CN112072862B - 采用电力电子变压器多路供电的单极电机系统及直流设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用电力电子变压器多路供电的单极电机系统及直流设备，该电机系统包括定子机座、定子磁极、杯型电枢、电刷、电力电子变压器和高压直流电源；所述定子机座内设置有定子磁极和杯型电枢；所述杯型电枢轴向设置有所述电刷，所述电刷与所述杯型电枢之间滑动接触导电；所述电刷数量至少两个，相应所述电刷构成支路；所述高压直流电源通过供电电缆向所述电力电子变压器供电，所述电力电子变压器通过引线连接相应支路的电刷，其中：所述电力电子变压器包括DC/AC变换器、高频变压器和AC/DC变换器，所述DC/AC变换器将高压直流电变换为高压高频交流电，高压高频交流电经过所述高频变压器变换为低压高频交流电，低压高频交流电经过所述AC/DC变换器变换为电压可调节的低压直流电，低压直流电通过所述电刷向所述杯型电枢供电。
Description
技术领域
本发明涉及电机技术领域，特别是关于一种采用电力电子变压器多路供电的单极电机系统及直流设备。
背景技术
船舶电力推进已成为现代船舶动力发展的趋势，其核心是采用推进电机作为驱动船舶的动力具有突出的优点。推进电机为全船提供动力的同时，也是主要的振动和噪声源，低振动低噪声推进电机是减振降噪的主要研究方向，各国科研单位都在探索和研究低振动低噪声电机和减振降噪技术。电机的气隙中存在着基波磁场和一系列的谐波磁场。在电机运行过程中，这些气隙磁场之间相互作用，将会产生作用于电机定子铁芯上的切向及径向的电磁力；其中，切向电磁力产生转矩，而径向电磁激振力引起定子铁芯变形。各种周期、各种转速的径向电磁激振力波都分别作用在定子、转子铁芯上，使定子铁芯和机座以及转子出现随时间周期性变化的径向形变，因此产生振动和噪声。
普通电机的磁极布置在转子上，普通电机振动噪声非常复杂。引起普通电机振动噪声的径向电磁激振力中存在两类主要的分量：一类是普通电机中频率与电机的极数成正比的分量，该电磁激振力的频率为供电电源频率的2倍，也就是转速与极数的乘积，成为极频电磁激振力，该类分量还包括频率为其倍数的高次谐波；另一类为频率与定子槽数成正比的径向电磁激振力，对整数槽电机而言，其频率为转速乘以定子槽数及其倍数次，称为槽频电磁激振力。这两类电磁激振力是电机本质造成的，减小和削弱这些电磁激振力存在极大的困难。目前往往采用降低磁密、斜槽或闭口槽等方法，但是结果要么是电机体积、重量、造价增加，要么是效果不明显。到目前为止，还没有解决电机振动和噪声的较好的方案。
单极电机在减振降噪方面具有普通电机无法比拟的优势。一、励磁磁场在定子上，电枢绕组在转子上旋转。由于励磁磁场固定不动，因此不存在极频电磁振动。二、单极电机电枢为圆环结构，没有齿槽，因此也不存在槽频电磁振动。可见单极电机具有的特点和优势。但是，单极电机也存在本质的困难——大电流问题。单极电机因为绕组匝数只有通常说的半匝，不能像普通电机那样采用多匝绕组调整电压，所以单极电机绕组电压很低。对于大功率电机，电压低，则意味着电流很大。大电流问题将导致给电机供电的电缆重量大幅增加，如何降低电缆的重量是一大困难，该问题不能得到可靠解决将无法实现单极电机的成功应用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够减轻单极电机系统的重量，提供具有容错运行能力的采用电力电子变压器多路供电的单极电机系统及直流设备。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明的第一方面提供一种单极电机系统，该电机系统包括定子机座、定子磁极、杯型电枢、电刷、电力电子变压器和高压直流电源；所述定子机座内设置有定子磁极和杯型电枢；所述杯型电枢轴向设置有所述电刷，所述电刷与所述杯型电枢之间滑动接触导电；所述电刷数量至少两个，相应所述电刷构成支路；所述高压直流电源通过供电电缆向所述电力电子变压器供电，所述电力电子变压器通过引线连接相应支路的电刷，其中：所述电力电子变压器包括DC/AC变换器、高频变压器和AC/DC变换器，所述DC/AC变换器将高压直流电变换为高压高频交流电，高压高频交流电经过所述高频变压器变换为低压高频交流电，低压高频交流电经过所述AC/DC变换器变换为电压可调节的低压直流电，低压直流电通过所述电刷向所述杯型电枢供电。
所述的单极电机系统，优选地，所述高压直流电源通过供电电缆向所述电力电子变压器供电时，所述电力电子变压器输入为并联结构；或者，所述高压直流电源通过供电电缆向所述电力电子变压器供电时，所述电力电子变压器输入为串联结构。
所述杯型电枢圆周上轴向布置有多对电刷，多对轴向相对的所述电刷构成多条支路，每条支路均由一所述电力电子变压器进行供电。
所述的单极电机系统，优选地，构成一条支路的轴向相对的两个电刷在圆周方向上错开设定角度。
所述的单极电机系统，优选地，轴向同一侧的电刷数量为多个，多个所述电刷并联后由所述电力电子变压器供电。
所述的单极电机系统，优选地，所述供电电缆和/或引线中接入直流平波电抗器。
所述的单极电机系统，优选地，所述直流平波电抗器采用永磁电抗器或无直流磁通电抗器。
所述的单极电机系统，优选地，单极电机的励磁为电励磁、永磁励磁、超导励磁或混合励磁。
所述的单极电机系统，优选地，所述电力电子变压器在所述单极电机靠近布置；或者，所述电力电子变压器设置在单极电机内部。
本发明的第二方面提供一种直流设备，所述直流设备包括本发明第一方面所述的单极电机系统。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明的单极电机系统可以通过调节单极电机的供电电压进行调速，减轻单极电机系统的重量，提供容错运行能力；
2、本发明采用电力电子变压器技术，其中的高频变压器可以减轻变压器的重量，对于船舶应用具有突出优势；
3、本发明中由轴向相对的两个电刷构成的每条支路分别由电力电子变压器供电，具有多路分布供电的特点，其带来的好处是各支路可独立控制，控制自由度更大，支路的故障不影响其它支路的运行，具有很高的容错运行性能；
4、本发明电力电子变压器与单极电机靠近布置，甚至可以将电力电子变压器安装在单极电机内部空间内，大大缩短引线的长度，缩短了大电流电缆的长度，使系统重量减轻；
综上，本发明可以用于单极电机系统中，不论电励磁、永磁励磁、超导励磁，还是混合励磁电机中。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明的采用电力电子变压器多路供电的单极电机系统示意图；
图2是本发明的在图1采用电力电子变压器多路供电的单极电机系统中接入直流平波电抗器的系统示意图；
图3是本发明的另一种实施例示意图；
图4是本发明的在图2采用电力电子变压器多路供电的单极电机系统中接入直流平波电抗器的系统示意图；
图5是本发明的永磁电抗器的原理示意图；
图6是本发明的无直流磁通电抗器的原理示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。
实施例1
如图1所示，本实施例提供的单极电机系统包括定子机座、定子磁极、杯型电枢1、电刷2、引线3、电力电子变压器4、高压直流电源5和供电电缆6。
定子机座内设置有定子磁极和杯型电枢1，杯型电枢1轴向两端对应设置有电刷2，电刷2与杯型电枢1之间滑动接触导电，轴向相对的两个电刷2构成一条支路，高压直流电源5通过供电电缆6向电力电子变压器4供电，电力电子变压器4通过引线3连接相应支路的两个电刷2。在一些实现中，杯型电枢1圆周上还可以布置有多对电刷2，多对轴向相对的电刷2可以构成多条支路，每条支路均可由一电力电子变压器4供电。在另一些实现中，本实施例轴向相对的两个电刷2还可以在圆周方向上错开一个设定的小角度，即轴向相对的两个电刷在轴向上不是严格对齐，这样能够实现斜槽的目的，减小振动噪声，角度具体设定可以根据实际需要进行确定，在此不做限定。
本发明的一些实施例中，每一电力电子变压器4均可以包括DC/AC变换器41、高频变压器42和AC/DC变换器43。
DC/AC变换器41将高压直流电变换为高压的高频交流电，高压高频交流电经过高频变压器42变换为低压高频交流电，再经过AC/DC变换器43变换为电压可调节的低压直流电，低压直流电通过引线3和电刷2向杯型电枢1供电。实际使用中如果直接采用低压直流电源向单极电机供电，电源到电机之间都是低压大电流供电，因此电缆的重量将增加，本实施例采用高压直流电源5直接高压供电到单极电机旁，因此对应的供电电缆6为高压小电流，电缆的重量更轻。在一些实现中，电力电子变压器4与单极电机靠近布置；在另一些实现中，电力电子变压器4可以安装在单极电机内部空间内，以缩短引线3的长度。
本发明的一些实施例中，如图2所示，在每一支路的AC/DC变换器43输出端与杯型电枢1之间的低压引线3上均可以串联接入直流平波电抗器7，也可以在高压供电电缆6上串联接入直流平波电抗器8，还可以在高压直流电源5与DC/AC变换器41的输入端接入直流平波电抗器7，又可以在其它所需支路串联接入直流平波电抗器等，可以根据需要进行设置，在此不做限定。
实施例2
图3为高压直流电源5向电力电子变压器4供电的另一种形式，如果轴向设置有多对电刷，本实施例的所有电力电子变压器4串联后连接高压直流电源5，每一电力电子变压器的AC/DC变换器通过引线3连接轴向相对的电刷2向杯型电枢1供电，此种设置方式使得电力电子变压器4得到的直流电压更低，需要的高频变压器42的变比更小，更容易布置绕组和制造。
本发明的一些实施例中，如图4所示，在每一支路的AC/DC变换器43输出端与电枢之间的低压引线3上均可以串联接入直流平波电抗器7，还可以在在高压供电电缆6上串联接入直流平波电抗器8等，可以根据需要进行设置，在此不做限定。
上述各实施例中，直流平波电抗器可以采用永磁电抗器。直流平波电抗器中直流负载电流很大，而需要削弱的是高频电流，但普通电抗器磁路设置必须使直流负载电流产生的磁通不饱和，因此铁心面积大，电抗器重。为了减小电抗器体积重量，永磁电抗器在磁路中引入永磁体抵消直流负载电流产生的磁通，为兼顾不同直流负载的情况，一般取永磁磁通抵消额定直流负载电流产生磁通的一半，这样铁心重量可减小约50％，其原理如图5所示。该永磁电抗器用于削弱DC/DC控制器输出的谐波电流，减小电抗器的体积重量。
上述各实施例中，直流平波电抗器还可以采用无直流磁通电抗器。该无直流磁通电抗器用于削弱DC/DC变换器输出高频谐波电流，其原理如图6所，图1～图4中的输入或输出的任两条支路共用一个电抗器铁心，两路绕组在电抗器上的绕制方向使得两路绕组通电产生的铁心直流磁通互相抵消，两路变换器控制两路输出的高频谐波电流相位相反，从而使得铁心只有高频磁通，对高频电流体现电感的削弱高频电流的作用。由于铁心中无直流磁通而仅有高频磁通，因此铁心的体积重量可以大为减小。
需要说明的上述各实施例以轴向相对的两个电刷构成支路，该支路由一路电力电子变压器进行单独供电进行示意，但是实际上并不限于这种情况，本实施例的电刷在轴向同一侧可以进行多个组合并联，同样电力电子变压器支路也可以进行组合并联后对电刷进行供电。
上述各实施例中，本实施例的单极电机可以采用电励磁建立磁场，也可以采用永磁体建立磁场，还可以采用超导励磁，使磁场更强。
实施例3
以单极电机为例进行说明，本实施例的单极电机可用于需要低压大电流直流设备中，如电解装置供电系统等。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (8)
1.一种单极电机系统，其特征在于，该电机系统包括定子机座、定子磁极、杯型电枢、电刷、电力电子变压器和高压直流电源；
所述定子机座内设置有定子磁极和杯型电枢；
所述杯型电枢轴向设置有所述电刷，所述电刷与所述杯型电枢之间滑动接触导电；所述电刷数量至少两个，相应所述电刷构成支路；其中，所述杯型电枢圆周上轴向布置有多对电刷，多对轴向相对的所述电刷构成多条支路，每条支路均由一所述电力电子变压器进行供电，构成一条支路的轴向相对的两个电刷在圆周方向上错开设定角度；
所述高压直流电源通过供电电缆向所述电力电子变压器供电，所述电力电子变压器通过引线连接相应支路的电刷，其中：
所述电力电子变压器包括DC/AC变换器、高频变压器和AC/DC变换器，所述DC/AC变换器将高压直流电变换为高压高频交流电，高压高频交流电经过所述高频变压器变换为低压高频交流电，低压高频交流电经过所述AC/DC变换器变换为电压可调节的低压直流电，低压直流电通过所述电刷向所述杯型电枢供电。
2.根据权利要求1所述的单极电机系统，其特征在于，所述高压直流电源通过供电电缆向所述电力电子变压器供电时，所述电力电子变压器输入为并联结构；
或者，所述高压直流电源通过供电电缆向所述电力电子变压器供电时，所述电力电子变压器输入为串联结构。
3.根据权利要求1所述的单极电机系统，其特征在于，轴向同一侧的电刷数量为多个，多个所述电刷并联后由所述电力电子变压器供电。
4.根据权利要求1～3任一项所述的单极电机系统，其特征在于，所述供电电缆和/或引线中接入直流平波电抗器。
5.根据权利要求4所述的单极电机系统，其特征在于，所述直流平波电抗器采用永磁电抗器或无直流磁通电抗器。
6.根据权利要求1～3、5任一项所述的单极电机系统，其特征在于，所述电力电子变压器在所述单极电机靠近布置；或者，所述电力电子变压器设置在单极电机内部。
7.根据权利要求1～3、5任一项所述的单极电机系统，其特征在于，单极电机的励磁为电励磁、永磁励磁、超导励磁或混合励磁。
8.一种直流设备，其特征在于，所述直流设备包括权利要求1～7任一项所述的单极电机系统。
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