CN104578655A - 一种飞轮式永磁起动发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种飞轮式永磁起动发电机，包括轴(1)、飞轮(2)、N极磁轭(4)、定子铁心、电枢绕组、N极转子铁心(7)、永磁体(8)、S极转子铁心(11)和S极磁轭(12)。定子铁心由极数皆为3n的N极定子铁心和S极定子铁心轴向间隔排列组成，两个定子铁心中间为励磁元件；转子铁心由极数皆为2n或4n的N极转子铁心和S极定子铁心轴向间隔排列组成，N极转子铁心和S极转子铁心圆周方向上相差360°/4n或360°/8n。本发明的电机的永磁体退磁效应小；其磁路路径短，且大部分磁路经过硅钢片，因此铁损少；N极定子极上的线圈和S极定子极上的线圈可以有效互补；具有飞轮式外转子结构且可以起动和发电运行。

Description

一种飞轮式永磁起动发电机
技术领域
本发明涉及一种飞轮式永磁起动发电机，属于汽车电机技术领域。
背景技术
起动发电机既能当作起动机运行，又能作为发电机运行，在起动发动机后为用电设备供电。飞轮式起动发电机将传统的起动机、发电机和发动机飞轮重新布置，紧凑地装配在一起，可以直接装在位于发动机和变速箱之间的曲轴上，也可以直接安装在柴油发动机的飞轮内。它使汽车自动协调起动/停止状态的转换，从而提高燃油效率。由于系统的无电刷定子和转子设计，该系统的组成部件不会磨损和撕裂，因此是免维护的。
目前国内外已有部分采用永磁起动发电机研究，例如申请号为201310153475.X的发明专利申请：起动发电机，提出了一种转子磁铁呈90度平面圆弧状的起动发电机。授权的发明专利：离心式永磁起动发电装置，授权号：ZL 200510044107.7，发明了一种环绕固定在飞轮外转子内壁有多块永磁材料的起动发电机。
上述传统的永磁电机，其电枢绕组与永磁体距离近，因此电枢反应堆永磁体的减磁甚至退磁效果明显。本发明提出的飞轮式永磁起动发电机，磁路路径短，且大部分磁路经过硅钢片，因此铁损少；具有两个互补的N极定子线圈和S极定子线圈，永磁体个数少，装配简单。
本发明公开的技术是采用磁阻电机的原理工作的，这在原理上与传统的永磁电机不同。经申请人检索，目前国内外尚未检索到本发明提出的铁心、永磁体以及绕组配置的结构。
发明内容
为了实现起动机、发电机和飞轮的集成，本发明提出了飞轮式永磁起动发电机。本发明采用如下技术方案：
一种飞轮式永磁起动发电机，其特征在于：
包括轴(1)、飞轮(2)、N极磁轭(4)、定子铁心、电枢绕组、N极转子铁心(7)、永磁体(8)、S极转子铁心(11)和S极磁轭(12)；
所述定子铁心由极数皆为3n的N极定子铁心(5)和S极定子铁心(10)轴向间隔排列组成，n为大于1的自然数，N极定子铁心(5)和S极定子铁心(10)圆周方向上对齐且中间为沿轴向充磁的圆环形的永磁体(8)，永磁体可提供轴向磁场；N极定子铁心(5)和S极定子铁心(10)分别固定在N极磁轭(4)和S极磁轭(12)上，N极磁轭(4)和S极磁轭(12)用螺钉(3)固定在壳体(13)上；N极磁轭(4)和S极磁轭(12)与轴之间相隔大于6mm的空气间隙；
转子铁心由极数皆为2n或4n的N极转子铁心(7)和S极定子铁心(11)轴向间隔排列组成，N极转子铁心(7)位于N极定子铁心(5)的圆周外侧，S极转子铁心(11)位于S极定子铁心(10) 的圆周外侧；N极转子铁心(7)和S极转子铁心(11)在圆周方向上相差360°/4n或360°/8n；所述转子铁心的圆周外侧固定在发动机的飞轮(2)的内侧；飞轮(2)固定在轴(1)上；
将N极定子铁心(5)上的极命名为N极定子极，将S极定子铁心(11)上的极命名为S极定子极，每个N极定子极和每个S极定子极都绕有一个电枢线圈，同一圆周方向上的N极定子极上的电枢线圈和S极定子极上的电枢线圈绕制方向相反，可以组成一相电枢绕组；沿圆周方向上的线圈可按照相位依次分为A相绕组、B相绕组和C相绕组。
如上所述的一种飞轮式永磁起动发电机，其特征在于：所述定子极和转子极皆为凸极式结构，转子极宽为定子极宽的1.5倍。
如上所述的一种飞轮式永磁起动发电机，其特征在于：所述定子铁心和转子铁心由硅钢片叠压而成；所述飞轮(2)为无取向导磁材料；所述N极磁轭(4)和S极磁轭(12)为无取向导磁材料；所述螺钉(3)为非导磁螺钉。
本发明的技术不仅具有传统的飞轮式起动发电机的优点，即可以起动和发电运行，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。而且还具备以下有益效果如下：
⑴永磁体只有一个，因此永磁体制造工艺简单；
⑵永磁体远离电枢绕组，部分电枢反应磁场可以经转子铁心自行闭合，经过因此起动时电枢绕组的去磁影响小；
⑶大部分磁路经过硅钢片，因此铁损少；
⑷N极定子极上的的线圈和S极定子极上的线圈可以有效互补；
⑸与已有技术的永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。但本发明的技术具有两套相似的定转子铁心，堪称四凸极电机。
附图说明
图1是本发明一种飞轮式永磁起动发电机纵向剖视图。其中：1、轴；2、飞轮；3、螺钉；4、N极磁轭；5、N极定子铁心；6、N极电枢线圈；7、N极转子铁心；8、永磁体；9、S极电枢线圈；10、S极定子铁心；11、S极转子铁心；12、S极磁轭；13、壳体。
图2是本发明一种飞轮式永磁起动发电机N极定子铁心处的横向剖视图。其中：1、轴；2、飞轮；3、螺钉；4、N极磁轭；5、N极定子铁心；6、N极电枢线圈；7、N极转子铁心。
图3是本发明一种飞轮式永磁起动发电机S极定子铁心处的横向剖视图。其中：1、轴；2、飞轮；3、螺钉； 9、S极电枢线圈；10、S极定子铁心；11、S极转子铁心；12、S极磁轭。
图4是本发明一种飞轮式永磁起动发电机两套绕组互补的示意图。
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。
图1所示的一种飞轮式永磁起动发电机纵向剖视图，包括轴(1)、飞轮(2)、N极磁轭(4)、定子铁心、电枢绕组、N极转子铁心(7)、永磁体(8)、S极转子铁心(11)和S极磁轭(12)。所述定子铁心由极数皆为3n=12的N极定子铁心(5)和S极定子铁心(10)轴向间隔排列组成。N极定子铁心(5)和S极定子铁心(10)中间为沿轴向充磁的圆环形的永磁体(8)，永磁体可提供轴向磁场；N极定子铁心(5)和S极定子铁心(10)分别固定在N极磁轭(4)和S极磁轭(12)上，N极磁轭(4)和S极磁轭(12)用螺钉(3)固定在壳体(13)上；N极磁轭(4)和S极磁轭(12)与轴之间相隔大于6mm的空气间隙。
转子铁心由N极转子铁心(7)和S极定子铁心(11)轴向间隔排列组成，N极转子铁心(7)位于N极定子铁心(5)外侧，S极转子铁心(11)位于S极定子铁心(10)的圆周外侧。所述转子铁心外侧固定在发动机的飞轮(2)的内侧；飞轮(2)为固定在轴(1)上。
所述定子铁心由硅钢片叠压而成；所述转子铁心由硅钢片叠压而成；所述飞轮(2)为无取向导磁材料；所述N极磁轭(4)和S极磁轭(12)为无取向导磁材料；所述螺钉(3)为非导磁螺钉。
图中虚线所示为电机总的磁链路径，可以看出，永磁体可提供轴向磁场。
图2所示的一种飞轮式永磁起动发电机N极定子铁心处的横向剖视图。在本实施例中，N极定子铁心(5)和S极定子铁心(10)的极数皆为3n=12，转子铁心的极数为2n=8。n在本实施例中取4。
为了实现N极定子铁心上的绕组合S极定子铁心上的绕组之间的良好互补，所述定子极和转子极皆为凸极式结构，转子极宽为定子极宽的1.5倍。
将N极定子铁心(5)上的极命名为N极定子极，将S极定子铁心(11)上的极命名为S极定子极，每个N极定子极和每个S极定子极都绕有一个电枢线圈。沿圆周方向上的线圈可按照相位依次分为A相绕组、B相绕组和C相绕组。
图3是本发明申请的一种飞轮式永磁起动发电机S极定子铁心处的横向剖视图。对比图2和图3可以看出，N极定子铁心(5)和S极定子铁心(10)圆周方向上对齐、N极转子铁心(7)和S极转子铁心(11)在圆周方向上相差360°/4n=22.5°；同一圆周方向上的N极定子极上的电枢线圈和S极定子极上的电枢线圈绕制方向相反，可以组成一相电枢绕组；沿圆周方向上的线圈可按照相位依次分为A相绕组、B相绕组和C相绕组。
图4是本发明申请的一种飞轮式永磁起动发电机两套绕组互补的示意图。其互补的原理可以解释为：传统磁阻电机的转子极刚靠近定子极时，其磁链变化率大；而转子极与定子极几乎完全啮合时，其磁链变化率小。而本申请的技术两个转子极错开了一定的角度，因此当N极转子极刚刚靠近定子极时，其磁链变化率大；而此时S极转子极与相应的定子极几乎完全啮合，磁链变化率小。由于两个定子极上的绕组为同一相绕组，因此该相绕组总的磁链变化率基本不变。也就是N极定子线圈和S极定子线圈在特性上是互补的。
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工作在发电状态时，由于永磁体可提供轴向磁场，因此电枢绕组有磁链通过。当外转子旋转时，磁路的磁阻发生变化，因此电枢绕组的磁链就会发生变化，从而产生感应电动势。假设某一状态N极定子极上的电枢线圈产生自下往上的磁场，则与此对应的S极定子极上的电枢线圈便产生自上往下的磁场，因此N极定子极上的电枢线圈和S极定子极上的电枢线圈绕向相反。
本发明的起动发电机工作在起动状态时，也由永磁体提供磁场。由于一相电枢绕组的磁链会随着转子的变化而变化，若给磁链增加的一相绕组通以正向电流，给磁链减小的一相绕组通以负向电流，则电机会产生正的转矩，驱动电机正转。
本发明提出的起动发电机磁链路径比较复杂，有轴向的，有径向的，还有一点切向的。因此，传统的方法是利用一个磁导率高的铸钢或铸铁来导磁，但这种方法涡流损耗较为严重。本发明提出的技术定子铁心和转子铁心由硅钢片叠压而成，涡流损耗小；在复杂磁路的地方使用无取向导磁材料，这种新型的导磁路径有效提高了系统的效率。
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 (3)

1.一种飞轮式永磁起动发电机，其特征在于：
包括轴(1)、飞轮(2)、N极磁轭(4)、定子铁心、电枢绕组、N极转子铁心(7)、永磁体(8)、S极转子铁心(11)和S极磁轭(12)；
所述定子铁心由极数皆为3n的N极定子铁心(5)和S极定子铁心(10)轴向间隔排列组成，n为大于1的自然数，N极定子铁心(5)和S极定子铁心(10)圆周方向上对齐且中间为沿轴向充磁的圆环形的永磁体(8)，永磁体可提供轴向磁场；N极定子铁心(5)和S极定子铁心(10)分别固定在N极磁轭(4)和S极磁轭(12)上，N极磁轭(4)和S极磁轭(12)用螺钉(3)固定在壳体(13)上；N极磁轭(4)和S极磁轭(12)与轴之间相隔大于6mm的空气间隙；
转子铁心由极数皆为2n或4n的N极转子铁心(7)和S极定子铁心(11)轴向间隔排列组成，N极转子铁心(7)位于N极定子铁心(5)的圆周外侧，S极转子铁心(11)位于S极定子铁心(10) 的圆周外侧；N极转子铁心(7)和S极转子铁心(11)在圆周方向上相差360°/4n或360°/8n；所述转子铁心的圆周外侧固定在发动机的飞轮(2)的内侧；飞轮(2)固定在轴(1)上；
将N极定子铁心(5)上的极命名为N极定子极，将S极定子铁心(11)上的极命名为S极定子极，每个N极定子极和每个S极定子极都绕有一个电枢线圈，同一圆周方向上的N极定子极上的电枢线圈和S极定子极上的电枢线圈绕制方向相反，可以组成一相电枢绕组；沿圆周方向上的线圈可按照相位依次分为A相绕组、B相绕组和C相绕组。
2.如权利要求1所述的一种飞轮式永磁起动发电机，其特征在于：所述定子极和转子极皆为凸极式结构，转子极宽为定子极宽的1.5倍。
3.如权利要求1所述的一种飞轮式永磁起动发电机，其特征在于：所述定子铁心和转子铁心由硅钢片叠压而成；所述飞轮(2)为无取向导磁材料；所述N极磁轭(4)和S极磁轭(12)为无取向导磁材料；所述螺钉(3)为非导磁螺钉。
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