專利名稱：一種兩級式混合勵磁無刷同步電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種兩級式混合勵磁無刷同步電機，屬于混合勵磁無刷同步電機的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
混合勵磁同步電機是上個世紀80年代最早由俄羅斯學者提出的一種電機結(jié)構(gòu)形式。與傳統(tǒng)的電勵磁同步電機以及永磁同步電機結(jié)構(gòu)不同，混合勵磁同步電機中既有永磁體又有勵磁繞組，兩個磁勢源同時存在。它集成了電勵磁同步電機的調(diào)磁方便且調(diào)磁容量小和永磁同步電機的效率高、轉(zhuǎn)矩/質(zhì)量比大等優(yōu)點，同時又克服了永磁同步電機磁場調(diào)節(jié)難的缺陷，有較大的推廣應(yīng)用價值。現(xiàn)有的混合勵磁同步電機的轉(zhuǎn)子勵磁繞組需要直流勵磁，勵磁電流通過電刷滑環(huán)引入，因此在運行可靠性和日常維護上就存在著很大的隱患， 從而制約了其在航空航天領(lǐng)域等高性能場合應(yīng)用和發(fā)展?；旌蟿畲磐诫姍C的無刷化方案分為兩類①在定子側(cè)安裝勵磁繞組的導磁橋，提供軸向勵磁磁場，但導致電機附加氣隙多， 勵磁效率低，且轉(zhuǎn)子鐵心材料需采用整塊低碳鋼，鐵心損耗較大，因此不適合作高速航空發(fā)電機的無刷勵磁方案。②勵磁繞組直接繞在定子提供勵磁磁場，例如雙凸極混合勵磁電機、混合磁路開關(guān)磁鏈電機等，但該類電機只適合作直流發(fā)電機。傳統(tǒng)的電勵磁同步發(fā)電機采用交流勵磁機加旋轉(zhuǎn)整流器實現(xiàn)無刷化，航空三級式無刷同步交流發(fā)電機均采用這種勵磁方式。此方案由永磁副勵磁機、勵磁機、主發(fā)電機三級式結(jié)構(gòu)組成，利用永磁發(fā)電機給勵磁機的勵磁繞組供電實現(xiàn)自勵，勵磁機的電樞繞組經(jīng)過旋轉(zhuǎn)整流器向主發(fā)電機勵磁繞組供電。若用一個外部直流源取代副勵磁機給勵磁機提供勵磁電流，則構(gòu)成了兩級式無刷結(jié)構(gòu)，兩級式電勵磁無刷同步發(fā)電機必須利用外部電源才能實現(xiàn)自勵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出的是一種兩級式混合勵磁無刷同步電機，其目的旨在克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述缺陷，利用混合勵磁主發(fā)電機的永磁磁勢源的特性，構(gòu)建一種兩級式混合勵磁無刷同步電機。避免有電刷滑環(huán)時帶來的電機運行可靠度低，日常維護困難等缺陷。同時， 利用主發(fā)電機的永磁磁勢源，解決起勵問題，保證電機的完全自勵，省去副勵磁機或外部直流電源。本發(fā)明的技術(shù)解決方案其特征是包括主發(fā)電機，勵磁機，旋轉(zhuǎn)整流器三部分組成，其中主發(fā)電機采用旋轉(zhuǎn)磁極式，永磁體(轉(zhuǎn)子)上有勵磁繞組和永磁磁源的混合勵磁發(fā)電機；勵磁機是旋轉(zhuǎn)電樞式電勵磁發(fā)電機或混合勵磁電機；旋轉(zhuǎn)整流器的輸入、輸出端分別連接勵磁機電樞繞組(和主發(fā)電機勵磁繞組，旋轉(zhuǎn)整流器被安裝在轉(zhuǎn)子上，當電機運轉(zhuǎn)時，勵磁機電樞(產(chǎn)生的交流電經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流后供給主發(fā)電機勵磁繞組，通過調(diào)節(jié)勵
3磁機勵磁繞組電流，改變主發(fā)電機電樞繞組的輸出電壓，實現(xiàn)發(fā)電機的無刷化，通過勵磁繞組供電。本發(fā)明的優(yōu)點由于特殊的混合勵磁結(jié)構(gòu)，永磁有少量磁通穿過氣隙產(chǎn)生剩余電樞電勢，利用這部分電能給勵磁機提供足夠的初始勵磁能量，可使發(fā)電機逐步達到穩(wěn)定的電壓，無需額外增添初始勵磁設(shè)備，從而解決了電機的起勵問題。同時這部分電勢可用來為調(diào)壓器和控制保護器供電，省去了專門的永磁副勵磁機，形成了新型兩級式無刷結(jié)構(gòu)方案， 從而實現(xiàn)主發(fā)電機完全自勵。與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點1、混合勵磁的主發(fā)電機具有結(jié)構(gòu)簡單、勵磁效率高、功率密度大、控制方便、滅磁和故障保護方法簡單等優(yōu)點。其功率密度均可高于電勵磁同步電機。本無刷方案繼續(xù)保持混合勵磁電機的優(yōu)點。2、本發(fā)明利用主發(fā)電機的永磁磁源，構(gòu)成了兩級式無刷結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)三級式無刷方案相比，本方案無需再加一級副勵磁機(永磁發(fā)電機)；與傳統(tǒng)電勵磁兩級式無刷發(fā)電機方案相比，本方案無需外部直流勵磁電源或外接電網(wǎng)，無需額外增添初始勵磁設(shè)備以解決電機的起勵問題。同時這部分電勢可用來為調(diào)壓器和控制保護器供電，形成了新型兩級式無刷結(jié)構(gòu)方案，從而實現(xiàn)主發(fā)電機完全自勵。大大減小整個電機的體積，減輕了電機重量， 簡化了電機結(jié)構(gòu)，使其具有了更高的功率密度。3、采用復勵式調(diào)壓策略，同時采集輸出電壓及電流。確保了在空載、短路等多種工況下能夠可靠工作，保證了該兩級式無刷電機運行的可靠性。4、具有體積小、效率高、功率密度大、控制方便、運行可靠性高等優(yōu)點。產(chǎn)品生產(chǎn)和日常維護簡單，可以替代傳統(tǒng)的電勵磁無刷同步發(fā)電機作為飛機、艦艇、車輛等裝置的主發(fā)電機，也可以用作水輪、汽輪和風力發(fā)電機等；本方案也可以做成具有起動/發(fā)電雙功能的電機。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的截面圖；圖3主發(fā)電機(切向/徑向磁路并聯(lián)混合勵磁同步電機)截面4為本發(fā)明勵磁機(旋轉(zhuǎn)電樞式同步電機)截面圖；圖5為本發(fā)明的勵磁機電流放大特性圖；圖6為本發(fā)明的兩級復勵式無刷化方案具體實現(xiàn)框圖。附圖中的1是后端蓋、2是機殼、3是勵磁機定子鐵心、4是勵磁機勵磁繞組、5是旋轉(zhuǎn)整流器、6是主發(fā)電機定子鐵心、7是主發(fā)電機電樞繞組、8是前端蓋、9是主發(fā)電機勵磁繞組、10是主發(fā)電機轉(zhuǎn)子鐵心、11是勵磁機電樞繞組、12是勵磁機轉(zhuǎn)子鐵心、13是轉(zhuǎn)軸、14是永磁體(轉(zhuǎn)子)、15是主發(fā)電機轉(zhuǎn)子極靴、16是主發(fā)電機轉(zhuǎn)子軛、17是主發(fā)電機轉(zhuǎn)子齒、18 是勵磁機定子槽、19是勵磁機定子齒、20是勵磁機轉(zhuǎn)子齒、21是主發(fā)電機勵磁繞組、22是勵磁機轉(zhuǎn)子槽、23是軸承。
具體實施方式
如圖1所示，主發(fā)電機在無勵磁時，永磁體產(chǎn)生的磁通沿著轉(zhuǎn)子鐵心形成閉合回路，從而在轉(zhuǎn)子上形成一個較飽和的磁場，此外還有少量剩磁沿定子鐵心閉合，產(chǎn)生剩磁電壓。利用這部分電能給勵磁機提供足夠的初始勵磁能量，可使發(fā)電機逐步達到穩(wěn)定的電壓， 無需額外增添初始勵磁設(shè)備，從而解決了電機的起勵問題。同時這部分電勢可用來為調(diào)壓器和控制保護器供電，省去了專門的永磁副勵磁機。與傳統(tǒng)三級式無刷結(jié)構(gòu)相比，本方案省去副勵磁機(永磁發(fā)電機)這一級，構(gòu)成了如圖所示的兩級式無刷結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)電勵磁兩級式無刷發(fā)電機方案相比，本方案無需外部直流勵磁電源或外接電網(wǎng)，無需額外增添初始勵磁設(shè)備以解決電機的起勵問題，形成了新型兩級式無刷結(jié)構(gòu)方案，從而實現(xiàn)主發(fā)電機完全自勵。形成了新型兩級式無刷結(jié)構(gòu)方案，從而實現(xiàn)主發(fā)電機完全自勵。旋轉(zhuǎn)整流器5固定在勵磁機轉(zhuǎn)子上，隨勵磁機轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動。其在電路拓撲上采用三相全橋不控整流電路， 即由六個二極管組成全橋。整流器5的輸入端與勵磁機的電樞繞組11相連，輸出端與主發(fā)電機勵磁繞組9相連，從勵磁機電樞繞組11中引出的三相交流電經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器5整流后， 得到的直流電作為主發(fā)電機的勵磁電流。兩級式混合勵磁無刷同步電機可具體實現(xiàn)的方法有多種。通過勵磁繞組供電電源的不同，可分為他勵式和自勵式；主發(fā)電機定子鐵心可以是凸極結(jié)構(gòu)，也可以是隱極結(jié)構(gòu)； 其繞組可以是分布繞組，也可以是集中繞組；勵磁機轉(zhuǎn)子鐵心可以是隱極結(jié)構(gòu)，也可以是凸極結(jié)構(gòu)；其繞組可以是分布繞組，也可以是集中繞組等等。如圖2所示，其結(jié)構(gòu)是包括主發(fā)電機、勵磁機和旋轉(zhuǎn)整流器。主發(fā)電機包括定子和轉(zhuǎn)子，定子由主發(fā)電機定子鐵心6、主發(fā)電機電樞繞組7、機殼2等部件構(gòu)成，主發(fā)電機定子鐵心6壓裝機殼2里，主發(fā)電機電樞繞組7嵌在主發(fā)電機定子鐵心6中，其中一個端蓋1分別安裝在機殼2—端；轉(zhuǎn)子包括主發(fā)電機轉(zhuǎn)子鐵心10、主發(fā)電機勵磁繞組9等部件，主發(fā)電機勵磁繞組9集中繞組轉(zhuǎn)子鐵心10上，轉(zhuǎn)軸13通過軸承23固定在電機兩端端蓋上。主發(fā)電機勵磁繞組9接線引出后接旋轉(zhuǎn)整流器5輸出端。勵磁電機包括定子和轉(zhuǎn)子，定子由定子鐵心3、勵磁繞組4、端蓋8、機殼2等部件構(gòu)成。勵磁機勵磁繞組4嵌在勵磁機定子鐵心 3中。轉(zhuǎn)子包括勵磁機轉(zhuǎn)子鐵心12，勵磁機電樞繞組11等，勵磁機電樞繞組11嵌在勵磁機轉(zhuǎn)子槽中。勵磁機電樞繞組11引出后接旋轉(zhuǎn)整流器輸入端。如圖3所示，本發(fā)明的切向和徑向混合勵磁的主發(fā)電機鐵心采用一定厚度的硅鋼片組成。主發(fā)電機定子和一般交流電機定子結(jié)構(gòu)一樣，主發(fā)電機電樞繞組7嵌在主發(fā)電機定子槽中，可以是分布繞組，也可以是集中繞組；轉(zhuǎn)子鐵心可分為主發(fā)電機轉(zhuǎn)子齒17、主發(fā)電機轉(zhuǎn)子極靴15和主發(fā)電機轉(zhuǎn)子軛16組成。勵磁線圈集中繞在凸極轉(zhuǎn)子鐵心的轉(zhuǎn)子極17 上，各個磁極上的線圈通過串、并聯(lián)聯(lián)接起來，構(gòu)成主發(fā)電機勵磁繞組21。永磁體14分別嵌入相鄰兩個主發(fā)電機轉(zhuǎn)子極靴15間，主發(fā)電機轉(zhuǎn)子極靴15表面也可以嵌入阻尼繞組。如圖4所示，為旋轉(zhuǎn)電樞式同步發(fā)電機，電機鐵心采用一定厚度的硅鋼片組成，轉(zhuǎn)子鐵心是隱極結(jié)構(gòu)，也可以是凸極結(jié)構(gòu)，勵磁機電樞繞組是分布繞組，也可以是集中繞組， 電樞繞組嵌在勵磁機轉(zhuǎn)子槽22中。定子鐵心3采用凸極結(jié)構(gòu)，勵磁線圈集中繞在凸極勵磁機定子齒19上，各個磁極上的線圈通過串聯(lián)聯(lián)接起來，構(gòu)成勵磁繞組。如圖5所示，橫坐標變量是勵磁機勵磁電流，縱坐標為主發(fā)電機勵磁繞組電流。兩級式無刷結(jié)構(gòu)中，最關(guān)鍵的問題在于勵磁機的合理設(shè)計。首先，由于勵磁機是經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器給主發(fā)電機勵磁繞組供電的，為了適應(yīng)主發(fā)電機的負載以及工作溫度的大幅度變化，應(yīng)使勵磁機的整流后輸出電壓能在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；此外，由于交流勵磁機可以實現(xiàn)從勵磁電流到輸出電流(即主發(fā)電機的勵磁電流)的近似線性變換，因而它也被稱為“電流放大器”。 因此，在對勵磁機進行電磁設(shè)計時，以主發(fā)電機額定勵磁電流的1.5-2倍裕量為設(shè)計勵磁機勵磁電流的標準，從而保證其額定工作狀態(tài)下的磁路不能飽和。并且有良好的電流放大特性。如圖6所示，其結(jié)構(gòu)是包括主發(fā)電機、輸出電流采樣電路、轉(zhuǎn)子，其中主發(fā)電機包括勵磁電流調(diào)節(jié)器、交流勵磁機、輸出電流電壓采樣電路，采樣主發(fā)電機電樞繞組7的電壓信號和電流信號，輸入勵磁電流調(diào)節(jié)器以調(diào)節(jié)勵磁電流大小。勵磁電流通入勵磁機勵磁繞組，勵磁機經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器給主發(fā)電機勵磁繞組供電。在電壓調(diào)節(jié)上采用復勵方案，即勵磁電流調(diào)節(jié)器根據(jù)主發(fā)電機的輸出電壓和輸出電流生成勵磁電流以確保主發(fā)電機在空載、短路及各種工況下均能可靠工作。特別在短路情況下，由于存在與電流大小成比例的勵磁分量，所以當電樞電流大時存在強勵作用，可使得保護器迅速動作。在正常工作條件下，勵磁電流調(diào)節(jié)器同時采集主發(fā)電機的輸出電壓信號和輸出電流信號。使得反饋環(huán)由電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成，加快整個系統(tǒng)的控制反應(yīng)速度。
權(quán)利要求
1.一種兩級式混合勵磁無刷同步電機，其特征是包括主發(fā)電機，勵磁機，旋轉(zhuǎn)整流器三部分組成，其中主發(fā)電機采用旋轉(zhuǎn)磁極式，永磁體上有勵磁繞組和永磁磁源的混合勵磁發(fā)電機；勵磁機是旋轉(zhuǎn)電樞式電勵磁發(fā)電機或混合勵磁電機；旋轉(zhuǎn)整流器的輸入、輸出端分別連接勵磁機電樞繞組和主發(fā)電機勵磁繞組，旋轉(zhuǎn)整流器被安裝在轉(zhuǎn)子上，當電機運轉(zhuǎn)時， 勵磁機電樞產(chǎn)生的交流電經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流后供給主發(fā)電機勵磁繞組，通過調(diào)節(jié)勵磁機勵磁繞組電流，改變主發(fā)電機電樞繞組的輸出電壓，實現(xiàn)發(fā)電機的無刷化，通過勵磁繞組供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兩級式混合勵磁無刷同步電機，其特征是旋轉(zhuǎn)整流器由六個二極管組成一個三相全橋或是三相全波/半波整流電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兩級式混合勵磁無刷同步電機，其特征在于混合勵磁發(fā)電機的永磁磁源實現(xiàn)電機的完全自勵，當主發(fā)電機勵磁繞組(9)電流為零時，主發(fā)電機的永磁磁源有少量磁通穿過氣隙產(chǎn)生剩余電樞電勢，利用這部分電能給勵磁機提供足夠的初始勵磁能量，使發(fā)電機逐步達到穩(wěn)定的電壓，無需額外增添起勵電源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兩級式混合勵磁無刷同步電機，其特征是通過勵磁繞組供電電源的不同，可分為他勵式和自勵式；主發(fā)電機定子鐵心是凸極結(jié)構(gòu)或隱極結(jié)構(gòu)；其繞組是分布繞組或集中繞組；勵磁機轉(zhuǎn)子鐵心隱極結(jié)構(gòu)或是凸極結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兩級式混合勵磁無刷同步電機，其特征是主發(fā)電機包括勵磁電流調(diào)節(jié)器、交流勵磁機、輸出電流電壓采樣電路，采樣主發(fā)電機電樞繞組7的電壓信號和電流信號，輸入勵磁電流調(diào)節(jié)器以調(diào)節(jié)勵磁電流大小。勵磁電流通入勵磁機勵磁繞組， 勵磁機經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器給主發(fā)電機勵磁繞組供電。
全文摘要
本發(fā)明是一種兩級式混合勵磁無刷同步發(fā)電機，其特征包括混合勵磁主發(fā)電機、勵磁機、旋轉(zhuǎn)整流器，主發(fā)電機采用旋轉(zhuǎn)磁極式、轉(zhuǎn)子上有勵磁繞組和永磁磁源的混合勵磁發(fā)電機；勵磁機為旋轉(zhuǎn)電樞式同步發(fā)電機；旋轉(zhuǎn)整流器的輸入、輸出端分別連接勵磁機電樞繞組和主發(fā)電機勵磁繞組，它被安裝在轉(zhuǎn)子上。電機運轉(zhuǎn)時，勵磁機電樞產(chǎn)生的交流電經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流后供給主發(fā)電機勵磁繞組。優(yōu)點利用混合勵磁主發(fā)電機的永磁磁場，無需增添初始勵磁設(shè)備，解決了電機的起勵問題，使發(fā)電機逐步達到穩(wěn)定的電壓，實現(xiàn)完全自勵。省去專門的永磁副勵磁機或輔助勵磁電源，形成兩級式無刷結(jié)構(gòu)的混合勵磁同步電機。結(jié)構(gòu)簡單，功率密度大，電機自勵，控制方便。
文檔編號H02P9/14GK102195427SQ201010122060
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月11日
發(fā)明者劉力, 劉闖, 徐軼昊, 朱姝姝, 李兆營 申請人:南京航空航天大學