CN103840577A

CN103840577A - 双电枢绕组双凸极电机发电系统

Info

Publication number: CN103840577A
Application number: CN201410082046.2A
Authority: CN
Inventors: 赵耀; 王慧贞; 刘伟峰; 王永杰; 陈晨
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2034-03-07
Also published as: CN103840577B

Abstract

本发明公布了一种双电枢绕组双凸极电机发电系统，双凸极电机每个定子齿上有两套电枢绕组，相对应定子齿上的每套电枢绕组相互串联构成一相电枢绕组，每个齿上两套电枢绕组所构成的两相电枢绕组中的一相电枢绕组的正端连接在一起，经导线引出，作为双凸极发电系统的负极，负端接整流管的阳极；另一相电枢绕组的负端连接在一起，经导线引出，作为双凸极发电系统的负极，正端接整流管的阳极，所有整流管的阴极连接到一点，经导线引出，作为双凸极发电系统的正极接入负载，构成新型双凸极电机发电系统。本发明增加了双凸极电机的功率密度，提高了系统的容错能力。

Description

双电枢绕组双凸极电机发电系统

技术领域

本发明涉及一种双凸极电机发电系统，尤其是一种双电枢绕组双凸极电机发电系统，属于特种电机与发电控制技术领域。

背景技术

双凸极电机结合了永磁电机和开关磁阻电机的优点，定转子均为凸极结构，其转子上没有绕组和永磁体，结构简单，可靠性高，广泛应用于军事，新能源等场合。同时，其简单的结构更适合作为直流发电机使用。

现有的双凸极电机发电运行时发电方式主要包括以下四种：（1）、开关磁阻发电电路（SRG）：其开关磁阻发电电路是电机相绕组与半波整流电路连接，电机转子滑离定子极的那相绕组时通过二极管向负载供电，电枢反应为增磁，这种方式最为简单，但仅在转子滑出定子时发电，因此发电输出功率较低；（2）、双凸极发电方式1（DSG1）：此发电方式中的二极管与开关磁阻发电电路中的相反，这种接法仅在转子极滑入定子极的那相电枢绕组发电，电枢反应是去磁，需要励磁电流较大，发电输出功率较低；（3）、双凸极发电方式2（DSG2）：此发电方式中，相绕组与三相桥式整流电路相接，转子极离开和滑入定子极的相绕组均发电，但是由于整流管数目是开关磁阻发电电路和双凸极发电方式1两种方式的两倍，且流过整流管的电流较大，因此损耗较大；（4）、双凸极发电方式3（DSG3）：此发电方式中的各相绕组分别与单相整流桥相接，整流桥的输出端可并联，也可串联，但是同样存在整流管损耗大的问题。

上述这些方法在双凸极电机发电运行时都可以实现整流电能的输出，然而这些方法普通存在输出功率低或者损耗过大等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述技术缺陷，提供一种有效提高电机的功率密度、减小损耗的双电枢绕组双凸极电机发电系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种双电枢绕组双凸极电机发电系统，包括双凸极电机和整流管，所述双凸极电机中每个定子齿上均设有两套电枢绕组，相对应定子齿上的每套电枢绕组分别相互反向串联构成一相电枢绕组；所述每个定子齿上两套电枢绕组分别构成的两相电枢绕组中的一相电枢绕组的正端相互连接并经导线引出，作为发电系统的负极，负端接整流管的阳极，另一相电枢绕组的负端相互连接并经导线引出，作为发电系统的负极，正端接整流管的阳极；所有整流管的阴极连接到一点并经导线引出，作为发电系统的正极。

本发明双电枢绕组双凸极电机发电系统中，每个定子齿上的两套电枢绕组的匝数比相同或不同。

本发明双电枢绕组双凸极电机发电系统中，整流管为不控整流二极管、金氧半场效晶体管或绝缘栅双极型晶体管。

本发明双电枢绕组双凸极电机发电系统中，双凸极电机为电励磁双凸极电机、永磁双凸极电机或混合励磁双凸极电机。

本发明双电枢绕组双凸极电机发电系统中，双凸极电机为内转子或外转子结构的双凸极电机。

本发明双电枢绕组双凸极电机发电系统中，所述双凸极电机的相数为3相或3相以上。

本发明的有益效果在于：（1）、本发明通过同一定子齿上加入两套电枢绕组，且两套电枢绕组分别采用不同的整流电路的方法进行双凸极电机的发电运行控制，两套绕组互相增磁，增加了反电势，增加输出功率，提高双凸极电机在发电运行时的功率密度；（2）、同一定子齿上的两套电枢绕组同时给负载供电，确保电机转子离开和滑入定子极时，该相定子极均向负载供电，由于两套绕组分离，流过整流管的电流大大降低，降低了整流管的损耗；（3）、由于同一定子齿上的两套绕组之间没有物理联系，增加了电机的容错性能。

附图说明

图1为本发明双电枢绕组双凸极电机发电系统示意图；

图2本发明实施例12/8结构电励磁双凸极电机二维结构图；

图3本发明实施例12/8结构电励磁双凸极电机发电系统对应的整流电路图；

图4本发明实施例绕组W_A1、W_B1、W_C1三相电枢绕组磁链仿真图；

图5本发明实施例绕组W_A2、W_B2、W_C2三相电枢绕组磁链仿真图；

图6本发明三种发电系统输出功率曲线仿真图；

图中，1-第一电枢绕组、2-第二电枢绕组、3-定子、4-转子、5-励磁绕组；W_A1、W_B1、W_C1、W_N1、W_A2、W_B2、W_C2、W_N2分别对应为12/8电励磁双凸极电机中电枢绕组；D_A1、D_B1、D_C1、D_N1、D_A2、D_B2、D_C2、D_N2为整流管；A1-、B1-、C1-、N1-、A2-、B2-、C2-、N2-分别是电枢绕组W_A1、W_B1、W_C1、W_N1、W_A2、W_B2、W_C2、W_N2的负端；；A1+、B1+、C1+、N1+、A2+、B2+、C2+、N2+分别是电枢绕组W_A1、W_B1、W_C1、W_N1、W_A2、W_B2、W_C2、W_N2的正端；Z为整流电路所接的负载；F-为励磁电流流入励磁绕组的方向、F+为励磁电流流出励磁绕组的方向；SRG为开关磁阻发电电路、DSG2为双凸极发电方式2、DSG4为本发明发电方式。

具体实施方式

下面结合附图以三相12/8结构的电励磁双凸极电机为例对发明进行详细说明。

如图1所示，本发明双电枢绕组双凸极电机发电系统包括电励磁双凸极电机（以下称双凸极电机）和整流管，其中双凸极电机可以是N（N≥3，且为正整数）相电机；整流管可以采用不控整流二极管或MOSFET（金氧半场效晶体管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等可控开关器件。双凸极电机中的每个定子齿上均设有第一套电枢绕组和第二套电枢绕组，第一套电枢绕组和第二套电枢绕组的匝数比可以相同或不同，相对应定子齿上的第一套电枢绕组和第二套电枢绕组分别相互反向串联构成一相电枢绕组，故有2N相电枢绕组存在，分别是W_A1和W_A2，W_B1和W_B2，W_C1和W_C2，···，W_N1和W_N2。每个齿上两套电枢绕组所构成的两相电枢绕组中的一相电枢绕组的正端连接在一起，这里是W_A1、W_B1、W_C1、···、W_N1这N相绕组的负端A1-、B1-、C1-、···、N1-连接在一起，经导线引出，作为双凸极发电系统的负极，W_A1、W_B1、W_C1、···、W_N1这N相绕组的正端A1+、B1+、C1+、···、N1+分别对应连接整流管D_A1、D_B1、D_C1、···、D_N1的阳极。每个齿上两套电枢绕组所构成的两相电枢绕组中的另一相电枢绕组的负端连接在一起，这里是W_A2、W_B2、W_C2、···、W_N2这N相绕组的正端A2+、B2+、C2+、···、N2+连接在一起，经导线引出，作为双凸极发电系统的负极，负端A2-、B2-、C2-、···、N2-分别对应连接整流管D_A2、D_B2、D_C2、···、D_N2的阳极，所有整流管D_A1、D_B1、D_C1、···、D_N1、D_A2、D_B2、D_C2、···、D_N2的阴极连接到一点，经导线引出，作为双凸极发电系统的正极接入负载，构成新型双凸极电机发电系统。上述双凸极电机也可以采用永磁双凸极电机或混合励磁双凸极电机；双凸极电机的结构可采用内转子结构或外转子结构。

如图2所示，实施例中三相12/8结构的电励磁双凸极电机中的定子3和转子4为双凸极结构，定子3设有12个向内的定子齿，转子4上设有8个向外的转子齿；定子3上每隔三个定子齿槽内嵌有励磁绕组5，共设有4个励磁绕组5，励磁绕组5中通入励磁电流，在双凸极电机内部产生主磁场，励磁电流从励磁绕组5的F-流入，从励磁绕组5的F+流出。双凸极电机中每个定子齿上均设有第一套电枢绕组1和第二套电枢绕组2，相对应定子齿上的第一套电枢绕组1和第二套电枢绕组2分别相互反向串联构成一相电枢绕组，故有六相电枢绕组存在，分别是W_A1、W_B1、W_C1、W_A2、W_B2、W_C2（W_A1、W_A2、W_C1、W_C2图中未标示）。W_B1和W_B2两相电枢绕组的绕线方式如图2所示，其他四相电枢绕组的绕线方式，W_A1和W_A2分别与W_B1和W_B2相同，W_C1和W_C2分别与W_B1和W_B2相同。每个定子齿上两套电枢绕组所构成的两相电枢绕组中的一相电枢绕组的正端连接在一起，这里是W_A1、W_B1、W_C1三相电枢绕组的负端A1-、B1-、C1-连接在一起，经导线引出，作为双凸极发电系统的负极，W_A1、W_B1、W_C1三相绕组的正端A1+、B1+、C1+分别对应连接整流管D_A1、D_B1、D_C1的阳极（图中未标示）；每个齿上两套电枢绕组所构成的两相电枢绕组中的另一相电枢绕组的负端连接在一起，这里是W_A2、W_B2、W_C2三相电枢绕组的正端A2+、B2+、C2+连接在一起，经导线引出，作为双凸极发电系统的负极，负端A2-、B2-、C2-分别对应连接整流管D_A2、D_B2、D_C2的阳极（图中未标示）。

如图3所示，与12/8结构电励磁双凸极电机相对应的发电系统的整流电路，现以半桥不控整流电路为例进行说明，W_A1、W_B1、W_C1相电枢绕组的负端A1-、B1-、C1-连接到一点，经导线引出作为双凸极发电系统的负极，W_A1、W_B1、W_C1相电枢绕组的正端A2+、B2+、C2+分别与整流管D_A1、D_B1、D_C1的阳极相连，W_A2、W_B2、W_C2相电枢绕组的正端A2+、B2+、C2+连接到一点，经导线引出与W_A1、W_B1、W_C1相电枢绕组的正端一起作为双凸极发电系统的负极，W_A2、W_B2、W_C2相电枢绕组的负端A2-、B2-、C2-分别与整流管D_A2、D_B2、D_C2的阳极相连，整流管D_A1、D_B1、D_C1、D_A2、D_B2、D_C2的阴极连接到一点用导线引出，作为电励磁双凸极电机的正极对负载供电。同时W_A1与W_A2，W_B1与W_B2，W_C1与W_C2电枢绕组匝数的比值均为2:3。

电机的初始位置如图2所示，由励磁绕组形成的主磁场，励磁电流从励磁绕组的F-流入，从励磁绕组的F+流出，根据右手定则，这个励磁电流的方向和电枢绕组绕线方式共同决定了同一定子齿上两套绕组的发电方式。

如图4、5所示，根据电枢绕组与整流管的连接方式可知，W_A1、W_B1、W_C1三相电枢绕组在转子极滑入对应的定子极时向负载输出电能，即W_A1、W_B1、W_C1三相电枢绕组反电势为负时向负载输出电能，W_A2、W_B2、W_C2三相电枢绕组在转子极滑出对应的定子极时向负载输出电能，即W_A2、W_B2、W_C2三相电枢绕组反电势为正时向负载输出电能，由于采用半桥整流电路，同一时刻只能有一电枢相绕组向负载输出电势，从0时刻开始，转子开始转入W_A1和W_A2相电枢绕组定子极，绕组W_A1和W_A2的磁链均上升，转子开始滑出W_B1和W_B2相电枢绕组定子极，绕组W_B1和W_B2的磁链均下降，因此仅有W_A1和W_B2有可能向负载输出电势，由于W_A1的匝数小于W_B2的匝数，则绕组W_B2的反电势大于W_A1，由W_B2绕组向负载输出电能，W_A1通过互感影响W_B2，使得W_B2的反电势较单独SRG发电方式增加。其他转子位置可以类似进行分析。由此可知这种绕组排列方式下的输出电能较SRG和DSG2两种发电方式都有所增加。

图6是励磁电流为10A时三种电枢绕组发电方式的功率特性曲线，从图中可见，励磁电流较小时，SRG发电方式的增磁效应使得其最大输出功率大于DSG2，而在励磁电流较小时，采用本发明双电枢绕组双凸极电机发电系统发电方式（DSG4）的最大输出功率都最大。

本发明双电枢绕组双凸极电机发电系统中电枢绕组结构和整流方式实现方便，结构简单，具有良好的应用前景。

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，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种双电枢绕组双凸极电机发电系统，包括双凸极电机和整流管，其特征在于：所述双凸极电机中每个定子齿上均设有两套电枢绕组，相对应定子齿上的每套电枢绕组分别相互反向串联构成一相电枢绕组；所述每个定子齿上两套电枢绕组分别构成的两相电枢绕组中的一相电枢绕组的正端相互连接并经导线引出，作为发电系统的负极，负端接整流管的阳极，另一相电枢绕组的负端相互连接并经导线引出，作为发电系统的负极，正端接整流管的阳极；所有整流管的阴极连接到一点并经导线引出，作为发电系统的正极。

2.根据权利要求1所述的双电枢绕组双凸极电机发电系统，其特征在于：所述每个定子齿上的两套电枢绕组的匝数比相同或不同。

3.根据权利要求1或2所述的双电枢绕组双凸极电机发电系统，其特征在于：所述整流管为不控整流二极管、金氧半场效晶体管或绝缘栅双极型晶体管。

4.根据权利要求1所述的双电枢绕组双凸极电机发电系统，其特征在于：所述双凸极电机为电励磁双凸极电机、永磁双凸极电机或混合励磁双凸极电机。

5.根据权利要求1所述的双电枢绕组双凸极电机发电系统，其特征在于：所述双凸极电机为内转子或外转子结构的双凸极电机。

6.根据权利要求1所述的双电枢绕组双凸极电机发电系统，其特征在于：所述双凸极电机的相数为3相或3相以上。