五次谐波励磁无刷同步发电机.pdf

一种五次谐波励磁无刷同步发电机，其特征为发电机由主发电机和交流励磁机二机同轴组成，交流励磁机定子磁极绕组的直流励磁源取自主发电机定子铁芯中的三相五次谐波绕组经整流器整流而成的直流电源；发电机定子60槽，极数4极，相数3相，主发电机转子做成整体凸极式。本发明克服了基波励磁短路电流倍数小和有电磁干扰的缺陷，也克服了三次谐波励磁并联时中线电流对三次谐波磁埸去磁大的缺陷。因此，五次谐波励磁无刷同步发电机电气性能具有比基波励磁和三次谐波励磁无刷同步发电机电气性能更优的特点。

1、  一种五次谐波励磁无刷同步发电机，其特征为发电机由主发电机和交流励磁机二机同轴组成，交流励磁机定子磁极绕组的直流励磁源取自主发电机定子铁芯中的三相五次谐波绕组经整流器整流而成的直流电源；发电机定子60槽，极数4极，相数3相，主发电机转子做成整体凸极式，定子与转子间有均匀气隙，极弧系数为0.71～0.73；发电机主绕组为不等匝的同心式双层绕组，每个同心式的线圈组有5个线圈组成，线圈节距从大到小分别为14、12、10、8、6，而每个线圈的匝数从大到小其匝比分配为3∶3∶2∶1∶1，三相五次谐波绕组的节距为3，极数是主绕组极数的5倍，3相对称结构，3相单层绕组，五次谐波绕组中无基波含量，因而五次谐波绕组与主绕组正交。

五次谐波励磁无刷同步发电机
技术领域
本发明涉及一种电源设备，尤其涉及一种五次谐波励磁无刷同步发电机。
背景技术
目前，现有无刷同步发电机的同轴交流励磁机定子磁极的励磁源主要有三种：1、取自主绕组；2、取自定子中的辅助绕组；3、取自副励磁机。
其中1、取自主绕组方式存在电机短路时无励磁电源供出，还存在对主机的输出电压有干扰等缺陷。
2、取自定子中的辅助绕组的主要有二种型式，一种是与主电机极数相同的基波辅助绕组；一种是极数为主电机极数3倍的三次谐波绕组；前者与主绕组互有干扰，且受电枢反应影响大，电机的稳态短路电流倍数难以等于或大于3倍，而三相三次谐波励磁绕组也与主绕组有电磁干扰，而且发电机并联运行时，中线的三次谐波电流起去磁作用，并联时电机容易发生震荡，工作不稳定。
3、取自副励磁机特别是永磁副励磁机(PMG)的，在电气性能上克服了前二种的缺陷，但结构上多了一个副励磁机，整个电机由主发电机、交流励磁机，副励磁机三机同轴组成，电机轴向长度长，体积增大，重量加重，成本增大，在很多场合使用受限制。如何省掉副励磁机，而在性能上又能改进基波励磁和三波谐波励磁方式的无刷同步发电机就很有必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种五次谐波励磁无刷同步发电机，在不改变现有基波励磁或三次谐波励磁的二机结构，即主发电机和交流励磁机二机同轴结构的基础上，仅改变交流励磁机定子磁极的励磁源，但其电气性能上却要优于基波励磁或三次谐波励磁的方式。
本发明是这样来实现的，其特征为发电机由主发电机和交流励磁机二机同轴组成，交流励磁机定子磁极绕组的直流励磁源取自主发电机定子铁芯中的三相五次谐波绕组经整流器整流而成的直流电源；发电机定子60槽，极数4极，相数3相，主发电机转子做成整体凸极式，定子与转子间有均匀气隙，极弧系数为0.71～0.73；发电机主绕组为不等匝的同心式双层绕组，每个同心式的线圈组有5个线圈组成，线圈节距从大到小分别为14、12、10、8、6，而每个线圈的匝数从大到小其匝比分配为3∶3∶2∶1∶1，三相五次谐波绕组的节距为3，极数是主绕组极数的5倍，3相对称结构，3相单层绕组，五次谐波绕组中无基波含量，因而五次谐波绕组与主绕组正交。
本发明的技术效果是：1、轴向长度短，体积小，重量轻，成本低；2、比结构类似的基波励磁无刷同步发电机短路电流倍数大，强励能力大，且与主发电机主绕组无电磁干扰，还克服了电机短路时基波励磁源无法取出的缺陷；3、比结构类似的三次谐波无刷同步发电机并联工作时的性能更好，中线电流对五次谐波磁场不产生去磁作用，克服了三次谐波励磁发电机并联时中线电流火，并对三次磁场产生强去磁效应，致使并联不稳定，振荡等缺陷；4、五次谐波励磁具有正反馈励磁特征，即负载越大，五次谐波含量也增大，复励能力大。
附图说明
图1为本发明的定子主绕组图。
图2为本发明的五次谐波绕组图。
图3为本发明的电气原理图。
在图中，1、定子2、转子
具体实施方式
如图1所示，实施一台五次谐波励磁无刷同步发电机，定子槽数60槽，极数4极，相为3相，并联支路数为2，定子主绕组是一种不等匝的同心式双层绕组，以U相为例(只画出2极，占30槽，另外2极30槽与此雷同布置)U相绕组UN为一条并联支路，它由二个线圈组开闭口串联连接而成，每个线圈组又由5个同心式的线圈组成，线圈节距从大到小为14、12、10、8、6，每个线圈的匝数不等，依节距从大到小匝数比为3∶3∶2∶1∶1，V相，W相绕组VN和WN与U相绕组UN互差120°电角度，构成对称三相绕组，三相四线引出U、V、W、N，这种三相绕组形成在槽内的双层结构，并且在每槽中的导体数相等，由于这种布置可以消除5次谐波，而7次谐波含量也很小，不但电压波形畸变率小，而且有利于采用5次谐波励磁方式，保证主绕组与5次谐波绕组无电磁干扰，主绕组的电枢反应也不对5次谐波磁场去磁，以保证5次谐波励磁的强励能力。
如图2所示，a₅x₅，b₅y₅，c₅z₅所示，5次谐波绕组的节距为3，极数为主绕组极数的5倍，3相对称，形成绕组的每个线圈等匝等距，3相构成单层绕组a₅x₅，b₅y₅，c₅z₅为星形接法，即x₅，y₅，z₅相接在一起，不引出，只引出a₅，b₅，c₅。a₅，b₅，c₅简称三相5次谐波绕组。因此发电机的每个槽中有双层的主绕组，也有单层的5次谐波绕组，但每个槽中的导体数是相同的，层数也是相同的，因此每槽的槽满率相同。5次谐波绕组中无基波电势，故5次谐波绕组不受主绕组的干扰，也不受基波电枢反应的干扰，因为主绕组中不含5次谐波，5次谐波绕组中也不含基波，故主绕组与5次谐波绕组是正交的互相都无电磁干扰。除无干扰的优点之外，还有的优点是，主磁场中5次谐波的含量还随负载增加，励磁电流也增加，这也使5次谐波磁场增加，以保证负载大小变化时，5次谐波能量大小也随着变化的能力。这种方式克服了基波磁场源与主绕组有干扰及难以维持短路电流倍数等于或大于3倍额定电流的缺点；也克服了三相三次谐波励磁绕组与主绕组也有干扰的缺点；还克服了三次谐波励磁发电机并联时中线电流大，对三次谐波磁场去磁大，容易造成的并联振荡，工作不稳定的缺点。在结构上无须附加永磁副励磁机，只需要主发电机和交流励磁机二机同轴组成，比具有副励磁机的三机同轴组成的发电机的轴向长度短，而性能上又与具有永磁副励磁机的三机同轴无刷同步发电机的性能相当。
如图3所示，定子1中U、V、W、N为主发电机三相主绕组，a₅，b₅，c₅为三相五次谐波绕组，主绕组和五次谐波绕组共下在主发电机的定子铁芯中；Z₁为三相全波整流器，E₁E₂为励磁机的定子励磁绕组；转子2中，F₁F₂为主发电机的凸极转子励磁绕组，a、b、c为励磁机转子三相对称绕组，Z₂为三相全波整流器，R为压敏电阻；整台发电机是由一台凸极转场式主发电机和一台凸极转枢式交流励磁机二机同轴组成的。这种五次谐波励磁无刷同步发电机结构上是主发电机和交流励磁机二机同轴结构，但其电气性能要优于基波励磁方式的和三次谐波励磁方式的二机同轴结构的无刷同步发电机的电气性能，达到了发明的目的。