CN85102835A - 三相磁场调制发电机 - Google Patents

Abstract

本发明是一种变速恒频(或调频)发电机。它的定子铁心有若干均布的大槽和小槽，分别嵌置三相励磁绕组和三组三相电枢绕组；转子无绕组，铁心呈齿状。运转时，用三相低频电流励磁，电枢绕组产生的电势波形是三组具有三相低频包络线的调幅波。配上功率电子电路对这三组电势调幅波分别解调，即可得到频率与励磁电流频率相同而与转速无关的三相功率输出。恒定或调节励磁电流频率，本发电机系统即可用作恒频电源或者用作调频电源。

Description

技术领域

本发明属于发电机领域。

发明背景

多年来，由于飞机、舰船、机车电源以及风能、太阳能、波浪能等新能源发电的需要，很多电机研究人员致力于将专门设计的交流发电机和功率电子电路结合起来，以获得一种与原动机转速无关的恒频输出。七十年代，美国W·L休斯（W·L·Hughes）等提出和研制的磁场调制发电机系统为解决这个问题提供了一种性能良好而又比较经济的方案。这种磁场调制发电机系统由专门设计的三相高频交流发电机和一套功率电子电路组成。发电机本身具有较高的旋转频率f_r，转子铁心采用隐极或凸极结构型式，嵌有励磁绕组，三个彼此相差120°电角的电枢相绕组嵌在通常的定子铁心上。当用频率为f_m的低频交流电励磁时，电枢相绕组的输出电压波形是由频率为（f_r+f_m）和（f_r-f_m）的两个分量组成的调幅波。为了得到与转速无关的恒频输出，可用功率电子电路将这个调幅波电压进行解调。即将发电机的三个相绕组接到由三个全波整流桥组成的并联桥式整流器，得到基本频率为f_m的整流正弦脉动波，再通过可控硅开关电路，使这个正弦脉动波的一半反向，最后经滤波电路滤去纹波，即可得到频率为f_m的正弦波输出。（参见U.S.Patent No.3，727，122和IEEE Summer Power Meeting Paper No.C 74 318-2，Anaheim，California，July 1974.）。

可以看出，在这种变速恒频发电系统中，对发电机本身的要求就在于其电枢绕组的输出电压应是由频率为（f_r+f_m）和（f_r-f_m）的两个分量组成的调幅波，这样才可以通过功率电子电路解调，得到与转速无关的恒频输出。但W·L·休斯等所研制的发电机系统存在如下缺点：①发电机的三个相绕组的输出电压波形具有相位相同的低频（f_m）包络线，解调后从一台三相电机中只能得到一个单相恒频输出。为了获得三相功率，需要三台这样的电机。②发电机本身存在滑环和电刷，不利于维护和在恶劣环境下运行。③转子绕有励磁绕组，电机极数不可能很多，为了保证较好的输出波形，发电机的旋转频率f_r应远大于励磁频率f_m，因而电机必须运行于相当高的转速，这对于某些方面的应用（如风力发电等）是不利的。为此有必要发明一种新的电机结构以克服上述缺点，使这种变速恒频发电系统得到更广泛的应用。

发明的任务

本发明旨在提出一种新的电机结构型式，它可以在一台电机上通过磁场调制和解调的方法产生三相恒频功率输出。同时使电机转速可以有较大的选择范围，根据应用需要，既可以设计成运行于较高的转速（如飞机电源、太阳能发电等），也可以设计成运行于较低的转速（如风力发电等），以适应多种不同的用途。本发明的另一目的是取消电机的滑环和电刷，采用无刷结构，以减少维护并适应恶劣的运行环境。

发明的内容

本发明的特点主要反映在发电机的定、转子铁心结构和绕组的组成及布置上。电机定子铁心有均布的大槽和小槽，分别嵌置三相励磁绕组和三组三相电枢绕组。由于励磁绕组有三相，所以定子大槽数Z_1大应取3的整倍数，一般取3或6。转子没有绕组，铁心呈齿状，由硅钢片叠成。

图1是说明本发明的原理和一种实例的定、转子铁心冲片及绕组布置。其中1为定子铁心冲片，2为转子铁心冲片。沿定子铁心内园有3个均布的大槽Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，嵌置三相励磁绕组3。大槽之间有若干均布的小槽，嵌置三组三相电枢绕组4，每组三相绕组处于一相励磁线圈所包围的区域之内。

电机旋转时，每个励磁线圈的磁势作用区域内应具有不变的总磁导，故转子齿数Z₂应为定子大槽数Z_1大的整倍数，即

Z₂＝KZ_1大K为整数

定子小槽是沿整个定子铁心内园等分的，其等分数Z₁与转子齿数Z₂、每个励磁线圈所包围的电枢绕组的相数m及一个转子齿距所对应的电枢绕组每相槽数q有如下关系：

Z₁＝Z₂mq

将沿定子铁心整个内园的小槽等分数Z₁减去定子大槽所占的小槽等分数，即为实际的定子小槽数Z_1小，这些小槽被大槽均匀隔成三个或六个相等的部分，每个部分应能合理安排一组三相电枢绕组。

图2示出本发明电机的一种绕组接线图。其中1表示励磁绕组，2表示电枢绕组。相应于图1中的三个定子大槽有三个匝数相同的集中的励磁线圈，组成三相励磁系统，每个励磁线圈的两个边嵌在相邻的两个大槽中，并包围着一组三相电枢绕组。如图2所示，A相励磁线圈包围着三相电枢绕组a₁x₁、b₁y₁、c₁z₁，B相励磁线圈包围着三相电枢绕组a₂x₂、b₂y₂、c₂z₂，C相励磁线圈包围着三相电枢绕组a₃x₃、b₃y₃、c₃z₃。各组三相电枢绕组的构成相同，嵌在相应的定子小槽中。各相电枢绕组之间互不连接，彼此分开。

本发电机的工作原理系建立在气隙磁导分布不均匀的基础上。定子电枢部分的槽口（闭口槽）对气隙磁导的影响可引入气隙系数来考虑，从而近似认为定子电枢表面光滑。当用原动机拖动发电机转子旋转时，对于定子电枢上被研究的点，其气隙磁导λ_δ将在最大值λ_δmax（当转子齿处于该点下时）和最小值λ_δmin（当转子槽处于该点下时）之间变化。相应每一个转子齿距，气隙磁导变化一个周期。由于气隙磁导的改变，电枢绕组匝联的磁链发生变化，从而感应出电势，其频率f_r决定于转子齿数Z₂和转速n，即

f_r＝ (Z₂n)/60

所以，在这种电机中，对旋转电势而言，转子的齿和槽可以看作不同极性的磁极，电枢绕组的节距等于转子齿距的一半。由于转子上没有绕组，齿数Z₂可以较多，故转速n不必太高，即可得到较高的旋转频率f_r和较高的调制频率比f_r/f_m。

当励磁绕组通以频率为f_m的三相低频交流电时，每个励磁线圈在其宽度范围内建立一个正弦脉动磁势，三个励磁线圈的磁势在时间相位上彼此相差120°（相应于频率f_m）。该磁势作用在变化的气隙磁导上得到相应的气隙磁密，并在各个电枢绕组中感应出电势。当旋转频率f_r远大于励磁频率f_m时，这些电势近似为：

A相励磁线圈所包围的三相电枢绕组的电势

e_Aa＝Ecosw_mtsinw_rt＝ (E)/2 {sin（w_r+w_m）t+sin（w_r-w_m）t}

e_Ab＝Ecosw_mtsin（w_rt- (2π)/3 ＝ (E)/2 {sin〔（w_r+w_m）t- (2π)/3 〕+sin〔（w_r-w_m）t- (2π)/3 〕}

e_Ac＝Ecosw_mtsin（w_rt+ (2π)/3 ）＝ (E)/2 {sin〔（w_r+w_m）t+ (2π)/3 〕+sin〔（w_r-w_m）t+ (2π)/3 〕}

B相励磁线圈所包围的三相电枢绕组的电势

e_Ba＝Ecos（w_mt- (2π)/3 ）sinw_rt＝ (E)/2 {sin〔（w_r+w_m）t- (2π)/3 〕+sin〔（w_r-w_m）t+ (2π)/3 〕}

e_Bb＝Ecos（w_mt- (2π)/3 ）sin（w_rt- (2π)/3 ）＝ (E)/2 {sin〔（w_r+w_m）t+ (2π)/3 〕+sin（w_r-w_m）t}

e_Bc＝Ecos（w_mt- (2π)/3 ）sin（w_rt+ (2π)/3 ）＝ (E)/2 {sin（w_r+w_m）t+sin〔（w_r-w_m）t- (2π)/3 〕}

C相励磁线圈所包围的三相电枢绕组的电势

e_Ca＝Ecos（w_mt+ (2π)/3 ）sinw_rt＝ (E)/2 {sin〔（w_r+w_m）t+ (2π)/3 〕+sin〔（w_r-w_m）t- (2π)/3 〕}

e_Cb＝Ecos（w_mt+ (2π)/3 ）sin（w_rt- (2π)/3 ）＝ (E)/2 {sin（w_r+w_m）t+sin〔（w_r-w_m）t+ (2π)/3 〕}

e_Cc＝Ecos（w_mt+ (2π)/3 ）sin（w_rt+ (2π)/3 ）＝ (E)/2 {sin〔（w_r+w_m）t- (2π)/3 〕+sin（w_r-w_m）t}

式中E＝ 1/2 k_owt₂lF_mλ₁w_r.k，是电枢绕组系数，W是电枢绕组每相匝数，t₂是转子齿距，l是铁心长，F_m是励磁磁势的幅值，λ₁是气隙磁导基波分量的幅值。w_m＝2πf_m，w_r＝2πf_r。

可见，一相励磁线圈所包围的三个电枢相绕组所产生的电势波形对频率f_r来说彼此相差120°电角，同时又具有频率为f_m、相位相同的包络线，而不同相的励磁线圈所包围的电枢绕组的电势波形，其包络线相应于频率f_m具有120°的相位差。因此，将这三组三相电势通过功率电子电路分别解调，即可得到频率与励磁电流频率相同而与转速无关的三相功率输出。随着励磁电流频率恒定或可调，本发电机系统既可作为三相恒频电源也可作为三相调频电源使用。

效果

本发明与已有的磁场调制发电机相比有以下优点：它可以从一台电机中获得与转速无关的恒频三相功率，而不必采用三台电机，从而达到简化结构减小体积的目的;这种电机不仅适用于较高的工作转速，也可以根据需要，设计在较低的转速下工作;由于电机本身系无刷结构，励磁绕组和电枢绕组均在定子上，因而可以做成封闭外冷式，对应用于野外场地（如风力发电等）或环境条件较差的地方尤为合适。所有这些，将使这种发电机系统非常适合于风能、太阳能、波浪能等新能源发电以及作为飞机、舰船、机车等方面的电源。如果励磁电源的频率和电压可调，又可得到一个三相调频调压发电机系统，供电给交流变速驱动。

附图说明

图1    发明实例的定子和转子铁心及绕组布置。

图2    发明实例的绕组接线。

实例

体现本发明的一台样机的铁心及绕组布置和接线如图1和图2所示。图1中定子铁心1沿内园均分为54等分，有三个均布的大槽，每个大槽占4等分，大槽之间各有14个小槽，每个小槽占1等分。转子铁心2有18个齿，当转速在1500转/分至3000转/分之间变化时，发电机的旋转频率f_r为450-900赫芝。当励磁电流频率f_m为50赫芝时，调制频率比f_r/f_m＝9-18。不论转子处于何种位置，两个相邻大槽之间的定子铁心总是对应5对转子齿槽，所以相邻大槽之间的总气隙磁导保持不变，由于转子的每对齿槽相当于一对磁极，此处转子的一个齿距对应于定子的三个小槽，故定子的相邻小槽之间相差120°电角（对应于旋转频率f_r）。

励磁绕组3采用集中绕组型式，共三个线圈，分别嵌置在定子的三个大槽中，三组三相电枢绕组4均采用120°相带双层绕组，分别嵌置在定子的三段小槽中，每个电枢线圈的两个边嵌在相邻的两个小槽的上下层。励磁绕组和电枢绕组的接线如图2所示，前者连接成三相，后者各相之间互不连接。由于第一组三个电枢相绕组a₁x₁、b₁y₁、c₁z₁处于A相励磁线圈磁势作用区域之内，各相电势波形相应于频率f_r彼此相差120°电角，同时具有频率、相位与A相励磁电流相同的包络线。第二组三个电枢相绕组a₂x₂、b₂y₂、c₂z₂处于B相励磁线圈磁势作用区域之内，其电势波形包络线的频率和相位与B相励磁电流相同，因而相位滞后于第一组120°电角。同理，第三组三个电枢相绕组a₃x₃、b₃y₃、c₃z₃的电势波形包络线的相位滞后于第二组120°电角（均相应于励磁电流频率f_m）。将这三组电势波形通过功率电子电路分别解调，即可得到频率为50赫芝的三相功率输出。如果励磁电流频率可调，则得到三相调频输出。

Claims (8)

1、一种用作三相变速恒频或调频电源的磁场调制发电机，其特征在于，电机定子铁心有均布的数量为3的整倍数的大槽，嵌置三相励磁绕组，用三相低频交流电励磁，大槽之间有若干均布的小槽，嵌置三组三相电枢绕组，电机转子铁心呈齿状，由硅钢片叠成。

2、一种如权利要求1所述的发电机，其特征在于所说的定子大槽数Z_1大一般取3或6。

3、一种如权利要求1所述的发电机，其特征在于所说的转子齿数Z₂为定子大槽数Z_1大的整倍数。

4、一种如权利要求1和3所述的发电机，其特征在于，定子小槽是沿整个定子铁心内园等分的，其等分数Z₁与转子齿数Z₂、每个励磁线圈所包围的电枢绕组的相数m及一个转子齿距所对应的电枢绕组每相槽数q有如下关系：

Z₁＝Z₂mq

5、一种如权利要求1所述的发电机，其特征在于，实际的定子小槽数Z_1小是沿定子铁心整个内园的小槽等分数Z₁与定子大槽所占的小槽等分数之差。

6、一种如权利要求1和2所述的发电机，其特征在于，定子上相应于三个或六个大槽有三个或六个匝数相同的集中的励磁线圈，组成三相励磁系统，每个励磁线圈的两个边嵌在相邻的两个大槽中，并包围着一组三相电枢绕组。

7、一种如权利要求1所述的发电机，其特征在于，定子上有三组分布的三相电枢绕组，每组三相电枢绕组嵌置在一相励磁线圈所包围的定子小槽中，各组三相电枢绕组的构成相同，所有的电枢相绕组互不连接，彼此分开。

8、一种如权利要求1所述的发电机，其特征在于，电机系无刷结构，可以做成封闭外冷式。

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