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CN103001423A - 一种内外双定子电励磁双凸极起动发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的一种能有效利用转子内部和外部空间的双定子电励磁双凸极起动发电机，其单元电机为12/8/6极结构，即电机的外定子极数为12N，转子极数为8N，内定子极数为6N，N为自然数。电机外定子与转子为传统的6/4极单元电机极数匹配，外定子极弧系数为0.5。电机内定子与转子为6/8极单元电机极数匹配，内定子极弧系数为0.25。电机内外电枢绕组的相位差为60°电角度，可以实现较小的换相转矩脉动。本发明公开的起动发电机，充分利用扁平结构的起动发电机的内部空间，适合应用在汽车、小型内燃机等上作为起动发电机。

Description

一种内外双定子电励磁双凸极起动发电机
技术领域
本发明涉及一种内外双定子电励磁双凸极起动发电机，属于汽车起动发电机技术领域。
背景技术
电励磁双凸极电机是一种由位置传感器、电力电子功率变换器、励磁功率电路、控制器和凸极定转子结构的电机本体组成的新式电机。传统的电励磁双凸极电机的单元电机采用内转子的6N/4N极结构，定子极数为6N，转子极数为4N，N为自然数，表示单元电机数。由于转子极数较少，转速高，电机通常采用较大的长细比来提高电机功率，这种电机非常适合作为航空起动发电机。对于直升机、汽车等使用小型内燃机的应用场合，由于受到安装空间和最高转速的限制，往往需要将起动发电机设计为扁平状结构，即通过增加单元电机的个数来提高电机功率并降低电机最高效率时的转速，这样电机转子内部会有很大的空间将得不到有效利用。
目前已有的技术中，授权的中国发明专利：内外双定子双凸极无刷直流电机，授权号：200710020866.9，发明了一种外定子向内侧的凸极齿与内定子向外侧的凸极齿一一对应，且转子向外侧的凸极齿与转子向内侧的凸极齿两两错开60°/4N机械角的双凸极无刷直流电机，由双凸极电机结构知识知，该发明公布的电机内外定子的每相绕组导通宽度皆为120°电角度，定外定子的极弧系数皆为0.5，加上该电机采用的内外定子极数相等，因此电机内定子的绕组空间极小，限制了内定子励磁绕组和电枢绕组的匝数和线径，使得内定子部分发电和电动功率都很小。公告的发明专利：三相(6/4N/4N/6)k结构双定子双凸极电机，申请号：CN201110073792.1，公开了一种三相(6/4N/4N/6)k结构双定子双凸极电机，其中k为正整数，N为除3和3的倍数以外的正整数。公告的发明专利：航空器的双侧起动器/发电机，申请号：CN200710198905.4，公开了一种定子双侧有可转动支承外转子和内转子的航空器的双侧起动器/发电机，该机采用多个永磁体设置在外转子件的内表面上和内转子件的外表面上。公告的实用新型专利：一种双定子电机内定子的固定结构，申请号：CN201120011262.X，可以固定大型双定子电机的内定子的结构，该结构的内定子内壳和内定子铁芯装配有用于防止内定子铁芯转动的键，内定子铁芯点焊于内定子内壳的外表面上。
相对于已有技术来说，本发明公开的电机单元电机采用12/8/6极结构，内定子极数为外定子极数的一半，且内定子极弧系数小，在保证内、外定子各相绕组同步的同时提高了电机内部空间利用率。而上述相关文献提到的双定子双凸极电机，内定子极宽和转子内侧极极宽相等，内定子极所占空间大，用于缠绕励磁绕组的空间小，励磁效率低。同时，本发明公开的双定子双凸极电机虽然具有内定子三相绕组、外定子三相绕组共计六相绕组，但由于极弧系数和相位角设计合理，可以应用传统三相全桥变换器。总之，目前国内外尚未检索到单元电机采用12/8/6极结构电励磁双定子双凸极起动发电机。
发明内容
本发明针对现有发动机的使用环境和起动转速特性，提出了一种能充分利用扁平式电机的内部空间的双定子电励磁双凸极起动发电机，既可以起动发动机，又可以在起动后发电为发动机、汽车等提供电源。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种内外双定子电励磁双凸极起动发电机，包括内定子电枢绕组(1)、内定子励磁绕组(2)、轴(3)、内定子铁心(4)、转子铁心(5)、外定子铁心(6)、外定子励磁绕组(7)、外定子电枢绕组(8)和轴承(9)，其特征在于：所述电机的单元电机为12/8/6极结构，即电机的外定子极数为12N，转子内、外侧极数皆为8N，内定子极数为6N，N为自然数；内定子电枢绕组(1)和外定子电枢绕组(8)由同相位的线圈串联或并联组成，外定子铁心(6)各极上分别安装的A相、B相和C相三相外定子电枢绕组(8)为集中绕组，内定子铁心(4)各极上分别安装的D相、E相和F相三相内定子电枢绕组(1)也为集中绕组，外定子铁心(6)和内定子铁心(4)上分别缠绕的励磁线圈都跨三个定子极，相邻的励磁线圈绕向相反，电枢绕组的线圈绕向与匝链的励磁线圈一致；所述电机电机外定子铁心(6)的极弧系数为0.5，内定子铁心(4)的极弧系数为0.25，内定子铁心(4)和外定子铁心(6)固定在发动机壳体上，电机的转子铁心(5)在电机径向上位于内定子铁心(4)和外定子铁心(6)之间，转子铁心(5)在电机轴向上由伸出定子的一端固定在轴(3)上，轴(3)通过发动机壳体和电机端盖上的轴承(9)定位，可以带动转子铁心(5)旋转；所述电机的各相电枢绕组的相位差为60°电角度，即内、外定子齿之间的机械角度差和转子内侧、外侧齿之间的机械角度差相差360°/48N机械角。
由于所述电机齿槽设计的独特性，电机不仅可用两个传统的三相桥式变换器控制，还可以使用一个三相桥式变换器控制，具体方案是：外定子上的A相绕组的尾端接内定子上的D相绕组的尾端，外定子上的B相绕组的尾端接内定子上的E相绕组的尾端，外定子上的C相绕组的尾端接内定子上的F相绕组的尾端，外定子上的A、B、C三相绕组的首端分别接三相全桥变换器的三个桥臂中点，内定子上的D、E、F相绕组的首端接在一起。
本发明的有益效果如下：
本文提出的内外双定子电励磁双凸极起动发电机，裂比大，空间利用率高，比功率大。转子内侧极数和外侧极数相等，使得电机内电枢绕组和外电枢绕组具有相同的导通周期。由于电机气隙直径和定子极弧系数决定子齿宽和轭高，饱和励磁时齿宽决定最大磁通量，最大磁通量决定最大电感，最大电感对时间的导数决定电压和转矩。电机内定子采用6/8极单元电机的极数匹配，内定子极弧系数小，电机内定子具备较大的定子槽空间以安放绕组。由于设计的独特性，本发明公开设计的双定子双凸极电机虽然具有六相绕组，但可以应用传统三相全桥变换器。
附图说明
图1是本发明的有两个单元电机组成的内外双定子电励磁双凸极起动发电机结构图，其中：1、内定子电枢绕组；2.内定子励磁绕组；3、轴；4、内定子铁心；5、转子铁心；6、外定子铁心；7、外定子励磁绕组；8、外定子电枢绕组。
图2是本发明内外双定子电励磁双凸极起动发电机侧向剖视图，其中：1、内定子电枢绕组；2.内定子励磁绕组；3、轴；4、内定子铁心；5、转子铁心；6、外定子铁心；7、外定子励磁绕组；8、外定子电枢绕组；9、轴承；10、电机端盖；11、发动机壳体；12、内定子固定螺栓；
图3为本发明双凸极电机的三相全桥变换器拓扑。
图4为本发明双凸极电机的各相电感和电动运行时的各相电流。
图5为本发明双凸极电机采用传统的两个三相变换器的拓扑。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
如图1所示的内外双定子电励磁双凸极起动发电机结构图，包括包括内定子电枢绕组(1)、内定子励磁绕组(2)、轴(3)、内定子铁心(4)、转子铁心(5)、外定子铁心(6)、外定子励磁绕组(7)和外定子电枢绕组(8)。电机的外定子极数为24，转子内、外侧极数皆为16，内定子极数为12；电机外定子与转子采用传统的6/4极单元电机极数匹配，外定子极弧系数为0.5。电机内定子与转子采用新型的6/8极单元电机极数匹配，内定子极弧系数为0.25。外定子铁心(6)各极上分别安装的A相、B相和C相三相绕组为集中绕组，内定子铁心(4)各极上分别安装的D相、E相和F相三相电枢绕组也为集中绕组，外定子铁心(6)和内定子铁心(4)上的励磁绕组分别跨三个定子极。电机内、外电枢绕组的相位差为60°电角度，即内、外定子齿之间的机械角度差和转子内侧、外侧齿之间的机械角度差相差360°/48N机械角。
由于相邻的励磁线圈绕向相反，电枢绕组的线圈绕向也与匝链的励磁线圈一致，所以内定子与转子组成的磁路和外定子与转子组成的磁路互相独立，其中一组出现故障后不会对另一组构成影响，因此电机的容错能力强。
由于本发明的电机内定子极弧系数为0.25，内定子极弧系数小使得电机内定子具备较大的定子槽空间以安放励磁绕组。
图2所示的本发明内外双定子电励磁双凸极起动发电机侧向剖视图。内定子铁心(4)和外定子铁心(6)固定在发动机壳体(11)上，电机的转子铁心(5)在电机径向上位于内定子铁心(4)和外定子铁心(6)之间，转子铁心(5)在电机轴(3)向上由伸出定子的一端固定在轴(3)上，轴(3)通过发动机壳体(11)和电机端盖(10)上的轴承(9)固定，可以带动转子铁心(5)旋转。
本发明公开的起动发电机，充分利用扁平结构的起动发电机的内部空间，适合应用在汽车、小型内燃机等上作为起动发电机。
图3为本发明双凸极电机的三相全桥变换器拓扑。外定子上的A相绕组的尾端接内定子上的D相绕组的尾端，外定子上的B相绕组的尾端接内定子上的E相绕组的尾端，外定子上的C相绕组的尾端接内定子上的F相绕组的尾端，外定子上的A、B、C三相绕组的首端分别接三相全桥变换器的三个桥臂中点，内定子上的D、E、F相绕组的首端接在一起。
图4为本发明双凸极电机的各相电感和电动运行时的各相电流。由于电机各相相位角相差60°，因此图4中所示的各相电感的相位角相差60°。当A相的电感上升时，D相的电感正在下降，此时给A相通以正向电流，A相输出正的电磁转矩；给D相通以负向电流，D相输出正的电磁转矩。
图5为本发明双凸极电机采用传统的两个三相变换器的拓扑。内定子与转子组成的磁路和外定子与转子组成的磁路互相独立，因此电机也可以看作是两个三相电机，可以分别使用传统三相变换器控制。
其工作原理为：
在本电机励磁绕组上通有电流，此时在电机内部会建立起磁场，产生的磁通将经过定子轭部、定子齿部、空气隙、转子齿部、转子轭部形成闭合回路。
起动运行时:由于设计的独特性，本发明公开的的双定子双凸极电机可以应用传统三相全桥变换器，而无需采用两个三相变换器或6相变换器。注意到A相定子极开始与转子极啮合时正好处于D相定子极开始与转子极脱离的时刻，因此A相、B相、C相电流分别与D相、E相、F相电流相反，如图4所示。所以可以将D、E、F相绕组分别与A、B、C相绕组反接。这样电机利用传统三相全桥变换器便可以进行控制。由于A相定子极与转子极啮合时产生正的磁阻转矩，D相定子极与转子极脱离产生负的磁阻转矩，因此，A相与D相产生的磁阻转矩互相抵消，其总的转矩输出只包含励磁转矩部分，不包含磁阻转矩。
发电运行时：原动机带动本电机按一定方向旋转，三相电枢绕组匝链的磁链随着转子位置改变而变化，从而产生三相交变的感应电势。当其作为直流发电机时，用外接的三相全桥变换器整流输出直流电能供给各种电气负载或向蓄电池充电。

Claims (1)

1.一种内外双定子电励磁双凸极起动发电机，包括内定子电枢绕组(1)、内定子励磁绕组(2)、轴(3)、内定子铁心(4)、转子铁心(5)、外定子铁心(6)、外定子励磁绕组(7)、外定子电枢绕组(8)和轴承(9)，其特征在于：所述电机的单元电机为12/8/6极结构，即电机的外定子极数为12N，转子内、外侧极数皆为8N，内定子极数为6N，N为自然数；内定子电枢绕组(1)和外定子电枢绕组(8)由同相位的线圈串联或并联组成，外定子铁心(6)各极上分别安装的A相、B相和C相三相外定子电枢绕组(8)为集中绕组，内定子铁心(4)各极上分别安装的D相、E相和F相三相内定子电枢绕组(1)也为集中绕组，外定子铁心(6)和内定子铁心(4)上分别缠绕的励磁线圈都跨三个定子极，相邻的励磁线圈绕向相反，电枢绕组的线圈绕向与匝链的励磁线圈一致；所述电机电机外定子铁心(6)的极弧系数为0.5，内定子铁心(4)的极弧系数为0.25，内定子铁心(4)和外定子铁心(6)固定在发动机壳体上，电机的转子铁心(5)在电机径向上位于内定子铁心(4)和外定子铁心(6)之间，转子铁心(5)在电机轴向上由伸出定子的一端固定在轴(3)上，轴(3)通过发动机壳体和电机端盖上的轴承(9)定位，可以带动转子铁心(5)旋转；所述电机的各相电枢绕组的相位差为60°电角度，即内、外定子齿之间的机械角度差和转子内侧、外侧齿之间的机械角度差相差360°/48N机械角；
由于所述电机齿槽设计的独特性，电机不仅可用两个传统的三相桥式变换器控制，还可以使用一个三相桥式变换器控制，具体方案是：外定子上的A相绕组的尾端接内定子上的D相绕组的尾端，外定子上的B相绕组的尾端接内定子上的E相绕组的尾端，外定子上的C相绕组的尾端接内定子上的F相绕组的尾端，外定子上的A、B和C三相绕组的首端分别接三相全桥变换器的三个桥臂中点，内定子上的D、E和F相绕组的首端接在一起。
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Denomination of invention: A Double Salient Starting Generator with Internal and External Dual Stator Electric Excitation

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Denomination of invention: A dual stator internally and externally electrically excited doubly salient starting generator

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