CN112737258A - 一种磁场调制式无刷励磁凸极同步电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁场调制式无刷励磁凸极同步电机，该同步电机包括电源、定子铁心、定子功率绕组、励磁绕组、凸极转子铁心、转子磁场调制绕组，励磁绕组位于定子铁心上，转子磁场调制绕组位于凸极转子铁心上，电源可单独为定子功率绕组和励磁绕组供电。本发明的磁场调制式无刷励磁凸极同步电机结构简单，成本低廉和动态性能好。

Description

一种磁场调制式无刷励磁凸极同步电机
技术领域
本发明涉及一种电励磁同步电机，更具体地说涉及一种磁场调制式无刷励磁凸极同步电机。
背景技术
电励磁同步电机具有过载能力强、功率因数高、转速稳定等优点，在大功率压缩机、风机、水泵、轧钢机、球磨机和水轮发电机等领域得到广泛应用。传统电励磁同步电机的励磁绕组是放在转子上的，需要通过滑环和电刷提供励磁电流，由于滑动接触，不仅需要定时维护，而且易于产生火花，限制了在煤矿、石油及化工等易燃易爆场所的应用。
电励磁同步电机的无刷化是重要的发展方向，目前同步电机无刷励磁的主要设计方式是在电机转子上增加一个励磁发电机，即同步电机转轴上增加一个旋转电枢的三相交流发电机，所发出的交流电通过与电机转子一起旋转的整流器转化直流电后，为放在转子上的同步电机励磁绕组供电，励磁发电机的励磁绕组放在定子上，通过可控整流器调节励磁发电机的电枢电压，进而实现对于同步电机的励磁控制。现有无刷励磁同步电机的主要结构如图1所示，其中1为供电电源，2为同步电机定子铁心，3为同步电机定子绕组，4为位于转子上的同步电机励磁绕组，5为与同步电机转子一起旋转的部件，6为励磁发电机的旋转电枢绕组，7为励磁发电机的转子，8为励磁绕组供电变压器，9为提供励磁发电机的励磁绕组电流的可控整流器，10为电机起动时串入同步电机励磁绕组电路的限流电阻，11为励磁发电机的励磁绕组，12为旋转整流器，K1和K2是电机启动用的电路转换开关。这种无刷励磁方式虽然取消了滑环电刷，然而需要增加一个交流励磁发电机和旋转整流器，不但结构复杂和制造成本较高，而且同步电机励磁绕组电流需要经过两级控制，其动态控制性能不好。
发明内容
针对目前无刷励磁同步电机的缺点，本发明的目的是提供了一种结构简单，成本低廉和动态性能好的磁场调制式无刷励磁凸极同步电机。
为实现本发明的目的，本发明采用的技术方案如下：
一种磁场调制式无刷励磁凸极同步电机，其包括电源、定子铁心、定子功率绕组、励磁绕组、凸极转子铁心、转子磁场调制绕组，
其中励磁绕组位于定子铁心上，
转子磁场调制绕组位于所述凸极转子铁心上，
电源可单独为定子功率绕组和励磁绕组供电。
优选地，上述磁场调制式无刷励磁凸极同步电机还包括限流电阻，限流电阻与励磁绕组串联，用于限制励磁绕组的电流。
优选地，上述磁场调制式无刷励磁凸极同步电机还包括控制励磁绕组的电压的变压器和为励磁绕组提供直流电流的可控整流器，并且变压器、可控整流器和励磁绕组是串联的。
优选地，定子功率绕组与励磁绕组的极数之和等于同步电机的极数，并且励磁绕组的极数比定子功率绕组的极数至少大4。
优选地，在径向方向上，定子功率绕组比励磁绕组更靠近定子铁心的外表面。
优选地，凸极转子铁心具有多个凸极，凸极用于在其中放置转子磁场调制绕组，凸极的数目是定子功率绕组与励磁绕组的极数之和的二分之一。也就是说，凸极的数目是同步电机极数的二分之一。
优选地，每两个凸极之间设有大槽，每个凸极上设有宽度和深度不同的多个小槽，小槽用以放置或缠绕磁场调制绕组，其中大槽和小槽均为径向，并且它们的中心线沿径向相交于转子转轴的中心。
优选地，多个小槽的数目是奇数个，位于凸极的中心线处的小槽的深度和宽度最大，其他小槽对称分布在中心线处的小槽的两边，并且深度和宽度逐渐减小。
优选地，转子磁场调制绕组由多个自身短接的同心式线圈组成，每个同心式线圈包括多个多匝线圈，每个多匝线圈的两边以大槽的中心线为对称轴分别放置或缠绕在不同的小槽中，其中位于凸极的中心线处的小槽中放置或缠绕有两个来自相邻同心式线圈的多匝线圈，非中心线处的小槽中仅仅放置或缠绕有一个多匝线圈。
优选地，凸极上的小槽为5个，从左到右依次为第一小槽，第二小槽、第三小槽、第四小槽、第五小槽，其中第三小槽位于凸极的中心线处，其深度和宽度最大，第二小槽和第四小槽对称分布在第三小槽的两边，它们的深度和宽度相同并且比第三小槽的深度和宽度小，第一小槽和第五小槽分别对称分布在第二小槽的左边和第四小槽的右边，它们的深度和宽度相同并且比第二小槽和第四小槽的深度和宽度小，每个同心式线圈由三个多匝线圈组成，其中第一多匝线圈的两边分别缠绕在一凸极上的第一小槽和左边相邻凸极上的第五小槽中，第二多匝线圈的两边分别缠绕在一凸极上的第二小槽和左边相邻凸极上的第四小槽中，第三多匝线圈的两边分别缠绕在一凸极上的第三小槽和左边相邻凸极上的第三小槽中，并且每个第三小槽中缠绕有两个相邻同心式线圈的第三多匝线圈。
优选地，凸极上的小槽为3个，从左到右依次为第一小槽，第二小槽和第三小槽，其中第二小槽位于凸极的中心线处，其深度和宽度最大，第一小槽和第三小槽对称分布在第二小槽的两边，它们的深度和宽度相同并且比第二小槽的深度和宽度小，每个同心式线圈由两个多匝线圈组成，其中第一多匝线圈的两边分别缠绕在一凸极上的第一小槽和左边相邻凸极上的第三小槽中，第二多匝线圈的两边分别缠绕在一凸极上的第二小槽和左边相邻凸极上的第二小槽中，并且每个第二小槽中缠绕有两个相邻同心式线圈的第二多匝线圈。
优选地，上述磁场调制式无刷励磁凸极同步电机还包括电路转换开关K1和K2，电路转换开关K1用于在电机起动时定子功率绕组接通电源后将限流电阻接入励磁绕组所在的电路，此时所述电路转换开关K2是断开的；电路转换开关K2用于待电机加速到接近同步速时，将励磁绕组切换到其与变压器(8)和可控整流器所在的电路上，使电机牵入同步后进入正常工作状态，此时所述电路转换开关K1是断开的。
与现有技术相比本发明达到了以下显著的技术效果：
1.将常规电励磁同步电机放在转子上的励磁绕组转移到了定子上，不再需要通过滑环和电刷供电，实现了无刷励磁，提高了电机的运行可靠性和降低了维护费用。
2.转子上的自身短接同心式绕组不需要电源供电，结构简单，成本低廉，运行可靠。不需要另加起动绕组，便可满足电机起动和负载运行要求，具有快速的励磁控制动态性能。
3.本发明磁场调制式无刷励磁凸极同步电机的同步转速对应的定子绕组极数是功率绕组和励磁绕组的极数之和，而转子的极数是常规同步电机转子极数的二分之一。由于定子绕组极数和转子凸极数的减少，定转子铁心的槽数可以相应减少，不仅能够提高铁心和绕组的利用率，而且可以降低电机的加工制造成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例和现有技术的附图做简单地介绍，很显然下面描述的附图仅仅是对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题下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1示意性地示出了现有的无刷励磁同步电机的主要结构的一个实施例。
图2示意性地示出了本发明的一个实施例的磁场调制式无刷励磁凸极同步电机的主要结构。
图3示意性地示出了图2的磁场调制式无刷励磁凸极同步电机的凸极转子铁心的端面结构及缠绕在其上的转子磁场调制绕组的一个实施例。
图4示意性地示出了图2的磁场调制式无刷励磁凸极同步电机的凸极转子铁心的端面结构及缠绕在其上的转子磁场调制绕组的另一个实施例。
图5示意性地示出了图2的磁场调制式无刷励磁凸极同步电机的定子铁心和绕组的轴向结构。
图6示意性地示出了图2的磁场调制式无刷励磁凸极同步电机的定子铁心和绕组的局部径向结构。
具体实施方式
本发明的描述中，转子磁场调制绕组的作用是通过转子磁场绕组电流产生的磁场，对于定子功率绕组和励磁绕组电流产生的磁场进行调制，获得一个所需要极数的气隙磁场。
在本发明的一个优选实施例中，定子功率绕组与励磁绕组的极数之和等于同步电机的极数，并且励磁绕组的极数比定子功率绕组的极数至少大4。励磁绕组和功率绕组不能具有相同的极数，否则两绕组之间将仅产生电磁耦合，而不能实现机电能量转换；如果励磁绕组和功率绕组的极数相差为2，则电机气隙磁场不对称，将产生径向单边磁拉力，使电机不能正常工作。
本发明的磁场调制式无刷励磁凸极同步电机的最小极数为8，极数可以是8，12，16，20，24，24，28，32，36，40等，相邻极数之差为4。在本发明的一个具体实例中，磁场调制式无刷励磁凸极同步电机的极数为12，定子功率绕组的极数是4，励磁绕组的极数是8。
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白理解，下面结合附图，进一步阐述本发明。
实施例1
图2显示的是一台12磁场调制式无刷励磁凸极同步电机的结构。在该图所示的实施例中，同步电机包括电源1、定子铁心2、位于定子铁心2中的定子功率绕组3和励磁绕组4、凸极转子铁心5、位于凸极转子铁心5中的转子磁场调制绕组6(参见图3或图4)、用于安装凸极转子铁心5的转轴7、变压器8、可控整流器9、限流电阻10，电路转换开关K1和K2。
电机电源1可单独为定子功率绕组3和励磁绕组4供电，使得定子功率绕组3和励磁绕组4的电路是相互独立的。电机电源1可以是低压或者高压三相电源。凸极转子铁心5可以是由电工钢片叠压而成的。变压器8安装在给励磁绕组4供电的线路中，用于调节定子励磁绕组4的电压。可控整流器9安装在给励磁绕组4供电的线路中，用于将变压器8输出的交流电流转换成供给励磁绕组4的可控直流电流。限流电阻10串入励磁绕组4的电路中，用于限制电路中的电流大小。电路转换开关K1用于闭合时使限流电阻10与励磁绕组4所在的电路接通，电路转换开关K2用于闭合时使励磁绕组4与可控整流电源9、变压器8、电源1所在的电路接通。
图3显示了本发明的磁场调制式无刷励磁凸极同步电机的凸极转子铁心的端面结构及缠绕在其上的转子磁场调制绕组的一个实施例。该实施例中，同步电机的极数是12，凸极转子铁心5的凸极51的数目是6。每两个凸极51之间设有大槽511，每个凸极51上设有宽度和深度不同的5个小槽512。大槽511和小槽512均为径向设置，大槽511和小槽512的中心线(图中未示出)沿径向相交于转子转轴的中心。凸极51上的5个小槽512从左到右依次为第一小槽512a，第二小槽512b、第三小槽512c、第四小槽512d和第五小槽512e。第三小槽512c位于凸极的中心线51’处，其深度和宽度最大，第二小槽512b和第四小槽512d对称分布在第三小槽512c两边，它们的深度和宽度相同并且比第三小槽512c的深度和宽度小，第一小槽512a和第五小槽512分别对称分布在第二小槽512b的左边和第四小槽512d的右边，它们的深度和宽度相同并且比所述第二小槽512b和所述第四小槽512d的深度和宽度小。
转子磁场调制绕组6是由多个自身短接的同心式线圈组成的，每个同心式线圈包括3个多匝线圈：第一多匝线圈61、第二多匝线圈62和第三多匝线圈63。多匝线圈61的两边以大槽511的中心线为对称轴分别放置或缠绕在一凸极51上的第一小槽512a和左边相邻凸极51上的第五小槽(512e)中，第二多匝线圈62的两边分别缠绕在一凸极上51的第二小槽(512b)和左边相邻凸极51上的第四小槽512d中，第三多匝线圈63的两边分别缠绕在一凸极51上的第三小槽512c和左边相邻凸极51上的第三小槽512c中。其他的同心式线圈的多匝线圈也以类似的方式布置，这样每个凸极51上的第三小槽512c中缠绕有两个相邻同心式线圈的第三多匝线圈63，非中心线处的小槽中仅仅缠绕有一个多匝线圈(第一多匝线圈61或第二多匝线圈62)。转子磁场调制绕组6以这种方式布置的好处是，可以充分利用转子铁心的有效面积，使气隙磁场更加接近于正弦波形分布。
图4显示了本发明的磁场调制式无刷励磁凸极同步电机的凸极转子铁心的端面结构及缠绕在其上的转子磁场调制绕组的另一个实施例。该实施例中，同步电机的极数是20，凸极转子铁心5的凸极51的数目是10个。每两个凸极51之间设有大槽511，每个凸极51上设有宽度和深度不同的3个小槽512。大槽511和小槽512均为径向设置，大槽511和小槽512的中心线(图中未示出)沿径向相交于转子转轴的中心。凸极51上的3个小槽512从左到右依次为第一小槽512a，第二小槽512b和第三小槽512c，第二小槽512b位于凸极的中心线51’处，其深度和宽度最大，第一小槽512a和第三小槽512c对称分布在第二小槽512b的两边，它们的深度和宽度相同并且比第二小槽512b的深度和宽度小。
转子磁场调制绕组6的多个自身短接的同心式线圈包括2个多匝线圈，第一多匝线圈61和第二多匝线圈62。第一多匝线圈61的两边以大槽511的中心线为对称轴分别放置或缠绕在一凸极51上的第一小槽512a和左边相邻凸极51上的第三小槽512c中，第二多匝线圈62的两边分别缠绕在一凸极上51的第二小槽512b和左边相邻凸极51上的第二小槽512b。其他的同心式线圈的多匝线圈也以类似的方式布置。这样每个凸极51上的第二小槽512b中缠绕有两个相邻同心式线圈的第二多匝线圈62，非中心线处的小槽中仅仅缠绕有一个多匝线圈61。
图3和图4所示的凸极转子铁心的每个凸极上同心式线圈的多匝线圈的个数与电机的极数有关，对于8和12极的电机来说，极数较少，凸极比较宽，凸极上可设置5～7个小槽。这样，每个凸极上可缠绕3～4个多匝线圈，而对于极数较多的电机来说，凸极比较窄，凸极上可设置的小槽的数量也较少。这样每个凸极上可缠绕的多匝线圈的个数也减少，但是至少需要有一个多匝线圈位于凸极中心线处的小槽中。
图5显示了定子铁心2和设置在其上的定子功率绕组3和励磁绕组4的轴向剖面图，从该图中可以看出到定子功率绕组3与励磁绕组4的端面结构。图6显示了定子铁心2和设置在其上的定子功率绕组3和励磁绕组4的局部径向剖面图。从图5和图6显示的定子功率绕组3和励磁绕组4在定子铁心2上的设置方式可知，定子功率绕组3与励磁绕组4可设置在定子铁心的同一径向方向上，并且，励磁绕组4设置在比定子功率绕组3更靠近定子铁心2的中心轴线的位置处，也就是说定子功率绕组3比励磁绕组4更靠近定子铁心2的外表面。
本发明的磁场调制式无刷励磁凸极同步电机的工作过程如下：
电机起动时先将定子功率绕组3接通电源，然后闭合K1将限流电阻10和励磁绕组4所在的电路接通，这样通过与励磁绕组串联的电阻限制励磁绕组的电流，同时增加电机的起动转矩，待电机加速到接近同步速时，断开K1，闭合K2，将励磁绕组4和变压器8以及可控整流器9所在的电路接通，电机牵入同步后进入正常工作状态。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (12)

1.一种磁场调制式无刷励磁凸极同步电机，其特征在于，所述同步电机包括电源(1)、定子铁心(2)、定子功率绕组(3)、励磁绕组(4)、凸极转子铁心(5)和转子磁场调制绕组(6)，
所述励磁绕组(4)位于定子铁心(2)上，
所述转子磁场调制绕组(6)位于所述凸极转子铁心(5)上，
所述电源(1)可单独为所述定子功率绕组(3)和所述励磁绕组(4)供电。
2.根据权利要求1所述的磁场调制式无刷励磁凸极同步电机，其特征在于，磁场调制式无刷励磁凸极同步电机还包括限流电阻(10)，所述限流电阻(10)与所述励磁绕组(4)串联，用于限制励磁绕组的电流。
3.根据权利要求1或2所述的磁场调制式无刷励磁凸极同步电机，其特征在于，所述磁场调制式无刷励磁凸极同步电机还包括控制所述励磁绕组(4)的电压的变压器(8)和为所述励磁绕组(4)提供直流电流的可控整流器(9)，并且所述变压器(8)、所述可控整流器(9)和所述励磁绕组(4)是串联的。
4.根据权利要求1或2所述的磁场调制式无刷励磁凸极同步电机，其特征在于，所述定子功率绕组(3)与所述励磁绕组(4)的极数之和等于所述同步电机的极数，并且所述励磁绕组(4)的极数比定子功率绕组(3)的极数至少大4。
5.根据权利要求4所述的磁场调制式无刷励磁凸极同步电机，其特征在于，在径向方向上，所述定子功率绕组(3)比所述励磁绕组(4)更靠近定子铁心(2)的外表面。
6.根据权利要求4所述的磁场调制式无刷励磁凸极同步电机，其特征在于，所述凸极转子铁心(5)具有多个凸极(51)，所述凸极(51)用于在其中放置所述转子磁场调制绕组(6)，凸极(51)的数目是所述定子功率绕组(3)与所述励磁绕组(4)的极数之和的二分之一。
7.根据权利要求6所述的磁场调制式无刷励磁凸极同步电机，其特征在于，每两个凸极(51)之间设有大槽(511)，每个凸极(51)上设有宽度和深度不同的多个小槽(512)，所述小槽(512)用以放置或缠绕所述磁场调制绕组(6)，
其中所述大槽(511)和所述小槽(512)均为径向，并且它们的中心线沿径向相交于转子转轴的中心。
8.根据权利要求7所述的磁场调制式无刷励磁凸极同步电机，其特征在于，所述多个小槽(512)的数目是奇数个，位于所述凸极的中心线处的小槽的深度和宽度最大，其他小槽对称分布在中心线处的小槽的两边，并且深度和宽度逐渐减小。
9.根据权利要求8所述的磁场调制式无刷励磁凸极同步电机，其特征在于，所述转子磁场调制绕组(6)由多个自身短接的同心式线圈(61)组成，每个同心式线圈(61)包括多个多匝线圈，每个多匝线圈的两边以所述大槽(511)的中心线为对称轴分别放置或缠绕在不同小槽(512)中，其中位于所述凸极(51)的中心线处的小槽(512)中缠绕有两个分别来自相邻同心式线圈的多匝线圈，非中心线处的小槽(512)中仅仅缠绕有一个多匝线圈。
10.根据权利要求9所述的磁场调制式无刷励磁凸极同步电机，其特征在于，所述凸极(51)上的小槽(512)为5个，从左到右依次为第一小槽(512a)，第二小槽(512b)、第三小槽(512c)、第四小槽(512d)、第五小槽(512e)，其中所述第三小槽(512c)位于所述凸极(51)的中心线处，其深度和宽度最大，第二小槽(512b)和第四小槽(512d)对称分布在所述第三小槽(512c)的两边，它们的深度和宽度相同并且比所述第三小槽(512c)的深度和宽度小，所述第一小槽(512a)和所述第五小槽(512e)分别对称分布在所述第二小槽(512b)的左边和所述第四小槽(512d)的右边，它们的深度和宽度相同并且比所述第二小槽(512b)和所述第四小槽(512d)的深度和宽度小。
每个同心式线圈(61)由三个多匝线圈组成，其中第一多匝线圈(611)的两边分别缠绕在一凸极上的第一小槽(512a)和左边相邻凸极上的第五小槽(512e)中，第二多匝线圈(612)的两边分别缠绕在一凸极上的第二小槽(512b)和左边相邻凸极上的第四小槽(512d)中，第三多匝线圈(613)的两边分别缠绕在一凸极上的第三小槽(512c)和左边相邻凸极上的第三小槽(512c)中，并且每个第三小槽(512c)中缠绕有两个相邻同心式线圈的第三多匝线圈(613)。
11.根据权利要求9所述的磁场调制式无刷励磁凸极同步电机，其特征在于，所述凸极(51)上的小槽(512)为3个，从左到右依次为第一小槽(512a)，第二小槽(512b)和第三小槽(512c)，其中所述第二小槽(512b)位于凸极的中心线处，其深度和宽度最大，所述第一小槽(512a)和所述第三小槽(512c)对称分布在所述第二小槽(512b)的两边，它们的深度和宽度相同并且比所述第二小槽(512b)的深度和宽度小，
每个同心式线圈(61)由两个多匝线圈组成，其中第一多匝线圈(611)的两边分别缠绕在一凸极上的第一小槽(512a)和左边相邻凸极上的第三小槽(512c)中，第二多匝线圈(612)的两边分别缠绕在一凸极上的第二小槽(512b)和左边相邻凸极上的第二小槽(512b)中，并且每个第二小槽(512b)中缠绕有两个相邻同心式线圈的第二多匝线圈(612)。
12.根据权利要求1所述的磁场调制式无刷励磁凸极同步电机，其特征在于，所述磁场调制式无刷励磁凸极同步电机还包括电路转换开关K1和K2，
所述电路转换开关K1用于在电机起动时所述定子功率绕组(3)接通电源后将所述限流电阻(10)接入所述励磁绕组(4)所在的电路，此时所述电路转换开关K2是断开的，
所述电路转换开关K2用于待所述同步电机加速到接近同步速时，将所述励磁绕组(4)切换到其与所述变压器(8)和所述可控整流器(9)所在的电路上，使所述同步电机牵入同步后进入正常工作状态，此时所述电路转换开关K1是断开的。
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