同步電機基本工作原理與結(jié)構(gòu)

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1、同步電機基本工作原理與結(jié)構(gòu)摘要：針對現(xiàn)有同步電機存在的問題，提出一種新型同步電機。該電機省去了滑環(huán)和電刷，通過調(diào)節(jié)勵磁電流的大小和方向使發(fā)電機的輸出電壓可調(diào)。描述了電機的結(jié)構(gòu)及原理，計算了發(fā)電機的空載特性。關(guān)鍵詞：電勵磁無刷同步電機空載特性分類號：TM文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1007-0745(2013)05-0257-011同步電機的種類同步電機是交流電機的一種，主要用作發(fā)電機，世界上的電力幾乎都由同步發(fā)電機發(fā)出按照轉(zhuǎn)子勵磁調(diào)節(jié)方式不同，主要有5種類型。1.1由直流勵磁機供電的同步電機。調(diào)節(jié)勵磁機勵磁

2、電阻可改變直流勵磁機的端電壓，進而改變同步發(fā)電機的勵磁電壓和勵磁電流。1.2由靜止半導(dǎo)體提供勵磁的同步電機。目前100MW以上的汽輪發(fā)電機普遍使用交流勵磁機配合半導(dǎo)體整流裝置獲得直流電流，以供給同步發(fā)電機作勵磁電流。交流主勵磁機是普通的三相同步發(fā)電機，常用的交流主勵磁機的頻率為100Hz,目的是使整流后的勵磁電流的紋波盡量小些。交流副勵磁機是一種特殊結(jié)構(gòu)的永磁發(fā)電機，其頻率為400Hz或500Hz，輸出的三相交流電經(jīng)可控半導(dǎo)體整流裝置供給交流主勵磁機勵磁電流，以改變同步發(fā)電機的勵磁電壓和勵磁電流。靜止半

3、導(dǎo)體勵磁的同步發(fā)電機輸出的達幾千安的勵磁電流，通過電刷滑環(huán)才輸入到同步電機的勵磁繞組。大的電流通過電刷滑環(huán)必然會引起嚴(yán)重的發(fā)熱現(xiàn)象或高溫對零件結(jié)構(gòu)造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞；因此，當(dāng)電機長時間運行時，積累的熱量可能會燒毀電機內(nèi)部零件。1.3由旋轉(zhuǎn)半導(dǎo)體提供勵磁的同步電機。旋轉(zhuǎn)半導(dǎo)體勵磁的同步電機雖然取消了電刷和滑環(huán)，但它仍需要交流主、副勵磁機提供勵磁電流。交流主勵磁機、交流副勵磁機以及三相同步電機各為一級，即整體有三級。這樣一個“三級”模式結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且勵磁機本身需要勵磁，當(dāng)主電機運行于電動狀態(tài)時，勵磁機由主

4、電機驅(qū)動；勵磁機產(chǎn)生的是阻力矩，故能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多，效率低；此外，勵磁調(diào)節(jié)速度慢、滅磁也慢，對迅速消除主電機內(nèi)部故障不利，并且有剩磁。1.4電勵磁無刷同步電機。該電機包括機殼、電樞鐵心、電樞繞組、轉(zhuǎn)軸、N和S磁極。其特點是：電樞鐵心下的磁極為瓦片形，所有N磁極向一邊擴展后向上（或向下）拉伸，再向同一邊擴展并連接在一相同材料的圓環(huán)上，形成一個整體；所有S磁極向一邊擴展后向下（或向上）拉伸，再向同一邊擴展并連接在一相同材料的圓環(huán)上，也形成一個整體。兩圓環(huán)之間放置一環(huán)形磁橋固定在機殼上，直流勵磁繞組置于環(huán)形磁橋

5、中，磁極外圓周有籠型全阻尼繞組。電勵磁無刷同步電機雖然取消了電刷滑環(huán)，但其所增加的籠型全阻尼繞組對于“無刷”而言無意義，該籠型全阻尼繞組只是產(chǎn)生啟動轉(zhuǎn)矩。1.5永磁同步電機。轉(zhuǎn)子由永磁體提供勵磁磁勢，雖然電機的功率密度較高，無電勵磁電機的電刷和滑環(huán)，但由于永磁體制成后其磁場無法調(diào)節(jié)，故造成永磁電機的磁場調(diào)節(jié)困難。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中的電機或因為存在電刷和滑環(huán)，使得可靠性降低，或雖然取消了電刷和滑環(huán)，但仍需要勵磁機提供勵磁電流，使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜；永磁電機雖然沒有電刷、滑環(huán)等問題，功率密度也較高，但由

6、于其輸出電壓調(diào)節(jié)困難，且永磁體存在去磁等風(fēng)險，限制了其發(fā)展，但對于新結(jié)構(gòu)的電勵磁無刷同步電機的研究還尚待深入，本文提出一種新型的電勵磁無刷同步電機，并計算了其空載特性。2同步電機的結(jié)構(gòu)2.1結(jié)構(gòu)該同步電機由定子、轉(zhuǎn)子構(gòu)成。電機的定子部分有定子鐵心5、電樞繞組4、勵磁繞組8、環(huán)形導(dǎo)磁橋11、前端蓋3、后端蓋9等組成；環(huán)形導(dǎo)磁橋11固定在后端蓋9上，勵磁繞組8放置在環(huán)形導(dǎo)磁橋11內(nèi)，形成無刷結(jié)構(gòu)。電機的轉(zhuǎn)子部分由轉(zhuǎn)軸1、非導(dǎo)磁隔離體2、外擴延伸導(dǎo)磁體6、內(nèi)縮延伸導(dǎo)磁體7等組成。非導(dǎo)磁隔離體2是為了保證外擴延

7、伸導(dǎo)磁體6和內(nèi)縮延伸導(dǎo)磁體7之間準(zhǔn)確的相對位置而設(shè)置的。外擴延伸導(dǎo)磁體6和內(nèi)縮延伸導(dǎo)磁體7均沿電機軸的方向往同一端延伸；外擴延伸導(dǎo)磁體6向外延伸擴展為圓環(huán)形狀，內(nèi)縮延伸導(dǎo)磁體7向內(nèi)延伸收縮為圓柱形狀，圓環(huán)形狀和圓柱形狀部分稱為延伸端；外擴延伸導(dǎo)磁體6和內(nèi)縮延伸導(dǎo)磁體7的延伸端形成了一個環(huán)形空間，該空間用來放置環(huán)形導(dǎo)磁橋11;環(huán)形導(dǎo)磁橋11與延伸端之間有一定的氣隙，與外擴延伸導(dǎo)磁體6之間的氣隙稱為外層附加氣隙，用Swfj表示，與內(nèi)縮延伸導(dǎo)磁體7之間的氣隙成為內(nèi)層附加氣隙，用Snfj表示。由于環(huán)形導(dǎo)磁橋11

8、和勵磁繞組8固定在后端蓋9上，不隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，故當(dāng)電機旋轉(zhuǎn)時，只有非導(dǎo)磁隔離體2、外擴延伸導(dǎo)磁體6和內(nèi)縮延伸導(dǎo)磁體7隨轉(zhuǎn)軸1一起轉(zhuǎn)動，勵磁繞組的供電不需要電刷和滑環(huán)，形成了一種新結(jié)構(gòu)的電勵磁無刷同步電機。轉(zhuǎn)子的主要尺寸如圖2所示。表1為新型同步電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)。3同步電機的工作原理新型同步電機的環(huán)形磁橋中放置有勵磁繞組，調(diào)節(jié)勵磁繞組中直流電流的大小和方向，可以改變外擴及內(nèi)縮延伸導(dǎo)磁體中磁場的極性和大小，達到調(diào)節(jié)電機氣隙磁場的目的。當(dāng)勵磁