具有齿谐波自励磁稳压能力的无刷谐波励磁直流发电机的制作方法

本发明涉及直流发电机技术领域，特别是涉及一种具有齿谐波自励磁稳压能力的无刷谐波励磁直流发电机。

背景技术：

永磁同步发电机具有功率密度高、效率高等优良特性，在车载发电机等移动电源、风力发电等工业领域中得到广泛应用。然而，永磁同步发电机一直存在三个有待解决的问题：(1)永磁体所产生的励磁磁通难以调节，在转速变化时难以输出稳定的电压；(2)永磁材料存在失磁风险导致电机不能工作；(3)随着永磁材料的日益广泛应用，导致其价格昂贵，需减少用量。混合励磁电机中永磁材料用量较少，但是仍然存在失磁风险等问题。并且，混合励磁电机一般结构都较复杂，增加了制造成本。混合励磁电机励磁源包含永磁体和电励磁线圈两部分，其结构及性能主要取决于电励磁的方式。因此，电励磁发电机是解决上述问题的重要途径。

电励磁电机中的关键技术是怎样将电能传输到转子上。传统的电励磁发电机采用电刷、滑环进行接触式励磁，该励磁方式存在故障多发等问题。无刷励磁方式也有多种，大型发电机采用旋转励磁机励磁，旋转励磁机使电机的轴向长度增加，导致整体功率密度降低，同时也降低了电机系统的动态响应速度。耦合变压器励磁电机增加了电机的轴向长度，加上磁通经过附加气隙，导致功率密度降低。此外，由硅钢片构成的壳式u形同心铁芯的制作工艺复杂，体积笨重，增加了制造成本。齿谐波励磁电机能实现无刷励磁，但是其励磁源来自电机固有的齿谐波，导致励磁电流调节范围有限。

上述已有电励磁发电机输出电压的调节是通过改变励磁电流实现的，存在动态响应速度较慢的不足。动态响应慢会导致高压大电流对功率变换器等后级的冲击。同时，高性能电压和励磁调节器会增加发电机系统成本。

技术实现要素：

本发明提供一种具有齿谐波自励磁稳压能力的无刷谐波励磁直流发电机，解决现有同步发电机存在输出电压稳定性较低，通过改变励磁电流调节输出电压存在动态响应速度较慢、高性能电压和励磁调节器成本较高等不足。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种具有齿谐波自励磁稳压能力的无刷谐波励磁直流发电机，采用整数槽结构，包括定子和转子，所述转子位于定子内部，并能随着转轴在定子内部旋转，所述定子包括定子铁芯，所述定子铁芯在沿圆周方向上设有多个凹槽，所述每个凹槽中有两套绕组，其中一套为电机定子电枢绕组，另一套为定子谐波绕组；所述电机定子电枢绕组通过不可控整流器与负载相连，所述定子谐波绕组通入直流电流，用于在气隙中产生等效的三次谐波磁场；所述转子包括转子铁芯，所述转子铁芯包括主齿和分齿，所述分齿设置在主齿的端部，所述主齿上套有转子励磁绕组，分齿上套有转子谐波绕组；所述转子谐波绕组通过旋转整流器与转子励磁绕组相连；所述无刷谐波励磁直流发电机通过转子齿谐波电动势实现自励磁稳压功能。

所述定子为2m*p槽结构，其中，m为电机相数，p为电机极对数。

所述电机定子电枢绕组为星型连接三相交流绕组，采用单层或双层结构，节距为m，其中，m为电机相数。

所述定子谐波绕组为单相绕组，采用单层结构，节距为m/3，其中，m为电机相数。

所述转子为2n极结构，其中，n为正整数。

所述转子谐波绕组的节距为所述转子励磁绕组的节距的1/3。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明在已有建立型谐波励磁技术的基础上，提出具有齿谐波自励磁稳压能力的无刷谐波励磁直流发电机。该电机具备四个方面的优点：(1)采用转子齿谐波电动势实现自励磁稳压功能，动态响应快。(2)采用定子谐波绕组励磁，励磁调节便于实现。(3)该发电机为电励磁电机，故障下去快速磁能力强。(4)电机系统只含有一个不可控整流电力电子电路，结构简单、坚固，可靠性高。由于同时具备上述四个优良特性，所提出的具有齿谐波自励磁稳压能力的无刷谐波励磁直流发电机适合应用于风力发电和混合动力汽车等工业应用领域。

附图说明

图1是本发明实施方式中具有齿谐波自励磁稳压能力的无刷谐波励磁直流发电机系统结构示意图；

图2是本发明实施方式中具有齿谐波自励磁稳压能力的无刷谐波励磁直流发电机电机本体结构示意图；

图3是本发明实施方式中具有齿谐波自励磁稳压能力的无刷谐波励磁直流发电机的齿谐波自励磁稳压调节原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种具有齿谐波自励磁稳压能力的无刷谐波励磁直流发电机，采用整数槽结构，包括定子和转子，所述转子位于定子内部，并能随着转轴在定子内部旋转，所述定子包括定子铁芯，所述定子铁芯在沿圆周方向上设有多个凹槽，所述每个凹槽中有两套绕组，其中一套为电机定子电枢绕组，另一套为定子谐波绕组；所述电机定子电枢绕组通过不可控整流器与负载相连，所述定子谐波绕组通入直流电流，用于在气隙中产生等效的三次谐波磁场；所述转子包括转子铁芯，所述转子铁芯包括主齿和分齿，所述分齿设置在主齿的端部，所述主齿上套有转子励磁绕组，分齿上套有转子谐波绕组；所述转子谐波绕组通过旋转整流器与转子励磁绕组相连，通过转子齿谐波电动势实现自励磁稳压功能。

如图1所示，本实施方式的具有齿谐波自励磁稳压能力的无刷谐波励磁直流发电机定子电枢绕组通过不可控整流器与负载相连接，输出直流电。定子谐波绕组中通入直流电流，即可在气隙中产生等效的三次谐波磁场。本实施方式所述的具有齿谐波自励磁稳压能力的无刷谐波励磁直流发电机转子侧电励磁绕组和转子谐波绕组通过旋转整流器连接。转子谐波绕组中的交流电流经过旋转整流器整流后给励磁绕组提供励磁电流。在转子旋转时，可在转子谐波绕组中产生感应电动势。转子谐波绕组中有了感应电动势后，通过旋转整流器整流后给励磁绕组提供励磁电流。

本实施方式中的转子为2n极结构，其中，n为正整数，实际极数取决于转子直径尺寸和制造工艺。如图2所示，本实施方式的具有齿谐波自励磁稳压能力的无刷谐波励磁直流发电机转子为4极结构，转子设有主齿5和分齿6。励磁绕组1嵌套在主齿5上，转子谐波绕组2嵌套在分齿6上。转子谐波绕组节距为励磁绕组节距的1/3。

本实施方式中的定子也可以为2m*p(m为电机相数，p为电机极对数)槽结构，定子电枢绕组为m相绕组，单层或双层结构，节距为m；定子谐波绕组为单相绕组，单层结构，节距为m/3。如图2所示，本实施方式所述的具有齿谐波自励磁稳压能力的无刷谐波励磁直流发电机定子为12槽结构，定子电枢绕组3为星型连接三相交流绕组，单层结构，节距为3。定子谐波绕组4为单相绕组，单层结构，节距为1。

如图3所示，本实施方式的具有齿谐波自励磁稳压能力的无刷谐波励磁直流发电机是采用整数槽结构(z/2p＝整数，z为定子槽数，p为转子极对数)，利用负载电流与齿谐波磁导产生的电枢齿谐波磁场实现齿谐波自励磁稳压功能的。当负载电流增大或减小时，转子谐波绕组感应的齿谐波电动势分别增大和减小，补偿电枢磁场的去磁效应，达到稳定发电机输出电压的目标。

具体地说，电机采用整数槽结构，产生的齿谐波电动势较大。在传统同步发电机中，当发电机负载变化使负载电流升高时，电枢磁场增强，当负载为阻、感性负载时，电枢磁场呈去磁作用，会导致电枢电动势降低，影响输出电压的稳定性。本实施方式所提出的具有齿谐波自励磁稳压能力的无刷谐波励磁直流发电机中，当负载电流升高时，电枢磁场增强。电枢磁场与齿谐波磁导相作用在转子谐波绕组中产生的谐波电动势也会增大，从而使励磁电流增加，进而导致电枢电动势升高。这对于被电枢去磁磁场削弱的电枢电动势有补偿作用，会保持发电机的输出电压稳定。该电压补偿稳定的动态响应速度比稳压器更快。

传统同步发电机中，当发电机负载变化使负载电流降低时，电枢磁场减弱，当负载为阻、感性负载时，电枢磁场的去磁作用也被削弱，会导致电枢电动势升高，影响输出电压的稳定性。本实施方式的具有齿谐波自励磁稳压能力的无刷谐波励磁直流发电机中，当负载电流降低时，电枢磁场减弱。电枢磁场与齿谐波磁导相作用在转子谐波绕组中产生的谐波电动势也会降低，从而使励磁电流减小，进而导致电枢电动势降低。这对于被削弱的电枢磁场去磁作用有补偿作用，会保持发电机的输出电压稳定。该稳压补偿方式的动态响应速度快。