CN110429779A - 一种高可靠性电励磁双凸极起动发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高可靠性电励磁双凸极起动发电机，其定子铁心为凸极结构，定子铁心四周设置有定子极，所述定子极数量为12N个；励磁绕组的数量为定子极的一半，每个励磁绕组跨2个定子极分布，且相邻的励磁绕组的极性相反，各励磁绕组串联；电枢绕组在每个定子极上绕制而成，每个电枢绕组按照所匝链的励磁绕组的相同极性进行绕制；相邻的电枢绕组相位角相差60°，相位相差180°的所述电枢绕组两两组合，通过反向串联构成各相磁链变化率相同的双三相绕组。转子铁心为凸极结构，转子极数量为10N或14N个。本发明各相反电势对称，平顶部分更为宽广，电机功率密度大，容错能力强，且有效的抑制了电励磁双凸极电机的转矩脉动和电压脉动。

Description

一种高可靠性电励磁双凸极起动发电机

技术领域

本发明涉及特种电机本体技术领域，尤其涉及一种高可靠性电励磁双凸极起动发电机。

背景技术

电励磁双凸极电机可方便实现起动、发电双功能，它既有开关磁阻电机转子结构简单、无绕组和永磁体，高温、高速运行能力强，以及定子上各相绕组在物理和电磁上独立，容错能力强、可靠性高的优点，又具有电励磁同步电机发电控制简单、控制电路可靠性高的优点。因此，电励磁双凸极电机可构成一种极具竞争力的起动/发电系统；尤其作为无刷直流发电机，由于无需位置传感器与可控器件构成的功率变换器，优势更为明显。应用于航空、车载领域的电励磁双凸极起动/发电机，对电机的可靠性提出了更高的要求，要求电机电动转矩脉动小，发电电压脉动小，并希望电机具有较好的容错运行能力。

采用多相冗余和各相隔离技术是提高电机容错能力、防止故障传播的有效途径。但传统m相电励磁双凸极电机励磁绕组匝链m相电枢绕组，每相定子绕组的每个定子线圈距离励磁元件分布位置不同，各相磁路不一致导致每相磁链变化率不同，因此反电势波形的对称性较差，该电机作为发电机运行时电压脉动大，作为电动机运行时存在转矩脉动和振动噪声较大的问题，且不对称程度随着相数的增加愈加严重。

目前针对以上问题的研究已经取得了一定的成果。例如已有五相电励磁双凸极发电机的研究报导，但五相电机作为质数相电机，不能被均分为互相隔离的几个通道，容错性能较差。为解决件传统电励磁双凸极电机作为电动机运行时转矩脉动大，作为发电机运行时电压脉动大的问题，也有相关研究，例如中国发明专利：内外双定子双凸极无刷直流电机（申请号：200710020866.9），中国发明专利：三相（6/4N/4N/6）k结构双定子双凸极电机（申请号：201110073792.1），中国发明专利：一种内外双定子电励磁双凸极起动发电机（申请号：201210471608.3），均是采用双定子的方式，减小电机电压脉动，抑制转矩脉动，但双定子的结构使得电机加工难度增大，工艺水平要求更高，电机可靠性变差。又例如中国实用新型专利：一种三相双凸极电机电枢绕组结构（申请号：201520017005.5），公开了一种三相双凸极电机电枢绕组结构，所述励磁绕组两侧的定子极上缠绕的电枢绕组的匝数大于远离励磁绕组的定子极上缠绕的电枢绕组的匝数，改善电枢电流的不对称，降低转矩脉动。中国发明专利：一种低转矩脉动电励磁双凸极无刷直流电机及其控制系统，申请号（201510134898.6），公开了一种低转矩脉动电励磁双凸极无刷直流电机及其控制系统，通过将该六相定子绕组反电势波形存在互补性的两相绕组两两反向串联，构成U、V、W三相绕组，三相定子绕组的反电势波形对称性得到明显加强，得到的反电势波形与永磁无刷直流电机的较为相似，但该设计相当于两个三相双凸极电机的组合，其反电势平顶部分不足120°，仍存在换相转矩脉动。此外还有例如中国发明专利：各相电感对称的四相双凸极无刷直流电机，申请号：201310079451.4，中国发明专利：一种五相双凸极电机，申请号：201410007947.5，用以解决多相电励磁双凸极电机的各相电感不对称问题。

发明内容

本发明提供一种低转矩/电压脉动的高可靠性电励磁双凸极起动发电机，以适应应用于航空、车载领域的电励磁双凸极起动/发电机的高可靠性要求，同时电机电动转矩脉动小，发电电压脉动小，且电机具有较好的容错运行能力。

一种高可靠性电励磁双凸极起动发电机，包括同转轴的定子组件和转子组件，所述定子组件包括定子铁心、励磁绕组及电枢绕组；所述定子铁心为凸极结构，所述定子铁心四周设置有定子极，所述定子极数量为12N个，N为正整数；所述励磁绕组的数量为所述定子极的一半，每个所述励磁绕组跨2个定子极分布，且相邻的所述励磁绕组的极性相反，各励磁绕组串联；所述电枢绕组在每个所述定子极上绕制而成，数量为12N个，N为正整数，每个所述电枢绕组按照所匝链的励磁绕组的相同极性进行绕制；相邻的所述电枢绕组相位角相差60°，相位相差180°的所述电枢绕组两两组合，通过反向串联构成各相磁链变化率相同的双三相绕组；所述转子组件包括转子铁心和转轴，所述转子铁心为凸极结构，所述转子铁心四周设置的转子极数量为10N或14N个，N为正整数。

作为一种实施方式，所述转子极数量为10N，定子极弧系数为0.6，转子极弧系数为0.5。

作为一种实施方式，所述转子极数量为14N，定子极弧系数为0.429 ，转子极弧系数为0.5。

优选的，所述双三相绕组与由两个三相变换器组成的六相双通道容错变换器连接，或与六相H桥变换器连接，所述双三相绕组的绕组之间相互隔离。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明电机具有与永磁无刷直流电机相似的反电势特性，电机各相反电势完全对称，有效解决了传统电励磁双凸极电机电压脉动大、转矩脉动大的问题，尤其是解决了换相转矩脉动大的问题。

2、本发明电机具有与永磁无刷直流电机相似的反电势特性，平顶部分更为宽广，理论反电势平顶部分达180°，电机功率密度大，且可通过调整定转子极弧系数改变反电势平顶部分宽度。

3、将定子绕组中分布位置不同且相位相差180°的各相绕组进行组合的双三相绕组，可利用两个三相变换器组成的六相双通道容错变换器，两套三相绕组之间互相隔离，电机容错能力强，也可采用六相H桥变换器，进一步提高容错能力。

4、由于磁阻电机边缘效应的影响，刚刚啮入转子极的一相磁链变化率比较大，刚刚开始脱离转子极的一相磁链变化率比较小，本发明的将定子绕组中分布位置不同且相位相差180°的各相绕组进行组合的双三相绕组，同时解决了边缘效应造成的不对称问题。

附图说明

图1为本发明一实施例高可靠性电励磁双凸极起动发电机12/10极结构的轴向剖视示意图；

图2为本发明另一实施例高可靠性电励磁双凸极起动发电机12/14极结构的轴向剖视示意图；

图3为绕组组合连接示意图；

图4为图1实施例中各相磁链波形图；

图5为图1实施例中空载励磁磁链波形图；

图6为图1实施例中各相反电势波形图；

图7为图2实施例中各相磁链波形图；

图8为图2实施例中空载励磁磁链波形图；

图9为图2实施例中各相反电势波形图；

图10为本发明实施例中利用两个三相变换器组成的六相双通道容错变换器与电机双三相绕组的连接图；

图11为本发明实施例中电机电枢绕组与六相H桥变换器的连接图；

图12为本发明实施例电励磁双凸极起动发电机运行时控制策略的导通示意图；

附图标记说明：

1—定子铁心、2—转子铁心、3—转轴、4—A相电枢绕组、5—B相电枢绕组、6—C相电枢绕组、7—D相电枢绕组、8—E相电枢绕组、9—G相电枢绕组、10—励磁绕组。

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。

本实施例描述的是一种高可靠性电励磁双凸极起动发电机，如图1和图2所示，包括同转轴的定子组件和转子组件，其中定子组件包括定子铁心1、励磁绕组10及若干电枢绕组。

定子铁心1为凸极结构，四周设置有定子极，定子极的数量为12N个，N为正整数，在本实施例中N=1。

每个励磁绕组10跨绕在2个定子极上，故励磁绕组10的数量为定子极的一半，本实施例中为6个，且相邻的励磁绕组10的极性相反，各励磁绕组10串联在一起。

电枢绕组为在每个定子极上绕制的集中绕组，数量也为12个，且每个励磁绕组10下的电枢绕组按照所匝链的励磁绕组10的极性进行绕制，依次形成A1、B1、C1、D1、E1、G1、A2、B2、C2、D2、E2、G2十二个定子线圈，各绕组线圈位置如图1所示。再将所述十二个定子线圈中相位相差180°的各相电枢绕组进行组合，并通过反向串联构成各相磁链变化率相同的双三相绕组。反相串联构成A、B、C、D、E、G相电枢绕组的绕组连接图如图3所示，具体为：相位相差180°的电枢线圈A1、D2反相串联后组成A相电枢绕组4，相位相差180°的电枢线圈B1、E2反相串联后组成B相电枢绕组5，相位相差180°的电枢线圈C1、G2反相串联后组成C相电枢绕组6，相位相差180°的电枢线圈D1、A2反相串联后组成D相电枢绕组7，相位相差180°的电枢线圈E1、B2反相串联后组成E相电枢绕组8，相位相差180°的电枢线圈G1、C2反相串联后组成G相电枢绕组9。

传统m相的双凸极电机的每个励磁线圈都匝链m相个定子线圈，这样每个定子线圈距励磁绕组位置不同，造成各相磁路长短不一，各相磁阻也不一致。从图1可以看出，本发明实施例提出的电机每个励磁绕组跨2个定子极分布，每个定子线圈即电枢绕组距励磁绕组10位置相同，各相对称。由于磁阻电机边缘效应的影响，刚刚啮入转子极的一相磁链变化率比较大，刚刚开始脱离转子极的一相磁链变化率比较小，从图1和图3可以看出，本实施例将定子线圈中分布位置不同且相位相差180°的各相电枢绕组进行组合，每相中总有一个定子极刚刚啮入转子极，一个定子极刚刚开始脱离转子极，解决了边缘效应造成的不对称问题。

本发明实施例中的转子组件包括转子铁心2和转轴3，转子铁心2为凸极结构，沿圆周设置的转子极数量为10或14个，图2为转子极为10个的实施方式，图3为转子极为14个的实施方式。两种实施方式的励磁绕组和电枢绕组绕制方式及各绕组组合均相同。

在图1所示的12/10极电励磁双凸极起动发电机中，定子极弧系数为0.6，转子极弧系数为0.5。

在图2所示的12/14极电励磁双凸极起动发电机中，定子极弧系数为0.429，转子极弧系数为0.5。

图4和图7是本发明12/10极结构和12/14极结构电机的各相磁链波形图，可以看出各相磁链变化率相同。

图5和图8为本发明12/10极结构和12/14极结构电机的空载励磁磁链波形图，可以看出，空载励磁磁链随转子位置几乎没有变化，故而具有定位转矩小等优点。

图6和图9为本发明12/10极结构和12/14极结构电机的各相反电势波形图，可以看出，本发明电机具有与永磁无刷直流电机相似的反电势特性，平顶部分更为宽广，理论反电势平顶部分达180°，电机功率密度大，且可通过调整定转子极弧系数改变反电势平顶部分宽度。同时，各相反电势对称，解决了传统电励磁双凸极电机由于各相不对称导致的电机转矩脉动大、电压波动大和电流不均衡等问题。

图10是本发明电机与利用两个三相变换器组成的六相双通道容错变换器的连接图，两套三相绕组之间互相隔离，电机容错能力强。也可采用六相H桥变换器，进一步提高容错能力，连接方式如图11所示。

图12是本实施例电机作为电动机运行时的工作原理图，在给励磁绕组10通以正向的励磁电流后，给磁链上升的相通正向电流，给磁链下降的相通负向电流，电机即可以作为电动机运行。

本实施例的技术方案每个定子极上绕有一个电枢绕组，每个励磁绕组10跨两个定子极绕制，使得励磁距各相电枢位置一致，各相对称；通过合理的定、转子的极弧系数设计，使电机相邻定子极上相位角相差60°的六相电枢绕组电感均随转子位置变化，再将相位相差180°的各相电枢绕组进行组合，并通过反向串联构成各相磁链变化率相同的双三相绕组，这样的组合同时解决了磁阻电机边缘效应造成不对称。该电机具有与永磁无刷直流电机相似的反电势特性，各相反电势对称，平顶部分更为宽广，理论反电势平顶部分为180°，电机功率密度大，且有效的抑制了电励磁双凸极电机的转矩脉动和电压脉动。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (4)

1.一种高可靠性电励磁双凸极起动发电机，包括同转轴的定子组件和转子组件，其特征在于：所述定子组件包括定子铁心、励磁绕组及电枢绕组；

所述定子铁心为凸极结构，所述定子铁心四周设置有定子极，所述定子极数量为12N个，N为正整数；

所述励磁绕组的数量为所述定子极的一半，每个所述励磁绕组跨2个定子极分布，且相邻的所述励磁绕组的极性相反，各励磁绕组串联；

所述电枢绕组在每个所述定子极上绕制而成，数量为12N个，N为正整数，每个所述电枢绕组按照所匝链的励磁绕组的相同极性进行绕制；相邻的所述电枢绕组相位角相差60°，相位相差180°的所述电枢绕组两两组合，通过反向串联构成各相磁链变化率相同的双三相绕组；

所述转子组件包括转子铁心和转轴，所述转子铁心为凸极结构，所述转子铁心四周设置的转子极数量为10N或14N个，N为正整数。

2.根据权利要求1所述的高可靠性电励磁双凸极起动发电机，其特征在于：所述转子极数量为10N，定子极弧系数为0.6，转子极弧系数为0.5。

3.根据权利要求1所述的高可靠性电励磁双凸极起动发电机，其特征在于：所述转子极数量为14N，定子极弧系数为0.429，转子极弧系数为0.5。

4.根据权利要求1~3任一项所述的高可靠性电励磁双凸极起动发电机，其特征在于：所述双三相绕组与由两个三相变换器组成的六相双通道容错变换器连接，或与六相H桥变换器连接，所述双三相绕组的绕组之间相互隔离。