CN111224477A - 基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机 - Google Patents

基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机，包括并列排列的电励磁部分和永磁部分，所述电励磁部分为整数槽结构，所述电励磁部分的定子铁芯在沿圆周方向上设有多个凹槽，每个凹槽内设有第一电机定子电枢绕组和定子谐波绕组；所述电励磁部分的转子铁芯包括主齿和分齿，所述分齿设置在主齿的端部，所述主齿上套有转子励磁绕组，分齿上套有转子谐波绕组；所述永磁部分的转子铁芯表面贴有永磁体。本发明采用谐波绕组励磁方式实现无刷并列结构混合励磁，励磁调节便于实现，并且电励磁和永磁磁通路径可以互相解耦，控制方式简单。

Description

基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机
技术领域
本发明涉及混合励磁同步电机技术领域，特别是涉及一种基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机。
背景技术
同步电机具有功率密度高、效率高等优良特性，在电动汽车、风力发电和自动化制造设备等工业领域中得到广泛应用。然而，永磁同步电机一直存在三个有待解决的问题：(1)永磁体所产生的励磁磁通难以调节；(2)永磁材料存在失磁风险导致电机不能工作；(3)随着永磁材料的日益广泛应用，导致其价格昂贵，需减少用量。兼具永磁电机高功率密度和电励磁电机励磁磁通可调节的混合励磁电机是解决上述问题的重要途径。
混合励磁电机中的励磁源包含永磁体和电励磁线圈两部分。永磁体自带磁场，无需外部激励，因此，无刷混合励磁电机的结构及性能主要取决于电励磁的方式。按电励磁线圈所处的位置来划分，现有无刷混合励磁电机方案可以分为定子侧电励磁型无刷混合励磁电机和转子侧电励磁型无刷混合励磁电机。
定子侧电励磁型无刷混合励磁电机主要有：无刷爪极混合励磁电机，转子磁分路混合励磁电机，磁极交错轴向磁通混合励磁电机和双凸极混合励磁电机。无刷爪极混合励磁电机励磁线圈处于定子端部，与有刷爪极电机相比，有附加气隙，加上本来存在漏磁较大等不足，导致功率密度较低。转子磁分路混合励磁电机存在轴向磁通路径，增大了涡流损耗，同样也存在附加气隙。磁极交错轴向磁通混合励磁电机也存在轴向磁通路径，以及铁芯被分为两段，导致功率密度和材料利用率难以提高。双凸极混合励磁电机励磁部分都在定子上，转子结构简单，但是由于保持较大转矩与输出波形的正弦性存在固有矛盾，导致该电机的转矩波动大和输出电压波形非正弦等问题始终不好解决。由上述可得，定子侧电励磁型无刷混合励磁电机励磁能量主要通过直流磁场传递，没有利用动生电动势，励磁效率低。磁路中存在附加气隙，导致需要较大的励磁电流。
转子侧电励磁型无刷混合励磁电机主要有：齿谐波混合励磁电机，耦合变压器励磁电机。齿谐波混合励磁电机能实现无刷励磁，但是其励磁源来自电机固有的齿谐波，导致励磁电流调节范围有限。耦合变压器励磁电机磁通经过附加气隙，导致功率密度降低。此外，由硅钢片构成的壳式U形同心铁芯的制作工艺复杂，体积笨重，增加了制造成本。根据上述可知，转子侧电励磁型无刷混合励磁电机励磁能量主要通过交变磁场传递，并利用动生电动势，励磁效率高。但是现有转子侧电励磁型无刷混合励磁电机依然存在磁场调节范围有限，结构较复杂等不足。
发明内容
本发明提供一种基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机，解决现有混合励磁电机中存在轴向磁通路径和磁场调节范围有限等问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机，包括电励磁部分和永磁部分，所述电励磁部分和永磁部分并列排列；所述电励磁部分为整数槽结构，所述电励磁部分的定子铁芯在沿圆周方向上设有多个凹槽，每个凹槽内设有两套绕组，一套为第一电机定子电枢绕组，另一套为定子谐波绕组；所述电励磁部分的转子铁芯包括主齿和分齿，所述分齿设置在主齿的端部，所述主齿上套有转子励磁绕组，分齿上套有转子谐波绕组；所述永磁部分的定子铁芯在沿圆周方向上设有多个凹槽，每个凹槽内设有与所述第一电机定子电枢绕组串联的第二电机定子电枢绕组；所述永磁部分的转子铁芯表面贴有永磁体，所述永磁体的极数与所述电励磁部分的转子的极数相同。
所述电励磁部分的定子的定子为2m*p槽结构，其中，m为电机相数，p为电机极对数。
所述第一电机定子电枢绕组为m相绕组，采用单层或双层结构，节距为m，m为电机相数。
所述定子谐波绕组为单相绕组，采用单层结构，节距为m/3，m为电机相数。
所述永磁部分的定子为2m*p槽结构，其中，m为电机相数，p为电机极对数。
所述第二电机定子电枢绕组为m相绕组，采用单层或双层结构，节距为m，m为电机相数。
所述电励磁部分的转子为2n极结构，其中，n为正整数。
所述转子谐波绕组的节距为所述转子励磁绕组的节距的1/3。
所述永磁部分的转子为2n极结构，其中，n为正整数。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明在已有谐波励磁技术的基础上，提出基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机。该电机具备四个方面的优点：(1)采用谐波绕组励磁方式实现无刷并列结构混合励磁，励磁调节便于实现；(3)电励磁和永磁磁通路径互相解耦，控制方式简单；(4)电励磁磁通路径不经过永磁体，降低了磁阻，提高了励磁效率；(3)只有径向磁场，没有轴向磁通，漏磁损耗小，效率高。由于同时具备上述四个优良特性，所提出的基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机适合应用于风力发电领域，也可以应用于车辆、舰船、航空飞行器等的移动电源系统。
附图说明
图1为本发明实施方式基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机整体结构示意图。
图2为本发明实施方式基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机电励磁部分截面图。
图3为本发明实施方式基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机永磁部分截面图。
图4为本发明实施方式基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机，包括电励磁部分和永磁部分，所述电励磁部分和永磁部分并列排列；所述电励磁部分为整数槽结构，所述电励磁部分的定子铁芯在沿圆周方向上设有多个凹槽，每个凹槽内设有两套绕组，一套为第一电机定子电枢绕组，另一套为定子谐波绕组；所述电励磁部分的转子铁芯包括主齿和分齿，所述分齿设置在主齿的端部，所述主齿上套有转子励磁绕组，分齿上套有转子谐波绕组；所述永磁部分的定子铁芯在沿圆周方向上设有多个凹槽，每个凹槽内设有与所述第一电机定子电枢绕组串联的第二电机定子电枢绕组；所述永磁部分的转子铁芯表面贴有永磁体，所述永磁体的极数与所述电励磁部分的转子的极数相同。
如图1所示，本实施方式的基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机转子部分由电励磁部分和永磁部分共同构成，极数相同。电励磁部分和永磁部分为并列结构。电励磁部分和永磁部分各用一套电枢绕组1，两套电枢绕组1为每相分别串联连接结构。电励磁部分的磁极采用谐波电流无刷励磁方案，永磁部分的永磁体5采用表贴式安装。电励磁部分的磁极上开有安装转子谐波绕组2的小槽。转子谐波绕组2通过旋转整流器与励磁绕组3相连接。转子谐波绕组2中有了感应电动势后，通过旋转整流器整流后给励磁绕组3提供励磁电流。
该电机定子侧电枢绕组为每相串联的两套绕组，一套对应谐波励磁部分，另一套对应永磁部分。在电励磁部分，定子侧安装有定子谐波绕组4，在定子谐波绕组4通入直流电流后，可以在气隙中产生等效的三次谐波磁场。转子旋转便可以在转子谐波绕组产生感应电动势，实现无刷电励磁功率的传输。
转子励磁主磁场由谐波电励磁磁极产生的磁场和永磁磁极磁场共同组成。当励磁用定子谐波绕组电流小于额定值时，电机处于弱磁状态；当励磁用定子谐波绕组电流大于额定值时，电机处于增磁状态。通过调节定子谐波绕组电流的大小即可以调节励磁磁通。
本实施方式的基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机电励磁部分转子为2n(n为正整数)极，实际极数取决于转子直径尺寸和制造工艺。如图2所示，本实施方式的基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机电励磁部分转子为4极结构。转子包括主齿6和分齿7，转子谐波绕组2嵌套在电励磁磁极的分齿7上，转子谐波绕组2节距为励磁绕组3节距的1/3。
本实施方式的基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机电励磁部分定子为2m*p(m为电机相数，p为电机极对数)槽结构，第一定子电枢绕组为m相绕组，单层或双层结构，节距为m，定子谐波绕组为单相绕组，单层结构，节距为m/3。如图2所示，本实施方式的基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机定子为12槽结构，第一定子电枢绕组11为星型连接三相交流绕组，单层结构，节距为3。本实施方式的基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机电励磁部分定子谐波绕组4为单相绕组，单层结构，节距为1。
值得一提的是，本实施方式的基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机定子也可以为24槽结构，定子电枢绕组为双三相绕组，单层结构，节距为3，双三相绕组电角度相位相差30度。
本实施方式的基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机永磁部分转子为2n(n为正整数)极，实际极数与电励磁部分转子极数相同。如图3所示，本实施方式所述的基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机永磁部分转子为4极结构，永磁体5为表贴安装方式。
本实施方式的基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机永磁部分定子为2m*p(m为电机相数，p为电机极对数)槽结构，第二定子电枢绕组12为m相绕组，单层或双层结构，节距为m。如图3所示，本实施方式的基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机永磁部分定子为12槽结构，第二定子电枢绕组12为星型连接三相交流绕组，单层结构，节距为3。
值得一提的是，本实施方式的基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机永磁部分定子也可以为24槽结构，定子电枢绕组为双三相绕组，单层结构，节距为3，双三相绕组电角度相位相差30度。
如图4所示，本实施方式的基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机转子侧电励磁绕组和转子谐波绕组通过旋转整流器连接。转子谐波绕组中的交流电流经过旋转整流器整流后给励磁绕组提供励磁电流。本实施方式的基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机是利用定子谐波绕组电流实现励磁磁通调节的。当定子谐波绕组电流增大或减小时，转子谐波绕组感应的励磁用电动势分别增大和减小，达到调节励磁电流的目标。

Claims (9)

1.一种基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机，其特征在于，包括电励磁部分和永磁部分，所述电励磁部分和永磁部分并列排列；所述电励磁部分为整数槽结构，所述电励磁部分的定子铁芯在沿圆周方向上设有多个凹槽，每个凹槽内设有两套绕组，一套为第一电机定子电枢绕组，另一套为定子谐波绕组；所述电励磁部分的转子铁芯包括主齿和分齿，所述分齿设置在主齿的端部，所述主齿上套有转子励磁绕组，分齿上套有转子谐波绕组；所述永磁部分的定子铁芯在沿圆周方向上设有多个凹槽，每个凹槽内设有与所述第一电机定子电枢绕组串联的第二电机定子电枢绕组；所述永磁部分的转子铁芯表面贴有永磁体，所述永磁体的极数与所述电励磁部分的转子的极数相同。
2.根据权利要求1所述的基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机，其特征在于，所述电励磁部分的定子的定子为2m*p槽结构，其中，m为电机相数，p为电机极对数。
3.根据权利要求1所述的基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机，其特征在于，所述第一电机定子电枢绕组为m相绕组，采用单层或双层结构，节距为m，m为电机相数。
4.根据权利要求1所述的基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机，其特征在于，所述定子谐波绕组为单相绕组，采用单层结构，节距为m/3，m为电机相数。
5.根据权利要求1所述的基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机，其特征在于，所述永磁部分的定子为2m*p槽结构，其中，m为电机相数，p为电机极对数。
6.根据权利要求1所述的基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机，其特征在于，所述第二电机定子电枢绕组为m相绕组，采用单层或双层结构，节距为m，m为电机相数。
7.根据权利要求1所述的基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机，其特征在于，所述电励磁部分的转子为2n极结构，其中，n为正整数。
8.根据权利要求1所述的基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机，其特征在于，所述转子谐波绕组的节距为所述转子励磁绕组的节距的1/3。
9.根据权利要求1所述的基于谐波绕组励磁的并列结构无刷混合励磁同步发电机，其特征在于，所述永磁部分的转子为2n极结构，其中，n为正整数。
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