CN105576929A - 一种集中绕组交流无刷电励磁起动发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集中绕组交流无刷电励磁起动发电机，其特征在于，该发电机沿径向方向由内至外依次包括转子铁心、定子铁心、定子单齿绕集中励磁绕组以及定子单齿绕集中电枢绕组，其中所述单齿绕集中励磁绕组及所述定子单齿绕集中电枢绕组均匀分布于每个定子槽中，且所述单齿绕集中励磁绕组与所述定子单齿绕集中电枢绕组在每个槽中需用绝缘材料隔开。按照本发明实现的集中绕组无刷电励磁起动发电机，整体结构非常简单，加工制造采用现有工艺就可完成，无需购买额外设备，此外，电机可靠性非常高，基本免维护。

Description

一种集中绕组交流无刷电励磁起动发电机

技术领域

本发明属于电励磁起动发动机领域，更具体地，涉及一种集中绕组交流无刷电励磁起动发电机。

背景技术

起动/发电机是利用电机的可逆原理，让机载的发电机兼做发动机的起动机。由于起动发电机紧靠发动机，因此工作温度很高，不能满足在负载增多情况下电机运行的可靠性及稳定性。在一些特定的应用场合下，例如航空起动发电对起动发电机提出了如下的要求：1.无永磁体，由于永磁体磁特性极易受温度影响，此外故障情况下难以灭磁，因此永磁电机基本不被采用；2.无刷化，由于在发电工况时电机转速很高，电刷和滑环的存在，将降低系统的可靠性，此外转速增高也极易带来磨损需要定期更换，因此传统的有刷直流电机和转子励磁同步电机的应用受到限制；3.转子结构要求简单，由于在发电运行时，电机转速非常高，因此要求转子结构尽可能简化，此外转速的提高也有助于减小电机的体积，提高功率密度。

目前，现有技术中已经针对上述的问题进行了研究，其中公开号为CN101192785A的专利文献中公开了一种增磁发电电励磁双凸极电机，其除了机壳、端盖、转轴等电机常规的支撑结构外，包含三个部分：1.硅钢片叠压而成的转子铁心，包含有2种不同槽型的定子槽，分别放置励磁绕组和电枢绕组；2.定子绕组：包括跨距为1/4定子圆周的励磁绕组和单齿绕电枢绕组，从电机结构来看，该电机结构与传统双凸极的定子铁心冲片与传统异步电机、传统开关磁阻电机的冲片完全不同，具有2种不同的槽型，在大槽中需要放置励磁绕组和电枢绕组，而在小槽中放置电枢绕组，励磁绕组跨距较长，铜材料的消耗以及端部所占空间都比较大。此外，由于励磁绕组和电枢绕组跨距不同，造成下线工艺复杂。另外，由于励磁绕组产生的磁通比较集中，因此所需定子轭部较厚，并且在实际的工作过程中磁链波形接近三角波，而反电势波形基本为梯形波。

另外，期刊文献(一种双定子型磁悬浮开关磁阻起动/发电机的运行原理与实现中国电机工程学报文章编号：0258-8013(2014)36-6458-09)公开了一种双定子型磁悬浮开关磁阻起动/发电机，其中该电机由内到外依次包含凸极型的内定子、转子和外定子，且三者同心嵌套。外定子上等间隔地设置主绕组极，每个主绕组极上设有实现起动及发电功能的主绕组；转子上等间隔地设置转子凸极；内定子上等间隔地设置悬浮极，每个悬浮极上设有实现转子悬浮功能的悬浮力绕组，以外定子上的A相主绕组为例，当通以转矩电流将会产生四极对称主磁通，类似于开关磁阻电机，依据磁阻最小原理，转子将在主绕组磁场的作用下向与定子极对齐的方向运动，当控制A、B、C三相绕组依次轮流导通时，转子顺时针方向旋转。当电机在外力的驱动下，以逆时针方向旋转，当转子磁极轴线运动到与定子C相绕组重合时，给定子A相主绕组通电，即通过直流电源进行励磁。转子极将有向定子A相运动的趋势，并受到与外力驱动力矩相反方向(顺时针方向)的力矩作用，同时转子上的机械能将转化成磁能储存在磁场中。当开关管断开时，A相电流通过二极管续流，绕组内的电流方向不改变，储存在磁场中的磁能将释放出来，并转化为电能回馈至电源，从而以磁场为媒介，完成了机械能和电能之间的机电能量转化过程。如此连续地按A-B-C-A的顺序给主绕组励磁，作用在转子上的机械能将持续转化为电能，实现发电运行。

在上述发电机的运行过程中，虽然分别控制主绕组和悬浮力绕组，但是径向两个自由度之间仍有影响，这种干扰将影响径向悬浮性能，在电机运转过程中产生较大的噪声，使得转轴与辅助轴承的摩擦增大，增大损耗并缩短电机使用寿命，虽然可以通过施加与该干扰力大小相等而方向相反的补偿力来解决这一问题，但又使控制更加复杂，增加了制造的难度。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种集中绕组交流无刷励磁起动发电机，其目的在于通过改进定子励磁绕组，优化定子冲片槽型，来减轻铜、铁等金属的重量，降低增加电机功率密度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种集中绕组交流无刷电励磁起动发电机，其特征在于，该发电机沿径向方向由内至外依次包括转子铁心、定子铁心、定子单齿绕集中励磁绕组以及定子单齿绕集中电枢绕组，其中所述单齿绕集中励磁绕组及所述定子单齿绕集中电枢绕组均匀分布于每个定子槽中，且所述单齿绕集中励磁绕组与所述定子单齿绕集中电枢绕组需用绝缘材料隔开。

进一步地，该发电机沿径向方向由内至外依次包括内定子铁心、单齿绕集中励磁绕组、定子单齿绕集中电枢绕组以及外转子铁心，其中所述单齿绕集中励磁绕组及所述定子单齿绕集中电枢绕组均匀分布于每个定子槽中。

进一步地，所述定转子冲片选用0.1--0.2mm的硅钢片。

进一步地，所述单齿绕集中励磁绕组通过可控直流电源控制，所述单齿绕集中电枢绕组起动过程中，通过三相逆变器控制，在发电运行时，所述三相逆变器控制切换到整流电路。

进一步地，上述所述定子槽数Z₁，所述转子槽数Z₂，定子绕组极对数P₁之间满足如下关系：其中，i＝1,3,Z₁为6的倍数。

进一步地，所述定子槽数Z₁，所述转子槽数Z₂，定子绕组极对数P₁的组合为12/10/8。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下的有益效果：

(1)按照本发明实现的电机绕组端部短，铜材料使用少，与现有方案相比，能节约材料，降低成本；有效体积较大，有助于增加转矩密度；

(2)定子冲片上的槽型完全相同，且都为单齿绕集中绕组，简化了下线工艺；

(3)按照本发明实现的电机拓扑采用无刷结构，转子上无任何绕组，可靠性高，适合高速运行；

(4)按照本发明实现的电机电枢绕组反电势比较正弦，转矩脉动小，运行平稳；电机潜在的振动和噪声会比已有的双凸极结构要小。

附图说明

图1是按照本发明实现的起动发电机的结构示意图；

图2是按照本发明实现的起动发电机的驱动电路示意图；

图3是按照本发明实现的另外一实施例的起动发电机的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-定子铁心，2-转子铁心，3-励磁绕组，4-电枢绕组5-外转子铁心6-内定子铁心

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出的用于车辆和飞机起动发电用无刷集中绕组式电励磁电机结构描述如下：该结构主要由转轴、机壳、端盖等常规结构件组成，转轴、机壳、端盖等结构件可以采用常规电机已有的结构，无需特殊设计，其中核心的部件还包括转子铁心2、定子铁心1、定子单齿绕集中励磁绕组3、定子单齿绕集中电枢绕组4等结构组成。定子和转子冲片可以采用现有开关磁阻电机已有的冲片，无需重新设计模具，定子励磁绕组3和电枢绕组4都为单齿绕集中绕组，绕线和嵌线工艺都很方便。此外，励磁绕组和电枢绕组都均匀放置在每个定子槽中，端部很短，端部长度占电机总长度比例较小。整个电机的横截面图如图1所示。整体结构非常简单，加工制造采用现有工艺就可完成，无需购买额外设备。此外，电机可靠性非常高，基本免维护。

实施例一

如图1中，按照本发明实现的集中绕组交流无刷电励磁起动发电机，在径向方向上由内至外依次包括：转子铁心2、励磁绕组3、电枢绕组4、定子铁心1。

定子槽结构如图1所示，定子槽中的励磁绕组3和电枢绕组4之间应该用相间绝缘隔开。下线时，应先放置双层电枢绕组4，再放置励磁绕组3。

其中本发明的无刷电励磁交流起动发电机的定转子冲片选用0.1--0.2mm的硅钢片作为其材料，以减小铁耗。

基于该无刷电励磁起动发电机的相应控制驱动系统框图如图2所示。起动时，电机电枢绕组4通过三相全桥逆变器供电；而在发电运行时，本方案可以实现可控整流功能。该电路由直流电源，三相桥式电路、励磁绕组控制电路三部分组成，直流电源通过开关管对励磁绕组供电，三相桥式电路采用全控型开关管，可以实现功率的双向流动。当电机启动时，功率从直流侧流向电枢绕组4，整个启动过程，电枢电压可控，可防止电枢绕组4过电流，优化启动性能。当电机做发电机运行时，功率从电枢绕组4侧流向直流侧，桥式电路工作在整流状态。无论桥式电路工作在整流或是逆变状态，都能独立的对励磁绕组3进行可控励磁。

实施例二

基于上述电磁原理的外转子电机结构，也能完成发明目的，结构图如图3所示，5为外转子铁心、6为内定子铁心、3为励磁绕组、4为电枢绕组。此外，外转子结构具有气隙半径更大，转矩密度更高的特点

本实施例中，采用开口槽定转子冲片结构；

定子励磁绕组3和电枢绕组4采用相间绝缘材料隔开，隔断均匀放置在每个定子槽中，且绕组均为单齿绕集中绕组；

励磁绕组3通过可控直流电源控制，电枢绕组4在起动过程中，通过三相逆变器控制，而在发电运行时，切换到整流电路。

按照上述实施例实现的电机结构，定子槽数Z₁，转子槽数Z₂，定子绕组极对数P₁之间的关系可按照下述公式来得到：其中，i＝1,3,Z₁为6的倍数，即6,12,18……且Z₁与Z₂不宜相差太大；可行的定/转子槽/电枢绕组极对数组合,Z₁/Z₂/P₁包括：6/4/5,6/5/2,6/7/4,6/8/5,12/8/10,12/10/4,12/11/5,12/13/7,12/14/8等；

上述可行的槽极配合中，对于转子槽数为奇数的组合，由于存在不平衡磁拉力，因此电机潜在的振动和噪声会较大，因此在一般情况下不推荐选择。推荐选择12/10/8组合，其转矩波动比较小，且不存在不平衡磁拉力，振动和噪声都比较小，电机整体性能优良。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种集中绕组交流无刷电励磁起动发电机，其特征在于，该发电机沿径向方向由内至外依次包括转子铁心(2)、定子铁心(1)、定子单齿绕集中励磁绕组(3)以及定子单齿绕集中电枢绕组(4)，其中所述单齿绕集中励磁绕组(3)及所述定子单齿绕集中电枢绕组(4)均匀分布于每个定子槽中，且所述单齿绕集中励磁绕组(3)与所述定子单齿绕集中电枢绕组(4)之间在槽中用绝缘材料隔开。

2.一种集中绕组交流无刷电励磁起动发电机，其特征在于，该发电机沿径向方向由内至外依次包括内定子铁心(6)、单齿绕集中励磁绕组(3)、定子单齿绕集中电枢绕组(4)以及外转子铁心(5)，其中所述单齿绕集中励磁绕组(3)及所述定子单齿绕集中电枢绕组(4)均匀分布于每个定子槽中。

3.如权利要求1或2所述的集中绕组交流无刷电励磁起动发电机，其特征在于，所述定转子冲片选用0.1--0.2mm的硅钢片。

4.如权利要求3所述的集中绕组交流无刷电励磁起动发电机，其特征在于，所述单齿绕集中励磁绕组(3)通过可控直流电源控制，所述单齿绕集中电枢绕组(4)起动过程中，通过三相逆变器控制，在发电运行时，所述三相逆变器控制切换到整流电路。

5.如权利要求4所述的集中绕组交流无刷电励磁起动发电机，其特征在于，上述所述定子槽数Z₁，所述转子槽数Z₂，定子绕组极对数P₁之间满足如下关系：其中，i＝1,3,Z₁为6的倍数。

6.如权利要求5所述的集中绕组交流无刷电励磁起动发电机，其特征在于，所述定子槽数Z₁，所述转子槽数Z₂，定子绕组极对数P₁的组合为12/10/8。