CN112234734A - 一种三相双凸极交流发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三相双凸极交流发电机，控制器通过依次安装在转子外部，且与转子凸极相对设置的三个相互独立的定子总成的电枢绕组获取电源，给每个定子总成的励磁元件提供相差120度的重复的正弦半波电流，同时输出三个互差120度的交流电压，三个互差120度的交流电压成星形连接后获得三相四线的输出电压，从而实现了三相交流电源的输出，进而满足大功率发电的应用场景。

Description

一种三相双凸极交流发电机

技术领域

本发明涉及交流发电机技术领域，具体涉及一种三相双凸极交流发电机。

背景技术

同步励磁发电机是一种输出交流电的传统发电机，同步励磁发电机包含转子和定子，定子上有主绕组和辅助绕组，转子上有励磁绕组，辅助绕组或外接励磁电源产生的励磁电压，连接到转子上的励磁线圈产生电流建立磁场，使得转子旋转时定子主绕组产生交流电压。同步励磁发电机的输出频率跟转子极数和转子转速有关，其定转子体积和重量相较永磁发电机和双凸极发电机要高出一倍以上，而且效率较低。由于同步励磁电机工艺成熟度高，价格便宜，目前常规发电机组多为同步励磁发电机。使用永磁电机代替同步励磁电机，再使用逆变器转换为稳定的交流电压输出，可以大幅度减小发电机组的体积和重量，同时提高电源输出的质量，还可以根据负载的大小调节发动机的转速达到节油降噪的目的，目前已逐步在小范围替代同步励磁发电机，但是由于逆变器的成本较高，逆变发电机组的成本也高于同步励磁发电机组，使得逆变发电机组无法完全替代同步励磁发电机组。

同步励磁发电机组价格便宜但是体积重量较大，为了保证输出频率稳定转速不能降低；逆变发电机体积小重量轻电源质量高，可在中低负载降低转速以节油降噪，但是成本高不利于全面推广。

双凸极发电机是一种新型发电机，最先设计为双凸极直流发电机，其定转子凸极相对，定子上有电枢绕组和励磁元件，励磁元件可以是电励磁绕组也可以是永磁体或二者兼有。双凸极电机的转子一般没有永磁体，所以能耐高温，且加工简单。双凸极直流发电机的电枢绕组通过整流桥输出直流电，通过控制励磁绕组的磁通得到稳定的直流电压输出，其输出直流电压跟转速无关。双凸极直流发电机的体积和同功率的永磁电机相当，具有成本较低，结构简单，耐高温，体积小重量轻等特点，现已普遍应用在飞机发电机和风力发电机组上，其输出的直流电直接连接直流负载或通过逆变器转换成交流电压为交流负载供电。

如果能使用双凸极电机输出交流电压，并不使用逆变器，将既能减小发电机组体积和重量，又能使发电机组的成本不高于同步励磁发电机组，如果通过控制使输出的交流电压和频率与电机转速无关，则可在燃油发电机组上降低转速以达到节油降噪的目的，在风力发电机组上适应各种风速。

申请人的在先专利《一种双凸极交流发电机》，申请号为2020203186111，提供了一种双凸极交流发电机，以实现不使用逆变器输出交流电压，以减小发电机组体积和重量，又能使发电机组的成本不高于同步励磁发电机组。但是该专利是以输出单相交流电为目的来设计的，而大功率发电的应用场景常常需要三相电源输出，因此这种发电机不适用需要大功率发电的应用场景。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种三相双凸极交流发电机，以实现三相交流电源的输出，以满足大功率发电的应用场景。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种三相双凸极交流发电机，包括：

电机转轴，及套设在所述电机转轴上的转子；

三个相互独立的定子总成，依次安装在所述转子外部，且与所述转子凸极相对设置，并与一控制器相连；

任一所述定子总成包括：定子铁芯，缠绕于定子铁芯凸极上的电枢绕组，以及设置于定子铁芯上的励磁元件，以及分别与所述电枢绕组、励磁元件相连的励磁绕组驱动电路；

所述控制器，通过任一个或多个定子总成的电枢绕组获取电源，给每个定子总成的励磁元件提供相差120度的重复的正弦半波电流，同时输出三个互差120度的交流电压。

优选地，所述控制器包括：

励磁控制电路，分别与任一个或多个定子总成的励磁绕组驱动电路相连，用于控制所述励磁绕组驱动电路为各自连接的励磁元件提供相差120度的重复的正弦半波电流；

三相交流选通电路，分别与三个定子总成的电枢绕组相连，用于输出三个互差120度的交流电压。

优选地，所述三相双凸极交流发电机，还包括：

电源电路，分别与三个定子总成的电枢绕组相连，通过电枢绕组获取电源，为所述控制器供电。

优选地，所述励磁元件为多个励磁线圈绕组；

所述励磁线圈绕组的绕制方向为正-反-正-反-正-反交替排列，流经励磁线圈绕组的正弦半波励磁电流，其最小值为零。

优选地，所述励磁元件包括：至少有一对永磁体及多个励磁线圈绕组；

所述励磁线圈绕组的绕制方向为正-反-正-反-正-反交替排列，流经励磁线圈绕组的正弦半波励磁电流，其最小值为负，在励磁电流最小值时刻，励磁绕组产生的磁场与永磁体产生的磁场抵消，合成磁势为零。

优选地，所述励磁绕组驱动电路包括：

可控开关元件Q11、Q12、Q13、Q14及高低边驱动电路，可控开关元件Q11、Q12、Q13、Q14由控制器产生的PWM波形驱动，所述PWM波形为重复的正弦半波经过移相调制产生。

优选地，所述励磁绕组驱动电路由一个电池BT1通过隔离二极管D20提供初始电流。

优选地，所述电源电路为二极管D11～D16以及滤波电容C1组成的三相整流滤波电路。

优选地，所述电源电路为带有反并联二极管的可控开关元件Q21～Q26以及驱动电路组成的三相桥式电路，可控开关元件Q21～Q26由控制器产生的PWM波形驱动，所述PWM波形为可驱动电机启动的波形序列。

优选地，所述三相交流选通电路中的任一相交流选通电路，包括：

可控硅SCR1～SCR12、滤波电容C2、隔离触发控制电路，其中，

可控硅SCR1～SCR12及隔离触发控制电路分为正半波组和负半波组，由控制器控制在正负半波轮流导通以输出交流电压。

本发明采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：

控制器通过依次安装在转子外部，且与转子凸极相对设置的三个相互独立的定子总成的电枢绕组获取电源，给每个定子总成的励磁元件提供相差120度的重复的正弦半波电流，同时输出三个互差120度的交流电压，三个互差120度的交流电压成星形连接后获得三相四线的输出电压，从而实现了三相交流电源的输出，进而满足大功率发电的应用场景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种三相双凸极交流发电机的结构示意图；

图2A为本发明一实施例提供的一种三相双凸极交流发电机的示意框图；

图2B为本发明一实施例提供的每个定子总成输入电流的波形示意图；

图3本发明一实施例提供的三相双凸极交流发电机的单相电路示意图；

图4为本发明一实施例提供的励磁元件的结构示意图；

图5为本发明另一实施例提供的励磁元件的结构示意图；

图6为本发明一实施例提供的三相双凸极交流发电机的单相电路原理图；

图7为本发明另一实施例提供三相双凸极交流发电机的单相电路原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。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做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

参见图1，本发明一实施例提供的一种三相双凸极交流发电机，包括：

电机转轴1，及套设在所述电机转轴1上的转子2；

参见图1、图2A，三个相互独立的定子总成3，依次安装在所述转子2外部，且与所述转子2凸极相对设置，并与一控制器4相连；

参见图3，任一所述定子总成3包括：定子铁芯30，缠绕于定子铁芯30凸极上的电枢绕组31，以及设置于定子铁芯30上的励磁元件32，以及分别与所述电枢绕组31、励磁元件32相连的励磁绕组驱动电路33；

所述控制器4，通过任一个或多个定子总成3的电枢绕组31获取电源，给每个定子总成的励磁元件32提供相差120度的重复的正弦半波电流(参见图2B)，同时输出三个互差120度的交流电压。

需要说明的是，参见图2B，“相差120度的重复的正弦半波电流”是以两个正弦半波合成一个完整波形来计算的周期，如图2B，两个正弦半波电流才是一个360度，这个120度是指的两个半波为一个周期360度中的120度。

可以理解的是，本实施例提供的技术方案，控制器通过依次安装在转子外部，且与转子凸极相对设置的三个相互独立的定子总成的电枢绕组获取电源，给每个定子总成的励磁元件提供相差120度的重复的正弦半波电流，同时输出三个互差120度的交流电压，三个互差120度的交流电压成星形连接后获得三相四线的输出电压，从而实现了三相交流电源的输出，进而满足大功率发电的应用场景。

参见图2A、图3，优选地，所述控制器4包括：

励磁控制电路41，分别与任一个或多个定子总成3的励磁绕组驱动电路33相连，用于控制所述励磁绕组驱动电路33为各自连接的励磁元件32提供相差120度的重复的正弦半波电流；

三相交流选通电路42，分别与三个定子总成3的电枢绕组31相连，用于输出三个互差120度的交流电压。

需要说明的是，输入的电流为重复的正弦半波电流，输出的电压为正负半波交替输出的交流电压；其中，所述正弦半波电流大小与输出的交流电压正相关，电流频率为输出电压频率的二倍。

参见图3，优选地，所述三相双凸极交流发电机，还包括：

电源电路5，分别与三个定子总成3的电枢绕组31相连，通过电枢绕组31获取电源，为所述控制器4供电。

需要说明的是，图3给出的示例，是电源电路5与一个定子总成3的电枢绕组31相连，为控制器4供电的示意图。

参见图4，优选地，所述励磁元件32为多个励磁线圈绕组；

所述励磁线圈绕组的绕制方向为正-反-正-反-正-反交替排列，流经励磁线圈绕组的正弦半波励磁电流，其最小值为零。

参见图5，优选地，所述励磁元件32包括：至少有一对永磁体34及多个励磁线圈绕组；

所述励磁线圈绕组的绕制方向为正-反-正-反-正-反交替排列，流经励磁线圈绕组的正弦半波励磁电流，其最小值为负，在励磁电流最小值时刻，励磁绕组产生的磁场与永磁体产生的磁场抵消，合成磁势为零。

可以理解的是，励磁线圈绕组和永磁体产生的合成磁势在正弦半波励磁电流最小值时为零，由于永磁体的存在，电枢绕组可以在励磁线圈绕组未通电的情况下获得初始电压。

参见图6，优选地，所述励磁绕组驱动电路33包括：

可控开关元件Q11、Q12、Q13、Q14及高低边驱动电路，可控开关元件Q11、Q12、Q13、Q14由控制器4产生的PWM波形驱动，所述PWM波形为重复的正弦半波经过移相调制产生。

参见图7，优选地，所述励磁绕组驱动电路33由一个电池BT1通过隔离二极管D20提供初始电流。

参见图6，优选地，所述电源电路5为二极管D11～D16以及滤波电容C1组成的三相整流滤波电路。

参见图7，优选地，所述电源电路5为带有反并联二极管的可控开关元件Q21～Q26以及驱动电路组成的三相桥式电路，可控开关元件Q21～Q26由控制器4产生的PWM波形驱动，所述PWM波形为可驱动电机启动的波形序列。

可以理解的是，在电机处于静止时，控制器4可以按开关磁阻电机的无传感器驱动方式使Q21～Q26适时导通从而启动发电机，也可以按双凸极直流电机的无传感器驱动方式使Q21～Q26适时导通，同时给励磁绕组32通以直流电流从而启动发电机；在发电机开始运转后其反并联二极管起整流作用将电枢绕组31产生的电压整流后为励磁绕组驱动电路61提供电源。

优选地，参见图6和图7，所述三相交流选通电路42中的任一相交流选通电路，包括：

可控硅SCR1～SCR12、滤波电容C2、隔离触发控制电路，其中，

可控硅SCR1～SCR12及隔离触发控制电路分为正半波组和负半波组，由控制器4控制在正负半波轮流导通以输出交流电压。

需要说明的是，图6和图7对应的都是三相双凸极交流发电机的单相电路原理图，本发明提供的技术方案最终是要实现三相交流电源的输出，由于各相的电路原理图相同，只是交流选通电路的选通脉冲的相序，是根据该相所在定子总成的励磁电流相位同步偏差120度，因此，鉴于申请文本制图大小及清晰度的要求，本申请在此并没有将其他两相的原理图一起示意出来。

需要说明的是，如上实施例并未就控制器的电流电压控制、可控硅的隔离触发、IGBT和MOSFET的驱动、开关磁阻电机的启动、双凸极直流电机的启动等进行详细描述，这些技术均为现有技术，可通过网络、书籍等获得，在此不予详细描述；实施例中的半导体开关元件IGBT或MOSFET，或可控硅，并不限于使用IGBT或MOSFET，或可控硅，可根据成本和新材料发展的需要更换为别的可以完成电子开关作用的元件，相关的替换应视为等同替换，皆在本发明的保护范围内。

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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。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。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

Claims (10)

1.一种三相双凸极交流发电机，其特征在于，包括：

电机转轴(1)，及套设在所述电机转轴(1)上的转子(2)；

三个相互独立的定子总成(3)，依次安装在所述转子(2)外部，且与所述转子(2)凸极相对设置，并与一控制器(4)相连；

任一所述定子总成(3)包括：定子铁芯(30)，缠绕于定子铁芯(30)凸极上的电枢绕组(31)，以及设置于定子铁芯(30)上的励磁元件(32)，以及分别与所述电枢绕组(31)、励磁元件(32)相连的励磁绕组驱动电路(33)；

所述控制器(4)，通过任一个或多个定子总成(3)的电枢绕组(31)获取电源，给每个定子总成(3)的励磁元件(32)提供相差120度的重复的正弦半波电流，同时输出三个互差120度的交流电压。

2.根据权利要求1所述的三相双凸极交流发电机，其特征在于，所述控制器(4)包括：

励磁控制电路(41)，分别与三个定子总成(3)的励磁绕组驱动电路(33)相连，用于控制所述励磁绕组驱动电路(33)为各自连接的励磁元件(32)提供相差120度的重复的正弦半波电流；

三相交流选通电路(42)，分别与三个定子总成(3)的电枢绕组(31)相连，用于输出三个互差120度的交流电压。

3.根据权利要求2所述的三相双凸极交流发电机，其特征在于，还包括：

电源电路(5)，分别与任一个或多个定子总成(3)的电枢绕组(31)相连，通过电枢绕组(31)获取电源，为所述控制器(4)供电。

4.根据权利要求1所述的三相双凸极交流发电机，其特征在于，

所述励磁元件(32)为多个励磁线圈绕组；

所述励磁线圈绕组的绕制方向为正-反-正-反-正-反交替排列，流经励磁线圈绕组的正弦半波励磁电流，其最小值为零。

5.根据权利要求1所述的三相双凸极交流发电机，其特征在于，

所述励磁元件(32)包括：至少有一对永磁体(34)及多个励磁线圈绕组；

所述励磁线圈绕组的绕制方向为正-反-正-反-正-反交替排列，流经励磁线圈绕组的正弦半波励磁电流，其最小值为负，在励磁电流最小值时刻，励磁绕组产生的磁场与永磁体产生的磁场抵消，合成磁势为零。

6.根据权利要求1所述的三相双凸极交流发电机，其特征在于，

所述励磁绕组驱动电路(33)包括：

可控开关元件Q11、Q12、Q13、Q14及高低边驱动电路，可控开关元件Q11、Q12、Q13、Q14由控制器(4)产生的PWM波形驱动，所述PWM波形为重复的正弦半波经过移相调制产生。

7.根据权利要求1所述的三相双凸极交流发电机，其特征在于，

所述励磁绕组驱动电路(33)由一个电池BT1通过隔离二极管D20提供初始电流。

8.根据权利要求3所述的三相双凸极交流发电机，其特征在于，

所述电源电路(5)为二极管D11～D16以及滤波电容C1组成的三相整流滤波电路。

9.根据权利要求3所述的三相双凸极交流发电机，其特征在于，

所述电源电路(5)为带有反并联二极管的可控开关元件Q21～Q26以及驱动电路组成的三相桥式电路，可控开关元件Q21～Q26由控制器(4)产生的PWM波形驱动，所述PWM波形为可驱动电机启动的波形序列。

10.根据权利要求2～9任一项所述的三相双凸极交流发电机，其特征在于，

所述三相交流选通电路(42)中的任一相交流选通电路，包括：

可控硅SCR1～SCR12、滤波电容C2、隔离触发控制电路，其中，

可控硅SCR1～SCR12及隔离触发控制电路分为正半波组和负半波组，由控制器(4)控制在正负半波轮流导通以输出交流电压。

Images