CN110535314A - 汽车用串联磁路混合励磁发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种汽车用串联磁路混合励磁发电机，包括前端盖、后端盖和混合励磁转子，所述后端盖上安装稳压控制器，所述前端盖和后端盖之间固定安装定子总成，所述定子总成包括定子铁芯和电枢绕组，所述电枢绕组均匀的嵌合于所述定子铁芯的凹槽内，所述混合励磁转子包括一固定磁轭、固旋转爪极、励磁绕组和环形永磁体，所述固定磁轭为圆柱形结构并且所述固定磁轭的中间部位设置环形凹槽，所述励磁绕组按圆周方向缠绕在所述环形凹槽内，所述励磁绕组与稳压控制器连接。本发明能够通过调节电流大小和方向，从而控制合成磁场的大小，实现稳压输出，结构简单，减少了励磁所需电能的消耗。

Description

汽车用串联磁路混合励磁发电机
技术领域
本发明属于新型发动机技术领域，具体涉及一种汽车用串联磁路混合励磁发电机。
背景技术
目前，汽车使用的发电机主要有硅整流发电机和永磁发电机两种，硅整流发电机，通过电励磁绕组的励磁电流产生磁场，通过励磁绕组的电能只有很少一部分转换为用于发电的磁能，电能利用率低，电能的消耗大；转子的励磁绕组易出现烧毁、断线等故障，这样势必增加了汽车维护成本。此外，硅整流发电机还存在以下的问题，在交通拥挤的城市，车辆开不快，发电机输出电压和输出功率达不到额定值，这样，发电机既不能为蓄电池补充充电，也无力向点火系统和其它用电设备供电，整个汽车所需要的电能只能由蓄电池来提供，造成了需要频繁更换蓄电池，增加了充电次数，缩短了蓄电池的使用寿命。而且往往在汽车行驶途中，因为蓄电池的电力不足，造成汽车抛锚，带来了许多麻烦。另一种是永磁发电机，永磁同步发电机取消了励磁绕组，也就取消了容易出现问题的集电环和电刷，成为无刷发电机。因而具有结构简单，运行可靠，体积小，质量轻，损耗小等优点。虽然永磁同步发电机具有上述诸多优点和广泛的应用前景，但从目前的实际应用情况来看，它的应用仍存在一定的局限性，还不能在汽车上得到广泛的推广应用。永磁同步发电机由永磁体产生磁场，因此就不能通过调节励磁磁场的大小来调节输出电压，目前比较成功的用于永磁发电机的稳压方法是可控整流稳压技术，该技术较好的解决了1KW以下的永磁发电机的稳压问题，而且结构简单，成本低，运行可靠；但对于1KW以上的大功率发电机稳压比较困难，因此，永磁发电机主要适应于中小功率的情况。若发电机功率过大，稳压成本增加。
混合励磁发电机是一种永磁和电励磁结合的发电机，集电机、电力电子技术、新材料等技术于一体，性能指标显著提高。混合励磁发电机既具有硅整流发电机良好的调整特性，又具有永磁发电机的高功率密度、高效率、高可靠性的优点。能够适应转速和负载在宽广的范围内变化，还能保证输出电压恒定。
目前混合励磁结构主要有并联磁路式混合励磁发电机、爪极式混合励磁发电机、磁场耦合式混合励磁发电机。其中，并联磁路式混合励磁发电机采用永磁转子和电励磁转子两个转子并列排列，因为其采用了两个转子，造成转子结构相对复杂，生产制造成本较高，另外，两个转子并列排列会造成转子轴向尺寸增大，使得定子宽度也会增大，最终增大发电机的体积。爪极式混合励磁发电机转子必须在每对爪极间贴磁钢，制造工艺较为复杂，装配精度要求较高，很难形成大规模的产业化，永磁体的利用效率很低，另外，在高速旋转时永磁体容易脱落，因此，发电机容易发生故障。永磁磁场和电励磁磁场耦合的方式来进行磁场调节，发电机结构比较复杂。电机电励磁部分的水平磁极的两侧都为长度较小气隙，加工和装配精度要求非常高，这显然增加了装配工时和制造成本。同时水平磁极和垂直磁极为电励磁磁通提供通路，需要有较大的导磁面积，降低了电机的功率密度。
发明内容
为了克服硅整流发电机和永磁发电机的固有缺陷，本发明提供了一种兼具永磁发电机高效率、节省励磁电能消耗、故障率低和硅整流发电机良好的电压调节性能的汽车用串联磁路混合励磁发电机，具体方案如下：
本发明提供了一种汽车用串联磁路混合励磁发电机，包括前端盖、后端盖和混合励磁转子，所述后端盖上安装稳压控制器，所述前端盖和后端盖之间固定安装定子总成，所述定子总成包括定子铁芯和电枢绕组，所述电枢绕组均匀的嵌合于所述定子铁芯的凹槽内，所述混合励磁转子包括一端固定在所述后端盖上的固定磁轭、固定于转轴上的旋转爪极、缠绕在所述固定磁轭上的励磁绕组和环形永磁体，其中所述固定磁轭为圆柱形结构并且所述固定磁轭的中间部位设置环形凹槽，所述励磁绕组按圆周方向缠绕在所述环形凹槽内，所述励磁绕组的两端从所述固定磁轭后端的两个轴向孔内穿出，再穿过所述后端盖上的两个孔，连接到后端盖上的稳压控制器。
在上述任一方案中优选的是，所述环形永磁体采用具有高剩磁、高矫顽力、高磁能积、高性能价格比的稀土钕铁硼材料，所述环形永磁体采用轴向充磁，所述环形永磁体的两个端面分别为N极和S极，所述环形永磁体嵌入所述固定磁轭的前端面上的环形凹槽内设置。
在上述任一方案中优选的是，为了防止套在转轴上的环形永磁体通过钢制转轴产生轴向漏磁，在环形永磁体和固定磁轭之间嵌套环形隔磁套，所述的隔磁套，采用质量轻且不导磁的铝合金材料，且隔磁套的厚度与环形永磁体的厚度一致。
在上述任一方案中优选的是，所述环形永磁体与所述固定磁轭接触面之间采用环氧树脂胶粘贴固定。
在上述任一方案中优选的是，所述固定磁轭前端的环形凹槽的深度与所述环形永磁体的厚度相同。
在上述任一方案中优选的是，所述固定磁轭后端加工有三个螺纹孔，三只螺栓穿过后端盖的上对应的孔，拧进固定磁轭后端的三个螺纹孔，将固定磁轭固定到所述后端盖上。
在上述任一方案中优选的是，所述固定磁轭套在旋转爪极的内部的圆柱形磁轭上，固定磁轭与圆柱形磁轭之间径向间隙为0.5mm，固定磁轭与旋转爪极内面之间的轴向间隙为0.5mm，既保证固定磁轭与旋转爪极支架的相对转动，也减小了气隙磁阻。
在上述任一方案中优选的是，所述固定磁轭与旋转爪极之间的轴向和径向气隙为0.5mm。
在上述任一方案中优选的是，所述旋转爪极包括前爪极和后爪极，前爪极和后爪极交替排列，彼此相邻的爪极之间的空隙用铜焊焊接，具体的，所述前爪极与后爪极分为6只爪，均匀分布，彼此交错，前爪与后爪支间用铜焊焊接，将前爪极和后爪极固定成一个整体，其中，所述前爪极孔加工花键槽，与转轴上的花键一一对应，所述前爪极与转轴之间采用过盈配合将两者固定。
在上述任一方案中优选的是，所述混合励磁转子与定子铁芯内圆同轴，安装在混合定子铁芯的内孔中，混合励磁转子与定子铁芯的间隙为0.5mm。
在上述任一方案中优选的是，所述定子铁芯又厚度为0.7mm的硅钢片叠加而成，外圆周用氩弧焊沿轴向焊接三道焊缝，三道焊缝之间间隔120°，硅钢片上沿圆周均匀冲出36个梨形槽，所述电枢绕组采用三相对称绕组，均匀的嵌入到定子铁芯的梨形槽中，三相绕粗采用星形接法。
在上述任一方案中优选的是，所述前端盖和后端盖均用铝材铸造，前端盖和后端盖上分别均布6个孔，用6条螺栓拧紧，将发电机固定成一个整体。
在上述任一方案中优选的是，所述转轴伸出前端盖部分，套有皮带轮和风扇，风扇和皮带轮内孔开有键槽，风扇和皮带轮与转轴之间依靠轴肩和半圆键固定，转轴的最外端有螺纹，将螺母拧入螺纹，把风扇和皮带轮压紧。
在上述任一方案中优选的是，转轴与前端盖，转轴与后端盖之间，装有轴承，保证转轴在前端盖和后端盖内部自由旋转。
本发明工作时，低速、低负载时或高转速、高负载情况下，依靠永磁体产生的磁场励磁发电，为汽车用的设备提供电能；低转速、高负载情况下，励磁绕组通正向电产生于永磁体磁场同向磁场，两个磁场同向叠加，气隙中合成磁场增加，高转速、低负载情况下，励磁绕组通反向电产生与永磁体磁场反向的磁场，两个磁场反向叠加，气隙中合成磁场减小。
本发明的工作过程为：当发电机处于低速、低负载时或高转速、高负载运转时，励磁绕组不通过励磁电流，励磁绕组产生的磁动势为0，环形磁永磁体单独励磁。此时磁力线主要为：环形永磁体N极→固定磁轭→气隙δ1→后爪极→气隙δ2→定子铁芯→气隙δ2→前爪极→气隙δ3→励环形永磁体S极(气隙δ1是固定磁轭与后爪极间的气隙，气隙δ2是定子与转子间的气隙，气隙δ3是前爪极与转子磁轭之间的气隙)，形成闭合磁路。发电机转子旋转时，电枢绕组仅感应出永磁体励磁反电动势发电工作。
当发电机处于低转速、高负载时，励磁绕组通正向电流，励磁绕组产生的磁动势为If*n(If为励磁电流，n为励磁绕组匝数)，电励磁磁场和永磁体的磁路均为：励磁线圈N极→固定磁轭→气隙δ1→后爪极→气隙δ2→定子铁心→气隙δ2→前爪极→气隙δ3→固定磁轭→励磁线圈S极，形成闭合磁路，此时的气隙中有效磁通ф＝ф1+ф2，ф1为电励磁绕组产生的磁通，ф2为环形永磁体产生的磁通，两类磁场共同作用于同一磁路且方向相同，因此该磁路结构具有串联增磁的功能，励磁绕组增磁效果明显。
当发电机处于高转速、低负载时，励磁绕组通反向电流，励磁绕组产生的磁动势和永磁体产生的磁动势仍为同一磁路，但是两类磁路的磁动势方向相反，此时作用在气隙中的有效磁通为ф＝ф2－ф1，ф1为电励磁绕组产生的磁通，ф2为环形永磁体产生的磁通，电励磁绕组产生的反向磁动势削弱了永磁磁通，可见当励磁绕组通反向电流时，发电机的弱磁效果明显。
本发明的有益效果为：本发明能够通过调节电流大小和方向，从而控制合成磁场的大小，实现稳压输出，结构简单，永磁体利用率高，励磁所需电能的消耗小。
附图说明
图1为本发明解剖结构示意图；
图2为固定磁轭前端面的右视图；
图3为图1A-A解剖结构示意图；
图4为旋转爪极结构示意图。
图中，1、转轴；2、前爪极；3、固定磁轭；4、励磁绕组；5、后爪极；6、后端盖；7、电枢绕组；8、定子铁芯；9前爪极(另一部分)；10、前端盖；11、风扇；12、环形永磁体；13、隔磁套；14、皮带轮；15、半圆键；16、稳压控制器。
具体实施方式
为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。
实施例一：
本发明提供了一种汽车用串联磁路混合励磁发电机，包括前端盖10、后端盖6和混合励磁转子，后端盖6安装稳压控制器16，前端盖10和后端盖7之间固定安装定子总成，定子总成包括定子铁芯8和均匀嵌合所述定子铁芯8的凹槽内的电枢绕组7，混合励磁转子包括一端固定在后端盖6上的固定磁轭3、固定于转轴1上的旋转爪极、缠绕在固定磁轭3上的励磁绕组4、隔磁套13和环形永磁体12，其中，固定磁轭3为圆柱形，固定磁轭3的中间部位设置环形凹槽，励磁绕组4按圆周方向缠绕在环形凹槽内，励磁绕组4的两端从固定磁轭3后端内的两个轴向孔内穿出，再穿过后端盖6上的孔，连接到后端盖6上的稳压控制器16，固定磁轭3后端设置三个螺纹孔，通过三只螺栓穿过后端盖6的上对应的孔，拧进固定磁轭3后端的三个螺纹孔，将固定磁轭3固定到后端盖6上，采用轴向充磁的圆环形永磁体12嵌入固定磁轭3的前端面上的环形凹槽内，环形凹槽的深度与环形永磁体12的厚度相同，环形永磁体12内孔与固定磁轭3间嵌套厚度与凹槽深度一致的环形铝合金隔磁套13，环形永磁体12、隔磁套13和固定磁轭3三者之间通过环氧树脂胶粘结；固定磁轭3套设在前爪极9内部的圆柱形磁轭上，固定磁轭3与圆柱形磁轭之间径向间隙为0.5mm，固定磁轭3与前爪极9内端面之间的轴向间隙为0.5mm；旋转爪极的6个前爪和6个后爪相互交错，之间用铜焊焊接成一个整体；前爪极9依靠内孔的花键与转轴1通过过盈配合压在一起。
定子总成包括定子铁芯8和电枢绕组7，定子铁芯8由厚度为0.7mm的硅钢片叠加而成，外圆周用氩弧焊沿轴向焊接三道焊缝，三道焊缝之间间隔120°，硅钢片上沿圆周均匀冲出36个梨形槽，电枢绕组7采用三相对称绕组，均匀的嵌入到定子铁芯8的梨形槽中，三相绕粗采用星形接法。
混合励磁转子与定子铁芯8内圆同轴，安装在混合定子铁芯的内孔中，混合励磁转子与定子铁芯的间隙为0.5mm。
前端盖10和后端盖6均用铝材铸造，前端盖10和后端盖6上分别均布6个孔，用6条螺栓拧紧，将定子铁芯8压在中间，将发电机固定成一个整体，转轴1伸出前端盖10部分，套有皮带轮14和风扇11，风扇11和皮带轮14内孔开有键槽，风扇11和皮带轮14与转轴1之间依靠轴肩和半圆键固定，转轴1的最外端有螺纹，将螺母拧入螺纹，把风扇11和皮带轮14压紧；转轴1与前端盖10之间，转轴1与后端盖6之间，均装有轴承，保证转轴1在前端盖10和后端盖6内部自由旋转。
本发明工作时，励磁绕组4不通电时，环形永磁体12单独励磁，电枢绕组7切割环形永磁体12磁感线发电；励磁绕组4通正向电时，励磁绕组4产生的电励磁磁场与永磁磁场同向，气隙中合成磁场增强，具有增磁效应，电枢绕组发7电量增大；励磁绕组4通反向电时，励磁绕组4产生的磁场与永磁磁场反向，永磁磁场被电励磁磁场削弱，气隙中的合成磁场减小，具有减磁效应，电枢绕组4发电量降低。
性能测试
下表为几种混合励磁发电机性能对比
混合励磁发电机类型 结构 故障率 永磁体利用率 生产工艺 发电机体积
并联磁路式 复杂 低 中 复杂 大
爪极式混合励磁 一般 高 低 一般 小
磁场耦合式混合励磁 复杂 高 低 复杂 大
本发明 简单 低 高 简单 小
本发明混合励磁发电机的性能测试结果如下表：
当负载为200W、500W、800W和1000W时，转速从2000r/min变化到4800r/min，电压最小值为13.51V，最大值为14.50V。具有良好对输出特性。
几种混合励磁发电机谐波电流畸变率比较。
通过对比四种同样的额定功率发电机在同样的额定转速和负载下，本发明的励磁电流的消耗以及永磁体的体积最小，本发明永磁体的利用率最高，励磁损耗最小。
本发明能够通过调节电流大小和方向，从而控制合成磁场的大小，实现稳压输出，结构简单，永磁体利用率高，励磁所需电能的消耗小。
本领域技术人员不难理解，本发明的汽车用串联磁路混合励磁发电机包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种汽车用串联磁路混合励磁发电机，包括前端盖、后端盖和混合励磁转子，所述后端盖上安装稳压控制器，所述前端盖和后端盖之间固定安装定子总成，所述定子总成包括定子铁芯和电枢绕组，所述电枢绕组均匀的嵌合于所述定子铁芯的凹槽内，所述混合励磁转子包括一端固定在所述后端盖上的固定磁轭、固定于转轴上的旋转爪极、缠绕在所述固定磁轭上的励磁绕组和环形永磁体，其特征在于：所述固定磁轭为圆柱形结构并且所述固定磁轭的中间部位设置环形凹槽，所述励磁绕组按圆周方向缠绕在所述环形凹槽内，所述励磁绕组的两端从所述固定磁轭后端的两个轴向孔内穿出，再穿过所述后端盖上的两个孔，连接到后端盖上的稳压控制器。
2.根据权利要求1中所述的汽车用串联磁路混合励磁发电机，其特征在于：所述环形永磁体采用轴向充磁，所述环形永磁体的两个端面分别为N极和S极，所述环形永磁体嵌入所述固定磁轭的前端面上的环形凹槽内设置。
3.根据权利要求1中所述的汽车用串联磁路混合励磁发电机，其特征在于：所述环形永磁体与所述固定磁轭接触面之间采用环氧树脂胶粘贴固定。
4.根据权利要求1中所述的汽车用串联磁路混合励磁发电机，其特征在于：所述固定磁轭前端的环形凹槽的深度与所述环形永磁体的厚度相同。
5.根据权利要求1中所述的汽车用串联磁路混合励磁发电机，其特征在于：所述固定磁轭与旋转爪极之间的轴向和径向气隙为0.5mm。
6.根据权利要求1中所述的汽车用串联磁路混合励磁发电机，其特征在于：所述旋转爪极包括前爪极和后爪极，所述前爪极和后爪极交替排列，彼此相邻的爪极之间的空隙用铜焊焊接。
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