新型同步电机的结构、原理及空载特性研究

赵朝会

（上海电机学院 电气学院，上海 200240）

新型同步电机的结构、原理及空载特性研究

赵朝会

（上海电机学院 电气学院，上海 200240）

针对现有同步电机存在的问题，提出一种新型同步电机。该电机省去了滑环和电刷，通过调节励磁电流的大小和方向使发电机的输出电压可调。描述了电机的结构及原理，计算了发电机的空载特性。结果表明，电机的空载电势可以通过励磁电流方便地调节，电机的可靠性增加，但体积也有所增大。

电励磁；无刷；同步电机；空载特性

同步电机是交流电机的一种，主要用作发电机，世界上的电力几乎都由同步发电机发出［1］。按照转子励磁调节方式不同，主要有5种类型。

（1）由直流励磁机供电的同步电机。调节励磁机励磁电阻可改变直流励磁机的端电压，进而改变同步发电机的励磁电压和励磁电流。

（2）由静止半导体提供励磁的同步电机。目前100MW以上的汽轮发电机普遍使用交流励磁机配合半导体整流装置获得直流电流，以供给同步发电机作励磁电流。交流主励磁机是普通的三相同步发电机，常用的交流主励磁机的频率为100Hz，目的是使整流后的励磁电流的纹波尽量小些。交流副励磁机是一种特殊结构的永磁发电机，其频率为400Hz或500Hz，输出的三相交流电经可控半导体整流装置供给交流主励磁机励磁电流，以改变同步发电机的励磁电压和励磁电流。

静止半导体励磁的同步发电机输出的达几千安的励磁电流，通过电刷滑环才输入到同步电机的励磁绕组。大的电流通过电刷滑环必然会引起严重的发热现象或高温对零件结构造成不可逆转的损坏；因此，当电机长时间运行时，积累的热量可能会烧毁电机内部零件。

上述两种电机都存在电刷和滑环，当转子旋转时，电刷与滑环的相对运动可能因发生摩擦而产生电火花和拉弧，这也是不安全的；另外，电机长时间运行还可能引起电刷和滑环接触不良，造成电流无法传至转子上的励磁绕组［2］。

（3）由旋转半导体提供励磁的同步电机［3］。旋转半导体励磁的同步电机虽然取消了电刷和滑环，但它仍需要交流主、副励磁机提供励磁电流。交流主励磁机、交流副励磁机以及三相同步电机各为一级，即整体有三级。这样一个“三级”模式结构比较复杂，且励磁机本身需要励磁，当主电机运行于电动状态时，励磁机由主电机驱动；励磁机产生的是阻力矩，故能量转换环节多，效率低；此外，励磁调节速度慢、灭磁也慢，对迅速消除主电机内部故障不利，并且有剩磁。

（4）电励磁无刷同步电机［4］。该电机包括机壳、电枢铁心、电枢绕组、转轴、N和S磁极。其特点是：电枢铁心下的磁极为瓦片形，所有N磁极向一边扩展后向上（或向下）拉伸，再向同一边扩展并连接在一相同材料的圆环上，形成一个整体；所有S磁极向一边扩展后向下（或向上）拉伸，再向同一边扩展并连接在一相同材料的圆环上，也形成一个整体。两圆环之间放置一环形磁桥固定在机壳上，直流励磁绕组置于环形磁桥中，磁极外圆周有笼型全阻尼绕组。电励磁无刷同步电机虽然取消了电刷滑环，但其所增加的笼型全阻尼绕组对于“无刷”而言无意义，该笼型全阻尼绕组只是产生启动转矩。

（5）永磁同步电机。转子由永磁体提供励磁磁势，虽然电机的功率密度较高，无电励磁电机的电刷和滑环，但由于永磁体制成后其磁场无法调节，故造成永磁电机的磁场调节困难。

综上所述，现有技术中的电机或因为存在电刷和滑环，使得可靠性降低，或虽然取消了电刷和滑环，但仍需要励磁机提供励磁电流，使整个系统结构比较复杂；永磁电机虽然没有电刷、滑环等问题，功率密度也较高，但由于其输出电压调节困难，且永磁体存在去磁等风险，限制了其发展。电励磁同步电机以其调磁方便［5－6］，在许多场合得到了广泛应用，故不断引起学者们的重视［7－15］，但对于新结构的电励磁无刷同步电机的研究还尚待深入，本文提出一种新型的电励磁无刷同步电机，并计算了其空载特性。

1 新型同步电机的结构及工作原理

1.1 结 构

该同步电机由定子、转子构成，如图1所示。

图1 新型同步电机的结构Fig.1 Structure of the new synchronous machine

电机的定子部分有定子铁心5、电枢绕组4、励磁绕组8、环形导磁桥11、前端盖3、后端盖9等组成；环形导磁桥11固定在后端盖9上，励磁绕组8放置在环形导磁桥11内，形成无刷结构。

电机的转子部分由转轴1、非导磁隔离体2、外扩延伸导磁体6、内缩延伸导磁体7等组成。非导磁隔离体2是为了保证外扩延伸导磁体6和内缩延伸导磁体7之间准确的相对位置而设置的。外扩延伸导磁体6和内缩延伸导磁体7均沿电机轴的方向往同一端延伸；外扩延伸导磁体6向外延伸扩展为圆环形状，内缩延伸导磁体7向内延伸收缩为圆柱形状，圆环形状和圆柱形状部分称为延伸端；外扩延伸导磁体6和内缩延伸导磁体7的延伸端形成了一个环形空间，该空间用来放置环形导磁桥11；环形导磁桥11与延伸端之间有一定的气隙，与外扩延伸导磁体6之间的气隙称为外层附加气隙，用δWfj表示，与内缩延伸导磁体7之间的气隙成为内层附加气隙，用δNfj表示。

由于环形导磁桥11和励磁绕组8固定在后端盖9上，不随转子的转动而转动，故当电机旋转时，只有非导磁隔离体2、外扩延伸导磁体6和内缩延伸导磁体7随转轴1一起转动，励磁绕组的供电不需要电刷和滑环，形成了一种新结构的电励磁无刷同步电机。转子的主要尺寸如图2所示。表1为新型同步电机的结构参数。

1.2 工作原理

图2 同步电机转子主要尺寸Fig.2 Dimensions of the main rotor of the new synchronous machine

新型同步电机的环形磁桥中放置有励磁绕组，调节励磁绕组中直流电流的大小和方向，可以改变外扩及内缩延伸导磁体中磁场的极性和大小，达到调节电机气隙磁场的目的。图3显示了电机的空载磁路路径。图4为新型同步电机的调磁原理。

表1 新型同步电机的结构参数Tab.1 Structural parameters of the new synchronous machine

图3 新型同步电机的空载磁路Fig.3 Non－load magnetic circuit of the new synchronous machine

当励磁电流If＝0时，电机没有磁场，如图4（a）所示；

当If＞0时，直流励磁电流在气隙中产生磁场的方向：外扩延伸导磁体为S极，内缩延伸导磁体为N极，且随直流励磁电流的增加气隙磁场逐渐增大，如图4（b）所示；

当If＜0时，则与上述情况相反，如图4（c）所示；因此，通过调节励磁电流的大小和方向，即可调节气隙磁场的大小和方向。

图4 新型同步电机的调磁原理Fig.4 Principle of new synchronous machine's field regulator

图5为该电机的三维仿真图。图5（a）为电机的网络剖分图；图5（b）和图5（c）分别为If＞0时外扩延伸导磁体6、内缩延伸导磁体7中的磁力线方向；图5（d）为If＜0时外扩延伸导磁体5中的磁力线方向。

2 新型同步电机的空载特性研究

空载特性是指在转速n一定的条件下，空载端电压U0随If变化的关系，即n为常数时，U0＝f（If）称为空载特性。

通过空载特性可了解电机磁路的饱和程度，磁路过于饱和将使励磁绕组用铜太多，运行时电压调节困难；磁路饱和程度太低，则导致铁心硅钢片的利用率过低，浪费材料，运行时负载变化引起的电压变化较大；此外，空载特性还能反映励磁系统的工作情况、电枢绕组的联结是否正确等。

根据表1中新型同步电机的结构参数，在功率PN＝54kVA，电压＝35V，额定转速ω＝12kr／min的情况下，利用 Matlab软件编写了空载特性的计算程序，得到的空载特性数据如表2所示，电机的空载特性曲线如图6所示。

图6 新型同步电机的空载特性曲线Fig.6 Non－load characteristics of the new synchronous motor

由图6可以看出，随着励磁磁动势的变化，电机的空载电势也发生变化。在F＜1.5kA时，电机的空载电势几乎呈线性增加，说明材料还未进入饱和状态；但当F＞1.5kA时，电机的空载电势增加缓慢，电机材料进入饱和状态。

表2 新型同步电机的空载特性数据Tab.2 Non－load characteristics of the new synchronous motor

3 结 语

本文分析了现有同步电机的特点，在此基础上，提出了一种新型同步电机拓扑，分析了其调磁原理，该电机省去了滑环和电刷，增加了电机的可靠性和寿命。利用Matlab软件编写了空载特性计算程序，计算了该新型同步电机的空载特性。

计算结果表明，通过调节励磁电流的大小，可方便地调节电机的磁场，空载电势根据励磁电流的变化而变化。但对比研究发现，该电机在增加可靠性和寿命的同时，牺牲了电机的体积和质量，使得功率密度有所降低。

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Structure，Principe and Non－Load Characteristics of a New Type of Synchronous Machine

ZHAO Chaohui
（School of Electric，Shanghai Dianji University，Shanghai 200240，China）

Aimed at the problems of existing synchronous machines，this paper proposes a new type of synchronous machines，which does not use slip rings and brushes.It is possible to regulate the output voltage by adjusting magnitude and direction of the exciting current.The structure and principles of the machine are described，and the generator load characteristics are calculated.This study shows that no－load voltage can be adjusted when excitation current varies，and the machine's reliability increased，while the machine size is increased.

electrical excitation；brushless；synchronous machine；non－load characteristics

TM 341

A

2095－0020（2011）05－0286－05

投稿日期：2011－08－15

国家自然科学基金项目资助（50337030）；上海市教育委员会科研创新项目资助（09YZ480）

赵朝会（1963－），男，教授，博士，专业方向为电力电子及电力传动，E－mail：zhaoch＠sdju.edu.cn