结构的功率变换器驱动双三相绕组，第四桥臂的中点与两套定子绕组的中性点构成电流回路，使每三相定子绕组电流中均包含交变零序电流成分，并且两套定子绕组的交变零序电流成分相位正交。
优选实施例中，采用如图2所示的双三相半桥拓扑结构的功率变换器驱动双三相绕组，利用两无极性电容构造的中点电位与两套定子绕组的中性点构成电流回路，使每三相定子绕组电流中均包含交变零序电流成分，并且两套定子绕组的交变零序电流成分相位正交。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (8)

1.一种双三相同步电机，所述电机的转子上安装有转子直流励磁绕组F和转子谐波感应绕组H，所述转子直流励磁绕组F的节距为1，转子谐波感应绕组H的节距为1/3，其特征在于，所述电机的定子绕组为两套三相星接的定子绕组，两套定子绕组的相移为30°，两套定子绕组的中性点连接在一起。
2.根据权利要求1所述的双三相同步电机，其特征在于，所述电机的定子槽数为6的整数倍。
3.根据权利要求2所述的双三相同步电机，其特征在于，所述电机的转子为凸极结构，在转子主磁极上安装有转子直流励磁绕组F，在转子主磁极的中心线上开有绕组槽，该绕组槽将每个主磁极分成两个转子分齿，每个转子分齿均安装有转子谐波感应绕组H。
4.根据权利要求3所述的双三相同步电机，其特征在于，所述主磁极的弧系数为主极矩的2/3。
5.根据权利要求2所述的双三相同步电机，其特征在于，所述电机的转子为隐极开槽结构。
6.一种双三相同步电机的谐波磁场定向无刷励磁方法，其特征在于，所述方法为：
控制两套定子绕组的电流波形，使每三相定子绕组电流中均包含交变零序电流成分，并且两套定子绕组的交变零序电流成分相位正交，根据转子位置进行谐波磁场定向控制，使交变谐波磁场在转子谐波感应绕组H感应谐波电动势，进而经旋转整流供给转子直流励磁绕组F建立转子主磁场，从而实现同步电机的无刷电励磁。
7.根据权利要求6所述的谐波磁场定向无刷励磁方法，其特征在于，采用双三相四桥臂拓扑结构的功率变换器驱动双三相绕组，第四桥臂的中点与两套定子绕组的中性点构成电流回路，使每三相定子绕组电流中均包含交变零序电流成分，并且两套定子绕组的交变零序电流成分相位正交。
8.根据权利要求6所述的谐波磁场定向无刷励磁方法，其特征在于，采用双三相半桥拓扑结构的功率变换器驱动双三相绕组，利用两无极性电容构造的中点电位与两套定子绕组的中性点构成电流回路，使每三相定子绕组电流中均包含交变零序电流成分，并且两套定子绕组的交变零序电流成分相位正交。
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