CN102739015A - 自励式开关磁阻无刷发电电动机组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自励式开关磁阻无刷发电电动机组，主要包括：启动装置(1)、前端盖(2)、风扇(3)、轴承(4)、双段结构的双凸极开关磁阻无刷发电电动机(5至14、21、22)、永磁激磁发电机(16至19)、机座(15)、后端盖(20)和转轴(23)组成，双凸极开关磁阻无刷发电电动机与永磁激磁发电机、启动装置共轴，是一种能输出转矩的同时，“回收”部份电能的自励式开关磁阻无刷发电电动机组。

Description

自励式开关磁阻无刷发电电动机组

技术领域

本发明涉及一种电机，特别是一种自励式开关磁阻无刷发电电动机组。

技术背景

开关磁阻电动机(SR)是近些年发展的新型调速电机，结构简单结实、调速范围宽且性能好，现已广泛用在仪器仪表、家电、电动汽车等领域。磁阻电机的主要特点是转子上没有线圈。磁阻电动机利用磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用磁引力拉动转子旋转。

磁阻电机的转子上没有线圈，无需电刷和滑环，是一种无刷调速电机。但也正是因为转子上没有线圈，通过转子的磁通被“浪费”掉了。

本发明采用双段结构的双凸极开关磁阻无刷发电电动机和永磁发电机，开关磁阻电机的定子和转子上都设有磁极和电枢，在定子磁场牵引转子旋转的同时，转子电枢产生用于转子磁极的励磁电流，转子磁场与定子电枢铁心相互吸引，转子获得更大的转矩，定子电枢产生的电流又反馈给定子磁极，双段结构的电机输出的转矩比单段结构的电机输出的转矩更大，同时也能“回收”部份电能。利用永磁激磁发电机提供的初始励磁电源，实现电机的自励磁。

发明内容

本发明的目的是提供一种能输出更大转矩和“回收”部份电能的自励式开关磁阻无刷发电电动机组。

本发明是这样实现的：一种自励式开关磁阻无刷发电电动机组，主要包括：启动装置(1)、前端盖(2)、风扇(3)、轴承(4)、双段结构的双凸极开关磁阻无刷发电电动机(5至14、21、22)、永磁激磁发电机(16至19)、机座(15)、后端盖(20)和转轴(23)组成，其特征是：双凸极开关磁阻无刷发电电动机与永磁激磁发电机、启动装置共轴。双段结构的双凸极开关磁阻无刷发电电动机主要包括定子磁场绕组(5)、转子电枢绕组(6)、定子磁场铁心(7)、转子电枢铁心(8)、控制器(9)、定子电枢绕组(10)、转子磁场绕组(11)、导线(12)、定子电枢铁心(13)、转子磁场铁心(14)和转子位置传感器(21、22)，其特征是：定子磁场铁心有6个或6个以上数量为偶数的凸极，定子磁场铁心上绕有定子磁场绕组，组成定子磁极；转子电枢铁心有4个或4个以上数量为偶数的凸极，转子电枢铁心上绕有转子电枢绕组，组成转子电枢；定子电枢铁心有6个或6个以上数量为偶数的凸极，定子电枢铁心上绕有定子电枢绕组，组成定子电枢；转子磁场铁心有4个或4个以上数量为偶数的凸极，转子磁场铁心上绕有转子磁场绕组，组成转子磁极；定子磁极与转子电枢同段设置，定子电枢与转子磁极同段设置；定子磁极的凸极数量与定子电枢的凸极数量相同，而且定子磁极的凸极与定子电枢的凸极轴向对齐；转子磁极的凸极数量与转子电枢的凸极数量相同，而且转子磁极的凸极与转子电枢的凸极轴向对齐；定子磁极的凸极数量比转子电枢的凸极数量多2个或4个或6个，定子电枢的凸极数量比转子磁极的凸极数量多2个或4个或6个；能与转子电枢的凸极同时对齐的定子磁极的凸极的定子磁场绕组用同相励磁电源连接，组成由2相或2相以上励磁电源分别供电的定子磁极；转子电枢的相数与转子电枢的凸极数量相同，转子磁极的相数与转子磁极的凸极数量相同，转子磁场相绕组与轴向并列的转子电枢相绕组用导线串联；转子位置传感器由定子(21)和转子(22)两部份组成，转子位置传感器的转子固定在转轴上或转子铁心的一侧，转子位置传感器的定子固定在端盖或机座上，或者，转子位置传感器的定子与控制器设在一起；控制器主要由位置处理单元和功率逻辑开关单元组成，控制器固定在端盖或机座上。永磁激磁发电机主要包括激磁电枢绕组(16)、激磁电枢铁心(17)、永磁体(18)、磁轭(19)，其特征是：激磁电枢铁心为凸极式铁心，激磁电枢铁心上绕有激磁电枢绕组，组成凸极式激磁电枢，激磁电枢固定在机座和/或端盖上；磁轭固定在转轴上，磁轭上设有S极与N极相间排列的永磁体。

工作原理：启动装置带动转轴旋转时，永磁激磁发电机发出交流电，经整流器整流后为双段结构的双凸极开关磁阻无刷发电电动机提供初始励磁电源，当开关磁阻发电电动机定子磁极的其中一相通电时，与通电磁极距离最接近的转子电枢铁心凸极受磁力的作用旋转至与通电磁极相对的位置，转子位置传感器检测到转子已经旋转至既定的位置，通过控制器发出断开该相励磁绕组电流、接通下一相励磁绕组电流的指令，下一相励磁绕组所在的磁极通电并吸引与其距离最接近的转子铁心凸极，实现转子的持续旋转；由于通过转子电枢铁心的磁通沿着转子电枢铁心的凸极“旋转”，转子电枢感应电动势且产生电流，转子电枢产生的电流与定子磁极的励磁电流的频率是相同的；由于开关磁阻发电电动机的转子电枢绕组与转子磁场绕组是串联的，转子电枢产生电流的同时，转子磁极也同步产生磁场，转子磁极的磁场的变化规律与定子磁极的磁场的变化规律相同，转子磁场与定子电枢铁心产生吸引力，转子获得更大的转矩；由于通过定子电枢铁心的磁通沿着定子电枢铁心的凸极“旋转”，定子电枢感应电动势且产生电流。电机启动后即可停止从启动装置输入动力，双凸极开关磁阻无刷发电电动机和永磁激磁机发出的电流已能满足电机自身励磁的需要。还有一种情况是：双凸极开关磁阻无刷发电电动机和永磁激磁发电机发出的电流并不能满足电机自身励磁的需要，但电机与外部发电机连接，电机输出的动力用来发电，外部发电机产生的部份电流作为励磁电源反馈给电机。

在有外部电源的场合，电机并不需要用启动装置启动，直接用外部电源作为电机的初始励磁电源。启动装置作为一种辅助工具，适合无外部励磁电源的场合使用。人工辅助启动装置为盘式或杠杆式，与超越离合器一起设在转轴上。人工辅助启动装置也可以像老式托拉机一样，用摇杆启动，电机启动后再收起摇杆。还有一种是拉绳式，就像一些柴油电机的拉绳启动装置一样。

开关磁阻电机的定子磁极的凸极数量比转子电枢的凸极数量多2个或4个或6个，定子电枢的凸极数量比转子磁极的凸极数量多2个或4个或6个，定子与转子的凸极数之比为6∶4或8∶6或8∶4或10∶8或12∶8或12∶10或12∶6等等，亦称为6/4极或8/6极或8/4极或10/8极或12/10极或12/6极等结构的发电电动机。6/4极电机的定子磁极采用3相励磁电源，8/6极的定子磁极采用4相励磁电源，8/4极的定子磁极采用2相励磁电源，10/8极的定子磁极采用5相励磁电源。

转子位置传感器起着转子位置的跟踪作用，它将转子的位置信号转换成控制电路所需的电信号。常用的位置传感器有电磁式位置传感器、光电式位置传感器和磁敏式位置传感器。

电磁式位置传感器是利用电磁感应的效应得到转子的位置信号。其基本原理是：在转子上有一个扇形的导磁片，随着转子的转动发出相应的电信号。

光电式位置传感器由随转子一起旋转的遮光罩和固定不动的光源和光电管组成。若干只光电管由遮光罩控制依次受到光线照射，使各相励磁绕组轮流通电，于是电动机能持续地旋转。

磁敏式位置传感器也是由定子和转子两部份组成，在转轴上安装永磁磁极，磁敏元件设在定子上。磁敏元件用对磁场敏感的半导体材料制成，常用的有霍尔元件、磁敏二极管和磁敏电阻。磁敏元件检测到的转子位置信号经过处理后，可控制电动机的励磁绕组按顺序通电。

控制器的电路主要由位置处理单元和功率逻辑开关单元组成。来自位置传感器的控制信号经信号处理单元处理后，送到功率逻辑开关单元，用作控制电机各相励磁绕组的通、断电。控制器中包含了功率变换器、位置处理器及相驱动器三部份。

目前已有许多专用于控制电机的集成电路，组成开环或闭环控制系统，以调节和控制电机的转速。

“无刷”只是一个相对的概念，正如普通的大型无刷发电机组，只要转子存在磁极或电枢，就需要有一个接地电刷。无刷开关磁阻发电电动机的转子中存在磁极和电枢，因此也需要有接地电刷，转子绕组的零线通过电刷接地。

开关磁阻电机的定子磁场铁心、定子电枢铁心、转子电枢铁心、定子磁场铁心和永磁激磁机的激磁电枢铁心用软铁材料制成，一般是用硅钢片叠压而成。永磁激磁机的磁轭用电工纯铁铸造。

磁场绕组和电枢绕组用漆包线绕制而成，漆包线为漆包铜线或漆包铝线或漆包合金线。转子磁场相绕组与轴向并列的转子电枢相绕组用导线串联，导线为铜线或铝线，导线用导线套环固定在转轴上。

开关磁阻电机的定子磁场铁心、定子电枢铁心、转子电枢铁心、定子磁场铁心和永磁激磁机的激磁电枢铁心为直槽凸极铁心或斜槽凸极铁心。从径向看，直槽凸极铁心的凸极与转轴平行，斜槽凸极铁心的凸极与转轴交叉。

接线盒设在机座上。控制器可与接线盒设在一起，也可以设在端盖内侧，也可以单独设在机座上。

电机用1至3个风扇或液体冷却装置冷却，和/或，在机壳上设散热片散热。

附图说明

图1、图2、图3为本发明第一实施例结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

第一实施例

参见图1电机整体结构平面示意图，图2双凸极开关磁阻无刷发电电动机第一段定、转子横截面结构示意图，图3双凸极开关磁阻无刷发电电动机第二段定、转子横截面结构示意图。一种自励式开关磁阻无刷发电电动机组，主要包括：启动装置(1)、前端盖(2)、风扇(3)、轴承(4)、双段结构的双凸极开关磁阻无刷发电电动机(5至14、21、22)、机座(15)、永磁激磁发电机(16至19)、后端盖(20)和转轴(23)组成，双凸极开关磁阻无刷发电电动机与永磁激磁发电机、启动装置共轴。双段结构的双凸极开关磁阻无刷发电电动机主要包括定子磁场绕组(5)、转子电枢绕组(6)、定子磁场铁心(7)、转子电枢铁心(8)、控制器(9)、定子电枢绕组(10)、转子磁场绕组(11)、导线(12)、定子电枢铁心(13)、转子磁场铁心(14)和转子位置传感器(21、22)，定子磁场铁心有6个或6个以上数量为偶数的凸极，定子磁场铁心上绕有定子磁场绕组，组成定子磁极；转子电枢铁心有4个凸极，转子电枢铁心上绕有转子电枢绕组，组成转子电枢；定子电枢铁心有6个凸极，定子电枢铁心上绕有定子电枢绕组，组成定子电枢；转子磁场铁心有4个凸极，转子磁场铁心上绕有转子磁场绕组，组成转子磁极；定子磁极与转子电枢同段设置，定子电枢与转子磁极同段设置；定子磁极的凸极数量与定子电枢的凸极数量相同，而且定子磁极的凸极与定子电枢的凸极轴向对齐；转子磁极的凸极数量与转子电枢的凸极数量相同，而且转子磁极的凸极与转子电枢的凸极轴向对齐；能与转子电枢的凸极同时对齐的定子磁极的凸极的定子磁场绕组用同相励磁电源连接，组成由3相励磁电源分别供电的定子磁极；转子电枢的相数与转子电枢的凸极数量相同，转子磁极的相数与转子磁极的凸极数量相同，转子磁场相绕组与轴向并列的转子电枢相绕组用导线串联；转子位置传感器由定子(21)和转子(22)两部份组成，转子位置传感器的转子固定在转轴上或转子铁心的一侧，转子位置传感器的定子固定在端盖；控制器的电路主要由位置处理单元和功率逻辑开关单元组成闭环控制系统，以调节和控制电机的转速。来自位置传感器的控制信号经信号处理单元处理后，送到功率逻辑开关单元，用作控制电机各相励磁绕组的通、断电。控制器中包含了功率变换器、位置处理器及相驱动器三部份。永磁激磁发电机主要包括激磁电枢绕组(16)、激磁电枢铁心(17)、永磁体(18)、磁轭(19)，激磁电枢铁心为凸极式铁心，激磁电枢铁心上绕有激磁电枢绕组，组成凸极式激磁电枢，激磁电枢固定在机座和/或端盖上；磁轭固定在转轴上，磁轭上设有S极与N极相间排列的永磁体。两个风扇固定在转轴上，一个风扇位于前端盖的内侧，另一个风扇设在永磁激磁机和开关磁阻电机之间。启动装置是一种杠杆式启动装置，与超越离合器一起设在转轴上。转轴通过轴承定位于前端盖和后端盖。机座上设有散热片。接线盒设在机座的外侧。前端盖和后端盖分别设有进风口和出风口。开关磁阻电机的定子磁场铁心、定子电枢铁心、转子电枢铁心、定子磁场铁心和永磁激磁机的激磁电枢铁心为直槽凸极铁心，铁心用硅钢片叠压而成。磁场绕组和电枢绕组用漆包铜线绕制而成，导线为铜线。

Claims (8)

1.一种自励式开关磁阻无刷发电电动机组，主要包括：启动装置(1)、前端盖(2)、风扇(3)、轴承(4)、双段结构的双凸极开关磁阻无刷发电电动机(5至14、21、22)、永磁激磁发电机(16至19)、机座(15)、后端盖(20)和转轴(23)组成，其特征是：双凸极开关磁阻无刷发电电动机与永磁激磁发电机、启动装置共轴。

2.根据权利要求1所述双段结构的双凸极开关磁阻无刷发电电动机，主要包括定子磁场绕组(5)、转子电枢绕组(6)、定子磁场铁心(7)、转子电枢铁心(8)、控制器(9)、定子电枢绕组(10)、转子磁场绕组(11)、导线(12)、定子电枢铁心(13)、转子磁场铁心(14)和转子位置传感器(21、22)，其特征是：定子磁场铁心有6个或6个以上数量为偶数的凸极，定子磁场铁心上绕有定子磁场绕组，组成定子磁极；转子电枢铁心有4个或4个以上数量为偶数的凸极，转子电枢铁心上绕有转子电枢绕组，组成转子电枢；定子电枢铁心有6个或6个以上数量为偶数的凸极，定子电枢铁心上绕有定子电枢绕组，组成定子电枢；转子磁场铁心有4个或4个以上数量为偶数的凸极，转子磁场铁心上绕有转子磁场绕组，组成转子磁极；定子磁极与转子电枢同段设置，定子电枢与转子磁极同段设置；定子磁极的凸极数量与定子电枢的凸极数量相同，而且定子磁极的凸极与定子电枢的凸极轴向对齐；转子磁极的凸极数量与转子电枢的凸极数量相同，而且转子磁极的凸极与转子电枢的凸极轴向对齐；定子磁极的凸极数量比转子电枢的凸极数量多2个或4个或6个，定子电枢的凸极数量比转子磁极的凸极数量多2个或4个或6个；能与转子电枢的凸极同时对齐的定子磁极的凸极的定子磁场绕组用同相励磁电源连接，组成由2相或2相以上励磁电源分别供电的定子磁极；转子电枢的相数与转子电枢的凸极数量相同，转子磁极的相数与转子磁极的凸极数量相同，转子磁场相绕组与轴向并列的转子电枢相绕组用导线串联；转子位置传感器由定子(21)和转子(22)两部份组成，转子位置传感器的转子固定在转轴上或转子铁心的一侧，转子位置传感器的定子固定在端盖或机座上，或者，转子位置传感器的定子与控制器设在一起；控制器主要由位置处理单元和功率逻辑开关单元组成，控制器固定在端盖或机座上。

3.根据权利要求1所述永磁激磁发电机，主要包括激磁电枢绕组(16)、激磁电枢铁心(17)、永磁体(18)、磁轭(19)，其特征是：激磁电枢铁心为凸极式铁心，激磁电枢铁心上绕有激磁电枢绕组，组成凸极式激磁电枢，激磁电枢固定在机座和/或端盖上；磁轭固定在转轴上，磁轭上设有S极与N极相间排列的永磁体。

4.根据权利要求1所述启动装置，其特征是：启动装置为盘式启动装置或杠杆式启动装置或摇杆式启动装置或拉绳式启动装置。

5.根据权利要求2所述双段结构的双凸极开关磁阻无刷发电电动机，其特征是所述发电电动机为3相6/4极或4相8/6极或2相8/4极或5相10/8极结构的发电电动机。

6.根据权利要求2所述双段结构的双凸极开关磁阻无刷发电电动机，其特征是所述转子位置传感器为电磁式位置传感器或光电式位置传感器或磁敏式位置传感器。

7.根据权利要求2所述双段结构的双凸极开关磁阻无刷发电电动机，其特征是控制器的电路主要由位置处理单元和功率逻辑开关单元组成，组成开环或闭环控制系统。

8.根据权利要求1或2所述一种自励式开关磁阻无刷发电电动机组，其特征是所述磁场铁心和电枢铁心为直槽凸极铁心或斜槽凸极铁心，铁心用硅钢片叠压而成。

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