CN102195427A - 一种两级式混合励磁无刷同步电机 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种两级式混合励磁无刷同步发电机，其特征包括混合励磁主发电机、励磁机、旋转整流器，主发电机采用旋转磁极式、转子上有励磁绕组和永磁磁源的混合励磁发电机；励磁机为旋转电枢式同步发电机；旋转整流器的输入、输出端分别连接励磁机电枢绕组和主发电机励磁绕组，它被安装在转子上。电机运转时，励磁机电枢产生的交流电经旋转整流器整流后供给主发电机励磁绕组。优点：利用混合励磁主发电机的永磁磁场，无需增添初始励磁设备，解决了电机的起励问题，使发电机逐步达到稳定的电压，实现完全自励。省去专门的永磁副励磁机或辅助励磁电源，形成两级式无刷结构的混合励磁同步电机。结构简单，功率密度大，电机自励，控制方便。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种两级式混合励磁无刷同步电机，属于混合励磁无刷同步电机的领域。
背景技术
混合励磁同步电机是上个世纪80年代最早由俄罗斯学者提出的一种电机结构形式。与传统的电励磁同步电机以及永磁同步电机结构不同，混合励磁同步电机中既有永磁体又有励磁绕组，两个磁势源同时存在。它集成了电励磁同步电机的调磁方便且调磁容量小和永磁同步电机的效率高、转矩/质量比大等优点，同时又克服了永磁同步电机磁场调节难的缺陷，有较大的推广应用价值。现有的混合励磁同步电机的转子励磁绕组需要直流励磁，励磁电流通过电刷滑环引入，因此在运行可靠性和日常维护上就存在着很大的隐患，从而制约了其在航空航天领域等高性能场合应用和发展。混合励磁同步电机的无刷化方案分为两类：
①在定子侧安装励磁绕组的导磁桥，提供轴向励磁磁场，但导致电机附加气隙多，励磁效率低，且转子铁心材料需采用整块低碳钢，铁心损耗较大，因此不适合作高速航空发电机的无刷励磁方案。
②励磁绕组直接绕在定子提供励磁磁场，例如双凸极混合励磁电机、混合磁路开关磁链电机等，但该类电机只适合作直流发电机。
传统的电励磁同步发电机采用交流励磁机加旋转整流器实现无刷化，航空三级式无刷同步交流发电机均采用这种励磁方式。此方案由永磁副励磁机、励磁机、主发电机三级式结构组成，利用永磁发电机给励磁机的励磁绕组供电实现自励，励磁机的电枢绕组经过旋转整流器向主发电机励磁绕组供电。若用一个外部直流源取代副励磁机给励磁机提供励磁电流，则构成了两级式无刷结构，两级式电励磁无刷同步发电机必须利用外部电源才能实现自励。
发明内容
本发明提出的是一种两级式混合励磁无刷同步电机，其目的旨在克服现有技术所存在的上述缺陷，利用混合励磁主发电机的永磁磁势源的特性，构建一种两级式混合励磁无刷同步电机。避免有电刷滑环时带来的电机运行可靠度低，日常维护困难等缺陷。同时，利用主发电机的永磁磁势源，解决起励问题，保证电机的完全自励，省去副励磁机或外部直流电源。
本发明的技术解决方案：其特征是包括主发电机，励磁机，旋转整流器三部分组成，其中主发电机采用旋转磁极式，永磁体(转子)上有励磁绕组和永磁磁源的混合励磁发电机；励磁机是旋转电枢式电励磁发电机或混合励磁电机；旋转整流器的输入、输出端分别连接励磁机电枢绕组(和主发电机励磁绕组，旋转整流器被安装在转子上，当电机运转时，励磁机电枢(产生的交流电经旋转整流器整流后供给主发电机励磁绕组，通过调节励磁机励磁绕组电流，改变主发电机电枢绕组的输出电压，实现发电机的无刷化，通过励磁绕组供电。
本发明的优点：由于特殊的混合励磁结构，永磁有少量磁通穿过气隙产生剩余电枢电势，利用这部分电能给励磁机提供足够的初始励磁能量，可使发电机逐步达到稳定的电压，无需额外增添初始励磁设备，从而解决了电机的起励问题。同时这部分电势可用来为调压器和控制保护器供电，省去了专门的永磁副励磁机，形成了新型两级式无刷结构方案，从而实现主发电机完全自励。
与现有技术相比具有如下优点：
1、混合励磁的主发电机具有结构简单、励磁效率高、功率密度大、控制方便、灭磁和故障保护方法简单等优点。其功率密度均可高于电励磁同步电机。本无刷方案继续保持混合励磁电机的优点。
2、本发明利用主发电机的永磁磁源，构成了两级式无刷结构。与传统三级式无刷方案相比，本方案无需再加一级副励磁机(永磁发电机)；与传统电励磁两级式无刷发电机方案相比，本方案无需外部直流励磁电源或外接电网，无需额外增添初始励磁设备以解决电机的起励问题。同时这部分电势可用来为调压器和控制保护器供电，形成了新型两级式无刷结构方案，从而实现主发电机完全自励。大大减小整个电机的体积，减轻了电机重量，简化了电机结构，使其具有了更高的功率密度。
3、采用复励式调压策略，同时采集输出电压及电流。确保了在空载、短路等多种工况下能够可靠工作，保证了该两级式无刷电机运行的可靠性。
4、具有体积小、效率高、功率密度大、控制方便、运行可靠性高等优点。产品生产和日常维护简单，可以替代传统的电励磁无刷同步发电机作为飞机、舰艇、车辆等装置的主发电机，也可以用作水轮、汽轮和风力发电机等；本方案也可以做成具有起动/发电双功能的电机。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的截面图；
图3主发电机(切向/径向磁路并联混合励磁同步电机)截面图
图4为本发明励磁机(旋转电枢式同步电机)截面图；
图5为本发明的励磁机电流放大特性图；
图6为本发明的两级复励式无刷化方案具体实现框图。
附图中的1是后端盖、2是机壳、3是励磁机定子铁心、4是励磁机励磁绕组、5是旋转整流器、6是主发电机定子铁心、7是主发电机电枢绕组、8是前端盖、9是主发电机励磁绕组、10是主发电机转子铁心、11是励磁机电枢绕组、12是励磁机转子铁心、13是转轴、14是永磁体(转子)、15是主发电机转子极靴、16是主发电机转子轭、17是主发电机转子齿、18是励磁机定子槽、19是励磁机定子齿、20是励磁机转子齿、21是主发电机励磁绕组、22是励磁机转子槽、23是轴承。
具体实施方式
如图1所示，主发电机在无励磁时，永磁体产生的磁通沿着转子铁心形成闭合回路，从而在转子上形成一个较饱和的磁场，此外还有少量剩磁沿定子铁心闭合，产生剩磁电压。利用这部分电能给励磁机提供足够的初始励磁能量，可使发电机逐步达到稳定的电压，无需额外增添初始励磁设备，从而解决了电机的起励问题。同时这部分电势可用来为调压器和控制保护器供电，省去了专门的永磁副励磁机。与传统三级式无刷结构相比，本方案省去副励磁机(永磁发电机)这一级，构成了如图所示的两级式无刷结构。与传统电励磁两级式无刷发电机方案相比，本方案无需外部直流励磁电源或外接电网，无需额外增添初始励磁设备以解决电机的起励问题，形成了新型两级式无刷结构方案，从而实现主发电机完全自励。形成了新型两级式无刷结构方案，从而实现主发电机完全自励。旋转整流器5固定在励磁机转子上，随励磁机转子一起转动。其在电路拓扑上采用三相全桥不控整流电路，即由六个二极管组成全桥。整流器5的输入端与励磁机的电枢绕组11相连，输出端与主发电机励磁绕组9相连，从励磁机电枢绕组11中引出的三相交流电经旋转整流器5整流后，得到的直流电作为主发电机的励磁电流。
两级式混合励磁无刷同步电机可具体实现的方法有多种。通过励磁绕组供电电源的不同，可分为他励式和自励式；主发电机定子铁心可以是凸极结构，也可以是隐极结构；其绕组可以是分布绕组，也可以是集中绕组；励磁机转子铁心可以是隐极结构，也可以是凸极结构；其绕组可以是分布绕组，也可以是集中绕组等等。
如图2所示，其结构是包括主发电机、励磁机和旋转整流器。主发电机包括定子和转子，定子由主发电机定子铁心6、主发电机电枢绕组7、机壳2等部件构成，主发电机定子铁心6压装机壳2里，主发电机电枢绕组7嵌在主发电机定子铁心6中，其中一个端盖1分别安装在机壳2一端；转子包括主发电机转子铁心10、主发电机励磁绕组9等部件，主发电机励磁绕组9集中绕组转子铁心10上，转轴13通过轴承23固定在电机两端端盖上。主发电机励磁绕组9接线引出后接旋转整流器5输出端。励磁电机包括定子和转子，定子由定子铁心3、励磁绕组4、端盖8、机壳2等部件构成。励磁机励磁绕组4嵌在励磁机定子铁心3中。转子包括励磁机转子铁心12，励磁机电枢绕组11等，励磁机电枢绕组11嵌在励磁机转子槽中。励磁机电枢绕组11引出后接旋转整流器输入端。
如图3所示，本发明的切向和径向混合励磁的主发电机铁心采用一定厚度的硅钢片组成。主发电机定子和一般交流电机定子结构一样，主发电机电枢绕组7嵌在主发电机定子槽中，可以是分布绕组，也可以是集中绕组；转子铁心可分为主发电机转子齿17、主发电机转子极靴15和主发电机转子轭16组成。励磁线圈集中绕在凸极转子铁心的转子极17上，各个磁极上的线圈通过串、并联联接起来，构成主发电机励磁绕组21。永磁体14分别嵌入相邻两个主发电机转子极靴15间，主发电机转子极靴15表面也可以嵌入阻尼绕组。
如图4所示，为旋转电枢式同步发电机，电机铁心采用一定厚度的硅钢片组成，转子铁心是隐极结构，也可以是凸极结构，励磁机电枢绕组是分布绕组，也可以是集中绕组，电枢绕组嵌在励磁机转子槽22中。定子铁心3采用凸极结构，励磁线圈集中绕在凸极励磁机定子齿19上，各个磁极上的线圈通过串联联接起来，构成励磁绕组。
如图5所示，横坐标变量是励磁机励磁电流，纵坐标为主发电机励磁绕组电流。两级式无刷结构中，最关键的问题在于励磁机的合理设计。首先，由于励磁机是经旋转整流器给主发电机励磁绕组供电的，为了适应主发电机的负载以及工作温度的大幅度变化，应使励磁机的整流后输出电压能在很大范围内调节；此外，由于交流励磁机可以实现从励磁电流到输出电流(即主发电机的励磁电流)的近似线性变换，因而它也被称为“电流放大器”。因此，在对励磁机进行电磁设计时，以主发电机额定励磁电流的1.5-2倍裕量为设计励磁机励磁电流的标准，从而保证其额定工作状态下的磁路不能饱和。并且有良好的电流放大特性。
如图6所示，其结构是包括主发电机、输出电流采样电路、转子，其中主发电机包括励磁电流调节器、交流励磁机、输出电流电压采样电路，采样主发电机电枢绕组7的电压信号和电流信号，输入励磁电流调节器以调节励磁电流大小。励磁电流通入励磁机励磁绕组，励磁机经旋转整流器给主发电机励磁绕组供电。
在电压调节上采用复励方案，即励磁电流调节器根据主发电机的输出电压和输出电流生成励磁电流以确保主发电机在空载、短路及各种工况下均能可靠工作。特别在短路情况下，由于存在与电流大小成比例的励磁分量，所以当电枢电流大时存在强励作用，可使得保护器迅速动作。在正常工作条件下，励磁电流调节器同时采集主发电机的输出电压信号和输出电流信号。使得反馈环由电压外环和电流内环组成，加快整个***的控制反应速度。
Claims (5)
1.一种两级式混合励磁无刷同步电机，其特征是包括主发电机，励磁机，旋转整流器三部分组成，其中主发电机采用旋转磁极式，永磁体上有励磁绕组和永磁磁源的混合励磁发电机；励磁机是旋转电枢式电励磁发电机或混合励磁电机；旋转整流器的输入、输出端分别连接励磁机电枢绕组和主发电机励磁绕组，旋转整流器被安装在转子上，当电机运转时，励磁机电枢产生的交流电经旋转整流器整流后供给主发电机励磁绕组，通过调节励磁机励磁绕组电流，改变主发电机电枢绕组的输出电压，实现发电机的无刷化，通过励磁绕组供电。
2.根据权利要求1所述的一种两级式混合励磁无刷同步电机，其特征是旋转整流器由六个二极管组成一个三相全桥或是三相全波/半波整流电路。
3.根据权利要求1所述的一种两级式混合励磁无刷同步电机，其特征在于混合励磁发电机的永磁磁源实现电机的完全自励，当主发电机励磁绕组(9)电流为零时，主发电机的永磁磁源有少量磁通穿过气隙产生剩余电枢电势，利用这部分电能给励磁机提供足够的初始励磁能量，使发电机逐步达到稳定的电压，无需额外增添起励电源。
4.根据权利要求1所述的一种两级式混合励磁无刷同步电机，其特征是通过励磁绕组供电电源的不同，可分为他励式和自励式；主发电机定子铁心是凸极结构或隐极结构；其绕组是分布绕组或集中绕组；励磁机转子铁心隐极结构或是凸极结构。
5.根据权利要求1所述的一种两级式混合励磁无刷同步电机，其特征是主发电机包括励磁电流调节器、交流励磁机、输出电流电压采样电路，采样主发电机电枢绕组7的电压信号和电流信号，输入励磁电流调节器以调节励磁电流大小。励磁电流通入励磁机励磁绕组，励磁机经旋转整流器给主发电机励磁绕组供电。
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