CN213990327U - 高效永磁直流发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供高效永磁直流发电机，本发明由转子是在绕有线圈的外定子内的径向充有永磁性的圆柱体磁性材料圆柱转子，和外部绕有定子线圈的定子组成的发电机和相连接的全波整流器构成。定子线圈的绕制方式是同一相绕组的线圈可以绕制在单个电枢齿的相邻二个齿槽间绕制和按需要跨过所要求的电枢齿进行绕制，每一相定子线圈二端接有全波整流器，转子在每次发电转动时磁性转子上的全部南极和北极都同时进行发电，在提高发电机效率和功率的同时又避免了传统的发电机中发电效率降低的弊端，提高了绕组线圈的利用率并增大了发电功率。将广泛应用于直流发电机和增程式新能源电动车上。

Description

高效永磁直流发电机

技术领域

本发明涉及永磁直流发电机技术领域。

背景技术：

永磁直流发电机和相连接的整流电路是个典型的机电一体化产品。

在工业应用和增程式新能源电动汽车中广泛采用直流发电机，它的发电效率直接影响电动汽车的单次充电后的巡航里程，如何提高发电机的效率成增程式新能源电动汽车提高巡航里程的一个关键因素。而提高发电机的功率也是使用中极为重要的因素。在传统的永磁直流发电机中，大量采用绕组线圈跨电枢齿的绕制方式，如三相绕组的发电机大部分是按跨过三个电枢齿绕制的，为了提高输出功率和绕组线圈利用率几乎都是延用三相交流电机的星型接法和三角接法，其每次发电都至少流过二相线圈，但因这二相线圈安装的物理位置的不同，当二组线圈同时发电时往往有在同一个电枢齿边上有正流向和反流向的绕组电流，使得发电效能下降。

由上述可以看到，为提高发电机的效率和性能就必须对绕组的绕制和电流输出方法进行改进，提高发电效率，从而提高增程式新能源电动汽车的巡航里程。

发明内容

本发明的高效永磁直流发电机，包括发电机和桥式全波整流器，其特征是在于圆片形硅钢片叠成的定子其内部有朝向圆心的电枢齿上绕有发电机定子线圈，其绕制方式是同一相绕组的相邻二个线圈匝数相同但绕向相反，同一相绕组的相邻二个线圈的中心间隔与相数相同的电枢齿数并且每相绕组相接于其各自的桥式全波整流器上，由径向充有磁性的圆柱形永磁体转子转动使定子绕组发出电能。

在本发明的高效永磁直流发电机中，硅钢片叠成的定子上用外部绝缘的导电线绕制的发电机定子线圈绕组的相数大于等于2。

发电机定子线圈绕组的绕制方式是在单个电枢齿的相邻二个齿槽间绕制的集中式方式绕制或按需求进行跨齿槽的分布式方式绕制，在跨齿槽绕制时，发电机定子线圈绕组的线圈可以跨过的最大电枢齿数量是相数减一。

在本发明的高效永磁直流发电机可以进行单相发电，也可以进行多相发电，永磁体转子的南极和北极都同时对绕组进行发电，并且避免了不同方向电流的串接，提高了发电效率，每一个发电时刻可以同时使用多相绕组增大了发电功率并提高了绕组线圈利用率，故命名为高效永磁直流发电机。

本发明的的高效永磁直流发电机的转子是采用在径向充有永磁性的圆柱体磁性材料圆柱，该圆柱也可据制造工艺采用在圆柱形导磁体上镶嵌永磁体的方式构成，该圆柱体磁性材料可以是实心的也可以是空心的，也可据制造工艺采用在圆环形导磁体上固定在转子径向充有磁性的永磁体等方式构成。

本发明的的高效永磁直流发电机的发电机定子绕组相数大于等于2，绕组线圈可以跨过的最大电枢齿数量是相数减一，如三相绕组最大跨过的电枢齿为二。

本发明的的高效永磁直流发电机的发电机定子电枢槽数和永磁体转子的磁极数量与绕组相数的关系是：定子电枢槽数等于永磁转子南北磁极之和的数量乘以相数，相数大于等于2。如下面描述的3相发电机，采用了二对南北极共4个磁极的转子，其定子电枢槽数就是12槽。

本发明的的高效永磁直流发电机的发电机定子上各相绕组的起始端和终止端都分别相接于各自的桥式全波整流器的输入端点，其桥式全波整流器的构成为：一组是一个二极管整流器正极与另一个二极管整流器的负极相联并在这点上连接上一相绕组的一端，另外一组也是一个二极管整流器正极与另一个二极管整流器的负极相联并在这点上连接上同一相绕组的另一端，连接后的二组二极管整流器负极相并连接为输出电压的正端，二组二极管整流器正极相并连接为输出电压的负端，当转子转动时，转子上的磁场被定子线圈切割，在定子线圈上产生交流电流，再经桥式全波整流器整流后输出直流电流如图2所示。根据需要，桥式全波整流器可以安放于电机体内部也可以安放于电机体外部。

在一般应用情况下，各相绕组的线径和绕制圈数是相同的，这时可以将各个绕组经各自的桥式全波整流器产生的直流电能如图3所示加以并联使用。根据应用情况也可以采用不相同的线径和不相同的绕制圈数以满足多电压要求。

附图说明

图1是本发明的发电机结构示意图(以内转子三相4磁极，12槽跨槽绕制为例)，M1是定子电枢，M2是内转子，1到12是定子的电枢齿，U+和U-分别是U相绕组的起始端和终止端，V+和V-分别是V相绕组的起始端和终止端，W+和W-分别是W相绕组的起始端和终止端，定子内绕组线上的箭头表示各个绕组的线圈在该电枢齿的绕向。

图2和图3都是本发明的发电机和与整流电路连接的示意图(以三相驱动为例，对于 N相电机可按此方式增加驱动相数)。

图4到图9是本发明的发电机在各个运转状态的工作意图(以内转子三相4磁极，外定子12槽为例，三相六驱动状态)，M2是永磁体内转子，S1，S2是永磁体内转子的南极， N1，N2是永磁体内转子的北极。M1是绕制线圈的外定子电枢，定子绕组线上的箭头表示该绕组此时所产生电流的方向。

图10为本发明的发电机在单个电枢齿的相邻二个齿槽间绕制绕组的示意图(以内转子三相4磁极，外定子12槽为例)，1到12是定子的电枢齿，U+和U-分别是U相绕组的起始端和终止端，V+和V-分别是V相绕组的起始端和终止端，W+和W-分别是W相绕组的起始端和终止端，定子内绕组线上的箭头表示各个绕组的线圈在该电枢齿的绕向。

图11是发明的发电机六相跨5齿发电机完整绕制图，

图12和图13分别示意了1，3，5相和2，4，6相绕组的绕制图，Tx+和Tx-分别表示Tx相绕组的起始端和终止端，定子内绕组线上的箭头表示各个绕组的线圈在该电枢齿的绕向。

具体实施方式

本发明的发电机定子槽数等于永磁转子南北磁极的数量乘相数。以三相绕组，二对4磁极为例，槽数等于3相乘4极为12槽；如采用六对12磁极，就为36槽。

本发明的发电机定子线圈绕组是用外部绝缘的导电线绕制的。

本发明的发电机可以采用按集中式方式在单电枢齿两边槽绕制和按分布式方式进行跨电枢齿的绕制方式，在单电枢齿绕制时，如图10所示，发电机绕组的定子线圈的绕制方式是在单个电枢齿的相邻二个齿槽间绕制，并且同一相绕组的相邻二个线圈绕制方向相反，即在单个的电枢齿两边槽绕制同一相绕组的部分线圈，以三相绕组为例，即一相绕组(U相)在一个槽(槽1)和相邻一个槽(槽2) 围绕电枢齿1绕，绕到所需要的匝数后，下一相绕组(V相)在这个相邻的槽(槽 2)和下一个相邻的槽(槽3)围绕电枢齿2绕，绕制待所需要的匝数后，再在这个槽(槽3)和再下一个槽(槽4)围绕电枢齿3绕，绕制下一相绕组(W相)到所需要的匝数后，如此再围绕电枢齿4，电枢齿5，电枢齿6分别进行反方向绕制各相绕组U，V，W(对三相情况)的下一组线圈，如此保持同一相绕组的相邻二个线圈绕制方向相反直到绕制完毕，对于更多N相的发电机也有同样的绕组方式。各相绕组的二端分别到发电机外的全波整流桥上。

单电枢齿绕制的另一个极大好处是磁力集中而漏磁少，发电效率提高，并且单电枢齿绕制的铜耗低于跨电枢齿绕制。

本发明提供的发电机也可以采用按分布式方式进行跨电枢齿绕制，发电功率增大，不过漏磁有所将增大，在要求功率密度的情况下也是个必要的选择，跨电枢齿绕制时，最大可跨电枢齿数是相数减一个电枢齿，如图11到图12所示的六相发电机，绕组最大可跨过5个电枢齿，也是按同一相绕组的相邻二个线圈绕制方向相反方式绕制。

发电产生电路参考图4和图9，下面对于各个发电状态结合图4到图9描述：

为了便于描述，我们先进行下列假定规范：1.转子磁铁的各个磁铁的磁场强度主要集中于该磁铁边上的园点上；2.转子按图示方向转动时，南极S转过顺时针绕制的绕组时产生的电流流向绕组起端，南极S转过逆时针绕制的绕组时产生的电流流向绕组终端，北极N转过顺时针绕制的绕组时产生的电流流向绕组终端，南极S转过逆时针绕制的绕组时产生的电流流向绕组起端。在发电机绕制图图1上，绕组U在电枢齿1和电枢齿2上是顺时针绕制，在电枢齿4和电枢齿5上是逆顺针绕制，在电枢齿7和电枢齿8上是顺时针绕制，在电枢齿10和电枢齿11上是逆顺针绕制。这个电流流向也可能正好相反，取决于你是从发电机轴端还是从尾端看的，并不妨碍于分析描述。3.以由U+端流出的电流示为+V，由U-端流出的电流示为-V。

图2和图3上部是三组桥式全波整流器。

图4到图9上面的箭头表示电流流向而不是绕线方向。

发电状态1：如图4当永磁体转子的其中一个南极S1由电枢齿12转动到电枢齿：1时，电枢齿1和电枢齿2上是顺时针绕制，电流I1流向该绕组起端方向U+；一个北极N2由电枢齿3转动到在电枢齿：4时，电枢齿4和电枢齿5上是逆时针绕制，电流I2流向该绕组起端方向并流向I1；一个南极S2由电枢齿6转动到电枢齿：7 时，电枢齿7和电枢齿8上是顺时针绕制，电流I3流向该绕组起端方向并流向I2；一个北极N1由电枢齿9转动到电枢齿：10时，电枢齿10和电枢齿11上是逆时针绕制，电流I4流向该绕组起端方向并流向I3，最后形成电流经二极管D1向外流经负载后经二极管D4流回U-端，完成第一个发电状态。

发电状态2：如图5当永磁体转子的其中一个南极S1由电枢齿1转动到电枢齿：2时，电枢齿1和电枢齿2上是顺时针绕制，电流I1流向该绕组起端方向U+，在南极S1转到电枢齿1和电枢齿2中间位置时电流达到最大后减小；一个北极N2由电枢齿4转动到电枢齿：5时，电枢齿4和电枢齿5上是逆时针绕制，电流I2流向该绕组起端方向并流向I1，在北极N2转到电枢齿4和电枢齿5中间位置时电流达到最大后减小；一个南极S2由电枢齿7转动到电枢齿：8时，电枢齿7和电枢齿8上是顺时针绕制，电流I3流向该绕组起端方向并流向I2，在南极S2转到电枢齿7和电枢齿8中间位置时电流达到最大后减小；一个北极N1由电枢齿10转动到电枢齿：11时，电枢齿10和电枢齿11上是逆时针绕制，电流I4流向该绕组起端方向并流向I3，在北极N1转到电枢齿10和电枢齿11中间位置时电流达到最大后减小；最后形成电流经二极管D1向外流经负载后经二极管D4流回U-端，完成第二个发电状态。

发电状态3：如图6当永磁体转子的其中一个南极S1由电枢齿2转动到电枢齿：3时，电枢齿3无U绕组，发电流下降到0；一个北极N2由电枢齿5转动到电枢齿：6 时，电枢齿6无U绕组，发电流下降到0；一个南极S2由电枢齿8转动到电枢齿：9时，电枢齿9无U绕组，发电流下降到0；一个北极N1由电枢齿11转动到电枢齿12时，电枢齿12无U绕组，发电流下降到0；最后形成流经二极管D1向外流经负载后的电流为0，完成第三个发电状态。

发电状态4：如图7当永磁体转子的其中一个南极S1由电枢齿3转动到电枢齿：4时，电枢齿4和电枢齿5上是逆针绕制，电流I2流向该绕组终端方向并流向电流I3；一个北极N2由电枢齿6转动到电枢齿：7时，电枢齿7和电枢齿8上是顺时针绕制，电流I3流向该绕组终端方向并流向I4；一个南极S2由电枢齿9转动到电枢齿：10时，电枢齿10和电枢齿11上是逆时针绕制，电流I4流向该绕组终端方向并流向U-；一个北极N1由电枢齿12转动到电枢齿：1时，电枢齿1和电枢齿2上是顺时针绕制，电流I1流向该绕组终端方向并流向I2，最后形成电流经二极管D3 向外流经负载后经二极管D2流回U+端，完成第四个发电状态。

发电状态5：如图8当永磁体转子的其中一个南极S1由电枢齿4转动到电枢齿：5时，电枢齿4和电枢齿5上是逆针绕制，电流I2流向该绕组终端方向并流向 I3，在南极S1转到电枢齿4和电枢齿5中间位置时电流达到最大后减小；一个北极N2 由电枢齿7转动到电枢齿：8时，电枢齿7和电枢齿8上是顺时针绕制，电流I3流向该绕组终端方向并流向I4，在北极N2转到电枢齿7和电枢齿8中间位置时电流达到最大后减小；一个南极S2由电枢齿10转动到电枢齿：11时，电枢齿10和电枢齿11上是逆时针绕制，电流I4流向该绕组终端方向并流向U-，在南极S2转到电枢齿10 和电枢齿11中间位置时电流达到最大后减小；一个北极N1由电枢齿1转动到电枢齿：2 时，电枢齿1和电枢齿2上是顺时针绕制，电流I1流向该绕组终端方向并流向I2，在北极N1转到电枢齿1和电枢齿2中间位置时电流达到最大后减小；最后形成电流经二极管D3向外流经负载后经二极管D2流回U+端，完成第五个发电状态。

发电状态6：如图9当永磁体转子的其中一个南极S1由电枢齿5转动到电枢齿：6时，电枢齿6无U绕组，发电流下降到0；一个北极N2由电枢齿8转动到电枢齿：9 时，电枢齿6无U绕组，发电流下降到0；一个南极S2由电枢齿11转动到电枢齿：12 时，电枢齿12无U绕组，发电流下降到0；一个北极N1由电枢齿2转动到电枢齿：3时，电枢齿3无U绕组，发电流下降到0；最后形成流经二极管D3向外流经负载后的电流为0，完成第六个发电状态。

经发电状态6后，转子上S2南极到了图2上S1南极位置，往后重复发电状态 1到驱动状态6的过程，形成发电机的连续发电。

对于另外二相绕组V和W，具有和U绕组发电完全相同的发电过程，但分别相隔60度电角度。

图10展示了三相12槽电机采用在单个电枢齿的相邻二个齿槽间绕制的集中式方式的绕制方法，定子内绕组线上的箭头表示各个绕组在该电枢齿的绕向，每个绕组上的线圈都围绕单个电枢齿绕制，但同一相相邻的二个线圈绕制方向相反(如U相绕组在电枢齿 1与电枢齿4绕向相反，电枢齿4与电枢齿7绕向相反，电枢齿7与电枢齿10绕向相反，电枢齿10与电枢齿1绕向相反)，单个电枢齿绕制有利于减少漏磁；三相绕组每一相二端按图3分别接一组桥式全波整流电路。当发电机采用二相时只有集中式方式一种线圈绕制方法。

图11展示了六相12槽二磁极电机跨电枢齿绕制的分布式跨5电枢齿绕制的绕制方法，定子内绕组线上的箭头表示各个绕组在该电枢齿的绕向，每个绕组线圈都跨5个电枢齿绕制(如T1绕组上的第一组线圈在电枢齿1到电枢齿5间绕制，下一组线圈在电枢齿7 到电枢齿11间绕制，但绕制方向相反)，同一相相邻的二个绕组线圈绕制方向相反，同一相绕组的相邻二个线圈的中心间隔的电枢齿数与相数相同为六个(如第一相的第一个线圈的中心在电枢齿3，间隔六个电枢齿后电枢齿9是第二个线圈的中心)，绕组上的线圈可以跨过的最大电枢齿数量是相数减一，六相电机最大可跨过5个齿。为了清晰起见在图12和图13分别示意了第1，3，5相和第2，4，6相绕组的绕制图，Tx+和Tx-分别表示Tx相绕组的起始端和终止端，绕组线上的箭头表示各个绕组线圈在该电枢齿的绕向；各相绕组每一相二端按图3分别接一组桥式全波整流电路，六相就分别接六组桥式全波整流电路。

发电机定子线圈绕组在采用跨电枢齿绕制的分布式方式绕制时，绕组上的每个线圈可以跨过的最大电枢齿数量是相数减一。对于不同相数的高效永磁直流发电机，在三相时绕组上的每个线圈最大可跨二个电枢齿绕制，六相时绕组上的每个线圈最大可跨五个电枢齿绕制，当然也可以跨一到五个齿绕制；四相时绕组上的每个线圈最大可跨三个电枢齿绕制，当然也可以跨一到三个齿绕制；五相时绕组上的每个线圈最大可跨四个电枢齿绕制，当然也可以跨一到四个齿绕制。跨不同齿数将有不同的功率性能和效率。

各相绕组视需求的不同可以采用相同的线径的外部绝缘的导电线绕制和相同的匝数，也可以采用不相同的线径和不相同的匝数，在采用相同匝数时，各相绕组所接的全波整流电路的输出正负端可以分别并接以增大输出电流。

本发明提供了高效永磁直流发电机采用在单个电枢齿的相邻二个齿槽间绕制的集中式方式绕法和采用跨电枢齿绕制的分布式方式绕法，以发电机效率为主和兼顾发电效率和提高功率密度，从二相到六相结构并可以推广到更多相的高效永磁直流发电机，满足了多方面应用。

对于本领域技术人员而言，显然本发明包含但不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.高效永磁直流发电机，包括发电机和桥式全波整流器，其特征是：圆片形硅钢片叠成的定子其内部有朝向圆心的电枢齿上绕有用外部绝缘的导电线绕制的发电机定子线圈，其绕制方式是同一相绕组的相邻二个线圈匝数相同但绕向相反，同一相绕组的相邻二个线圈的中心间隔与相数相同的电枢齿数并且每相绕组相接于其各自的桥式全波整流器上，由径向充有磁性的圆柱形永磁体转子转动使定子绕组发出电能。

2.根据权利要求1所述的高效永磁直流发电机，其特征是：发电机定子线圈绕组的相数大于等于2，发电机定子线圈同一相的绕组上的每个线圈绕制时采用在单个电枢齿的相邻二个齿槽间绕制的集中式方式和采用跨电枢齿绕制的分布式方式二种绕法，在分布式方式绕制时每个线圈可以跨过的最大电枢齿数的数量是相数减一；三相时每个线圈跨二个电枢齿绕制，四相时每个线圈最大可跨三个电枢齿绕制，五相时每个线圈最大可跨四个电枢齿绕制，六相时每个线圈最大可跨五个电枢齿绕制。

3.根据权利要求1所述的高效永磁直流发电机，其特征是：发电机的永磁体转子的磁极数量与相数和定子电枢槽数的关系是：定子电枢槽数等于永磁体转子南北磁极之和的数量乘以相数，相数大于等于2。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的高效永磁直流发电机，其特征是：发电机定子线圈的各相绕组的起始端和终止端都引出并分别相接于各自的桥式全波整流器，其桥式全波整流器的构成为：一组是一个二极管整流器正极与另一个二极管整流器的负极相联并在这点上连接上一相绕组的一端，另外一组也是一个二极管整流器正极与另一个二极管整流器的负极相联并在这点上连接上同一相绕组的另一端，连接后的二组二极管整流器负极相并连接为输出电压的正端，二组二极管整流器正极相并连接为输出电压的负端。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的高效永磁直流发电机，其特征是：发电机定子线圈的各相绕组在匝数相同情况下与各相绕组相连的桥式全波整流器的正负输出端可以并联使用。

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