新一代直流發電機的製作方法

2023-05-19 04:13:56

專利名稱：新一代直流發電機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種新一代直流發電機。
背景技術：
傳統的直流發電機和電動機一樣都是有維護複雜的機械換向部件(電刷和換向器)，近代已很少採用，實際上標準的三相同步發電機發出三相交流電經三相全波整流就可以提供不錯的直流電源。所以通常所說的無刷直流發電機，往往是典型的三相交流同步發電機加上三相全波整流器的系統。近代的設計為了追求節能高效，則廣泛採用轉子為永磁體的結構，避免或節省了勵磁繞組的銅損耗。這種直流發電系統有如下的不足1、三相全波整流後的直流電壓仍有較明顯的紋波；2、三相交流同步發電機的繞組電感或電樞反應起限制功率輸出的作用，特別是電勵磁情況下；3、轉子採用永磁磁極時，調節複雜，在變速要求穩壓的系統中只能採用主繞組斬波控制的方法來實現，主電路斬波控制使電路損耗加大， 系統成本增加；4、主電路斬波控制可保持直流輸出電壓穩定，但繞組內的反電勢在高速時仍很高，提高了對繞組絕緣的要求，降低了系統的可靠性；5、在高速運行範圍內伴隨著反電勢不斷升高，定子鐵芯損耗也顯著增大，削弱了永磁電機節省勵磁損耗及提高效率的作用。

實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是如何克服現有技術的上述缺陷，提供一種新一代直流發電機。為解決上述技術問題，新一代直流發電機技術方案(一)它包括轉子、定子和換向器，定子包括定子鐵芯、定子繞組、防護罩和端蓋，轉子上有P對磁極，定子鐵芯的槽數為Ns，定子繞組包括Ns個線圈，且Ns > 5p，其特徵在於所述線圈依次首尾相連，接成Ns邊形的電樞內部環路，並引出Ns個繞組端，所述換向器為電子換向器，該電子換向器包括Ns個橋臂電路，每個橋臂由兩個二極體順次串聯而成，每個繞組端分別與一個橋臂電路的中點相接，所有上橋臂二極體的負極相互連接在一起，構成發電機的正輸出端；所有下橋臂二極體的正極相互連接在一起，構成發電機的負輸出端，所述二極體為功率半導體二極體。新一代直流發電機技術方案(二)它包括轉子、定子和換向器，定子包括定子鐵芯、定子繞組、防護罩和端蓋，轉子上有P對磁極，定子鐵芯的槽數為Ns，定子繞組包括Ns個線圈，且Ns > 5p，其特徵在於定子繞組均分為a個繞組部分，每個繞組部分包括Ns/ a線圈，Ns/ a個線圈首尾相接成a個Ns / a邊形，並聯在一起後引出Ns/ a個繞組端，a為定子鐵芯槽數Ns和磁極對數ρ的公約數， 所述換向器為電子換向器，該電子換向器包括Ns / a個橋臂電路，每個橋臂由兩個二極體順次串聯而成，每個繞組端分別與一個橋臂電路的中點相接，所有上橋臂二極體的負極相互連接在一起，構成發電機的正輸出端；所有下橋臂二極體的正極相互連接在一起，構成發電機的負輸出端，所述二極體為功率半導體二極體，a為定子鐵芯的槽數Ns和轉子磁極對數P的公約數。在機械結構上，電子換向器可以和發電機本體做成一體，也可以做成一個獨立的部件。如此設計，電子換向過程不需要外加信號控制，由繞組內部電路的反電勢(EMF)組合決定整流橋電路中二極體的導通和截止，自動完成換向過程；Ns個電樞線圈在任一瞬間都可以分成對應於轉子N極下和S極下各P個組，每一組為Ns / 2p個相鄰線圈，它們EMF的極性相同，相鄰組在相鄰極下極性相反，總共構成2p 條電樞繞組內部並聯支路，支路EMF的總和導致支路二端二極體導通向外輸出直流電壓和電流，轉子旋轉時，對應轉子N極或S極下的電樞線圈不斷改變，構成每一條支路的電樞繞組線圈跟著變化，電流換向過程自動完成。作為優化，所述轉子的磁極為永磁磁極。作為優化，所述轉子磁極為電勵磁磁極。作為優化，其還包括勵磁調節電路，該勵磁調節電路包括指令輸入單元、輸出檢測信號單元和功率放大單元，以上部件均與控制單元相連，功率放大單元又與電勵磁磁極的勵磁線圈相連。在機械結構上，勵磁調節電路可以與電子換向器部件做成一體，也可以做成獨立部件。作為優化，所述輸出檢測信號單元包括電壓檢測電路和/或電流檢測電路和/或轉速檢測電路，以上部件均與控制單元相連。如此設計，可以根據發電機的輸出量(如電壓、 電流、功率)與給定值的比較來控制勵磁繞組的電流，可以方便地調節或穩定發電機的輸出量。本新一代直流發電機可輸出無明顯紋波的直流電，具有勵磁調節簡單、方便、成本低，定子鐵芯損耗小的優點，是現有直流發電機理想的換代產品。
以下結合附圖對本新一代直流發電機作進一步說明附

圖1為本新一代直流發電機的總體結構示意圖；附圖2為本新一代直流發電機的轉子衝片圖；附圖3為本新一代直流發電機的電樞繞組圖；附圖4為本新一代直流發電機的電樞繞組內部電路圖；圖5為本新一代直流發電機的電子換向器部件與電樞繞組各單元間的連接圖；附圖6為新一代直流發電機繞組1單元線圈的中心線與磁極中心線重合示意圖；附圖7為新一代直流發電機勵磁調節電路原理框圖。圖1中1為前軸承；2為前端蓋；3為定子；4為轉子；5為後軸承；6為後端蓋； 7為電刷和滑環組件；8為勵磁調節電路；9為外部控制信號；10為電壓電流等反饋信號；11 為電子換向器；12為繞組引出線。
具體實施方式
實施方式一如圖1-7所示，新一代直流發電機包括轉子4、定子3和換向器，定子3包括定子鐵芯、定子繞組、防護罩和端蓋，轉子4上有四對磁極，定子鐵芯的槽數為36，定子繞組包括36個線圈。定子繞組均分為4個繞組部分，每個繞組部分包括9NS/ a線圈，9 個線圈首尾相接成9邊形，4個繞組部分(9邊形)並聯在一起後引出9個繞組端，如圖4所示，依次標號為1、3、5、7、9、2、4、6和8如圖3所示。所述換向器為電子換向器，該電子換向器包括9橋臂電路，每個橋臂由兩個二極體順次串聯而成，每個繞組端分別與一個橋臂電路的中點相接，所有上橋臂二極體的負極相互連接在一起，構成發電機的正輸出端；所有下橋臂二極體的正極相互連接在一起，構成發電機的負輸出端，所述二極體為功率半導體二極體。每個繞組單元都有對應的電子換向半導體開關元件組，是接在發電機正負電壓輸出端之間的二極體半橋電路，共有9個半橋電路，9個繞組輸出端接在相應半橋電路的中點，如圖5所示。所述轉子磁極為電勵磁磁極，其鐵芯由帶極的電工鋼衝片疊成。新一代直流發電機還包括勵磁調節電路，該勵磁調節電路包括指令輸入單元、輸出檢測信號單元和功率放大單元，以上部件均與控制單元相連，功率放大單元又與電勵磁磁極的勵磁線圈相連。所述輸出檢測信號單元包括電壓檢測電路、電流檢測電路和轉速檢測電路，以上部件均與控制單元相連。如果選用永磁磁極，則不需要勵磁磁極及勵磁調節電路。在電子換向器中，某一個上橋臂二極體導通時，相應繞組單元的電流通向發電機的正端輸出，而某一下橋臂二極體導通時，則使相應繞組單元反嚮導通。二極體的導通與截止並不需要外加的訊號來控制，它是受二極體兩端的電位差決定的，當二極體有正向電壓降時便導通，有反向電壓差時便截止。與電樞各繞組單元相連接的電子整流器……二極體電路，各個節點的電位分布由電樞繞組單元EMF分布決定，與各繞組單元與轉子磁極的相對位置有關，所以電子整流器中二極體的導通與截止實質上仍是受轉子位置訊號控制的， 是受磁極位置決定的EMF信號的組合來控制。電機旋轉時電樞繞組是靜止的，轉子磁極是運動的。設在t時刻繞組1單元線圈的中心線與磁極中心線重合，如圖6所示，這時1單元內EMF的瞬時值恰為零，假設是上升過程的過零點，可以看出這時3、5、7和9單元內EMF的瞬時值為正，2、4、6和8內EMF的瞬時值為負，用箭頭標示EMF的正負方向在圖6中。在t時刻前，各繞組單元的EMF如圖5中的實線箭頭所示，不難看出在繞組電路中電壓差最大的是9單元的尾端和1單元的尾端之間， 於是二極體2和二極體-導通，其他二極體便不可能導通。在t時刻後，各繞組單元的EMF如圖5中的虛線箭頭所示，不難看出在繞組電路中電壓差最大的是9單元的尾端和1單元的首端之間，於是二極體2和二極體1導通，其他二極體便不可能導通。可以清楚地看出，電樞繞組自然形成了二條支路，EMF 瞬時值為正的單元為一條支路，EMF瞬時值為負的單元為另一條支路。同時還可以看出繞組的1單元在t時刻正處在換向過程中，它的EMF的瞬時值從負到零，再到正，完成了從一條支路到另一條支路的換向。轉子轉過20°電角度時，繞組單元2的EMF=O,進行電流換向， 再轉過20°電角度繞組單元3的EMF=O,進行電流換向，……於是繞組單元按1、§、3、4、5、
g、7、§、9、 、2、§、4、3、6巧、8、9、1…的順序依次換向，轉子轉過一對極距的18種狀態為循環，其中1、3、5、7、9、2、4、6和8表示繞組單元內電流由負變正的換向，2>4>6>8>1>3 、虧、，和P則表示繞組單元內電流由正變負的換向。勵磁調節電路的功能是根據外部給定的指令信號自動的控制發電機的輸出，其原理框圖如圖7所示。現將各部分說明如下1)、控制單元。是勵磁調節電路的核心，它根據得到的指令信號和反饋信號，經過計算和比較，輸出勵磁電流調節信號，可以用單片機、DSP數位訊號處理器，或電阻、電容、運算放大器、比較器來實現；2)、控制指令。來自上位機或外圍電路，可以通過導線、光電隔離器件、無線遙控電路、紅外遙控電路、CAN總線通訊、485通訊等方式將控制指令傳輸到勵磁調節電路的控制單元。控制指令可以是轉速、發電機輸出電壓、輸出電流、輸出功率；3)電壓反饋信號。是指發電機輸出端的電壓信號，可以用電阻分壓或電壓傳感器獲得；4)電流反饋信號。是指發電機輸出端的電流信號，可以用採樣電阻或電流傳感器獲得；5)轉速反饋信號。是指發電機的轉速，或與發電機有機械傳動耦合的轉動部件的轉速。轉速反饋信號可以是數位訊號或模擬信號，可以用直流測速發電機、旋轉變壓器、光電編碼器，或霍爾元件等獲得轉速信號；6)、功率放大器。勵磁調節電路的控制單元只能輸出控制勵磁電流的弱電信號，因此需要經過功率放大才能提供發電機需要的勵磁電流。功率放大器輸出給勵磁繞組的電壓可以是電壓大小可調的模擬直流電壓，也可以是PWM調製電壓。以上是將36個定子線圈分成4個對稱的繞組部分，每個繞組部分有9個線圈，首尾相接為9邊形，4個9邊形並聯在一起後引出9個繞線端，用9個橋臂電路整流後輸出。當然也可以直接將36個定子線圈首尾相接為36邊形，引出36個繞線端，用36個橋臂電路整流後引出，其餘結構如實施式一所述，略。
權利要求1.一種新一代直流發電機，包括轉子、定子和換向器，定子包括定子鐵芯、定子繞組、 防護罩和端蓋，轉子上有P對磁極，定子鐵芯的槽數為Ns，定子繞組包括Ns個線圈，且Ns ^ 5p，其特徵在於所述線圈依次首尾相連，接成Ns邊形的電樞內部環路，並引出Ns個繞組端，所述換向器為電子換向器，該電子換向器包括隊個橋臂電路，每個橋臂由兩個二極體順次串聯而成，每個繞組端分別與一個橋臂電路的中點相接，所有上橋臂二極體的負極相互連接在一起，構成發電機的正輸出端；所有下橋臂二極體的正極相互連接在一起，構成發電機的負輸出端，所述二極體為功率半導體二極體。
2.如權利要求1所述的新一代直流發電機，其特徵在於所述轉子的磁極為永磁磁極。
3.如權利要求1所述的新一代直流發電機，其特徵在於所述轉子磁極為電勵磁磁極。
4.如權利要求3所述的新一代直流發電機，其特徵在於其還包括勵磁調節電路，該勵磁調節電路包括指令輸入單元、輸出檢測信號單元和功率放大單元，以上部件均與控制單元相連，功率放大單元又與電勵磁磁極的勵磁線圈相連。
5.如權利要求4所述的新一代直流發電機，其特徵在於所述輸出檢測信號單元包括電壓檢測電路和/或電流檢測電路和/或轉速檢測電路，以上部件均與控制單元相連。
6.一種新一代直流發電機，包括轉子、定子和換向器，定子包括定子鐵芯、定子繞組、 防護罩和端蓋，轉子上有P對磁極，定子鐵芯的槽數為Ns，定子繞組包括Ns個線圈，且Ns ^ 5p，其特徵在於定子繞組均分為a個繞組部分，每個繞組部分包括Ns/ a線圈，Ns/ a個線圈首尾相接成afNs/ a邊形，並聯在一起後引出Ns/ a個繞組端，a為定子鐵芯槽數Ns和磁極對數P的公約數，所述換向器為電子換向器，該電子換向器包括Ns / a個橋臂電路，每個橋臂由兩個二極體順次串聯而成，每個繞組端分別與一個橋臂電路的中點相接，所有上橋臂二極體的負極相互連接在一起，構成發電機的正輸出端；所有下橋臂二極體的正極相互連接在一起，構成發電機的負輸出端，所述二極體為功率半導體二極體，a為定子鐵芯的槽數Ns和轉子磁極對數ρ的公約數。
7.如權利要求6所述的新一代直流發電機，其特徵在於所述轉子的磁極為永磁磁極。
8.如權利要求6所述的新一代直流發電機，其特徵在於所述轉子磁極為電勵磁磁極。
9.如權利要求8所述的新一代直流發電機，其特徵在於其還包括勵磁調節電路，該勵磁調節電路包括指令輸入單元、輸出檢測信號單元和功率放大單元，以上部件均與控制單元相連，功率放大單元又與電勵磁磁極的勵磁線圈相連。
10.如權利要求9所述的新一代直流發電機，其特徵在於所述輸出檢測信號單元包括電壓檢測電路和/或電流檢測電路和/或轉速檢測電路，以上部件均與控制單元相連。
專利摘要本實用新型涉及一種新一代直流發電機。現有直流發電機輸出電壓有明顯紋波、鐵損大。為此，本新一代直流發電機包括轉子、定子和電子換向器，轉子上有p對磁極，定子鐵芯的槽數為NS，定子繞組包括NS個線圈，所述線圈依次首尾相連，接成NS或NS/a邊形的電樞內部環路，並引出NS或NS/a個繞組端，所述電子換向器包括NS或NS/a個橋臂電路，每個橋臂由兩個二極體順次串聯而成，每個繞組端分別與一橋臂電路的中點相接，所有上橋臂二極體的負極、正極分別相互連接在一起，構成發電機的正、負輸出端。本新一代直流發電機輸出電壓無明顯紋波，具有調節方便、鐵芯損耗小的優點，是現有直流發電機理想的換代產品。
文檔編號H02K29/00GK202059303SQ20112016770
公開日2011年11月30日 申請日期2011年5月24日 優先權日2011年5月24日
發明者王宗培, 陳敏祥 申請人:珠海運控電機有限公司