CN110739891B - 一种电励磁同步磁阻无刷发电系统 - Google Patents

一种电励磁同步磁阻无刷发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电励磁同步磁阻无刷发电系统，包括电励磁同步磁阻无刷电机、功率变换器、供电电源、不可控整流器、直流电气负载或交流电气负载；定子上绕有电枢绕组和交流励磁绕组；转子的直轴磁阻和交轴磁阻不等；交流励磁绕组产生的磁通经直轴形成的低磁阻路径，从而建立气隙磁场；通过功率变换器控制交流励磁绕组的直轴励磁电流的大小，实现气隙磁场的调节和输出电压的调节；当需直流发电时，电枢绕组的输出端通过不可控整流器与直流电气负载相连；当需交流发电时，电枢绕组的输出端直接与交流电气负载相连。本发明在做发电机时，只需要控制交流励磁绕组的功率变换器，而不需全功率可控变换器，大大降低了功率变换器的容量。

Description

一种电励磁同步磁阻无刷发电系统
技术领域
本发明涉及电机与系统设计和制造领域，特别是一种电励磁同步磁阻无刷发电系统 。
背景技术
永磁电机具有高转矩/功率密度、高效率和高功率因素等优点，已在许多场合得到应用。然而，永磁电机的弱磁是通过控制电枢绕组中的直轴电流分量（-i d ）来实现，永磁体有着不可逆退磁的风险，且弱磁能力有限。而且，永磁电机在应用于航空电源等发电场合时，需要全功率的可控变换器来实现调压。
开关磁阻电机的转子既无永磁体也无绕组，结构简单可靠，适合高温高速运行。但是，开关磁阻电机在发电运行时也需要全功率的可控变换器来实现无功励磁，功率因数低。
同步磁阻电机也具有开关磁阻电机结构简单可靠的优点，已应用于电动汽车等驱动场合。但是，传统的同步磁阻电机无励磁源，通过凸极效应产生磁阻转矩。因此，这类电机只能作为电动机运行。
传统的励磁源是直流励磁，即在转子或定子上增加直流励磁绕组。但是，传统的同步磁阻电机，即使在定子上加入直流励磁绕组，也无法产生与转子同步旋转的旋转励磁磁场，也就无法实现励磁；而在转子上加入直流励磁绕组，需要安装电刷和滑环才能为直流绕组提供直流电，电枢和滑环会不可避免的降低系统可靠性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种电励磁同步磁阻无刷发电系统 ，该电励磁同步磁阻无刷发电系统在做发电机时，只需要控制交流励磁绕组的功率变换器，而不需要全功率可控变换器，大大降低了功率变换器的容量。另外，本发明即能进行直流发电运行，也能实现交流发电运行。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种电励磁同步磁阻无刷发电系统，包括电励磁同步磁阻无刷电机、功率变换器、供电电源、不可控整流器、直流电气负载和/或交流电气负载。
电励磁同步磁阻无刷电机包括定子和转子。
定子上绕制有电枢绕组和交流励磁绕组。电枢绕组和交流励磁绕组均为交流绕组，两者的极对数均等于转子的极对数。
交流励磁绕组的输入端通过功率变换器与供电电源相连接。转子的直轴磁阻和交轴磁阻不相等。
交流励磁绕组产生的旋转励磁磁场经过直轴磁路形成的低磁阻路径，从而建立气隙磁场。通过功率变换器控制交流励磁绕组的直轴励磁电流的大小，实现气隙磁场的调节，进而实现电枢绕组输出端输出电压的调节。
当需直流发电时，电枢绕组的输出端通过不可控整流器与直流电气负载相连接。
当需交流发电时，电枢绕组的输出端直接与交流电气负载相连接。
转子中交轴滞后直轴的机械角度为360/（4*p）。
转子为凸极转子，直轴为转子凸极的中心线，交轴为凸极转子中两凸极的中心线。
转子为磁障转子，直轴为两组磁障的中心线，交轴为磁障的中心线。
磁障转子包括沿转子周向均布布设的2p个磁障组，每个磁障组包括一个或两个以上层叠设置的磁障。
磁障转子还包括条形切向磁障，相邻两个磁障组之间设置一个沿径向布设的条形切向磁障。
转子为凸极和磁障相混合的混合转子，混合转子包括2p个凸极和2p个磁障组，2p个磁障组设置在相邻两个凸极之间的转子铁心上，每个磁障组均为单层磁障或多层磁障，每层磁障的形状为弧形、V形或条形。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明做发电机时，只需要能够控制交流励磁绕组的功率变换器，而不需要全功率可控变换器，大大降低了变换器的容量，功率变换器的容量仅为全功率可控变换器的1/5即可。
电枢绕组是机电能量转换的枢纽，发电机都是靠电枢绕组发出电能。传统的永磁发电机或开关磁阻发电机，其电枢绕组端直接发出电能（此时的电能是整个电机产生的功率），为了能够对输出的电压进行调节，其电枢绕组端需要可控的功率变换器。此时的功率变换器的功率等级需配对整个电机的功率等级，称为全功率可控功率变换器。当然，其是可控的，还需要相对应的控制器。由于是电枢输出端调节电压，使得此类发电机只能做直流发电机；要做交流发电机，还需要再另加一级逆变器，把发出的直流电变换成交流电。
而本发明的电压调节，是通过控制交流励磁绕组的励磁电流来调节，而不是通过控制电枢端来调节。因此，本发明只需要控制励磁绕组的电流，而励磁绕组需要的功率等级为整个电机功率等级的(大概范围：1/10-1/4)。因此，本发明的可控功率变换器的容量大大降低。
2、电枢绕组端接不可控整流器（如桥式二极管整流）就可以进行直流发电运行；电枢绕组直接接交流负载就可实现交流发电。由于不控整流器，不需要相对应的控制器。在做直流发电时，本发明取消了电枢端的可控功率变换器，用不控整流器代替；其输出直流电压的调节，由控制励磁电流（改变励磁磁场）来实现。
3、通过改变交流励磁绕组的直轴励磁电流的大小就可以实现调压。无励磁电流时，气隙磁通为零，故障灭磁简单。现有技术调压，要么是通过电枢端的全功率可控变换器来直接调节电压（如永磁发电机），要么是采用直流励磁的方式来调节励磁磁场（如直流电励磁电机），从而调节输出电压。本发明则是交流励磁无刷电机和发电系统整体的有机结合，不是单一的电机或者发电系统。
附图说明
图1显示了本发明一种电励磁同步磁阻无刷发电系统的示意图。
图2显示了本发明中电励磁同步磁阻无刷电机的实施例图。
图3显示了磁障转子的实施例图。
图4显示了凸极转子的实施例图。
图5显示了混合转子的实施例图。
其中有：
10.定子；11.电枢绕组；12.交流励磁绕组；
20.转子；21.磁障；22.条形切向磁障；23.凸极。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
本发明以三相内转子m=3，N s =36，p=3为例进行说明，m为电枢绕组相数，N s 为定子槽数， p为电子极对数。
如图1所示，一种电励磁同步磁阻无刷发电系统，包括电励磁同步磁阻无刷电机、功率变换器、供电电源、不可控整流器、直流电气负载和/或交流电气负载。
如图2所示，电励磁同步磁阻无刷电机包括定子10和转子20，定子和转子铁心均优选采用导磁材料。
定子上绕制有电枢绕组11和交流励磁绕组12。电枢绕组和交流励磁绕组均为交流绕组，两者的极对数均等于转子的极对数p。
定子上的三相电枢绕组（A、B、C。其中A相可由A1-A6线圈串联而成，也可由A1-A2、A3-A4、A5-A6分别串联后再并联）和三相交流励磁绕组（X、Y、Z，图中只画出X相绕组，X、Y、Z相按逆时针依次相差120°）、定子与转子之间的气隙。如图2所示。电枢绕组在励磁绕组外侧。电枢绕组极对数等于交流励磁绕组极对数，都等于转子极对数3。
交流励磁绕组的相数可以与电枢绕组的相数相同，也可不同。电枢绕组和交流励磁绕组的相对位置可调换，即电枢绕组在槽内侧时交流励磁绕组在槽外侧，或电枢绕组在槽外侧时交流励磁绕组在槽内侧。
交流励磁绕组的输入端通过功率变换器与供电电源相连接。
转子的直轴磁阻和交轴磁阻不相等。
转子的结构具有几种优选实施例。
实施例1 转子为磁障转子
如图2所示，磁障转子包括沿转子周向均布布设的2p个磁障组，每个磁障组包括一个或两个以上层叠设置的磁障21。每层磁障的形状优选为弧形、V形或条形等，本实施例中，优选为弧形。
直轴为两组磁障21的中心线，交轴为磁障21的中心线，交轴滞后直轴90电角度，也即滞后的机械角度为360/（4*p）。
进一步，如图3所示，磁障转子还包括条形切向磁障22，相邻两个磁障组之间设置一个沿径向布设的条形切向磁障，也即条形切向磁障位于直轴上。
实施例2 转子为凸极转子
如图4所示，直轴为转子凸极23的中心线，交轴为凸极转子中两凸极23的中心线。
实施例3 转子为混合极转子
如图5所示，转子为凸极和磁障相混合的混合转子，混合转子包括2p个凸极和2p个磁障组，2p个磁障组设置在相邻两个凸极之间的转子铁心上，也即位于直轴上。交轴磁障是为了降低交轴磁路的磁阻，同时，不影响直轴磁路：因为直轴磁路是为励磁磁通提供的低磁阻路径，有利于励磁调节。
每个磁障组均为单层磁障或多层磁障，每层磁障的形状优选为弧形、V形或条形等，本实施例中，优选为弧形。磁障的作用是降低交轴磁路的磁阻，从而形成凸极效应。
交流励磁绕组产生的旋转励磁磁场经过直轴磁路形成的低磁阻路径，从而建立气隙磁场。通过功率变换器控制交流励磁绕组的直轴励磁电流的大小，实现气隙磁场的调节，进而实现电枢绕组输出端输出电压的调节。
当需直流发电时，电枢绕组的输出端通过不可控整流器与直流电气负载相连接。不可控整流器优选为三相桥式二极管，也称桥式不可控整流器。
当需交流发电时，电枢绕组的输出端直接与交流电气负载相连接。
本发明只需要能够控制交流励磁绕组的功率变换器，而不需要全功率可控变换器，大大降低了变换器的容量。无励磁电流时，气隙磁通为零，故障灭磁简单。
可控功率变换器，是需要相对应的控制器对开关管进行控制的。不控整流器是不需要控制器对其控制的整流器，一般采用桥式二极管整流。
本发明既可以为内转子电机，也可以为外转子电机。即可电动运行，也可发电运行。
本发明电机采用交流励磁，且交流励磁绕组和电枢绕组都位于定子上，从而实现无刷化励磁。通过控制定子交流励磁绕组的直轴励磁电流，产生与转子同步旋转的励磁磁场，从而实现简单可靠的无刷化励磁。直轴的导磁铁心为励磁磁场提供低磁阻路径。磁障为不导磁材料或空气等。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电励磁同步磁阻无刷发电系统，其特征在于：包括电励磁同步磁阻无刷电机、功率变换器、供电电源、不可控整流器、直流电气负载和/或交流电气负载；
电励磁同步磁阻无刷电机包括定子和转子；
定子上绕制有电枢绕组和交流励磁绕组；电枢绕组和交流励磁绕组均为交流绕组，两者的极对数均等于转子的极对数p；
交流励磁绕组的输入端通过功率变换器与供电电源相连接；转子的直轴磁阻和交轴磁阻不相等；
转子中交轴滞后直轴的机械角度为360/（4*p）；
直轴磁路为励磁磁通提供低磁阻路径，有利于励磁调节；
交轴磁路具有凸极效应，不影响直轴磁路；
交流励磁绕组产生的旋转励磁磁场经过直轴磁路形成的低磁阻路径，从而建立气隙磁场；通过功率变换器控制交流励磁绕组的直轴励磁电流的大小，实现气隙磁场的调节，进而实现电枢绕组输出端输出电压的调节；
当需直流发电时，电枢绕组的输出端通过不可控整流器与直流电气负载相连接；
当需交流发电时，电枢绕组的输出端直接与交流电气负载相连接。
2.根据权利要求1所述的电励磁同步磁阻无刷发电系统，其特征在于：转子为凸极转子，直轴为转子凸极的中心线，交轴为凸极转子中两凸极的中心线。
3.根据权利要求1所述的电励磁同步磁阻无刷发电系统，其特征在于：转子为磁障转子，直轴为两组磁障的中心线，交轴为磁障的中心线。
4.根据权利要求3所述的电励磁同步磁阻无刷发电系统，其特征在于：磁障转子包括沿转子周向均布布设的2p个磁障组，每个磁障组包括一个或两个以上层叠设置的磁障。
5.根据权利要求4所述的电励磁同步磁阻无刷发电系统，其特征在于：磁障转子还包括条形切向磁障，相邻两个磁障组之间设置一个沿径向布设的条形切向磁障。
6.根据权利要求1所述的电励磁同步磁阻无刷发电系统，其特征在于：转子为凸极和磁障相混合的混合转子，混合转子包括2p个凸极和2p个磁障组，2p个磁障组设置在相邻两个凸极之间的转子铁心上，每个磁障组均为单层磁障或多层磁障，每层磁障的形状为弧形、V形或条形。
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