CN111262394A - 一种基于高频旋转变压器的无刷双馈电机 - Google Patents

一种基于高频旋转变压器的无刷双馈电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于高频旋转变压器的无刷双馈电机，实现系统高度集成轻型的无刷运行。转子铁芯绕组(2)设置在转轴上，定子铁芯及绕组(1)固定于电机外壳，与转子铁芯绕组(2)同心，通过轴承与转轴连接，定子侧逆变器(5)与定子铁芯及绕组(1)连接；副边绕组铁芯(4)设置在转轴的另一端，原边绕组铁芯(3)与副边绕组铁芯(4)同心但不接触，原边逆变器(6)与原边绕组铁芯(3)连接；副边逆变器(7)分别与转子铁芯绕组(2)、副边绕组铁芯(4)连接。通过变压器的电磁耦合，副边产生高频电压输出，通过副边低频交流逆变器(7‑2)解调转为电机转子需要的低频转差频率电压，实现电机的变速恒频运行。

Description

一种基于高频旋转变压器的无刷双馈电机
技术领域
本发明涉及一种新型基于高频旋转变压器的无刷双馈电机，实现无刷双馈运行。同时，使用高频旋转变压器，相比传统的旋转变压器，体积可以大幅度减小，使得整体系统更集成，重量更轻。
背景技术
近年来，变频调速交流电机在许多工业领域得到了广泛的应用。交流励磁发电机又被称为双馈发电机，转子和定子侧同时采用交流电压励磁，使其兼具同步与异步电机特性，可以保证发电系统的变速恒频运行。此种结构的发电机是通过对其转差频率的控制，来实现发电机的双馈调速。由于控制方案是在电机的转子侧实现的，流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，转差功率仅为发电机定子额定功率的1/4至1/3，所以功率转换装置的容量小、电压低，变频器的成本大为降低，系统容易设计与整理。
然而，由于需要对转子侧供电，和传统感应电机相比，系统复杂度也大大提高了。传统的方案是采用滑环通过转轴来实现对转子电路的功率调节，此方法的明显缺点是滑环的寿命以及随之带来的维护成本的增加。基于此缺点，其他一些无刷方案也得到了研究和应用，其中包括笼型转子结构的无刷双馈电机、基于磁阻转子结构的无刷双馈电机、基于无线传输转子供电的无刷双馈电机。笼型转子结构除了转子侧绕组外，在定子侧需要两套绕组：功率绕组和控制绕组，控制绕组来实现转子的转差频率调节。磁阻转子结构转子侧只有齿与槽而没有绕组，像个齿轮，因此，它没有电刷，滑环等转动接触部件，具有工作可靠，结构简单，制造工艺方便等优点。缺点是噪音较大，交流电势的谐波分量也较大。最后一种采用无线传输转子供电方式，比较传统的方式是使用旋转变压器。由于转子侧调节的是相对低频的转差频率，变压器的体积较大，接近于电机本身的体积重量，使得整体系统的尺寸重量大大的增加了。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种基于高频旋转变压器的无刷双馈电机，对于此，本发明提出了一种高频旋转变压器的设计，通过高频的设计来减少变压器的尺寸重量。此外，通过逆变器的设计调制解调来实现转子侧的低频转差频率调节。转子的转差功率仅为发电机定子额定功率的1/4至1/3，所以，额外的逆变器设计也不会显著地增加整体系统的尺寸重量。
技术方案：本发明的一种基于高频旋转变压器的无刷双馈电机包括定子铁芯及绕组、定子侧逆变器、转子铁芯绕组、高频旋转变压器部分的原边铁芯绕组、原边逆变器、副边铁芯绕组及副边逆变器；其中，定子铁芯及绕组、定子侧逆变器组成的定子组合为三相或多相结构；转子铁芯绕组也为三相或多相结构；转子铁芯绕组与高频旋转变压器副边铁芯绕组及副边逆变器相连，副边铁芯绕组及副边逆变器与转子铁芯绕组一起旋转，通过高频旋转变压器进行转差频率控制，实现无刷变速恒频运行。
所述的无刷双馈电机在结构上，转子铁芯绕组设置在转轴上，定子铁芯及绕组与转子铁芯绕组同心布置，固定在电机外壳，通过轴承与转子机械连接，定子侧逆变器于定子铁芯及绕组连接；副边绕组铁芯设置在转轴的另一端，原边绕组铁芯与副边绕组铁芯无接触同心布置，原边逆变器与原边绕组铁芯连接；副边逆变器分别与转子绕组、副边绕组铁芯连接。
所述的高频旋转变压器安装在电机端部侧，高频旋转变压器原边铁芯绕组为三相或多相设计，原边端由原边逆变器提供高频电压，副边端通过电磁耦合产生高频电压，通过副边端逆变器转为低频的转差频率，对转子进行转差频率调节。由原边铁芯绕组和副边铁芯绕组组成，其中，
所述的高频旋转变压器原边端即原边铁芯绕组固定在定子侧保持静止，由原边高频调制电路提供高频电压，副边端即副边铁芯绕组固定在转子端部侧，与转子一起旋转；原边与副边同心布置，实现能量在原边和副边间的无接触转换，通过电磁耦合在副边端产生的高频电压通过副边端解调器即副边低频交流逆变器解调为低频电压，实现对转子的转差频率调节。
所述的高频旋转变压器由高频调制电路及低频解调电路实现高频电压到低频转差频率的转换；变压器原边由电网交流供电，先通过原边整流器转为直流，然后通过原边高频调制电路转为高频电压输入原边侧绕组；副边通过电磁耦合感应出高频电压，通过副边整流器转为直流，再通过副边低频交流逆变器解调为较低频的转差频率电压供给电机转子端，实现转子转差频率调节，进行变速恒频运行控制。
有益效果：对于传统基于旋转变压器的无刷双馈电机，其旋转变压器是针对低频转差频率的设计。因此，其三相旋转变压器十分笨重，尺寸重量接近于电机本身，大大增加了整体系统的体积重量。为了进一步减少尺寸，增加系统集成度，本发明提出一种新型基于高频旋转变压器的无刷双馈电机。定子绕组由传统的三相或者多相逆变器驱动，转子绕组采用高频旋转变压器的供电方式，实现无接触无线绕组供电。旋转变压器采用三相或多相设计，旋转变压器原边安装在靠近转子端部的位置。旋转变压器副边采用与原边同心结构，固定在转子端部，与转子同时旋转。旋转变压器原边侧由AC-DC逆变器先把交流转为直流，然后通过DC-AC逆变器再把直流转换为高频交流，通向高频旋转变压器的原边。高频变压器的副边高频输出通过AC-AC逆变器解调转为需要调节的低频转差频率供给电机转子绕组，实现变速调频运行。此设计通过额外的电力电子部件实现高频变压器的设计，减少了整体系统的尺寸重量。
附图说明
图1为基于高频旋转变压器的无刷双馈电机的结构示意图；
图2为单相高频旋转变压器结构分解示意图；
图3为单相高频旋转变压器电力电子部分结构，即单相调制解调电路示意图示意图。
图中有：定子铁芯及绕组1、转子铁芯绕组2、原边铁芯绕组3副边铁芯绕组4、定子侧逆变器5、原边逆变器6、及副边逆变器7；原边整流器6-1，原边高频调制电路6-2、副边整流器7-1、副边低频交流逆变器7-2。
具体实施方式
本发明公布的基于高频旋转变压器的无刷双馈电机，包括定子组合、转子以及高频旋转变压器组合三部分。
在结构上，转子铁芯绕组2设置在转轴上，定子铁芯及绕组1与转子铁芯绕组2同心布置，固定在电机外壳，通过轴承与转轴机械连接，定子侧逆变器5于定子铁芯及绕组1连接；副边绕组铁芯4设置在转轴的另一端，原边绕组铁芯3固定于副边绕组铁芯4外周，与副边绕组铁芯4同心，原边逆变器6与原边绕组铁芯3连接；副边逆变器7分别与转子绕组2、副边绕组铁芯4连接。
所述的基于高频旋转变压器的无刷双馈电机，定子组合由定子绕组与定子铁芯构成，绕组通过外接逆变器实现驱动。转子由转子绕组与转子铁芯组成，转子绕组由高频旋转变压器供电实现转差频率调节。
所述的基于高频旋转变压器的无刷双馈电机，高频旋转变压器由原边与副边组成，可为三相或多相设计。外部电网或供电设备的交流电源通过AC-DC逆变器转为直流，然后通过DC-AC高频调制逆变器转为高频电压输入到旋转变压器的原边。副边由电磁耦合产生的高频电压通过AC-AC变频解调器转为电机转子所需的较低频的转差频率。
所述的高频旋转变压器，原边安装在靠近电机转子端部的位置，副边固定在电机转子端部，与原边同心排布。副边接口与电机转子绕组相连，实现无接触式能量传输。
所述的基于高频旋转变压器的无刷双馈电机，其具体实施方式如图1所示，主要包括定子组合即定子铁芯及绕组1、定子侧逆变器5；和转子绕组2，高频旋转变压器即原边铁芯绕组3、副边铁芯绕组4、原边逆变器6、及副边逆变器7三部分。
定子组合部分，由定子铁芯及绕组1和定子侧逆变器5组成。
转子部分由转子铁芯和转子绕组2组成。转子绕组与高频旋转变压器副边相连。
所述的基于高频旋转变压器的无刷双馈电机，该电机采用高频旋转变压器，相比传统旋转变压器结构，高频使得变压器尺寸非常紧凑。高频旋转变压器通过高低频调制解调电路实现低频到高频调制，通过变压器耦合及解调电路，再实现高频到低频的转差频率的转换。
所述的基于高频旋转变压器的无刷双馈电机，如图3所示，为了实现旋转变压器的高频运行，电网的低频供电电压先通过高频旋转变压器原边整流器6-1转为直流电压，再通过原边高频调制电路6-2调制成高频电压供给变压器原边。副边通过电磁耦合产生高频电压，通过副边整流器7-1转为直流电压，之后由变压器副边低频交流逆变器7-2
产生较低的转差频率供给给电机转子，实现转子的转差频率调节。
所述的基于高频旋转变压器的无刷双馈电机，其中定子、转子及高频变压器铁芯由高性能导磁材料叠压而成，如十号钢或硅钢片等；同时线圈绕组采用铜材料，导电性好且导热系数大。

Claims (5)

1.一种基于高频旋转变压器的无刷双馈电机，其特征在于：该无刷双馈电机包括定子铁芯及绕组(1)、定子侧逆变器(5)、转子铁芯绕组(2)、高频旋转变压器部分的原边铁芯绕组(3)、原边逆变器(6)、副边铁芯绕组(4)及副边逆变器(7)；其中，定子铁芯及绕组(1)、定子侧逆变器(5)组成的定子组合为三相或多相结构；转子铁芯绕组(2)也为三相或多相结构；转子铁芯绕组(2)与高频旋转变压器副边铁芯绕组(4)及副边逆变器(7)相连，副边铁芯绕组(4)及副边逆变器(7)与转子绕组(2)一起旋转，通过高频旋转变压器进行转差频率控制，实现无刷变速恒频运行。
2.根据权利要求1所述的基于高频旋转变压器的无刷双馈电机，其特征在于所述的无刷双馈电机在结构上，转子铁芯绕组(2)设置在转轴上，定子铁芯及绕组(1)固定于电机外壳，与转子铁芯绕组(2)同心，通过轴承与转子转轴固定连接，定子侧逆变器(5)于定子铁芯及绕组(1)连接；副边绕组铁芯(4)设置在转轴的另一端，原边绕组铁芯(3)固定于副边绕组铁芯(4)外周，原边逆变器(6)与原边绕组铁芯(3)连接；副边逆变器(7)分别与转子绕组(2)、副边绕组铁芯(4)连接。
3.根据权利要求1所述的基于高频旋转变压器的无刷双馈电机，其特征在于所述的高频旋转变压器安装在电机端部侧，高频旋转变压器原边铁芯绕组(3)为三相或多相设计，原边端由原边逆变器(6)提供高频电压，副边端通过电磁耦合产生高频电压，通过副边端逆变器(7)转为低频的转差频率，对转子进行转差频率调节，由原边铁芯绕组(3)和副边铁芯绕组(4)组成。
4.根据权利要求1所述的基于高频旋转变压器的无刷双馈电机，其特征在于所述的高频旋转变压器原边端即原边铁芯绕组(3)固定在定子侧保持静止，由原边高频调制电路(6-2)提供高频电压，副边端即副边铁芯绕组(4)固定在转子端部侧，与转子一起旋转；原边与副边同心布置，实现能量在原边和副边间的无接触转换，通过电磁耦合在副边端产生的高频电压通过副边端解调器即副边低频交流逆变器(7-2)解调为低频电压，实现对转子的转差频率调节。
5.根据权利要求1所述的基于高频旋转变压器的无刷双馈电机，其特征在于所述的高频旋转变压器由高频调制电路及低频解调电路实现高频电压到低频转差频率的转换；变压器原边由电网交流供电，先通过原边整流器(6-1)转为直流，然后通过原边高频调制电路(6-2)转为高频电压输入原边侧绕组；副边通过电磁耦合感应出高频电压，通过副边整流器(7-1)转为直流，再通过副边低频交流逆变器(7-2)解调为较低频的转差频率电压供给电机转子端，实现转子转差频率调节，进行变速恒频运行控制。
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