本發(fā)明屬于同步模擬電機領(lǐng)域，更具體地，涉及一種小型電勵磁隱極的同步模擬電機。

背景技術(shù)：

隨著我國電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，對電力系統(tǒng)及其重要設(shè)備的研究與試驗，如電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性、暫態(tài)穩(wěn)定性研究，電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù)研究和電力系統(tǒng)二次設(shè)備可靠性試驗都得到了學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的高度重視。由于在真實電網(wǎng)進行試驗非常困難，電力系統(tǒng)動態(tài)模擬試驗系統(tǒng)(以下簡稱動模系統(tǒng))被公認為是代替真實電網(wǎng)試驗進行電力系統(tǒng)研究與試驗驗證的有效并重要的試驗工具。

大型汽輪發(fā)電機組是電力系統(tǒng)中重要的電氣設(shè)備，為準確模擬大型汽輪發(fā)電機(即原型電機)的機電與電磁特性，尤其是電磁暫態(tài)與次暫態(tài)特性，動模系統(tǒng)采用小型電勵磁同步發(fā)電機來用于準確模擬原型電機的機電和電磁特性，即實現(xiàn)模擬電機與原型電機主要電磁參數(shù)標幺值、時間常數(shù)等分別相等，并且兩者具有相似的非線性特性。在電機設(shè)計當中，需要滿足同步模擬電機的參數(shù)標幺值與原型電機相同的參數(shù)主要包括：(1)直軸電抗X_d與交軸電抗X_q，可以細分為直交軸電樞反應(yīng)電抗X_ad、X_aq以及定子繞組漏抗X_s；(2)勵磁繞組漏抗X_fl與阻尼繞組直交軸漏抗X_Dd、X_Dq；(3)定子繞組電阻R_s、勵磁繞組電阻R_f、阻尼繞組直交軸電阻R_Dd、R_Dq；(4)轉(zhuǎn)子機械慣性時間常數(shù)T_j。

模擬電機尺寸通常為原型電機的1/100以下，容量為原型電機1/30000以下?，F(xiàn)有技術(shù)的同步模擬電機的結(jié)構(gòu)存在以下缺陷：1、模擬電機通常對原型電機的結(jié)構(gòu)進行縮小設(shè)計，由于采用與原型電機相同的實心轉(zhuǎn)子，其渦流阻尼效應(yīng)很難通過調(diào)整與原型電機達到一致，從而影響超瞬態(tài)電抗標幺值的一致性。2、由于模擬電機容量與尺寸遠小于原型電機，因此模擬電機的電阻值相對較大、電抗值相對較小，從而導(dǎo)致時間常數(shù)相對減小?，F(xiàn)有模擬電機中的定子繞組槽與勵磁槽，由于槽口采用開口或半開口的設(shè)計，槽的寬度較寬、深度較淺，從而無法增大漏電抗；同時，由于采用平行槽的槽身結(jié)構(gòu)，從而限制了繞組并繞根數(shù)的增加，使得電阻值相對較大。從而難以實現(xiàn)對原型電機的準確模擬。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種小型電勵磁隱極的同步模擬電機，其目的在于改進了同步模擬電機的定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，使得模擬電機能夠有效的模擬原型電機的電磁與機電特性。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種同步模擬電機，包括疊片式定子以及疊片式轉(zhuǎn)子，所述疊片式定子設(shè)置于所述疊片式轉(zhuǎn)子的周向；

所述疊片式定子在周向上均勻設(shè)置有定子槽，相鄰的所述定子槽形成平行齒；

所述疊片式轉(zhuǎn)子在軸向上依次包括第一壓板、第二壓板以及疊片式轉(zhuǎn)子鐵芯；所述同步模擬電機的磁極中心線將所述疊片式轉(zhuǎn)子劃分為多個扇形區(qū)域，所述每個扇形區(qū)域上間隔設(shè)置有多個阻尼繞組槽以及勵磁繞組槽，勵磁繞組槽及與其相鄰的阻尼繞組槽之間形成平行齒；

每個阻尼繞組槽內(nèi)設(shè)置有與所述阻尼繞組槽相配合的阻尼條，所述阻尼條的兩端分別與第一壓板以及第二壓板連接，且與第一壓板以及第二壓板共同形成阻尼繞組。

優(yōu)選地，在徑向切面上，所述定子槽為半閉口梨形的深槽，所述勵磁繞組槽為半閉口斜角圓底的深槽，所述阻尼繞組槽為梯形的深槽；

其中，所述半閉口型表示該槽的槽口的寬度與該槽頂部的槽寬之比小于1:2.5，梨形表示該槽在頂部的寬度大于底部的寬度，且頂部為弧形，深槽表示該槽在徑向上的高度與徑向上1/2高度處槽寬的比例大于3:1；斜角表示槽的槽口與槽身之間采用直線過渡，圓底表示槽的底部為弧形，梯形表示該槽為頂部寬于底部的倒梯形。

優(yōu)選地，所述阻尼繞組槽在疊片式轉(zhuǎn)子的周向上均勻設(shè)置，與磁極中心線相鄰的阻尼繞組槽以所述磁極中心線為軸對稱設(shè)置。

作為進一步優(yōu)選地，在所述扇形區(qū)域上，勵磁繞組槽設(shè)置于相鄰的阻尼繞組槽的對稱軸上。

優(yōu)選地，所述定子槽在軸向上為斜槽；用于削弱氣隙磁場齒諧波，降低附加損耗；同時能夠減小定子繞組與勵磁繞組的諧波漏抗，提高漏電抗模擬的精確度；斜槽表示所述疊片式定子的定子疊片在疊壓時呈一定角度錯落放置，使得疊壓形成的疊片式定子的定子槽在軸向上相對于疊片式定子的中心軸的傾斜角為4°～8°，其傾斜的方向沿所述疊片式定子的周向的切面。

優(yōu)選地，所述疊片式轉(zhuǎn)子鐵芯的直徑大于所述第一壓板，所述第一壓板與第二壓板的直徑相同，所述阻尼條的兩端分別與第一壓板以及第二壓板在軸向上的外側(cè)連接。

優(yōu)選地，所述第一壓板、第二壓板以及阻尼條的材料為相同的金屬導(dǎo)電材料，所述金屬導(dǎo)電材料在20℃的電阻率小于0.02μΩ·m。

作為進一步優(yōu)選地，所述金屬導(dǎo)電材料為紫銅，既高導(dǎo)電性要求，同時機械性能也滿足易于加工成型、易于敲裝入轉(zhuǎn)子鐵芯、剛度與延展性又滿足工藝要求。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于改進了同步模擬電機的定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，能夠取得下列有益效果：

1、本發(fā)明采用疊片式轉(zhuǎn)子，從而無需利用實心轉(zhuǎn)子鐵芯產(chǎn)生渦流阻尼效應(yīng)；而通過疊片式轉(zhuǎn)子的阻尼繞組中感生的渦流產(chǎn)生阻尼效應(yīng)，更容易通過阻尼繞組的設(shè)計使得渦流阻尼效應(yīng)與原型電機達到一致，能夠準確的模擬原型電機的超瞬態(tài)電抗標幺值；

2、本發(fā)明中的定子槽為半閉口梨型的深槽，由于增大了槽深與槽寬的比例，擴大了槽面積，增大了槽口深度與槽口寬度的比例，從而增大了定子槽漏抗標幺值；勵磁繞組槽為半閉口型斜角圓底的深槽，由于增大了槽深與槽寬的比例，擴大了槽面積，增大了槽口深度與槽口寬度的比例，從而增大了勵磁繞組槽漏抗標幺值。阻尼繞組槽為梯形的深槽，由于增大了槽深與槽寬的比例，擴大了槽面積，增大了槽口深度與槽口寬度的比例，從而增大了阻尼繞組槽漏抗標幺值，減小了阻尼條的電阻值；

3、第一壓板以及第二壓板與阻尼條共同組成阻尼繞組，從而簡化了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，縮短了轉(zhuǎn)子在軸向上的長度，同時還對疊片式轉(zhuǎn)子鐵芯起到了牢固的固定效果，起到了轉(zhuǎn)子壓板的作用；

4、本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)同步模擬電機對原型電機的主要電磁參數(shù)的標幺值與機電時間常數(shù)的模擬；經(jīng)驗證，本發(fā)明的同步模擬電機的電阻與電抗參數(shù)標幺值的模擬誤差低于5％，時間常數(shù)的模擬誤差低于9％，使得同步模擬電機能夠有效的模擬作為大型汽輪發(fā)電機組的電磁與機電特性；從而對于動模系統(tǒng)的開發(fā)建設(shè)與電力系統(tǒng)動態(tài)模擬實驗研究具有重要意義。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1的同步模擬電機的定子鐵芯的徑向剖視圖；

圖2為本發(fā)明實施例1的同步模擬電機的轉(zhuǎn)子鐵芯的徑向剖視圖；

圖3為本發(fā)明實施例1的同步模擬電機的轉(zhuǎn)子壓板結(jié)構(gòu)示意圖；

在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1-定子軛，2-定子槽，3-定子槽槽口，4-定子齒；5-轉(zhuǎn)子大齒，6-轉(zhuǎn)子小齒，7-轉(zhuǎn)子勵磁繞組槽，8-轉(zhuǎn)子阻尼繞組槽，9-轉(zhuǎn)子勵磁繞組槽槽口，10-轉(zhuǎn)子阻尼繞組槽槽口；11-壓板勵磁繞組槽，12-壓板阻尼繞組槽，13-壓板勵磁繞組槽槽口，14-壓板阻尼繞組槽槽口。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明提供了一種小型電勵磁隱極的同步模擬電機，包括疊片式定子以及疊片式轉(zhuǎn)子，所述疊片式定子設(shè)置于所述疊片式轉(zhuǎn)子的周向；

所述疊片式定子由定子疊片疊壓組成，其在周向上均勻設(shè)置有定子槽2，相鄰的所述定子槽2形成平行齒4，在徑向切面上，所述定子槽2為半閉口梨形的深槽(即槽口3的寬度與槽頂部的槽寬之比小于1:2.5，頂部的寬度大于底部的寬度，且頂部為弧形，徑向上的高度與徑向上1/2高度處槽寬的比例大于3:1)；

增大槽口3在徑向上的高度或者減小槽口寬度會增加定子槽2的槽漏抗，減小槽口3高度或增加槽口3寬度會減小定子槽2的槽漏抗；通過定子槽2的槽口3尺寸可最終調(diào)節(jié)同步模擬電機的定子槽2的漏抗標幺值與原型電機的定子槽2的漏抗標幺值相等；

疊片式定子的定子疊片在疊壓時呈一定角度錯落放置，使得疊壓形成的疊片式定子的定子槽2在軸向上形成斜槽，該斜槽相對于疊片式定子的中心軸的傾斜角為4°～8°，其傾斜的方向沿所述疊片式定子的周向的切面；定子槽2在軸向上的斜槽結(jié)構(gòu)，可用于削弱氣隙磁場齒諧波，降低附加損耗；同時能夠減小定子繞組與勵磁繞組的諧波漏抗，提高漏電抗模擬的精確度；

定子繞組通過定子槽2穿過疊片式定子，并與疊片式定子軸向上的端部分別閉合；定子繞組的設(shè)計需匹配每相串聯(lián)匝數(shù)、并繞根數(shù)與定子線規(guī)。定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)決定于原型電機同步電抗標幺值，每相串聯(lián)匝數(shù)的增加會導(dǎo)致模擬電機同步電抗標幺值的增加，反之則會減小同步電抗標幺值。并繞根數(shù)與線規(guī)決定于每相串聯(lián)匝數(shù)與原型電機定子繞組電阻標幺值；在每相串聯(lián)匝數(shù)確定后，增加并繞根數(shù)與選擇半徑大的線規(guī)使得模擬電機定子繞組電阻標幺值減小，減少并繞根數(shù)與選擇半徑小的線規(guī)使得模擬電機定子繞組電阻標幺值增大，直至與原型電機的參數(shù)一致；

所述疊片式轉(zhuǎn)子在軸向上依次包括第一壓板、第二壓板以及疊片式轉(zhuǎn)子鐵芯；所述同步模擬電機的磁極中心線將所述疊片式轉(zhuǎn)子劃分為多個扇形區(qū)域，所述每個扇形區(qū)域上間隔設(shè)置有多個阻尼繞組槽8以及勵磁繞組槽7；例如，當磁極中心線均勻設(shè)置時，則將所述疊片式轉(zhuǎn)子劃分為多個角度相等的扇形區(qū)域，所述阻尼繞組槽8可在疊片式轉(zhuǎn)子的周向上均勻設(shè)置，與磁極中心線相鄰的阻尼繞組槽8以所述磁極中心線為軸對稱設(shè)置；除磁極中心線所在部位外，勵磁繞組槽7設(shè)置于相鄰的阻尼繞組槽8的對稱軸上；勵磁繞組槽7及與其相鄰的阻尼繞組槽8之間形成平行齒；平行齒結(jié)構(gòu)形成了磁場在勵磁繞組槽與阻尼繞組槽之間的均勻分布，避免了因局部飽和削弱電抗參數(shù)模擬的精度；

勵磁繞組槽7為半閉口斜角圓底的深槽(即槽口9的寬度與槽頂部的槽寬之比小于1:2.5，槽口9與槽身之間采用直線過渡，槽的底部為弧形，徑向上的高度與徑向上1/2高度處槽寬的比例大于3:1)；所述阻尼繞組槽8的寬度取切割工藝允許最小值，使得所述阻尼繞組槽8為梯形的深槽(即頂部寬于底部的倒梯形，徑向上的高度與徑向上1/2高度處槽寬的比例大于3:1)；

增大勵磁繞組槽7的槽口9高度或者減小槽口9寬度會增加勵磁繞組槽7的槽漏抗，反之則會減小勵磁繞組槽7的槽漏抗，因此，通過槽口9尺寸可最終調(diào)節(jié)勵磁繞組槽7的槽漏抗標幺值與原型電機的勵磁繞組槽7的槽漏抗的標幺值相等；

勵磁繞組通過勵磁繞組槽7穿過疊片式轉(zhuǎn)子，并與第一壓板以及第二壓板分別閉合；勵磁繞組設(shè)計需匹配串聯(lián)匝數(shù)、并繞根數(shù)、線規(guī)，由空載反電動勢、勵磁繞組電密、原型電機勵磁繞組電阻標幺值共同決定；其中勵磁繞組電密根據(jù)轉(zhuǎn)子冷卻條件決定；

增大阻尼繞組槽8的槽口10高度或者減小槽口10寬度會增加阻尼繞組槽8漏抗，減小槽口10高度或增加槽口10寬度會減小阻尼繞組槽8的槽漏抗，因此，通過槽口10尺寸最終調(diào)節(jié)阻尼繞組槽8的槽漏抗的標幺值與原型電機的等效阻尼繞組的槽漏抗的標幺值相等；

每個阻尼繞組槽8內(nèi)設(shè)置有與所述阻尼繞組槽8相配合的阻尼條，所述阻尼條的兩端分別與第一壓板以及第二壓板連接，且與第一壓板以及第二壓板共同形成阻尼繞組，第一壓板以及第二壓板為阻尼繞組的端環(huán)；由于疊片式轉(zhuǎn)子也是由轉(zhuǎn)子疊片疊壓組成，可將第一壓板以及第二壓板的直徑設(shè)計得比疊片式轉(zhuǎn)子略小，在制造過程中可將阻尼條穿越阻尼繞組槽，并從疊片式定子的兩端伸出第一壓板以及第二壓板，與第一壓板以及第二壓板在軸向上的外側(cè)焊接，從而起到拉緊轉(zhuǎn)子鐵芯、提高轉(zhuǎn)子疊壓系數(shù)的效果；

所述第一壓板、第二壓板以及阻尼條的材料為相同的金屬導(dǎo)電材料，該金屬導(dǎo)電材料在20℃的電阻率需小于0.02μΩ·m，且機械性能滿足易于加工成型、易于敲裝入轉(zhuǎn)子鐵芯、并達到工藝要求上的剛度與延展性，例如可采用紫銅。

實施例1

根據(jù)本發(fā)明的同步模擬電機如圖1-3所示，其與原型電機的容量比為1:120000。

圖1為本發(fā)明實施例1的同步模擬電機的定子鐵芯的徑向剖視圖。如圖1所示，該同步模擬電機的疊片式定子的定子鐵芯采用斜槽結(jié)構(gòu)，疊壓時每個定子疊片向轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向斜1個定子槽距；所述疊片式定子在周向上設(shè)置有等分布的36個定子槽2，相鄰定子槽2形成了平行結(jié)構(gòu)、寬度為7毫米的定子齒；

定子槽2采用半閉口梨型的深槽，槽口深1.3毫米，寬3.5毫米，既滿足了槽口寬符合下線工藝需要的要求，也滿足了定子漏抗標幺值對原型電機參數(shù)模擬的要求，槽口與定子槽2的頂部寬度之比為1:2.35，在徑向上，槽深與槽深1/2處的槽寬之比為6.2:1；定子槽2的底部與疊片式定子的外周形成的定子軛1寬為25毫米，由于定子齒4、定子軛1中的峰值磁密為1.63T，避免了定子齒4、定子軛1的飽和；定子繞組的三相中每相串聯(lián)匝數(shù)為144匝，并繞根數(shù)為35根，定子槽滿率為65％，符合工藝要求，同時滿足了同步電抗標幺值與定子繞組電阻標幺值與原型電機相同。

該同步模擬電機的疊片式轉(zhuǎn)子在軸向上依次包括第一壓板、第二壓板以及疊片式轉(zhuǎn)子鐵芯；該疊片式轉(zhuǎn)子具有兩條磁極中心線，將該疊片式轉(zhuǎn)子劃分為四個相等的直角扇形區(qū)域；20個阻尼繞組槽在疊片式轉(zhuǎn)子的周向上均勻設(shè)置，且與磁極中心線相鄰的阻尼繞組槽以所述磁極中心線為軸對稱設(shè)置；在每個直角扇形區(qū)域上，相鄰的阻尼繞組槽之間設(shè)置有勵磁繞組槽，疊片式轉(zhuǎn)子共設(shè)置有16個勵磁繞組槽。磁極中心線左右相鄰的阻尼繞組槽之間形成大齒，勵磁繞組槽及與其相鄰的阻尼繞組槽形成小齒，小齒為平行齒；

圖2為本發(fā)明實施例1的同步模擬電機的轉(zhuǎn)子鐵芯的徑向剖視圖，圖3為本發(fā)明實施例1的同步模擬電機的轉(zhuǎn)子壓板(第一壓板、第二壓板)結(jié)構(gòu)示意圖；如圖2-3所示，勵磁繞組槽7為半閉口斜角圓底的深槽，頂部斜角角度為30度，槽口與外側(cè)槽寬比為1:2.8，槽深43毫米，每槽串聯(lián)匝數(shù)為155匝，轉(zhuǎn)子槽滿率為65％符合工藝要求；阻尼繞組槽8為梯形的深槽，槽口深4毫米，槽口寬3毫米，阻尼繞組槽槽口10深3.1毫米，寬0.6毫米。轉(zhuǎn)子大齒5底部寬度9.8毫米，小齒6底部寬度3.6毫米，轉(zhuǎn)子大齒5與小齒6的峰值磁密1.85T，避免了轉(zhuǎn)子齒區(qū)域的過度飽和。上述設(shè)計參數(shù)均能滿足模擬電機電抗參數(shù)標幺值對原型電機的模擬的要求。

圖3所示的轉(zhuǎn)子壓板比轉(zhuǎn)子鐵芯的外徑小5毫米，勵磁繞組槽在壓板上的寬度與勵磁繞組槽在轉(zhuǎn)子鐵芯上的寬度平均大1毫米；轉(zhuǎn)子壓板上的阻尼繞組槽12相比于轉(zhuǎn)子鐵芯的阻尼繞組槽8在徑向切面上的兩側(cè)的寬度各增寬0.25毫米以預(yù)留焊縫，轉(zhuǎn)子壓板上的阻尼繞組槽的槽口14為開口槽。阻尼繞組槽8中設(shè)置有與阻尼繞組槽8相配合的阻尼條。焊接時，阻尼條的兩端分別伸出第一壓板與第二壓板，并在外力壓緊轉(zhuǎn)子鐵芯和壓板的情況下，與轉(zhuǎn)子壓板焊接在一起，轉(zhuǎn)子壓板同時作為阻尼繞組端板。本實施例中，阻尼條與轉(zhuǎn)子壓板均采用紫銅材料。

根據(jù)本實施例設(shè)計出的模擬電機的部分參數(shù)及其與原型電機參數(shù)對照見表1所示。

表1 實施例1的模擬電機與原型電機的部分參數(shù)對比

從上表1可以看出，本發(fā)明的同步模擬電機的電阻與電抗參數(shù)標幺值的模擬誤差低于5％，時間常數(shù)的模擬誤差低于9％；說明本發(fā)明的同步模擬電機能夠有效的模擬作為大型汽輪發(fā)電機組的電磁與機電特性。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。