一种内置分布式磁障的无刷同步电机主电机转子

1.本发明涉及一种内置分布式磁障的无刷同步电机主电机转子，属于无刷同步电机技术领域。由于无刷同步电机主电机为电励磁同步电机结构，因此本发明同样适用于电励磁同步发电机的各类应用场合以提高输出电能质量。


背景技术：

2.航空三级式无刷同步电机由于其无刷化特征解决了飞机电机高空高速运行电刷滑环灭弧困难的问题，且拥有独立的永磁励磁源、可控的电励磁励磁源，极大的保障了航空电源系统的高可靠性。相比于高功率密度的永磁电机，本体与控制层面的简单可靠与系统设计的技术成熟度是三级式无刷同步电机的主要优势，是至今被广泛应用于飞机主电源系统的关键。
3.变频交流供电体制是多电飞机主电源系统发展的重要方向之一，拥有提高主电源系统效率、优化飞机发动机系统以及兼容大部分恒频交流负载的特征，在保障较低技术迭代成本的同时，极大提高了飞机主电源系统容量。
4.然而，三级式无刷同步电机应用于变频交流供电体制，会面临许多挑战，最为突出的是发电机高频工况下电能质量变差的问题。当变频交流发电机转速升高时，输出电压频率提高，导致电抗增大，增加了电机负荷的三相不对称度，使得电机输出电压不平衡度增大；频率上升过程中，输出电压的谐波含量也呈现增大的趋势；二者进而导致输出电能质量的下降。频率增大，发电机电枢绕组中的交流铜耗不断增大，导致定子温升急剧增大，易发生匝间短路等电机运行事故。
5.为提高发电机高频工况下的电能质量，提出一种提高三级式无刷同步电机输出电能质量的新方法——转子内置磁障，基于此方法，发明一种内置分布式磁障的无刷同步电机主电机转子。


技术实现要素：

6.本发明为解决航空变频交流发电机高频工况下高品质供电的技术难题，提供一种减小负序磁通大小，降低负序电抗的内置分布式磁障的无刷同步电机主电机转子。
7.为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种内置分布式磁障的无刷同步电机主电机转子，包括转子铁心、励磁绕组和阻尼绕组，所述转子铁心上设有若干磁极，所述磁极包括极身和极靴，极靴表面设有阻尼槽，所述励磁绕组缠绕于极身上，所述阻尼绕组设置于阻尼槽内；所述转子铁心的极靴上设有转子磁障，所述转子磁障包括交轴磁障和直轴磁障，所述交轴磁障沿阻尼绕组径向方向设置且与阻尼槽相连接，所述直轴磁障设置在极靴两侧，且沿转子切向方向设置。
8.对上述技术方案的进一步设计为：所述交轴磁障和直轴磁障均设有若干个，若干交轴磁障分别与一阻尼槽相连接，所述极靴两侧均对应设有一直轴磁障。
9.所述转子磁障为填充有空气的矩形槽口，所述矩形槽口贯穿转子铁心。
10.所述转子磁障的矩形槽口边缘经过倒角处理。
11.所述转子铁心两端设有阻尼端板，两阻尼端板轴向覆盖在转子铁心两端，并将阻尼绕组短接。
12.所述转子铁心在磁极中心处设有铆钉槽，阻尼端板在对应位置设有通孔，两阻尼端板通过铆钉依次穿过一阻尼端板的通孔、铆钉槽和另一阻尼端板的通孔而连接在转子铁心上。
13.所述转子铁心在磁极中心处设有一阻尼槽，该阻尼槽对应连接有一交轴磁障，该交轴磁障与对应的铆钉槽连通。
14.所述转子铁心上沿周向设有若干减重孔。
15.本发明的有益效果在于：
16.本发明通过在转子铁心上设置转子磁障，能够增大交直轴磁阻，减小负序磁通，降低负序电抗，有效提高电机抗不平衡负载能力；转子磁障能够抑制交轴电枢反应，优化径向气隙磁密正弦度，降低输出电压谐波含量，进而降低电机铁心损耗；减小切向气隙磁密变化率，降低定子电枢绕组交流铜耗；
17.本发明的电机转子较于传统的三级式无刷同步电机主电机转子，开设了气隙磁障，在保证高电能品质发电的基础上，需要更少的铁心材料用量，有更轻的电机重量，更高的功率密度。
附图说明
18.图1为本发明实施例一的无刷同步电机主电机转子结构图；
19.图2为实施例一电机转子阻尼绕组与阻尼端板结构图；
20.图3为实施例一内置交直轴磁障的电机转子铁心结构图；
21.图4为实施例一电机转子交直轴磁障开设位置示意图；
22.图5为转子磁障关键参数示意图；
23.图6转子内置磁障后的等效磁路原理图；
24.图7为设置磁障后电枢绕组电枢反应直轴主磁路示意图；
25.图8为未设置磁障电枢绕组电枢反应直轴主磁路示意图；
26.图9为设置磁障后电枢绕组电枢反应交轴主磁路示意图；
27.图10为未设置磁障电枢绕组电枢反应交轴主磁路示意图；
28.图11为实施例二电机转子交直轴磁障开设位置示意图；
29.图12为转子内置磁障前后额定负载功率因数0.75时输出电压谐波含量对比图；
30.图13为转子内置磁障前后额定负载功率因数1.0时输出电压谐波含量对比图；
31.图14为转子内置磁障前后典型不平衡负载工况下输出电压不平衡度对比图；
32.图15为转子内置磁障前后典型不平衡负载工况下相移对比图。
33.图中，1-阻尼绕组，2-铆钉，3-励磁绕组，4-阻尼端板，5-转子铁心，51-极靴，52-阻尼槽，53-铆钉槽，6-直轴磁障，7-交轴磁障，8-减重孔。
具体实施方式
34.下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。
35.实施例一
36.如图1所示，本实施例的一种内置分布式磁障的无刷同步电机主电机转子，包括转子铁心5、励磁绕组3和阻尼绕组1，所述转子铁心5上均匀设有八个磁极，材料为高饱和磁性材料1j22，浸漆处理后，通过转子叠片叠压而成，磁密最大为2.4t；所述磁极包括极身和极靴51，每极的极靴51表面均设有五条平行设置的阻尼槽52，所述励磁绕组3缠绕于极身上，用于电机励磁，励磁绕组3为扁线结构，材料为纯铜，经过浸漆处理，单匝缠绕在转子铁心极身上，极身间的励磁绕组3相互串联。
37.所述阻尼绕组1每极上共有五条，并设置于阻尼槽51内，切向并联排布，材料为紫铜。结合图2所示，所述转子铁心5两端设有阻尼端板4，两阻尼端板4轴向覆盖在转子铁心5两端，并将阻尼绕组1短接；所述阻尼端板4结构与转子铁心5叠片一致，材料为紫铜。
38.所述转子铁心5在磁极极靴中心处沿轴向设有铆钉槽53，阻尼端板4在对应位置设有通孔，两阻尼端板4通过铆钉2依次穿过一阻尼端板4的通孔、铆钉槽53和另一阻尼端板4的通孔而连接在转子铁心5上。所述铆钉2与阻尼绕组1结构一致，用于将两块阻尼端板与转子铁心贯通，以固定阻尼端板，设置于极身中轴线上，每个极身由一个铆钉2贯通。
39.结合图3所示，本实施例中，在转子铁心5的极靴51上设有转子磁障，所述转子磁障包括交轴磁障7和直轴磁障6，结合图4所示，对应于每个磁极上均设有三交轴磁障7和两直轴磁障6，三交轴磁障7沿阻尼绕组1径向方向设置且分别与该磁极上中间的三阻尼槽52相连接，用于阻碍交轴负序磁通和阻尼绕组漏磁磁通，抑制交轴电枢反应，两直轴磁障6设置于对应极靴的两侧，且沿转子切向方向设置，用于阻碍直轴负序磁通和交轴负序磁通，抑制交直轴电枢反应。
40.本实施例中转子磁障为填充有空气的矩形槽口，所述矩形槽口贯穿转子铁心5，且边缘经过倒角处理。
41.本实施例在转子铁心上沿周向设有若干减重孔8，进一步减轻转子的重量。
42.本实施例中转子铁心在磁极中心处对应设有一阻尼槽52，该阻尼槽52对应连接有一交轴磁障7，该交轴磁障7与对应的铆钉槽53连通，形成复合型槽口结构。
43.磁障一般用于永磁电机中，用于增加凸极比以增大转距，但本实施例中设置的磁障用于电励磁无刷同步电机中，通过在上述位置设置交轴磁障7和直轴磁障6，可增大交直轴磁阻，抑制负序电枢反应磁通和阻尼绕组漏磁通进而减小负序电抗大小，以提高电机抗不平衡负载能力减小电压总谐波含量。
44.磁障作用机理和电枢反应交直轴电抗的计算过程如下：
45.假设：1.电枢槽部导体中电流集中在槽中心线上；2.槽开口的影响以气隙系数来计及。
46.图5标出了磁障关键参数，其中l
ri
为磁障的径向长度，l
ti
为磁障的切向长度。当l
ri
》l
ti
时，磁障为交轴主磁障，当l
ri
《l
ti
时，磁障为直轴主磁障。
47.图6为转子内置磁障后的等效磁路图，根据图6建立磁障数学模型：
[0048][0049]
式中，μi为径向长度微元后的单个磁障磁导，μ0为空气磁导率，s为磁障截面积，δ为磁障长度lz为转子铁心轴向长度。
[0050][0051]
式中，μm为分布式气隙磁障串联磁导，c为分布式气隙磁障串联个数。
[0052][0053]
式中，μ
am
为单个气隙磁障径向长度为lr时的分布式磁障串联磁导。
[0054][0055]
式中，μ
fm
为单个铁心磁障径向长度为(l
psh-lr)时的分布式磁障串联磁导。
[0056][0057]
式中，μs为转子内置分布式磁障总磁导。
[0058]
直轴负序电枢反应发生时，负序电枢反应直轴磁路如图7所示，此时c＝2，i＝2，负序电枢反应直轴磁障磁导为：
[0059][0060]
交轴负序电枢反应发生时，负序电枢反应交轴磁路如图9所示，此时c＝7，i＝1，负序电枢反应交轴磁障磁导为：
[0061][0062]
负序电枢反应交直轴电抗为：
[0063][0064][0065]
由式(1.5)可得，磁障数量c增大，磁障切向长度l
ti
增大，磁障径向长度l
ri
增大，都可以减小转子内置分布式磁障总磁导μs。在此基础上，结合式(1.8)、式(1.9)可知：上述磁障关键参数的增大可导致发电机的xd、xq减小。
[0066]
根据上述推导，参照图4所示，通过在转子极靴51内两侧开设磁障长度方向为转子切向方向的直轴磁障6，可以等效增加直轴负序磁通方向气隙长度，如图7所示，相比于图8所示未设置直轴磁障的转子，可增大交直轴磁阻，抑制负序交直轴电枢反应，降低负序电枢反应电抗。参照图4所示，本实施例通过在转子内沿转子铁心4径向方向设置与阻尼槽52相
连接的交轴磁障7，可以等效增加交轴负序磁通方向气隙的长度，增大交轴磁阻，如图9所示，相比于图10所示未设置交轴磁障的转子，可抑制交轴电枢反应，降低交轴电枢反应磁通。
[0067]
为验证转子内置磁障后，发电机输出电压总谐波含量和抗不平衡负载能力的变化情况，采用有限元法仿真计算对比了转子内置磁障前后的输出电压总谐波含量和抗不平衡负载能力。
[0068]
参照图12和图13，此时发电机运行于额定负载工况，当负载功率因数为0.75时，转子内置磁障的发电机输出电压总谐波含量由1.425％下降至0.724％，当负载功率因数为1.0时，输出电压总谐波含量由1.204％下降至1.071％。由上述对比可知：稳态平衡负载工况下，较于转子未置磁障，转子内置磁障的发电机输出电压总谐波含量更低。
[0069]
参照图14和图15，发电机运行于负载功率因数为1.0时的各典型不平衡负载工况，其中，1/6不平衡负载为a相带1/6倍额定负载，b相c相为空载；1/3不平衡负载为a相带1/3倍额定负载，b相c相为空载；2/3不平衡负载为a相带2/3倍额定负载，b相c相为空载。发电机的抗不平衡负载能力由电压不平衡度δu和相移δp来表征，相同负载工况下，δu和δp越小，发电机抗不平衡负载能力越强：
[0070][0071]
δp＝[p-120
°
]
max
(1.11)
[0072]
式中，u为任意相电压，u
avg
为三相电压平均值，p为任意两相夹角。
[0073]
参照图14、图15和表1可知：发电机带不平衡负载越大，发电机输出电压不平衡度和相移都在增加；发电机转子内置磁障后，各个典型不平衡负载工况下的输出电压不平衡度和相移都降低了，进一步验证了转子内置磁障的发电机的抗不平衡负载能力提高了。
[0074]
表1为典型不平衡负载工况下的输出电压不平衡度和相移大小。
[0075]
表1典型不平衡负载工况下输出三相电压不平衡度与相移
[0076][0077]
综上所述，本实施例通过在负序交直轴电枢反应磁通方向上开设转子交直轴磁障，有效减小负序交直轴电枢反应电抗xd、xq以及阻尼绕组漏电抗x
σ
，提高了发电机抗不平衡负载能力，降低了输出电压总谐波含量，进而减小了铁耗和交流铜耗，也改善了电机各类输出特性，整体提高了发电机输出电能品质。由于磁障介质为空气，也提高了发电机的功率密度。
[0078]
实施例二
[0079]
本实施例的内置分布式磁障的无刷同步电机主电机转子结构与实施例一基本相同，不同之处在于，如图11所示，本实施例中直轴磁障6呈水滴形，且靠近极靴51两侧的一端宽度较窄；交轴磁障7也呈水滴形，且靠近阻尼槽52一端宽度较宽，且该宽度不超过阻尼槽直径，且交轴磁障7不与阻尼槽52连接，以免影响阻尼绕组的结构。
[0080]
本实施例通过开设转子交直轴磁障，同样可有效减小负序交直轴电枢反应电抗以及阻尼绕组漏电抗；且相比于实施例一中的矩形倒角磁障在具有同样的输出电能质量效果情况下，本实施例的水滴型磁障减小了槽口面积，结构上更为稳定。
[0081]
本发明的技术方案不局限于上述各实施例，凡采用等同替换方式得到的技术方案均落在本发明要求保护的范围内。