CN104506010B - 一种汽车飞轮式电励磁起动发电机 - Google Patents

一种汽车飞轮式电励磁起动发电机 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种汽车飞轮式电励磁起动发电机，包括N极爪极(2)、S极爪极(3)、电枢绕组、励磁绕组(7)、转子铁心(8)、飞轮(9)和轴(10)。外形相同的N极爪极(2)和S极爪极(3)互相扣在一起，中间为励磁绕组(7)；N极爪极(2)和S极爪极(3)的每个极的根部上都有一个集中绕制的电枢线圈。本发明的技术实现了爪极式无刷励磁，励磁损耗小且无碳刷滑环；各相绕组完全对称，且绕组产生的电枢反应去磁效果小；具有飞轮式外转子结构，十分适合安装于发动机曲轴外端，构成飞轮式起动发电机。

Description

一种汽车飞轮式电励磁起动发电机
技术领域
本发明涉及一种汽车飞轮式电励磁起动发电机，属于汽车电机技术领域。
背景技术
起动发电机既可以作为起动机运行起动发动机，又可以作为发电机运行给汽车用电设备供电。起动发电机技术用一台电机实现了两种功能，有效提高了电机的利用率。
为了延长起动发电机的使用寿命，减小碳刷产生的火花的电磁干扰，起动发电机应该采用无刷化结构。目前可以应用于汽车起动发电机的电机主要由爪极式交流电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等。爪极式交流电机采用转子上的励磁绕组励磁，非常适合作为发电机使用，但作为起动机使用存在起动转矩低、转子上的励磁绕组故障率高等缺陷。永磁同步电机使用永磁材料励磁，其电压调整较为困难。开关磁阻电机转子结构非常简单，适合用于高温、高速等场合，而且起动特性好；但是开关磁阻作为发电机运行时控制较为复杂，成本较高。由于电励磁绕组产生的磁场可以任意调节，因此电励磁电机是汽车发电机的主流电机。
起动发电机采用飞轮式结构是一种已经公开的技术，它可以安装于发动机曲轴的一端、飞轮的内部，较好的利用了汽车发动机的有限空间。例如在授权的发明专利：离心式永磁起动发电装置，授权号ZL200510044107.7，公开了一种永磁式飞轮式起动发电机。
在爪极式起动发电机方面，申请人也申请了一种高可靠性的四相交流起动发电机，申请号：201410011535.9。该专利主要侧重于一种多相高可靠性起动发电机。另外，授权的发明专利：车辆用起动发电装置，授权号：ZL200580000837.5，也发明了一种爪极式起动发电机，其定子铁心的内周侧有爪极式转子。可以看出，上述专利的电枢绕组都位于爪极外侧的定子上，爪极是旋转的，这种结构的电机需要用碳刷滑环来提供磁场、或者利用多层气隙来实现无刷励磁。
本发明的技术与上述文献皆不同，本发明起动发电机的励磁绕组和电枢绕组都位于爪极上，爪极是静止的，因此本发明的技术可以很好的实现无刷化励磁。而且本发明起动发电机爪极外侧的飞轮旋转可以起动发动机或者对外发电。另外，本发明的起动发电机在原理上与上述电机也是不同的，本发明的起动发电机是依靠磁阻变化的原理进行工作的。
总之，目前国内外尚未检索到本发明相似的技术。
发明内容
为了实现飞轮式起动发电机励磁方式的无刷化，本发明提出了一种汽车飞轮式电励磁 起动发电机。
本发明采用如下技术方案：
一种汽车飞轮式电励磁起动发电机，其特征在于：
包括N极爪极(2)、S极爪极(3)、电枢绕组、励磁绕组(7)、转子铁心(8)、飞轮(9)和轴(10)；
外形相同的N极爪极(2)和S极爪极(3)互相扣在一起，使N极与S极间隔排列；所述起动发电机总的定子极数为6n，n为自然数，表示单元电机个数；N极爪极(2)和S极爪极(3)固定在发动机壳体(1)上，且两个爪极中间为励磁绕组(7)；励磁绕组产生轴向磁场；
所述N极爪极(2)和S极爪极(3)的每个极的根部上都有一个集中绕制的电枢线圈，电枢线圈所在的平面与励磁绕组外圆周相切；电枢线圈可按相位不同组成A相电枢绕组、B相电枢绕组和C相电枢绕组；缠绕在N极上的电枢线圈绕向相同，S极上的电枢线圈与N极上的电枢线圈绕向相反；
转子铁心(8)位于N极爪极(2)和S极爪极(3)的圆周外侧且固定在飞轮内侧，飞轮(9)固定在轴(10)上可在轴承的作用下绕N极爪极(2)和S极爪极(3)旋转。
如上所述的一种汽车飞轮式电励磁起动发电机，其特征在于：转子铁心(7)极数为8n或4n。
如上所述的一种汽车飞轮式电励磁起动发电机，其特征在于：所述N极爪极(2)和S极爪极(3)的极的端面呈矩形、鸟嘴型或梯形；当所述极的端面呈矩形时，所述起动发电机利用无刷直流电机的控制方法进行起动控制；当所述极的端面呈鸟嘴型或梯形时，宽的一端靠近爪极根部，所述起动发电机利用电励磁同步电机的控制方法进行起动控制。
如上所述的一种汽车飞轮式电励磁起动发电机，其特征在于：所述转子铁心(8)由硅钢片叠压制成，或由导磁材料制成的飞轮内部直接加工制成。
本发明的有益效果如下：
⑴实现了爪极式集中励磁，爪极内部的空间可以提供足够的安匝数；
⑵具备外转子结构，十分适合安装于发动机曲轴外端，构成飞轮式起动发电机；
⑶与传统爪极式交流发电机相比，具有无碳刷滑环的特征，使用寿命长；与传统的爪极式无刷交流发电机相比，只有一层气隙，比功率高；
⑷与已有技术的电励磁双凸极发电机相比，各相绕组完全对称，没有各相不对称现象；而且其爪极可以制成鸟嘴型结构，以降低反电势的谐波含量；
⑸励磁元件远离电枢绕组，部分电枢反应磁场可以经转子铁心自行闭合，经过因此大电流时 电枢绕组的去磁影响小。
附图说明
图1是本发明的一种汽车飞轮式电励磁起动发电机的纵剖图。其中：1、发动机壳体；2、N极爪极；3、S极爪极；7、励磁绕组；8、转子铁心；9、飞轮；10、轴。
图2是本发明一种汽车飞轮式电励磁起动发电机一种实施例的截面图。其定、转子极数分别12极和16极。其中：2、N极爪极；3、S极爪极；4、A相电枢线圈；5、B相电枢线圈；6、C相电枢线圈；7、励磁绕组；8、转子铁心；9、飞轮；10、轴。
图3为本发明一种汽车飞轮式电励磁起动发电机电枢绕组和爪极端面展开图。A1、A2、A3和A4分别表示A相第一个线圈、A相第二个线圈、A相第三个线圈和A相第四个线圈，B1、B2、B3和B4分别表示B相第一个线圈、B相第二个线圈、B相第三个线圈和B相第四个线圈，C1、C2、C3和C4分别表示C相第一个线圈、C相第二个线圈、C相第三个线圈和C相第四个线圈。
图4为本发明一种汽车飞轮式电励磁起动发电机鸟嘴形的爪极端面。
图5为本发明一种汽车飞轮式电励磁起动发电机梯形的爪极端面。
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。
图1是本发明的一种汽车飞轮式电励磁起动发电机的纵剖图，所述起动发电机包括N极爪极(2)、S极爪极(3)、电枢绕组、励磁绕组(7)、转子铁心(8)、飞轮(9)和轴(10)。外形相同的N极爪极(2)和S极爪极(3)互相扣在一起，使N极与S极间隔排列；N极爪极(2)和S极爪极(3)固定在发动机壳体上，且两个爪极中间为励磁绕组(7)；励磁绕组产生轴向磁场。
转子铁心(8)位于N极爪极(2)和S极爪极(3)的圆周外侧且固定在飞轮内侧，飞轮(9)固定在轴(10)上可在轴承的作用下绕N极爪极(2)和S极爪极(3)旋转。
所述转子铁心(8)由硅钢片叠压制成。
图2是本发明一种汽车飞轮式电励磁起动发电机一种实施例的截面图。本实施例的单元电机个数n＝2，因此，所述起动发电机总的定子极数为6n＝12；转子铁心(7)极数为8n＝16。
所述N极爪极(2)和S极爪极(3)的每个极的根部上都有一个集中绕制的电枢线圈，该电枢线圈与爪极内侧的圆周相切；
图3为本发明一种汽车飞轮式电励磁起动发电机电枢绕组和爪极端面展开图。所述N极爪极(2)和S极爪极(3)的每个极的根部上都有一个集中绕制的电枢线圈。电枢线圈可按相位不同组 成A相电枢绕组、B相电枢绕组和C相电枢绕组。缠绕在N极上的电枢线圈绕向相同，S极上的电枢线圈与N极上的电枢线圈绕向相反。
所述N极爪极(2)和S极爪极(3)的极的端面可以为矩形、鸟嘴型或梯形，本实施例中的极的端面呈矩形，所述起动发电机利用无刷直流电机的控制方法进行起动控制
图4为本发明一种汽车飞轮式电励磁起动发电机鸟嘴形的爪极端面。
图5为本发明一种汽车飞轮式电励磁起动发电机梯形的爪极端面。
当所述极的端面呈鸟嘴型或梯形时，所述起动发电机利用电励磁同步电机的控制方法进行起动控制。
下面对本发明提出的起动发电机进行工作原理的说明。
本发明的起动发电机的发电工作原理是：给励磁绕组通电后，两个爪极分别产生N极和S极磁场；当转子极与其中一个爪极完全重叠时，该极电枢绕组的磁阻最小、磁链最大；当转子极与其中一个爪极完全脱离时，该极电枢绕组的磁阻最大、磁链最小；转子旋转时，该极电枢绕组的磁通量不断变化，便会产生感应电动势。通过调节励磁电流的大小，便可以保持输出电压的稳定。
本发明的起动发电机的起动工作原理是：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器后，控制器控制功率变换器的相应开关管，给电感上升的绕组通以正向电流，给电感下降的绕组通以负向电流，电机即可实现对外输出转矩。
在发明的起动发电机中，爪极内部具有较大的空间，可以获得较高的励磁绕组匝数。由于励磁磁势等于励磁匝数乘以励磁电流。因此如果励磁绕组匝数较多，则励磁电流可以取较小的值，电机的励磁损耗会较小。
本发明提出的飞轮式电励磁起动发电机磁链路径比较复杂，其中励磁元件离电枢绕组的距离较远，电枢绕组产生的电枢反应磁场大部分经过定子极和转子极闭合，因此电枢反应对该电机的磁链和反电势影响较小，电机的反电势畸变和抗去磁能力强。
需要指出的是，本发明的飞轮式电励磁起动发电机的极数并非是个有限组合内的选择问题，而是只有在这种极数的匹配下才能取得所述性能的特殊结构。从图2可以看出，假设电机顺时针旋转，此时B相电枢绕组磁阻最大、C相电枢绕组的磁阻即将达到最小值、而A相电枢绕组的磁阻正在由最小值逐渐增加。因此只有在这种极数匹配下才能使三相电枢绕组的磁阻周期性变化且电位角相差120°电角度。
需要指出的是，以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化和替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种汽车飞轮式电励磁起动发电机，其特征在于：
包括N极爪极(2)、S极爪极(3)、电枢绕组、励磁绕组(7)、转子铁心(8)、飞轮(9)和轴(10)；外形相同的N极爪极(2)和S极爪极(3)互相扣在一起，使N极与S极间隔排列；所述起动发电机总的定子极数为6n，n为自然数，表示单元电机个数；N极爪极(2)和S极爪极(3)固定在发动机壳体(1)上，且两个爪极中间为励磁绕组(7)；励磁绕组产生轴向磁场；
所述N极爪极(2)和S极爪极(3)的每个极的根部上都有一个集中绕制的电枢线圈，电枢线圈所在的平面与励磁绕组外圆周相切；电枢线圈按相位不同组成A相电枢绕组、B相电枢绕组和C相电枢绕组；缠绕在N极上的电枢线圈绕向相同，S极上的电枢线圈与N极上的电枢线圈绕向相反；
转子铁心(8)位于N极爪极(2)和S极爪极(3)的圆周外侧且固定在飞轮内侧，飞轮(9)固定在轴(10)上可在轴承的作用下绕N极爪极(2)和S极爪极(3)旋转。
2.如权利要求1所述的一种汽车飞轮式电励磁起动发电机，其特征在于：转子铁心(8)极数为8n或4n。
3.如权利要求1所述的一种汽车飞轮式电励磁起动发电机，其特征在于：所述N极爪极(2)和S极爪极(3)的极的端面呈矩形、鸟嘴型或梯形；当所述极的端面呈矩形时，所述起动发电机利用无刷直流电机的控制方法进行起动控制；当所述极的端面呈鸟嘴型或梯形时，宽的一端靠近爪极根部，所述起动发电机利用电励磁同步电机的控制方法进行起动控制。
4.如权利要求1所述的一种汽车飞轮式电励磁起动发电机，其特征在于：所述转子铁心(8)由硅钢片叠压制成，或由导磁材料制成的飞轮内部直接加工制成。
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