CN113098221B - 一种无换向器高压大容量直流电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无换向器高压大容量直流电机，属于直流电机领域，当固定部分包括电枢时，还包括依次连接的：DC/DC1、碳刷及滑环、N个DC/DC2和作为旋转部分的N对励磁绕组，N个DC/DC2与N对励磁绕组一一对应连接，且N对励磁绕组与固定部分中电枢耦合；当旋转部分包括电枢时，还包括依次连接的：DC/DC1、N个DC/DC2和作为固定部分的N对励磁绕组；N个DC/DC2与N对励磁绕组一一对应连接，N对励磁绕组与旋转部分中电枢耦合；其中，利用N个DC/DC2的上下桥臂交替导通实现换向。本发明取消了换向器，提高了系统可靠性，减少了运维成本；不采用永磁磁极，电枢侧也不需要电力电子器件整流，可以制造高压大容量直流电机。

Description

一种无换向器高压大容量直流电机

技术领域

本发明属于直流电机领域，更具体地，涉及一种无换向器高压大容量直流电机。

背景技术

直流电机是指能输出直流电流的发电机，或通入直流电流而产生机械运动的电动机。直流电动机因具有良好的启动性能和宽广平滑的调速特性，被广泛应用于电力机车、无轨电车、轧钢机、机床和启动设备等需要经常启动并调速的电气传动装置中，直流发电机主要用做直流电源。传统的直流电机采用机械式换向器实现端口直流量与绕组内交流量的相互转换，即直流电机电枢绕组所感应的极性交替变化的交流电动势，需要换向器配合电刷的作用把交流电动势“换向”成为极性恒定的直流电动势。由于使用机械式换向器和电刷，导致直流电机定子和转子之间的密封性不够好，空气中粉尘颗粒很容易进入气隙，在电机工作中存在隐患；换向过程中电刷会沿着换向器滑动，与换向器的不同分片接触，电刷与换向器之间极易产生电火花并伴随电磁干扰，同时也会产生较大的噪声，在许多场所使用时会受到限制；电机长时间工作，电刷和换向器磨损会比较严重，对电刷或者换向器进行维修或者更换消耗大量的人力物力。于是发展无刷式直流电机近年来一直受到人们的重视。

现在常见无刷直流电机是永磁无刷直流电机，与采用机械式换向器的传统直流电机在结构上有着明显的区别，永磁无刷直流电机包括电机本体、电子换相电路和位置传感器，没有传统直流电机中完成换向的电刷和换向器。变化的磁场是由转子上的永磁体提供的，而线圈绕组作为定子固定不动。这种结构使得永磁无刷直流电机解决了运行过程中因为换向器和电刷存在带来的各种问题。与传统的直流电机相比，永磁无刷直流电机响应比较快、启动转矩比较大；过载能力比较强，爬坡的角度和速度均比较大；永磁无刷直流电机没有电刷和换向器，不易磨损、故障低，寿命有明显提高。

永磁无刷直流电机中采用的永磁体对磁性的要求比较高，在制造过程中会吸引飞散的金属物体，存在危险性；永磁体可被大的反向磁动势和高温退磁；受限于转子磁轭与永磁体之间的装配强度，采用永磁体表面安装方式的电动机难以达到高速；稀土永磁体价格高昂，导致永磁无刷直流电机的成本高。由于以上永磁体的局限性，永磁无刷直流电机的容量一直不能很大以及电压不能很高。永磁无刷电机虽然取消了换向器，但采用永磁磁极，限制了电机的励磁容量，而且其定子侧采用电力电子器件整流，所需容量很大，也限制了无刷直流电机向高压大容量发展。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种无换向器高压大容量直流电机，其目的在于利用直流电压变换器DC/DC 2实现换向，不需要再采用换向器，克服了永磁无刷直流电机容量不能很大及电压不能很高的局限性，有利于制造高压大容量直流电机。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种无换向器高压大容量直流电机，

当固定部分包括电枢时，所述无换向器高压大容量直流电机还包括依次连接的：直流电压变换器DC/DC 1、碳刷及滑环、作为旋转部分的N个直流电压变换器DC/DC 2和N对励磁绕组，所述碳刷及滑环与所述N个直流电压变换器DC/DC 2连接，所述N个直流电压变换器DC/DC 2与所述N对励磁绕组一一对应连接，且所述N对励磁绕组与所述固定部分中电枢耦合；所述直流电压变换器DC/DC 1还与所述固定部分连接；所述固定部分设有标志位，当在所述旋转部分上自动检测旋转到所述标志位时，利用直流电压变换器DC/DC 2上下桥臂交替导通实现换向；

当旋转部分包括电枢时，所述无换向器高压大容量直流电机还包括依次连接的：直流电压变换器DC/DC 1、N个直流电压变换器DC/DC 2和作为固定部分的N对励磁绕组；所述直流电压变换器DC/DC 1与所述N个直流电压变换器DC/DC 2连接；所述N个直流电压变换器DC/DC 2与所述N对励磁绕组一一对应连接，所述N对励磁绕组与所述旋转部分中电枢耦合；其中，所述旋转部分设有位置标志，当在固定部分励磁绕组上自动检测到所述位置标志时，利用所述N个直流电压变换器DC/DC 2的上下桥臂交替导通实现换向。

在其中一个实施例中，当所述固定部分包括电枢时，在所述旋转部分上自动检测且始终保证旋转到所述标志位时磁极固定为N极或者固定为S极，并自动输出正值或负值的直流电压，无需控制系统的参与。

在其中一个实施例中，当所述固定部分包括电枢时，所述直流电压变换器DC/DC 1用于改变直流电压幅值以满足直流电机的励磁电压要求，并实现高低压之间的电位隔离。

在其中一个实施例中，当所述固定部分包括电枢时，所述碳刷及滑环用于将直流电从固定部分引入到旋转部分。

在其中一个实施例中，当所述旋转部分包括电枢时，所述N对励磁绕组通入电流产生磁场，始终保证所述旋转部分中的电枢导线正极旋转对应的磁极为N极，电枢导线负极旋转对应的磁极为S极，自动输出正值或负值的直流电压，无需控制系统参与。

在其中一个实施例中，通过提高励磁电压并采用PWM调制，加快所述N对励磁绕组中电感的能量释放和吸收，能够缩短励磁电流换向时间。

在其中一个实施例中，当所述固定部分包括电枢时，所述无换向器高压大容量直流电机应用于直流发电机、直流电动机、旋转燃气直流发电机及旋转压缩空气储能直流发电机；

当所述旋转部分包括电枢时，所述无换向器高压大容量直流电机应用于永磁直驱风力发电机。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)本发明提供的无换向器高压大容量直流电机，利用电力电子技术，由直流电压变换器DC/DC 2实现换向，因此取消了换向器。有效地解决了传统直流电机中，由于使用换向器而导致的易发生机械故障、易引起电机绕组产生噪声污染、易造成事故等技术问题，有效提高了系统运行可靠性，减少了运行维护成本。

(2)本发明提供的无换向器高压大容量直流电机，其励磁容量往往只有电机额定容量的1％～2％左右，故直流电机励磁侧的换向功率远小于电枢侧的换向功率，从而可以降低大功率电力电子器件的成本和损耗，有利于制造高压大容量直流电机和提高直流电机的运行可靠性及效率。

(3)本发明提供的无换向器高压大容量直流电机，当电枢旋转而励磁固定，励磁绕组绝缘问题容易解决，可以通过进一步提高励磁直流电压，大大加快直流电机的励磁绕组电感的能量释放和吸收，大幅度减少直流电机的励磁绕组极性相反所需时间，有利于实现直流电机的励磁绕组极性高速反向。

(4)本发明提供的无换向器高压大容量直流电机，当电枢旋转而励磁固定，应用于交流发电机励磁系统，旋转部分没有大功率电力电子器件，结构简单，具有高可靠性，优于含有旋转大功率整流二极管的常规交流发电机无刷励磁系统。

(5)本发明提供的无换向器高压大容量直流电机，当电枢旋转而励磁固定，应用于交流发电机励磁系统，利用电力电子装置，交流发电机励磁绕组的电能快速转换成为机械能，直流电动机运行，可以实现快速灭磁。常规交流发电机无刷励磁系统由于含有整流二极管，只能自然续流灭磁(转变为励磁绕组电阻发热)，速度慢。

(6)本发明提供的无换向器高压大容量直流电机，当电枢旋转而励磁固定，应用于交流发电机励磁系统，能够实现交流发电机励磁绕组的正负励磁，避免了常规交流发电机的基于晶闸管(SCR)整流以及二极管整流的励磁系统励磁电流只能单向流动，不能实现负励磁。快速从正励磁转到负励磁或反之在提高交流发电机组的动态性能及暂态稳定性等方面有良好的作用。

(7)本发明提供的无换向器高压大容量直流电机，当电枢旋转而励磁固定，应用于交流发电机励磁系统，励磁固定部分需要的容量小。励磁固定部分的容量大约为旋转部分直流发电机的额定容量的1％～2％，而旋转部分直流发电机的励磁容量同样大约为交流发电机额定容量的1％～2％，故励磁固定部分的容量理论上只有交流发电机额定容量的万分之1至万分之4，实际系统中考虑高性能要求可以适当加大一点。另外，旋转部分直流发电机发出的直流能量来源于大轴的机械能，故电网扰动及故障等对其影响较小，其提供给交流发电机的励磁可靠性高。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的电枢固定励磁旋转的无换向器高压大容量直流电机示意图；

图2为本发明一实施例提供的励磁固定电枢旋转的无换向器高压大容量直流电机示意图；

图3为本发明一实施例提供的电枢固定励磁旋转的直流电机电枢导线及磁极布局示意图；

图4为本发明一实施例提供的直流电压变换器DC/DC 2的结构示意图；

图5为本发明一实施例提供的电枢旋转励磁绕组的直流电机电枢导线及磁极的布局示意图；

图6a为本发明一实施例提供的恒定励磁直流电压时励磁绕组电流电压示意图；

图6b为本发明一实施例提供的提高励磁直流电压后励磁绕组电流电压示意图；

图7为本发明一实施例提供的采用交流励磁电源的全电励磁的直驱风力发电机示意图；

图8为本发明一实施例提供的采用直流励磁电源的全电励磁的直驱风力发电机示意图；

图9为本发明一实施例提供的采用交流励磁电源的永磁与电励磁的混合励磁直驱风力发电机示意图；

图10为本发明一实施例提供的采用直流励磁电源的永磁与电励磁的混合励磁直驱风力发电机示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种无换向器高压大容量直流电机，

如图1所示，当固定部分包括电枢时，无换向器高压大容量直流电机还包括依次连接的：直流电压变换器DC/DC 1、碳刷及滑环、作为旋转部分的N个直流电压变换器DC/DC 2和N对励磁绕组，碳刷及滑环与N个直流电压变换器DC/DC 2连接，N个直流电压变换器DC/DC2与N对励磁绕组一一对应连接，且N对励磁绕组与固定部分中电枢耦合；

如图2所示，当旋转部分包括电枢时，无换向器高压大容量直流电机还包括依次连接的：直流电压变换器DC/DC 1、N个直流电压变换器DC/DC2和作为固定部分的N对励磁绕组；直流电压变换器DC/DC 1与N个直流电压变换器DC/DC 2连接；N个直流电压变换器DC/DC2与N对励磁绕组一一对应连接，N对励磁绕组与旋转部分中电枢耦合；

其中，利用N个直流电压变换器DC/DC 2的上下桥臂交替导通实现换向。

在其中一个实施例中，如图3中(a)和(b)所示，当固定部分包括电枢时，在固定部分上设置标志位，在旋转部分上自动检测且始终保证旋转到标志位时磁极固定为N极或者固定为S极，并自动输出正值或负值的直流电压，无需控制系统的参与。图3中(a)为具有一对磁极的直流电机电枢导线及磁极布局示意图，图3中(b)为具有四对磁极的直流电机电枢导线及磁极布局示意图。图3中(a)仅含一对磁极，直流电压变换器DC/DC2为了输出直流电动势，需要通过上下桥臂交替导通始终保证旋转到上半部分位置的磁极为N极，旋转到下半部分位置的为S极；图3中(b)含有四对磁极，与上相同直流电压变换器DC/DC 2通过控制上下桥臂交替导通，始终保证旋转到指定位置的磁极固定为N极或固定为S极，从而保证输出为直流电动势。在本实施例中取消了换向器，利用电力电子技术实现换向，直流电压变换器DC/DC 2具体结构如图4所示。

在其中一个实施例中，当固定部分包括电枢时，直流电压变换器DC/DC1用于改变直流电压幅值以满足直流电机的励磁电压要求，并实现高低压之间的电位隔离。在其中一个实施例中，当固定部分包括电枢时，碳刷及滑环用于将直流电从固定部分引入到旋转部分。

将固定部分包括电枢视为第一种情况，当电枢固定而励磁旋转时，无换向器高压大容量直流电机由直流电压变换器DC/DC 1，碳刷及滑环，直流电压变换器DC/DC 2，N对励磁绕组组成，其中N对励磁绕组，直流电压变换器DC/DC 2和滑环同步旋转产生主磁场。该发明取消了换向器，即不再利用机械换接方式将电枢绕组内的交流电动势转换电刷间的直流电动势，利用直流电压变换器DC/DC 2上下桥臂交替导通实现换向，在定子上设置标志，在转子上自动检测，始终保证旋转到指定位置的磁极固定为N极或者固定为S极，自动输出正或负直流电压，不需要控制系统的参与。对于无换向器高压大容量直流电机，直流电压变换器DC/DC 1可以实现改变直流电压幅值以满足直流电机的励磁电压要求，并实现高低压之间的电位隔离。在该情况中，碳刷及滑环主要作用是将直流电从固定部分引入到旋转部分，目前已经有成熟的技术，在大型交流发电机励磁系统中有广泛应用，包括额定容量在100万kW及以上的交流发电机。

上述无换向器高压大容量直流电机不再采用换向器，有效解决了传统有刷直流电机，由于使用了换向器而导致的易发生机械故障、易引起电机绕组污染、易造成事故的技术问题，有效提高了系统运行可靠性，并减少了维护成本。不再采用换向器，也有利于提高直流电机容量及电压。该实施例也有许多具体的应用场合，例如常规的直流发电机、常规直流电动机；风力直流发电机、高速旋转燃气直流发电机、高速旋转压缩空气储能直流发电机等。

在其中一个实施例中，当旋转部分包括电枢时，N对励磁绕组通入电流产生磁场，始终保证旋转部分中的电枢导线正极旋转对应的磁极为N极，电枢导线负极旋转对应的磁极为S极，自动输出正值或负值的直流电压，无需控制系统参与。在其中一个实施例中，通过提高励磁电压并采用PWM调制，加快N对励磁绕组中电感的能量释放和吸收，能够缩短励磁电流换向时间。

将旋转部分包括电枢视为第二种情况，当电枢旋转而励磁固定时，无换向器直流电机组成与第一种情况基本相同，同样取消了换向器，主要区别是还取消了碳刷滑环。可以进一步减少维护成本和提高运行可靠性，并扩展其应用范围，如：防爆场所，海上发电系统等维护困难较大或维护成本很高的场所。此时将励磁绕组安装在定子上，励磁绕组通入电流产生磁场，同样是利用直流电压变换器DC/DC 2上下桥臂导通实现换向，始终保证旋转部分的电枢导线(+)旋转对应的磁极为N极，电枢导线(－)旋转对应的磁极为S极，不需要控制系统参与自动输出正或负直流电压。利用直流电压变换器DC/DC 2进行换向时，上下桥臂交替导通，由于电感电流不能突变，励磁电流换向需要一段时间。为了解决这个问题，可以通过提高励磁电压并采用PWM调制，加快励磁绕组电感的能量释放和吸收，可以明显缩短励磁电流换向时间。

利用电力电子技术实现换向，直流电压变换器DC/DC 2具体结构如图4所示。如图5所示，本实施例换向器高压大容量直流电机电枢旋转而励磁固定，并且不需要碳刷和滑环。通过在旋转部分上设置位置标志，在固定部分励磁绕组上自动检测，DC/DC 2上下桥臂交替导通，该过程不需要单独的控制系统参与。如图5中直流电机电枢导线及磁极布局示意图所示，励磁绕组安装在定子上，励磁绕组通入电流产生磁场，直流电压变换器DC/DC 2上下桥臂交替导通实现换向，始终保持旋转部分的电枢导线(+)旋转对应的磁极为N极，电枢导线(－)旋转对应的磁极为S极。

无换向器高压大容量直流电机的励磁绕组固定在定子上，有利于提高励磁绕组绝缘等级，故可以进一步通过提高固定励磁绕组直流电压的方式，解决利用电力电子装置换向过程中励磁绕组极性反向所需时间长的问题。如图6a所示，为恒定励磁直流电压时励磁绕组电流电压示意图，图6b为提高励磁直流电压后励磁绕组电流电压示意图。很明显，提高励磁直流电压后可以较大幅度减少励磁绕组极性反向所需时间。

本实施例中无换向器高压大容量直流电机应用于交流发电机励磁时，结构框图如图7所示，直流电机电枢与交流励磁绕组直接连接，旋转部分没有大功率电力电子器件，结构简单，可靠性更高；可以控制交流发电机的励磁绕组电能快速转换成机械能，即直流发电机快速转变为直流电动机，从而可以实现快速灭磁，相比于常规三机无刷励磁系统自然续流灭磁速度更快；励磁固定部分的容量大约为旋转部分直流发电机的额定容量的1％～2％，而旋转部分直流发电机的励磁容量同样大约为交流发电机额定容量的1％～2％，故励磁固定部分的容量理论上只有交流发电机额定容量的万分之1至万分之4，实际系统中考虑高性能要求可以适当加大一点。另外，旋转部分直流发电机发出的直流能量来源于大轴的机械能，故电网扰动及故障等对其影响较小，其提供给交流发电机的励磁可靠性高。

在其中一个实施例中，当固定部分包括电枢时，无换向器高压大容量直流电机应用于直流发电机、直流电动机、旋转燃气直流发电机及旋转压缩空气储能直流发电机；当旋转部分包括电枢时，无换向器高压大容量直流电机应用于永磁直驱风力发电机。

在其中一个实施例中，本实施例是无换向器高压大容量直流电机应用于永磁直驱风力发电机，有两种实现方案：方案一，全电励磁的直驱风力发电机，结构框图如图8所示，不再叙述；方案二，实现永磁与电励磁的混合励磁直驱风力发电机，结构框图如图9和图10所示，下文将重点叙述方案二。

永磁直驱风力发电机可以省去齿轮箱，即为直接驱动式结构，采用全功率并网逆变器与电网相连，由永磁体提供励磁，无需外部提供励磁电源，发电机效率很高，转子上没有滑环，运行更安全可靠。不过，永磁直驱风力发电机，由于采用永磁实现其励磁，故励磁不可控，导致整个系统调节能力不足。于是可以将本发明无换向器高压大容量直流电机应用于永磁与电励磁的混合励磁直驱风力发电机，此时电枢旋转而励磁绕组静止，具体示意图如图9和图10所示。图9所示为采用交流励磁电源的永磁与电励磁混合励磁直驱风力发电机，无换向器高压大容量直流电机采用交流励磁电源，通过整流器AC/DC整流为直流电压，输出的电压再通过直流换向器DC/DC 2与直驱风力发电机励磁绕组相连，本实施例中不仅有电励磁，还有永磁体励磁，两者混合励磁提高了直驱风机的调节能力。

其中，图10所示的采用直流励磁电源的永磁与电励磁混合的直驱风力发电机，与图9所示永磁与电励磁混合的直驱风力发电机的区别在于，无换向器高压大容量直流电机采用直流励磁电源，通过直流电压变换器DC/DC 1改变直流电压幅值以满足直流电机的励磁电压要求。无换向器高压大容量直流电机电励磁时，由于励磁系统不需要SCR整流以及二极管整流，可以实现正向励磁和负向励磁，用以补偿永磁直驱风力发电机运行过程中对励磁的实时调节需求，增强整个系统调节能力。

本实施例中提出的永磁与电励磁混合励磁直驱风力发电机，取消了碳刷和滑环，固定部分励磁绕组容量小，风力发电机的所需励磁能量来自于机械能，故有利于减少维护量和维护成本，且能有效提高直驱风力发电机运行的稳定性和可靠性，具有良好的实际意义。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无换向器高压大容量直流电机，其特征在于，

当固定部分包括电枢时，所述无换向器高压大容量直流电机还包括依次连接的：直流电压变换器DC/DC1、碳刷及滑环、作为旋转部分的N个直流电压变换器DC/DC2和N对励磁绕组，所述碳刷及滑环与所述N个直流电压变换器DC/DC2连接，所述N个直流电压变换器DC/DC2与所述N对励磁绕组一一对应连接，且所述N对励磁绕组与所述固定部分中电枢耦合；所述直流电压变换器DC/DC1还与所述固定部分连接；所述固定部分设有标志位，当在所述旋转部分上自动检测旋转到所述标志位时，利用直流电压变换器DC/DC2上下桥臂交替导通实现换向；

当旋转部分包括电枢时，所述无换向器高压大容量直流电机还包括依次连接的：直流电压变换器DC/DC1、N个直流电压变换器DC/DC2和作为固定部分的N对励磁绕组；所述直流电压变换器DC/DC1与所述N个直流电压变换器DC/DC2连接；所述N个直流电压变换器DC/DC2与所述N对励磁绕组一一对应连接，所述N对励磁绕组与所述旋转部分中电枢耦合；其中，所述旋转部分设有位置标志，当在固定部分励磁绕组上自动检测到所述位置标志时，利用所述N个直流电压变换器DC/DC2的上下桥臂交替导通实现换向。

2.如权利要求1所述的无换向器高压大容量直流电机，其特征在于，当所述固定部分包括电枢时，在所述旋转部分上自动检测且始终保证旋转到所述标志位时磁极固定为N极或者固定为S极，并自动输出正值或负值的直流电压，无需控制系统的参与。

3.如权利要求2所述的无换向器高压大容量直流电机，其特征在于，当所述固定部分包括电枢时，所述直流电压变换器DC/DC1用于改变直流电压幅值以满足直流电机的励磁电压要求，并实现高低压之间的电位隔离。

4.如权利要求2所述的无换向器高压大容量直流电机，其特征在于，当所述固定部分包括电枢时，所述碳刷及滑环用于将直流电从固定部分引入到旋转部分。

5.如权利要求1所述的无换向器高压大容量直流电机，其特征在于，当所述旋转部分包括电枢时，所述N对励磁绕组通入电流产生磁场，始终保证所述旋转部分中的电枢导线正极旋转对应的磁极为N极，电枢导线负极旋转对应的磁极为S极，自动输出正值或负值的直流电压，无需控制系统参与。

6.如权利要求5所述的无换向器高压大容量直流电机，其特征在于，通过提高励磁电压并采用PWM调制，加快所述N对励磁绕组中电感的能量释放和吸收，以缩短励磁电流换向时间。

7.如权利要求1-6任一项所述的无换向器高压大容量直流电机，其特征在于，

当所述固定部分包括电枢时，所述无换向器高压大容量直流电机应用于直流发电机、直流电动机、旋转燃气直流发电机及旋转压缩空气储能直流发电机；

当所述旋转部分包括电枢时，所述无换向器高压大容量直流电机应用于永磁直驱风力发电机。

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