CN108880158A - 具有分立正交谐波绕组的同步电机及该电机的谐波磁场定向无刷励磁方法 - Google Patents

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Abstract

针对电机起动以及谐波励磁的利用率不高的问题，本发明提供一种具有分立正交谐波绕组的同步电机及该电机的谐波磁场定向无刷励磁方法，属于永磁同步电机领域。所述电机的转子上安装有转子直流励磁绕组F和转子谐波感应绕组H，转子直流励磁绕组F的节距为1，转子谐波感应绕组H的节距为1/3；电机的定子除了三相主绕组3，还设置了分立两相正交谐波励磁绕组，该绕组的节距为三相主绕组节距的1/3。所述方法为：对两相正交谐波励磁绕组通以相位正交的交变高频电流，并根据转子位置进行谐波磁场定向控制，使交变谐波磁场在转子谐波感应绕组H感应谐波电动势，进而经旋转整流供给转子直流励磁绕组F建立转子主磁场，从而实现同步电机的无刷电励磁。

Description

具有分立正交谐波绕组的同步电机及该电机的谐波磁场定向 无刷励磁方法
技术领域
本发明涉及一种同步电机，特别涉及一种具有分立正交谐波绕组的同步电机及该电机的谐波磁场定向无刷励磁方法，属于永磁同步电机领域。
背景技术
永磁同步电机由于具有高效节能、功率密度高及无刷控制等特点，在工业界逐渐得到了广泛的应用。特别是在一些中小功率应用场合，如电动汽车，新能源发电***等。然而，永磁电机的这些优点都是建立在高性能的稀土永磁材料的基础之上的。随着工业和社会的发展，对稀土资源需求量会不断增大。近十年来，稀土永磁材料的价格上涨了数倍之多，这会使稀土资源逐渐成为影响高性能永磁电机发展的瓶颈。并且，永磁同步电机本身还存在一些技术上的问题，如：(1)在一些特定的场合，需要发电机在较大的转速差的情况下控制输出电压调整率，永磁电机由于磁场调节困难，难以达到相关要求。(2)在作为电动机时，由于永磁体的气隙磁场不能调节，不能进行弱磁控制，会限制电机的转速调节范围。(3)永磁同步电机存在固有的定位转矩，消除定位转矩也是比较复杂的问题。
由于上述原因，电励磁电机不需要依赖于昂贵的稀土永磁材料，更可以方便地进行励磁调节，可以在许多应用中作为永磁电机技术的补充机种。对于电励磁电机，电刷和滑环的存在严重影响了电机寿命和性能，实现无刷化电励磁是电机可以可靠运行的关键。专利CN103887908A及CN103904856A等提出了通过定子绕组中增加谐波电流从而实现无刷化电励磁的方法。但此类方法应用于电动机时存在电机起动问题，以及谐波励磁的利用率不高等问题。
发明内容
针对上述电机起动以及谐波励磁的利用率不高的问题，本发明提供一种具有分立正交谐波绕组的同步电机及该电机的谐波磁场定向无刷励磁方法。
本发明的一种具有分立正交谐波绕组的同步电机，所述电机的转子上安装有转子直流励磁绕组F和转子谐波感应绕组H，转子直流励磁绕组F的节距为1，转子谐波感应绕组H的节距为1/3；所述电机的定子2除了三相主绕组3，还设置了分立两相正交谐波励磁绕组4，所述两相正交谐波励磁绕组4的节距为三相主绕组节距的1/3。
优选的是，所述电机的转子1采用凸极结构，转子直流励磁绕组F安装在转子主磁极上，在转子主磁极的中心线上开有绕组槽，该绕组槽将每个主磁极分成两个转子分齿，每个转子分齿均安装有转子谐波感应绕组H。
优选的是，所述电机的定子槽数为电机极数的6K倍。
一种具有分立正交谐波绕组的同步电机的谐波磁场定向无刷励磁方法，所述方法为：
对所述两相正交谐波励磁绕组4通以相位正交的交变高频电流，并根据转子位置进行谐波磁场定向控制，使交变谐波磁场在转子谐波感应绕组H感应谐波电动势，进而经旋转整流供给转子直流励磁绕组F建立转子主磁场，从而实现同步电机的无刷电励磁。
优选的是，采用三相半桥功率电路驱动所述两相正交谐波励磁绕组4，使所述两相正交谐波励磁绕组4通有相位正交的交变高频电流。
优选的是，采用三相半桥拓扑结构的功率变换器用于驱动定子的三相主绕组3，采用单相全桥拓扑结构的功率变换器用于驱动两相正交谐波励磁绕组4，同时利用两个无极性电容构造的中点电位与两相正交谐波励磁绕组4的中位点连接，使所述两相正交谐波励磁绕组4通有相位正交的交变高频电流。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
本发明的有益效果在于，本发明提出了一种在特定电机绕组结构的基础上通过谐波磁场定向控制实现无刷电励磁的方法。本发明的电机为具有分立正交谐波绕组的同步电机，该电机在现有电机定子上增加一套分立两相正交谐波励磁绕组，并通以相位正交的交变高频电流，并根据转子位置进行谐波磁场定向控制，就可以改变脉振磁场空间位置，从而实现谐波励磁磁场与转子感应绕组的定向耦合，使得在转子任意位置都可以实现完全耦合的无刷电励磁功率传输，从而解决电动机起动励磁问题以及提高运行过程中的良好励磁控制能力。本发明无需依赖昂贵的永磁体，也不需要独立励磁机励磁，既可以用于一般驱动用途的电动机励磁，也可以应用于具有功率变换器的发电机励磁，并且解决了一般励磁机励磁时的电动机起动问题。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中的具有分立正交谐波绕组的同步电机的结构示意图；
图2为图1的一种驱动电路；
图3为分立正交谐波绕组的励磁原理示意图；
图4为旋转整流器电路；
图5为图1的另一种驱动电路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
结合图1至图5说明本实施方式，如图1所示，本实施方式所述的一种具有分立正交谐波绕组的同步电机，电机的转子上安装有转子直流励磁绕组F和转子谐波感应绕组H，转子直流励磁绕组F的节距为1，转子谐波感应绕组H的节距为1/3；所述电机的定子2除了三相主绕组3，还设置了分立两相正交谐波励磁绕组4，所述两相正交谐波励磁绕组4的节距为三相主绕组节距的1/3。
如图1所示，本实施方式电机的转子1采用凸极结构，转子直流励磁绕组F安装在转子主磁极上，在转子主磁极的中心线上开有绕组槽，该绕组槽将每个主磁极分成两个转子分齿，每个转子分齿均安装有转子谐波感应绕组H。
优选实施例中，电机的定子槽数为电机极数的6K倍。定子槽数和电机极数为分数槽配合，定子槽数为相数6的整数倍，通过合理的极相组分配，依然可以构成准正交谐波励磁绕组，虽然谐波励磁性能略受影响，但可以有效削弱齿谐波影响。
上述一种具有分立正交谐波绕组的同步电机的谐波磁场定向无刷励磁方法，为：
对两相正交谐波励磁绕组4通以相位正交的交变高频电流，并根据转子位置进行谐波磁场定向控制，使交变谐波磁场在转子谐波感应绕组H感应谐波电动势，进而经旋转整流供给转子直流励磁绕组F建立转子主磁场，从而实现同步电机的无刷电励磁，具体工作原理为：
在正交谐波励磁绕组中通以两相高频零序电流分量，且两相高频零序电流相位正交，则可以形成幅值可变的空间三次谐波旋转磁场；
当转子上存在一套绕组节矩为1/3主极距的谐波感应绕组H时，如图3中所示H绕组，交变零序谐波磁场可以在谐波感应绕组感应谐波电动势，进而经旋转整流器供给转子直流励磁绕组F建立转子主磁场，如图4所示；由于可以根据转子位置进行谐波磁场的定向控制，所有可以在任意转子位置将谐波励磁功率传递到转子谐波感应绕组。这样不但在任意转子位置均可以高效地通过谐波磁场将功率传递至转子直流励磁绕组F进行励磁，而且解决了电动机起动时刻的有效励磁问题，电动机可以负载起动。
当转子以同步速旋转时，由于基波旋转磁场与转子速度相同，因此其不会再转子谐波绕组中产生感应电动势，同理也不会在转子励磁绕组中产生感应电动势。而对于三次谐波励磁磁场，由于其空间位置固定，因而转子谐波绕组会以相对同步速切割磁场，进而产生旋转电动势，而且当谐波电流成分为单相交流成分时，三次谐波磁场幅值作正弦变化，其还会在转子谐波绕组中产生变压器电动势。对于转子励磁绕组F，其极距为三次谐波磁场极距的2倍，同一极下的励磁绕组组的两边所产生的感应电动势大小方向均相同，因而对于整个绕组组感应电动势相互抵消，所以三次谐波磁场不会在励磁绕组中产生感应电动势。
优选实施例中，如图2所示，采用三相半桥功率电路驱动所述两相正交谐波励磁绕组4，使所述两相正交谐波励磁绕组4通有相位正交的交变高频电流。
优选实施例中，如图5所示，采用三相半桥拓扑结构的功率变换器用于驱动定子的三相主绕组3，采用单相全桥拓扑结构的功率变换器用于驱动两相正交谐波励磁绕组4，使所述两相正交谐波励磁绕组4通有相位正交的交变高频电流。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (6)

1.一种具有分立正交谐波绕组的同步电机，所述电机的转子上安装有转子直流励磁绕组F和转子谐波感应绕组H，转子直流励磁绕组F的节距为1，转子谐波感应绕组H的节距为1/3；其特征在于，所述电机的定子(2)除了三相主绕组(3)，还设置了分立两相正交谐波励磁绕组(4)，所述两相正交谐波励磁绕组(4)的节距为三相主绕组节距的1/3。
2.根据权利要求1所述的具有分立正交谐波绕组的同步电机，其特征在于，所述电机的转子1采用凸极结构，转子直流励磁绕组F安装在转子主磁极上，在转子主磁极的中心线上开有绕组槽，该绕组槽将每个主磁极分成两个转子分齿，每个转子分齿均安装有转子谐波感应绕组H。
3.根据权利要求1所述的具有分立正交谐波绕组的同步电机，其特征在于，所述电机的定子槽数为电机极数的6K倍。
4.一种具有分立正交谐波绕组的同步电机的谐波磁场定向无刷励磁方法，其特征在于，所述方法为：
对所述两相正交谐波励磁绕组(4)通以相位正交的交变高频电流，并根据转子位置进行谐波磁场定向控制，使交变谐波磁场在转子谐波感应绕组H感应谐波电动势，进而经旋转整流供给转子直流励磁绕组F建立转子主磁场，从而实现同步电机的无刷电励磁。
5.根据权利要求4所述的谐波磁场定向无刷励磁方法，其特征在于，采用三相半桥功率电路驱动所述两相正交谐波励磁绕组(4)，使所述两相正交谐波励磁绕组(4)通有相位正交的交变高频电流。
6.根据权利要求4所述的谐波磁场定向无刷励磁方法，其特征在于，采用三相半桥拓扑结构的功率变换器用于驱动定子的三相主绕组(3)，采用单相全桥拓扑结构的功率变换器用于驱动两相正交谐波励磁绕组(4)，同时利用两个无极性电容构造的中点电位与两相正交谐波励磁绕组(4)的中位点连接，使所述两相正交谐波励磁绕组(4)通有相位正交的交变高频电流。
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