CN112583308B - 一种基于无线电能传输的同步电机无刷励磁*** - Google Patents

一种基于无线电能传输的同步电机无刷励磁*** Download PDF

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Abstract

本发明是一种基于无线电能传输的同步电机无刷励磁***。本发明涉及无线电能传输同步电机励磁技术领域，所述***包括直流电源、逆变器、谐振补偿网络、同步电机定子、同步电机转子、鼠笼绕组、感应线圈和励磁绕组。本发明实现了利用无线电能传输技术为同步电机励磁的功能；取代了传统电励磁同步电机的电刷，可以实现无刷励磁，提高了可靠性，降低了成本，减小了维护的难度。本发明通过电机的气隙磁场传输励磁线圈所需能量，不需要在电机的转轴上增加设备，减小了电机的轴向长度和电机体积，有助于提高电机的响应速度。

Description

一种基于无线电能传输的同步电机无刷励磁***
技术领域
本发明涉及无线电能传输同步电机励磁技术领域，是一种基于无线电能传输的同步电机无刷励磁***。
背景技术
对于永磁同步电机而言，由于其气隙磁场是由转子上的永磁体产生的，因此其励磁不可调，且永磁体在极端恶劣的环境下有失磁的隐患，一定程度上限制了永磁同步电机的发展。
电励磁同步电机的气隙磁场是由转子上的通电线圈产生，因此通过控制线圈中的励磁电流，即可灵活控制磁场的强弱。因此电励磁同步电机的功率因数高、且功率因数可调。但是由于增加了励磁设备，因此具有体积大、启动复杂、动态响应时间长的缺点。而且传统的电励磁同步电机需要通过电刷在转子旋转过程中及时换向，保证励磁绕组中电流的方向不变，产生旋转的磁场。电刷的存在降低了***的可靠性，而且长期机械接触容易磨损，需定期更换，成本高，维护不便。
为了克服电刷带来的弊端，产生了无刷同步电机。其励磁方法主要有两种，一种是旋转整流器励磁，在电机的转子轴上安装一套旋转整流器设备，随转子一同旋转，整流成直流后为励磁绕组供电。另一种方式是感应式励磁，也需要在转子轴上安装一个额外的旋转感应装置，采用电磁感应的原理，一次侧通入高频交流电流，在二次侧感生出交流电压，经整流滤波后给励磁绕组供电。以上两种方法虽然取代了电刷，但是都增加了电机的轴向长度，且体积大、动态响应时间长。
如何能在取代电刷的基础上，尽可能少的增加其他设备，提高***的集成度和响应速度，需要进一步研究。
发明内容
本发明为降低了电机体积，提高了***的响应速度，同时可以提高***的集成度和可靠性，本发明提供了以下技术方案：
一种基于无线电能传输的同步电机无刷励磁***，所述***包括直流电源、逆变器、谐振补偿网络、同步电机定子和同步电机转子；
所述直流电源为整个***提供电能，所述直流电源连接逆变器，所述逆变器连接谐振补偿网络，所述谐振补偿网络连接同步电机定子，所述同步电机定子同时作为无线电能传输的发射线圈，所述同步电机转子包括无线电能传输的接收线圈、励磁绕组及鼠笼绕组，所述接收线圈整流后为励磁绕组供电，所述鼠笼绕组用作同步电机启动绕组。优选地，所述逆变器包括IGBT开关管S1、IGBT开关管S2、IGBT开关管S3、IGBT开关管S4、IGBT开关管S5、IGBT开关管S6、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5和二极管D6；
所述IGBT开关管S1的一端连接直流电源的正极，所述IGBT开关管S4的一端连接直流电源的负极，所述开关管S1的另一端连接所述IGBT开关管S4的另一端，所述IGBT开关管S1的一端分别连接IGBT开关管S3和IGBT开关管S5的一端，所述IGBT开关管S4的一端分别连接IGBT开关管S2和IGBT开关管S6的一端，所述IGBT开关管S3和IGBT开关管S5的另一端分别连接IGBT开关管S2和IGBT开关管S6的另一端，所述二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5和二极管D6分别并联在IGBT开关管S1、IGBT开关管S2、IGBT开关管S3、IGBT开关管S4、IGBT开关管S5和IGBT开关管S6上。
优选地，所述谐振补偿网络包括电感LA、电感LB、电感LC、电感La、电感Lb、电感Lc、电感LfA、电感LfB、电感LfC、电容CA、电容CB、电容CC、电容CfA、电容CfB、电容CfC；
所述电感LA、电感LB和电感LC一端分别接入逆变器，所述电感LA、电感LB和电感LC另一端分别连接电感La、电感Lb、电感Lc的一端，所述电感La的另一端连接电感Lb和电感Lc的另一端；
所述电感LA另一端连接电感LfA和电容CA的一端，所述电感LfA另一端连接电容CfA的一端，所述电容CfA的另一端连接电容CA的另一端；
所述电感LB另一端连接电感LfB和电容CB的一端，所述电感LfB另一端连接电容CfB的一端，所述电容CfB的另一端连接电容CB的另一端；
所述电感LC另一端连接电感LfC和电容CC的一端，所述电感LfC另一端连接电容CfC的一端，所述电容CfC的另一端连接电容CC的另一端。
优选地，所述逆变器采用SPWM调制方式，还包括有SVPWM、PFM、PDM调制方式。
优选地，所述逆变器产生两种频率分量的电压和电流，低频分量ωL用以驱动电机，高频分量ωH用以无线励磁。
优选地，在谐振补偿网络的选频作用下，只有ωL和ωH两种频率分量通过，在定子绕组中产生对应频率的电流，滤除剩余频率分量，两种频率合成的电流在电机的气隙中产生两个速度不同的旋转磁场。
本发明具有以下有益效果：
本发明实现了利用无线电能传输技术为同步电机励磁的功能；取代了传统电励磁同步电机的电刷，可以实现无刷励磁，提高了可靠性，降低了成本，减小了维护的难度。本发明通过电机的气隙磁场传输励磁线圈所需能量，不需要在电机的转轴上增加设备，减小了电机的轴向长度和电机体积，有助于提高电机的响应速度。
本发明复用了电机控制器和电机定子绕组分别作为无线电能传输的逆变源和发射线圈，较大限度地减少了***的部件，提高了***的集成度。
附图说明
图1为基于无线电能传输的同步电机无刷励磁***示意图；
图2为逆变器结构示意图；
图3为谐振补偿网络示意图；
图4为同步电机结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
根据图1至图4所示，本发明提供一种基于无线电能传输的同步电机无刷励磁***，具体为：
一种基于无线电能传输的同步电机无刷励磁***，所述***包括直流电源、逆变器、谐振补偿网络、同步电机定子、同步电机转子、鼠笼绕组、感应线圈和励磁绕组；
上述***中各部分功能如下：
直流电源(1)：为整个***提供电能，包括通过无线电能传输为同步电机励磁用的电能，以及驱动电机对外做功的电能。实现方案上可以直接采用直流电源设备，也可以通过电网整流滤波之后充当直流电源。
逆变器(2)：该逆变器复用了电机控制器的电路，将无线电能传输产生高频发射电流的功能和驱动电机产生旋转磁场、驱动控制电机的功能合二为一，采用同一个电路拓扑实现。通过独特的控制方式，使该逆变器产生两种主要频率分量的电压和电流，低频分量ωL用以驱动电机，高频分量ωH用以无线励磁。
谐振补偿网络(3)：该网络具有独特的选频特性，通过参数设计，可以允许驱动电机和无线励磁的两种频率分量的电压电流通过，而对其他频率分量呈现较高的阻抗，将其滤除。
同步电机定子(4)：本***复用电子绕组作为无线电能传输的发射线圈，其结构与普通的同步电机定子结构相同，不同之处在于本***的定子绕组中含有两个主要频率分量的电流。
同步电机转子(5)：该转子需要采用隐极式的结构，以使得电机绕组的电感量在旋转过程中变化较小，防止对***谐振状态产生影响。并且在普通的转子上增设一套感应线圈，接收以无线电能传输方式传送过来的电能，供给电机励磁绕组使用。
鼠笼绕组(6)：同步电机具有固有的启动问题，通过增设鼠笼绕组驱动其启动，与普通的同步电机一样。
感应线圈(7)：定子绕组中的高频电流可以在该线圈中感生出高频交流电压，并且通过后面的串联补偿电容平衡其电抗，使之以电压源特性输出。该高频交流电压经过整流之后变换为直流电，为励磁绕组供电。
励磁绕组(8)：绕组中通以电流产生同步电机的气隙磁场，与普通的同步电机一样。
所述直流电源为整个***提供电能，所述直流电源连接逆变器，所述逆变器连接谐振补偿网络，所述谐振补偿网络连接同步电机定子，所述同步电机定子同时作为无线电能传输的发射线圈，所述同步电机转子包括无线电能传输的接收线圈、励磁绕组及鼠笼绕组，所述接收线圈整流后为励磁绕组供电，所述鼠笼绕组用作同步电机启动绕组。
所述逆变器包括IGBT开关管S1、IGBT开关管S2、IGBT开关管S3、IGBT开关管S4、IGBT开关管S5、IGBT开关管S6、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5和二极管D6；
所述IGBT开关管S1的一端连接直流电源的正极，所述IGBT开关管S4的一端连接直流电源的负极，所述开关管S1的另一端连接所述IGBT开关管S4的另一端，所述IGBT开关管S1的一端分别连接IGBT开关管S3和IGBT开关管S5的一端，所述IGBT开关管S4的一端分别连接IGBT开关管S2和IGBT开关管S6的一端，所述IGBT开关管S3和IGBT开关管S5的另一端分别连接IGBT开关管S2和IGBT开关管S6的另一端，所述二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5和二极管D6分别并联在IGBT开关管S1、IGBT开关管S2、IGBT开关管S3、IGBT开关管S4、IGBT开关管S5和IGBT开关管S6上。
所述谐振补偿网络包括电感LA、电感LB、电感LC、电感La、电感Lb、电感Lc、电感LfA、电感LfB、电感LfC、电容CA、电容CB、电容CC、电容CfA、电容CfB、电容CfC；
所述电感LA、电感LB和电感LC一端分别接入逆变器，所述电感LA、电感LB和电感LC另一端分别连接电感La、电感Lb、电感Lc的一端，所述电感La的另一端连接电感Lb和电感Lc的另一端；
所述电感LA另一端连接电感LfA和电容CA的一端，所述电感LfA另一端连接电容CfA的一端，所述电容CfA的另一端连接电容CA的另一端；
所述电感LB另一端连接电感LfB和电容CB的一端，所述电感LfB另一端连接电容CfB的一端，所述电容CfB的另一端连接电容CB的另一端；
所述电感LC另一端连接电感LfC和电容CC的一端，所述电感LfC另一端连接电容CfC的一端，所述电容CfC的另一端连接电容CC的另一端。
所述逆变器采用SPWM调制方式，还包括有SVPWM、PFM、PDM调制方式。逆变器从直流电源处获取能量，通过特殊调制方法(例如SPWM调制方法)产生以ωL和ωH两种频率分量为主的输出电压。在谐振补偿网络的选频作用下，只有ωL和ωH两种频率分量通过，在定子绕组中产生对应频率的电流，而其他频率分量被滤除。两种频率合成的电流在电机的气隙中产生两个速度不同的旋转磁场。由于感应线圈对高频分量ωH的阻抗较小，因此在其中感生出电压，经整流后变为直流电，通到励磁绕组中。励磁绕组流过电流在空间中产生恒定磁场，该磁场与定子绕组中低频分量ωL产生的磁场相互作用，最终使得转子始终跟随ωL分量对应的旋转磁场，发挥同步电机的作用。
所述逆变器产生两种频率分量的电压和电流，低频分量ωL用以驱动电机，高频分量ωH用以无线励磁。
本发明可以用于电励磁同步电机的励磁和驱动场景中，采用的图2所示的三相全桥逆变拓扑同时实现无线电能传输的发射源和电机控制器两个功能。采用图3所示的三相双频谐振补偿拓扑，实现两种频率分量的选择性通过。采用图4所示的同步电机结构，定子中含有铁芯和定子绕组，转子中包括铁芯、鼠笼启动绕组、感应线圈和励磁绕组等组成部分。按照图1所示***拓扑进行连接，逆变器采用SPWM调制方式，调制波频率等于ωL，用于产生同步旋转磁场，载波频率等于ωH，用于无线电能传输给励磁绕组供电。
其中逆变器还可以有SVPWM、PFM、PDM等多种调制方法，谐振补偿拓扑还可以采用多种高阶多谐振点的拓扑，同步电机的定转子结构还可以有多种特殊设计，均可以配置成本发明中的同步电机无线励磁***。
在谐振补偿网络的选频作用下，只有ωL和ωH两种频率分量通过，在定子绕组中产生对应频率的电流，滤除剩余频率分量，两种频率合成的电流在电机的气隙中产生两个速度不同的旋转磁场。
以上所述仅是一种基于无线电能传输的同步电机无刷励磁***的优选实施方式，一种基于无线电能传输的同步电机无刷励磁***的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于无线电能传输的同步电机无刷励磁***，其特征是：所述***包括直流电源、逆变器、谐振补偿网络、同步电机定子和同步电机转子；
所述直流电源为整个***提供电能，所述直流电源连接逆变器，所述逆变器连接谐振补偿网络，所述谐振补偿网络连接同步电机定子，所述同步电机定子同时作为无线电能传输的发射线圈，所述同步电机转子包括无线电能传输的接收线圈、励磁线圈及鼠笼绕组，所述接收线圈整流后为励磁绕组供电，所述鼠笼绕组用作同步电机启动绕组；
所述谐振补偿网络包括电感LA、电感LB、电感LC、电感La、电感Lb、电感Lc、电感LfA、电感LfB、电感LfC、电容CA、电容CB、电容CC、电容CfA、电容CfB和电容CfC；
所述电感LA、电感LB和电感LC一端分别接入逆变器，所述电感LA、电感LB和电感LC另一端分别连接电感La、电感Lb和电感Lc的一端，所述电感La的另一端连接电感Lb和电感Lc的另一端；
所述电感LA另一端连接电感LfA和电容CA的一端，所述电感LfA另一端连接电容CfA的一端，所述电容CfA的另一端连接电容CA的另一端；
所述电感LB另一端连接电感LfB和电容CB的一端，所述电感LfB另一端连接电容CfB的一端，所述电容CfB的另一端连接电容CB的另一端；
所述电感LC另一端连接电感LfC和电容CC的一端，所述电感LfC另一端连接电容CfC的一端，所述电容CfC的另一端连接电容CC的另一端。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线电能传输的同步电机无刷励磁***，其特征是：所述逆变器包括IGBT开关管S1、IGBT开关管S2、IGBT开关管S3、IGBT开关管S4、IGBT开关管S5、IGBT开关管S6、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5和二极管D6；
所述IGBT开关管S1的一端连接直流电源的正极，所述IGBT开关管S4的一端连接直流电源的负极，所述开关管S1的另一端连接所述IGBT开关管S4的另一端，所述IGBT开关管S1的一端分别连接IGBT开关管S3和IGBT开关管S5的一端，所述IGBT开关管S4的一端分别连接IGBT开关管S2和IGBT开关管S6的一端，所述IGBT开关管S3和IGBT开关管S5的另一端分别连接IGBT开关管S2和IGBT开关管S6的另一端，所述二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5和二极管D6分别并联在IGBT开关管S1、IGBT开关管S2、IGBT开关管S3、IGBT开关管S4、IGBT开关管S5和IGBT开关管S6上。
3.根据权利要求1所述的一种基于无线电能传输的同步电机无刷励磁***，其特征是：所述逆变器采用SPWM调制方式，还包括有SVPWM、PFM和PDM调制方式。
4.根据权利要求3所述的一种基于无线电能传输的同步电机无刷励磁***，其特征是：所述逆变器产生两种频率分量的电压和电流，低频分量ωL用以驱动电机，高频分量ωH用以无线励磁。
5.根据权利要求4所述的一种基于无线电能传输的同步电机无刷励磁***，其特征是：在谐振补偿网络的选频作用下，只有ωL和ωH两种频率分量通过，在定子绕组中产生对应频率的电流，滤除剩余频率分量，两种频率合成的电流在电机的气隙中产生两个速度不同的旋转磁场。
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