CN116683722A - 一种无线供电的无刷电励磁同步电机 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电机领域，具体涉及一种无线供电的无刷电励磁同步电机。所述无刷电励磁同步电机的转轴上安装有基于无线供电的励磁装置，所述励磁装置的发射端采用骨架环套型磁芯和双磁极型环形发射线圈，通过非导电非导磁机械材料固定于电励磁电机机壳外部，与外部补偿拓扑和逆变源连接；所述励磁装置的接收端采用三个沿周向方向阵列的弧形磁芯和弧形接收线圈，通过胶粘方式固定于电机转轴上，随电机转子同步旋转，所述励磁装置的弧形接收线圈连接旋转整流器后与电励磁电机励磁绕组串联，产生励磁磁场；所述励磁装置的发射端和接收端之间存在气隙，无电气连接，所述无刷电励磁同步电机基于无线电能传输的方式向励磁绕组供电，实现电机的无刷励磁。本发明为了解决现有电励磁同步电机中可靠性差、安全性低、转速受限以及电刷滑环易磨损、维修频繁等问题。
Description
技术领域
本发明属于电机领域，具体涉及一种无线供电的无刷电励磁同步电机。
背景技术
出于对降低成本和降低对稀土永磁材料的过度开采等问题的考虑，电励磁同步电机重新进入各企业和研究机构的视野。相比于永磁同步电机，电励磁同步电动机无需永磁体励磁，在高转速区域可以通过调节调节励磁电流来控制转子产生的磁场，进而调节转速，无需定子侧弱磁电流，从而在相同的条件下，高速区的具有更高的效率。同时具有调速范围宽、成本低、过载能力强、控制简单等优点，逐渐成为风力发电机、船舶推进、电动汽车等领域中电机的研究热点。
然而，传统电励磁电机需要采用电刷和滑环装置来为转子励磁绕组供电，该装置存在易磨损、可靠性差、使用寿命短、易出现电火花、接触不良、旋转速度受限等一系列问题。因此，迫切地需要无刷励磁的电励磁电机来解决上述问题。
无刷化电励磁电机已成为电机领域中国内外学者研究的重点。南京航空航天大学提出了一种励磁机式无刷电励磁电机，通过在转轴上安装了副励磁机、旋转励磁机和主发电机设备，实现电励磁电机的无刷励磁[Y.Li,B.Zhou,J.WeiandC.Han.ModelingofStarter/GeneratorBasedonThree-stageBrushlessSynchronousMachines，2010InternationalConferenceonElectricalandControlEngineering,China,2010]。但该方式增大电机体积，导致电机功率密度降低。韩国的科研团队提出了一种谐波励磁方式[S.S.H.Bukhari.etal.ANewSmall-ScaleSelf-ExcitedWoundRotorSynchronousMotorTopology[J].IEEETransactionsonMagnetics,2021]，但该方式影响了电枢绕组的反电势，增加了电机的转矩脉动。
针对现有研究中存在的不足之处，本发明提出了一种无线供电的无刷电励磁同步电机，该电机利用无线电能传输技术实现了转子励磁绕组的无线供电，实现了电机的无刷励磁。该电机取消了传统电励磁电机的电刷和滑环结构，解决了传统电励磁电机易磨损、可靠性差等问题；无需改变传统电励磁电机的内部结构，不会降低电机的功率密度；具备低漏磁场，无线电能传输部分不会对电机转轴和电机主磁场产生影响，效率高；电机旋转过程中，励磁绕组的输入电压恒定，不会影响电机的励磁功率，进而提升了电励磁电机的应用范围。
发明内容
本发明提供一种无线供电的无刷电励磁同步电机，为了解决现有电励磁同步电机中可靠性差、安全性低、转速受限以及电刷滑环易磨损、维修频繁等问题。
本发明通过以下技术方案实现：
一种无线供电的无刷电励磁同步电机，所述无刷电励磁同步电机的转轴上安装有基于无线供电的励磁装置，所述励磁装置的发射端采用骨架环套型磁芯和双磁极型环形发射线圈，通过非导电非导磁机械材料固定于电励磁电机机壳外部，与外部补偿拓扑和逆变源连接；
所述励磁装置的接收端采用三个沿周向方向阵列的弧形磁芯和弧形接收线圈，通过胶粘方式固定于电机转轴上，随电机转子同步旋转，所述励磁装置的弧形接收线圈连接旋转整流器后与电励磁电机励磁绕组串联，产生励磁磁场；
所述励磁装置的发射端和接收端之间存在气隙，无电气连接，所述无刷电励磁同步电机基于无线电能传输的方式向励磁绕组供电，实现电机的无刷励磁。
进一步的，所述励磁装置的发射端骨架环套型磁芯由3个端环磁芯和2n个条形磁芯组成，其中n为整数且n≥6，
所述条形磁芯沿周向方向圆周排列排布，与平行放置的两个端环磁芯相连接，形成闭合磁路，
所述励磁装置的发射端双磁极型环形发射线圈12由3个双磁极型环形线圈结构，每个线圈均为m匝，固定于3个端环磁芯内表面，且中心面与端环磁芯中心面重合；3个发射线圈在电路上串联连接，且相邻两个发射线圈的绕线方向相反；线圈通电后沿轴向方向产生2个等效磁极，通过发射端骨架环套型磁芯11和接收端弧形磁芯13形成闭合回路向接收线圈供电。
进一步的，任意相邻2个条形磁芯之间的圆周角为360°/n；所述发射端骨架环套型磁芯11采用软磁锰锌铁氧体材料，端环磁芯的厚度与条形磁芯的厚度相同。
进一步的，所述发射线圈采用高频利兹线或多股漆包线，通过条形磁芯之间的空隙引出与发射端电源连接。
进一步的，所述励磁装置的接收端型磁芯由3个弧形磁芯组成，3个所述弧形磁芯沿周向方向圆周排列排布，且相邻两个磁芯之间对应的圆周角为120°；
所述励磁装置的接收端线圈由6个完全一致的弧形线圈组成，采用高频利兹线或多股漆包线；每个弧形线圈的长度小于弧形接收端弧形磁芯13长度lTc的1/2，宽度小于弧形接收端弧形磁芯13的宽度；每2个弧形接收线圈沿轴向方向通过反串的连接方式构成一组接收线圈，相邻两个接收线圈的绕线方向相反，并固定于弧形磁芯的外表面，共构成3组接收线圈；3组接收线圈串联在一起后连接谐振拓扑和旋转变压器，向励磁绕组供电。
6.根据权利要求5所述一种无线供电的无刷电励磁同步电机，3个所述弧形磁芯沿轴向方向，弧形接收端弧形磁芯13的长度与发射端骨架环套型磁芯的长度相同，厚度与发射端骨架环套型磁芯11厚度相同，采用软磁锰锌铁氧体材料。
本发明的有益效果是：
本发明利用无线电能传输技术实现了转子励磁绕组的无线供电，取代了传统电励磁电机的电刷和滑环结构，解决了电刷易磨损、可靠性差、接触不良、转速受限等问题，提高电机使用寿命及运行的安全性和稳定性；相较于谐波励磁、励磁机励磁等传统励磁方式，无需改变电机的内部结构，不会降低电机的功率密度；无线励磁装置具备自屏蔽功能，漏磁场低，不会对电机转轴和电机主磁场产生影响，效率高，采用骨架环套型磁芯，成本低，功率密度高；相比励磁机式、谐波式无刷励磁方式，无线励磁装置励磁功率可调，扩大了调速范围、提升了电机功率因数，且电机定速旋转过程中，无线励磁装置的输出电压恒定，不会影响电机的励磁功率。
附图说明
图1为本发明所述无线供电的无刷电励磁电机的结构示意图。
图2为本发明所述无线供电的无刷电励磁电机的系统框图。
图3为本发明所述基于无线供电的无刷励磁装置的结构示意图。
图4为图3的主视图。
图5为图3的侧视图。
图6为本发明所述无刷励磁装置中接收线圈及磁芯的结构示意图。
图7为本发明所述基于无线供电的无刷励磁装置的主磁路图。
无刷励磁装置1；骨架环套型磁芯11；双磁极型环形发射线圈12；弧形磁芯13；接收端双极环形线圈14；电励磁电机2；转轴3。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如附图1所示，本发明所述的一种无线供电的无刷电励磁同步电机，在转轴3上安装有基于无线供电的励磁装置1，所述励磁装置1的发射端采用骨架环套型磁芯11和双磁极型环形发射线圈12，通过非导电非导磁机械材料固定于电励磁电机2机壳外部；所述励磁装置1的接收端采用三个沿周向方向阵列的弧形磁芯13和弧形接收线圈14，通过胶粘方式固定于电机转轴3上，随电机转子同步旋转，弧形接收线圈14连接旋转整流器后与电励磁电机2励磁绕组串联，产生励磁磁场；励磁装置1的发射端和接收端之间存在气隙，无电气连接，基于无线电能传输的方式向励磁绕组供电。
如附图2所示，本发明所述的无线供电的无刷电励磁同步电机中，基于无线供电的励磁装置1的双磁极型环形发射线圈12与外部补偿拓扑和逆变源连接，其中发射端补偿拓扑为串联补偿，与逆变源集成在一起，用于提高系统的功率因数；逆变源产生高频交流电压在发射线圈中产生高频电流，进而在空间中激发出高频磁场，向转轴3上弧形接收线圈14进行能量的无线传输；弧形接收线圈14在产生感应电动势后，连接转轴3上固定的接收端补偿拓扑后与旋转整流器连接，进而通过导线与电励磁电机2的励磁绕组串联，产生励磁电流；
所述励磁装置的旋转部分与电机转子同步旋转，实现了电励磁电机2的无刷励磁。励磁装置1在电机旋转的过程中，双磁极型环形发射线圈12和弧形接收线圈14之间的总互感保持不变，在发射电流固定的前提下可以实现电励磁电机2励磁功率恒定。
在电励磁电机2调速的过程中，可以通过电枢绕组电流和转子励磁电力协同配合的调节方式；通过控制发射端逆变源的输出电压，改变弧形接收线圈14的输出功率，进而控制励磁电流，实现调控电机气隙磁密，控制电机输出特性的目的。
如附图3至附图5所示，所述励磁装置1的发射端骨架环套型磁芯11由3个端环磁芯和2n个条形磁芯组成，其中n为整数且n≥6，条形磁芯沿周向方向圆周排列排布，连接平行放置的两个端环磁芯，形成闭合磁路，任意相邻2个条形磁芯之间的圆周角为360°/n；所述发射端骨架环套型磁芯11采用软磁锰锌铁氧体材料，端环磁芯的厚度与条形磁芯的厚度相同；所述双磁极型环形发射线圈12由3个双磁极型环形线圈结构，每个线圈均为m匝，通过胶粘等方式固定于3个端环磁芯内表面，且中心面与端环磁芯中心面重合；3个双磁极型环形发射线圈12在电路上串联连接，且相邻两个双磁极型环形发射线圈12的绕线方向相反；所述双磁极型环形发射线圈12采用高频利兹线或多股漆包线，通过条形磁芯之间的空隙引出与发射端电源连接；
如附图6所示，所述励磁装置接收端型磁芯由3个弧形磁芯13组成，沿周向方向圆周排列排布，且相邻两个磁芯之间对应的圆周角为120°；沿轴向方向，接收端弧形磁芯13的长度与发射端骨架环套型磁芯11的长度相同，接收端弧形磁芯13厚度与发射端骨架环套型磁芯11厚度相同，采用软磁锰锌铁氧体材料；所述接收端线圈由6个完全一致的弧形线圈组成，采用高频利兹线或多股漆包线；每个弧形接收线圈14的长度略小于弧形磁芯13长度lTc的1/2，宽度略小于弧形接收端弧形磁芯13的宽度；每2个弧形接收线圈14沿轴向方向通过反串的连接方式构成一组接收线圈，相邻两个弧形接收线圈14的绕线方向相反，并通过胶粘的方式固定于弧形磁芯13的外表面，共构成3组接收线圈；3组弧形接收线圈14串联在一起后连接谐振拓扑和旋转变压器，向励磁绕组供电。进一步地，所述的励磁装置发射端与励磁装置接收端采用同轴、共中心面安装方式，即发射端骨架环套型磁芯11的外端面与接收端弧形磁芯13的外端面对齐，此时弧形接收线圈14与发射端的双磁极型环形线圈12正对，耦合程度最高，输出功率和传输效率最高；所述的发射线圈和接收线圈之间存在气隙距离，气隙距离的长度应小于0.08lTc；当气隙距离不满足上述条件时，发射、接收线圈之间的耦合系数迅速降低，励磁功率较小，无法正常实现电励磁电机2的励磁。
下面来说明励磁装置产生的主磁场分布。如附图7所示，所述相邻两个双磁极型环形发射线圈12的通入的电流方向相反，故双磁极型环形发射线圈12通电后沿轴向方向产生2个等效磁极，通过发射端骨架环套型磁芯11和接收端弧形磁芯13形成闭合回路向弧形接收线圈14供电；所述的单组弧形接收线圈14中两个弧形接收线圈的绕线相反，经反相串联后连接，因此两个弧形接收线圈14中的感应电压相互叠加，产生总的感应电压后经过旋转变压器输出直流电流向电励磁绕组供电；在电励磁电机2旋转的过程中，发射端骨架环套型磁芯11和发射端双磁极型环形发射线圈12静止固定，而接收端弧形磁芯13和接收线圈随转轴同步旋转，在旋转的过程中，双磁极型环形发射线圈12和弧形接收线圈14之间的互感保持基本恒定，通过控制逆变源输出电压恒定，可以实现电机旋转过程中励磁功率的恒定。通过发射端骨架端环型磁芯11和接收端弧形磁芯13，主磁通形成闭合主磁路，同时接收端弧形磁芯13的尺寸大于接收线圈，能够很好的屏蔽接收线圈产生的漏磁场，不会在电机金属转轴中产生感应损耗；在无线励磁装置外部，两侧的发射线圈产生的磁场方向与中间位置的励磁线圈产生的磁场方向相反，因此在主磁路部分3个双磁极型环形线圈12产生的主磁场相互叠加，在励磁装置外部产生的漏磁场相互抵消，使得本发明所述的无线励磁装置具有良好的电磁兼容性和低漏磁场特性。
Claims (6)
1.一种无线供电的无刷电励磁同步电机，其特征在于，所述无刷电励磁同步电机的转轴上安装有基于无线供电的励磁装置，所述励磁装置的发射端采用骨架环套型磁芯和双磁极型环形发射线圈，通过非导电非导磁机械材料固定于电励磁电机机壳外部，与外部补偿拓扑和逆变源连接；
所述励磁装置的接收端采用三个沿周向方向阵列的弧形磁芯和弧形接收线圈，通过胶粘方式固定于电机转轴上，随电机转子同步旋转，所述励磁装置的弧形接收线圈连接旋转整流器后与电励磁电机励磁绕组串联，产生励磁磁场；
所述励磁装置的发射端和接收端之间存在气隙，无电气连接，所述无刷电励磁同步电机基于无线电能传输的方式向励磁绕组供电，实现电机的无刷励磁。
2.根据权利要求1所述一种无线供电的无刷电励磁同步电机，其特征在于，所述励磁装置的发射端骨架环套型磁芯由3个端环磁芯和2n个条形磁芯组成，其中n为整数且n≥6，
所述条形磁芯沿周向方向圆周排列排布，与平行放置的两个端环磁芯相连接，形成闭合磁路，
所述励磁装置的发射端线圈由3个双磁极型环形线圈结构，每个线圈均为m匝，固定于3个端环磁芯内表面，且中心面与端环磁芯中心面重合；3个发射线圈在电路上串联连接，且相邻两个发射线圈的绕线方向相反；线圈通电后沿轴向方向产生2个等效磁极，通过发射端磁芯和接收端磁芯形成闭合回路向接收线圈供电。
3.根据权利要求2所述一种无线供电的无刷电励磁同步电机，其特征在于，任意相邻2个条形磁芯之间的圆周角为360°/n；所述发射端磁芯采用软磁锰锌铁氧体材料，端环磁芯的厚度与条形磁芯的厚度相同。
4.根据权利要求2所述一种无线供电的无刷电励磁同步电机，其特征在于，所述发射线圈采用高频利兹线或多股漆包线，通过条形磁芯之间的空隙引出与发射端电源连接。
5.根据权利要求1所述一种无线供电的无刷电励磁同步电机，其特征在于，所述励磁装置的接收端型磁芯由3个弧形磁芯组成，3个所述弧形磁芯沿周向方向圆周排列排布，且相邻两个磁芯之间对应的圆周角为120°；
所述励磁装置的接收端线圈由6个完全一致的弧形线圈组成，采用高频利兹线或多股漆包线；每个弧形线圈的长度小于弧形接收端磁芯长度lTc的1/2，宽度小于弧形接收端磁芯的宽度；每2个弧形接收线圈沿轴向方向通过反串的连接方式构成一组接收线圈，相邻两个接收线圈的绕线方向相反，并固定于弧形磁芯的外表面，共构成3组接收线圈；3组接收线圈串联在一起后连接谐振拓扑和旋转变压器，向励磁绕组供电。
6.根据权利要求5所述一种无线供电的无刷电励磁同步电机，其特征在于，3个所述弧形磁芯沿轴向方向，弧形接收端磁芯的长度与发射端骨架环套型磁芯的长度相同，厚度与发射端磁芯厚度相同，采用软磁锰锌铁氧体材料。
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