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CN105811611B - 回收废气能量的混合励磁发电机 - Google Patents

回收废气能量的混合励磁发电机 Download PDF

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CN105811611B CN201610256092.9A CN201610256092A CN105811611B CN 105811611 B CN105811611 B CN 105811611B CN 201610256092 A CN201610256092 A CN 201610256092A CN 105811611 B CN105811611 B CN 105811611B
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周晓宇
陈良
张学义
肖东
刘恩来
王新明
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Abstract

本发明的回收废气能量的混合励磁发电机由轴、废气涡轮、废气涡轮壳、励磁绕组、定子铁心、电枢绕组、转子铁心、永磁体和电机外壳组成。轴上分别固定有废气涡轮和转子铁心，转子铁心靠近电机端盖的一个端面上有沿轴向凸起的转子极。定子铁心固定在电机端盖的内壁上；定子铁心朝向转子铁心的端面有沿轴向凸起的定子极，定子极上只有电枢绕组绕。励磁绕组绕定子铁心的径向绕制并嵌到定子铁心的隔磁凹槽里，隔磁凹槽之间的定子铁心里嵌有永磁体。本发明的技术转子无励磁绕组和永磁体，可适应废气涡轮所处的高温、高速的工作环境；励磁绕组即可以增强永磁磁场，又可以削弱永磁磁场；永磁体远离高温的废气涡轮，不会产生高温退磁。

Description

回收废气能量的混合励磁发电机
技术领域
本发明涉及一种回收废气能量的混合励磁发电机，属于汽车电器技术领域。
背景技术
目前，发动机的热效率大多在35%以下，发动机排放的高温高压的废气带走了燃料热能的40%，大部分发动机不能有效利用这些能量。废气涡轮增压装置实现了部分废气动能的利用，提高了发动机的燃料利用率，目前的应用越来越广泛。
发动机在3000转/分钟以上的高速运转时，一般通过泄压阀将大部分废气不接入废气涡轮，而直接接入到排气管，防止涡轮转速过快，这样多余的废气能量不能有效利用。
在已有技术中，废气涡轮增压装置已被应用于多种机型的发动机，其中已有专利提出在废气涡轮增压装置上增加电机以实现电动和发电功能。例如，授权的中国发明专利：与内燃机和控制系统一起使用的电动机一发电机辅助的涡轮增压系统，专利号ZL971922179，公开了一种带电机的废气涡轮增压装置。但该专利未公开所选用的电机类型，且该专利已失效。
鉴于利用涡轮驱动的汽轮发电机总效率可达60％-70％以上，因此利用发动机排出的废气直接驱动发电机发电，可有效利用汽轮发电机发电效率高的特点，提高汽车的燃油利用率。
在已有的专利申请中，授权的发明专利：发动机废气涡轮驱动永磁发电机，专利号：201310473600.5，提供了一种由废气涡轮机、永磁体、发电系统、转子、前端盖、后端盖组成的发动机废气涡轮驱动永磁发电机，其永磁体的数量和发电系统的数量相等，一组永磁体、发电系统固定在后端盖内腔中的同一圆周上。授权的美国发明专利：Exhaust energyrecovery and generator for use with an engine，专利号：4694694，也公开了一种发动机废气回收用的发电机。上述技术所用的永磁发电机皆是转子励磁式，转子受到高温的热传导作用，温度很高，因此转子上的永磁材料很难适应废气涡轮所处的高温运行环境和高速运转状态。
申请人前期授权的发明专利一种涡轮增压发电装置，专利号：2014100754333，提出了一种包括外壳、轴承、定子、控制器和由排气涡轮、进气涡轮、轴、转子铁心组成的转子的涡轮增压发电装置。该专利指出，如果转子铁心无励磁源，则可适应废气涡轮的超高速运转。
本申请在上述基础上提出了一种新的电机拓扑结构，其永磁体和电励磁绕组的励磁源皆固定在原理废气涡轮的定子上，因此定子散热好，永磁材料不会产生高温退磁。同时，本申请的转子铁心由导磁铁心一体制成，可适应废气涡轮的高温、高速的转动环境。
发明内容
为了发明一种回收废气能量的混合励磁发电机，实现能够高温、高速运行的混合励磁发电功能，本发明采用如下技术方案：
回收废气能量的混合励磁发电机，其特征在于：
由轴(2)、废气涡轮(3)、废气涡轮壳(4)、电机外壳(6)、转子铁心(7)、电枢绕组(8)、定子铁心(9)、电机端盖(10)、永磁体(11)和励磁绕组(12)组成；
轴(2)的末端固定有废气涡轮(3)，轴(2)的中间固定有盘式的转子铁心(7)；
转子铁心(7)为一体成型制造，励磁源不旋转，在轴承的作用下，废气涡轮(3)可驱动转子铁心(7)高速旋转；
转子铁心(7)靠近电机端盖(10)的一个端面上有沿轴向凸起的转子极；所述转子极呈扇环形；
盘式的定子铁心(9)位于转子铁心(7) 和电机端盖(10)之间，定子铁心(9)固定在电机端盖(10)的内壁上；定子铁心(9)朝向转子铁心(7)的端面有沿轴向凸起的定子极，呈扇环形的定子极与转子极之间有一层气隙；
每三个定子极之间的定子铁心(9)上有隔磁凹槽，隔磁凹槽在定子铁心(9)上均布且总共有2N个，N为自然数；在两个所述隔磁凹槽之间的定子铁心(9)内部嵌有一个永磁体(11)，永磁体(11)平行于轴(2)放置且充磁方向垂直于轴(2)；相邻的两片永磁体(11)的充磁方向相反；
励磁绕组(12)绕定子铁心(9)的径向绕制并嵌到定子铁心(9)的隔磁凹槽里，相邻励磁绕组(12)的绕制方向相反；
每个定子极上皆绕有一个集中式的电枢绕组(8)，两个隔磁凹槽之间的电枢绕组(8)绕向相同；一个隔磁凹槽两边的电枢绕组(8)绕向相反。
如上所述的回收废气能量的混合励磁发电机，其特征在于：转子铁心(7)和定子铁心(9)由无取向导磁材料制成，废气涡轮壳(4)、电机外壳(6)和电机端盖(10)的材料为铸铝。
如上所述的回收废气能量的混合励磁发电机，其特征在于：当发动机转速低或负载大时，给励磁绕组(12)通正向电流，辅助永磁体(11)提供大磁场；当发动机转速高或负载小时，给励磁绕组(12)通负向电流，减小永磁体(11)产生的磁场。
本发明的有益效果如下：
⑴本发明的技术转子无励磁绕组和永磁体，可适应废气涡轮所处的高温、高速的工作环境；励磁绕组既可以增强永磁磁场，又可以削弱永磁磁场；永磁体远离高温的废气涡轮，不会产生高温退磁；
⑵公开了一种结构新颖的两相电机，两相电枢绕组对称分布在定子铁心两边，因此两相电枢绕组完全对称，消除了传统的直线电机端部效应引起的各相不对称问题；
⑶励磁绕组绕定子铁心长度所在的x轴方向绕制，绕组总的漆包线长度短，励磁效果好；
⑷两相绕组可以使用传统的H桥变换器进行控制，结构简单可靠。
附图说明
图1是本发明回收废气能量的混合励磁发电机纵剖图。其中：1、涡轮螺母，2、轴，3、废气涡轮，4、废气涡轮壳，5、电机壳螺母，6、电机外壳，7、转子铁心，8、电枢绕组，9、定子铁心，10、电机端盖，11、永磁体，12、励磁绕组。
图2是本发明回收废气能量的混合励磁发电机定子侧视时的电枢绕组图。其中：2、轴，8、电枢绕组，9、定子铁心，11、永磁体，13、定子极。
图3为本发明回收废气能量的混合励磁发电机定子侧视时的励磁绕组图。其中：2、轴，9、定子铁心，11、永磁体，12、励磁绕组，13、定子极。
图4为本发明回收废气能量的混合励磁发电机转子侧视图。其中：2、轴，7、转子铁心，14、转子极。
图5为本发明回收废气能量的混合励磁发电机调压原理图。
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。
图1是本发明回收废气能量的混合励磁发电机纵剖图。
回收废气能量的混合励磁发电机由轴(2)、废气涡轮(3)、废气涡轮壳(4)、电机外壳(6)、转子铁心(7)、电枢绕组(8) 、定子铁心(9)、电机端盖(10)、永磁体(11)和励磁绕组(12)组成；
轴(2)的末端固定有废气涡轮(3)，轴(2)的中间固定有盘式的转子铁心(7)；
转子铁心(7)为一体成型制造，励磁源不旋转，在轴承的作用下，废气涡轮(3)可驱动转子铁心(7)高速旋转；
盘式的定子铁心(9)位于转子铁心(7) 和电机端盖(10)之间，定子铁心(9)固定在电机端盖(10)的内壁上；定子铁心(9)朝向转子铁心(7)的端面有沿轴向凸起的定子极，呈扇环形的定子极与转子极之间有一层气隙；
每三个定子极之间的定子铁心(9)上有隔磁凹槽，隔磁凹槽在定子铁心(9)上均布且总共有2N个，N为自然数；在两个所述隔磁凹槽之间的定子铁心(9)内部嵌有一个永磁体(11)，永磁体(11)平行于轴(2)放置且充磁方向垂直于轴(2)；相邻的两片永磁体(11)的充磁方向相反；
转子铁心(7)和定子铁心(9)由无取向导磁材料制成，废气涡轮壳(4)、电机外壳(6)和电机端盖(10)的材料为铸铝。
图2是本发明回收废气能量的混合励磁发电机定子侧视时的电枢绕组图。
每个定子极上皆绕有一个集中式的电枢绕组(8)，两个隔磁凹槽之间的电枢绕组(8)绕向相同；一个隔磁凹槽两边的电枢绕组(8)绕向相反。
每三个定子极之间的定子铁心(9)上有隔磁凹槽，隔磁凹槽在定子铁心(9)上均布且总共有2N个，N为自然数；在两个所述隔磁凹槽之间的定子铁心(9)内部嵌有一个永磁体(11)，永磁体(11)平行于轴(2)放置且充磁方向垂直于轴(2)；相邻的两片永磁体(8)的充磁方向相反。
图3为本发明回收废气能量的混合励磁发电机定子侧视时的励磁绕组图。
励磁绕组(12)绕定子铁心(9)的径向绕制并嵌到定子铁心(9)的隔磁凹槽里，相邻励磁绕组(12)的绕制方向相反。
图4为本发明回收废气能量的混合励磁发电机转子侧视图。
转子铁心(7)靠近电机端盖(10)的一个端面上有沿轴向凸起的转子极；所述转子极呈扇环形。
图5为本发明回收废气能量的混合励磁发电机调压原理图。
当发动机转速低或负载大时，给励磁绕组(12)通正向电流，辅助永磁体(11)提供大磁场；当发动机转速高或负载小时，给励磁绕组(12)通负向电流，减小永磁体(11)产生的磁场。
在本实施例中，当励磁绕组通5A正向电流时，合成磁链为0.009Wb；当励磁电流为0时，永磁磁链为0.005 Wb；当励磁电流通5A负向电流时，合成磁链为0.001 Wb。
下面对本发明提出的回收废气能量的混合励磁发电机进行工作原理的说明。
当转子极与其中一相定子极完全重叠时，该相定子极上的电枢绕组的匝链的磁阻最小、磁链最大，该相电枢绕组与励磁绕组的互感也最大。当转子极与一相定子极完全脱离时，该极电枢绕组的磁阻最大、磁链最小，该相电枢绕组与励磁绕组的互感也最小。
通过调节励磁电流的大小，可以调节电枢绕组磁链的大小，从而在不同转速下保持输出电压的稳定。

Claims (3)

1.回收废气能量的混合励磁发电机，其特征在于：
由轴(2)、废气涡轮(3)、废气涡轮壳(4)、电机外壳(6)、转子铁心(7)、电枢绕组(8)、定子铁心(9)、电机端盖(10)、永磁体(11)和励磁绕组(12)组成；
轴(2)的末端固定有废气涡轮(3)，轴(2)的中间固定有盘式的转子铁心(7)；
转子铁心(7)为一体成型制造，励磁源不旋转，在轴承的作用下，废气涡轮(3)可驱动转子铁心(7)高速旋转；
转子铁心(7)靠近电机端盖(10)的一个端面上有沿轴向凸起的转子极；所述转子极呈扇环形；
盘式的定子铁心(9)位于转子铁心(7) 和电机端盖(10)之间，定子铁心(9)固定在电机端盖(10)的内壁上；定子铁心(9)朝向转子铁心(7)的端面有沿轴向凸起的定子极，呈扇环形的定子极与转子极之间有一层气隙；
每三个定子极之间的定子铁心(9)上有隔磁凹槽，隔磁凹槽在定子铁心(9)上均布且总共有2N个，N为自然数；在两个所述隔磁凹槽之间的定子铁心(9)内部嵌有一个永磁体(11)，永磁体(11)平行于轴(2)放置且充磁方向垂直于轴(2)；相邻的两片永磁体(11)的充磁方向相反；
励磁绕组(12)绕定子铁心(9)的径向绕制并嵌到定子铁心(9)的隔磁凹槽里，相邻励磁绕组(12)的绕制方向相反；
每个定子极上皆绕有一个集中式的电枢绕组(8)，两个隔磁凹槽之间的电枢绕组(8)绕向相同；一个隔磁凹槽两边的电枢绕组(8)绕向相反。
2.如权利要求1所述的回收废气能量的混合励磁发电机，其特征在于：转子铁心(7)和定子铁心(9)由无取向导磁材料制成，废气涡轮壳(4)、电机外壳(6)和电机端盖(10)的材料为铸铝。
3.如权利要求1所述的回收废气能量的混合励磁发电机，其特征在于：当发动机转速低或负载大时，给励磁绕组(12)通正向电流，辅助永磁体(11)提供大磁场；当发动机转速高或负载小时，给励磁绕组(12)通负向电流，减小永磁体(11)产生的磁场。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
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Inventor after: Shi Liwei

Inventor after: Zhou Xiaoyu

Inventor after: Chen Liang

Inventor after: Zhang Xueyi

Inventor after: Xiao Dong

Inventor after: Liu Enlai

Inventor after: Wang Xinming

Inventor before: Shi Liwei

Inventor before: Ma Yongkun

Inventor before: Nie Xiuji

Inventor before: Ma Liang

Inventor before: Zhang Xueyi

Inventor before: Li Jinhao

CB03 Change of inventor or designer information
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant