一种新型复合绕组高速永磁感应子式直流发电系统

本发明属于电机应用，具体涉及一种新型复合绕组高速永磁感应子式直流发电系统。

背景技术：

1、航空领域的发电系统对发电机的高温高速环境适应性、功率密度、效率等指标都提出很高要求，使得高速发电机成为首选。随着多电/全电飞机的发展，为适应航空系统对电源品质和容量不断提高的要求，高压直流发电系统、变频交流发电系统得到越来越多的重视。高压直流电源系统具有容量大、重量轻、效率高、简化航电设计、简化地勤维护、可靠性高、电磁兼容性好、易并联实现不间断供电和多余度供电等突出优势，是航空电源系统的重要发展方向，国内外学者研究较多，在一些先进飞机上也得到了应用。发电系统作为航空独立电源系统的核心部件，应具备无刷化结构、变速变载恒压发电能力、容量尽量小的控制变换器、高可靠性、高效高功率密度等基本特点。

2、现有航空交流发电机系统基本都采用三级式无刷同步电机，开关磁阻电机、永磁同步电机、异步电机、电励磁双凸极电机是目前用于航空发电系统的其他几种主要电机类型。三级式无刷同步电机由于转子结构复杂、起动困难，难以实现高速和起动发电运行，限制了其进一步发展应用。开关磁阻电机高速运行时转矩脉动大、振动噪声大、效率低等瓶颈问题难以解决，并且由于全部励磁由电枢绕组电流提供、发电电压脉动大、输出电压非正弦，导致功率变换器容量和重量大、滤波器体积重量大、只适用于高压直流发电系统中。电励磁双凸极电机在开关磁阻电机基础上衍化发展而来，继承了其结构优点，同时存在双凸极结构带来的问题，但相比开关磁阻电机增加了独立的励磁绕组，电枢绕组无需提供励磁电流，发电控制更加简单可靠。永磁同步电机和异步电机均为正弦波电机，均可用于高压直流和变频交流发电系统中，但前者由于永磁体的存在，导致高温退磁风险、故障灭磁困难，降低了系统可靠性；后者由于转差频率的存在，导致较高的转子损耗和电机发热，降低了系统效率，这成为限制两者用于高可靠性、高效率航空发电系统的瓶颈问题。

3、永磁感应子式发电机具有转子结构简单、无电刷和滑环装置、易实现高速运行、发电效率和功率密度较高、转矩脉动小、振动噪声小、发电电压易调节、发电品质好等优点，然而，对于传统永磁磁场和电励磁磁场共磁路结构的永磁感应子式发电机，永磁磁路和电励磁磁路均为三维轴－径混合磁路，即永磁磁场和电励磁磁场均需沿轴向垂直穿过定(转)子铁心叠片及叠片间的绝缘气隙，导致较大的磁压降损失和轴向非线性非均匀磁场分布，进一步导致发电机效率和铁心材料整体利用率降低；对于传统永磁磁场和电励磁磁场独立磁路结构的轴向复合永磁感应子式发电机，电机整体结构复杂，导致电机体积和重量增大、功率密度降低，并且电励磁磁场三维轴－径向分布结构导致的性能弊端仍存在。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种新型复合绕组高速永磁感应子式直流发电系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种新型复合绕组高速永磁感应子式直流发电系统，包括复合绕组高速永磁感应子式发电机、励磁绕组侧、功率绕组侧、励磁变换器、励磁电容、直流负载、整流器、系统变速变载稳压控制器、旋转变压器和反馈回路可控开关；

3、所述复合绕组高速永磁感应子式发电机，用于在起动建压阶段，且在外接的原动机的作用下产生永磁旋转磁场和永磁磁动势，在所述功率绕组侧输出交流电压，一方面在所述励磁电容上产生无功电流和无功功率，另一方面通过所述整流器将交流电压整流为直流电压后在所述直流负载上产生发电有功功率；

4、所述直流负载，用于在闭合所述反馈回路可控开关时，所述直流负载的直流电压接入所述励磁变换器，并通过所述励磁变换器逆变为交流电压后给所述励磁绕组侧供电，以通过所述系统变速变载稳压控制器的闭环控制，在所述励磁绕组中产生励磁电流，该励磁电流与所述励磁电容无功电流中的励磁分量共同在发电机中产生电励磁旋转磁场；

5、所述系统变速变载稳压控制器，用于实时检测所述励磁绕组的电流瞬时值和所述直流负载的电压，控制所述励磁变换器内部功率管器件的导通和关断，进而实时调节所述励磁绕组的励磁电流，实现所述复合绕组高速永磁感应子式直流发电系统的变速变载恒压发电运行。

6、作为一种优选的实施方式，所述复合绕组高速永磁感应子式发电机为转子永磁复合绕组高速永磁感应子式发电机，且转子永磁复合绕组高速永磁感应子式发电机包括：

7、单段定子铁心，包括定子轭部和多个定子齿，所述定子齿包括定子齿靴和平行定子齿身，相邻所述定子齿之间形成定子槽；

8、定子复合绕组，嵌放于定子槽中，所述定子复合绕组包括一套励磁绕组和一套功率绕组；

9、两段转子铁心，设置于单段定子铁心内，所述两段转子铁心均为表面凸极磁阻式铁心结构，且两段转子铁心之间沿圆周方向错开一个极距；

10、永磁体，夹放于两段转子铁心之间，所述永磁体沿轴向充磁，使得两段转子铁心的一段转子磁极全部为n极极性，另一段转子磁极全部为s极极性；

11、护套，过盈装配于永磁体，通过给所述永磁体施加一定的预压应力以减小高速运行时永磁体的拉应力。

12、作为一种优选的实施方式，所述复合绕组高速永磁感应子式发电机为定子永磁复合绕组高速永磁感应子式发电机，且定子永磁复合绕组高速永磁感应子式发电机包括：

13、两段定子铁心，包括定子轭部和多个定子齿，所述定子齿包括定子齿靴和平行定子齿身，相邻所述定子齿之间形成定子槽，所述两段定子铁心的齿中心线位置重合；

14、定子复合绕组，嵌放于定子槽中，所述定子复合绕组包括一套励磁绕组和一套功率绕组；

15、两段转子铁心，均为表面凸极磁阻式铁心结构，所述两段转子铁心之间沿圆周方向错开一个极距，即两段转子铁心的一段转子的齿中心线与两段转子铁心的另一段转子的槽中心线位置重合；

16、永磁体，夹放于所述两段定子铁心之间，所述永磁体沿轴向充磁，使得两段定子铁心的一段定子铁心的定子齿全部为n极极性、对应的转子磁极全部为s极极性，且两段定子铁心的另一段定子铁心的定子齿全部为s极极性、对应的转子磁极全部为n极极性。

17、作为一种优选的实施方式，所述励磁绕组与功率绕组均设计为单层绕组或多层绕组的结构，且两套绕组的极对数相同、分别呈对称分布以及共用发电机铁心和气隙磁路，两套所述绕组的磁路均为二维径向-圆周磁路、无轴向磁路，所述两套绕组的相数为至少为两个，且两套绕组电流产生的基波旋转磁场速度相同，当所述两套绕组相数相同时，各对应相的绕组轴线可以重合或者互相错开特定角度。

18、作为一种优选的实施方式，所述两段转子铁心包括转子轭部、转子极身和转子极靴，每段所述转子铁心的磁极中心线设置有d轴，所述两段转子铁心相邻磁极中心线的角平分线位置设置有q轴，通过使所述d轴磁阻小、电感大，而所述q轴磁阻大、电感小，增大d轴q轴的电感差值实现提高电磁转矩中的磁阻转矩分量。

19、作为一种优选的实施方式，所述励磁变换器，用于在所述系统变速变载稳压控制器作用下，将所述功率绕组经整流器反馈的直流电逆变为对称交流电，以调节所述励磁绕组的励磁电流。

20、作为一种优选的实施方式，所述励磁电容、整流器与直流负载采用并联方式连接到所述功率绕组的出线端，且功率绕组输出电压作用于所述励磁电容容抗可产生励磁电容电流，所述励磁电容电流、整流器、直流负载交流侧的电流叠加合成功率绕组输出电流。

21、作为一种优选的实施方式，所述功率绕组输出电流中的d轴分量与所述励磁绕组的励磁电流共同作用，产生所述复合绕组高速永磁感应子式发电机的电励磁磁场，与永磁磁场相互叠加形成发电机的总磁场，通过调节所述励磁绕组的励磁电流，实现对发电机电励磁磁场和总磁场的调节，从而实现变速变载恒压发电运行。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

23、本发明在起动建压阶段，系统在永磁体、定子励磁绕组和励磁电容协同自激磁作用下建立输出电压，变速变载恒压发电阶段，通过直流稳压控制器实时调节励磁磁场，实现系统变速变载工况恒定直流电压输出，复合绕组高速永磁感应子式发电机分为转子永磁和定子永磁两种类型，均可实现高速甚至超高速运行，让该发电系统具有无刷化结构、发电电压易调节、输出直流电压脉动小、发电效率搞、功率因数高、功率密度高、故障灭磁容易、可靠性高以及控制变换器容量小的特点，可有效应用于航空电源系统中。