永磁無刷直流發電機的整流方法及永磁無刷直流發電的製造方法
2023-05-06 19:17:06
永磁無刷直流發電機的整流方法及永磁無刷直流發電的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種永磁無刷直流發電機的整流方法，屬於永磁直流發電機【技術領域】。本發明將永磁同步發電機的多相電樞繞組根據實際需要進行分組，使得每一組中至少包含一套相互之間相位差為120°的可獨立工作的三相電樞繞組，並配合相應的整流電路，使得永磁無刷直流發電機具有高容錯性，同時降低整流器件中的電流應力和功率損耗。本發明還公開了一種永磁無刷直流發電機。相比現有技術，本發明具有更強的容錯性能和更高的能量轉換效率。
【專利說明】永磁無刷直流發電機的整流方法及永磁無刷直流發電機
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種永磁無刷直流發電機的整流方法，尤其涉及一種利用多相繞組分組整流的整流方法以及利用該整流方法的永磁無刷直流發電機，可用於實現高可靠不中斷供電，屬於永磁直流發電機【技術領域】。
【背景技術】
[0002]永磁同步電機採用永磁體勵磁，消除了電勵磁同步電機所具有的勵磁損耗的同時，並且省去了滑環和電刷等機械接觸裝置，實現了無刷結構，具有結構簡單、運行可靠、功率密度大和運行效率高等多項顯著優點。
[0003]儘管永磁同步發電機製成後電壓調節困難，但在一些特殊應用場合，如應急電源系統中，可以利用其輸出電壓變化範圍小、固有電壓調整率較低、外特性硬的特性。尤其是直流電源系統中，負荷功率因數高，電機電樞反應去磁作用不強，因此，如果發電機結構參數設計合理、準確，輸出電壓範圍符合要求，則發電機輸出經過不控整流後可以直接作為直流用電負荷的供電電源，不需額外增加具有調壓功能的功率裝置，簡化系統結構，提高系統工作可靠性。
[0004]發電機系統中，提高發電機轉速可以減小電機的體積重量，增大功率密度。為了使永磁無刷直流發電機的輸出外特性較硬，可以通過增大電機極對數來減小電樞反應磁勢。但是隨著電機轉速與極對數的增加，感應電動勢頻率也會成倍地增加，會引起了電機定轉子內鐵損的隨之增加。為解決此問題，有研究者提出採用6相相移30°雙Y整流，其電路結構如附圖1所示，該技術可以有效地降低電樞磁勢在5、7等高次諧波的諧波含量，從而來減小轉子表面的渦流損耗已經輸出的直流電壓紋波。但是，因為在這個整流電路中二極體數目有12個，其中的穩態電流應力為負載電流的一半，所以整個整流部分的功率損耗比較大，尤其在低壓大電流的應用場合，附加散熱器體積重量大，才能保證發電系統的正常可靠工作。此外，上述6相雙Y繞組結構中，電機的相鄰兩相輸出接於不同的整流橋，若相鄰兩相同時故障，則整流輸出電壓必然出現明顯畸變，因此容錯性能難以充分發揮。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題在於克服現有技術不足，提供一種永磁無刷直流發電機的整流方法以及使用該整流方法的永磁無刷直流發電機，在大幅減小整流器電流應力和功率損耗的同時，還具有極強的容錯能力。
[0006]本發明具體採用以下技術方案:
一種永磁無刷直流發電機的整流方法，所述永磁無刷直流發電機包括永磁同步發電機，所述永磁同步發電機包括3#相電樞繞組，每相電樞繞組分別具有第一端和第二端，#為大於等於2的整數；將所述3#相電樞繞組的3#個第一端分別與共陽極連接的3#個低電位整流二極體的陰極一一對應地連接，這:W個低電位整流二極體的陽極公共點作為所述永磁無刷直流發電機的低電位輸出端；以每三相相互之間相位差為120°的電樞繞組作為一套獨立工作繞組，將所述:W相電樞繞組等分為至少兩組，每組包含至少一套獨立工作繞組，且每組所包含的獨立工作繞組套數相同；將每一組中各相電樞繞組的第二端共同連接於一個與該組相對應的高電位整流二極體的陽極，並將各組所對應的高電位整流二極體的陰極連接於一個公共端，該公共端作為所述永磁無刷直流發電機的高電位輸出端。
[0007]一種永磁無刷直流發電機，包括永磁同步發電機，所述永磁同步發電機包括3#相電樞繞組，每相電樞繞組分別具有第一端和第二端，#為大於等於2的整數；所述:W相電樞繞組的3#個第一端分別與共陽極連接的3#個低電位整流二極體的陰極一一對應地連接，這3#個低電位整流二極體的陽極公共點作為所述永磁無刷直流發電機的低電位輸出端；以每三相相互之間相位差為120°的電樞繞組作為一套獨立工作繞組，所述3#相電樞繞組被等分為至少兩組，每組包含至少一套獨立工作繞組，且每組所包含的獨立工作繞組套數相同；每一組中各相電樞繞組的第二端共同連接於一個與該組相對應的高電位整流二極體的陽極，各組所對應的高電位整流二極體的陰極連接於一個公共端，該公共端作為所述永磁無刷直流發電機的高電位輸出端。
[0008]優選地，所述3#相電樞繞組為3#相整距電樞繞組或3#相分數槽集中電樞繞組。
[0009]優選地，所述#的值為3或4，亦即所述永磁同步發電機採用9相相移40°電樞繞組或12相相移30°電樞繞組。
[0010]相比現有技術，本發明具有以下有益效果:
(I)本發明由於採用多相分組整流的方法，每組中至少包含一套可獨立工作的繞組，當部分電樞繞組開路時，只要有一組中的一套獨立工作繞組正常，即可保證輸出電壓質量；在每組內存在繞組端部短路和相間短路時，輸出電壓畸變小，仍然能夠保證輸出電壓質量，因此本發明的永磁無刷直流發電機具有極高的容錯性；
(2 )本發明的整流器件中的電流應力和功率損耗小，能量轉換效率更高，且由於整流器件所產生的發熱量小，可直接利用電機端蓋或機殼散熱，實現整個無刷直流發電機系統集成，減小系統體積重量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1是現有永磁無刷直流電機的6相雙Y整流電路；
圖2是四對極48槽整距分布電樞繞組永磁同步電機槽電勢星形圖；
圖3是本發明的12相分兩組永磁無刷直流發電機整流電路；
圖4是本發明的12相分四組永磁無刷直流發電機整流電路；
圖5是本發明的6相分兩組永磁無刷直流發電機整流電路；
圖6是四對極36槽分數槽集中電樞繞組永磁同步電機槽電勢星形圖；
圖7是本發明的9相分三組永磁無刷直流發電機整流電路。
【具體實施方式】
[0012]下面結合附圖對本發明的技術方案進行詳細說明:
永磁同步發電機由定子與轉子兩部分組成，定子部分由定子鐵心及嵌繞於其槽內的電樞繞組構成，定子鐵心由矽鋼片疊壓而成。轉子由磁化永磁體、轉子導磁體及轉軸組成。永磁體可以採用切向磁鋼或者徑向磁鋼結構。[0013]本發明的思路是將永磁同步發電機的多相電樞繞組根據實際需要進行分組，使得每一組中至少包含一套相互之間相位差為120°的可獨立工作的三相電樞繞組，並配合相應的整流電路，使得永磁無刷直流發電機具有高容錯性，同時降低整流器件中的電流應力和功率損耗。[0014]為了便於公眾理解，下面以具體實施例來對本發明的技術方案進行詳細說明。
[0015]實施例一、
本實施例中永磁同步發電機為四對極48槽整距分布電樞繞組永磁同步電機,其槽電勢星形圖如圖2所示，從圖中可以看出該永磁同步發電機採用12相相移30°電樞繞組，12相電樞繞組分別為A1、A2、B1、B2、C1、C2、X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2。支路Al由I號槽、13號槽、25號槽、37號槽繞組串聯形成，其他11相繞組依據同樣原理構成。電樞繞組採用整距分布形式，繞組節距為6，理想情況下，相繞組電勢為頂寬120°的梯形波。將這12相電樞繞組分為兩組4132、81、82、(:1、02共6相繞組為第一組，乂1、乂2、￥1、￥2、21、22另6相繞組為第二組。其中第一組中的Al、B1、Cl三相繞組，以及A2、B2、C2三相繞組，相互之間相位差為120°，分別構成一套可獨立工作的繞組；類似的，第二組中的X1、Y1、Z1，以及X2、Y2、Z2，分別構成一套可獨立工作的繞組。
[0016]該永磁同步發電機所對應的分組整流電路如圖3所示，包括D21~D34共14個整流二極體，其中，D2fD32總共12個整流二極體的陽極連接在一起，形成一個公共點，為輸出直流電壓Udc的低電位端，可直接連接於發電機的端蓋或機殼(相當於接地)，並利用發電機端蓋或殼體散熱；021132這12個整流二極體的陰極分別與12相繞組麼142、81、82、(:1、C2、X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2的一端連接。第一組中的Al、A2、B1、B2、Cl、C2這6相繞組的另一端均與整流二極體D33的陽極連接在一起，第二組中的X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2這6相繞組的另一端均與整流二極體D34的陽極連接在一起。整流二極體D33、D34的陰極連接於一個公共端，該公共端為輸出直流電壓Udc的高電位。
[0017]當第一組中的A1、A2、B1、B2、C1、C2這6相繞組中，有低於6相的若干相發生斷路故障，甚至6相繞組均發生斷路故障，只要第二組中的X1、X2、Yl、Y2、Zl、Z2這6相繞組以及與其相連的D27~D32、D34 二極體仍正常工作，第二組中的整流電路部分仍能產生正常的輸出電壓，保證輸出電壓質量。該原理在第二組繞組發生類似故障，但第一組仍正常工作時仍適用。
[0018]實施例二、
仍以圖2所示的四對極48槽整距分布電樞繞組永磁同步電機為例，根據本發明的技術方案，其12相相移30°電樞繞組還可分為4組，Al、B1、Cl共3相繞組為一組，A2、B2、C2共3相繞組為一組，X1、Y1、Z1共3相繞組為一組，X2、Y2、Z2共3相繞組為一組。
[0019]該永磁同步發電機所對應的分組整流電路如圖4所示，包括D35~D50共16個整流二極體，與實施例一中類似，其中的D35~D46總共12個整流二極體的陽極連接在一起，形成一個公共點，為輸出直流電壓Udc的低電位端，可直接連接於發電機的端蓋或機殼(相當於接地)，並利用發電機端蓋或殼體散熱；D35~D46這12個整流二極體的陰極分別與12相繞組 A1、A2、B1、B2、C1、C2、X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2 的一端連接。AUBUCl 共 3 相繞組的另一端均與整流二極體D47的陽極連接在一起，A2、B2、C2共3相繞組的另一端均與整流二極體D48的陽極連接在一起，XUYUZl共3相繞組的另一端均與整流二極體D49的陽極連接在一起，X2、Y2、Z2共3相繞組的另一端均與整流二極體D50的陽極連接在一起。四個整流二極體D47?D50的陰極連接於一個公共端，該公共端為輸出直流電壓Udc的高電位。
[0020]當第一組中的Al、B1、Cl這3相繞組中，有低於3相的若干相發生斷路故障，甚至3相繞組均發生斷路故障，只要其餘三組中的3相繞組以及與其相連的二極體仍正常工作，該組中的整流電路部分就仍能產生正常的輸出電壓，保證輸出電壓質量；甚至在四組中有三組中發生短路故障，只要剩下的一組中的3相繞組以及與其相連的二極體仍正常工作，該組中的整流電路部分就仍能產生正常的輸出電壓，保證輸出電壓質量。
[0021]實施例三、
本實施例中以6相電樞繞組為例。為簡便起見，仍以圖2所示的四對極48槽整距分布電樞繞組永磁同步電機為例，根據圖2可知，當並聯支路數為I時，由於Al和Xl相繞組電勢方向相反，可以將A1、X1相繞組反向並聯以構成Al-Xl相繞組，一個支路Al由I號槽、13號槽、25號槽、37號槽繞組串聯形成；另一支路Xl由7號槽、19號槽、31號槽、43號槽繞組串聯形成。其他5相繞組B1-Y1、C1-Z1、A2-X2、B2-Y2、C2-Z2可以依據同理構成，共6相繞組。這樣就將原永磁同步電機的12相相移30°電樞繞組重組為一個6相相移60°電樞繞組。根據同樣的原理，6相相移60°電樞繞組也可以分裂為12相相移30°電樞繞組。重組得到的6相相移60°電樞繞組被分為兩組，A1-X1、B1-YUCl-ZI為一組，A2-X2、B2-Y2、C2-Z2為一組，分別包括一套可獨立工作的繞組。
[0022]該永磁同步發電機所對應的分組整流電路如圖5所示，包括D13?D20共8個整流二極體，其中D13?D18總共6個整流二極體的陽極連接在一起，形成一個公共點，為輸出直流電壓Udc的低電位端，可直接連接於發電機的端蓋或機殼(相當於接地)，並利用發電機端蓋或殼體散熱；D13?D18這6個整流二極體的陰極分別與6相繞組A1-X1、B1-Y1、C1-Z1、A2-X2、B2-Y2、C2-Z2的一端連接。A1_X1、B1-Y1、C1_Z1這3相繞組的另一端均與整流二極體D19的陽極連接，A2-X2、B2-Y2、C2-Z2這三相繞組的另一端均與整流二極體D20的陽極連接。兩個整流二極體D19、D20的陰極連接於一個公共端，該公共端為輸出直流電壓Udc的高電位。
[0023]當第一組中Al-Xl、Bl-YUCl-Zl這3相繞組中，有低於3相的若干相發生斷路故障，甚至3相繞組均發生斷路故障，只要第二組中的A2-X2、B2-Y2、C2-Z2這3相繞組以及與其相連的D16?D18、D20 二極體仍正常工作，第二組中的整流電路部分仍能產生正常的輸出電壓，保證輸出電壓質量。該原理在第二組繞組發生類似故障，但第一組仍正常工作時仍適用。
[0024]實施例四、
本實施例中以9相電樞繞組為例。以圖6所示的四對極36槽分數槽集中電樞繞組永磁同步電機槽電勢星形圖為例，從圖中可以看出該永磁同步發電機採用9相相移40°電樞繞組，9相電樞繞組分別為六3、麼4、麼5、83、84、85、03、04、05。支路A3由I號槽、10號槽、19號槽、28號槽繞組串聯形成，其他八相繞組依據同樣原理構成。因為電樞繞組採用分數槽集中繞組分布形式，電樞繞組直接套在每個定子齒上。理想情況下，相繞組電勢為頂寬120°的梯形波。將這9相電樞繞組分為三組:A3、B3、C3共3相繞組為第一組，A4、B4、C4共3相繞組為第二組，A5、B5、C5共3相繞組為第三組。其中第一組中的A3、B3、C3三相繞組相互之間相位差為120°，分別構成一套可獨立工作的繞組；類似的，第二組中的A4、B4、C4繞組，以及A5、B5、C5繞組，分別構成一套可獨立工作的繞組。
[0025]該永磁同步發電機所對應的分組整流電路如圖7所示，包括D51?D62共12個整流二極體，與實施例一中類似，其中的D5fD59總共9個整流二極體的陽極連接在一起，形成一個公共點，為輸出直流電壓Udc的低電位端，可直接連接於發電機的端蓋或機殼(相當於接地)，並利用發電機端蓋或殼體散熱；D5fD59這9個整流二極體的陰極分別與9相繞組A3、A4、A5、B3、B4、B5、C3、C4、C5的一端連接。A3、B3、C3共3相繞組的另一端均與整流二極體D60的陽極連接在一起，A4、B4、C4共3相繞組的另一端均與整流二極體D61的陽極連接在一起，A5、B5、C5共3相繞組的另一端均與整流二極體D62的陽極連接在一起。三個整流二極體D60?D62的陰極連接於一個公共端，該公共端為輸出直流電壓Udc的高電位。
[0026]當第一組中的A3、B3、C3這3相繞組中，有低於3相的若干相發生斷路故障，甚至3相繞組均發生斷路故障，只要其餘兩組組中的3相繞組以及與其相連的二極體仍正常工作，該組中的整流電路部分就仍能產生正常的輸出電壓，保證輸出電壓質量；甚至在三組中有兩組中發生短路故障，只要剩下的一組中的3相繞組以及與其相連的二極體仍正常工作，該組中的整流電路部分就仍能產生正常的輸出電壓，保證輸出電壓質量。
【權利要求】
1.一種永磁無刷直流發電機的整流方法，所述永磁無刷直流發電機包括永磁同步發電機，所述永磁同步發電機包括3#相電樞繞組，每相電樞繞組分別具有第一端和第二端，#為大於等於2的整數；其特徵在於，將所述3#相電樞繞組的3#個第一端分別與共陽極連接的3#個低電位整流二極體的陰極--對應地連接，這3#個低電位整流二極體的陽極公共點作為所述永磁無刷直流發電機的低電位輸出端；以每三相相互之間相位差為120°的電樞繞組作為一套獨立工作繞組，將所述:W相電樞繞組等分為至少兩組，每組包含至少一套獨立工作繞組，且每組所包含的獨立工作繞組套數相同；將每一組中各相電樞繞組的第二端共同連接於一個與該組相對應的高電位整流二極體的陽極，並將各組所對應的高電位整流二極體的陰極連接於一個公共端，該公共端作為所述永磁無刷直流發電機的高電位輸出端。
2.如權利要求1所述永磁無刷直流發電機的整流方法，其特徵在於，所述3#相電樞繞組為3#相整距電樞繞組或3#相分數槽集中電樞繞組。
3.如權利要求1所述永磁無刷直流發電機的整流方法，其特徵在於，所述#的值為3或4。
4.一種永磁無刷直流發電機，包括永磁同步發電機，所述永磁同步發電機包括3#相電樞繞組，每相電樞繞組分別具有第一端和第二端，#為大於等於2的整數；其特徵在於，所述3#相電樞繞組的3#個第一端分別與共 陽極連接的3#個低電位整流二極體的陰極一一對應地連接，這3#個低電位整流二極體的陽極公共點作為所述永磁無刷直流發電機的低電位輸出端；以每三相相互之間相位差為120°的電樞繞組作為一套獨立工作繞組，所述3#相電樞繞組被等分為至少兩組，每組包含至少一套獨立工作繞組，且每組所包含的獨立工作繞組套數相同；每一組中各相電樞繞組的第二端共同連接於一個與該組相對應的高電位整流二極體的陽極，各組所對應的高電位整流二極體的陰極連接於一個公共端，該公共端作為所述永磁無刷直流發電機的高電位輸出端。
5.如權利要求4所述多相分組整流永磁容錯無刷直流發電機，其特徵在於，所述3#相電樞繞組為3#相整距電樞繞組或3#相分數槽集中電樞繞組。
6.如權利要求4所述多相分組整流永磁容錯無刷直流發電機，其特徵在於，所述#的值為3或4。
【文檔編號】H02K11/00GK103683686SQ201310584930
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月19日 優先權日:2013年11月19日
【發明者】張卓然, 俞文俊, 於立, 耿偉偉, 戴冀, 嚴仰光 申請人:南京航空航天大學