同步电机的转子结构.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910607302.8 (22)申请日 2019.07.07 (71)申请人 达微智能科技 （厦门） 有限公司 地址 361000 福建省厦门市中国(福建)自 由贸易试验区厦门片区嵩屿南二路99 号1303室之896 (72)发明人 蔡卓剑 (51)Int.Cl. H02K 19/12(2006.01) H02K 1/22(2006.01) H02P 6/18(2016.01) (54)发明名称 一种同步电机的转子结构 (57)摘要 本发明提供了一种同步电机的转子结构， 包。

2、 括转子轴、 转子铁芯， 所述转子铁芯套在转子轴 上， 所述转子铁芯上设有励磁绕组、 辅助励磁绕 组、 一个或多个磁极组， 所述磁极组包括第一磁 极、 第二磁极， 所述第一磁极、 第二磁极安装在转 子铁芯上， 所述第一磁极与第二磁极的极性不 同， 所述励磁绕组缠绕在转子铁芯上， 所述辅助 励磁绕组缠绕在转子铁芯上， 且所述辅助励磁绕 组嵌于第一磁极、 第二磁极外侧。 本发明同步电 机机械结构简单， 不需要做过大的变动便可实现 对转子的励磁。 权利要求书1页 说明书4页 附图4页 CN 110176845 A 2019.08.27 CN 110176845 A 1.一种同步电机的转子结构， 其特。

3、征在于， 包括转子轴、 转子铁芯， 所述转子铁芯套在 转子轴上， 所述转子铁芯上设有励磁绕组、 辅助励磁绕组、 一个或多个磁极组， 所述磁极组 包括第一磁极、 第二磁极， 所述第一磁极、 第二磁极安装在转子铁芯上， 所述第一磁极与第 二磁极的极性不同， 所述励磁绕组缠绕在转子铁芯上， 所述辅助励磁绕组缠绕在转子铁芯 上， 且所述辅助励磁绕组嵌于第一磁极、 第二磁极外侧。 2.根据权利要求1所述的转子结构， 其特征在于， 所述转子结构还包括励磁控制器， 所 述励磁绕组、 辅助励磁绕组分别与励磁控制器电性连接， 所述励磁控制器安装于转子铁芯 一端。 3.根据权利要求2所述的转子结构， 其特征在于，。

4、 所述励磁控制器包括第一连接端、 第 二连接端， 所述辅助励磁绕组与励磁控制器第一连接端电性相连， 所述励磁绕组与励磁控 制器的第二连接端电性相连。 4.根据权利要求2所述的转子结构， 其特征在于， 所述励磁控制器包括功率变换装置和 信号处理装置。 5.根据权利要求4所述的转子结构， 其特征在于， 所述功率变换装置由驱动控制器与电 流控制电路组成。 6.根据权利要求4所述的转子结构， 其特征在于， 所述信号处理装置由带通滤波器、 数 字信号处理器组成。 7.一种应用权利要求1-6任一所述转子结构的同步电机， 其特征在于， 所述同步电机为 凸极电机或隐式电机， 所述同步电机还包括定子结构， 所述。

5、定子结构包括定子绕组。 8.一种权利要求7所述同步电机的自励磁方法， 其特征在于， 向所述定子绕组中注入基 频电流、 高频电流组成的混合电流。 9.根据权利要求8所述自励磁方法， 其特征在于， 所述高频电流中包含了励磁电流给定 值信息。 10.根据权利要求7所述自励磁方法， 其特征在于， 所述高频电流频率不小于所述基频 电流频率的5倍， 不大于PWM载波频率的1/5。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110176845 A 2 一种同步电机的转子结构 技术领域 0001 本发明涉及一种电机的转子结构， 特别是涉及一种同步电机的转子结构及其自励 磁方法， 属于电气传动领域。 背景技术 0002。

6、 同步电机以其功率因数可调、 运行效率高等优势取得快速发展， 广泛应用于发电、 轨道交通、 电动汽车、 工业自动化等领域。 同步电机主要分为电励磁同步电机和永磁同步电 机两种。 0003 电励磁同步电机需将转子励磁绕组连接到转子换向器上， 再用外部直流电源通过 换向器对转子进行励磁， 采用电励磁的同步电机可以很方便地实现转子励磁调节。 但是转 子换向器有电刷和滑环结构， 运行可靠性低， 维护成本很高， 且在运行过程中容易产生火花 和粉尘， 不能应用于有防爆要求的应用场合。 0004 永磁同步电机用永磁体代替转子上的励磁绕组来产生磁场， 不再需要换向器， 具 有结构简单、 易于维护等优点。 但由。

7、于近年来稀土永磁材料供应受限， 价格逐年上升， 永磁 同步电机制造成本增加。 而更为麻烦的是永磁同步电机的转子永磁体会由于温度过高、 振 动等原因造成永久退磁， 影响其输出功率和效率。 0005 目前已经有针对上述两种传统励磁方式做出改进的解决方案， 如在同步电机原有 的定子和转子结构中额外增加一套旋转变压器装置， 利用该旋转变压器将励磁能量通过一 套控制电路注入转子绕组， 从而实现转子励磁。 这种方法省去了转子换向器结构， 也无需永 磁体， 而且可以比较方便地控制转子励磁电流。 但是该方案需要改变同步电机的定、 转子结 构， 还需要添加额外的励磁电源与控制器， 这增加了系统的复杂度， 提高了。

8、整体成本。 发明内容 0006 本发明提供了一种同步电机的转子结构及其自励磁方法， 无需对同步电机机械结 构做过大的变动， 便可实现对转子的励磁。 0007 本发明提供了一种同步电机的转子结构， 包括转子轴、 转子铁芯， 所述转子铁芯套 在转子轴上， 所述转子铁芯上设有励磁绕组、 辅助励磁绕组、 一个或多个磁极组， 所述磁极 组包括第一磁极、 第二磁极， 所述第一磁极、 第二磁极安装在转子铁芯上， 所述第一磁极与 第二磁极的极性不同， 所述励磁绕组缠绕在转子铁芯上， 所述辅助励磁绕组缠绕在转子铁 芯上， 且所述辅助励磁绕组嵌于第一磁极、 第二磁极外侧。 0008 进一步地， 所述转子结构还包括。

9、励磁控制器， 所述励磁绕组、 辅助励磁绕组分别与 励磁控制器电性连接， 所述励磁控制器安装于转子铁芯一端。 0009 更进一步地， 所述励磁控制器包括第一连接端、 第二连接端， 所述辅助励磁绕组与 励磁控制器第一连接端电性相连， 所述励磁绕组与励磁控制器的第二连接端电性相连。 0010 更进一步地， 所述励磁控制器包括功率变换装置和信号处理装置。 0011 更进一步地， 所述功率变换装置由驱动控制器与电流控制电路组成。 说明书 1/4 页 3 CN 110176845 A 3 0012 更进一步地， 所述信号处理装置由带通滤波器、 数字信号处理器组成。 0013 本发明还公开一种应用上述转子结。

10、构的同步电机， 所述同步电机为凸极电机或隐 式电机， 所述同步电机还包括定子结构， 所述定子结构包括定子绕组。 0014 本发明还公开一种上述同步电机的自励磁方法， 包括向所述定子绕组中注入基频 电流、 高频电流组成的混合电流。 0015 进一步地， 所述高频电流中包含了励磁电流给定值信息。 0016 更进一步地， 所述高频电流频率不小于所述基频电流频率的5倍， 不大于PWM载波 频率的1/5。 0017 本发明相对于现有技术， 具有如下有益效果： 1.本发明通过定子绕组与转子励磁绕组以及辅助励磁绕组相互作用产生转子励磁电 流， 不需要用于转子励磁的永磁体或外加励磁电源， 消除了永磁体退磁和换。

11、向器运行产生 火花等隐患； 2.本发明对传统同步电机的转子结构改动十分有限， 因此可以很方便地实现现有同步 电机的升级改造， 降低技术的推广难度； 3.本发明在控制方式上采用高频注入法， 注入的高频电流中包含了电机期望转子励磁 电流大小的信息， 转子励磁控制器通过检测感应出的高频电流信息获取期望励磁电流， 对 转子励磁电流进行主动控制， 实现同步电机的转矩和转速的调节。 附图说明 0018 图1为本发明实施例转子结构剖面示意图； 图2为本发明实施例隐式2极同步电机剖面结构示意图； 图3为本发明实施例隐式4极电机转子剖面结构示意图； 图4为本发明实施例凸式2极电机转子剖面结构示意图； 图5为本发。

12、明实施例凸式4极电机转子剖面结构示意图； 图6为励磁控制器功能框图； 图7为定子侧变频驱动器示意图。 具体实施方式 0019 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案， 下面将对本发明实施例中的技 术方案进行清楚、 完整地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例， 而不 是全部的实施例。 0020 本发明实施例公开了一种同步电机的转子结构， 如图1-7所示， 包括转子轴1、 转子 铁芯2， 所述转子铁芯2套在转子轴1上， 所述转子铁芯2上设有励磁绕组23、 辅助励磁绕组 24、 一个或多个磁极组， 所述磁极组包括第一磁极21、 第二磁极22， 所述第一磁极21与第二 磁极22。

13、的极性不同， 所述励磁绕组23缠绕在转子铁芯2上， 所述辅助励磁绕组24缠绕在转子 铁芯2上， 且所述辅助励磁绕组24嵌于第一磁极21、 第二磁极22外侧。 0021 如图1-7所示， 所述转子结构还包括励磁控制器3， 所述励磁绕组23、 辅助励磁绕组 24分别与励磁控制器3电性连接， 所述励磁控制器3安装于转子铁芯2一端。 0022 特别的， 如图1-7所示， 所述励磁控制器3包括第一连接端、 第二连接端， 所述辅助 说明书 2/4 页 4 CN 110176845 A 4 励磁绕组23与励磁控制器3第一连接端电性相连， 所述励磁绕组23与励磁控制器3的第二连 接端电性相连。 0023 特别。

14、的， 如图2所示， 本发明实施例应用上述转子结构的同步电机为隐式双极同步 电机， 所述同步电机还包括定子结构， 所述定子结构处设有定子绕组4。 如图3所示， 本发明 实施例的转子结构磁极组也可为2组或多组， 形成隐式多极同步转子结构； 如图4、 5所示， 本 发明实施例的转子结构也可采用凸式2极同步转子结构或凸式多极同步转子结构。 所述定 子绕组4与外部变频驱动器相连。 0024 其中， 如图1-7所示， 本发明实施例在传统励磁绕组23基础上， 再增加一套辅助励 磁绕组24， 该辅助励磁绕组24嵌于磁极的位置， 使定子绕组4处产生电流时， 辅助励磁绕组 24由于电磁感应， 产生感应电势。 励磁。

15、绕组23与辅助励磁绕组24连接到励磁控制器3。 如图1 所示， 为隐极结构的转子结构示意图， 由图1可见， 励磁控制器3安装于转子端部， 由于同步 电机的励磁功率较小， 因此该控制器的结构简单， 体积较小， 并不会占用太多端部空间， 避 免了对电机基座的特殊改变； 图2为转子绕组剖面结构示意图， 各个辅助励磁绕组24之间串 联或并联连接， 辅助励磁绕组24端部连接到励磁控制器3第一连接端， 励磁绕组23端部连接 到励磁控制器3的第二连接端。 0025 特别的， 如图6所示， 所述励磁控制器3包括功率变换装置和信号处理装置。 0026 特别的， 如图6所示， 所述功率变换装置由驱动控制器与电流控。

16、制电路组成。 0027 特别的， 如图6所示， 所述信号处理装置由带通滤波器、 数字信号处理器组成。 0028 其中， 图6为励磁控制器的功能框图， 图中Lf表示励磁绕组23， Lx表示辅助励磁绕 组24， if表示励磁电流， iref为励磁电流给定值。 由图可知， 励磁绕组23、 辅助励磁绕组24均 与电流控制电路相连， 励磁绕组和辅助励磁绕组产生的感应电动势， 经过电流控制电路的 精确控制， 在励磁绕组中激励出基本恒定的直流电流。 辅助励磁绕组24与信号处理装置相 连， 由带通滤波器将基频电流信号中高频电流信号分离， 随后在数字信号处理部分将高频 电流信号进行解调并最终取得励磁电流给定值i。

17、ref， 并送至驱动控制器， 由驱动控制器控 制电流控制电路， 实现对励磁绕线组23内励磁电流大小的调节， 达到自励磁的效果。 0029 在工作时， 如图7所示， 在基频电流信号的基础上叠加上一个高频电流信号， 同时 将转子励磁电流给定值 （数字量） 经信号调制后叠加于该高频电流信号中， 随后经过PWM调 制产生驱动脉冲来控制功率器件的开通与关断。 0030 在电机处于稳定运行的状态下时， 控制定子侧变频驱动器往定子绕组中注入高频 电流分量， 该电流分量的频率为基频的5倍以上， PWM载波频率的1/5以下， 显然该高频电流 产生的旋转磁场与转子转速不同步， 因此会在转子侧的励磁绕组和辅助励磁绕。

18、组中产生感 应电势， 随后在转子励磁控制器的作用下， 产生所需的励磁电流完成转子的励磁过程。 0031 在电机处于加、 减速， 或者启动、 停止的过程中， 上述方法同样有效， 但此时除了高 频电流分量产生的磁场外， 基频电流分量产生的磁场同样会在励磁绕组和辅助励磁绕组内 感应出电动势。 由于励磁绕组控制器可以对励磁电流if的大小进行自主控制， 因此仍能保 持励磁电流的稳定。 0032 本发明实施例如图7所示， 用代表励磁电流给定值的数字信号对高频电流信号进 行调制， 从而使得到的调制信号内包含了励磁电流给定值信息， 该信号将叠加进定子绕组 的高频电流分量中， 并最终反应在辅助励磁绕组Lx的感应。

19、电势里。 在励磁控制器内， 先用带 说明书 3/4 页 5 CN 110176845 A 5 通滤波器提取出上述调制信号， 随后在数字信号处理部分将其进行解调并最终取得励磁电 流给定值iref。 在同步电机运行过程中， 时常需要调节励磁电流的大小， 比如在高于同步速 旋转时的弱磁控制。 此时， 只要在定子侧驱动器中改变励磁电流给定值， 通过高频电流即可 实现励磁电流的调节。 0033 本发明实施例通过定子绕组与转子励磁绕组以及辅助励磁绕组相互作用产生转 子励磁电流， 不需要用于转子励磁的永磁体或外加励磁电源， 消除了永磁体退磁和换向器 运行产生火花等隐患。 同时， 本发明实施例对传统同步电机的。

20、转子结构改动十分有限， 因此 可以很方便地实现现有同步电机的升级改造， 降低技术的推广难度。 此外， 本发明实施例在 控制方式上采用高频注入法， 注入的高频电流中包含了电机期望转子励磁电流大小的信 息， 转子励磁控制器通过检测感应出的高频电流信息获取期望励磁电流， 对转子励磁电流 进行主动控制， 实现同步电机的转矩和转速的调节。 0034 最后应当说明的是， 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制， 尽 管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明， 所属领域的普通技术人员应当理解， 技术 人员阅读本申请说明书后依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换， 但这 些修改或变更均未脱离本发明申请待批权利要求保护范围之内。 说明书 4/4 页 6 CN 110176845 A 6 图1 图2 说明书附图 1/4 页 7 CN 110176845 A 7 图3 图4 说明书附图 2/4 页 8 CN 110176845 A 8 图5 图6 说明书附图 3/4 页 9 CN 110176845 A 9 图7 说明书附图 4/4 页 10 CN 110176845 A 10 。