[发明专利]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

说明书

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。

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，新能源发电系统等。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。