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1、航空电机电磁设计及CAD第二章航空交流发电机的结构方案第二章航空交流发电机的结构方案第二章 航空交流发电机的结构方案2-1 2-1 磁极安装方式磁极安装方式（a）为凸极式， （b）为隐极式。 （l）旋转磁极式 （2）旋转电枢式2-2激磁问题同步电机的励磁系统同步电机的励磁系统 1 1、他激形式、他激形式 2 2、自激形式、自激形式相复励相复励 3 3、三次谐波励磁、三次谐波励磁 4 4、旋转整流器式无刷励磁、旋转整流器式无刷励磁一、激磁方式二、他激及自激 n n他激式他激式 n n自激式自激式 地面电机广泛应用的所谓地面电机广泛应用的所谓“ “三次谐波励磁三次谐波励磁” ”。 三次谐波励磁的主
2、要优点是：三次谐波励磁的主要优点是：n n（1 1）三次谐波绕组输出电压随负载的增加而）三次谐波绕组输出电压随负载的增加而 增加，因而具有自动调整电压的特点。增加，因而具有自动调整电压的特点。n n（2 2）三次谐波励磁的交流发电机的过载能力）三次谐波励磁的交流发电机的过载能力 强。它甚至能启动同容量的异步机。强。它甚至能启动同容量的异步机。 n n（3 3）动态反应速度快。）动态反应速度快。n n（4 4）结构简单、可靠、体积小、重量轻。）结构简单、可靠、体积小、重量轻。 三次谐波励磁也具有缺点主要是：三次谐波励磁也具有缺点主要是：n n（1 1）自激比较困难，实际上这是上述所有自）自激比较
3、困难，实际上这是上述所有自 激线路的通病。激线路的通病。n n（2 2）输出波形较差。）输出波形较差。 自激问题 对于利用整流器把交流整流成直流来激磁的自激交流发电 机，尽管其自激线路形式可以是多种多样的，但都要求比起 一般电机来高得多的剩磁磁通，这是共同的。这一点在设计 磁路时必须给以充分注意，并采取相应措施（嵌永久磁铁等 方法）给以保证。 复激线路的特点是： l激磁电流的大小，同时取决于交流输出电压和电流 ； l不存在失磁问题 ； l一定的自动调压作用 。三、无刷同步发电机的特点1 1、旋转整流器的形式、旋转整流器的形式2、交流励磁机的特点旋转整流器三级电机如何实现起动/发电双功能？n n
4、问题的提出？问题的提出？n n静止或低速时如何获得主发电机励磁？静止或低速时如何获得主发电机励磁？n n改造励磁绕组改造励磁绕组n n单相交流励磁单相交流励磁23 冷却系统一、迎面气流强迫吹风冷却一、迎面气流强迫吹风冷却 二、循油冷却二、循油冷却 三、喷油冷却三、喷油冷却 循油冷却 喷油冷却 2-4 转轴n n弹性连接弹性连接空心轴空心轴+ +软轴软轴n n刚性连接刚性连接电机与负载或原 动机的连接？基于可旋转变换器的同步电机 无刷励磁研究 The Novel Brushless Excitation Based on Rotational Power Electrical Converter
5、国家自然科学基金项目50477013目标和内容 研究目标是：研究电机励磁用旋转变换器的与电机集 成的结构、磁芯旋转后的电磁现象、设计理论、新型 无刷电机的性能，力图将之实用化，为航空、战车提 供新型无刷高功率密度的发电机，增强电励磁同步电 动机在中小功率伺服及驱动系统中的竞争力。旋转变换器无刷励磁原理框图 可旋转 DC-DC 变换器高频可旋转变换器的无刷励磁技术旋转变 压器在电 机中位置 示意图可旋转电力电子DC-DC变换器，是一种 基于感应电能传输技术（Inductive Power Transfer）（IPT）的新型变换器。高频可旋转变换器的无刷励磁技术优点？高频可旋转变换器的无刷励磁技术
6、感应电能传输技 术（Inductive Power Transfer 简称IPT） 分离式感应电 能传输技术滑动式感应电 能传输技术旋转式感应电 能传输技术新型非接触高频电 力电子电能传输技术， 从20世纪90年代初开始 研究，多种场合应用。特点: 1、变压器为旋转下的分 离的耦合方式，电源 和负载单元之间不需 要物理连接就能进行 能量耦合，传递电能 2、变换器一般工作于谐 振态，变压器进行能 量传输受转速影响小 3、消除了触点磨擦，提 高了系统供电的灵活 性，更安全旋转变压器旋转变压器是可旋转变换器的核心部件旋转变压器电磁耦合原理 有限元磁场分析结果 方式(a) 方式(b)线线圈绕组绕组 的
7、分布结结构(a)方式使线圈尽量靠近中心磁柱， (b)方式使原、副线圈尽量正对和靠近。 旋转变压器为对比两种绕制方法，分别绕制两组匝比为8/8的变压器， 测试频率取50kHz和100kHz，测试结果如下表 。表2.1 线圈绕制方式对比表绕制方 法频率 f(kHz )匝比（N1/N2 ）原边电感 Ls (uH)漏感L（uH ）L/Lsa图1008/8364713%508/83548137%b图1008/83623465%508/8352469%(a)方式线圈分布在窗口中较深，匝链了更多的漏磁通。 (b)方式线圈较浅，漏感小旋转变压器实验用旋转变压器采用GU60罐形锰锌材料（MnZn） 铁氧体磁芯，
8、它具有高磁导率和高饱和磁感应强度。 选择方式(b)的绕组结构形式，线圈绕组采用螺旋环 状铜薄片叠成。 (a) 线线圈绕组侧绕组侧 面视图视图 (b) 线线圈绕组绕组 正面视图视图线线圈绕组绕组 正、侧侧面视图视图旋转变压器制作好的旋转变压器外观照片 旋转变压器反激和全桥式可旋转变换器研究旋转变换器方案选择旋 转 变 换 器电路简单、易控制，适宜小功率场合反激式旋转变换器正激式旋转变换器推挽式旋转变换器半桥式旋转变换器全桥式旋转变换器电路形式上与反激式相似有两个开关管，结构简单，能够输出 较大的功率，因此用途广泛 四个开关管组成，能输出大的功率 单 晶 体 管多 晶 体 管反激和全桥式可旋转变换
9、器研究反激式旋转变换器原理图 全桥式可旋转变换器主电路图旋转部分反激和全桥式可旋转变换器研究静止部分34先对可旋转变换器的性 能作一下研究分析，移 相角的变化，转速的变 化对可旋转变换器的输 出电压和电流的影响， 旋转变压器原、副边电 压的影响，为后面的同 步电机无刷励磁打下基 础。 旋转变换器实验平台反激和全桥式可旋转变换器研究35实验结果转速为电机额定转速1500r/min,负载为用电阻和电感串联模拟的同步电机励磁线圈Q1与Q4的驱动波形变压器原副边电压波形输出电压电 流波形输出电压电 流波形Q1与Q4的驱动波形移相角移相角旋转变换器实验波形变压器原、副边电压波形占空比丢 失使得副 边占空
10、比 减小结论：移相全桥旋转变换器用于同步电机的无刷励磁，可以 通过控制移相角的大小方便地调节励磁电流的大小，从而控 制发电机的输出电压。反激和全桥式可旋转变换器研究36在移相角为90，转速由0升高到1500r/min,原副边输出电压的波形。静止时空载时阻感负载时60r/min900r/min1500r/min结论：在移相角为90度，转速由0升高到1500r/min，不同负 载时副边输出电压均没有随转速升高有明显下降。只是在感 性负载时，输出电压有较大尖峰，这是由输出整流管的反向 恢复和变压器的副边漏感造成的。实验测得不同负载时转速与输出电压的关系图 反激和全桥式可旋转变换器研究反激和全桥式可旋
11、转变换器研究结论： l 反激式旋转变换器由于变压器存在较大漏感 ，存在严重的占空比丢失，使传输功率较小 ，只能用在传输功率较低（如几十瓦）能量 的场合； l 移相控制全桥变换电路的变压器交替磁化， 占空比丢失不大，可用于较大的感应电能传 输场合； l 对于中小型同步电机的无刷励磁，励磁容量 在百瓦以上（额定容量的2%左右），应选择 全桥式可旋转变换器。样机利用一台普通 异步电机Y112M-4改 型设计 同步发电机Maxwell模型 根据同步电机定转子 尺寸，在Maxwell中建立同 步发电机的模型。基于全桥可旋转变换器的同步电机无刷励 磁系统分析与实验电机磁场分布 基于全桥可旋转变换器的同步电
12、机无刷励 磁系统分析与实验电机磁场有限元仿真(a) 单单匝定子三相绕组绕组 自感曲线线 (b) 单单匝定子三相绕组绕组 互感曲 线线(c) 单单匝定转转子绕组绕组 互感曲线线 (d) 单单匝励磁绕组绕组 自感曲 线线基于有限元法分析的电电感参数曲线线基于全桥可旋转变换器的同步电机无刷励 磁系统分析与实验电枢绕组励磁绕组同步发电机样机的电磁参数表 基于全桥可旋转变换器的同步电机无刷励 磁系统分析与实验同步发电机励磁控制系统是由两个反馈环组成， 内环是电流环，电压外环的输出信号作为电流环 的给定信号。基于全桥可旋转变换器的同步电机无刷励 磁系统分析与实验无刷励磁控制系统框图 基于全桥可旋转变换器的
13、同步电机无刷励 磁系统分析与实验在这个系统中，包含以下几个主要功能模块：桥式逆变器 模块，桥式整流模块，同步发电机模块，负载模块，电压 电流检测模块，PI调节模块以及移相控制模块。 基于全桥可旋转变换器的同步电机无刷励 磁系统分析与实验输输入直流电压电压电电机转转速0.2s时突加负载，在0.32s时突卸负载 开环闭环发电机电流和端电压幅值波形 突卸负载时发电机端电压和 端电流幅值波形放大图 基于全桥可旋转变换器的同步电机无刷励 磁系统分析与实验基于全桥可旋转变换器的同步电机无刷励 磁系统分析与实验无刷励磁系统实验平台框图 实际无刷励磁系统实验平台照片 控制器 实验平台实验结果左图为旋转变压器原
14、边的电流，对应励磁电流约为1.6A， 右图为电机端电压波形。电压幅值约为320V，频率为50Hz。 旋转变压器原边电流波形 发电机端电压波形 开环实验结果与分析 开 环 实 验在开环控制时，固定移相角不变，励磁电流不变，在整流后的直流 电路中接入阻性负载，观察在突加和突卸阻性负载时，发电机端线 电压的变化情况.从实验中可以看出，电机的特性比较软，电机本身的电枢反 应比较严重，必须外加励磁调节器随时调节励磁电流的大小 ，以补偿定子电流变化时，引起的磁场变化。闭环实验结果与分析 闭 环 实 验 闭环实验是加入自动励磁调节器以后，再观察电机端电压在突加和 突卸负载时的变化情况。由实验中可以看出，在负
15、载电流变化时，通过励磁调节器 的作用，端电压可以保持稳定，突加负载时，调节时间大 约在70ms；突卸负载时，调节时间约为100ms。创新与特点 将新型旋转变换器运用到电机无刷励磁的方案中，提 出新的同步电机无刷励磁方案，并完成初步研究； 中小型电机的无刷励磁用旋转变换器采用全桥移相控 制式旋转变换器； 研究了新型基于感应电能传输技术的可旋转变换器， 对旋转变压器进行了设计和磁性能分析。可旋转变换 器可推广至其他用途。 新型兆瓦级级无刷励磁同步风风力发电发电 机结结构特点高频旋转电力电子变换器无刷励磁，可行，但旋转磁芯部分成 本较高。成 本中频频旋转变压转变压 器励磁方案基于中频旋转变压器及三次谐波励磁技术，通过旋转变压器原副边绕组的感 应电能传输，将从发电机三次谐波绕组中得到的电能经过相应处理变换用作发电 机自励磁。不仅具有非接触式能量传递的相关优势，同时降低成本。成 本 旋转变压器原理：E= 4. 44 f Wmk旋变机械特性：静态-动态 转差-fm或设计要求 1 、主同步发电机： 额定线电压：690V 额定功率： 1.5MW 额定频率： 50Hz 额定励磁电流：100A 2、三次谐波励磁绕组： 输出额定电压：200V 输出额定功率：30kW 频率 ：150Hz 3、 旋转变
