RU2844074C1 - Electrical machine - Google Patents
Electrical machineInfo
- Publication number
- RU2844074C1 RU2844074C1 RU2024117933A RU2024117933A RU2844074C1 RU 2844074 C1 RU2844074 C1 RU 2844074C1 RU 2024117933 A RU2024117933 A RU 2024117933A RU 2024117933 A RU2024117933 A RU 2024117933A RU 2844074 C1 RU2844074 C1 RU 2844074C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- winding
- rotor
- harmonic
- slots
- electric machine
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к электрическим машинам, в частности к электрическим машинам с обмоткой возбуждения на роторе, и может быть применено в электроприводах и генераторных установках.The invention relates to electrical machines, in particular to electrical machines with an excitation winding on the rotor, and can be used in electric drives and generator units.
Аналогом предлагаемой электрической машины является синхронная электрическая машина с полупроводниковым источником питания, описанная в патенте US 9813004 B2 (название: «Systems and methods concerning exciterless synchronous machines»; авторы: Ghanshyam Shrestha, Darren Tremelling, Waqas Arshad, Wen Ouyang, Jan Westerlund, 2017). Данная система содержит инвертор, питающийся от звена постоянного тока, подключенный к многофазной обмотке статора электрической машины. Этот инвертор устроен так, чтобы передавать обмотке статора электрической машины мощность переменного тока, включая как основную временную гармонику, так и инжектируемые гармоники, формируемые инжектором (специальным модулем инвертора).An analogue of the proposed electric machine is a synchronous electric machine with a semiconductor power source, described in patent US 9813004 B2 (title: "Systems and methods concerning exciterless synchronous machines"; authors: Ghanshyam Shrestha, Darren Tremelling, Waqas Arshad, Wen Ouyang, Jan Westerlund, 2017). This system contains an inverter powered by a DC link, connected to a multiphase stator winding of the electric machine. This inverter is designed to transmit alternating current power to the stator winding of the electric machine, including both the fundamental temporary harmonic and the injected harmonics generated by the injector (a special inverter module).
Также данная система содержит синхронную электрическую машину, имеющую:This system also contains a synchronous electric machine, which has:
- многофазную обмотку якоря на статоре, соединенную в звезду без вывода средней точки;- a multiphase armature winding on the stator, connected in a star without a midpoint;
- обмотку гармонического возбудителя на роторе (далее, для краткости, просто “гармоническая обмотка”), которая может быть многофазной; эта обмотка построена так, чтобы принимать энергию инжектируемых гармоник; - a winding of the harmonic exciter on the rotor (hereinafter, for brevity, simply “harmonic winding”), which can be multi-phase; this winding is constructed in such a way as to accept the energy of the injected harmonics;
- обмотку возбуждения на роторе;- excitation winding on the rotor;
- источник постоянного тока, устроенный так, чтобы принимать энергию инжектируемых гармоник с обмотки гармонического возбудителя, и питающий обмотку возбуждения.- a direct current source designed to receive the energy of injected harmonics from the winding of the harmonic exciter and supply power to the excitation winding.
Между тем, совокупность данных признаков в US 9813004 B2 не обеспечивает достаточный магнитный поток возбуждения и достаточно высокий КПД системы возбуждения, что снижает КПД синхронной машины в целом. Также включение обмотки статора в звезду без вывода средней точки приводит к наличию инжектируемого компонента в основной пространственной гармонике индукции в зазоре, что приводит к росту пульсаций момента и вибраций. Также это ведет к тому, что отклонение угла управления от заданного системой управления значения, вследствие примешивания инжектируемой гармоники, понижает КПД машины. Кроме того, часть напряжения звена постоянного тока используется инвертором для создания инжектируемых гармоник. Поэтому для достижения той же амплитуды напряжения основной гармоники требуется увеличение напряжения звена постоянного тока, и, как следствие, требуется увеличение мощности инвертора. Кроме того, для работы электрической машины, описанной в патенте US 9813004 B2, обязательно нужен инвертор (активный выпрямитель) в цепи обмотки статора, что ограничивает применение этого решения в генераторных установках с диодным мостом (пассивным выпрямителем), а также в генераторных установках без диодного моста.Meanwhile, the combination of these features in US 9813004 B2 does not provide sufficient magnetic excitation flux and sufficiently high efficiency of the excitation system, which reduces the efficiency of the synchronous machine as a whole. Also, the inclusion of the stator winding in a star without the midpoint output leads to the presence of an injected component in the fundamental spatial harmonic of the induction in the gap, which leads to an increase in torque pulsations and vibrations. This also leads to the fact that the deviation of the control angle from the value specified by the control system, due to the admixture of the injected harmonic, reduces the efficiency of the machine. In addition, part of the DC link voltage is used by the inverter to create injected harmonics. Therefore, to achieve the same amplitude of the fundamental harmonic voltage, an increase in the DC link voltage is required, and, as a result, an increase in the inverter power is required. In addition, the operation of the electric machine described in patent US 9813004 B2 requires an inverter (active rectifier) in the stator winding circuit, which limits the use of this solution in generator sets with a diode bridge (passive rectifier), as well as in generator sets without a diode bridge.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является электрическая машина, описанная в патенте KR20230075074A (название «Single-Inverter-Controlled Brushless Technique for Wound Rotor Synchronous Machines», авторы: Noh Jong-seok, Syed Sabir, Hussein Bukhari, 2023), а также в статье «Brushless Field Excitation Scheme for Wound Field Synchronous Machines» за авторством Syed Sabir Hussain Bukhari, Ghulam Jawad Sirewal, Faheem Akhtar Chachar и Jong-Suk Ro опубликованной в Applied Sciences (7 August 2020, 10(17):5866, DOI: 10.3390/app10175866). Эта электрическая машина применяется совместно с гистерезисным трехфазный инвертором тока. В этой системе инжекция нулевой последовательности выполняется через общую точку обмотки статора, соединенной в звезду. Каждый зубец ротора вблизи зазора разделен на два подзубца, на которые наматывается однофазная гармоническая обмотка. В результате одна из пазовых сторон катушек обмотки гармонического возбудителя укладывается в паз обмотки возбуждения. The closest analogue of the proposed invention is the electric machine described in patent KR20230075074A (title "Single-Inverter-Controlled Brushless Technique for Wound Rotor Synchronous Machines", authors: Noh Jong-seok, Syed Sabir, Hussein Bukhari, 2023), as well as in the article "Brushless Field Excitation Scheme for Wound Field Synchronous Machines" authored by Syed Sabir Hussain Bukhari, Ghulam Jawad Sirewal, Faheem Akhtar Chachar and Jong-Suk Ro published in Applied Sciences (7 August 2020, 10(17):5866, DOI: 10.3390/app10175866). This electric machine is used in conjunction with a hysteresis three-phase current inverter. In this system, zero sequence injection is performed through the common point of the stator winding connected in a star. Each rotor tooth near the gap is divided into two subteeth, onto which a single-phase harmonic winding is wound. As a result, one of the slot sides of the harmonic exciter winding coils fits into the slot of the excitation winding.
При этом возможна также реализация варианта конструкции электропривода, описанного в «Brushless Field Excitation Scheme for Wound Field Synchronous Machines», в котором инжекция нулевой последовательности осуществляется посредством дополнительного однофазного инжектора. В результате уменьшается мощность трехфазного инвертора. При этом, если напряжение и ток, требуемые для возбуждения третьей гармоники, меньше напряжения и тока основной гармоники, в инжекторе могут применяться транзисторы меньшего тока, что снижается их стоимость.In this case, it is also possible to implement the design variant of the electric drive described in the "Brushless Field Excitation Scheme for Wound Field Synchronous Machines", in which the zero-sequence injection is carried out by means of an additional single-phase injector. As a result, the power of the three-phase inverter is reduced. In this case, if the voltage and current required to excite the third harmonic are less than the voltage and current of the fundamental harmonic, lower-current transistors can be used in the injector, which reduces their cost.
Кроме того, ротор, описанный в статье «Brushless Field Excitation Scheme for Wound Field Synchronous Machines», устроен так, чтобы вырабатывать момент под влиянием прямой последовательности. Потому негативное влияние присутствия нулевой последовательности оказывается ниже, чем инжекционных компонент прямой последовательности. Эти факторы способствуют уменьшению пульсаций момента, а также увеличению КПД и удельных характеристики электрической машины.In addition, the rotor described in the article "Brushless Field Excitation Scheme for Wound Field Synchronous Machines" is designed to generate torque under the influence of positive sequence. Therefore, the negative impact of the presence of zero sequence is lower than that of the injection components of positive sequence. These factors contribute to the reduction of torque pulsations, as well as to the increase in the efficiency and specific characteristics of the electric machine.
На Фиг. 1. показана электрическая машина, описанная в статье «Brushless Field Excitation Scheme for Wound Field Synchronous Machines», в момент, когда середины зубцов ротора расположены напротив осей результирующего магнитного поля фаз обмотки статора (далее для краткости просто «осей фаз»). Данные оси не имеют ориентации и повернуты по вектору результирующей магнитодвижущей силы (МДС), образованного векторами МДС отдельных катушек фазы при протекании синфазных токов. Такая ось соответствует центру фазной зоны. По правилу Ленца ток в гармонической обмотке стремится размагнитить магнитное поле нулевой последовательности в обмотке статора. Этот ток выпрямляется и питает обмотку возбуждения. Fig. 1 shows the electric machine described in the article "Brushless Field Excitation Scheme for Wound Field Synchronous Machines" at the moment when the rotor teeth centers are located opposite the axes of the resulting magnetic field of the stator winding phases (hereinafter, for brevity, simply "phase axes"). These axes have no orientation and are rotated along the vector of the resulting magnetomotive force (MMF) formed by the MMF vectors of individual phase coils when in-phase currents flow. Such an axis corresponds to the center of the phase zone. According to Lenz's rule, the current in the harmonic winding tends to demagnetize the zero-sequence magnetic field in the stator winding. This current is rectified and feeds the excitation winding.
На Фиг. 2 показана электрическая машина, описанная в статье «Brushless Field Excitation Scheme for Wound Field Synchronous Machines», в момент, когда середины зубцов ротора расположены напротив границ фазных зон обмотки статора. В этом случае напротив середины зубцов ротора отсутствуют токи нулевой последовательности, то есть отсутствует причина возникновения индуцированного тока в гармонической обмотке. Таким образом, при таком положении ротора передача энергии в обмотку возбуждения невозможна. Поэтому запуск машины в двигательном режиме при таком положении ротора также невозможен. В промежуточных положениях ротора передача энергии в обмотку возбуждения осуществляется не эффективно, что снижает эффективность её возбуждения и приводит к уменьшению КПД синхронной машины в целом. Fig. 2 shows the electric machine described in the article "Brushless Field Excitation Scheme for Wound Field Synchronous Machines" at the moment when the rotor teeth centers are located opposite the boundaries of the phase zones of the stator winding. In this case, there are no zero-sequence currents opposite the rotor teeth center, i.e. there is no reason for the induced current to appear in the harmonic winding. Thus, with this rotor position, energy transfer to the excitation winding is impossible. Therefore, starting the machine in the motor mode with this rotor position is also impossible. In intermediate rotor positions, energy transfer to the excitation winding is not effective, which reduces the efficiency of its excitation and leads to a decrease in the efficiency of the synchronous machine as a whole.
Такая неэффективность передачи энергии возбуждения отчасти компенсируется применением гистерезисного регулятора тока, имеющего большое выходное сопротивление, что исключает протекание токов прямой или обратной последовательности с частотой инжекции, наведённых ЭДС, возникающей вследствие неизбежного взаимодействия токов нулевой последовательности с анизотропией ротора. Гистерезисный регулятор тока требует в своей конструкции наличие высококачественных датчиков тока.This inefficiency of excitation energy transfer is partly compensated by the use of a hysteresis current regulator with a large output resistance, which eliminates the flow of direct or reverse sequence currents with the injection frequency, induced by the EMF arising due to the inevitable interaction of zero-sequence currents with the rotor anisotropy. The hysteresis current regulator requires high-quality current sensors in its design.
Кроме того, для эффективной передачи энергии в гармоническую обмотку необходимо, чтобы угловой размер подзубца ротора был примерно равен полюсному делению пространственной третьей гармоники, а весь зубец ротора был примерно равен периоду пространственной третьей гармоники, то есть примерно 120 электрических градусов. Это ограничивает возможности оптимизации конструкции синхронной машины и достижения высоких КПД и энергетических характеристик.In addition, for efficient energy transfer to the harmonic winding, it is necessary that the angular size of the rotor sub-tooth be approximately equal to the pole division of the spatial third harmonic, and the entire rotor tooth be approximately equal to the period of the spatial third harmonic, i.e. approximately 120 electrical degrees. This limits the possibilities of optimizing the design of the synchronous machine and achieving high efficiency and energy characteristics.
Кроме того, в каждом пазу ротора наряду с обмоткой возбуждения укладываются по две пазовые стороны витков гармонической обмотки, направленные противоположно. Однако пространственное изменение z-компоненты векторного магнитного потенциала происходит преимущественно в магнитопроводах, а в немагнитных средах практически отсутствует. В результате пазовые стороны гармонической обмотки, уложенные в пазы обмотки возбуждения, вносят противоположные, уравновешивающие вклады в ЭДС гармонической обмотки, то есть не приводят к какому-либо полезному эффекту. Их расположение в пазу обмотки возбуждения усложняет конструкцию, уменьшает место, отводимое для обмотки возбуждения и, как следствие, уменьшает КПД машины.In addition, in each slot of the rotor, along with the excitation winding, two slot sides of the turns of the harmonic winding are placed, directed oppositely. However, the spatial change in the z-component of the vector magnetic potential occurs mainly in magnetic circuits, and in non-magnetic media it is practically absent. As a result, the slot sides of the harmonic winding, placed in the slots of the excitation winding, make opposite, balancing contributions to the EMF of the harmonic winding, i.e., they do not lead to any useful effect. Their location in the slot of the excitation winding complicates the design, reduces the space allocated for the excitation winding and, as a result, reduces the efficiency of the machine.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в возможности запуска и возбуждения при любом положении ротора, устранении дорогостоящего гистерезисного регулятора тока, устранении частей гармонической обмотки в пазах обмотки возбуждения, не дающих полезного эффекта, а также улучшении удельных характеристик и КПД и в уменьшении пульсаций момента и вибраций.The technical result of the proposed invention consists in the possibility of starting and excitation at any position of the rotor, eliminating the expensive hysteresis current regulator, eliminating parts of the harmonic winding in the slots of the excitation winding that do not provide a useful effect, as well as improving the specific characteristics and efficiency and reducing torque pulsations and vibrations.
Сущность данного изобретения поясняется эскизами, на которых изображено: The essence of this invention is explained by sketches, which depict:
- Фиг. 1 - известная конструкция с инжекцией нулевой последовательности, с положением ротора, в котором передача энергии в обмотку возбуждения возможна;- Fig. 1 - a known design with zero sequence injection, with a rotor position in which energy transfer to the excitation winding is possible;
- Фиг. 2 - известная конструкция с инжекцией нулевой последовательности, с положением ротора, в котором передача энергии в обмотку возбуждения невозможна;- Fig. 2 - a known design with zero-sequence injection, with a rotor position in which energy transfer to the excitation winding is impossible;
- Фиг. 3 - электрическая машина с двухфазной обмоткой гармонического возбудителя без общей ветви;- Fig. 3 - an electric machine with a two-phase winding of a harmonic exciter without a common branch;
- Фиг. 4 - ротор электрической машины с двухфазной обмоткой гармонического возбудителя без общей ветви;- Fig. 4 - rotor of an electric machine with a two-phase winding of a harmonic exciter without a common branch;
- Фиг. 5 - электрическая схема ротора;- Fig. 5 - electrical diagram of the rotor;
- Фиг. 6 - варианты включения схема питания обмотки статора без инвертора (активного выпрямителя): (а) Вариант без диодного мостового выпрямителя; (б) Вариант с диодным мостовым выпрямителем.- Fig. 6 - options for connecting the stator winding power supply circuit without an inverter (active rectifier): (a) Option without a diode bridge rectifier; (b) Option with a diode bridge rectifier.
- Фиг. 7 - электрическая схема питания обмотки статора с инвертором;- Fig. 7 - electrical circuit of the stator winding power supply with an inverter;
- Фиг. 8 - ротор электрической машины с двухфазной обмоткой гармонического возбудителя, группы пазов которой содержат по два паза;- Fig. 8 - rotor of an electric machine with a two-phase winding of a harmonic exciter, the slot groups of which contain two slots each;
- Фиг. 9 - ротор электрической машины с двухфазной обмоткой гармонического возбудителя с общей ветвью: (а) эскиз ротора; (б) электрическая схема ротора.- Fig. 9 - rotor of an electric machine with a two-phase winding of a harmonic exciter with a common branch: (a) sketch of the rotor; (b) electrical circuit of the rotor.
- Фиг. 10 - ротор электрической машины с двухфазной обмоткой гармонического возбудителя с тремя пазами на каждом зубце ротора;- Fig. 10 - rotor of an electric machine with a two-phase winding of a harmonic exciter with three slots on each tooth of the rotor;
- Фиг. 11 - варианты подключения компенсирующих конденсаторов к обмотке гармонического возбудителя: (а) Смеха с двумя конденсаторами без общей ветви; (б) Смеха с тремя конденсаторами без общей ветви; (в) Смеха с двумя конденсаторами с общей ветвью; (г) Смеха с тремя конденсаторами с общей ветвью.- Fig. 11 - options for connecting compensating capacitors to the winding of the harmonic exciter: (a) Smekha with two capacitors without a common branch; (b) Smekha with three capacitors without a common branch; (c) Smekha with two capacitors with a common branch; (d) Smekha with three capacitors with a common branch.
- Фиг. 12 - ротор электрической машины с прорезями.- Fig. 12 - rotor of an electric machine with slots.
- Фиг. 13 - угловые расстояния между группами пазов и осями фаз обмотки гармонического возбудителя с двухфазной обмоткой гармонического возбудителя без общей ветви.- Fig. 13 - angular distances between groups of slots and phase axes of the winding of a harmonic exciter with a two-phase winding of a harmonic exciter without a common branch.
Для дальнейшего изложения введём некоторые определения. Под группой пазов обмотки гармонического возбудителя (далее для краткости, просто «группой пазов») будем понимать совокупность соседних пазов этой обмотки, расположенных на одном зубце ротора и принадлежащих одной фазе, в которых протекает ток одинакового направления. Серединное направление такой группы пазов, определяется следующим образом. Определяется угловое положение пазов относительного середины зубца ротора. Для определённости выберем положительным направление против часовой стрелки. Тогда серединное направление группы пазов обмотки гармонического возбудителя, расположенных на одном зубце роторе, имеет угловое положение, равное среднему арифметическому положений этих пазов.For further exposition, we will introduce some definitions. By a group of slots of the harmonic exciter winding (hereinafter, for brevity, simply "slot group") we will understand a set of adjacent slots of this winding, located on one tooth of the rotor and belonging to one phase, in which the current of the same direction flows. The middle direction of such a group of slots is determined as follows. The angular position of the slots relative to the middle of the rotor tooth is determined. For definiteness, we will choose the counterclockwise direction as positive. Then the middle direction of the group of slots of the harmonic exciter winding, located on one tooth of the rotor, has an angular position equal to the arithmetic mean of the positions of these slots.
Аналогично осью результирующего магнитного поля некоторой совокупности пазов будем называть направление, задаваемое с угловым положением, равным среднему арифметическому положений этих пазов без учёта направления протекающего тока.Similarly, the axis of the resulting magnetic field of a certain set of slots will be called the direction specified with an angular position equal to the arithmetic mean of the positions of these slots without taking into account the direction of the flowing current.
Некоторые варианты электрической машины раскрываются на Фиг. 3, 4, 5, 6. Магнитопровод статора 1 электрической машины имеет двухполюсную трехфазную обмотку 2 (число пар полюсов p = 1), соединенную в звезду. Инжектор гармоники нулевой последовательности 3 подключается к общей точке звезды обмотки статора. Электрическая машина имеет явнополюсный ротор 4 с пазами 5, расположенными с шагом 180/p = 180 механических градусов, в которые уложена обмотка возбуждения 6. Все пазовые стороны многофазной гармонической обмотки 7 укладываются в пазы 8, расположенные на зубцах ротора. Some variants of the electric machine are disclosed in Figs. 3, 4, 5, 6. The magnetic circuit of the stator 1 of the electric machine has a two-pole three-phase winding 2 (the number of pole pairs p = 1), connected in a star. The zero-sequence harmonic injector 3 is connected to the common point of the stator winding star. The electric machine has a salient-pole rotor 4 with slots 5, located with a step of 180/p = 180 mechanical degrees, in which the excitation winding 6 is laid. All slot sides of the multiphase harmonic winding 7 are laid in slots 8, located on the rotor teeth.
Фазе A гармонической обмотки соответствуют пазы А и -А с угловыми координатами 40° и -20°, отсчитываемыми от центра данного зубца ротора против часовой стрелки, соответственно. Так как в каждой группе пазов гармонической обмотки содержится по одному пазу и серединное положение групп пазов совпадает с положением соответствующих пазов. Поэтому середины групп пазов соответствуют самим пазам. Угловое расстояние между серединными направлениями групп пазов гармонической обмотки (между пазами) с токами, протекающими в противоположном направлении, расположенными на одном зубце, составляет [40 - (-20)]/p = 60 градусов. Угловое расстояние между серединными направлениями групп пазов гармонической обмотки (между пазами) с токами, протекающими в противоположном направлении, расположенными на соседних зубцах, составляет 180/p = 180 градусов.Phase A of the harmonic winding corresponds to slots A and -A with angular coordinates of 40° and -20°, counted from the center of a given rotor tooth counterclockwise, respectively. Since each group of slots of the harmonic winding contains one slot and the middle position of the slot groups coincides with the position of the corresponding slots. Therefore, the middles of the slot groups correspond to the slots themselves. The angular distance between the middle directions of the slot groups of the harmonic winding (between the slots) with currents flowing in the opposite direction, located on one tooth, is [40 - (-20)]/p = 60 degrees. The angular distance between the middle directions of the slot groups of the harmonic winding (between the slots) with currents flowing in the opposite direction, located on adjacent teeth, is 180/p = 180 degrees.
На каждом зубце ротора, изображённом на Фиг. 4, двухфазная обмотка гармонического возбудителя укладывается в две пары (групп) пазов с токами, протекающими в противоположном направлении, соответствующие фазам А и В. Фазе A ответствуют пазы (группы пазов) А и -А с угловыми положениями 40/p = 40° и -20/p = -20°. Ось результирующего магнитного поля фазы А имеет угловое положение [40 + (-20)]/2 = 10°. Аналогично, ось результирующего магнитного поля фазы B имеет положение -10°. Угловое расстояние между серединными направлениями пазов фаз А и В 20°.On each tooth of the rotor shown in Fig. 4, the two-phase winding of the harmonic exciter is laid in two pairs (groups) of slots with currents flowing in the opposite direction, corresponding to phases A and B. Phase A corresponds to slots (groups of slots) A and -A with angular positions of 40/p = 40° and -20/p = -20°. The axis of the resulting magnetic field of phase A has an angular position of [40 + (-20)]/2 = 10°. Similarly, the axis of the resulting magnetic field of phase B has a position of -10°. The angular distance between the midpoints of the slots of phases A and B is 20°.
Как видно из Фиг. 5, фазы с одного конца соединяются при подключении к выпрямителю 9 встречно, то есть так, что при протекании тока последовательно через фазы А и В магнитные поля фаз взаимно ослабляются.As can be seen from Fig. 5, the phases at one end are connected in opposite directions when connected to the rectifier 9, that is, in such a way that when current flows sequentially through phases A and B, the magnetic fields of the phases are mutually weakened.
На Фиг. 6 без ограничения общности показаны некоторые примеры электрической цепи обмотки статора, не требующие инвертора. Инжектор питается от собственного источника питания или от сети обмотки статора. Такие схемы могут иметь компенсирующие конденсаторы и диодный мост, подключённый к обмотке статора. Напряжение, выпрямленное диодным мостом, может питать инжектор. Компенсирующие конденсаторы осуществляют короткое замыкание на инжектируемой частоте, если она в 3 и более раз превышает частоту основной гармоники. Поэтому подключение инжектора к общей точке конденсаторов не обязательно, включенных в звезду. В генераторных приложениях обмотка статора может подключаться к нагрузке непосредственно или к глобальной или локальной электросети. Также возможно приложение в качестве генератора постоянного напряжения, снимаемого с выводов постоянного тока диодного моста (пассивного выпрямителя). Fig. 6 shows, without limitation of generality, some examples of the stator winding electric circuit that do not require an inverter. The injector is powered from its own power source or from the stator winding network. Such circuits may have compensating capacitors and a diode bridge connected to the stator winding. The voltage rectified by the diode bridge can power the injector. The compensating capacitors perform a short circuit at the injected frequency if it is 3 or more times higher than the fundamental frequency. Therefore, connecting the injector to the common point of the capacitors included in the star is not necessary. In generator applications, the stator winding can be connected to the load directly or to a global or local power grid. It is also possible to use it as a generator of direct voltage taken from the DC terminals of the diode bridge (passive rectifier).
На Фиг. 7 показан пример электрической цепи обмотки статора, содержащей звено постоянного тока, трехфазный инвертор 10 и инжектор 3. Fig. 7 shows an example of an electric circuit of a stator winding containing a DC link, a three-phase inverter 10 and an injector 3.
Вне зависимости от наличия инвертора инжектор может содержать пассивные элементы (индуктивности, трансформаторы, емкости) для согласования подключения к общей точке звезды и для гальванической развязки инжектора от обмотки статора на основной частотe и на частотах ниже основной. Regardless of the presence of an inverter, the injector may contain passive elements (inductors, transformers, capacitors) to match the connection to the common point of the star and to galvanically isolate the injector from the stator winding at the fundamental frequency and at frequencies below the fundamental frequency.
На Фиг. 8 показан пример ротора электрической машины в каждой группе пазов гармонической обмотки которого по два паза.Fig. 8 shows an example of a rotor of an electric machine, in each group of slots of the harmonic winding of which there are two slots.
На Фиг. 9 показан ротор электрической машины, в котором на одном зубце содержится три пары групп пазов с токами, протекающими в противоположном направлении. Фазе А, соответствуют пазы А и -А. Паз А имеет угловое положение 50/p = 50°. Паза -А имеет угловое положение -10/p = -10°. Поэтому ось результирующего магнитного поля фазы A имеет угловое положение Fig. 9 shows the rotor of an electric machine in which one tooth contains three pairs of groups of slots with currents flowing in the opposite direction. Phase A corresponds to slots A and -A. Slot A has an angular position of 50/p = 50°. Slot -A has an angular position of -10/p = -10°. Therefore, the axis of the resulting magnetic field of phase A has an angular position
[50 + (-10)]/2 = 20°. Аналогично, ось результирующего магнитного поля фазы B имеет угловое положение -20°. Поэтому оси результирующего магнитного поля фаз А и В отстоят на [20 - (-20)] = 40°. Фазы А и В включаются встречно и подключаются к выпрямителю через общий участок С в согласованном включении с фазами А и B. Например, при последовательном протекании тока через пазы А и С магнитное поле усиливается. Угловое направление оси результирующего магнитного поля фазы С находится между осями результирующего магнитного поля фаз А и В.[50 + (-10)]/2 = 20°. Similarly, the axis of the resulting magnetic field of phase B has an angular position of -20°. Therefore, the axes of the resulting magnetic field of phases A and B are spaced by [20 - (-20)] = 40°. Phases A and B are connected in opposite directions and are connected to the rectifier through a common section C in a matched connection with phases A and B. For example, when current flows sequentially through slots A and C, the magnetic field is amplified. The angular direction of the axis of the resulting magnetic field of phase C is between the axes of the resulting magnetic field of phases A and B.
На Фиг. 10 показан ротор электрической машины, в котором двухфазная гармоническая обмотка на одном зубце содержит одну группу пазов фазы А и пару групп пазов фазы В с токами, протекающими в противоположном направлении. Оси результирующего магнитного поля фаз В и А совпадают с серединой зубца ротора, и, следовательно, совпадают между собой.Fig. 10 shows a rotor of an electric machine in which a two-phase harmonic winding on one tooth contains one group of phase A slots and a pair of groups of phase B slots with currents flowing in the opposite direction. The axes of the resulting magnetic field of phases B and A coincide with the middle of the rotor tooth, and, therefore, coincide with each other.
На Фиг. 11. Показаны варианты подключения компенсирующих конденсаторов к гармонической обмотке. Конденсаторы могут подключаться между фазой и общим проводом, а также между фазами.Fig. 11. Shows options for connecting compensating capacitors to the harmonic winding. Capacitors can be connected between the phase and the common wire, as well as between phases.
На Фиг. 12 показан с прорезями, выходящими к пазам обмотки и проходящими между зубцами.Fig. 12 shows it with slots leading to the winding grooves and passing between the teeth.
На Фиг. 13 иллюстрируются возможные диапазоны отклонения угловых расстояний между группами пазов и осями фаз двухфазной обмотки гармонического возбудителя без общей ветви. Штрихпунктирными линиями с одной точкой показаны срединные направления групп пазов одной фазы. Штрихпунктирными линиями с двумя точками показаны оси результирующего поля фаз A и B.Fig. 13 illustrates possible ranges of deviation of angular distances between groups of slots and phase axes of a two-phase winding of a harmonic exciter without a common branch. The dash-dotted lines with one dot show the middle directions of groups of slots of one phase. The dash-dotted lines with two dots show the axes of the resulting field of phases A and B.
В результате применения многофазной обмотки гармоничного возбудителя в рассмотренных вариантах изобретения ток нулевой последовательности обмотки статора при любом положении ротора создает магнитный поток хотя бы в одной из фаз обмотки гармоничного возбудителя, что повышает эффективность передачи энергии возбуждения. Поэтому запуск машины может быть осуществлен при любом положении ротора. Повышение эффективности передачи возбуждения позволяет уменьшить поле инжектируемых гармоник в зазоре, что вместе с тем, что энергия возбуждения передается непрерывно, при любом положении ротора, а также уменьшает пульсации момента и вибраций. Кроме того, эффективность передачи энергии возбуждения позволяет повысить удельные характеристики и КПД даже без использования гистерезисного источника тока для питания обмотки статора. Кроме того, угловой размер зубца может отличаться от 120 эл. градусов. Например, он может быть больше данной величины, что открывает дополнительные возможности для повышения КПД и удельных характеристик.As a result of using a multiphase winding of a harmonic exciter in the considered variants of the invention, the zero-sequence current of the stator winding at any rotor position creates a magnetic flux in at least one of the phases of the harmonic exciter winding, which increases the efficiency of excitation energy transfer. Therefore, the machine can be started at any rotor position. Increasing the efficiency of excitation transfer allows for a decrease in the field of injected harmonics in the gap, which, together with the fact that excitation energy is transferred continuously, at any rotor position, also reduces torque pulsations and vibrations. In addition, the efficiency of excitation energy transfer allows for an increase in specific characteristics and efficiency even without using a hysteresis current source to power the stator winding. In addition, the angular size of the tooth may differ from 120 el. degrees. For example, it may be greater than this value, which opens up additional opportunities for increasing the efficiency and specific characteristics.
Применение компенсирующих конденсаторов в цепи гармонической обмотки позволяет скомпенсировать реактивную составляющую тока, протекающего в цепи инжектора, что уменьшает негативное влияние индуктивности рассеяния. В результате повышаются КПД и удельные характеристики в том числе и при увеличении зазора. В результате дополнительно уменьшаются пульсации момента и вибрации.The use of compensating capacitors in the harmonic winding circuit allows to compensate for the reactive component of the current flowing in the injector circuit, which reduces the negative effect of leakage inductance. As a result, the efficiency and specific characteristics increase, including with an increase in the gap. As a result, torque pulsations and vibrations are additionally reduced.
Выпрямитель на роторе может быть как пассивный (обычно это диодный мост), так и активный. Достоинством пассивного выпрямителя является его большая простота. Применение активного выпрямителя позволяет скомпенсировать реактивную составляющую тока, протекающего в цепи инжектора без компенсирующих конденсаторов. Кроме того, полевые транзисторы в открытом состоянии обладают очень малым сопротивлением. Все это вместе с возможностью гибкого управления выпрямлением позволяет снизить пульсации момента, а также повысить эффективность передачи энергии возбуждения, в результате повышаются КПД и удельные характеристики.The rectifier on the rotor can be either passive (usually a diode bridge) or active. The advantage of a passive rectifier is its greater simplicity. The use of an active rectifier allows for compensation of the reactive component of the current flowing in the injector circuit without compensating capacitors. In addition, field-effect transistors have very low resistance in the open state. All this, together with the possibility of flexible rectification control, allows for a reduction in torque pulsation and an increase in the efficiency of excitation energy transfer, resulting in increased efficiency and specific characteristics.
Наличие средств измерения тока и/или напряжения и/или активной и/или реактивной мощности инжектируемого канала позволяет контролировать возбуждение и передавать энергию возбуждения более эффективно. Например, при наличии компенсирующих конденсаторов, подключаемых к гармонической обмотке, возможна подстройка частоты, при которой достигается резонанс, и реактивная мощность существенно уменьшается или компенсируется. В результате повышаются КПД и удельные характеристики. The presence of means for measuring current and/or voltage and/or active and/or reactive power of the injected channel allows for excitation control and transfer of excitation energy more efficiently. For example, with compensating capacitors connected to the harmonic winding, it is possible to adjust the frequency at which resonance is achieved, and the reactive power is significantly reduced or compensated. As a result, the efficiency and specific characteristics are increased.
Наличие прорезей, выходящих к внешней окружности ротора (Фиг. 12), расположенных между двумя соседними зубцами, позволяет уменьшить рассеяние по оси q, что способствует уменьшению насыщения, снижению потерь в роторе, увеличению КПД и удельных характеристик.The presence of slots extending to the outer circumference of the rotor (Fig. 12), located between two adjacent teeth, makes it possible to reduce scattering along the q axis, which helps to reduce saturation, reduce losses in the rotor, and increase efficiency and specific characteristics.
Claims (11)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2844074C1 true RU2844074C1 (en) | 2025-07-25 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1406695A2 (en) * | 1987-01-05 | 1988-06-30 | Казанский Авиационный Институт Им.А.Н.Туполева | Synchronous electric motor with electromagnetic excitation |
| RU2393614C1 (en) * | 2009-05-27 | 2010-06-27 | Владимир Михайлович Чернухин | Electric reducer machine with polar gear inducer |
| RU2477917C1 (en) * | 2011-09-30 | 2013-03-20 | Владимир Михайлович Чернухин | Electric reducer machine with polar gear inducer |
| US9813004B2 (en) * | 2015-01-16 | 2017-11-07 | Abb Schweiz Ag | Systems and methods concerning exciterless synchronous machines |
| KR20230075074A (en) * | 2021-11-22 | 2023-05-31 | 중앙대학교 산학협력단 | Single-Inverter-Controlled Brushless Technique for Wound Rotor Synchronous Machines |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1406695A2 (en) * | 1987-01-05 | 1988-06-30 | Казанский Авиационный Институт Им.А.Н.Туполева | Synchronous electric motor with electromagnetic excitation |
| RU2393614C1 (en) * | 2009-05-27 | 2010-06-27 | Владимир Михайлович Чернухин | Electric reducer machine with polar gear inducer |
| RU2477917C1 (en) * | 2011-09-30 | 2013-03-20 | Владимир Михайлович Чернухин | Electric reducer machine with polar gear inducer |
| US9813004B2 (en) * | 2015-01-16 | 2017-11-07 | Abb Schweiz Ag | Systems and methods concerning exciterless synchronous machines |
| KR20230075074A (en) * | 2021-11-22 | 2023-05-31 | 중앙대학교 산학협력단 | Single-Inverter-Controlled Brushless Technique for Wound Rotor Synchronous Machines |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9231513B2 (en) | Electric motor system | |
| US10090742B2 (en) | Rotating electric machine | |
| US4851758A (en) | Brushless generator | |
| US20110260672A1 (en) | High power density switched reluctance machines with hybrid excitation | |
| WO2012110879A2 (en) | Rotary electric machine driving system | |
| WO2012110883A2 (en) | Rotary electric machine driving system | |
| JP2012222941A (en) | Rotating electric machine | |
| US20200162002A1 (en) | Rotating electric machine drive system | |
| US11251688B2 (en) | Field-winding-type rotating electric machine | |
| US20150008777A1 (en) | Synchronous electric machine | |
| JP2024509201A (en) | Wireless power transmission in electrical machines with AC and DC rotor coils | |
| JPWO2014207858A1 (en) | Rotating machine and rotating machine drive system | |
| US5838087A (en) | Reluctance machine | |
| US5598091A (en) | Three-phase brushless self-excited synchronous generator with no rotor exciting windings | |
| GB2468695A (en) | A stator assembly incorporating permanent magnets and wound field poles for an inductor machine. | |
| Dietz et al. | Comparison between a bearingless PM motor with separated and combined winding for torque and lateral force generation | |
| CN111987832A (en) | Exciting coil type rotating electrical machine | |
| WO2018142653A1 (en) | Radial gap rotary electric machine | |
| US10063127B2 (en) | Multiple-phase AC electric motor whose rotor is equipped with field winding and diode | |
| CN109451783B (en) | 6-wire 3-phase motor, inverter device, and motor system | |
| CN107070156B (en) | A kind of attached brushless DC motor of electric vehicle | |
| EP0920112B1 (en) | Brushless three-phase synchronous generator having enhanced rotor field system | |
| RU2844074C1 (en) | Electrical machine | |
| US5012148A (en) | AC machine system with induced DC field | |
| JP2010136523A (en) | Drive control device for rotary electric machine |