进线，从相邻的Al-侧出线，再绕置到A2+端进线，从相邻的A2-端出线。B相和C相的接线原理和A相相同。再将A1+、B1+、C1+相接在一起作为发电绕组3的中性点，而A2-、B2-、C2-相分别连接到图4所示的三相PffM整流桥的A、B、C三个桥臂，发电机感应发电的电流从发电绕组3的中性点流入PffM整流桥，供给负载用电。
[0018]悬浮力绕组4以a相为例，沿顺时针方向按a+、b-、c+、a_、b+、c-排列。悬浮力绕组4连接图4所示的第一三相桥式逆变电路，由第一三相逆变电路的a相接线到a+侧进线，从a-侧出线，b相和c相的接线原理和a相相同。将a-、b_、c-端接在一起作为悬浮力绕组4的中性点，而a+、b+、c+分别连接到图4所示的第一三相桥式逆变电路的a、b、c三个桥臂，电流由第一三相桥式逆变电路流向悬浮力绕组4。
[0019]励磁绕组5以X相为例，沿顺时针方向按Π+、Υ1-、Ζ1+、Π-、Υ1 +、Ζ1-、Χ2+、Υ2-、Ζ2+、Χ2-、Υ2+、Ζ2-相排列。励磁绕组5连接图4所示的第二三相桥式逆变电路，由第二三相逆变桥式电路的X相接线，从Xl+侧进线，从相邻的Xl-侧出线，再绕置到Χ2+端进线，从相邻的Χ2-端出线，励磁绕组5的Y相和Z相接线原理和X相相同。将励磁绕组5的Χ2-、Υ2-、Ζ2-端接在一起作为励磁绕组5的中性点，而Χ1 +、Υ1 +、Ζ1+分别接线到图4所示的第二三相桥式逆变电路的X、Y、Z三个桥臂，电流由第二三相桥式逆变电路流向励磁绕组5。
[0020]图4中，C是电容，表示容性负载，R是电感，表示感性负载。PffM整流桥和两个桥式逆变电路中的V1-V6为可控开关管，VD1-VD6为续流二极管。
[0021]本发明工作时，悬浮原理如图5所示，运行时转子的调心操作是通过检测转子径向位移的反馈信号来调节给定的悬浮绕组的电流信号。以发电绕组3的A相和悬浮力绕组4的a相为例，定子槽中缠绕着4极发电绕组3和2极悬浮力绕组4。当悬浮力绕组4中未通入图4所示的第一三相桥式逆变电路的电流时，发电绕组3产生感应磁场与永磁体6合成的4极气隙磁通中^是平衡的，径向力合力为零。该气隙磁通分别经过发电绕组3、定子铁芯2、气隙、永磁体6、转轴13这些部件，将发电机在空间上平均分成四部分。当悬浮力绕组4中通入图4所示的第一三相桥式逆变电路的正电流后，会产生2极磁通φα。该磁通分别经过悬浮力绕组
4、定子铁芯2、气隙、永磁体6、转轴13这些部件，将发电机在空间上平均分成两部分。这导致转子在水平方向一侧气隙处的气隙磁密增加，转子径向水平方向另一侧气隙处的气隙磁密减小，从而产生沿例如X轴负方向的麦克斯韦力Fm，使转子向X轴负方向偏移(图5中省略了水平方向的X轴和垂直方向的y轴)。如果图4中第一三相桥式逆变电路通以方向相反的电流，则会产生一个沿X轴正方向的麦克斯韦力。同理，沿y轴方向的麦克斯韦力可以通过在其他相绕组中通入相应电流获得。本发明无轴承永磁同步电机除了受麦克斯韦径向力之外，还会受到洛伦兹径向力的作用。根据左手定则，悬浮力绕组4受到洛伦兹力F1，发电绕组3受到洛伦兹力F2,转子表面上对应的力为其反作用力FsdPFs2t3从图5中可以看出，这两部分洛伦兹力的合力方向为水平方向，即转子受到了 X轴方向的径向悬浮力。通过对以上这两个径向力和悬浮力绕组电流的闭环控制，可实现发电机转子的稳定悬浮。
[0022]本发明发电原理和普通永磁同步发电机一样，将原动机和本发明无轴承永磁同步发电机同轴连接，在原动机的驱动下，转子旋转产生变化的感应磁场，发电绕组切割磁感线产生三相感应电流。由于发电绕组3的A2-、B2-、C2-相均接线到图4所示的PWM整流桥的A、B、C桥臂，发电机感应发电的电流将从中性点流入PWM整流桥供给负载用电，在负载两端产生发电电压，进行电能的储存。
[0023]励磁原理如图6图7所示，当图4中控制励磁绕组5的逆变电路通电时，励磁绕组5产生的磁场Cpe分别经过励磁绕组5、定子铁芯2、气隙、永磁体6、转轴13这些部件，将发电机在空间上平均分成与发电绕组3—样的四部分，这也是本发明可以补偿或削弱主磁场的原理。当发电绕组3和悬浮力绕组4的合成磁场减弱时辅之以增强的励磁磁场，反之，给以反向的励磁磁场来减弱发电绕组3和悬浮力绕组4的合成磁场。图6中励磁绕组5的磁场与合成磁场同向，表示为励磁绕组5对合成磁场的补偿作用，图7中励磁绕组5的磁场与合成磁场反向，表示为励磁绕组5对合成磁场的削弱作用。以A相的发电绕组3和X相的励磁绕组5为例，当原动机给定转速变化时，发电绕组3中感应电流的变化会导致合成磁场的变化，进而影响悬浮力性能和发电品质。通过检测转子角位置和原动机给定转速的信号，调节图4所示第三三相逆变电路的输入电流来控制励磁绕组5中的电流增减，进而起到稳定发电机内部磁场的作用。当发电机负载发生变化时，发电绕组3内的电流同样会发生变化，影响合成磁场。此时通过检测转子位置角和发电电压的信号，调节图4所示第二三相逆变电路的输入电流来控制励磁绕组5中的电流增减，从而稳定发电机内部合成磁场。本发明由于励磁绕组5的存在，使悬浮性能和发电品质均得到提高。
【主权项】
1.一种无轴承永磁同步发电机，包括定子铁心、永磁转子和转轴，定子铁心同轴套在永磁转子外，永磁转子同轴套在转轴外，永磁转子由永磁体和紧固连接件组成，其特征是:紧固连接件外表面上沿圆周方向均匀表贴有四块径向充磁、极对数为2的永磁体，定子铁心沿圆周方向均匀设有36个定子槽，每个定子槽中均布置内外两层绕组，外层绕组是每极每相定子槽数为3的2对极发电绕组，内层绕组是I对极悬浮力绕组和2对极励磁绕组。2.根据权利要求1所述一种无轴承永磁同步发电机，其特征是:发电绕组沿顺时针方向按A1+、B1-、C1 +、A1-、B1+、C1-、A2+、B2-、C2+、A2-、B2+、C2-相排列，相邻的3个槽为一相的进线端或出线端，悬浮力绕组沿顺时针方向按a+、b-、c+、a-、b+、c-相排列，励磁绕组沿顺时针方向按 X1+、Y1-、Z1+、X1-、Y1+、Z1-、X2+、Y2-、Z2+、X2-、Y2+、Z2-相排列。3.根据权利要求2所述一种无轴承永磁同步发电机，其特征是:发电绕组的Al+相所在的3个定子槽中，沿顺时针方向的第一个槽中的内层绕组是励磁绕组的Xl+相，第二个和第三个槽中的内层绕组是悬浮力绕组的第一个a+相;发电绕组B1-相所在3个定子槽中，沿顺时针方向的第一个槽中的内层绕组是励磁绕组的Yl-相，第二个和第三个槽中的内层绕组是悬浮力绕组的第二个a+相，相邻的第一个a+相和第二个a+相组合成悬浮力绕组的一个完整a+相；内层绕组的其他相按顺时针方向占第一个槽的励磁绕组和占第二、第三两个槽的悬浮力绕组交错排列，相邻两个第二、第三两个槽中的悬浮力绕组组成一相，相邻两个第二槽和第三槽为悬浮力绕组一相的进线端或出线端。4.根据权利要求3所述一种无轴承永磁同步发电机，其特征是:悬浮力绕组连接第一三相逆变电路，电流由第一三相桥式逆变电路流向悬浮力绕组，从a+侧进线，a-侧出线，b相和c相的接线原理和a相相同，将a-、b_、c-端接在一起作为的中性点，a+、b+、c+相分别连接第一三相桥式逆变电路的三个桥臂。5.根据权利要求3所述一种无轴承永磁同步发电机，其特征是:励磁绕组连接第二三相桥式逆变电路，电流由第二三相桥式逆变电路流向励磁绕组，从Xl+侧进线，从相邻的Xl-侧出线，再绕置到X2+端进线，从相邻的X2-端出线，励磁绕组的Y相和Z相接线原理和X相相同，将励磁绕组的X2-、Y2-、Z2-端接在一起作为中性点，X1 +、Y1 +、Z1+端分别连接第二三相桥式逆变电路的三个桥臂。6.根据权利要求3所述一种无轴承永磁同步发电机，其特征是:发电绕组的A相从Al+侧进线，从相邻的Al-侧出线，再绕置到Α2+端进线，从相邻的Α2-端出线，B相和C相的接线原理和A相相同，将A1 +、B1 +、C1+相接在一起作为中性点，A2-、B2-、C2-相分别连接三相PWM整流桥的三个桥臂，感应发电的电流从中性点流入PWM整流桥。
【专利摘要】本发明公开一种无轴承永磁同步发电机，定子铁心同轴套在永磁转子外，定子铁心沿圆周方向均匀设有36个定子槽，每个定子槽中均布置内外两层绕组，外层绕组是每极每相定子槽数为3的2对极发电绕组，内层绕组是1对极悬浮力绕组和2对极励磁绕组；发电绕组沿顺时针方向按A1+、B1-、C1+、A1-、B1+、C1-、A2+、B2-、C2+、A2-、B2+、C2-相排列，悬浮力绕组沿顺时针方向按a+、b-、c+、a-、b+、c-相排列，励磁绕组沿顺时针方向按X1+、Y1-、Z1+、X1-、Y1+、Z1-、X2+、Y2-、Z2+、X2-、Y2+、Z2-相排列，提高了电机在特殊工况下运行的可靠性。
【IPC分类】H02K1/16, H02K21/02, H02K3/12, H02K3/28, H02K13/00
【公开号】CN105656269
【申请号】
【发明人】朱熀秋, 胡亚民, 李慧, 郝正杰, 陈颖, 郁叶, 刘浩, 蒋莉
【申请人】江苏大学
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2016年3月14日