CN110474506A - 无刷自激励磁式脉冲发电机 - Google Patents

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Abstract

一种无刷自激励磁式脉冲发电机，属于惯性储能脉冲电源技术领域。本发明针对现有脉冲发电机由于电刷与集电环的存在，会由于高速旋转造成接触电阻增加，进而降低自激励磁效率的问题。所述脉冲发电机包括四极、两相空芯脉冲发电机，所述脉冲发电机包括机壳、转子和定子，定子包括定子轭，转子包括转轴和转子轭，定子轭设置在机壳上，转子轭设置于转轴上并处于定子轭内侧；所述定子还包括电枢绕组、A相电枢绕组端部线圈Lad和B相电枢绕组端部线圈Lbd，电枢绕组端部线圈分别设置在机壳的两侧端盖上；转子的两个励磁绕组端部线圈分别设置在转子轭的两端部，还包括自激励磁电路。本发明提高了脉冲发电机工作的可靠性与安全性。

Description

无刷自激励磁式脉冲发电机
技术领域
本发明涉及无刷自激励磁式脉冲发电机，属于惯性储能脉冲电源技术领域。
背景技术
脉冲发电机利用转子惯性储能并向负载快速放电，具有高储能密度、高功率密度、高重复放电频率等优点，在国防科研军事、工业、民用等领域，具有广阔的应用前景。
铁芯脉冲发电机采用铁磁材料制作转子与定子，可在较低励磁电流下获得较大气隙磁密，但其饱和特性限制了脉冲发电机功率密度的提高，铁磁材料强度也限制了转子线速度，且铁磁材料增大了绕组电感，不利于电机向负载快速放电，为此采用复合材料的空芯脉冲发电机应运而生。
脉冲发电机本质上是一种脉冲工作制的电励磁发电机，空芯脉冲发电机可通过提高电机转速与增大励磁电流来提高单位长度电枢生成的电动势，进而提高脉冲发电机的放电能力，因而空芯脉冲发电机被广泛研究。空芯脉冲发电机要求更高励磁电流以生成高气隙磁密，然而电励磁需要的电刷与集电环结构却限制了脉冲发电机功率等级的提高，并降低了脉冲发电机的可靠性、安全性以及使用寿命。例如，在电机高速旋转以及放电冲击转矩作用下，电刷与集电环磨损还会进一步降低电机可靠性，会增加接触电阻而降低自激励磁效率与提高自激励磁的转速限制条件。
因此，针对以上不足，需要提供一种无刷励磁空芯脉冲发电机，以提高脉冲发电机的可靠性与安全性。
发明内容
针对现有脉冲发电机由于电刷与集电环的存在，会由于高速旋转造成接触电阻增加，进而降低自激励磁效率的问题，本发明提供一种无刷自激励磁式脉冲发电机。
本发明的一种无刷自激励磁式脉冲发电机，所述脉冲发电机包括四极、两相空芯脉冲发电机，所述脉冲发电机包括机壳、转子和定子，定子包括定子轭，转子包括转轴和转子轭，定子轭设置在机壳上，转子轭设置于转轴上并处于定子轭内侧；
所述定子还包括电枢绕组、A相电枢绕组端部线圈Lad和B相电枢绕组端部线圈Lbd；所述电枢绕组设置于定子轭上，包括A相电枢绕组Laa和B相电枢绕组Lbb，A相电枢绕组Laa与A相电枢绕组端部线圈Lad串联，B相电枢绕组Lbb与B相电枢绕组端部线圈Lbd串联；A相电枢绕组端部线圈Lad固定于机壳的一侧端盖上，B相电枢绕组端部线圈Lbd固定于机壳的另一侧端盖上；
所述转子还包括励磁绕组Lf、一号励磁绕组端部线圈Laf和二号励磁绕组端部线圈Lbf，励磁绕组Lf设置在转子轭上，励磁绕组Lf一端与一号励磁绕组端部线圈Laf串联，另一端与二号励磁绕组端部线圈Lbf串联，转子轭轴向的两个端面各设置一个励磁绕组端部线圈；
所述脉冲发电机还包括自激励磁电路，所述自激励磁电路通过种子电容产生种子电流，并注入到电枢绕组和励磁绕组Lf中。
根据本发明的无刷自激励磁式脉冲发电机，所述电枢绕组通过碳纤维定子支撑体支撑后设置于定子轭上。
根据本发明的无刷自激励磁式脉冲发电机，所述电枢绕组采用利兹线制成，采用集中绕组的同心式结构，每相电枢绕组由四个线圈构成，且两相电枢绕组的线圈同层排布且线圈空间排布相差45度。
根据本发明的无刷自激励磁式脉冲发电机，所述定子轭采用玻璃纤维浸环氧树脂胶制成。
根据本发明的无刷自激励磁式脉冲发电机，所述励磁绕组Lf采用铝筒水切割获得的铝条制成。
根据本发明的无刷自激励磁式脉冲发电机，所述励磁绕组Lf通过转子支撑体支撑后设置在转子轭上。
根据本发明的无刷自激励磁式脉冲发电机，所述励磁绕组Lf通过碳纤维绑扎固定在转子支撑体上。
根据本发明的无刷自激励磁式脉冲发电机，所述自激励磁电路采用种子电容C、励磁电阻Rf和励磁绕组Lf构成初始励磁回路，初始带电的种子电容C通过初始励磁回路给励磁绕组Lf提供初始电流，励磁绕组Lf旋转时切割A相电枢绕组Laa和B相电枢绕组Lbb，A相电枢绕组Laa在与A相电枢绕组端部线圈Lad形成的闭合回路中产生电流，B相电枢绕组Lbb在与B相电枢绕组端部线圈Lbd形成的闭合回路中产生电流；A相电枢绕组端部线圈Lad再对应于一号励磁绕组端部线圈Laf感应出交流电动势，B相电枢绕组端部线圈Lbd再对应于二号励磁绕组端部线圈Lbf感应出交流电动势，两个励磁绕组端部线圈通过整流桥并联，并与励磁绕组Lf串联构成闭合回路，所述闭合回路中生成感应电流，完成初始自激励磁。
本发明的有益效果：本发明提出了一种适用于空芯脉冲发电机的无刷自激励磁的拓扑结构，直接去除电刷与集电环部件，先由种子电容提供一个初始磁场，随后通过连接电路在电磁感应的正反馈作用下将转子机械储能转换为励磁绕组的电磁能，形成一个循环正反馈的过程，使励磁绕组中的励磁电流不断增大。能够解决传统方式中电刷与集电环的磨损带来的接触电阻增加而自激励磁效率降低与自激励磁转速限制条件提高的缺陷，提高了脉冲发电机工作的可靠性与安全性，增加电机使用寿命。
本发明极大的提高了自激励磁的效率。
附图说明
图1是本发明所述无刷自激励磁式脉冲发电机的整体结构示意图；
图2是所述自激励磁电路的电路原理图；
图3是电枢绕组的绕组排布及线圈连接图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一、结合图1及图2所示，本发明提供了一种无刷自激励磁式脉冲发电机，所述脉冲发电机包括四极、两相空芯脉冲发电机，所述脉冲发电机包括机壳100、转子和定子，定子包括定子轭310，转子包括转轴210和转子轭220，定子轭310设置在机壳上100，转子轭220设置于转轴210上并处于定子轭310内侧；
所述定子还包括电枢绕组320、A相电枢绕组端部线圈Lad和B相电枢绕组端部线圈Lbd；所述电枢绕组320设置于定子轭310上，包括A相电枢绕组Laa和B相电枢绕组Lbb，A相电枢绕组Laa与A相电枢绕组端部线圈Lad串联，B相电枢绕组Lbb与B相电枢绕组端部线圈Lbd串联；A相电枢绕组端部线圈Lad固定于机壳100的一侧端盖110上，B相电枢绕组端部线圈Lbd固定于机壳100的另一侧端盖120上；
所述转子还包括励磁绕组Lf、一号励磁绕组端部线圈Laf和二号励磁绕组端部线圈Lbf，励磁绕组Lf设置在转子轭220上，励磁绕组Lf一端与一号励磁绕组端部线圈Laf串联，另一端与二号励磁绕组端部线圈Lbf串联，转子轭220轴向的两个端面各设置一个励磁绕组端部线圈；
所述脉冲发电机还包括自激励磁电路，所述自激励磁电路通过种子电容产生种子电流，并注入到电枢绕组320和励磁绕组Lf中。
本实施方式以四极、两相脉冲发电机为例，其定转子结构径向排列，转子在定子内侧。
本实施方式通过对电枢绕组及励磁绕组端部线圈的设置，结合自激励磁电路实现脉冲发电机的自激励磁过程。所述自激励磁电路先由种子电容提供一个初始磁场，然后通过连接的电路在电磁感应的正反馈作用下将转子机械储能转换为励磁绕组的电磁能，从而在去除电刷与集电环结构后，实现自激励磁，最后由电枢绕组通过与之相连的放电回路对负载放电。
所述励磁绕组端部线圈在转子轭220端部固定后，可通过碳纤维绑带固定，将转子结构做成一体。
进一步，所述电枢绕组320通过碳纤维定子支撑体支撑后设置于定子轭310上。所述电枢绕组320首先固定于碳纤维定子支撑体上，再固定于定子轭310上，可与定子轭做成一体式结构，从而保证放电过程中电枢绕组的安全性和可靠性，可防止电枢绕组在放电过程中受电磁力作用出现变形或分层。
再进一步，结合图3所示，所述电枢绕组320采用利兹线制成，采用集中绕组的同心式结构，每相电枢绕组由四个线圈构成，且两相电枢绕组的线圈同层排布且线圈空间排布相差45度。
本实施方式中，将两相电枢绕组的八个线圈共同排列于一层，如图3所示，其排列方式在周向上角度仍然不变，只是将电枢绕组的有效部分置于同一层，通过调整绕组的端部形式来制成同层的无槽电枢绕组。
再进一步，所述定子轭310采用玻璃纤维浸环氧树脂胶制成。采用玻璃纤维浸环氧树脂胶制成定子轭310并与电枢绕组制作成一体，能够保证电枢绕组放电时的强度需求。所述定子轭采用玻璃纤维浸环氧树脂胶通过旋转缠绕再风干固化制成。
在电枢绕组外侧采用浸环氧树脂胶的玻璃纤维缠绕将电枢绕组和定子轭制作成一体，保证电枢绕组放电时的强度需求。
再进一步，所述励磁绕组Lf采用铝筒水切割获得的铝条制成。将铝筒采用水切割方式切割成大截面铝导体，再绝缘后制成励磁绕组线圈，四个励磁绕组线圈采用串联方式；采用铝导体制成励磁绕组Lf能够降低转子质量，并能防止高速旋转时绕组的脱层以及放电中受电磁力损坏，还可提高电机的储能密度。具体实施中，励磁绕组外侧需要缠绕一定厚度的碳纤维以保证强度需求。
再进一步，所述励磁绕组Lf通过转子支撑体支撑后设置在转子轭220上。所述励磁绕组Lf首先在转子支撑体上固定，然后将转子支撑体与转子轭220制成一体，可在励磁绕组的外侧利用碳纤维绑带将励磁绕组和转子轭制成一体，一定厚度的碳纤维绑带能防止放电时电磁力和离心力引起的励磁绕组分层和损坏，从而满足强度需求。
再进一步，所述励磁绕组Lf通过碳纤维绑扎固定在转子支撑体上。碳纤维绑扎的方式可保证高速运动下的强度需求。
再进一步，结合图2所示，所述自激励磁电路采用种子电容C、励磁电阻Rf和励磁绕组Lf构成初始励磁回路，初始带电的种子电容C通过初始励磁回路给励磁绕组Lf提供初始电流，励磁绕组Lf旋转时切割A相电枢绕组Laa和B相电枢绕组Lbb，A相电枢绕组Laa在与A相电枢绕组端部线圈Lad形成的闭合回路中产生电流，B相电枢绕组Lbb在与B相电枢绕组端部线圈Lbd形成的闭合回路中产生电流；A相电枢绕组端部线圈Lad再对应于一号励磁绕组端部线圈Laf感应出交流电动势，B相电枢绕组端部线圈Lbd再对应于二号励磁绕组端部线圈Lbf感应出交流电动势，两个励磁绕组端部线圈通过整流桥并联，并与励磁绕组Lf串联构成闭合回路，所述闭合回路中生成感应电流，完成初始自激励磁。
所述自激励磁电路如图2所示，其中A相电枢绕组Laa与A相电枢绕组端部线圈Lad及A相电枢电阻Ra串联形成回路，A相电枢绕组端部线圈Lad对应于一号励磁绕组端部线圈Laf；B相电枢绕组Lbb与B相电枢绕组端部线圈Lbd及B相电枢Rb串联形成回路，B相电枢绕组端部线圈Lbd对应于二号励磁绕组端部线圈Lbf；一号励磁绕组端部线圈Laf和二号励磁绕组端部线圈Lbf经过整流桥并联；种子电容C、励磁电阻Rf和励磁绕组Lf构成初始励磁回路。
自激励磁电路的工作原理为：初始带电的种子电容C通过初始励磁回路给励磁绕组提供初始电流，带电励磁绕组在旋转时切割A、B相电枢绕组，A、B相电枢绕组会在其对应闭合回路中产生电流，即在对应的每相电枢绕组端部线圈中生成电流；A、B相电枢绕组端部线圈进一步在一号励磁绕组端部线圈Laf和二号励磁绕组端部线圈Lbf中感应出交流电动势，励磁绕组的两个端部线圈通过整流桥并联后再与励磁绕组线圈串联构成闭合回路，并在该闭合回路中生成感应电流。由于生成感应电流的过程是一个循环正反馈的过程，因此励磁绕组中的励磁电流会不断增大。在多个正反馈作用下，励磁绕组中激励电流可达到所需求励磁电流，最后电枢绕组电流通过与之相连的放电回路对负载放电。
所述励磁绕组端部线圈、初始励磁回路以及开关管整流桥都可直接集成于转子做成一体式结构。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (8)

1.一种无刷自激励磁式脉冲发电机，所述脉冲发电机包括四极、两相空芯脉冲发电机，所述脉冲发电机包括机壳(100)、转子和定子，定子包括定子轭(310)，转子包括转轴(210)和转子轭(220)，定子轭(310)设置在机壳上(100)，转子轭(220)设置于转轴(210)上并处于定子轭(310)内侧；
其特征在于，所述定子还包括电枢绕组(320)、A相电枢绕组端部线圈Lad和B相电枢绕组端部线圈Lbd；所述电枢绕组(320)设置于定子轭(310)上，包括A相电枢绕组Laa和B相电枢绕组Lbb，A相电枢绕组Laa与A相电枢绕组端部线圈Lad串联，B相电枢绕组Lbb与B相电枢绕组端部线圈Lbd串联；A相电枢绕组端部线圈Lad固定于机壳(100)的一侧端盖(110)上，B相电枢绕组端部线圈Lbd固定于机壳(100)的另一侧端盖(120)上；
所述转子还包括励磁绕组Lf、一号励磁绕组端部线圈Laf和二号励磁绕组端部线圈Lbf，励磁绕组Lf设置在转子轭(220)上，励磁绕组Lf一端与一号励磁绕组端部线圈Laf串联，另一端与二号励磁绕组端部线圈Lbf串联，转子轭(220)轴向的两个端面各设置一个励磁绕组端部线圈；
所述脉冲发电机还包括自激励磁电路，所述自激励磁电路通过种子电容产生种子电流，并注入到电枢绕组(320)和励磁绕组Lf中。
2.根据权利要求1所述的无刷自激励磁式脉冲发电机，其特征在于，
所述电枢绕组(320)通过碳纤维定子支撑体支撑后设置于定子轭(310)上。
3.根据权利要求2所述的无刷自激励磁式脉冲发电机，其特征在于，
所述电枢绕组(320)采用利兹线制成，采用集中绕组的同心式结构，每相电枢绕组由四个线圈构成，且两相电枢绕组的线圈同层排布且线圈空间排布相差45度。
4.根据权利要求3所述的无刷自激励磁式脉冲发电机，其特征在于，
所述定子轭(310)采用玻璃纤维浸环氧树脂胶制成。
5.根据权利要求4所述的无刷自激励磁式脉冲发电机，其特征在于，
所述励磁绕组Lf采用铝筒水切割获得的铝条制成。
6.根据权利要求5所述的无刷自激励磁式脉冲发电机，其特征在于，
所述励磁绕组Lf通过转子支撑体支撑后设置在转子轭(220)上。
7.根据权利要求6所述的无刷自激励磁式脉冲发电机，其特征在于，
所述励磁绕组Lf通过碳纤维绑扎固定在转子支撑体上。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的无刷自激励磁式脉冲发电机，其特征在于，
所述自激励磁电路采用种子电容C、励磁电阻Rf和励磁绕组Lf构成初始励磁回路，初始带电的种子电容C通过初始励磁回路给励磁绕组Lf提供初始电流，励磁绕组Lf旋转时切割A相电枢绕组Laa和B相电枢绕组Lbb，A相电枢绕组Laa在与A相电枢绕组端部线圈Lad形成的闭合回路中产生电流，B相电枢绕组Lbb在与B相电枢绕组端部线圈Lbd形成的闭合回路中产生电流；A相电枢绕组端部线圈Lad再对应于一号励磁绕组端部线圈Laf感应出交流电动势，B相电枢绕组端部线圈Lbd再对应于二号励磁绕组端部线圈Lbf感应出交流电动势，两个励磁绕组端部线圈通过整流桥并联，并与励磁绕组Lf串联构成闭合回路，所述闭合回路中生成感应电流，完成初始自激励磁。
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