CN115987045A

CN115987045A - 无刷反向爪极电磁与组合式非对称永磁混合励磁发电机

Info

Publication number: CN115987045A
Application number: CN202310177253.5A
Authority: CN
Inventors: 张羽丰; 胡文静; 耿慧慧; 张学义; 尹红彬; 许明俊; 颜世龙
Original assignee: Shandong University of Technology
Current assignee: Shandong University of Technology
Priority date: 2023-02-28
Filing date: 2023-02-28
Publication date: 2023-04-18

Abstract

本发明提供一种无刷反向爪极电磁与组合式非对称永磁混合励磁发电机，属于汽车电机电器技术领域。由转子总成、定子总成、前端盖、后端盖组成，转轴上装有无刷反向爪极结构的电励磁转子和组合式非对称磁极的永磁转子，电励磁转子和永磁转子共用一个电枢绕组，产生的磁势在磁路中并联合成，根据发电机输出端电压的变化，调节电励磁绕组通电电流的大小和方向，从而调节电枢绕组中的合成磁场的大小，具有轴向长度短、电励磁绕组布置空间大，高效率、高功率密度、结构紧凑的优点，同时整机采用无刷结构，省去易磨损的碳刷滑环结构，安全可靠。

Description

无刷反向爪极电磁与组合式非对称永磁混合励磁发电机

技术领域

本发明提供一种无刷反向爪极电磁与组合式非对称永磁混合励磁发电机，属于汽车电机电器技术领域。

背景技术

发电机是内燃机汽车、新能源混合动力汽车、军用车辆、工程车辆等汽车的关键部件之一。近年来，人们日益增长的对美好生活的需求也决定了对汽车智能化的要求越来越高，汽车“智能化”离不开各类辅助电气设备的支持，相应的用电量提高对汽车用发电机提出了新的要求。目前常见的发电机多为电励磁传统爪极发电机与永磁发电机。电励磁传统爪极发电机结构简单，控制系统简单，但效率与功率密度低，而永磁发电机具有体积小、重量轻、效率高、性能优越、过载能力大等优点。但稀土永磁发电机中的磁钢充磁之后的磁特性较难调整，因此当电机负载和转速发生变化时，发电机的电压难以稳定。为解决普通稀土永磁发电机稳压困难的问题，提出了混合励磁技术，虽然混合励磁电机继承了永磁电机高效率、高功率密度与电励磁电机控制简单的优点，但混合励磁电机中同时存在电励磁与永磁两个转子，导致电机轴向长度增大，布置空间增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种能克服上述缺陷，轴向长度短，电励磁绕组布置空间大，效率高，功率密度大，调速范围宽，齿槽转矩小，结构紧凑的无刷反向爪极电磁与组合式非对称永磁混合励磁发电机，其技术内容为：

由转子总成、定子总成、前端盖、后端盖组成的无刷反向爪极电磁与组合式非对称永磁混合励磁发电机，其特征在于：转轴上装有电励磁转子和永磁转子，电励磁转子和永磁转子共用一个电枢绕组，产生的磁势在磁路中并联合成；

所述的无刷反向爪极电磁与组合式非对称永磁混合励磁发电机，其特征在于：电励磁转子为反向爪极结构，反向爪极的电励磁转子由前爪极、后爪极、电励磁绕组、导磁环、塑料骨架组成，前爪极与后爪极的爪部采用相同的等腰梯形变截面结构，爪尖处厚度与宽度均小于爪根处，前爪极与后爪极的爪尖指向一致，爪尖到爪根的长度与定子轴向长度相同，前爪极在前爪极磁轭处向外喇叭状扩展形成前爪极的爪极支撑部，前爪极磁轭外圆直径大于爪根处最大外圆直径，前爪极的爪极支撑部外圆直径大于定子内圆直径且小于定子外圆直径，后爪极在后爪极磁轭处向内收缩形成后爪极的爪极支撑部，两爪极支撑部之间放置导磁环、电励磁绕组和塑料骨架，电励磁绕组缠绕在塑料骨架上，塑料骨架套在导磁环上，导磁环通过螺钉固定在后端盖上，后爪极通过非导磁材料焊接在前爪极上，前爪极压装在转轴上，形成N极、S极间隔排列，极数相等，并且都沿圆形均匀分布；

所述的无刷反向爪极电磁与组合式非对称永磁混合励磁发电机，其特征在于：永磁转子为组合式非对称磁极结构，组合式非对称磁极的永磁转子由永磁转子铁芯、第一矩形永磁钢、第二矩形永磁钢、切向永磁钢、半圆形永磁钢组成；

在靠近永磁转子铁芯外圆处沿圆周方向设置偶数个由两个第一矩形永磁钢组成的第一“V”形永磁钢，第一“V”形永磁钢的外侧极性以N、S极间隔排列，组成第一“V”形永磁钢的两个第一矩形永磁钢内端连线的中点到永磁转子铁芯圆心的距离为永磁转子铁芯外圆半径的2/3，组成第一“V”形永磁钢的两个第一矩形永磁钢之间的夹角为80°，组成第一“V”形永磁钢的两个第一矩形永磁钢内端之间有1.5mm的不连通部分，第一矩形永磁钢内外两端均设有第一圆弧形隔磁气隙，第一圆弧形隔磁气隙距离永磁转子铁芯外圆之间有1.5mm的不连通部分；

朝向永磁转子铁芯外圆侧的极性为N极的第一“V”形永磁钢的外侧设计有由两个第二矩形永磁钢组成的第二“V”形永磁钢，组成第二“V”形永磁钢的两个第二矩形永磁钢之间的夹角为90°，组成第二“V”形永磁钢的两个第二矩形永磁钢内端之间有1.5mm的不连通部分，第二矩形永磁钢的内外两端均设有直角梯形隔磁气隙，直角梯形隔磁气隙的高与第二矩形永磁钢的短边连通且直角梯形隔磁气隙的高小于第二矩形永磁钢的短边长度，直角梯形隔磁气隙斜腰一侧的两角均为圆角，直角梯形隔磁气隙的外端距离永磁转子铁芯外圆有1.5mm的不连通部分；

朝向永磁转子铁芯外圆侧的极性为S极的第一“V”形永磁钢的外侧设计有半圆形永磁钢，半圆形永磁钢的圆心在第一“V”形永磁钢的对称线上，半圆形永磁钢的外端距离转子外圆有1.5mm的不连通部分；

每两个相邻第一“V”形永磁钢的中间设有切向永磁钢，相邻两个切向永磁钢相对面的极性与相邻两个切向永磁钢中间的第一“V”形永磁钢朝向永磁转子铁芯外圆侧的极性相同，切向永磁钢内端中点到转子圆心的距离为转子半径的1/2，切向永磁钢的外侧设有第二圆弧形隔磁气隙，第二圆弧形隔磁气隙距离转子外圆之间有1.5mm的不连通部分，切向永磁钢内侧设有由矩形隔磁气隙和扇环形隔磁气隙组合而成的“凸”字形隔磁气隙，矩形隔磁气隙的外侧边与切向永磁钢内端的短边连通且矩形隔磁气隙的外侧边的宽度小于切向永磁钢内端短边的宽度，扇环形隔磁气隙两条圆弧边的圆心均位于转子圆心处，扇环形隔磁气隙的角均为圆角，相邻“凸”字形隔磁气隙之间有1.5mm的不连通部分。

工作原理:设计混合励磁发电机的目标稳压值为28V，当发电机的输出电压低于28V时，电磁耦合稳压控制器给电励磁线圈通正向电流，产生的磁场与永磁场叠加，电枢绕组中的有效磁场加强，发电机的输出电压升高；当发电机的输出电压高于28V时，电磁耦合稳压控制器给电励磁线圈通反向电流，产生的磁场削弱永磁场，电枢绕组中的有效磁场减少，发电机输出电压降低，周而复始，从而保证发电机在宽转速、宽负载范围内输出电压稳定的直流电。

本发明与现有技术相比，反向爪极电励磁转子由于前、后爪极指向一致，爪极磁轭位于爪极同侧，与传统爪极电励磁转子与永磁转子同轴并列的结构形式相比，当按照反向爪极电励磁转子爪尖指向永磁转子的结构形式布置时，定子厚度减少一个爪极磁轭的无效长度，整机轴向长度可明显缩短；

反向爪极电励磁转子前、后爪极的爪部均采用等腰梯形变截面结构，爪尖厚度和厚度明显小于爪根处，增大了相邻两爪之间的距离，较少漏磁磁通，无需在相邻两爪之间增加额外隔磁材料，实现高气隙磁密的同时有效提高电励磁转子的效率；

前爪极在前爪极磁轭处向外喇叭状扩展形成前爪极的爪极支撑部，无需以削减爪部尺寸为代价增大电机径向尺寸，避免出现爪根处磁场早于爪尖处达到饱和的现象，磁场分布更加均匀，有效降低了感应电动势中谐波的含量，增加了电励磁绕组的布置空间，提高了电励磁转子的功率密度；

组合式非对称磁极永磁转子能够有效削弱气隙磁场磁密谐波，减小电机的齿槽转矩，避免气隙磁场中心凹陷的现象，增加气隙磁密曲线正弦性，增大气隙磁密，提高永磁转子的效率和功率密度，改善整机的噪声与振动问题。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是图1所示实施例的电励磁转子剖面图；

图3是图1所示实施例的永磁转子右视图。

图中： 1、后端盖 2、轴 3、导磁环 4、后爪极 5、塑料骨架 6、电励磁绕组 7、前爪极 8、电枢绕组 9、定子 10、第一矩形永磁钢 11、第二矩形永磁钢 12、切向永磁钢 13、“凸”字形隔磁气隙 14、前端盖 15、螺钉 16、轴承 17、永磁转子铁芯 18、半圆形永磁钢19、第一圆弧形隔磁气隙 20、第二圆弧形隔磁气隙 21、直角梯形隔磁气隙。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

由转子总成、定子总成、前端盖14、后端盖1组成的无刷反向爪极电磁与组合式非对称永磁混合励磁发电机，其特征在于：转轴上装有电励磁转子和永磁转子，电励磁转子和永磁转子共用一个电枢绕组，产生的磁势在磁路中并联合成；

所述的无刷反向爪极电磁与组合式非对称永磁混合励磁发电机，其特征在于：电励磁转子为反向爪极结构，反向爪极的电励磁转子由前爪极7、后爪极4、电励磁绕组6、导磁环3、塑料骨架5组成，前爪极7与后爪极4的爪部采用相同的等腰梯形变截面结构，爪尖处厚度与宽度均小于爪根处，前爪极7与后爪极4的爪尖指向一致，爪尖到爪根的长度与定子轴向长度相同，前爪极7在前爪极磁轭处向外喇叭状扩展形成前爪极7的爪极支撑部，前爪极磁轭外圆直径大于爪根处最大外圆直径，前爪极7的爪极支撑部外圆直径大于定子内圆直径且小于定子外圆直径，后爪极4在后爪极磁轭处向内收缩形成后爪极4的爪极支撑部，两爪极支撑部之间放置导磁环3、电励磁绕组6和塑料骨架5，电励磁绕组6缠绕在塑料骨架5上，塑料骨架5套在导磁环3上，导磁环3通过螺钉14固定在后端盖1上，后爪极7通过非导磁材料焊接在前爪极7上，前爪极7压装在转轴2上，形成N极、S极间隔排列，极数相等，并且都沿圆形均匀分布；

所述的无刷反向爪极电磁与组合式非对称永磁混合励磁发电机，其特征在于：永磁转子为组合式非对称磁极结构，组合式非对称磁极的永磁转子由永磁转子铁芯17、第一矩形永磁钢10、第二矩形永磁钢11、切向永磁钢12、半圆形永磁钢18组成；

在靠近永磁转子铁芯17外圆处沿圆周方向设置偶数个由两个第一矩形永磁钢10组成的第一“V”形永磁钢，第一“V”形永磁钢的外侧极性以N、S极间隔排列，组成第一“V”形永磁钢的两个第一矩形永磁钢10内端连线的中点到永磁转子铁芯17圆心的距离为永磁转子铁芯17外圆半径的2/3，组成第一“V”形永磁钢的两个第一矩形永磁钢10之间的夹角为80°，组成第一“V”形永磁钢的两个第一矩形永磁钢10内端之间有1.5mm的不连通部分，第一矩形永磁钢10内外两端均设有第一圆弧形隔磁气隙19，第一圆弧形隔磁气隙19距离永磁转子铁芯17外圆之间有1.5mm的不连通部分；

朝向永磁转子铁芯17外圆侧的极性为N极的第一“V”形永磁钢的外侧设计有由两个第二矩形永磁钢11组成的第二“V”形永磁钢，组成第二“V”形永磁钢的两个第二矩形永磁钢11之间的夹角为90°，组成第二“V”形永磁钢的两个第二矩形永磁钢11内端之间有1.5mm的不连通部分，第二矩形永磁钢11的内外两端均设有直角梯形隔磁气隙21，直角梯形隔磁气隙21的高与第二矩形永磁钢11的短边连通且直角梯形隔磁气隙21的高小于第二矩形永磁钢11的短边长度，直角梯形隔磁气隙21斜腰一侧的两角均为圆角，直角梯形隔磁气隙21的外端距离永磁转子铁芯17外圆有1.5mm的不连通部分；

朝向永磁转子铁芯17外圆侧的极性为S极的第一“V”形永磁钢的外侧设计有半圆形永磁钢18，半圆形永磁钢18的圆心在第一“V”形永磁钢的对称线上，半圆形永磁钢18的外端距离转子外圆有1.5mm的不连通部分；

每两个相邻第一“V”形永磁钢的中间设有切向永磁钢12，相邻两个切向永磁钢12相对面的极性与相邻两个切向永磁钢12中间的第一“V”形永磁钢朝向永磁转子铁芯17外圆侧的极性相同，切向永磁钢12内端中点到转子圆心的距离为转子半径的1/2，切向永磁钢12的外侧设有第二圆弧形隔磁气隙20，第二圆弧形隔磁气隙20距离转子外圆之间有1.5mm的不连通部分，切向永磁钢12内侧设有由矩形隔磁气隙和扇环形隔磁气隙组合而成的“凸”字形隔磁气隙13，矩形隔磁气隙的外侧边与切向永磁钢12内端的短边连通且矩形隔磁气隙的外侧边的宽度小于切向永磁钢12内端短边的宽度，扇环形隔磁气隙两条圆弧边的圆心均位于转子圆心处，扇环形隔磁气隙的角均为圆角，相邻“凸”字形隔磁气隙13之间有1.5mm的不连通部分。

Claims

1.一种无刷反向爪极电磁与组合式非对称永磁混合励磁发电机，由转子总成、定子总成、前端盖（14）、后端盖（1）组成，其特征在于：转轴上装有电励磁转子和永磁转子，电励磁转子和永磁转子共用一个电枢绕组，产生的磁势在磁路中并联合成。

2.如权利要求1所述的无刷反向爪极电磁与组合式非对称永磁混合励磁发电机，其特征在于：电励磁转子为反向爪极结构，反向爪极的电励磁转子由前爪极（7）、后爪极（4）、电励磁绕组（6）、导磁环（3）、塑料骨架（5）组成，前爪极（7）与后爪极（4）的爪部采用相同的等腰梯形变截面结构，爪尖处厚度与宽度均小于爪根处，前爪极（7）与后爪极（4）的爪尖指向一致，爪尖到爪根的长度与定子轴向长度相同，前爪极（7）在前爪极磁轭处向外喇叭状扩展形成前爪极（7）的爪极支撑部，前爪极磁轭外圆直径大于爪根处最大外圆直径，前爪极（7）的爪极支撑部外圆直径大于定子内圆直径且小于定子外圆直径，后爪极（4）在后爪极磁轭处向内收缩形成后爪极（4）的爪极支撑部，两爪极支撑部之间放置导磁环（3）、电励磁绕组（6）和塑料骨架（5），电励磁绕组（6）缠绕在塑料骨架（5）上，塑料骨架（5）套在导磁环（3）上，导磁环（3）通过螺钉（14）固定在后端盖（1）上，后爪极（7）通过非导磁材料焊接在前爪极（7）上，前爪极（7）压装在转轴（2）上，形成N极、S极间隔排列，极数相等，并且都沿圆形均匀分布。

3.如权利要求1所述的无刷反向爪极电磁与组合式非对称永磁混合励磁发电机，其特征在于：永磁转子为组合式非对称磁极结构，组合式非对称磁极的永磁转子由永磁转子铁芯（17）、第一矩形永磁钢（10）、第二矩形永磁钢（11）、切向永磁钢（12）、半圆形永磁钢（18）组成；

在靠近永磁转子铁芯（17）外圆处沿圆周方向设置偶数个由两个第一矩形永磁钢（10）组成的第一“V”形永磁钢，第一“V”形永磁钢的外侧极性以N、S极间隔排列，组成第一“V”形永磁钢的两个第一矩形永磁钢（10）内端连线的中点到永磁转子铁芯（17）圆心的距离为永磁转子铁芯（17）外圆半径的2/3，组成第一“V”形永磁钢的两个第一矩形永磁钢（10）之间的夹角为80°，组成第一“V”形永磁钢的两个第一矩形永磁钢（10）内端之间有1.5mm的不连通部分，第一矩形永磁钢（10）内外两端均设有第一圆弧形隔磁气隙（19），第一圆弧形隔磁气隙（19）距离永磁转子铁芯（17）外圆之间有1.5mm的不连通部分；

朝向永磁转子铁芯（17）外圆侧的极性为N极的第一“V”形永磁钢的外侧设计有由两个第二矩形永磁钢（11）组成的第二“V”形永磁钢，组成第二“V”形永磁钢的两个第二矩形永磁钢（11）之间的夹角为90°，组成第二“V”形永磁钢的两个第二矩形永磁钢（11）内端之间有1.5mm的不连通部分，第二矩形永磁钢（11）的内外两端均设有直角梯形隔磁气隙（21），直角梯形隔磁气隙（21）的高与第二矩形永磁钢（11）的短边连通且直角梯形隔磁气隙（21）的高小于第二矩形永磁钢（11）的短边长度，直角梯形隔磁气隙（21）斜腰一侧的两角均为圆角，直角梯形隔磁气隙（21）的外端距离永磁转子铁芯（17）外圆有1.5mm的不连通部分；

朝向永磁转子铁芯（17）外圆侧的极性为S极的第一“V”形永磁钢的外侧设计有半圆形永磁钢（18），半圆形永磁钢（18）的圆心在第一“V”形永磁钢的对称线上，半圆形永磁钢（18）的外端距离转子外圆有1.5mm的不连通部分；

每两个相邻第一“V”形永磁钢的中间设有切向永磁钢（12），相邻两个切向永磁钢（12）相对面的极性与相邻两个切向永磁钢（12）中间的第一“V”形永磁钢朝向永磁转子铁芯（17）外圆侧的极性相同，切向永磁钢（12）内端中点到转子圆心的距离为转子半径的1/2，切向永磁钢（12）的外侧设有第二圆弧形隔磁气隙（20），第二圆弧形隔磁气隙（20）距离转子外圆之间有1.5mm的不连通部分，切向永磁钢（12）内侧设有由矩形隔磁气隙和扇环形隔磁气隙组合而成的“凸”字形隔磁气隙（13），矩形隔磁气隙的外侧边与切向永磁钢（12）内端的短边连通且矩形隔磁气隙的外侧边的宽度小于切向永磁钢（12）内端短边的宽度，扇环形隔磁气隙两条圆弧边的圆心均位于转子圆心处，扇环形隔磁气隙的角均为圆角，相邻“凸”字形隔磁气隙（13）之间有1.5mm的不连通部分。