CN103475112A - 开关磁阻发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关磁阻发电机，包括带有绕组的定子、无绕组的转子以及驱动装置；所述定子与转子均设置有若干凸极结构，并且均由硅钢片叠压而成；定子凸极结构的齿上设置有集中电枢绕组，绕组相同相位的两个齿上电枢绕组联成一相；所述绕组通过电子开关与储能装置相连；所述转子与驱动装置相连，能够通过驱动装置的带动与定子发生相对转动从而在所述绕组中产生感应电动势。本发明的开关磁阻发电机，具有以下优点：（1）结构简单，造价低（具备异步发电机优点）；（2）效率高（具备永磁同步发电机优点）；（3）适应性强，不受高温影响；（4）盘式电机结构，体积小，重量轻；（5）输出电压稳定，不受低速高速影响。

Description

开关磁阻发电机

技术领域

本发明涉及电机生产制造领域，尤其涉及一种开关磁阻发电机。

背景技术

开关型磁阻电机及调速系统是80年代中期发展起来的新型交流调速系统。开关型磁阻电机融合了现代电力电子技术、控制技术为一体，兼有异步电机变频调速系统和直流电机调速系统的优点，已成为当代电气传动的热门课题之一。

目前在国际上，发电机有两种类型，一种是使用异步电机发电，虽然结构简单，但发电机的效率低下，而且异步发电机发电输出电压很不稳定，波形杂乱；另一种永磁同步发电技术。虽然效率高，但需要磁钢，成本高，不适合高温，通风不畅环境，更致命一点，制造磁钢，造成环境污染，稀土原料竞争开发，资源将变得日益贫乏，所以研发一种高效率、低能耗发电机显得尤为重要。随着电子技术行业发展对电机相位控制变得成熟，开关磁阻电机已在开始应用于各行各业中。那么，开关磁阻发电机也将成为现实。

国内外已有开关磁阻电动机的正式产品，应用在牵引运输、通用工业、航空工业、家用电器等各个领域，已显出强大的市场竞争力，但开关磁阻电机作为发电应用，国内外还没有产品报导。目前，国内亦有开关磁阻电动机理论研究并逐步向工业化应用阶段的单位。但开展开关磁阻发电机的研究与应用，尚未发现，所以开拓对开关磁阻发电机（特别是盘式结构）的研究与应用，促进我国开关磁阻发电机的发展，意义重大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术中的缺陷，提供一种开关磁阻发电机。

为解决上述问题，本发明的一种开关磁阻发电机，包括带有绕组的定子、无绕组的转子以及驱动装置；所述定子与转子均设置有若干凸极结构，并且均由硅钢片叠压而成；定子凸极结构的齿上设置有集中电枢绕组，绕组相同相位的两个齿上电枢绕组联成一相；所述绕组通过电子开关与储能装置相连；所述转子与驱动装置相连，能够通过驱动装置的带动与定子发生相对转动从而在所述绕组中产生感应电动势。

所述开关磁阻发电机还包括电机壳体，所述定子、转子位于电机壳体内，并且定子与电机壳体相固定，转子通过转子轴及轴承安装在电机壳体上。

所述定子上的凸极为有X个，所述转子上的凸极为Y个；所述X和Y为相异的并且大于等于2的整数。

所述驱动装置的动力输出端固定在所述转子轴上。

所述驱动装置为机械式驱动装置。

本发明的开关磁阻发电机，具有以下优点：（1）结构简单，造价低（具备异步发电机优点）；（2）效率高（具备永磁同步发电机优点）；（3）适应性强，不受高温影响；（4）盘式电机结构，体积小，重量轻；（5）输出电压稳定，不受低速高速影响。

附图说明

图1为发电状态ωiLT与转子位置角θ的关系；

图2为线性电感随角位置变化曲线及对应的电动、发电运行相电流波形；

图3为发电状态相对值电流波形簇；

图4为本发明中开关磁组发电机的四相绕组截面示意图；

图5为开关磁组发电机的典型四相绕组与开关电路相接示意图；

图6为开关磁阻发电机的典型发电工作状态电流仿真与实测波形。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明技术方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图所示，本发明的一种开关磁阻发电机，包括带有绕组的定子、无绕组的转子以及驱动装置。

所述定子与转子均设置有若干凸极结构，并且均由硅钢片叠压而成。

定子凸极结构的齿上设置有集中电枢绕组，绕组相同相位的两个齿上电枢绕组联成一相；所述绕组通过电子开关与储能装置相连。

所述转子与驱动装置相连，能够通过驱动装置的带动与定子发生相对转动从而在所述绕组中产生感应电动势。

所述开关磁阻发电机还包括电机壳体，所述定子、转子位于电机壳体内，并且定子与电机壳体相固定，转子通过转子轴及轴承安装在电机壳体上。

同时，所述驱动装置的动力输出端固定在所述转子轴上；该驱动装置可以为机械式驱动装置。

所述定子上的凸极为有X个，所述转子上的凸极为Y个；所述X和Y为相异的并且大于等于2的整数。

本发明的开关磁阻发电机可以将机械能转换为电能，该设备通过电子开关控制绕组与储能装置的接通方式，从而控制电能在电机和储能装置间的流动方向。作为发电机运行时，该设备先与储能装置接通，通过储能装置使绕组有电流流过，随后改变电流的路径，该设备从随后的相绕组收回的能量大于前面所施加能量。

开关磁阻发电机的相数组成比较自由,可以是单相、三相、四相或其它多相。如图4所示为四相8/6结构开关磁阻发电机的截面示意图。其定子有8个齿极,每个齿极上设有一个线圈,位于径向相对的两线圈串接成一相绕组;转子上有6个齿极,无绕组也不镶嵌永磁体。四相绕组与开关电路相接参见图5所示,这是直流电源系统,负载电阻RL及滤波电容C,此外可并联蓄电池作为贮能元件。

电机转子由原动机拖动旋转,靠转子位置检测器实现位置闭环控制,四相轮流工作。如一相主开关导通时，相绕组形成电流i，之后适时关断主开关，则绕组电流将继续循续流二极管流通，这样磁场贮能及以磁场为中介转换的机械能，一并以续流电流的形式输给用电负载，或给蓄电池充电。简言之，电机的凸极效应使相绕组成为有源线圈传递能量，实现发电状态工作。

电机绕组有电流就建立磁场,相绕组的磁链（ψ）及电感（L）是对应电流（i）及转子位置（θ）的函数。对于多相电机，由于各相绕组是独立的集中绕组，且轮流工作，所以可忽略互感影响，以一相单独分析，用磁场数值计算求取一相绕组的磁特性ψ（i，θ）及L（i，θ）。其中θ角定义为该相定子齿极轴线与转子槽轴线之间的夹角。

电机由相电流建立的磁场贮能

$W_{\mathrm{mag}}={\stackrel{\mathrm{\ψ}}{\∫}}_0\mathrm{id\ψ}$

用线性化处理

$W_{\mathrm{mag}}=\frac{1}{2}L{i}^2$

根据电磁场基本理论，伴随磁场的存在，电机转子的电磁转矩同时存在，可表达为

$T_{\mathrm{em}}=-\frac{\∂W_{\mathrm{mag}}}{\∂\mathrm{\θ}}{|}_{\mathrm{\ψ}=C}=\frac{1}{2}{i}^2\frac{\∂L}{\∂\mathrm{\θ}}$

由此可见,若在

的区间内，绕组有电流就产生负值电磁转矩，即阻转矩。说明需外加机械转矩驱动，而电机将机械能转换为电能输出。不难理解，若电流发生在

区间，电磁转矩为正，也就是电动工作状态。这就是说，开关磁阻电机只需位移主开关导通时，就能实现电动、发电的可逆运行。

L(θ)特性是以θr为周期变化的。θr为转子齿距角，如6/4结构,θr为90°(机械角度)，θm=θr/2为定子齿极轴线与转子齿极轴线重合状态，对应的相电感值最大。令θ₁为主开关开通角、θ₂为关断角，由此可得到典型发电状态电流波形，参见图6所示。

一周期中相电流可分为两段。θ₁～θ₂段，主开关导通，由外电源供电，电流逐步上升至ic,称为励磁区;θ₂开始,主开关关断,电流呈续流状态,称发电区。励磁区是消耗电能的，其中ic作为磁场强弱的主要标志，越大越有利。根据电路基本方程(不计内阻及管压降),在开始续流瞬间，有下式：

$\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{L}(-\frac{\∂L}{\∂\mathrm{\θ}}{i}_c\mathrm{\Ω}-U)$

即说明当

且ic足够大，则运动电势电流（即发电电流）将进一步增大，形成有利的发电效果。强化励磁可加大ic,同样励磁区适当延伸到

<区段(即θ₂>θm)，也是为了有效利用运动电势,促进励磁电流加大。换言之,在θm～θ₂区间,利用发电机理,把机械能转化为电能,加速形成需要的励磁电流。

实际发电机一相输出的电功率,应该是发电区发电功率与励磁区消耗功率之差。

开关磁阻电机在一定程度上可以看作是全可控的无刷直流电机调速系统，可方便地实现四象限运行，即正、反转及制动、电动运行。其中制动运行包含两重意义，一是利用制动转矩降速，使开关磁阻电机快停转；二是发电工作与直流电机不同，开关磁阻电机只有回馈制动（或称再生制动）方式，而且再生制动的实现亦十分方便，只要加大θon，使相电流主要在αL/αθ<0段出现即可。

在制动状态，电磁转矩的方向与转速方向相反，从轴上输入的机械能转变为电能，并借助主电路电力电子器件回馈给电源。如果没有位能负载拖动，在制动转矩的减速作用下，转子很快被制动到转速为零。由图1可以看出，就控制而言，开关磁阻电机的制动运行仍然属于角度位置控制（APC）方式。

鉴于开关磁阻电机结构的对称性，它在发电状态下的性能应与其在电动状态下的性能一样优越，即具有优良的可控性及宽广速度范围内的高效等优点。

图2示出了开关磁阻电机线性电感随角位置变化曲线及对应的电动，发电运行的相电流波形。

图3是基于开关磁阻电机简化线性模型得到的在角度位置控制方式下电动状态和发电状态相对值电流波形簇。显然，这些波形与电源电压Us和转速Wr无关，仅取决于θon，θoff的组合。

由图3可见，发电状态下的电流波形与电动状态下的电流波形对气轴是对称的。这充分表明开关磁阻电机具有可逆性。

众所周知，θon，θoff是开关磁阻电动机运行时控制其转矩、功率的主要参数，而且当外加电压Us及开关角固定时，电动运行时开关磁阻电机具有与串励直流电动机相同的外特性。由开关磁阻电机的可逆性，可以推断：开关磁阻电机发电运行时，其输出电磁功率及制动转矩均随控制角度的不同而发生很大差异，而且若θon、θoff固定，则其外特性必与串励直流发电机的外特性相同，即有

Us∝ILWr

式中：Us—输出电压；

IL—负载电流；

Wr—转子角速度。

事实上，θon、θof这两个控制参数同样为开关磁阻发电机带来了良好的控制性能。例如，可通过θon、θof的调节，使在不同的IL Wr值下输出电压Us保持恒定。

由图4可以看出，开关磁阻发电机结构简单，坚固，工作可靠，效率高。通过开通角θon和关断角θoff的调节，使在不同的IL Wr值下，输出电压Us保持恒定。

开关磁阻发电机的电动、发电双功能是不言而喻的,这使航空、汽车用起动/发电机的实施成为可能。

理论和实践研究都表明,开关磁阻发电机有诸多特点和优良性能：

（1）它是一种可控电流源,可以高效转换机械能为脉冲电能输出。带有滤波元件(如电容)或贮能装置(如蓄电池)可作为一种直流电源应用,配备相应变换器也可作为交流电源应用；

（2）电机是双凸极结构、集中绕组,它本身是最简结构电机,可适用于高速和恶劣环境中应用。高速运行可提高能流密度,电机只在定子设一套绕组,冷却方便,效率高；

（3）开关磁阻发电机具有串励特性,过载能力强;多相电机的相间耦合弱,缺相运行适应能力也强;常规的每相双开关方案主电路不会发生电源直通故障,所以它具有较好的安全裕度；

（4）电动、发电双功能,可以构成良好的起动/发电装置。

Claims (5)

1.一种开关磁阻发电机，其特征在于：包括带有绕组的定子、无绕组的转子以及驱动装置；所述定子与转子均设置有若干凸极结构，并且均由硅钢片叠压而成；定子凸极结构的齿上设置有集中电枢绕组，绕组相同相位的两个齿上电枢绕组联成一相；所述绕组通过电子开关与储能装置相连；所述转子与驱动装置相连，能够通过驱动装置的带动与定子发生相对转动从而在所述绕组中产生感应电动势。

2.如权利要求1所述的开关磁阻发电机，其特征在于：所述开关磁阻发电机还包括电机壳体，所述定子、转子位于电机壳体内，并且定子与电机壳体相固定，转子通过转子轴及轴承安装在电机壳体上。

3.如权利要求1所述的开关磁阻发电机，其特征在于：所述定子上的凸极为有X个，所述转子上的凸极为Y个；所述X和Y为相异的并且大于等于2的整数。

4.如权利要求1所述的开关磁阻发电机，其特征在于：所述驱动装置的动力输出端固定在所述转子轴上。

5.如权利要求1所述的开关磁阻发电机，其特征在于：所述驱动装置为机械式驱动装置。

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