CN103683686A

CN103683686A - 永磁无刷直流发电机的整流方法及永磁无刷直流发电机

Info

Publication number: CN103683686A
Application number: CN201310584930.1A
Authority: CN
Inventors: 张卓然; 俞文俊; 于立; 耿伟伟; 戴冀; 严仰光
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2014-03-26

Abstract

本发明公开了一种永磁无刷直流发电机的整流方法，属于永磁直流发电机技术领域。本发明将永磁同步发电机的多相电枢绕组根据实际需要进行分组，使得每一组中至少包含一套相互之间相位差为120°的可独立工作的三相电枢绕组，并配合相应的整流电路，使得永磁无刷直流发电机具有高容错性，同时降低整流器件中的电流应力和功率损耗。本发明还公开了一种永磁无刷直流发电机。相比现有技术，本发明具有更强的容错性能和更高的能量转换效率。

Description

永磁无刷直流发电机的整流方法及永磁无刷直流发电机

技术领域

本发明涉及一种永磁无刷直流发电机的整流方法，尤其涉及一种利用多相绕组分组整流的整流方法以及利用该整流方法的永磁无刷直流发电机，可用于实现高可靠不中断供电，属于永磁直流发电机技术领域。

背景技术

永磁同步电机采用永磁体励磁，消除了电励磁同步电机所具有的励磁损耗的同时，并且省去了滑环和电刷等机械接触装置，实现了无刷结构，具有结构简单、运行可靠、功率密度大和运行效率高等多项显著优点。

尽管永磁同步发电机制成后电压调节困难，但在一些特殊应用场合，如应急电源系统中，可以利用其输出电压变化范围小、固有电压调整率较低、外特性硬的特性。尤其是直流电源系统中，负荷功率因数高，电机电枢反应去磁作用不强，因此，如果发电机结构参数设计合理、准确，输出电压范围符合要求，则发电机输出经过不控整流后可以直接作为直流用电负荷的供电电源，不需额外增加具有调压功能的功率装置，简化系统结构，提高系统工作可靠性。

发电机系统中，提高发电机转速可以减小电机的体积重量，增大功率密度。为了使永磁无刷直流发电机的输出外特性较硬，可以通过增大电机极对数来减小电枢反应磁势。但是随着电机转速与极对数的增加，感应电动势频率也会成倍地增加，会引起了电机定转子内铁损的随之增加。为解决此问题，有研究者提出采用6相相移30°双Y整流，其电路结构如附图1所示，该技术可以有效地降低电枢磁势在5、7等高次谐波的谐波含量，从而来减小转子表面的涡流损耗已经输出的直流电压纹波。但是，因为在这个整流电路中二极管数目有12个，其中的稳态电流应力为负载电流的一半，所以整个整流部分的功率损耗比较大，尤其在低压大电流的应用场合，附加散热器体积重量大，才能保证发电系统的正常可靠工作。此外，上述6相双Y绕组结构中，电机的相邻两相输出接于不同的整流桥，若相邻两相同时故障，则整流输出电压必然出现明显畸变，因此容错性能难以充分发挥。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种永磁无刷直流发电机的整流方法以及使用该整流方法的永磁无刷直流发电机，在大幅减小整流器电流应力和功率损耗的同时，还具有极强的容错能力。

本发明具体采用以下技术方案：

一种永磁无刷直流发电机的整流方法，所述永磁无刷直流发电机包括永磁同步发电机，所述永磁同步发电机包括3N相电枢绕组，每相电枢绕组分别具有第一端和第二端，N为大于等于2的整数；将所述3N相电枢绕组的3N个第一端分别与共阳极连接的3N个低电位整流二极管的阴极一一对应地连接，这3N个低电位整流二极管的阳极公共点作为所述永磁无刷直流发电机的低电位输出端；以每三相相互之间相位差为120°的电枢绕组作为一套独立工作绕组，将所述3N相电枢绕组等分为至少两组，每组包含至少一套独立工作绕组，且每组所包含的独立工作绕组套数相同；将每一组中各相电枢绕组的第二端共同连接于一个与该组相对应的高电位整流二极管的阳极，并将各组所对应的高电位整流二极管的阴极连接于一个公共端，该公共端作为所述永磁无刷直流发电机的高电位输出端。

一种永磁无刷直流发电机，包括永磁同步发电机，所述永磁同步发电机包括3N相电枢绕组，每相电枢绕组分别具有第一端和第二端，N为大于等于2的整数；所述3N相电枢绕组的3N个第一端分别与共阳极连接的3N个低电位整流二极管的阴极一一对应地连接，这3N个低电位整流二极管的阳极公共点作为所述永磁无刷直流发电机的低电位输出端；以每三相相互之间相位差为120°的电枢绕组作为一套独立工作绕组，所述3N相电枢绕组被等分为至少两组，每组包含至少一套独立工作绕组，且每组所包含的独立工作绕组套数相同；每一组中各相电枢绕组的第二端共同连接于一个与该组相对应的高电位整流二极管的阳极，各组所对应的高电位整流二极管的阴极连接于一个公共端，该公共端作为所述永磁无刷直流发电机的高电位输出端。

优选地，所述3N相电枢绕组为3N相整距电枢绕组或3N相分数槽集中电枢绕组。

优选地，所述N的值为3或4，亦即所述永磁同步发电机采用9相相移40^o电枢绕组或12相相移30^o电枢绕组。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明由于采用多相分组整流的方法，每组中至少包含一套可独立工作的绕组，当部分电枢绕组开路时，只要有一组中的一套独立工作绕组正常，即可保证输出电压质量；在每组内存在绕组端部短路和相间短路时，输出电压畸变小，仍然能够保证输出电压质量，因此本发明的永磁无刷直流发电机具有极高的容错性；

（2）本发明的整流器件中的电流应力和功率损耗小，能量转换效率更高，且由于整流器件所产生的发热量小，可直接利用电机端盖或机壳散热，实现整个无刷直流发电机系统集成，减小系统体积重量。

附图说明

图1是现有永磁无刷直流电机的6相双Y整流电路；

图2是四对极48槽整距分布电枢绕组永磁同步电机槽电势星形图；

图3是本发明的12相分两组永磁无刷直流发电机整流电路；

图4是本发明的12相分四组永磁无刷直流发电机整流电路；

图5是本发明的6相分两组永磁无刷直流发电机整流电路；

图6是四对极36槽分数槽集中电枢绕组永磁同步电机槽电势星形图；

图7是本发明的9相分三组永磁无刷直流发电机整流电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

永磁同步发电机由定子与转子两部分组成，定子部分由定子铁心及嵌绕于其槽内的电枢绕组构成，定子铁心由硅钢片叠压而成。转子由磁化永磁体、转子导磁体及转轴组成。永磁体可以采用切向磁钢或者径向磁钢结构。

本发明的思路是将永磁同步发电机的多相电枢绕组根据实际需要进行分组，使得每一组中至少包含一套相互之间相位差为120°的可独立工作的三相电枢绕组，并配合相应的整流电路，使得永磁无刷直流发电机具有高容错性，同时降低整流器件中的电流应力和功率损耗。

为了便于公众理解，下面以具体实施例来对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例一、

本实施例中永磁同步发电机为四对极48槽整距分布电枢绕组永磁同步电机，其槽电势星形图如图2所示，从图中可以看出该永磁同步发电机采用12相相移30^o电枢绕组，12相电枢绕组分别为A1、A2、B1、B2、C1、C2、X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2。支路A1由1号槽、13号槽、25号槽、37号槽绕组串联形成，其他11相绕组依据同样原理构成。电枢绕组采用整距分布形式，绕组节距为6，理想情况下，相绕组电势为顶宽120°的梯形波。将这12相电枢绕组分为两组：A1、A2、B1、B2、C1、C2共6相绕组为第一组，X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2另6相绕组为第二组。其中第一组中的A1、B1、C1三相绕组，以及A2、B2、C2三相绕组，相互之间相位差为120°，分别构成一套可独立工作的绕组；类似的，第二组中的X1、Y1、Z1，以及X2、Y2、Z2，分别构成一套可独立工作的绕组。

该永磁同步发电机所对应的分组整流电路如图3所示，包括D21～D34共14个整流二极管，其中，D21~D32总共12个整流二极管的阳极连接在一起，形成一个公共点，为输出直流电压Udc的低电位端，可直接连接于发电机的端盖或机壳（相当于接地），并利用发电机端盖或壳体散热；D21~D32这12个整流二极管的阴极分别与12相绕组A1、A2、B1、B2、C1、C2、X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2的一端连接。第一组中的A1、A2、B1、B2、C1、C2这6相绕组的另一端均与整流二极管D33的阳极连接在一起，第二组中的X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2这6相绕组的另一端均与整流二极管D34的阳极连接在一起。整流二极管D33、D34的阴极连接于一个公共端，该公共端为输出直流电压Udc的高电位。

当第一组中的A1、A2、B1、B2、C1、C2这6相绕组中，有低于6相的若干相发生断路故障，甚至6相绕组均发生断路故障，只要第二组中的X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2这6相绕组以及与其相连的D27~D32、D34二极管仍正常工作，第二组中的整流电路部分仍能产生正常的输出电压，保证输出电压质量。该原理在第二组绕组发生类似故障，但第一组仍正常工作时仍适用。

实施例二、

仍以图2所示的四对极48槽整距分布电枢绕组永磁同步电机为例，根据本发明的技术方案，其12相相移30^o电枢绕组还可分为4组，A1、B1、C1共3相绕组为一组，A2、B2、C2共3相绕组为一组，X1、Y1、Z1共3相绕组为一组，X2、Y2、Z2共3相绕组为一组。

该永磁同步发电机所对应的分组整流电路如图4所示，包括D35～D50共16个整流二极管，与实施例一中类似，其中的D35~D46总共12个整流二极管的阳极连接在一起，形成一个公共点，为输出直流电压Udc的低电位端，可直接连接于发电机的端盖或机壳（相当于接地），并利用发电机端盖或壳体散热；D35~D46这12个整流二极管的阴极分别与12相绕组A1、A2、B1、B2、C1、C2、X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2的一端连接。A1、B1、C1共3相绕组的另一端均与整流二极管D47的阳极连接在一起，A2、B2、C2共3相绕组的另一端均与整流二极管D48的阳极连接在一起，X1、Y1、Z1共3相绕组的另一端均与整流二极管D49的阳极连接在一起，X2、Y2、Z2共3相绕组的另一端均与整流二极管D50的阳极连接在一起。四个整流二极管D47～D50的阴极连接于一个公共端，该公共端为输出直流电压Udc的高电位。

当第一组中的A1、B1、C1这3相绕组中，有低于3相的若干相发生断路故障，甚至3相绕组均发生断路故障，只要其余三组中的3相绕组以及与其相连的二极管仍正常工作，该组中的整流电路部分就仍能产生正常的输出电压，保证输出电压质量；甚至在四组中有三组中发生短路故障，只要剩下的一组中的3相绕组以及与其相连的二极管仍正常工作，该组中的整流电路部分就仍能产生正常的输出电压，保证输出电压质量。

实施例三、

本实施例中以6相电枢绕组为例。为简便起见，仍以图2所示的四对极48槽整距分布电枢绕组永磁同步电机为例，根据图2可知，当并联支路数为1时，由于A1和X1相绕组电势方向相反，可以将A1、X1相绕组反向并联以构成A1-X1相绕组，一个支路A1由1号槽、13号槽、25号槽、37号槽绕组串联形成；另一支路X1由7号槽、19号槽、31号槽、43号槽绕组串联形成。其他5相绕组B1-Y1、C1-Z1、A2-X2、B2-Y2、C2-Z2可以依据同理构成，共6相绕组。这样就将原永磁同步电机的12相相移30^o电枢绕组重组为一个6相相移60^o电枢绕组。根据同样的原理，6相相移60^o电枢绕组也可以分裂为12相相移30^o电枢绕组。重组得到的6相相移60^o电枢绕组被分为两组，A1-X1、B1-Y1、C1-Z1为一组，A2-X2、B2-Y2、C2-Z2为一组，分别包括一套可独立工作的绕组。

该永磁同步发电机所对应的分组整流电路如图5所示，包括D13～D20共8个整流二极管，其中D13~D18总共6个整流二极管的阳极连接在一起，形成一个公共点，为输出直流电压Udc的低电位端，可直接连接于发电机的端盖或机壳（相当于接地），并利用发电机端盖或壳体散热；D13~D18这6个整流二极管的阴极分别与6相绕组A1-X1、B1-Y1、C1-Z1、A2-X2、B2-Y2、C2-Z2的一端连接。A1-X1、B1-Y1、C1-Z1这3相绕组的另一端均与整流二极管D19的阳极连接，A2-X2、B2-Y2、C2-Z2这三相绕组的另一端均与整流二极管D20的阳极连接。两个整流二极管D19、D20的阴极连接于一个公共端，该公共端为输出直流电压Udc的高电位。

当第一组中A1-X1、B1-Y1、C1-Z1这3相绕组中，有低于3相的若干相发生断路故障，甚至3相绕组均发生断路故障，只要第二组中的A2-X2、B2-Y2、C2-Z2这3相绕组以及与其相连的D16~D18、D20二极管仍正常工作，第二组中的整流电路部分仍能产生正常的输出电压，保证输出电压质量。该原理在第二组绕组发生类似故障，但第一组仍正常工作时仍适用。

实施例四、

本实施例中以9相电枢绕组为例。以图6所示的四对极36槽分数槽集中电枢绕组永磁同步电机槽电势星形图为例，从图中可以看出该永磁同步发电机采用9相相移40^o电枢绕组，9相电枢绕组分别为A3、A4、A5、B3、B4、B5、C3、C4、C5。支路A3由1号槽、10号槽、19号槽、28号槽绕组串联形成，其他八相绕组依据同样原理构成。因为电枢绕组采用分数槽集中绕组分布形式，电枢绕组直接套在每个定子齿上。理想情况下，相绕组电势为顶宽120°的梯形波。将这9相电枢绕组分为三组：A3、B3、C3共3相绕组为第一组，A4、B4、C4共3相绕组为第二组，A5、B5、C5共3相绕组为第三组。其中第一组中的A3、B3、C3三相绕组相互之间相位差为120°，分别构成一套可独立工作的绕组；类似的，第二组中的A4、B4、C4绕组，以及A5、B5、C5绕组，分别构成一套可独立工作的绕组。

该永磁同步发电机所对应的分组整流电路如图7所示，包括D51～D62共12个整流二极管，与实施例一中类似，其中的D51~D59总共9个整流二极管的阳极连接在一起，形成一个公共点，为输出直流电压Udc的低电位端，可直接连接于发电机的端盖或机壳（相当于接地），并利用发电机端盖或壳体散热；D51~D59这9个整流二极管的阴极分别与9相绕组A3、A4、A5、B3、B4、B5、C3、C4、C5的一端连接。A3、B3、C3共3相绕组的另一端均与整流二极管D60的阳极连接在一起，A4、B4、C4共3相绕组的另一端均与整流二极管D61的阳极连接在一起，A5、B5、C5共3相绕组的另一端均与整流二极管D62的阳极连接在一起。三个整流二极管D60～D62的阴极连接于一个公共端，该公共端为输出直流电压Udc的高电位。

当第一组中的A3、B3、C3这3相绕组中，有低于3相的若干相发生断路故障，甚至3相绕组均发生断路故障，只要其余两组组中的3相绕组以及与其相连的二极管仍正常工作，该组中的整流电路部分就仍能产生正常的输出电压，保证输出电压质量；甚至在三组中有两组中发生短路故障，只要剩下的一组中的3相绕组以及与其相连的二极管仍正常工作，该组中的整流电路部分就仍能产生正常的输出电压，保证输出电压质量。

Claims

1.一种永磁无刷直流发电机的整流方法，所述永磁无刷直流发电机包括永磁同步发电机，所述永磁同步发电机包括3N相电枢绕组，每相电枢绕组分别具有第一端和第二端，N为大于等于2的整数；其特征在于，将所述3N相电枢绕组的3N个第一端分别与共阳极连接的3N个低电位整流二极管的阴极一一对应地连接，这3N个低电位整流二极管的阳极公共点作为所述永磁无刷直流发电机的低电位输出端；以每三相相互之间相位差为120°的电枢绕组作为一套独立工作绕组，将所述3N相电枢绕组等分为至少两组，每组包含至少一套独立工作绕组，且每组所包含的独立工作绕组套数相同；将每一组中各相电枢绕组的第二端共同连接于一个与该组相对应的高电位整流二极管的阳极，并将各组所对应的高电位整流二极管的阴极连接于一个公共端，该公共端作为所述永磁无刷直流发电机的高电位输出端。

2.如权利要求1所述永磁无刷直流发电机的整流方法，其特征在于，所述3N相电枢绕组为3N相整距电枢绕组或3N相分数槽集中电枢绕组。

3.如权利要求1所述永磁无刷直流发电机的整流方法，其特征在于，所述N的值为3或4。

4.一种永磁无刷直流发电机，包括永磁同步发电机，所述永磁同步发电机包括3N相电枢绕组，每相电枢绕组分别具有第一端和第二端，N为大于等于2的整数；其特征在于，所述3N相电枢绕组的3N个第一端分别与共阳极连接的3N个低电位整流二极管的阴极一一对应地连接，这3N个低电位整流二极管的阳极公共点作为所述永磁无刷直流发电机的低电位输出端；以每三相相互之间相位差为120°的电枢绕组作为一套独立工作绕组，所述3N相电枢绕组被等分为至少两组，每组包含至少一套独立工作绕组，且每组所包含的独立工作绕组套数相同；每一组中各相电枢绕组的第二端共同连接于一个与该组相对应的高电位整流二极管的阳极，各组所对应的高电位整流二极管的阴极连接于一个公共端，该公共端作为所述永磁无刷直流发电机的高电位输出端。

5.如权利要求4所述多相分组整流永磁容错无刷直流发电机，其特征在于，所述3N相电枢绕组为3N相整距电枢绕组或3N相分数槽集中电枢绕组。

6.如权利要求4所述多相分组整流永磁容错无刷直流发电机，其特征在于，所述N的值为3或4。