一种三电端口和双机械端口电机及其使用方法

1.本发明属于特种电机领域，涉及一种三电端口和双机械端口电机及其使用方法，适用于船用发电系统和电力系统异步联网。


背景技术：

2.目前船用动力系统，多采用发动机+减速器+船舶轴带发电机的动力系统方式。船舶轴带发电机为无刷双馈电机，可实现变速恒频发电。以上所述动力系统方式，发动机转速变化，燃油经济性低，且发动机动力输出轴与推进器之间采用硬连接的方式，振动噪声大。随着船舶行业的迅速发展，越来越多的船舶动力系统采用发动机+调速器+同步发电机的方式，这种方式，可大幅降低振动噪声，提升效率，但由于电机数量多，系统复杂，可靠性降低，体积重量大。因此，未来的船舶动力系统，为简化动力系统结构，会将电机进行集成。集成后的电机用于连接两个不同频率的电网时，又称为可变频变压器，目前的可变频变压器有电刷滑环结构，可靠性不高。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出了一种三电端口和双机械端口电机。
4.本发明采用的技术方案：一种三电端口和双机械端口电机，包括两个转子和一个定子，定子内设有三套绕组，其中一套为功率绕组，一套为控制绕组，另一套为发电机的电枢绕组；两个转子分别为凸极转子和永磁转子，功率绕组的极对数与永磁转子的极对数相等，为p
p
，控制绕组的极对数为pc，感应子电机转子的凸极数为pf，pf=p
p
+pc。
5.其中，所述控制绕组与功率绕组在同一个定子槽内。
6.本发明相当于在常规感应子电机的基础上，增加一个永磁转子以及两套绕组，从而形成双转子结构，对应有两个机械端口，三套绕组对应三个电端口。感应子电机的凸极转子作为永磁磁场调制电机的调磁环转子；永磁转子和感应子电机凸极转子，与功率绕组和控制绕组，构成永磁磁场调制无刷双馈电机结构。将永磁磁场调制无刷双馈和感应子电机合二为一。
7.上述电机用于船用发电系统时，凸极转子与发动机输出轴相连，永磁转子与推进器连接，发动机的转速保持不变，与推进器连接的永磁转子转速和转矩连续可调，且转速和转矩可实现完全解耦控制；发电机的电枢绕组用于发电，发出的交流电为恒频，与船舶电力系统直接连接，无需电力电子变换装置。
8.功率绕组和控制绕组与电机控制器连接，通过电机控制器控制两者的电流频率和大小及相位，实现转速和转矩的独立解耦控制。
9.上述电机用于电网可变频变压器时，用于连接两个频率不等的电网；凸极转子和永磁转子均空载，功率绕组与一侧电网连接，控制绕组与另一个电网连接，发电机的电枢绕
组与变流器连接，通过控制变流器的电流频率，调节凸极转子的转速，从而调节控制绕组侧电网的频率。
10.有益效果：本发明的三电端口和双机械端口电机，将永磁磁场调制无刷双馈电机和感应子电机的功能合二为一，用于船用发电系统时，同时实现变速驱动和恒频发电，能同时满足船用用电设备的供电需求和动力推进需求，简化了动力系统结构，减小了动力系统占用的空间，提升了系统可靠性。用于可变频变压器时，无电刷滑环结构，可靠性高。
附图说明
11.图1为三电端口和双机械端口电机结构示意图；图2为用于船舶发电系统时的系统框图；图3为用于电网可变频变压器时的系统框图；图4为三电端口和双机械端口电机绕组的磁链曲线。
12.1-凸极转子，2-导磁壳体，3-定子铁心，4-励磁线圈，5-控制绕组，6-端盖，7-永磁体，8-功率绕组，9-感应子电枢绕组。
实施方式
13.下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
14.本实施例中提供一种三电端口和双机械端口电机为双转子电机，在原有感应子电机的基础上增设一个转子，定子中增设两套绕组，共计两个转子，三套绕组。从而将永磁磁场调制无刷双馈电机和感应子电机的功能合二为一，具有三个电端口和两个机械端口。
15.电机的具体结构如图1所示，外部为导磁壳体2以及两端的端盖6，内部设有凸极转子1和永磁转子7，两定子铁心3，其电枢槽内设有三套绕组，控制绕组5、功率绕组8，以及原感应子电机的普通三相交流绕组即感应子电枢绕组9作为发电机的电枢绕组；控制绕组5与功率绕组8在同一个定子槽内。功率绕组8的极对数与永磁转子7的极对数相等，为p
p
，控制绕组5的极对数为pc；感应子电机凸极转子1的凸极数为pf，三者满足如下关系：pf=p
p
+pc。感应子电机的凸极转子1作为永磁磁场调制电机的调磁环转子；永磁转子7和感应子电机凸极转子1，与控制绕组5、功率绕组8，构成永磁磁场调制无刷双馈电机结构。
16.如图2所示，上述电机用于船用发电系统时，发电系统由发动机、三电端口和双机械端口电机、电机控制器等构成；其中感应子电机的凸极转子1与发动机输出轴相连，永磁转子7与推进器连接，为维持发动机高效率运行，发动机的转速保持不变，与推进器连接的永磁转子7转速和转矩连续可调，且转速和转矩可实现完全解耦控制；感应子电机对应的感应子电枢绕组9用于恒频发电，由于感应子电机转速不变，发出的交流电为恒频，可与船舶电力系统直接连接，省去了复杂的电力电子变换装置。
17.具体如下：由于调磁环转子转速不变，因此，感应子电枢绕组9的电频率不变。感应子电枢绕组9可直接与船舶电力系统相连，中间无变流环节。永磁磁场调制无刷双馈电机对应的功率绕组8和控制绕组5与电机控制器连接，通过电机控制器控制两者的电流频率和大小及相位，可实现永磁转子7的转速和转矩的独立解耦控制。
18.如图3所示，上述电机用于电网可变频变压器时，感应子发电机的凸极转子1和永
磁转子7均空载。功率绕组8与一侧电网连接，控制绕组5与另一个电网连接。感应子电枢绕组9与变流器连接，通过控制变流器的电流频率，可以调节感应子电机凸极转子1的转速，从而调节控制绕组侧电网的频率。
19.由于凸极转子1分为左右两半，左右错开180
°
电角度，感应子电枢绕组9左右不用反相连接，绕组不会耦合感应子电机励磁绕组产生的直流磁场。由于调磁环错开180
°
电角度，因此，左右两半的调制磁场相位相反，左右两半的控制绕组5需要反相连接。
20.以上所述是其中一个实施案例，还可采用调磁环转子左右非错开的形式，感应子电枢绕组9左右两半需反相串联绕组。极对数配比，由永磁磁场调制无刷双馈电机决定。此外，凸极转子1的位置和永磁转子7的位置不限定，凸极转子1在定子和永磁转子7之间，或者永磁转子7在凸极转子1和定子之间均可。
21.作为优选，感应子电机左右两半转子采用非错开式，其目的在于：永磁磁场调制电机和感应子电机电枢绕组之间无耦合。
22.为了验证上述的正确性，建立电机的三维有限元仿真模型进行了验证。电机调磁环转子采用外置式，左右两半非错开。仿真得到的绕组磁链如图4所示。可以看出，感应子电机和永磁磁场调制无刷双馈电机的绕组磁链之间的耦合较少。因此，励磁电流为零时，感应子电机的电枢绕组的磁链为零，与仿真结果相吻合。
23.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种三电端口和双机械端口电机，其特征在于，包括两个转子和一个定子，定子内设有三套绕组，其中一套为功率绕组，一套为控制绕组，另一套为发电机的电枢绕组；两个转子分别为凸极转子和永磁转子，功率绕组的极对数与永磁转子的极对数相等，为p
p
，控制绕组的极对数为p
c
，感应子电机转子的凸极数为p
f
，p
f
=p
p
+p
c
。2.根据权利要求1所述的一种三电端口和双机械端口电机，其特征在于，所述控制绕组与功率绕组在同一个定子槽内。3.根据权利要求1所述的一种三电端口和双机械端口电机，其特征在于，所述电机用于船用发电系统时，凸极转子与发动机输出轴相连，永磁转子与推进器连接，发动机的转速保持不变，与推进器连接的永磁转子转速和转矩连续可调，且转速和转矩可实现完全解耦控制；发电机的电枢绕组用于发电，发出的交流电为恒频，与船舶电力系统直接连接，无需电力电子变换装置。4.根据权利要求3所述的一种三电端口和双机械端口电机，其特征在于，所述功率绕组和控制绕组与电机控制器连接，通过电机控制器控制两者的电流频率和大小及相位，实现转速和转矩的独立解耦控制。5.根据权利要求1所述的一种三电端口和双机械端口电机，其特征在于，所述电机用于电网可变频变压器时，用于连接两个频率不等的电网；凸极转子和永磁转子均空载，功率绕组与一侧电网连接，控制绕组与另一个电网连接，发电机的电枢绕组与变流器连接，通过控制变流器的电流频率，调节凸极转子的转速，从而调节控制绕组侧电网的频率。

技术总结
本发明公开了一种三电端口和双机械端口电机及其使用方法。电机包括两个转子和一个定子，定子内设有三套绕组，其中一套为功率绕组，一套为控制绕组，另一套为发电机的电枢绕组；两个转子分别为凸极转子和永磁转子，功率绕组的极对数与永磁转子的极对数相等，为P


技术研发人员：刘龙建 于克训 谢贤飞 张明 饶波 刘志坚 郭成 孙向飞
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/8/23