专利名称：直流电枢三相交流励磁的同步电机及其调速的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型同步电机及其调速，尤其涉及一种励磁磁场 旋转的直流电机，属电机制造和电力电子技术领域。
背景技术：
现在传统的同步电机，励磁绕组为直流绕组，通入直流电，其功
率较小， 一般占电机输出功率的20%左右，电枢绕组为三相绕组，通 入三相交流电，其功率较大， 一般占电机输出功率的80%左右。
同步电机所需要的大部分电能不用转换就可以以三相交流电的形 态直接供给电机电枢绕组，而励磁绕组需要的从交流电转换的直流电 能只占电机输出功率的小部分，这样的设计在电机不需要调速的场合 是合理的，技术上是简单的，成本上是便宜的。
但对同步电机需要调速的场合就不合理了，现在同步电机的调速 主要都靠电力电子器件来转换供给电机的三相交流电，如变频变压调 速器，这些调速器价格很贵，无论低压高压的都贵过电机本身，甚至 几倍，造成同步电机及调速系统总的价格很高，技术复杂。
相比之下，直流调压调速系统就简单得多和便宜得多，但对普通 同步电机是不适用的。
在变频电源供电时，永磁无刷同步电动机可在开环控制下调速运 行。若转轴上装有位置传感器，则可成为基于位置反馈、闭环控制的 自控式永磁同步电动机。
发明内容
本发明的目的就是发明一种直流电源或直流调压调速器承担同步 电机大部分功率、变频器承担同步电机小部分功率可以调速的同步电 机，由定子、转子、轴承装置、滑环和底板等组成，定子与转子之间 为空气隙，其主要特征在于本发明同步电机的三相交流绕组1设计 成励磁绕组，其功率占电机容量较小部分，嵌装在定子铁心内圆槽2 内(或转子铁心外圆槽4内)，直流绕组3设计成电枢绕组，其功率占 电机容量较大部分，以分布绕组形式嵌装在转子铁心外圆槽4内(或 定子铁心内圆槽2内)。
本发明同步电机直流电枢绕组3无论安装在定子上或转子上，其 铁心为凸极结构，在凸极铁心的内圆或外圆上冲有若干相同槽，以分 布绕组形式嵌放，每个线圈的两边分别嵌放在相邻的两个凸极的槽里; 或为普通同步电机的隐极结构，以分布绕组形式嵌放。
本发明同步电机直流电枢绕组3由若干个线圈串联而成，根据需 要，把一个直流电枢绕组3分成两个及以上的分绕组，这些分绕组按 原来的连接方法串联起来就是原来的直流电枢绕组，这些分绕组的工 作电压可以相等或不相等；其中，分成两个分绕组，工作电压低的分 绕组的工作电压占总直流工作电压的比例应大于且最接近于13.4%， 以使给直流电枢绕组提供直流电源的全桥六脉波整流滤波电路能连接 简单高效率的功率因数校正电路。
本发明同步电机直流电枢绕组3在电机运转时不产生反电动势， 其电流只与施加的电压成正比，施加的电压平均值相等也就是流过直
流电枢绕组的电流平均值相等，因而，在励磁磁场磁通不变的条件下，
电磁力矩平均值相等。当直流调压调速器采用直流PWM斩波电路时， 为克服六脉波直流电压幅值的脉动，直流调压调速器除根据同步电机 输出力矩的要求输出PWM电压外，在编程序上根据六脉波直流电压 幅值的变化微调每个PWM脉冲波的宽度，使每个脉冲波电压的平均 值相等。具体是，取一个中间值，当六脉波直流电压幅值高于中间值， 脉宽逐渐变小，当六脉波直流电压幅值小于中间值，脉宽逐渐变大， 使每个脉冲波的电压平均值相等。因而不必靠大电容来使六脉波直流 电压更加平滑，所以滤波电容可大大减小，滤波电容大大减小，由滤 波电容引起的输入谐波也同时大大减小。
本发明同步电机的调速方法是直流电枢绕组3由直流电源或直流 调压调速器控制，三相交流励磁绕组1由变频器控制，在开环控制下 调速运行，或在转子安装位置传感器，基于位置反馈、闭环控制的自 控式调速运行，直流调压调速器、变频器安装在同一组控制柜内，共 用一个中央控制器，根据电流、电压、位置传感器信号协调控制直流 电、三相交流电输出。
本发明同步电机分2、 4、 6、 8、 10、 12极等。
本发明同步电机的直流电枢绕组3任一瞬间在N磁极下的导体的 电流方向全是相同的，在S磁极下的导体的电流方向也全是相同的， 但在N磁极下的导体的电流方向与在S磁极下的导体的电流方向是相 反的。
本发明同步电机直流调压调速器可以是晶闸管全控桥式电路、晶
闸管半控桥式电路、全可控型器件的全控桥式电路、全可控型器件的 半控桥式电路、直流斩波电路等。
这种同步电机及其调速装置的优点是，能用简单便宣的大功率直 流调压调速器替代昂贵复杂尤其是高压的大功率变频器来实现同步电 机的调速。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
图l本发明原理示意图。
图2功率旋转变压器示意图。 图3功率旋转变压器电路图。
图4本发明同步电机直流电枢绕组分成两个分绕组的示意图。
具体实施例方式
如图1示，三相交流励磁绕组1产生的旋转磁场逆时针旋转，并 且，磁场上为S极下为N极，直流电枢绕组3通过滑环通入上进纸面、 下出纸面的直流电流，根据左手定则，直流电枢绕组3的电磁力矩T 也为逆时针方向。
若要改变电机转向，三相交流励磁绕组1产生的旋转磁场顺时针 旋转但极性不改变，直流电枢绕组3通过滑环通入上出纸面、下进纸 面的直流电流，或三相交流励磁绕组1产生的旋转磁场顺时针旋转， 同时极性改变，直流电枢绕组3直流电流方向不变。
若要产生制动力矩，在保持旋转磁场极性和旋转磁场旋转方向不 变的条件下，改变直流电枢绕组3电流方向，或在保持直流电枢绕组3电流方向和旋转磁场旋转方向不变的条件下，改变旋转磁场磁极极 性。
改变旋转磁场旋转方向是通过改变三相交流电压的相序来实现。 改变旋转磁场磁极极性的方法是三相电压同时反相。
为减小本发明同步电机的滑环容量，选择直流电枢绕组3嵌装在 定子铁心内圆槽2内，直接接直流电，三相交流励磁绕组1嵌装在转 子铁心外圆槽4内，通过三相滑环供电或通过三相旋转变压器耦合无 刷供电。这里的旋转变压器不是电机学里的传递角度信号的普通信号 旋转变压器，而是功率旋转变压器。见图2、 3，功率旋转变压器55 的付边三相绕组57可以在三相原边绕组49的内圆旋转，并同时感应 电压，52为同步电机的三相交流励磁绕组，51为同步电机的直流电枢 绕组。
见图4，直流电枢绕组3分成两个分绕组Ll、 L2，其中Ll工作电 压为L2工作电压的15. 47%, 二极管D、半导体功率开关器件I构成一 种功率因数校正电路。
权利要求
1、直流电枢三相交流励磁的同步电机及其调速，由定子、转子、轴承装置、滑环和底板等组成，定子与转子之间为空气隙，其主要特征在于本发明同步电机的三相交流绕组1设计成励磁绕组，其功率占电机容量较小部分，嵌装在定子铁心内圆槽2内(或转子铁心外圆槽4内)，直流绕组3设计成电枢绕组，其功率占电机容量较大部分，以分布绕组形式嵌装在转子铁心外圆槽4内(或定子铁心内圆槽2内)。
2、 如权利要求1所述的直流电枢三相交流励磁的同步电机及其调 速，其特征是本发明同步电机的直流电枢绕组3无论安装在定子上 或转子上，其铁心为凸极结构，在凸极铁心的内圆或外圆上冲有若干 相同槽，以分布绕组形式嵌放，每个线圈的两边分别嵌放在相邻的两 个凸极的槽里；或为普通同步电机的隐极结构，以分布绕组形式嵌放。
3、 如权利要求2所述的直流电枢三相交流励磁的同步电机及其调 速，其特征是本发明同步电机直流电枢绕组3由若干个线圈串联而 成，根据需要，把一个直流电枢绕组3分成两个及以上的分绕组，这 些分绕组按原来的连接方法串联起来就是原来的直流电枢绕组，这些 分绕组的工作电压可以相等或不相等。
4、 如权利要求3所述的直流电枢三相交流励磁的同步电机及其调 速，其特征是本发明同步电机直流电枢绕组3分成两个分绕组，工 作电压低的分绕组的工作电压占总直流工作电压的比例应大于且最接 近于13.4%。
5、 如权利要求1所述的直流电枢三相交流励磁的同步电机及其调速，其特征是本发明同步电机的调速方法是直流电枢绕组3由直流 电源或直流调压调速器控制，三相交流励磁绕组1由变频器控制，在 开环控制下调速运行，或在转子安装位置传感器，基于位置反馈、闭 环控制的自控式调速运行，直流调压调速器、变频器安装在同一组控 制柜内，共用一个中央控制器，根据电流、电压、位置传感器信号协 调控制直流电、三相交流电输出。
6、 如权利要求5所述的直流电枢三相交流励磁的同步电机及其调速，其特征是当直流调压调速器采用直流PWM斩波电路时，为克服六脉波直流电压幅值的脉动，直流调压调速器除根据同步电机输出力矩的要求输出PWM电压外，在编程序上根据六脉波直流电压幅值 的变化微调每个PWM脉冲波的宽度，使每个脉冲波电压的平均值相 等。
7、 如权利要求6所述的直流电枢三相交流励磁的同步电机及其调速，其特征是取一个中间值，当六脉波直流电压幅值高于中间值，脉宽逐渐变小，当六脉波直流电压幅值小于中间值，脉宽逐渐变大， 使每个脉冲波的电压平均值相等。
全文摘要
直流电枢三相交流励磁的同步电机及其调速，属电机制造和电力电子技术领域。同步电机的三相交流绕组1设计成励磁绕组，其功率占电机容量较小部分，嵌装在定子铁心内圆槽2内，直流绕组3设计成电枢绕组，其功率占电机容量较大部分，以分布绕组形式嵌装在转子铁心外圆槽4内。能用简单便宜的大功率直流调压调速器替代昂贵复杂的大功率尤其是高压变频器来实现同步电机的调速。
文档编号H02P27/04GK101102067SQ20061003642
公开日2008年1月9日 申请日期2006年7月7日 优先权日2006年7月7日
发明者丁振荣 申请人:丁振荣