CN103701286A - 一种高可靠性的四相交流起动发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种高可靠性的四相交流起动发电机，该电机包括端盖、定子、轴承、磁轭、励磁绕组、位置传感器和由轴与爪极组成的转子。转子轴上固定有转子爪极，爪极极数为4n-2或4n-4，n为自然数，爪极内侧的励磁绕组通过磁轭固定在电机一端端盖上；定子位于转子外侧且极数为4n，定子极上安装有集中绕组，相近相位的n个定子线圈串联组成一相，四相定子绕组首尾依次环形连接，再分别接在四相桥臂的中点。本发明公开的四相起动发电机，既可以作为起动机又可以作为发电机；采用四相集中定子绕组，可靠性高；采用无刷电励磁结构，具有良好的电压调节性能，适合用于汽车怠速停机系统使用。

Description

一种高可靠性的四相交流起动发电机

技术领域

本发明涉及一种高可靠性的四相交流起动发电机，属于汽车起动发电机技术领域。

背景技术

起动发电机既能当作电动机运行起动发动机，又能作为发电机运行为用电设备供电，是混合动力汽车、怠速停机汽车等新型节能汽车的关键部件。随着汽车技术的发展，对汽车关键部件的可靠性要求越来越高。四相电机具有四相绕组，当其中一相出现故障后，另外三相可以继续工作，因此四相电机具有更高的可靠性。目前国内外已有部分采用永磁同步电机的起动发电机的应用，但是，永磁电机不具备快速灭磁能力，再切换负载或者遇到大故障时，系统会产生很大的电压脉动，可能造成其他部件的损坏。因此永磁发电机需要外接额外的故障保护电路，这提高了系统成本。电励磁交流发电机可以通过调节励磁磁场来保持输出电压的稳定，具有故障灭磁能力，具有良好的发展前景。

目前已有的技术中，授权的发明专利：四相永磁发电机，发明专利号：ZL200910189672，发明了一种四相永磁发电机，包括转子组件、定子组件，转子组件包括转子支架、固定在转子支架上由导磁材料制成的转子圈、和紧贴转子圈内壁N极、S极相间设置的多个永磁体。公开的发明专利：一种四相永磁容错电动机的控制方法，申请号：200810022702，公开了一种四相永磁容错电动机的控制方法，根据系统故障诊断情况自动决定控制模态，当系统处于正常状况时，采用SVPWM控制，当系统发生缺相故障时，采用容错转矩控制，且根据不同的缺相故障类型采用的不同的容错控制方案。可以看出，采用冗余绕组的四相电机是提高可靠性的有效措施。在交流起动发电机方面，公开的发明专利：变频交流起动发电系统励磁结构及交、直流励磁控制方法，申请号：201110407601，公开了一种用于航空起动发电机的变频交流起动发电系统励磁结构及交、直流励磁控制方法，所述励磁结构由开路型定子三相绕组和两端连接的三相桥式变换器组成。其励磁磁场有三相绕组产生，是一种交流异步电机，起动时过载能力较弱，不适合作为汽车起动发电机。授权的发明专利：混合动力电动汽车用四相永磁发电机，授权号：ZL200410023862，发明了一种将铁硼永磁体和极靴固定在转子铁心上的四相钕铁硼永磁发电机，该发电机绕组采用分布式绕组，每个永磁磁极对应4个定子槽，每相线圈跨定子铁芯上的四个极依次嵌线。

相对于已有技术来说，本发明公开的高可靠性的四相交流起动发电机采用4n/(4n-2)或4n/(4n-4)极结构，具有首尾依次相接的四相绕组，可靠性高；采用集中式分数槽绕组，槽满率高；同时，本发明公开的四相交流起动发电机采用无刷爪极式电励磁转子，没有碳刷滑环结构，故障率低。总之，目前国内外尚未检索到采用4n/(4n-2)或4n/(4n-4)极结构、无刷爪极式电励磁转子和四相环形绕组的交流起动发电机。

发明内容

本发明针对现有发动机的使用环境和起动转速特性，提出了一种采用四相集中式绕组、无刷电励磁转子和四相环形接法的高可靠性的四相交流起动发电机，既可以起动发动机，又可以在起动后发电为发动机、汽车等提供电源。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种高可靠性的四相交流起动发电机，包括前端盖(12)、后端盖(9)、定子、轴承(10)、励磁磁轭(11)、励磁绕组(7)、位置传感器(1)和由轴(5)、N极爪极(3)、S极爪极(4)与爪极连接块(2)组成的转子，其特征在于：所述电机的转子通过轴承定位在两个端盖上，可绕转子的轴(5)旋转，转子的轴(5)上固定有N极爪极(3)，N极爪极(3) 通过不导磁的爪极连接块(2)焊接固定S极爪极(4)，N极爪极(3)和S极爪极(4)间隔排列，爪极总的极数为4n-2或4n-4，n为大于1的自然数，爪极的爪成鸟嘴型，爪极内侧的励磁绕组(7)通过励磁磁轭(11)固定在电机的其中一个端盖上，励磁磁轭(11)和爪极间有气隙，爪极、气隙、励磁磁轭(11)和定子铁心(8)共同形成闭合磁路；定子铁心(8)和四相定子绕组(6)组成定子，定子位于转子外侧且极数为4n，每个定子极上都安装有集中绕组，相近相位的n个定子线圈串联组成一相，共有四相相位角相隔90°电角度的定子绕组(6)；所述四相起动发电机，既可以作为起动机又可以作为发电机，作为起动机运行时既可以使用四相直流方波驱动，也可以使用四相正弦波驱动。

上述高可靠性的四相交流起动发电机，其特征在于：四相定子绕组(6)首尾依次环形连接，再分别接在四相全桥变换器的四个桥臂的中点，即B相的首端、A相的尾端接在变换器第一桥臂的中点上，C相的首端、B相的尾端接在变换器第二桥臂的中点上，D相的首端、C相的尾端接在变换器第三桥臂的中点上，A相的首端、D相的尾端接在变换器第四桥臂的中点上。

 

本发明的有益效果如下：

⑴相对于已有技术来说，本发明公开的高可靠性的四相交流起动发电机采用4n/(4n-2)或4n/(4n-4)极结构，具有首尾依次相接的四相绕组，可靠性高；⑵采用集中式分数槽绕组，槽满率高；⑶同时，本发明公开的四相交流起动发电机采用无刷爪极式电励磁转子，没有碳刷滑环结构，故障率低；⑷电机既可以当电动机运行起动发动机，又可以当作发电机运行在起动后为车载设备提供电源。作为起动机运行时，低速时使用方波驱动，输出转矩大；高速时使用正弦波驱动，转速快。

附图说明

图1是本发明的高可靠性的四相交流起动发电机横截面剖视图，其中：1、位置传感器；2. 爪极连接块；3、N极爪极；4、S极爪极；5、轴；6、定子绕组；7、励磁绕组；8、定子铁心。

图2是本发明高可靠性的四相交流起动发电机侧向剖视图，其中：3、N极爪极；4、S极爪极；5、轴；6、定子绕组；7、励磁绕组；8、定子铁心；9、后端盖；10、轴承；11、励磁磁轭；12、前端盖。

图3为四相交流起动发电机应用传统的四相全桥变换器接法图。

图4为本发明高可靠性的四相交流起动发电机四相环形绕组及四相全桥变换器接法图。

图5为本发明高可靠性的四相交流起动发电机四相仿真反电势。

图6为本发明高可靠性的四相交流起动发电机直流方波驱动电流图。

具体实施方式

  下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。

如图1所示的高可靠性的四相交流起动发电机结构图，包括前端盖、后端盖、定子、轴承、励磁磁轭、励磁绕组、位置传感器和由轴、N极爪极、S极爪极与爪极连接块组成的转子，转子通过轴承定位在两个端盖上，可绕转子的轴旋转，转子的轴上固定有N极爪极，N极爪极通过不导磁的爪极连接块固定S极爪极，N极爪极和S极爪极间隔排列，爪极总的极数为4n-2=14，n=4，爪极内侧的励磁绕组通过励磁磁轭固定在电机的一个端盖上，励磁磁轭和爪极间有气隙，爪极、气隙、励磁磁轭和定子铁心共同形成闭合磁路；定子铁心和四相定子绕组组成定子，定子位于转子外侧且极数为16，每个定子极上都安装有集中绕组。相近相位的定子线圈A1、A2、A3和A4串联组成A相，相近相位的定子线圈B1、B2、B3和B4串联组成B相，相近相位的定子线圈C1、C2、C3和C4串联组成C相，相近相位的定子线圈D1、D2、D3和D4串联组成D相，四相绕组相位角相隔90°电角度。

图2所示的高可靠性的四相交流起动发电机侧向剖视图。转子通过轴承定位在两个端盖上，可绕转子的轴旋转，转子的轴上固定有爪极。爪极内侧的励磁绕组通过励磁磁轭固定在电机的一个端盖上，励磁磁轭和爪极间有气隙，爪极、气隙、励磁磁轭和定子铁心共同形成闭合磁路。轴通过发动机曲轴机械连接，可以带动转子爪极旋转。

图3为四相交流起动发电机应用传统的四相全桥变换器接法图。此接法为传统接法，A相和C相绕组反向串联后分别接在第一桥臂和第二桥臂的中点，B相和D相绕组反向串联后分别接在第三桥臂和第四桥臂的中点。其控制方法和传统的四相电机控制方法一致。

图4为本发明高可靠性的四相交流起动发电机四相环形绕组及四相全桥变换器接法图。四相绕组首尾依次环形连接，再分别接在四相全桥变换器的四个桥臂的中点，即A相的首端、D相的尾端接在变换器第一桥臂的中点上，B相的首端、A相的尾端接在变换器第二桥臂的中点上，C相的首端、B相的尾端接在变换器第三桥臂的中点上，D相的首端、C相的尾端接在变换器第四桥臂的中点上。

图5为本发明高可靠性的四相交流起动发电机四相仿真反电势。通过四相反电势可以看出，由于采用分数槽绕组和鸟嘴型爪极，绕组的磁链没有突变，所以反电势正弦度较好。如果外接整流桥，所述电机可以作为发电机，由于具有四相绕组，一相故障后其他各相仍然能够继续容错输出。

图6为本发明高可靠性的四相交流起动发电机直流方波驱动电流图。若依据反电势波形给四相绕组分别通以电流，则所述电机可以作为起动机运行。起动运行时四相绕组皆通电出力，起动转矩大。

其工作原理为：

在本电机励磁绕组上通有电流，此时在电机内部会建立起磁场，产生的磁通将经过励磁磁轭、气隙、N极爪极、气隙、定子铁心、S极爪极、气隙、励磁磁轭形成闭合磁路。由于采用无刷爪极式电励磁转子，没有碳刷滑环结构，故障率低。

发电运行时：原动机带动本电机按一定方向旋转，四相电枢绕组匝链的磁链随着转子位置改变而变化，从而产生四相交变的感应电势。当需要直流输出时，用外接的四相全桥变换器整流输出直流电能供给各种电气负载或向蓄电池充电。

起动运行时：通过位置传感器检测电机转子位置，将位置信号输送给控制ECU后，ECU控制四相全桥变换器的相应开关管，给反电势为正的绕组通以正向电流，给反电势为负的绕组通以负向电流，电机即可实现对外输出转矩。

Claims (2)

1.一种高可靠性的四相交流起动发电机，包括前端盖(12)、后端盖(9)、定子、轴承(10)、励磁磁轭(11)、励磁绕组(7)、位置传感器(1)和由轴(5)、N极爪极(3)、S极爪极(4)与爪极连接块(2)组成的转子，其特征在于：所述电机的转子通过轴承定位在两个端盖上，可绕转子的轴(5)旋转，转子的轴(5)上固定有N极爪极(3)，N极爪极(3) 通过不导磁的爪极连接块(2)焊接固定S极爪极(4)，N极爪极(3)和S极爪极(4)间隔排列，爪极总的极数为4n-2或4n-4，n为大于1的自然数，爪极的爪成鸟嘴型，爪极内侧的励磁绕组(7)通过励磁磁轭(11)固定在电机的其中一个端盖上，励磁磁轭(11)和爪极间有气隙，爪极、气隙、励磁磁轭(11)和定子铁心(8)共同形成闭合磁路；定子铁心(8)和四相定子绕组(6)组成定子，定子位于转子外侧且极数为4n，每个定子极上都安装有集中绕组，相近相位的n个定子线圈串联组成一相，共有四相相位角相隔90°电角度的定子绕组(6)；所述四相起动发电机，既可以作为起动机又可以作为发电机，作为起动机运行时既可以使用四相直流方波驱动，也可以使用四相正弦波驱动。

2.根据权利要求1所述高可靠性的四相交流起动发电机，其特征在于：四相定子绕组(6)首尾依次环形连接，再分别接在四相全桥变换器的四个桥臂的中点，即B相的首端、A相的尾端接在变换器第一桥臂的中点上，C相的首端、B相的尾端接在变换器第二桥臂的中点上，D相的首端、C相的尾端接在变换器第三桥臂的中点上，A相的首端、D相的尾端接在变换器第四桥臂的中点上。

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