CN101291098A - 混合励磁补偿脉冲发电机 - Google Patents

Abstract

混合励磁补偿脉冲发电机，涉及混合励磁的发电机，属于电机领域。目的是解决现有补偿脉冲发电机电励磁结构复杂、永磁励磁输出不能调节问题。本发明的定子铁心沿轴向分成两段，在两段定子铁心之间设置励磁绕组，并分别固定在定子背轭内壁，定子铁心内设置电枢绕组，主轴上固定转子背轭，其外表面固定转子铁心，转子铁心外表面分成的两个区均沿圆周交错排布永磁体和铁磁体，同区上永磁体极性相同，不同区极性相反，沿轴向永磁体－铁磁体间隔排列，其外表面设置有铝补偿筒。另一方案转子铁心外表面分成的两个区均沿圆周交错排布永磁体及永磁体和铁磁体组合块，相邻永磁体极性相反，沿轴向按永磁体－铁磁体－永磁体间隔排列，且间隔排列的永磁体极性相同。

Description

混合励磁补偿脉冲发电机

技术领域

本发明涉及混合励磁的发电机，属于电机领域。

背景技术

补偿脉冲发电机是惯性储能电机。作为一种新型脉冲能源，补偿脉冲发电机基于电磁感应和磁通压缩两个原理工作，集惯性存储、机电能量转换和脉冲成形于一体，具有“单元件”的综合优势。补偿脉冲发电机具有比功率高、比储能高、重复频率高和高使用寿命等综合指标优势。

现有的补偿脉冲发电机，其励磁磁场的产生方式有两种，一种为电励磁，一种为永磁体励磁：对于电励磁方式，存在的问题是电机结构复杂，有电刷结构，电刷的磨损和烧蚀会降低电机的可靠性，并增加其维护费用；永磁体励磁方式存在的问题是其输出不能随着负载的需求来进行调节。

发明内容

本发明的目的是解决现有的补偿脉冲发电机单一电励磁结构复杂，有电刷和滑环结构；单一永磁励磁输出不能随负载的需求调节的问题，设计了混合励磁补偿脉冲发电机。

本发明包括定子、转子、主轴和铝补偿筒，所述定子包括定子背轭、定子铁心、励磁绕组和电枢绕组，转子固定在定子内部，由主轴固定位置，所述转子包括永磁体、铁磁体、转子铁心和转子背轭，定子铁心沿轴向均分成两段，两段定子铁心分别固定在定子背轭的内壁上，在两段定子铁心之间设置有环形的励磁绕组，励磁绕组环绕粘于定子背轭的内壁上，两段定子铁心的内壁上设置有电枢绕组，主轴上固定有转子背轭，转子背轭的外表面固定有转子铁心，转子铁心的外表面沿轴向均分成两个区域，每个区域设置的永磁体和铁磁体均沿铁心转子的圆周交错排布，相同区域永磁体的极性相同，不同区域永磁体的极性相反，永磁体和铁磁体沿轴向在铁心转子外表面间隔排列，即永磁体-铁磁体，永磁体和铁磁体的外表面设置有铝补偿筒，电枢绕组与铝补偿筒之间留有气隙。

本发明还提供另一种技术方案，本发明包括定子、转子、主轴和铝补偿筒，所述定子包括定子背轭、定子铁心、励磁绕组和电枢绕组，转子固定在定子内部，由主轴固定位置，所述转子包括永磁体、铁磁体、转子铁心和转子背轭，定子铁心沿轴向均分成两段，两段定子铁心分别固定在定子背轭的内壁上，在两段定子铁心之间设置有环形的励磁绕组，励磁绕组环绕粘于定子背轭的内壁上，两段定子铁心的内壁上设置有电枢绕组，主轴上固定有转子背轭，转子背轭的外表面固定有转子铁心，转子铁心的外表面沿轴向均分成两个区域，每个区域设置的永磁体及永磁体和铁磁体组合块均沿转子铁心的圆周交错排布，相邻永磁体的极性相反，永磁体和铁磁体沿轴向在转子铁心外表面间隔排列，即永磁体-铁磁体-永磁体，且间隔排列永磁体的极性相同，永磁体和铁磁体外表面设置有铝补偿筒，电枢绕组与铝补偿筒之间留有气隙。

本发明的优点是实现了无刷化，简化了电机结构，大大提高了电机的可靠性，减少了电机的维护费用，并且也提高了电机的效率，缓解了电励磁压力；电机的输出波形灵活多变；电机的比功率高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，图2是图1的A-A剖视图，图3是图1的B-B剖视图，图4是图1的C-C剖视图，图5是实施方式二的结构示意图，图6是每对极每相电枢绕组接线示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1～图4、图6说明本实施方式，本实施方式由定子、转子、主轴9和铝补偿筒10组成，所述定子由定子背轭1、定子铁心2、励磁绕组3和电枢绕组4组成，转子固定在定子内部，由主轴9固定位置，所述转子由永磁体5、铁磁体6、转子铁心7和转子背轭8组成，定子铁心2沿轴向均分成两段，两段定子铁心2分别固定在定子背轭1的内壁上，在两段定子铁心2之间设置有环形的励磁绕组3，励磁绕组3环绕粘于定子背轭1的内壁上，两段定子铁心2的内壁上设置有电枢绕组4，主轴9上固定有转子背轭8，转子背轭8的外表面固定有转子铁心7，转子铁心7的外表面沿轴向均分成两个区域，每个区域设置的永磁体5和铁磁体6均沿铁心转子7的圆周交错排布，相同区域永磁体5的极性相同，不同区域永磁体5的极性相反，永磁体5和铁磁体6沿轴向在铁心转子7外表面间隔排列，即永磁体5-铁磁体6，永磁体5和铁磁体6的外表面设置有铝补偿筒10，电枢绕组4与铝补偿筒10之间留有气隙。

定子铁心2主要作为磁路的通道，所以一定要用导磁性能好的硅钢片，而由于转子磁场是切割定子铁心2的，所以在定子铁心2中将通过交变的磁场，交变磁场在导体表面会产生涡流和磁滞损耗，为了有效地降低这种有功损耗，防止定子铁心2过热，一般将硅钢片做成小片叠压而成，而且片间还用绝缘漆进行绝缘。

作为转子，由于定子电流产生的磁场与转子转速相一致，定子电流产生的旋转磁场是与转子相对静止的，没有磁力线的切割运动，因此转子表面也就不会通过交变的磁场，不会产生磁滞和涡流损耗，所以转子不用采用硅钢片叠压而成；另外，由于转子旋转速度非常高，转子表面受到很大的离心力的作用，转子铁芯7采用整体锻造的钢体。

定子背轭1和转子背轭8由良好的导磁材料构成，提供电机轴向励磁磁路。如果轴向磁路构成采用硅钢片的话，由于叠片系数的存在就会造成轴向磁路存在一定的气隙，这样电机所需要的励磁就会增加，因此，本发明的定子背轭1和转子背轭8都采用整体锻造结构，用来提供电机电励磁和永磁体5的轴向励磁磁路。

铁磁体6是本发明中电励磁回路的重要组成部分，它使电励磁磁路能够和永磁体5的磁路分开。

在电机对负载放电时，铝补偿筒10由于涡流效应产生补偿电流，此补偿电流产生的磁场与电枢反应磁场相互作用，阻止电枢反应磁场穿过铝补偿筒10，电枢反应磁通被压缩在铝补偿筒10与电枢绕组4之间的气隙中，从而使电机电枢绕组4的暂态电感大大降低，电机输出强脉冲功率。铝补偿筒10的厚度可以是均匀的，也可以是不均匀的，通过厚度的不同选择，可以获得不同的补偿效果和不同的电流脉冲波形。如果铝补偿筒10是均匀的，无论转子处于何种位置，电枢反应磁通都得到同样的补偿而使电枢绕组4具有恒定的低电感，它近似等于电枢绕组4的漏电感。显然，当气隙磁场为正弦分布时，此发明产生的电流脉冲波形近似为正弦波。如果铝补偿筒10厚度不均匀时，转子处于不同位置时，电枢绕组4得到的补偿程度不同，从而可以通过铝补偿筒10的合理设计，获得不同的电流脉冲波形。

电枢绕组4为单相、两相或多相同心式绕组，如图6所示，电枢绕组4的每对极每相绕组由单层铜板沿外边缘形状由外向内切割成连续的条状结构，电枢绕组4的每对极每相绕组的端部焊接引出线，使绕组的电感和电阻小，而且工艺简单。

工作原理：

补偿脉冲发电机中放电绕组的电流等级要比励磁电流大得多，传统的电励磁为了减小电刷的负荷，往往采用转场式，励磁绕组3都是放在转子上，由电刷将电励磁引入到转子励磁绕组3。

在本发明中，转子上设置了永磁体5励磁，并且将励磁绕组3放在两段定子铁心2中间，省去了复杂的电刷结构。当励磁绕组3通直流电时，励磁电流所产生的电励磁磁通回路为：定子铁心2(径向)→定子背轭1(轴向)→定子铁心2(径向)→气隙(径向)→铝补偿筒10(径向)→铁磁体6(径向)→转子铁心7(径向)→转子背轭8(轴向)→转子铁心7(径向)→铁磁体6(径向)→铝补偿筒10(径向)→气隙(径向)→定子铁心2(径向)；永磁体5产生的磁通路径为永磁体5的N极(径向)→铝补偿筒10(径向)→气隙(径向)→定子铁心2(径向)→定子背轭1(轴向)→定子铁心2(径向)→气隙(径向)→铝补偿筒10(径向)→永磁体5的S极(径向)→转子铁心7(径向)→转子背轭8(轴向)→转子铁心7(径向)→永磁体5的N极(径向)。这两个励磁源的磁路可以近似认为是相对独立的(因为永磁体5的磁导率很低，磁阻很大，电励磁产生的磁通几乎不通过永磁体5)，两者并联提供工作磁通，共同作用形成电机的主磁场。

当原动机通过主轴9的机械输入端口将混合励磁补偿脉冲发电机拖到某一个稳定转速后，通过励磁开关开通直流励磁，这时候直流励磁绕组3和永磁体5将在电枢绕组4内径与铝补偿筒10外径之间的气隙中产生主磁通，定子电枢绕组4切割主磁通产生交变电压。混合励磁补偿脉冲发电机电枢绕组4脉冲放电时，通过控制放电开关使电枢绕组4和负载在合适的时间接通。在放电期间，铝补偿筒10的磁通压缩效应极大降低电枢绕组4自身内电感，可以极大地提高电流脉冲的输出幅值。随着放电的进行，转子的惯性储能转变为脉冲电能，原动机转速下降。在放电完成后，原动机拖动混合励磁补偿脉冲发电机转子升速至额定转速，为下一次放电做准备。励磁开关和放电开关的时序控制均利用单片机严格控制。

另外，通过调节直流励磁绕组3的励磁电流和方向，可以方便地控制电机的气隙主磁通，从而定子电枢绕组4切割主磁通产生的交变电压随着直流励磁绕组3电流的变化而变化。这样就可以改变放电时的脉冲电流和功率。

具体实施方式二：下面结合图5说明本实施方式，本实施方式由定子、转子、主轴9和铝补偿筒10组成，所述定子由定子背轭1、定子铁心2、励磁绕组3和电枢绕组4组成，转子固定在定子内部，由主轴9固定位置，所述转子由永磁体5、铁磁体6、转子铁心7和转子背轭8组成，定子铁心2沿轴向均分成两段，两段定子铁心2分别固定在定子背轭1的内壁上，在两段定子铁心2之间设置有环形的励磁绕组3，励磁绕组3环绕粘于定子背轭1的内壁上，两段定子铁心2的内壁上设置有电枢绕组4，主轴9上固定有转子背轭8，转子背轭8的外表面固定有转子铁心7，转子铁心7的外表面沿轴向均分成两个区域，每个区域设置的永磁体5及永磁体5和铁磁体6组合块均沿转子铁心7的圆周交错排布，相邻永磁体5的极性相反，永磁体5和铁磁体6沿轴向在转子铁心7外表面间隔排列，即永磁体5-铁磁体6-永磁体5，且间隔排列永磁体5的极性相同，永磁体5和铁磁体6外表面设置有铝补偿筒10，电枢绕组4与铝补偿筒10之间留有气隙。

当励磁绕组3通直流电时，励磁电流所产生的电励磁磁通回路为：定子铁心2(径向)→定子背轭1(轴向)→定子铁心2(径向)→气隙(径向)→铝补偿筒10(径向)→铁磁体6(径向)→转子铁心7(径向)→转子背轭8(轴向)→转子铁心7(径向)→铁磁体6(径向)→铝补偿筒10(径向)→气隙(径向)→定子铁心2(径向)；

永磁体5产生的磁通路径有两条，第一条为永磁体5的N极(径向)→铝补偿筒10(径向)→气隙(径向)→定子铁心2(径向)→定子背轭1(轴向)→定子铁心2(径向)→气隙(径向)→铝补偿筒10(径向)→永磁体5的S(径向)→转子铁心7(径向)→转子背轭8(轴向)→转子铁心7(径向)→永磁体5的N极(径向)，

第二条为周向磁路，即磁力线从转子铁心7同一段的N极走向S极，永磁体5的N极(径向)→铝补偿筒10(径向)→气隙(径向)→定子铁心2(径向)→定子背轭1(周向)→定子铁心2(径向)→气隙(径向)→铝补偿筒10(径向)→永磁体5的S极(径向)→转子铁心7(径向)→转子背轭8(周向)→转子铁心7(径向)→永磁体5的N极(径向)。

如此设置后，能提高电机的空载反电动势。

Claims (8)

1、混合励磁补偿脉冲发电机，它包括定子、转子、主轴(9)和铝补偿筒(10)，所述定子包括定子背轭(1)、定子铁心(2)、励磁绕组(3)和电枢绕组(4)，转子固定在定子内部，由主轴(9)固定位置，所述转子包括永磁体(5)、铁磁体(6)、转子铁心(7)和转子背轭(8)，定子铁心(2)沿轴向均分成两段，两段定子铁心(2)分别固定在定子背轭(1)的内壁上，在两段定子铁心(2)之间设置有环形的励磁绕组(3)，励磁绕组(3)环绕粘于定子背轭(1)的内壁上，两段定子铁心(2)的内壁上设置有电枢绕组(4)，主轴(9)上固定有转子背轭(8)，转子背轭(8)的外表面固定有转子铁心(7)，转子铁心(7)的外表面沿轴向均分成两个区域，每个区域设置的永磁体(5)和铁磁体(6)均沿铁心转子(7)的圆周交错排布，相同区域永磁体(5)的极性相同，不同区域永磁体(5)的极性相反，永磁体(5)和铁磁体(6)沿轴向在铁心转子(7)外表面间隔排列，即永磁体(5)-铁磁体(6)，永磁体(5)和铁磁体(6)的外表面设置有铝补偿筒(10)，电枢绕组(4)与铝补偿筒(10)之间留有气隙。

2、根据权利要求1所述的混合励磁补偿脉冲发电机，其特征在于电枢绕组(4)为单相、两相或多相形式。

3、根据权利要求1所述的混合励磁补偿脉冲发电机，其特征在于电枢绕组(4)为无槽电枢绕组或有槽电枢绕组。

4、根据权利要求1所述的混合励磁补偿脉冲发电机，其特征在于定子铁心(2)由硅钢片叠加而成，转子铁心(7)、定子背轭(1)和转子背轭(8)采用整体锻造的钢体。

5、混合励磁补偿脉冲发电机，它包括定子、转子、主轴(9)和铝补偿筒(10)，所述定子包括定子背轭(1)、定子铁心(2)、励磁绕组(3)和电枢绕组(4)，转子固定在定子内部，由主轴(9)固定位置，所述转子包括永磁体(5)、铁磁体(6)、转子铁心(7)和转子背轭(8)，定子铁心(2)沿轴向均分成两段，两段定子铁心(2)分别固定在定子背轭(1)的内壁上，在两段定子铁心(2)之间设置有环形的励磁绕组(3)，励磁绕组(3)环绕粘于定子背轭(1)的内壁上，两段定子铁心(2)的内壁上设置有电枢绕组(4)，主轴(9)上固定有转子背轭(8)，转子背轭(8)的外表面固定有转子铁心(7)，转子铁心(7)的外表面沿轴向均分成两个区域，每个区域设置的永磁体(5)及永磁体(5)和铁磁体(6)组合块均沿转子铁心(7)的圆周交错排布，相邻永磁体(5)的极性相反，永磁体(5)和铁磁体(6)沿轴向在转子铁心(7)外表面间隔排列，即永磁体(5)-铁磁体(6)-永磁体(5)，且间隔排列永磁体(5)的极性相同，永磁体(5)和铁磁体(6)外表面设置有铝补偿筒(10)，电枢绕组(4)与铝补偿筒(10)之间留有气隙。

6、根据权利要求5所述的混合励磁补偿脉冲发电机，其特征在于电枢绕组(4)为单相、两相或多相形式。

7、根据权利要求5所述的混合励磁补偿脉冲发电机，其特征在于电枢绕组(4)为无槽电枢绕组或有槽电枢绕组。

8、根据权利要求5所述的混合励磁补偿脉冲发电机，其特征在于定子铁心(2)由硅钢片叠加而成，转子铁心(7)、定子背轭(1)和转子背轭(8)采用整体锻造的钢体。

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