增磁升压双励磁绕组复励的电励磁双凸极发电机

摘要

本发明涉及一种增磁升压双励磁绕组复励的电励磁双凸极发电机，该电励磁双凸极发电机三相绕组A、B、C为末端开路绕组，每个相绕组，各自独立分别接二极管和电容，每相绕组的同名端分别接二极管的阳极，二极管的阴极接电容的正极，每相绕组的另一端接电容的负极，三个独立的整流滤波部分再按照按电容的正负关系依次按照A相电容Ca的负极接B相电容Cb的正极，B相电容Cb的负极接C相电容Cc的正极，其特征在于：第一套励磁绕组Lf1的一端接A相电容Ca的正极，第一套励磁绕组Lf1的另一端做为发电机的正极或负接负载使用，第二套励磁绕组Lf2的两端与直流励磁电压源Uf连接。

说明书

技术领域

 本发明属发电机技术领域，尤其涉及一种增磁升压双励磁绕组复励的电励磁双凸极发电机。

背景技术

电励磁双凸极电机的定子和转子均为凸极结构，属于变磁阻类电机，不需要转子位置传感器和功率变换器，系统可靠性高。电励磁双凸极电机以励磁绕组取代永磁体，使得电机的励磁磁场可以调节。转子上无绕组和永磁体，结构非常简单、运行可靠且成本低；发电机负载变化时，可通过调节励磁绕组中的励磁电流大小以维持恒定电压输出，控制方便，在航空电源和风力发电等领域具有重要的应用价值。电励磁双凸极无刷发电机的励磁绕组必须由单独的直流电源提供励磁源，其励磁功率完全由外接电源提供，因此，应用在急变速和低速相结合等速度突出变化的场合，所需的励磁电源功率大，而且控制励磁电流所需的励磁控制器容量大，其功率器件设计要求大大提高，使的励磁控制器代价高、且可靠性降低。电励磁双凸极发电机，采用相绕组星型连接，通过全波整流器输出直流电。受相绕组电感和全波整流器二极管换相等因素的影响，使用全波整流器的双凸极发电机的输出电压随负载增加而下降，常见的用电设备总希望供电电压保持不变，发电机励磁调节系统通过增加励磁电流来保持端电压不变，从而增加了励磁系统的励磁损耗；同时，对电励磁双凸极电机而言，由于凸极齿槽效应的影响，作为电动机运行时，转矩脉动较大；作为发电机工作时，也存在输出直流电压脉动大的缺陷，这极大限制了双凸极电机在宽转速运行状态尤其是低速运行、大功率场合的应用；另外，电励磁双凸极发电机用在宽转速运行状态，特别是在转速变比较大且变化剧烈的场合，后级负载为电力变换装置时，传统星-三角形接法的绕组结构上瞬态尖峰电压较高，容易破坏绝缘。因此，从电励磁双凸极电机的基本电磁特性出发，提出具有低电压调整率、低励磁损耗、谐波脉动小、双励磁绕组复励、绕组绝缘简单可靠的增磁升压双励磁绕组复励的电励磁双凸极电机发电机，作为本发明的初衷。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术的不足，提出了一种具有低电压调整率和低励磁损耗，同时具有升压、内滤波效果、双励磁绕组复励、绝缘可靠的的电励磁双凸极发电机。本发明由励磁绕组、定子铁心、相绕组、转子铁心、转子连接轴、二极管和电容，其中电励磁双凸极发电机的基本结构为：定、转子均为凸极齿槽结构，定子和转子铁心均由硅钢片叠压而成，

定子上除装有集中电枢绕组外，还有励磁绕组，空间相对的定子齿上的绕组串联构成一相，转子上无绕组。电励磁双凸极发电机三相绕组A、B、C为末端开路绕组，相绕组电势的正方向与励磁磁通正方向符合正右手螺旋关系，相绕组电势的正方向指向绕组的正端，每个相绕组，各自独立分别接二极管和电容，经导线引出，每相绕组的同名端分别接二极管的阳极，二极管的阴极接电容的正极，每相绕组的另一端接电容的负极，三个独立的整流滤波部分再按照按电容的正负关系依次按照A相电容Ca的负极接B相电容Cb的正极，B相电容Cb的负极接C相电容Cc的正极，其特征在于：第一套励磁绕组Lf1的一端接A相电容Ca的正极，第一套励磁绕组Lf1的另一端做为发电机的正极或负接负载使用，第二套励磁绕组Lf2的两端与直流励磁电压源Uf连接。

本发明的发电机，其实现的原理是：电励磁双凸极发电机的相绕组磁链与转子位置有关，当转子极滑入定子极时，空载磁链增加，绕组感应出负的电势，若此阶段发电机向负载供电，由楞次定律可知，负载电流产生的磁链阻止空载磁链增加，为去磁电枢反应，导致电势降低；当转子极滑出定子极时，空载磁链减小，绕组感应出正的电势。若此阶段发电机向负载供电，由楞次定律可知，负载电流产生的磁链阻止空载磁链的减小，为增磁电枢反应，导致电势升高。在转子极滑出定子极的阶段对负载供电，利用增磁电枢反应来抵消或削弱相绕组电感和全桥整流器二极管换相等因素引起的电压损失，第一套励磁绕组的励磁电流取决于负载电流大小，起到自励作用，可显著的降低发电机的电压调整率，提升发电机的输出功率。第一套励磁绕组中励磁电流产生的磁势作用，使得第二套励磁绕组所需外加的励磁功率小、励磁损耗降低，降低了励磁控制器容量，设计简便、可靠性高。从而显著降低了发电机的电压调整率和励磁损耗。

普通的整流型发电机输出电压，可根据星-三角接法的全波或半波整流关系，其直流输出端电压U0可简化为每相绕组电压和某一系数的乘积，本发明的发电机的直流输出是对三个独立的绕组进行整流叠加，因而输出直流电压是每相整流电压的3陪，对单独相电压而言形成明显的增压效果。同时在电压叠加过程中，由于发电机三相绕组在空间互差120度分布，换相整流叠加，使用绕组内在约束关系形成的滤波效果，减小电流谐波，减小电压脉动。

本发明的发电机，在小励磁电流工作时，电机磁路不饱和，增磁电枢反应产生的电势升高幅度随负载的增加而增加；在大励磁电流工作时，电机磁路饱和，随负载的增加，增磁电枢反应产生的电势升高幅度降低，但同时由于磁路饱和，相绕组电感和二极管换相过程中引起的电压损失也都相应减小，所以在不同励磁电流下，系统都有低的电压调整率和励磁损耗，拓宽了使用的场合。

本发明的发电机，特别是在匹配电力变换型负载，由于在相同直流输出电压下每相绕组具有明显低的电压，因而在解决电力电子器件返射回绕组的高次谐波尖峰电压时，由于基波电压明显降低，使因绕组电感而产生的尖峰电压大大降低，保护了发电机的绝缘。

本发明的发电机，适用于不同相数的电励磁双凸极电机所有结构形式。

本发明的发电机与现有技术相比，是从电励磁双凸极电机的基本电磁特性和整流特性相结合出发，利用负载的增磁电枢反应来降低电机的电压调整率和励磁损耗，增磁电枢反应的电流为负载电流，不增加额外损耗；当发电机为外接电气负载供电时，第一套励磁绕组的励磁电流取决于负载电流的大小，起到自励作用，可显著降低发电机的电压调整率，提升发电机的输出功率。第一套励磁绕组励磁电流产生的励磁磁势与第二套励磁绕组中励磁电流产生的励磁磁势共同作用，为发电机提供工作磁场，第一套励磁绕组有输出滤波作用，有利于提高无刷发电机的输出电压或输出电流品质，利用绕组的空间关系的换相整流叠加消除电流谐波，减小直流输出电压纹波和脉动，从而改善发电机的性能和效率；使用绕组开路结构进行串联，以较低的输入相电压实现高输出电压，拓展了使用范围。

附图说明

图1是三相星型接法全波整流的发电机绕组连接图。

图2是三相结构电励磁双凸极发电机截面图

图3是本增磁升压双励磁绕组复励电励磁双凸极的发电机绕组连接图

上述图中标号名称：1、励磁绕组，2、定子铁心，3、相绕组，4、转子铁心，5、转子连接轴，if1+代表第一套励磁绕组的正端，if1-代表第一套励磁绕组的负端，if2+代表第二套励磁绕组的正端，if2-代表第二套励磁绕组的负端，A+代表A相绕组的正端，A-代表A相绕组的负端，B+代表B相绕组的正端，B-代表B相绕组的负端，C+代表C相绕组的正端，C-代表C相绕组的负端，D1～D6为全波整流二极管，Da、Db、Dc为增磁升压内滤波双励磁绕组复励电励磁双凸极发电机的二极管，Ca、Cb、Cc分别为ABC三相的整流电容，※表示三相绕组的同名端，●表示双励磁绕组的同名端，Z为负载，Lf1为第一套励磁绕组，Lf2为第二套励磁绕组，Uo为直流输出电压。

具体实施方式

由于不同相数不同结构形式增磁升压双励磁绕组复励的电励磁双凸极发电机结构与3相6/4结构电励磁双凸极电机相似，下面以3相6/4结构电励磁双凸极电机来说明具体的实施方式。该增磁升压双励磁绕组复励的

电励磁双凸极发电机包括有励磁绕组1、定子铁心2、相绕组3、转子铁心4、转子连接轴5、二极管和电容，电励磁双凸极发电机三相绕组A、B、C为末端开路绕组，相绕组电势的正方向与励磁磁通正方向符合正右手螺旋关系，相绕组电势的正方向指向绕组的正端，每个相绕组，各自独立分别接二极管和电容，每相绕组的同名端分别接二极管的阳极，二极管的阴极接电容的正极，每相绕组的另一端接电容的负极，三个独立的整流滤波部分再按照按电容的正负关系依次按照A相电容Ca的负极接B相电容Cb的正极，B相电容Cb的负极接C相电容Cc的正极，其特征在于：第一套励磁绕组Lf1的一端接A相电容Ca的正极，第一套励磁绕组Lf1的另一端做为发电机的正极或负接负载使用，第二套励磁绕组Lf2的两端与直流励磁电压源Uf连接。

     本发明的发电机，涉及的3相6/4结构电励磁双凸极电机如图2所示。励磁电流if2+流入，从励磁绕组的负端if2-流出，在第二套励磁绕组内部产生从左到右的励磁磁通。若电流从A、B、C三相绕组的正端流出，负端流入，在绕组内部产生从左到右的负载磁通，与励磁磁通一致。A、B、C三相绕组的负端A-、B-、C-各自独立，并经导线引出分别接电容Ca、Cb、Cc的负端，A、B、C三相绕组的正端A+、B+、C+分别接二极管Da、Db、Dc的阳极，Da、Db、Dc的阴极分别连接到Ca、Cb、Cc的正端，将Ca的负端和Cb的正端相接，再将Cb的负端和Cc的正端相接，从Ca的正端和Cc的负端分别接导线引出，做发电机的正极、负极使用。发电机的正极和负极分别接负载Z的正极和负极，对负载供电。如图3所示。空载时，调节励磁电流if2的大小，即可调节发电机的输出电压U0，从而保持输出电压U0恒定。

本发明的增磁升压双励磁绕组复励的电励磁双凸极发电机，涉及的3相6/4结构电励磁双凸极的相绕组磁链与转子位置有关，定义转子极与A相定子极对齐时为0度电角度，即图2所示位置。在0度电角度-120度电角度区间，转子极滑出A相定子极时，A相空载磁链减小，绕组感应出正的电势，A相二极管Da的阳极与阴极之间的电压为正，Da导通，A相绕组电流从A+端流出，从A-端流入，产生的电枢磁场与励磁磁场方向一致，增加A相绕组匝链的磁链，从而提高A相绕组电势。绕组电势的增加量可近似抵消相绕组电感和全桥整流器二极管换向等因素引起的电压损失，输出电压Uo下降少，设计合理可使输出电压Uo基本保持不变，在120度电角度-240度电角度区间，A相定子极下为转子槽，A相空载磁链基本不变，绕组感应电势接近为0，A相二极管Da的阳极与阴极之间的电压为负，Da截止，A相绕组没有电流；在240度电角度-360度电角度区间，转子极滑入A相定子极时，A相空载磁链增加，绕组感应出负的电势，A相二极管Da的阳极与阴极之间的电压为负，Da截止，A相绕组没有电流。转子转到360度电角度时，下一个周期开始。B相、C相的工作原理与A相相同，时间分别滞后120度电角度和240度电角度，如图2所示。

本发明的增磁升压双励磁绕组复励的电励磁双凸极发电机，涉及的三相绕组A、B、C，在输出时，首先连接到各自的整流二极管Da、Db、Dc及电容Ca、Cb、Cc，每一相构成一个独立的整流单元，通过三个单元的直流串联叠加，形成升压的输出电压，如图3所示。

 本发明的增磁升压双励磁绕组复励的电励磁双凸极发电机，涉及的双励磁绕组的连接是，第一套励磁绕组Lf1的一端与二极管Da的阴极连接，第一套励磁绕组Lf1的另一端与输出的正极连接，第二套励磁绕组Lf2的两端与直流励磁电压源Uf连接，如图3所示。空载时，直接调节第二套励磁绕组Lf2的电流大小来维持输出电压的稳定，负载时，第一套励磁绕组Lf1中流过电流，形成自励磁势，与第二套励磁绕组的磁势共同完成励磁作用，并使需要控制器完成的磁势附值减小。

本发明的增磁升压双励磁绕组复励的电励磁双凸极发电机，涉及的每相输出电压，在经过每相独立整流单元后，各种高次谐波成份得到较大的衰减，同时由于三相绕组A、B、C在空间呈120度电角度分布，如图2所示，这样，直流电压依次移开一定的相位角，然后进行叠加，达到调整功率因数和消除谐波的目的。第一套励磁绕组有输出滤波作用，有利于减小电流的脉动。