混合励磁双凸极无刷直流发电机

摘要

一种混合励磁双凸极无刷直流发电机，属双凸极电机，该电机包括由定子铁心(1)、永磁体(2)、励磁线圈(3)和电枢绕组(4)、(5)、(6)组成的定子以及由转轴(6)、转子铁心(7)组成的转子，定子轭部有两组以上对称分布的永磁体，每组永磁体数目多于两块，且相邻永磁体之间相隔三个定子极，永磁体之外，有对称分布的励磁线圈。该电机无附加气隙，永磁磁势与励磁磁势成并联关系，避免了永磁体被电励磁磁势退磁的危险。多套电枢绕组经整流后输出多路直流电，其中永磁体之间定子极上套装的电枢绕组(4)输出经整流后能够为电机自身励磁线圈(3)提供电源，使整个电机工作于独立发电状态，特别适用于风力发电等独立电源应用场合。

说明书

技术领域

本发明涉及一种混合励磁双凸极无刷直流发电机，属于双凸极电机技术领域。

背景技术

上世纪90年代初，美国学者T.A.Lipo等人针对开关磁阻电机不足，提出一种新型无刷电机一永磁双凸极电机。随着该新型电机的不断发展，电机磁势源由永磁体变为电励磁，或者两者的结合，相继出现电励磁双凸极电机和混合励磁双凸极电机。永磁双凸极电机功率密度高，但气隙磁场难以调节，因而电压调节或恒功率弱磁控制困难；电励磁双凸极电机磁场易于控制，但由于存在励磁损耗使其效率相对较低；混合励磁双凸极电机力求结合前两者优点，既有永磁双凸极电机的高功率密度，励磁磁场又易于调节，当然电机结构较为复杂。

专利“宽调速双凸极混合励磁无刷电机(ZL 200420080047.5)”给出了一种适合于电动车等需要大范围变速运行场合的双凸极无刷电机，该电机定子直流励磁线圈的外侧设有对应的永磁体，形成混合励磁结构，励磁线圈与永磁体之间留有导磁桥。该发明中励磁线圈和永磁体数目相同，位置一一对应，电励磁磁势对气隙磁场起弱磁作用时，永磁体和励磁线圈在导磁桥中产生的磁通方向相同，导磁桥容易饱和，从而使所需励磁磁势增加。

另外，无论是电励磁双凸极电机，还是混合励磁双凸极电机，为了使气隙磁场易于调节，都引入电励磁磁势，因此都需要励磁电源。在一些独立电源应用场合，外接励磁电源不易实现甚至是不可能的，目前典型的解决方案就是采用两级式电机结构，即与主发电机同轴安装一个永磁励磁机，利用永磁励磁机输出为主发电机提供励磁电源。这种方案实际上采用了两个电机，两套定子和两套转子，电机结构较为复杂，且轴向长度增加，在自然冷却或自带风扇冷却工作方式下，不利于电机的通风和散热。

发明内容

1)发明目的：本发明提出一种结构牢固、运行可靠、具有多路输出的混合励磁双凸极无刷直流发电机，其一路输出可以作为电机励磁源，整个电机不需外接励磁电源或设置单独的励磁机。

2)技术方案：本发明的混合励磁双凸极无刷直流发电机包括定子和转子，定、转子均为凸极结构，基本结构为6N/4N极结构(N为大于等于3的整数)，即定子有6N个凸极，转子有4N个凸极，转子上无绕组。定子上既有永磁体，还有励磁线圈，形成混合励磁结构。永磁体嵌于定子铁心轭部，励磁线圈嵌绕于定子槽内。永磁体依次排列，每两块永磁体之间相隔三个定子极，相邻的永磁体数目大于等于两个，极性交替排布，使相邻永磁体之间三个定子极上磁通方向固定不变，两个以上相邻永磁体形成一组。根据定子极数不同，电机内至少有两组永磁体沿电机定子铁心轭部对称排布。两组永磁体之间至少应有6个定子极，每隔三个极，对应的铁心槽内嵌绕有励磁线圈。励磁线圈通电后，在与永磁体相邻的定子极中，产生的磁场与永磁体产生的磁场呈并联关系，两者磁场方向相同，则励磁电流起增磁作用，反之起弱磁作用，因而，励磁电流产生的磁场可以对电机内气隙磁场起调节作用，从而控制与之匝链的电枢绕组输出电压大小。

定子极上套装有集中电枢绕组。相邻永磁体之间的三个定子极上套装的电枢绕组，与其他相邻永磁体之间的三个定子极上的电枢绕组，按其匝链的磁通变化规律相同原则依次串联，分别构成A1、B1、C1三相绕组。其他定子极上的电枢绕组，也以三个一组，按其匝链的磁通变化规律相同原则依次串联，分别构成A2、B2、C2，A3、B3、C3，……An、Bn、Cn三相绕组(n为大于等于2的整数)，使电机具有多套三相绕组输出结构。其中，完全由永磁体之间定子极上套装的电枢绕组串联构成的三相绕组A1、B1、C1，其输出电压受励磁电流影响小，主要与电机转速有关，经整流电路后可以作为励磁电源，为电机的励磁线圈提供励磁功率，使整个电机工作于独立发电状态。当然，A1、B1、C1三相输出也可以象其他三相输出一样，经整流后作为直流电源供给用电负载。A1、B1、C1，A2、B2、C2，……An、Bn、Cn也可以按各相对应的原则相互串联起来构成一套三相绕组输出。

电枢绕组的三相输出整流电路可以是桥式整流电路，也可以是共阴极零式整流电路，或共阳极零式整流电路。

本发明的混合励磁双凸极无刷直流发电机具有下列有益特点：

①电机具有一套或多套三相绕组输出，经整流后可以输出一路或多路直流电源，满足不同应用场合需求；

②由定子永磁体之间定子极上的电枢绕组串联构成的三相输出经整流后可以为电机励磁线圈提供励磁电源，使整个混合励磁电机不需外接励磁电源或设置单独励磁机，特别适用于独立发电系统如风力发电等应用场合；

③励磁电流与永磁体在定子凸极上产生的磁场为并联关系，励磁磁势形成的主磁通经定子极闭合，不通过永磁体，大大减小混合励磁结构永磁体被退磁的风险；

④永磁体之外定子极上电枢绕组匝链的磁通由永磁磁势和电励磁磁势共同决定，励磁电流可以有效控制气隙磁场，从而调节发电机输出电压在合理范围之内。

附图说明

图1是18/12极混合励磁双凸极无刷直流发电机截面示意图。

图2是实施例24/16极混合励磁双凸极无刷直流发电机截面示意图。

图3是实施例30/20极混合励磁双凸极无刷直流发电机截面示意图。

图1～图3中标号说明：1、电机定子铁心；2、永磁体；3、励磁线圈；4、第I套电枢绕组；5、第II套电枢绕组；6、第III套电枢绕组；7、转轴；8、转子铁心；9、机壳；Z1～Z18、定子极标号。

图4是绕组结构示意图。

图5是单路输出全桥整流电路原理图。

图6是单路输出共阴极零式整流电路原理图。

图7是单路输出共阳极零式整流电路原理图。

图4～图7中符号说明：A1、B1、C1-I套电枢绕组A、B、C相；A2、B2、C2-II套电枢绕组A、B、C相；An、Bn、Cn-n套电枢绕组A、B、C相；D1～D6，D21～D23，D31～D33、整流二极管；Udc、输出直流电压。

具体实施方式

本发明的混合励磁双凸极无刷直流发电机为3相电机时，一般结构为6N/4N极结构，即定子极数6N，转子极数4N，N为大于等于3的整数。图1为N等于3时的18/12极结构混合励磁双凸极无刷直流发电机，定子由机壳9及其内部的定子铁心1、安置于铁心轭部的永磁体2、以及嵌绕在定子槽内的励磁线圈3和电枢绕组4、5、6构成，转子由转轴7以及凸极转子铁心8构成。定子铁心内有四块永磁体，两两一组，两组永磁体位置相对对称排布，一组内两块永磁体之间相隔三个定子极，永磁体充磁方向沿圆周切向，且一组内两块永磁体呈聚磁作用，并保证其之间的三个定子极上磁通方向不变。一组内两块永磁体之间的三个定子极Z1、Z2、Z3上套装的电枢绕组与另一组内两块永磁体之间的三个定子极Z10、Z11、Z12上套装的电枢绕组按空间位置相对两两串联组成一相，即Z1与Z10上套装的电枢绕组串联成一相，Z2与Z11上套装的电枢绕组串联成一相，Z3与Z12上套装的电枢绕组串联成一相，共三相，构成电机的一套输出绕组4。

与两组永磁体各相隔三个定子极的定子槽内嵌绕有励磁线圈3，励磁线圈中电流方向如图中所标示时，在励磁线圈两侧的十二个定子极内，励磁磁势与永磁磁势呈并联关系，且提供的磁通方向相同，故励磁磁势起增磁作用；若励磁电流方向与图中标示相反，则励磁磁势与永磁磁势提供的磁通方向相反，励磁磁势起去磁作用，可见，励磁线圈两侧的十二个定子极上套装的电枢绕组5匝链的磁通大小受励磁电流双向调节作用，因而其感应电势具有宽广的调节范围。励磁线圈两侧的十二个定子极Z4～Z9、Z13～Z18上套装的电枢绕组按匝链磁通变化规律相同、位置相对原则，两两串联组成一相绕组，即Z4与Z13上电枢绕组串联成一相，Z5与Z14上电枢绕组串联成一相，Z6与Z15上电枢绕组串联成一相，该三相构成第II套电枢绕组5；Z7与Z16上电枢绕组串联成一相，Z8与Z17上电枢绕组串联成一相，Z9与Z18上电枢绕组串联成一相，该三相构成第III套电枢绕组6。整个电机共有三套三相电枢绕组输出。

另外，也可以将Z4、Z7、Z13、Z16四个极上电枢绕组串联成一相，将Z5、Z8、Z14、Z17四个极上电枢绕组串联成一相，将Z6、Z9、Z15、Z18四个极上电枢绕组串联成一相，构成一套三相电枢绕组，整个电机则有两套三相电枢绕组输出。

也可以将Z1、Z10、Z4、Z7、Z13、Z16四个极上电枢绕组串联成一相，将Z2、Z11、Z5、Z8、Z14、Z17四个极上电枢绕组串联成一相，将Z3、Z12、Z6、Z9、Z15、Z18四个极上电枢绕组串联成一相，构成一套三相电枢绕组，整个电机则只有一套三相电枢绕组输出。

作为一个实施例，图2给出了24/16极混合励磁双凸极无刷直流发电机截面图，电机定子内有四块永磁体，两两一组，相对排布，励磁线圈3也为两组，相对排布。按前述原则，四块永磁体之间的六个定子极上套装的电枢绕组4构成一套三相输出。励磁线圈两侧十八个定子极上套装的电枢绕组可以构成一套或两套或三套三相输出，同样，整个电机可以有一套、两套、三套或四套三相电枢绕组输出。另一个实施例，图3给出了30/20极混合励磁双凸极无刷直流发电机截面图，电机定子内有六块永磁体，每三个一组，相对排布，励磁线圈也为两组，相对排布。六块永磁体之间的十二个定子极上套装的电枢绕组构成一套或两套三相输出，另外十八个定子极上套装的电枢绕组也可构成一套、两套或三套三相输出，整个电机能够具有多达五套三相输出。可见，随电机定、转子极数增加，混合励磁双凸极无刷直流发电机内永磁体及励磁线圈数目可以灵活设计和变化，也可以有更多套三相电枢绕组输出。对于6N/4N极结构，三相电枢绕组输出套数最大可以为N。

电机的输出绕组结构如图4所示，各套输出相互独立。电机的每一套绕组三相输出既可以经过图5所示的桥式整流电路，也可以经过图6所示的共阴极零式整流电路或图7所示的共阳极零式整流电路整流后输出直流电，使电机能够输出多路直流电。

上述实施例中永磁体充磁方向沿圆周切向，依据同样原理，采用瓦片形径向充磁永磁体同样可以构成本发明的混合励磁双凸极无刷直流发电机。