一种新型超高速永磁辅助同步磁阻发电机及直流发电系统

本发明属于电机应用，具体涉及一种新型超高速永磁辅助同步磁阻发电机及直流发电系统。

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、在无永磁同步磁阻发电机基础上，往转子空气磁障内施加少量高性能稀土永磁材料或大量低性能铁氧体永磁材料，即可构成永磁辅助同步磁阻发电机。永磁辅助同步磁阻发电机兼具永磁电机高效率、高功率因数和同步磁阻电机低转矩脉动、低振动噪声、发电电压正弦性好等优点，并且能够充分利用磁阻转矩实现稀土少量化或去稀土化，在提高电机性能的基础上有效降低电机成本和对战略稀土资源的依赖。然而，一方面由于转子空气磁障的存在导致转子机械强度相对较差，限制了其高速运行能力；另一方面由于定子采用单套绕组，导致励磁磁场及发电电压难以调节，限制了其变速变载恒压发电运行能力，成为制约其用于航空发电系统的瓶颈问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种新型超高速永磁辅助同步磁阻发电机及直流发电系统，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：一种新型超高速永磁辅助同步磁阻发电机及直流发电系统，发电机包括：

3、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；

4、定子复合绕组，嵌放于定子槽内，所述定子复合绕组包括一套励磁绕组和一套功率绕组，所述励磁绕组和功率绕组嵌放于所述定子槽中，且励磁绕组和功率绕组共磁路、相互之间无电的直接联系；

5、实心转子，转配于定子铁心。

6、作为一种优选的实施方式，所述实心转子为拼插式永磁辅助同步磁阻实心转子，所述拼插式实心转子包括导磁铁心段转子、实心磁障段转子、第一永磁体和护套，所述第一永磁体嵌放于实心磁障段转子，所述导磁铁心段转子和实心磁障段转子均设置于护套内，所述实心磁障段转子的尾端设置有转轴，所述导磁铁心段转子的前端设置有转轴。

7、作为一种优选的实施方式，所述实心磁障段转子的前端沿轴向开设有若干个空气槽，所述导磁铁心段转子的尾端沿轴向开设有若干个空气槽，且实心磁障段转子的空气槽形状与导磁铁心段转子开槽后铁心的形状相同，所述实心磁障段转子和导磁铁心段转子与第一永磁体通过拼插贴合相连接，所述实心磁障段转子和导磁铁心段转子与护套之间为过盈配合。

8、作为一种优选的实施方式，所述实心转子为嵌入式永磁辅助同步磁阻实心转子，所述嵌入式永磁辅助同步磁阻实心转子包括实心磁障、若干层导磁铁心和第二永磁体，所述实心磁障的两端均设置有转轴，所述实心磁障的外壁沿轴向开设有若干个空气槽，且穿过轴心的空气槽为永磁体槽，用于嵌放第二永磁体，所述第二永磁体位于所述实心磁障的轴心大幅减小拉应力，且导磁铁心对称轴两侧的高速离心力分量相互抵消，仅剩垂直于对称轴的离心力径向分量，可通过所述非导磁高强合金实心磁障的端部进行平衡。

9、作为一种优选的实施方式，所述实心磁障各层空气槽的形状与导磁铁心的形状完全相同，所述导磁铁心通过过盈配合嵌入所述实心磁障的空气槽内。

10、一种直流发电系统，所述直流发电系统还包括：

11、励磁变换器、直流负载及电池组、整流器、系统变速变载稳压控制器、转子位置估算器、反馈回路可控开关和泄放电阻；

12、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，用以调节所述励磁绕组的励磁电流；

13、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电压并生成驱动信号，用以控制所述励磁变换器内部功率管器件导通和关断，进而调节所述励磁绕组的励磁电流，实现所述超高速永磁辅助同步磁阻直流发电系统的变速变载恒压发电运行。

14、作为一种优选的实施方式，所述功率绕组的d轴电流分量与所述励磁绕组的励磁电流共同作用产生电励磁磁场，并与永磁磁场合成电机的总励磁磁场，通过调节所述励磁绕组的励磁电流，以对发电机总励磁磁场的调节，实现变速变载恒压发电运行。

15、作为一种优选的实施方式，所述反馈回路可控开关开通、泄放电阻可控开关关断，将自身发电能量的一部分用于控制所述励磁绕组电流，以调节系统变速变载稳压运行，同时当系统故障运行时，所述反馈回路可控开关关断、泄放电阻可控开关开通，以切断所述励磁绕组的供电电源，并通过所述泄放电阻将励磁绕组的储能释放，实现故障灭次。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、本发明发电机定子采用励磁绕组与功率绕组共磁路的复合绕组结构，使得发电电压容易调节，能够实现变速变载恒压发电运行；且提高了转子机械强度，能够实现超高速运行，解决了同步磁阻发电机高速运行和变速变载恒压发电问题，其次采用少量高性能耐高温稀土的第一永磁体或第二永磁体，能够降低永磁体高温退磁风险、满足短路故障电流和开路故障电压约束条件，解决故障灭磁困难问题，具备无刷化结构、小容量控制变换器、可靠性高、效率高、功率密度高和输出直流电压脉动小好的特点。

技术特征：

1.一种新型超高速永磁辅助同步磁阻发电机，其特征在于，所述发电机包括：

2.根据权利要求1所述的一种新型超高速永磁辅助同步磁阻发电机，其特征在于：所述实心转子为拼插式永磁辅助同步磁阻实心转子，所述拼插式实心转子包括导磁铁心段转子、实心磁障段转子、第一永磁体和护套，所述第一永磁体嵌放于实心磁障段转子，所述导磁铁心段转子和实心磁障段转子均设置于护套内，所述实心磁障段转子的尾端设置有转轴，所述导磁铁心段转子的前端设置有转轴。

3.根据权利要求2所述的一种新型超高速永磁辅助同步磁阻发电机，其特征在于：所述实心磁障段转子的前端沿轴向开设有若干个空气槽，所述导磁铁心段转子的尾端沿轴向开设有若干个空气槽，且实心磁障段转子的空气槽形状与导磁铁心段转子开槽后铁心的形状相同，所述实心磁障段转子和导磁铁心段转子与第一永磁体通过拼插贴合相连接，所述实心磁障段转子和导磁铁心段转子与护套之间为过盈配合。

4.根据权利要求1所述的一种新型超高速永磁辅助同步磁阻发电机，其特征在于：所述实心转子为嵌入式永磁辅助同步磁阻实心转子，所述嵌入式永磁辅助同步磁阻实心转子包括实心磁障、若干层导磁铁心和第二永磁体，所述实心磁障的两端均设置有转轴，所述实心磁障的外壁沿轴向开设有若干个空气槽，且穿过轴心的空气槽为永磁体槽，用于嵌放第二永磁体，所述第二永磁体位于所述实心磁障的轴心大幅减小拉应力，且导磁铁心对称轴两侧的高速离心力分量相互抵消，仅剩垂直于对称轴的离心力径向分量，可通过所述实心磁障的端部进行平衡。

5.根据权利要求4所述的一种新型超高速永磁辅助同步磁阻发电机，其特征在于：所述实心磁障各层空气槽的形状与导磁铁心的形状完全相同，所述导磁铁心通过过盈配合嵌入所述实心磁障的空气槽内。

6.一种直流发电系统，包括如权利要求1-5任意一项所述的一种新型超高速永磁辅助同步磁阻发电机，其特征在于：所述直流发电系统还包括：

7.根据权利要求6所述的一种直流发电系统，其特征在于：所述功率绕组的d轴电流分量与所述励磁绕组的励磁电流共同作用产生电励磁磁场，并与永磁磁场合成电机的总励磁磁场，通过调节所述励磁绕组的励磁电流，以对发电机总励磁磁场的调节，实现变速变载恒压发电运行。

8.根据权利要求6所述的一种直流发电系统，其特征在于：所述反馈回路可控开关开通、泄放电阻可控开关关断，将自身发电能量的一部分用于控制所述励磁绕组电流，以调节系统变速变载稳压运行，同时当系统故障运行时，所述反馈回路可控开关关断、泄放电阻可控开关开通，以切断所述励磁绕组的供电电源，并通过所述泄放电阻将励磁绕组的储能释放，实现故障灭次。

技术总结
本发明公开了一种新型超高速永磁辅助同步磁阻发电机及直流发电系统，属于电机应用技术领域，本发明发电机定子采用励磁绕组与功率绕组共磁路的复合绕组结构，使得发电电压容易调节，能够实现变速变载恒压发电运行；且提高了转子机械强度，能够实现超高速运行，解决了同步磁阻发电机高速运行和变速变载恒压发电问题，其次采用少量高性能耐高温稀土的第一永磁体或第二永磁体，能够降低永磁体高温退磁风险、满足短路故障电流和开路故障电压约束条件，解决故障灭磁困难问题，具备无刷化结构、小容量控制变换器、可靠性高、效率高、功率密度高和输出直流电压脉动小好的特点。

技术研发人员：赵博,鲁炳林,刘剑,焦提操,李存贺,李海涛,尹文良
受保护的技术使用者：山东理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16