新型同步電機的結構、原理及空載特性研究

趙朝會

（上海電機學院 電氣學院，上海 200240）

新型同步電機的結構、原理及空載特性研究

趙朝會

（上海電機學院 電氣學院，上海 200240）

針對現有同步電機存在的問題，提出一種新型同步電機。該電機省去了滑環和電刷，通過調節勵磁電流的大小和方向使發電機的輸出電壓可調。描述了電機的結構及原理，計算了發電機的空載特性。結果表明，電機的空載電勢可以通過勵磁電流方便地調節，電機的可靠性增加，但體積也有所增大。

電勵磁；無刷；同步電機；空載特性

同步電機是交流電機的一種，主要用作發電機，世界上的電力幾乎都由同步發電機發出［1］。按照轉子勵磁調節方式不同，主要有5種類型。

（1）由直流勵磁機供電的同步電機。調節勵磁機勵磁電阻可改變直流勵磁機的端電壓，進而改變同步發電機的勵磁電壓和勵磁電流。

（2）由靜止半導體提供勵磁的同步電機。目前100MW以上的汽輪發電機普遍使用交流勵磁機配合半導體整流裝置獲得直流電流，以供給同步發電機作勵磁電流。交流主勵磁機是普通的三相同步發電機，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構的永磁發電機，其頻率為400Hz或500Hz，輸出的三相交流電經可控半導體整流裝置供給交流主勵磁機勵磁電流，以改變同步發電機的勵磁電壓和勵磁電流。

靜止半導體勵磁的同步發電機輸出的達幾千安的勵磁電流，通過電刷滑環才輸入到同步電機的勵磁繞組。大的電流通過電刷滑環必然會引起嚴重的發熱現象或高溫對零件結構造成不可逆轉的損壞；因此，當電機長時間運行時，積累的熱量可能會燒毀電機內部零件。

上述兩種電機都存在電刷和滑環，當轉子旋轉時，電刷與滑環的相對運動可能因發生摩擦而產生電火花和拉弧，這也是不安全的；另外，電機長時間運行還可能引起電刷和滑環接觸不良，造成電流無法傳至轉子上的勵磁繞組［2］。

（3）由旋轉半導體提供勵磁的同步電機［3］。旋轉半導體勵磁的同步電機雖然取消了電刷和滑環，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”模式結構比較復雜，且勵磁機本身需要勵磁，當主電機運行于電動狀態時，勵磁機由主電機驅動；勵磁機產生的是阻力矩，故能量轉換環節多，效率低；此外，勵磁調節速度慢、滅磁也慢，對迅速消除主電機內部故障不利，并且有剩磁。

（4）電勵磁無刷同步電機［4］。該電機包括機殼、電樞鐵心、電樞繞組、轉軸、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上，也形成一個整體。兩圓環之間放置一環形磁橋固定在機殼上，直流勵磁繞組置于環形磁橋中，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，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生啟動轉矩。

（5）永磁同步電機。轉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，但由于永磁體制成后其磁場無法調節，故造成永磁電機的磁場調節困難。

綜上所述，現有技術中的電機或因為存在電刷和滑環，使得可靠性降低，或雖然取消了電刷和滑環，但仍需要勵磁機提供勵磁電流，使整個系統結構比較復雜；永磁電機雖然沒有電刷、滑環等問題，功率密度也較高，但由于其輸出電壓調節困難，且永磁體存在去磁等風險，限制了其發展。電勵磁同步電機以其調磁方便［5－6］，在許多場合得到了廣泛應用，故不斷引起學者們的重視［7－15］，但對于新結構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。

1 新型同步電機的結構及工作原理

1.1 結 構

該同步電機由定子、轉子構成，如圖1所示。

圖1 新型同步電機的結構Fig.1 Structure of the new synchronous machine

電機的定子部分有定子鐵心5、電樞繞組4、勵磁繞組8、環形導磁橋11、前端蓋3、后端蓋9等組成；環形導磁橋11固定在后端蓋9上，勵磁繞組8放置在環形導磁橋11內，形成無刷結構。

電機的轉子部分由轉軸1、非導磁隔離體2、外擴延伸導磁體6、內縮延伸導磁體7等組成。非導磁隔離體2是為了保證外擴延伸導磁體6和內縮延伸導磁體7之間準確的相對位置而設置的。外擴延伸導磁體6和內縮延伸導磁體7均沿電機軸的方向往同一端延伸；外擴延伸導磁體6向外延伸擴展為圓環形狀，內縮延伸導磁體7向內延伸收縮為圓柱形狀，圓環形狀和圓柱形狀部分稱為延伸端；外擴延伸導磁體6和內縮延伸導磁體7的延伸端形成了一個環形空間，該空間用來放置環形導磁橋11；環形導磁橋11與延伸端之間有一定的氣隙，與外擴延伸導磁體6之間的氣隙稱為外層附加氣隙，用δWfj表示，與內縮延伸導磁體7之間的氣隙成為內層附加氣隙，用δNfj表示。

由于環形導磁橋11和勵磁繞組8固定在后端蓋9上，不隨轉子的轉動而轉動，故當電機旋轉時，只有非導磁隔離體2、外擴延伸導磁體6和內縮延伸導磁體7隨轉軸1一起轉動，勵磁繞組的供電不需要電刷和滑環，形成了一種新結構的電勵磁無刷同步電機。轉子的主要尺寸如圖2所示。表1為新型同步電機的結構參數。

1.2 工作原理

圖2 同步電機轉子主要尺寸Fig.2 Dimensions of the main rotor of the new synchronous machine

新型同步電機的環形磁橋中放置有勵磁繞組，調節勵磁繞組中直流電流的大小和方向，可以改變外擴及內縮延伸導磁體中磁場的極性和大小，達到調節電機氣隙磁場的目的。圖3顯示了電機的空載磁路路徑。圖4為新型同步電機的調磁原理。

表1 新型同步電機的結構參數Tab.1 Structural parameters of the new synchronous machine

圖3 新型同步電機的空載磁路Fig.3 Non－load magnetic circuit of the new synchronous machine

當勵磁電流If＝0時，電機沒有磁場，如圖4（a）所示；

當If＞0時，直流勵磁電流在氣隙中產生磁場的方向：外擴延伸導磁體為S極，內縮延伸導磁體為N極，且隨直流勵磁電流的增加氣隙磁場逐漸增大，如圖4（b）所示；

當If＜0時，則與上述情況相反，如圖4（c）所示；因此，通過調節勵磁電流的大小和方向，即可調節氣隙磁場的大小和方向。

圖4 新型同步電機的調磁原理Fig.4 Principle of new synchronous machine's field regulator

圖5為該電機的三維仿真圖。圖5（a）為電機的網絡剖分圖；圖5（b）和圖5（c）分別為If＞0時外擴延伸導磁體6、內縮延伸導磁體7中的磁力線方向；圖5（d）為If＜0時外擴延伸導磁體5中的磁力線方向。

2 新型同步電機的空載特性研究

空載特性是指在轉速n一定的條件下，空載端電壓U0隨If變化的關系，即n為常數時，U0＝f（If）稱為空載特性。

通過空載特性可了解電機磁路的飽和程度，磁路過于飽和將使勵磁繞組用銅太多，運行時電壓調節困難；磁路飽和程度太低，則導致鐵心硅鋼片的利用率過低，浪費材料，運行時負載變化引起的電壓變化較大；此外，空載特性還能反映勵磁系統的工作情況、電樞繞組的聯結是否正確等。

根據表1中新型同步電機的結構參數，在功率PN＝54kVA，電壓＝35V，額定轉速ω＝12kr／min的情況下，利用 Matlab軟件編寫了空載特性的計算程序，得到的空載特性數據如表2所示，電機的空載特性曲線如圖6所示。

圖6 新型同步電機的空載特性曲線Fig.6 Non－load characteristics of the new synchronous motor

由圖6可以看出，隨著勵磁磁動勢的變化，電機的空載電勢也發生變化。在F＜1.5kA時，電機的空載電勢幾乎呈線性增加，說明材料還未進入飽和狀態；但當F＞1.5kA時，電機的空載電勢增加緩慢，電機材料進入飽和狀態。

表2 新型同步電機的空載特性數據Tab.2 Non－load characteristics of the new synchronous motor

3 結 語

本文分析了現有同步電機的特點，在此基礎上，提出了一種新型同步電機拓撲，分析了其調磁原理，該電機省去了滑環和電刷，增加了電機的可靠性和壽命。利用Matlab軟件編寫了空載特性計算程序，計算了該新型同步電機的空載特性。

計算結果表明，通過調節勵磁電流的大小，可方便地調節電機的磁場，空載電勢根據勵磁電流的變化而變化。但對比研究發現，該電機在增加可靠性和壽命的同時，犧牲了電機的體積和質量，使得功率密度有所降低。

［1］辜承林.電機學［M］.武漢：華中科技大學出版社，2005.

［2］劉迪吉.航空電機學［M］.北京：航空工業出版社，1992.

［3］上海電機學院.一種電勵磁同步電機：中國，200910054742.1［P］.2011－01－26.

［4］南京航空航天大學.電勵磁無刷同步電機：中國，200610041314.1［P］.2007－03－21.

［5］趙朝會，秦海鴻，張卓然，等.磁分路式徑向結構混合勵磁同步發電機結構及原理分析［J］.中國電機工程學報，2008，28（11）：145－150.

［6］趙朝會，張卓然，秦海鴻.混合勵磁電機的結構及原理［M］.北京：科學出版社，2010.

［7］李自淳，彭 輝，丁克龍.同步電機無刷勵磁系統的過電壓保護［J］.上海大中型電機，2004（1）：15－18.

［8］金京哲.關于無刷同步電機旋轉整流器故障檢測原理分析［J］.電氣技術，2006（7）：48－49.

［9］Abe T，Oyama J，Higuchi T.Initial rotor position estimation of half－wave rectified brushless synchronous Motor［J］.IEE Transactions on Industry Applications，2004，124（6）：589－598.

［10］趙朝會.徑向結構永磁同步發電機的比較研究［J］.上海電機學院學報，2010，13（3）：125－129.

［11］趙朝會.徑向結構混合勵磁無刷直流發電機的原理及實 現 ［J］.上 海 電 機 學 院 學 報，2009，12（2）：87－91.

［12］趙朝會，秦海鴻，姬少龍，等.并列結構混合勵磁同步發電機的結構與特性研究［J］.河南農業大學學報，2006，40（4）：406－409，431.

［13］趙朝會，李遂亮，王新威.徑向和切向結構永磁同步發電機的比較研究［J］.大電機技術，2007（4）：1－4.

［14］趙朝會.并列轉子混合勵磁同步發電機的運行模態分析［J］.中國電機工程學報，2010，30（15）：87－93.

［15］戴衛力，嚴仰光.混合勵磁雙凸極發電機的電樞反應［J］.中國電機工程學報，2009，29（24）：61－66.

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

國家自然科學基金項目資助（50337030）；上海市教育委員會科研創新項目資助（09YZ480）

趙朝會（1963－），男，教授，博士，專業方向為電力電子及電力傳動，E－mail：zhaoch＠sdju.edu.cn