CN111092499B - 一种谐波激磁电励磁双凸极电机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种谐波激磁电励磁双凸极电机及其控制方法，涉及电机设计与控制技术领域。谐波绕组通过整流电路整流产生直流电，为励磁控制电路和发电控制单元供电，提高发电系统独立性与效率；谐波绕组电流可抑制励磁绕组自感的变化率，从而减小励磁电压的波动，提高励磁电流调节稳定性。本发明包括：定子铁心为凸极结构，由多个定子极构成，转子铁心为凸极结构，由多个转子极构成；每个定子极上同时绕有励磁线圈、谐波线圈和电枢线圈，每个电枢线圈分别绕在两个定子极上；各个定子极的励磁线圈依次串联组成励磁绕组，各个定子极的谐波线圈依次串联组成谐波绕组，各个定子极的电枢线圈依次串联组成电枢绕组。本发明适用于电励磁双凸极电机。

Description

一种谐波激磁电励磁双凸极电机及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种谐波激磁电励磁双凸极电机及其控制方法，属于谐波激磁电励磁双凸极电机领域。
背景技术
转子励磁型永磁电机具有高功率密度和高效率的优点，被广泛应用于电动汽车、工业自动化等多个领域。然而传统的转子励磁型永磁电机的应用受到以下条件的约束：一方面由于稀土永磁材料的价格比较昂贵，导致转子励磁型永磁电机生产成本较高，且稀土资源日益稀缺；另一方面，永磁体产生的气隙磁场难以调节，作为发电机运行时，电机输出电压难以调节，而且永磁体还存在不可逆的退磁风险，以至于电机难以长期适应恶劣环境。
为了解决转子励磁型永磁电机气隙磁场难以调节的问题，有学者研究了在转子上附加一套电励磁绕组的转子励磁型混合励磁永磁电机，在没有交流励磁机的情况下，为了能向转子上的励磁绕组输入励磁电流，需要引入电刷和滑环等机械装置，随之产生的是由电刷引起的火花、噪声等问题，这会大大缩短电机的使用寿命。针对这个问题，发明专利CN206432872U公开了一种基于谐波励磁的无刷混合励磁永磁电机，这种发电机的定子槽中分布有电枢绕组和三次谐波绕组，转子槽中分布有永磁体、转子励磁绕组和转子谐波绕组，转子谐波绕组在电机气隙中获取特定次数的谐波能量。之后还需要通过转子的旋转二极管整流电路，给主发电机的励磁绕组提供能量。但是转子励磁型混合励磁永磁电机仍存在一些由永磁体带来的固有问题，如成本高、有不可逆退磁风险等。同时，由于需要向定子输入人为控制的谐波电流，在转子上感应出谐波，再通过转子上的旋转二极管进行整流形成励磁电流供给转子励磁。而旋转二极管和转子一起旋转，在高转速、恶劣工况情况下，可靠性较差。
针对上述问题，有学者研究了不采用独立励磁机的转子励磁型无刷电励磁同步发电机，发明专利CN103887908B公开了一种无刷谐波励磁同步电机，谐波绕组安装在转子上，经旋转整流器与转子上的主励磁绕组直接相连接。利用定子中的三次谐波电流、高次谐波电流或直流分量电流在电机气隙中产生谐波磁场，在谐波绕组中产生感应电流给励磁绕组提供励磁电流，实现无刷励磁。这种方案需要在转子励磁型无刷谐波励磁同步发电机转子上引入旋转整流器，当电机工作温度较高时，由于功率器件的耐温性能较差，降低了电机运行的可靠性；而且当电机处于高速旋转状态时，转子上的旋转整流器及其相应的保护元件(如快速熔断器、电阻、电容等)都会受到相当大的离心力，这也极大降低了电机运行的可靠性。
综上所述，目前的方案中，都存在可靠性差的问题。
谐波激磁电励磁双凸极电机不需要向定子输入人为控制的谐波电流，励磁绕组、谐波绕组和电枢绕组都在定子上，转子上无永磁体也无绕组，因此可靠性高。
发明内容
本发明的实施例提供一种谐波激磁电励磁双凸极电机及其控制方法，能够进一步提高电励磁双凸极电机的可靠性。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
提供一种谐波激磁电励磁双凸极电机，所述谐波激磁电励磁双凸极电机包括：励磁绕组(1)、谐波绕组(2)、电枢绕组(3)、定子铁心(4)和转子铁心 (5)；
定子铁心(4)为凸极结构，由12个定子极(4-1)构成，转子铁心(5)为凸极结构，由5个转子极(5-1)构成；
每一个定子极(4-1)上同时绕有励磁线圈、谐波线圈和电枢线圈，每个电枢线圈分别绕在两个定子极(4-1)上，每个电枢线圈的绕制方式相同；每个定子极 (4-1)上的励磁线圈的绕制方式相同，各个定子极(4-1)上的励磁线圈依次串联组成励磁绕组(1)；每个定子极(4-1)上的谐波线圈的绕制方式相同，各个定子极(4-1)上的谐波线圈依次串联组成谐波绕组(2)。
具体的，所述电励磁双凸极电机为定转子极数为12/5极的双凸极结构；定子铁心(4)由12个定子极(4-1)构成，转子铁心(5)由5个转子极(5-1)构成；本发明也适用于其它定转子极数比为12N/5N(N为正整数)的谐波激磁电励磁双凸极电机。
具体的，所述谐波激磁电励磁双凸极电机的定子铁心(4)位于转子铁心 (5)外部或者转子铁心(5)位于定子铁心(4)外部。
具体的，所述谐波激磁电励磁双凸极电机的12个励磁线圈分别绕制在12个定子极(4-1)上，各个励磁线圈在各自的定子极(4-1)上的绕制方式相同，每个励磁线圈共有两个连接端；其中，一号励磁线圈(1-1)的第一连接端作为励磁绕组(1)的一个出线端F+，一号励磁线圈(1-1)的第二连接端与逆时针方向的二号励磁线圈(1-2)的第二连接端串联，二号励磁线圈(1-2)的第一连接端再与逆时针方向的三号励磁线圈(1-3)的第一连接端串联，依照此规律，第一连接端与第一连接端串联，第二连接端与第二连接端串联，按逆时针方向将12个励磁线圈(1-1至1-12)依次串联构成励磁绕组(1)，最后一个励磁线圈 (1-12)的第一连接端作为励磁绕组(1)的另一个出线端F-。
具体的，所述谐波激磁电励磁双凸极电机的12个谐波线圈分别绕制在12个定子极(4-1)上，各个谐波线圈在各自的定子极(4-1)上的绕制方式相同，每个谐波线圈共有两个连接端；其中，一号谐波线圈(2-1)的第一连接端作为谐波绕组(2)的一个出线端E+，一号谐波线圈(2-1)的第二连接端与逆时针方向的二号谐波线圈(2-2)的第二连接端串联，二号谐波线圈(2-2)的第一连接端再与逆时针方向的三号谐波线圈(2-3)的第一连接端串联，依照此规律，第一连接端与第一连接端串联，第二连接端与第二连接端串联，按逆时针方向将12个谐波线圈(2-1至2-12)依次串联构成谐波绕组(2)，直至最后一个谐波线圈(2-12)的第一连接端作为谐波绕组(2)的另一个出线端E-。
具体的，所述谐波激磁电励磁双凸极电机的电枢绕组(3)包括：A相电枢绕组(3-A)、B相电枢绕组(3-B)和C相电枢绕组(3-C)；其中，一号电枢线圈 (3-1)的第一连接端作为A相电枢绕组(3-A)的一个出线端A+，一号电枢线圈(3-1)的第二连接端与逆时针方向的四号电枢线圈(3-4)的第二连接端串联，四号电枢线圈(3-4)的第一连接端作为A相电枢绕组(3-A)的另一个出线端A-；二号电枢线圈(3-2)的第二连接端作为B相电枢绕组(3-B)的一个出线端B+，二号电枢线圈(3-2)的第一连接端与逆时针方向的五号电枢线圈(3-5) 的第一连接端串联，五号电枢线圈(3-5)的第二连接端作为B相电枢绕组(3-B) 的另一个出线端B-；三号电枢线圈(3-3)的第一连接端作为C相电枢绕组(3-C) 的一个出线端C+，三号电枢线圈(3-3)的第二连接端与逆时针方向的六号电枢线圈(3-6)的第二连接端串联，六号电枢线圈(3-6)的第一连接端作为C相电枢绕组(3-C)的另一个出线端C-。每个电枢线圈绕制在两个定子极(4-1) 上，6个电枢线圈(3-1至3-6)构成电枢绕组(3)。
进一步的，还包括一种用于所述谐波激磁电励磁双凸极电机的电机发电控制方法，所述电机发电控制方法包括：
所述电枢绕组通过三相全桥不控整流电路，将发电机工作时电枢绕组中产生的交流电整流以后供给主电路负载；
所述谐波绕组直接获取电机磁场中的谐波能量，通过单相全桥不控整流电路整流发出直流电，作为励磁控制回路和发电控制单元的供电电源；
所述励磁绕组通过出线端与励磁控制电路的输出电流端口连接，由励磁控制回路给励磁绕组提供励磁电流；
所述励磁控制回路输入端口有一个双刀双掷继电器，发电控制单元通过控制双刀双掷继电器的触点切换来实现电机的发电电压调节：发电控制单元对励磁绕组的电流信号、A相电枢绕组电压信号、B相电枢绕组电压信号、C相电枢绕组的电压信号、电机的转速信号进行采样，发电控制单元给励磁控制电路提供斩波信号，并控制双刀双掷继电器；
当电机接收发电指令时，发电控制单元通过检测电机转速是否达到预设的发电运行临界转速来控制双刀双掷继电器动作，以便于进行发电电压调节。
其中，当电机转速小于所述发电运行临界转速时，发电控制单元控制双刀双掷继电器动作，使双刀双掷继电器的一号公共端子(S1)掷于开关触点2’、双刀双掷继电器K的二号公共端子(S2)掷于开关触点4’，由蓄电池向励磁控制电路和发电控制单元供电；
当电机转速大于所述发电运行临界转速时，发电控制单元控制双刀双掷继电器动作，使双刀双掷继电器的一号公共端子(S1)掷于开关触点1’、双刀双掷继电器的二号公共端子(S2)掷于开关触点3’，由谐波绕组(2)通过外部单相全桥不控整流电路整流发出的直流电向励磁控制电路和发电控制单元供电。
与现有的转子励磁型无刷谐波电励磁同步发电机相比，本发明具有以下优点：
1、谐波激磁电励磁双凸极电机转子结构简单可靠，可以高温高速运行，提高了发电系统的可靠性；
2、由于励磁绕组、谐波绕组、电枢绕组同时分布在定子上，不需要额外的旋转整流器，减小了电机的成本，提高了电机运行的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的谐波激磁电励磁双凸极电机结构示意图；
图2为本发明实施例提供的谐波激磁电励磁双凸极电机励磁绕组连接示意图；
图3为本发明实施例提供的谐波激磁电励磁双凸极电机谐波绕组连接示意图；
图4为本发明实施例提供的谐波激磁电励磁双凸极电机电枢绕组连接示意图；
图5为本发明实施例提供的谐波激磁电励磁双凸极电机发电系统结构图；
图6为本发明实施例提供的谐波激磁电励磁双凸极电机发电系统控制方法流程图；
图7为本发明实施例提供的谐波激磁电励磁双凸极电机谐波绕组整流电压平均值随电机转速变化曲线；
图8为本发明谐波激磁电励磁双凸极电机的励磁电压峰峰值随谐波绕组负载的变化曲线。
附图中的各个标号分别表示：
1:励磁绕组、1-1:一号励磁线圈、1-2:二号励磁线圈、1-3:三号励磁线圈、 1-4:四号励磁线圈、1-5:五号励磁线圈、1-6:六号励磁线圈、1-7:七号励磁线圈、1-8:八号励磁线圈、1-9:九号励磁线圈、1-10:十号励磁线圈、1-11:十一号励磁线圈、1-12:十二号励磁线圈；
2:谐波绕组、2-1:一号谐波线圈、2-2:二号谐波线圈、2-3:三号谐波线圈、 2-4:四号谐波线圈、2-5:五号谐波线圈、2-6:六号谐波线圈、2-7:七号谐波线圈、2-8:八号谐波线圈、2-9:九号谐波线圈、2-10:十号谐波线圈、2-11:十一号谐波线圈、2-12:十二号谐波线圈；
3:电枢绕组、3-A:A相电枢绕组、3-B:B相电枢绕组、3-C:C相电枢绕组、3-1: 一号电枢线圈、3-2:二号电枢线圈、3-3:三号电枢线圈、3-4:四号电枢线圈、 3-5:五号电枢线圈、3-6:六号电枢线圈；
4:定子铁心、4-1:定子极；
5:转子铁心、5-1:转子极；
F+和F-为励磁绕组1的两个出线端、E+、E-为谐波绕组2的两个出线端、A+、 A-为A相电枢绕组3-A的两个出线端、B+、B-为B相电枢绕组3-B的两个出线端、 C+、C-为C相电枢绕组3-C的两个出线端、D1至D10为一号至十号整流二极管；
K为双刀双掷继电器，S1为双刀双掷继电器K的一号公共端子，S2为双刀双掷继电器K的二号公共端子，1’、2’、3’、4’分别为双刀双掷继电器K的四个开关触点；
a、b分别是电枢绕组3外部三相全桥整流电路负载电压端口的正端子和负端子；c是谐波绕组2外部单相全桥整流电路输出电压端口的正端子，与双刀双掷继电器K的开关触点1’相连，d是谐波绕组2外部单相全桥整流电路输出电压端口的负端子，与双刀双掷继电器K的开关触点3’相连；m是蓄电池输出电压端口的正端子，与双刀双掷继电器K的开关触点2’相连，n是蓄电池输出电压端口的负端子，与双刀双掷继电器K的开关触点4’相连；g是励磁控制电路的输入电压端口的正端子，与双刀双掷继电器K的一号公共端子S1相连，h是励磁控制电路的输入电压端口的负端子，与双刀双掷继电器K的二号公共端子S2相连；e是励磁控制电路的输出电流端口的正端子，与励磁绕组1的出线端F+相连，f是励磁控制电路的输出电流端口的负端子，与励磁绕组1的出线端F-相连；p是发电控制单元内部辅助电源输入电压端口的正端子，与双刀双掷继电器K的一号公共端子S1相连，q是发电控制单元内部辅助电源输入电压端口的负端子，与双刀双掷继电器K的二号公共端子S2相连；
n0是电机的发电运行临界转速，单位为r/min；if为励磁绕组(1)的电流信号；ua为A相电枢绕组(3-A)的电压信号；ub为B相电枢绕组(3-B)的电压信号；uc为C相电枢绕组(3-C)的电压信号；nr为电机转速信号。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/ 或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
与转子励磁型电励磁电机相比，电励磁双凸极电机的定子和转子均为凸极结构，转子上既没有永磁体也没有绕组，转子结构简单可靠，可以高温高速运行。定子上同时分布有电枢绕组和励磁绕组，由于采用了电励磁方式，可以通过调节励磁线圈中的电流大小来改变电机的磁场强度，励磁磁场调节方便。但是电励磁双凸极电机运行时始终需要外部电源向励磁控制回路和发电控制单元供电、而且存在励磁电压波动较大等问题。
本实施例涉及一种谐波激磁电励磁双凸极电机，具体涉及谐波激磁电励磁双凸极电机发电运行控制方法。与转子励磁型电励磁电机相比，谐波激磁电励磁双凸极电机的定子和转子均为凸极结构，转子上既没有永磁体也没有绕组，转子结构简单可靠，可以高温高速运行；定子上同时分布有励磁绕组、谐波绕组和电枢绕组，不需要额外的旋转整流器，减小了电机的成本，提高了电机运行的可靠性；由于采用电励磁方式，可以通过调节励磁线圈中的电流大小来改变电机的磁场强度，励磁磁场调节方便；谐波绕组通过整流电路整流发出直流电，可以作为励磁控制电路的供电电源，还可以为发电控制单元供电，提高发电系统独立性与效率；谐波绕组电流可以有效抑制励磁绕组自感的变化率，从而减小励磁电压的波动，提高励磁电流调节稳定性。
本实施例提供一种用于谐波激磁电励磁双凸极电机的控制方法，如图1所示的，所述谐波激磁电励磁双凸极电机包括：励磁绕组(1)、谐波绕组(2)、电枢绕组(3)、定子铁心(4)和转子铁心(5)。
定子铁心(4)为凸极结构，由12个定子极(4-1)构成，转子铁心(5)为凸极结构，由5个转子极(5-1)构成。
每一个定子极(4-1)上同时绕有励磁线圈、谐波线圈和电枢线圈，每个电枢线圈分别绕在两个定子极(4-1)上，每个电枢线圈的绕制方式相同。每个定子极 (4-1)上的励磁线圈的绕制方式相同，各个定子极(4-1)的励磁线圈依次串联组成励磁绕组(1)。每个定子极(4-1)上的谐波线圈的绕制方式相同，各个定子极 (4-1)的谐波线圈依次串联组成谐波绕组(2)。
通过三相全桥不控整流电路，对A相电枢绕组(3-A)、B相电枢绕组(3-B) 和C相电枢绕组(3-C)上产生的交流电进行整流，整流以后产生的直流电供给谐波激磁电励磁双凸极电机的主电路负载。
具体的，图1显示每一个定子极(4-1)上同时绕有励磁线圈、谐波线圈和电枢线圈。每个定子极(4-1)上的励磁线圈的绕制方式相同，12个励磁线圈(1-1 至1-12)依次串联组成励磁绕组(1)；每个定子极(4-1)上的谐波线圈的绕制方式相同，12个谐波线圈(2-1至2-12)依次串联组成谐波绕组(2)；每个电枢线圈(3-1至3-6)分别绕在两个定子极(4-1)上，每个电枢线圈的绕制方式相同。
图1、图2、图3、图4中的定子铁心(4)、定子极(4-1)、转子铁心(5)、转子极(5-1)为相同的定子铁心(4)、定子极(4-1)、转子铁心(5)、转子极(5-1)。图2、图3、图4分别说明了12/5极谐波激磁电励磁双凸极电机的励磁绕组(1)、谐波绕组(2)以及电枢绕组(3)在定子极(4-1)上的绕制关系。
本发明实施例提供的用于谐波激磁电励磁双凸极电机的及其控制方法，所要解决的技术问题在于克服现有转子励磁型无刷谐波电励磁同步发电机所存在的不足，提供一种高效可靠的电机发电控制方法。
具体设计中，定转子极数为12/5极的谐波激磁电励磁双凸极电机，转子铁心(5)为凸极结构，转子铁心包括5个转子极(5-1)，每个转子极(5-1)上既没有永磁体也没有绕组，转子结构简单可靠，可以高温高速运行。电机定子铁心(4)为凸极结构，定子铁心(4)包括12个定子极(4-1)，每个定子极(4-1) 上都同时绕有励磁线圈、谐波线圈和电枢线圈。励磁线圈依次串联后构成励磁绕组(1)与外部励磁控制电路相连，谐波线圈依次串联后构成谐波绕组(2) 与谐波绕组外部单相全桥不控整流电路连接，电枢线圈依次串联构成三相电枢绕组后与电枢绕组外部三相全桥不控整流电路连接。
所述电枢绕组通过三相全桥不控整流电路，将发电机工作时电枢绕组中产生的交流电整流以后供给主电路负载。所述谐波绕组直接获取电机磁场中的谐波能量，通过单相全桥不控整流电路整流发出直流电，作为励磁控制回路和发电控制单元的供电电源。所述励磁绕组通过出线端与励磁控制电路的输出电流端口连接，由励磁控制回路给励磁绕组提供励磁电流。所述励磁控制回路输入端口有一个双刀双掷继电器K，发电控制单元通过控制双刀双掷继电器K的触点切换来实现电机的发电电压调节：发电控制单元对励磁绕组的电流信号if、A 相电枢绕组电压信号ua、B相电枢绕组电压信号ub、C相电枢绕组的电压信号uc、电机的转速信号nr进行采样，发电控制单元给励磁控制电路提供斩波信号，并控制双刀双掷继电器K。当电机接收发电指令时，发电控制单元通过检测电机转速nr是否达到预设的发电运行临界转速n0来控制双刀双掷继电器K动作从而实现发电电压调节。当电机转速nr小于n0时，发电控制单元控制双刀双掷继电器K动作，使双刀双掷继电器K的一号公共端子(S1)掷于开关触点2’、双刀双掷继电器K 的二号公共端子(S2)掷于开关触点4’，由蓄电池向励磁控制电路和发电控制单元供电；当电机转速nr大于n0时，发电控制单元控制双刀双掷继电器K动作，使双刀双掷继电器K的一号公共端子(S1)掷于开关触点1’、双刀双掷继电器K的二号公共端子(S2)掷于开关触点3’，由谐波绕组(2)通过外部单相全桥不控整流电路整流发出的直流电向励磁控制电路和发电控制单元供电。
需要说明的是，本实施例也适用于其他定转子极数比为12N/5N(N为正整数) 的谐波激磁电励磁双凸极电机。
在本实施例的优选方案中，12个励磁线圈分别绕制在12个定子极(4-1)上，各个励磁线圈在各自的定子极(4-1)上的绕制方式相同，每个励磁线圈共有两个连接端。
具体的，图2为谐波激磁电励磁双凸极电机的励磁绕组(1)连接示意图。 12个励磁线圈(1-1至1-12)分别绕制在12个定子极(4-1)上，12个励磁线圈(1-1 至1-12)在对应的12个定子极(4-1)上的绕制方式完全相同，按照图2所示的接线依次串联构成励磁绕组(1)：每个励磁线圈绕制方式相同，共有两个连接端，分别为第一连接端和第二连接端，将一号励磁线圈1-1的第一连接端作为励磁绕组(1)的一个出线端F+，一号励磁线圈1-1的第二连接端与逆时针方向的二号励磁线圈1-2的第二连接端串联，二号励磁线圈1-2的第一连接端再与逆时针方向的三号励磁线圈1-3的第一连接端串联，依照此规律，第一连接端与第一连接端串联，第二连接端与第二连接端串联，按逆时针方向将12个励磁线圈(1-1至1-12)依次串联构成励磁绕组(1)，最后一个励磁线圈(1-12)的第一连接端作为励磁绕组(1)的另一个出线端F-。励磁绕组(1)共有两个出线端 F+、F-，励磁绕组的两个出线端F+、F-与外部励磁控制电路连接。
进一步的，12个谐波线圈分别绕制在12个定子极(4-1)上，各个谐波线圈在各自的定子极(4-1)上的绕制方式相同，每个谐波线圈共有两个连接端。
具体的，图3为谐波激磁电励磁双凸极电机的谐波绕组(2)连接示意图。 12个谐波线圈(2-1至2-12)分别绕制在12个定子极(4-1)上，12个谐波线圈(2-1 至2-12)在对应的12个定子极(4-1)上的绕制方式完全相同，按照图3所示的接线依次串联构成谐波绕组(2)：每个谐波线圈绕制方式相同，共有两个连接端，分别为第一连接端和第二连接端，将一号谐波线圈2-1的第一连接端作为谐波绕组(2)的一个出线端E+，一号谐波线圈2-1的第二连接端与逆时针方向的二号谐波线圈2-2的第二连接端串联，二号谐波线圈2-2的第一连接端再与逆时针方向的三号谐波线圈2-3的第一连接端串联，依照此规律，第一连接端与第一连接端串联，第二连接端与第二连接端串联，按逆时针方向将12个谐波线圈 (2-1至2-12)依次串联构成谐波绕组(2)，最后一个谐波线圈(2-12)的第一连接端作为谐波绕组(2)的另一个出线端E-。谐波绕组(2)共有两个出线端 E+、E-，谐波绕组的两个出线端E+、E-与外部单相全桥不控整流电路连接。
在本实施例中，电枢绕组(3)包括：A相电枢绕组(3-A)、B相电枢绕组 (3-B)和C相电枢绕组(3-C)。每个电枢线圈绕制在两个定子极(4-1)上，6 个电枢线圈(3-1至3-6)构成电枢绕组(3)。
具体的，图4为谐波激磁电励磁双凸极电机的电枢绕组(3)连接示意图，电枢绕组(3)包括：A相电枢绕组(3-A)、B相电枢绕组(3-B)、C相电枢绕组(3-C)。每个电枢线圈绕制在两个定子极(4-1)上，6个电枢线圈(3-1至3-6) 按照图4所示的接线构成电枢绕组(3)。
A相电枢绕组(3-A)由一号电枢线圈(3-1)和四号电枢线圈(3-4)串联组成，每个电枢线圈共有两个连接端，分别为第一连接端和第二连接端，以一号电枢线圈3-1的第一连接端为A相绕组的一个出线端A+，一号电枢线圈3-1 的第二连接端与四号电枢线圈3-4的第二连接端串联，四号电枢线圈3-4的第一连接端作为A相绕组的另一出线端A-,A相电枢绕组的两个出线端分别为 A+,A-。
B相电枢绕组(3-B)由二号电枢线圈(3-2)和五号电枢线圈(3-5)串联组成，每个电枢线圈共有两个连接端，分别为第一连接端和第二连接端，以二号电枢线圈3-2的第二连接端为B相绕组的一个出线端B+，二号电枢线圈3-2 的第一连接端与五号电枢线圈3-5的第一连接端串联，五号电枢线圈3-5的第二连接端作为B相绕组的另一出线端B-,B相电枢绕组的两个出线端分别为 B+,B-。
C相电枢绕组(3-C)由三号电枢线圈(3-3)和六号电枢线圈(3-6)串联组成，每个电枢线圈共有两个连接端，分别为第一连接端和第二连接端，以三号电枢线圈3-3的第一连接端为C相绕组的一个出线端C+，三号电枢线圈3-3 的第二连接端与六号电枢线圈3-6的第二连接端串联，六号电枢线圈3-6的第一连接端作为C相绕组的另一出线端C-,C相电枢绕组的两个出线端分别为 C+,C-。
电枢绕组(3)总共六个出线端，分别为A+,A-,B+,B-,C+,C-。电枢绕组与外部三相全桥不控整流电路连接。
在本实施例中，如图1、2、3、4所示的，存在部件谐波激磁电励磁双凸极电机。电机的每个定子极(4-1)上同时绕有励磁绕组(1)、谐波绕组(2)和电枢绕组(3)。谐波绕组(2)将电机中的谐波能量变为电能，经单相全桥不控整流电路整流以后作为励磁控制回路和发电控制单元的供电电源，提高了电机运行的可靠性，从原理上来说，谐波绕组电流可以有效抑制励磁绕组自感的变化率，从而减小励磁电压(所述励磁电压指的是励磁绕组两端的电压，如图5 所示励磁绕组1两端的电压)的波动，提高励磁电流调节稳定性。由于励磁绕组(1)、谐波绕组(2)、电枢绕组(3)同时分布在定子极(4-1)上，不需要额外的旋转整流器，减小了电机的成本，提高了电机运行的可靠性。
本实施例中还提出一种谐波激磁电励磁双凸极电机发电系统结构图，包括谐波激磁电励磁双凸极电机，单相全桥不控整流电路，蓄电池，双刀双掷继电器K，励磁控制电路，发电控制单元，三相全桥不控整流电路。如图5所示，其中：
励磁绕组(1)的出线端F+与励磁控制电路输出电流端口的正端子e连接，励磁绕组(1)的出线端F-与励磁控制电路输出端口的负端子f连接。
谐波绕组(2)的出线端E+与单相全桥不控整流电路中七号整流二极管(D7) 的阳极连接，谐波绕组(2)的出线端E-与单相全桥不控整流电路中九号整流二极管(D9)的阳极连接。
A相电枢绕组(3-A)的出线端A+、B相电枢绕组(3-B)的出线端B+、C相电枢绕组(3-C)的出线端C+连接在一起，A相电枢绕组(3-A)的出线端A-与三相全桥不控整流电路中一号整流二极管(D1)的阳极连接，B相电枢绕组(3-B) 的出线端B-与三相全桥不控整流电路中三号整流二极管(D3)的阳极连接，C 相电枢绕组(3-C)的出线端C-与三相全桥不控整流电路中五号整流二极管(D5) 的阳极连接。
在单相全桥不控整流电路中，七号整流二极管(D7)和八号整流二极管(D8) 串联，九号整流二极管(D9)和十号整流二极管(D10)串联。七号整流二极管 (D7)和九号整流二极管(D9)的阴极连接在一起，称为单相全桥不控整流电路输出正端；八号整流二极管(D8)和十号整流二极管(D10)的阳极连接在一起，称为单相全桥不控整流电路输出负端。
双刀双掷继电器K，包括一号公共端子(S1)、二号公共端子(S2)、开关触点1’、开关触点2’、开关触点3’和开关触点4’。双刀双掷继电器K的一号公共端子(S1)与励磁控制电路输入端口的正端子g、发电控制单元内部辅助电源输入端口的正端子p连接，双刀双掷继电器K的二号公共端子(S2)与励磁控制电路输入端口的负端子h、发电控制单元内部辅助电源输入端口的负端子 q连接。开关触点1’与谐波绕组(2)外部单相全桥不控整流电路输出端口的正端子c连接，开关触点3’与谐波绕组(2)外部单相全桥不控整流电路输出端口的负端子d连接，开关触点2’与蓄电池输出端口的正端子m连接，开关触点4’与蓄电池输出端口的负端子n连接。
励磁控制电路输出端口的正端子e与励磁绕组(1)的出线端F+连接，励磁控制电路输出端口的负端子f与励磁绕组(1)的出线端F-连接。励磁控制电路输入端口的正端子g与双刀双掷继电器(K)的一号公共端子(S1)连接，励磁控制电路输入端口的负端子h与双刀双掷继电器(K)的二号公共端子(S2)连接。
在三相全桥不控整流电路中，一号整流二极管(D1)和四号整流二极管(D4) 串联，三号整流二极管(D3)和六号整流二极管(D6)串联，五号整流二极管 (D5)和二号整流二极管(D2)串联。一号整流二极管(D1)、三号整流二极管(D3)、五号整流二极管(D5)的阴极连接在一起，称为三相全桥不控整流电路输出正端；四号整流二极管(D4)、六号整流二极管(D6)、二号整流二极管(D2) 的阳极连接在一起，称为三相全桥不控整流电路输出负端。三相全桥不控整流电路输出正端与主电路负载端的端子a连接，三相全桥不控整流电路输出负端与主电路负载端的端子b连接。
发电控制单元由发电控制单元内部辅助电源、采样调理电路、转速调理电路、数字信号处理器、驱动放大隔离电路五部分组成。发电控制单元内部辅助电源输入端口的正端子p与双刀双掷继电器K的一号公共端子(S1)连接，发电控制单元内部辅助电源输入端口的负端子q与双刀双掷继电器K的二号公共端子(S2)连接，发电控制单元内部辅助电源输出端口分别与采样调理电路、转速调理电路、数字信号处理器、驱动放大隔离电路连接。电流传感器把励磁绕组(1)的电流信号if传输给采样调理电路,电压传感器把A相电枢绕组(3-A)的电压信号ua、B相电枢绕组(3-B)的电压信号ub、C相电枢绕组(3-C)的电压信号uc传输给采样调理电路。转速传感器把转速信号nr传输给转速调理电路。数字信号处理器与采样调理电路连接，接收采样调理电路采样得到的励磁电流信号和三相电枢电压信号；数字信号处理器与转速调理电路连接，接收转速调理电路采样得到的转速信号。数字信号处理器产生的PWM斩波信号，通过驱动放大隔离电路传输给励磁控制电路；数字信号处理器与双刀双掷继电器K连接。
在实际应用中，如图6所示的谐波激磁电励磁双凸极电机发电系统控制方法流程图。当电机接收发电指令时，发电控制单元通过检测电机转速nr是否达到预设的发电运行临界转速n0来控制双刀双掷继电器K动作从而实现发电电压调节。当电机转速nr小于n0时，发电控制单元控制双刀双掷继电器K动作，使双刀双掷继电器K的一号公共端子(S1)掷于开关触点2’、双刀双掷继电器K 的二号公共端子(S2)掷于开关触点4’，由蓄电池向励磁控制电路和发电控制单元供电；当电机转速nr大于n0时，发电控制单元通过控制算法控制双刀双掷继电器K动作，使双刀双掷继电器K的一号公共端子(S1)掷于开关触点1’、双刀双掷继电器K的二号公共端子(S2)掷于开关触点3’，由谐波绕组(2) 外部单相全桥不控整流电路整流产生的直流电向励磁控制电路和发电控制单元供电。
在本实施例中，由于存在部件双刀双掷继电器K将谐波绕组整流电路的输出端与励磁控制回路相连，从原理上来说通过改变谐波绕组负载，可以有效抑制励磁绕组自感的变化率，减小励磁电压波动，提高励磁电流调节稳定性。
且通过单相桥式不控整流电路，从原理上来说谐波绕组通过单相桥式不控整流电路输出的直流电，除了可以作为励磁控制电路的电压源，还可以供给发电控制单元。在本实施例中即实现了谐波绕组通过单相全桥整流电路整流产生的直流电，作为励磁控制电路和发电控制单元的电压源，还可以供给其它负载，提高发电系统的独立性与效率。
图7为实施例谐波激磁电励磁双凸极电机的谐波绕组(2)整流电压平均值随电机转速变化曲线。从图7中可以看出谐波绕组能够输出电压，因此可以作为励磁控制回路和发电控制单元的供电电源，提高发电系统独立性与效率；空载谐波绕组整流电压平均值随电机转速的变化规律近似为正比关系，随着转速的升高，空载谐波绕组整流电压平均值增大，因此当收到发电指令时，发电控制单元需要根据电机转速来改变继电器K的工作状态，实现发电电压调节。
图8为本实施例谐波激磁电励磁双凸极电机的励磁电压峰峰值随谐波绕组整流输出电流的变化曲线。随着谐波绕组整流输出电流增大，励磁电压峰峰值明显减小，励磁电压波动得到了有效抑制。如图8所示效果，改变谐波绕组负载可以有效抑制励磁绕组自感的变化率，从而达到减小励磁电压的波动，提高励磁电流调节稳定性的目的。
总的来说，本实施例具有以下优点：
一方面，与现有的转子励磁型无刷谐波电励磁同步发电机相比，本实施例能够：
1.1、谐波激磁电励磁双凸极电机转子结构简单可靠，可以高温高速运行，提高了发电系统的可靠性；
1.2、由于励磁绕组、谐波绕组、电枢绕组同时分布在定子上，不需要额外的旋转整流器，减小了电机的成本，提高了电机运行的可靠性。
另一方面，与目前已被研究的电励磁双凸极发电机相比，本实施例能够：
2.1、谐波绕组通过整流电路整流产生的直流电，可以作为励磁控制电路的供电电源，还可以为发电控制单元供电，提高发电系统独立性与效率。
2.2.谐波绕组电流可以有效抑制励磁绕组自感的变化率，从而减小励磁电压的波动，提高励磁电流调节稳定性。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种谐波激磁电励磁双凸极电机，其特征在于，所述谐波激磁电励磁双凸极电机包括：励磁绕组（1）、谐波绕组（2）、电枢绕组（3）、定子铁心（4）和转子铁心（5）；
定子铁心（4）为凸极结构，由12个定子极（4-1）构成，转子铁心（5）为凸极结构，由5个转子极（5-1）构成；
每一个定子极(4-1)上同时绕有励磁线圈、谐波线圈和电枢线圈，每个电枢线圈分别绕在两个定子极(4-1)上，每个电枢线圈的绕制方式相同；每个定子极(4-1)上的励磁线圈的绕制方式相同，各个定子极(4-1)上的励磁线圈依次串联组成励磁绕组（1）；每个定子极(4-1)上的谐波线圈的绕制方式相同，各个定子极(4-1)上的谐波线圈依次串联组成谐波绕组（2）；
所述谐波激磁电励磁双凸极电机为定转子极数为12/5极的双凸极结构；
定子铁心（4）由12个定子极(4-1)构成，转子铁心（5）由5个转子极（5-1）构成；
所述谐波激磁电励磁双凸极电机的定子铁心（4）位于转子铁 心（5）外部或者转子铁心（5）位于定子铁心（4）外部；
所述谐波激磁电励磁双凸极电机的12个励磁线圈分别绕制在12个定子极（4-1）上，各个励磁线圈在各自的定子极（4-1）上的绕制方式相同，每个励磁线圈共有两个连接端；
其中，一号励磁线圈（1-1）的第一连接端作为励磁绕组（1）的一个出线端F+，一号励磁线圈（1-1）的第二连接端与逆时针方向的二号励磁线圈（1-2）的第二连接端串联，二号励磁线圈（1-2）的第一连接端再与逆时针方向的三号励磁线圈（1-3）的第一连接端串联，依照此规律，第一连接端与第一连接端串联，第二连接端与第二连接端串联，按逆时针方向将12个励磁线圈（1-1至1-12）依次串联构成励磁绕组（1），最后一个励磁线圈（1-12）的第一连接端作为励磁绕组（1）的另一个出线端F-；
所述谐波激磁电励磁双凸极电机的12个谐波线圈分别绕制在12个定子极（4-1）上，各个谐波线圈在各自的定子极（4-1）上的绕制方式相同，每个谐波线圈共有两个连接端；
其中，一号谐波线圈（2-1）的第一连接端作为谐波绕组（2）的一个出线端E+，一号谐波线圈（2-1）的第二连接端与逆时针方向的二号谐波线圈（2-2）的第二连接端串联，二号谐波线圈（2-2）的第一连接端再与逆时针方向的三号谐波线圈（2-3）的第一连接端串联，依照此规律，第一连接端与第一连接端串联，第二连接端与第二连接端串联，按逆时针方向将12个谐波线圈（2-1至2-12）依次串联构成谐波绕组（2），直至最后一个谐波线圈（2-12）的第一连接端 作为谐波绕组（2）的另一个出线端E-；
所述谐波激磁电励磁双凸极电机的电枢绕组（3）包括：A相电枢绕组（3-A）、B相电枢绕组（3-B）和C相电枢绕组（3-C）；
其中，一号电枢线圈（3-1）的第一连接端 作为A相电枢绕组（3-A）的一个出线端A+，一号电枢线圈（3-1）的第二连接端与逆时针方向的四号电枢线圈（3-4）的第二连接端串联，四号电枢线圈（3-4）的第一连接端 作为A相电枢绕组（3-A）的另一个出线端A-;
二号电枢线圈（3-2）的第二连接端 作为B相电枢绕组（3-B）的一个出线端B+，二号电枢线圈（3-2）的第一连接端与逆时针方向的五号电枢线圈（3-5）的第一连接端串联，五号电枢线圈（3-5）的第二连接端 作为B相电枢绕组（3-B）的另一个出线端B-;
三号电枢线圈（3-3）的第一连接端 作为C相电枢绕组（3-C）的一个出线端C+，三号电枢线圈（3-3）的第二连接端与逆时针方向的六号电枢线圈（3-6）的第二连接端串联，六号电枢线圈（3-6）的第一连接端 作为C相电枢绕组（3-C）的另一个出线端C-；
每个电枢线圈绕制在两个定子极（4-1）上，6个电枢线圈（3-1至3-6）构成电枢绕组（3）。
2.据权利要求1所述的谐波激磁电励磁双凸极电机，其特征在于，还包括一种用于所述谐波激磁电励磁双凸极电机的电机发电控制方法，所述电机发电控制方法包括：
所述电枢绕组通过三相全桥不控整流电路，将发电机工作时电枢绕组中产生的交流电整流以后供给主电路负载;
所述谐波绕组直接获取电机磁场中的谐波能量，通过单相全桥不控整流电路整流发出直流电，作为励磁控制回路和发电控制单元的供电电源;
所述励磁绕组通过出线端与励磁控制电路的输出电流端口连接，由励磁控制回路给励磁绕组提供励磁电流;
所述励磁控制回路输入端口有一个双刀双掷继电器，发电控制单元通过控制双刀双掷继电器的触点切换来实现电机的发电电压调节：发电控制单元对励磁绕组的电流信号 、A相电枢绕组电压信号、B相电枢绕组电压信号、C相电枢绕组的电压信号、电机的转速信号进行采样，发电控制单元给励磁控制电路提供斩波信号，并控制双刀双掷继电器;
当电机接收发电指令时，发电控制单元通过检测电机转速是否达到预设的发电运行临界转速来控制双刀双掷继电器动作，以便于进行发电电压调节。
3.据权利要求2所述的谐波激磁电励磁双凸极电机，其特征在于，当电机转速小于所述发电运行临界转速时，发电控制单元控制双刀双掷继电器动作，使双刀双掷继电器的一号公共端子（S1）掷于开关触点2’、双刀双掷继电器K的二号公共端子（S2）掷于开关触点4’，由蓄电池向励磁控制电路和发电控制单元供电；
当电机转速大于所述发电运行临界转速时，发电控制单元控制双刀双掷继电器动作，使双刀双掷继电器的一号公共端子（S1）掷于开关触点1’、双刀双掷继电器的二号公共端子（S2）掷于开关触点3’，由谐波绕组（2）通过外部单相全桥不控整流电路整流发出的直流电向励磁控制电路和发电控制单元供电。
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