專利名稱：一種內(nèi)外雙定子電勵磁雙凸極起動發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種內(nèi)外雙定子電勵磁雙凸極起動發(fā)電機，屬于汽車起動發(fā)電機技術(shù) 領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電勵磁雙凸極電機是一種由位置傳感器、電力電子功率變換器、勵磁功率電路、控 制器和凸極定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機本體組成的新式電機。傳統(tǒng)的電勵磁雙凸極電機的單元電機 采用內(nèi)轉(zhuǎn)子的6N/4N極結(jié)構(gòu)，定子極數(shù)為6N，轉(zhuǎn)子極數(shù)為4N，N為自然數(shù)，表示單元電機數(shù)。 由于轉(zhuǎn)子極數(shù)較少，轉(zhuǎn)速高，電機通常采用較大的長細比來提高電機功率，這種電機非常適 合作為航空起動發(fā)電機。對于直升機、汽車等使用小型內(nèi)燃機的應(yīng)用場合，由于受到安裝空 間和最高轉(zhuǎn)速的限制，往往需要將起動發(fā)電機設(shè)計為扁平狀結(jié)構(gòu)，即通過增加單元電機的 個數(shù)來提高電機功率并降低電機最高效率時的轉(zhuǎn)速，這樣電機轉(zhuǎn)子內(nèi)部會有很大的空間將 得不到有效利用。
目前已有的技術(shù)中，授權(quán)的中國發(fā)明專利內(nèi)外雙定子雙凸極無刷直流電機，授權(quán) 號200710020866. 9,發(fā)明了 一種外定子向內(nèi)側(cè)的凸極齒與內(nèi)定子向外側(cè)的凸極齒 對 應(yīng)，且轉(zhuǎn)子向外側(cè)的凸極齒與轉(zhuǎn)子向內(nèi)側(cè)的凸極齒兩兩錯開60° /4N機械角的雙凸極無刷 直流電機，由雙凸極電機結(jié)構(gòu)知識知，該發(fā)明公布的電機內(nèi)外定子的每相繞組導通寬度皆 為120°電角度，定外定子的極弧系數(shù)皆為O. 5，加上該電機采用的內(nèi)外定子極數(shù)相等，因 此電機內(nèi)定子的繞組空間極小，限制了內(nèi)定子勵磁繞組和電樞繞組的匝數(shù)和線徑，使得內(nèi) 定子部分發(fā)電和電動功率都很小。公告的發(fā)明專利三相(6/4N/4N/6)k結(jié)構(gòu)雙定子雙凸 極電機，申請?zhí)朇N201110073792. 1，公開了一種三相(6/4N/4N/6)k結(jié)構(gòu)雙定子雙凸極電 機，其中k為正整數(shù)，N為除3和3的倍數(shù)以外的正整數(shù)。公告的發(fā)明專利航空器的雙側(cè) 起動器/發(fā)電機，申請?zhí)朇N200710198905. 4，公開了一種定子雙側(cè)有可轉(zhuǎn)動支承外轉(zhuǎn)子和 內(nèi)轉(zhuǎn)子的航空器的雙側(cè)起動器/發(fā)電機，該機采用多個永磁體設(shè)置在外轉(zhuǎn)子件的內(nèi)表面上 和內(nèi)轉(zhuǎn)子件的外表面上。公告的實用新型專利一種雙定子電機內(nèi)定子的固定結(jié)構(gòu)，申請 號CN201120011262.X，可以固定大型雙定子電機的內(nèi)定子的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的內(nèi)定子內(nèi)殼和 內(nèi)定子鐵芯裝配有用于防止內(nèi)定子鐵芯轉(zhuǎn)動的鍵，內(nèi)定子鐵芯點焊于內(nèi)定子內(nèi)殼的外表面 上。
相對于已有技術(shù)來說，本發(fā)明公開的電機單元電機采用12/8/6極結(jié)構(gòu)，內(nèi)定子極 數(shù)為外定子極數(shù)的一半，且內(nèi)定子極弧系數(shù)小，在保證內(nèi)、外定子各相繞組同步的同時提高 了電機內(nèi)部空間利用率。而上述相關(guān)文獻提到的雙定子雙凸極電機，內(nèi)定子極寬和轉(zhuǎn)子內(nèi) 側(cè)極極寬相等，內(nèi)定子極所占空間大，用于纏繞勵磁繞組的空間小，勵磁效率低。同時，本發(fā) 明公開的雙定子雙凸極電機雖然具有內(nèi)定子三相繞組、外定子三相繞組共計六相繞組，但 由于極弧系數(shù)和相位角設(shè)計合理，可以應(yīng)用傳統(tǒng)三相全橋變換器。總之，目前國內(nèi)外尚未檢 索到單元電機采用12/8/6極結(jié)構(gòu)電勵磁雙定子雙凸極起動發(fā)電機。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有發(fā)動機的使用環(huán)境和起動轉(zhuǎn)速特性，提出了一種能充分利用扁平 式電機的內(nèi)部空間的雙定子電勵磁雙凸極起動發(fā)電機，既可以起動發(fā)動機，又可以在起動 后發(fā)電為發(fā)動機、汽車等提供電源。
本發(fā)明為解決其技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案一種內(nèi)外雙定子電勵磁雙凸極起動發(fā)電機，包括內(nèi)定子電樞繞組(I)、內(nèi)定子勵磁繞組(2)、軸(3)、內(nèi)定子鐵心(4)、轉(zhuǎn)子鐵心(5)、外定子鐵心(6)、外定子勵磁繞組(7)、外定子 電樞繞組⑶和軸承(9)，其特征在于所述電機的單元電機為12/8/6極結(jié)構(gòu)，即電機的外 定子極數(shù)為12N，轉(zhuǎn)子內(nèi)、外側(cè)極數(shù)皆為SN，內(nèi)定子極數(shù)為6N，N為自然數(shù)；內(nèi)定子電樞繞組(I)和外定子電樞繞組(8)由同相位的線圈串聯(lián)或并聯(lián)組成，外定子鐵心(6)各極上分別安 裝的A相、B相和C相三相外定子電樞繞組(8)為集中繞組，內(nèi)定子鐵心(4)各極上分別安 裝的D相、E相和F相三相內(nèi)定子電樞繞組(I)也為集中繞組，外定子鐵心(6)和內(nèi)定子鐵 心(4)上分別纏繞的勵磁線圈都跨三個定子極，相鄰的勵磁線圈繞向相反，電樞繞組的線 圈繞向與匝鏈的勵磁線圈一致；所述電機電機外定子鐵心(6)的極弧系數(shù)為O. 5，內(nèi)定子鐵 心(4)的極弧系數(shù)為O. 25，內(nèi)定子鐵心(4)和外定子鐵心(6)固定在發(fā)動機殼體上，電機的 轉(zhuǎn)子鐵心(5)在電機徑向上位于內(nèi)定子鐵心(4)和外定子鐵心(6)之間，轉(zhuǎn)子鐵心(5)在電 機軸向上由伸出定子的一端固定在軸(3)上，軸(3)通過發(fā)動機殼體和電機端蓋上的軸承(9)定位，可以帶動轉(zhuǎn)子鐵心(5)旋轉(zhuǎn)；所述電機的各相電樞繞組的相位差為60°電角度， 即內(nèi)、外定子齒之間的機械角度差和轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)、外側(cè)齒之間的機械角度差相差360° /48N 機械角。
由于所述電機齒槽設(shè)計的獨特性，電機不僅可用兩個傳統(tǒng)的三相橋式變換器控 制，還可以使用一個三相橋式變換器控制，具體方案是外定子上的A相繞組的尾端接內(nèi)定 子上的D相繞組的尾端，外定子上的B相繞組的尾端接內(nèi)定子上的E相繞組的尾端，外定子 上的C相繞組的尾端接內(nèi)定子上的F相繞組的尾端，外定子上的A、B、C三相繞組的首端分 別接三相全橋變換器的三個橋臂中點，內(nèi)定子上的D、E、F相繞組的首端接在一起。
本發(fā)明的有益效果如下本文提出的內(nèi)外雙定子電勵磁雙凸極起動發(fā)電機，裂比大，空間利用率高，比功率大。 轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)極數(shù)和外側(cè)極數(shù)相等，使得電機內(nèi)電樞繞組和外電樞繞組具有相同的導通周期。 由于電機氣隙直徑和定子極弧系數(shù)決定子齒寬和軛高，飽和勵磁時齒寬決定最大磁通量， 最大磁通量決定最大電感，最大電感對時間的導數(shù)決定電壓和轉(zhuǎn)矩。電機內(nèi)定子采用6/8 極單元電機的極數(shù)匹配，內(nèi)定子極弧系數(shù)小，電機內(nèi)定子具備較大的定子槽空間以安放繞 組。由于設(shè)計的獨特性，本發(fā)明公開設(shè)計的雙定子雙凸極電機雖然具有六相繞組，但可以應(yīng) 用傳統(tǒng)三相全橋變換器。


圖1是本發(fā)明的有兩個單元電機組成的內(nèi)外雙定子電勵磁雙凸極起動發(fā)電機結(jié) 構(gòu)圖，其中1、內(nèi)定子電樞繞組；2.內(nèi)定子勵磁繞組；3、軸；4、內(nèi)定子鐵心；5、轉(zhuǎn)子鐵心；6、 外定子鐵心；7、外定子勵磁繞組；8、外定子電樞繞組。
圖2是本發(fā)明內(nèi)外雙定子電勵磁雙凸極起動發(fā)電機側(cè)向剖視圖，其中1、內(nèi)定子電樞繞組；2.內(nèi)定子勵磁繞組；3、軸；4、內(nèi)定子鐵心；5、轉(zhuǎn)子鐵心；6、外定子鐵心；7、外定子勵磁繞組；8、外定子電樞繞組；9、軸承；10、電機端蓋；11、發(fā)動機殼體；12、內(nèi)定子固定螺栓；圖3為本發(fā)明雙凸極電機的三相全橋變換器拓撲。
圖4為本發(fā)明雙凸極電機的各相電感和電動運行時的各相電流。
圖5為本發(fā)明雙凸極電機米用傳統(tǒng)的兩個三相變換器的拓撲。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明創(chuàng)造做進一步詳細說明。
如圖1所示的內(nèi)外雙定子電勵磁雙凸極起動發(fā)電機結(jié)構(gòu)圖，包括包括內(nèi)定子電樞繞組(I)、內(nèi)定子勵磁繞組(2)、軸(3)、內(nèi)定子鐵心(4)、轉(zhuǎn)子鐵心(5)、外定子鐵心￠)、外定子勵磁繞組(7)和外定子電樞繞組(8)。電機的外定子極數(shù)為24，轉(zhuǎn)子內(nèi)、外側(cè)極數(shù)皆為16，內(nèi)定子極數(shù)為12;電機外定子與轉(zhuǎn)子采用傳統(tǒng)的6/4極單元電機極數(shù)匹配，外定子極弧系數(shù)為O. 5。電機內(nèi)定子與轉(zhuǎn)子采用新型的6/8極單元電機極數(shù)匹配，內(nèi)定子極弧系數(shù)為O. 25。外定子鐵心(6)各極上分別安裝的A相、B相和C相三相繞組為集中繞組，內(nèi)定子鐵心(4)各極上分別安裝的D相、E相和F相三相電樞繞組也為集中繞組，外定子鐵心(6)和內(nèi)定子鐵心(4)上的勵磁繞組分別跨三個定子極。電機內(nèi)、外電樞繞組的相位差為 60°電角度，即內(nèi)、外定子齒之間的機械角度差和轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)、外側(cè)齒之間的機械角度差相差 360° /48N機械角。
由于相鄰的勵磁線圈繞向相反，電樞繞組的線圈繞向也與匝鏈的勵磁線圈一致， 所以內(nèi)定子與轉(zhuǎn)子組成的磁路和外定子與轉(zhuǎn)子組成的磁路互相獨立，其中一組出現(xiàn)故障后不會對另一組構(gòu)成影響，因此電機的容錯能力強。
由于本發(fā)明的電機內(nèi)定子極弧系數(shù)為O. 25，內(nèi)定子極弧系數(shù)小使得電機內(nèi)定子具備較大的定子槽空間以安放勵磁繞組。
圖2所示的本發(fā)明內(nèi)外雙定子電勵磁雙凸極起動發(fā)電機側(cè)向剖視圖。內(nèi)定子鐵心(4)和外定子鐵心(6)固定在發(fā)動機殼體(11)上，電機的轉(zhuǎn)子鐵心(5)在電機徑向上位于內(nèi)定子鐵心⑷和外定子鐵心(6)之間，轉(zhuǎn)子鐵心(5)在電機軸(3)向上由伸出定子的一端固定在軸⑶上，軸⑶通過發(fā)動機殼體(11)和電機端蓋(10)上的軸承(9)固定，可以帶動轉(zhuǎn)子鐵心(5)旋轉(zhuǎn)。
本發(fā)明公開的起動發(fā)電機，充分利用扁平結(jié)構(gòu)的起動發(fā)電機的內(nèi)部空間，適合應(yīng)用在汽車、小型內(nèi)燃機等上作為起動發(fā)電機。
圖3為本發(fā)明雙凸極電機的三相全橋變換器拓撲。外定子上的A相繞組的尾端接內(nèi)定子上的D相繞組的尾端，外定子上的B相繞組的尾端接內(nèi)定子上的E相繞組的尾端，夕卜定子上的C相繞組的尾端接內(nèi)定子上的F相繞組的尾端，外定子上的A、B、C三相繞組的首端分別接三相全橋變換器的三個橋臂中點，內(nèi)定子上的D、E、F相繞組的首端接在一起。
圖4為本發(fā)明雙凸極電機的各相電感和電動運行時的各相電流。由于電機各相相位角相差60°，因此圖4中所示的各相電感的相位角相差60°。當A相的電感上升時，D相的電感正在下降，此時給A相通以正向電流，A相輸出正的電磁轉(zhuǎn)矩；給D相通以負向電流， D相輸出正的電磁轉(zhuǎn)矩。
圖5為本發(fā)明雙凸極電機采用傳統(tǒng)的兩個三相變換器的拓撲。內(nèi)定子與轉(zhuǎn)子組成 的磁路和外定子與轉(zhuǎn)子組成的磁路互相獨立，因此電機也可以看作是兩個三相電機，可以 分別使用傳統(tǒng)三相變換器控制。
其工作原理為在本電機勵磁繞組上通有電流，此時在電機內(nèi)部會建立起磁場，產(chǎn)生的磁通將經(jīng)過定 子軛部、定子齒部、空氣隙、轉(zhuǎn)子齒部、轉(zhuǎn)子軛部形成閉合回路。
起動運行時由于設(shè)計的獨特性，本發(fā)明公開的的雙定子雙凸極電機可以應(yīng)用傳 統(tǒng)三相全橋變換器，而無需采用兩個三相變換器或6相變換器。注意到A相定子極開始與 轉(zhuǎn)子極嚙合時正好處于D相定子極開始與轉(zhuǎn)子極脫離的時刻，因此A相、B相、C相電流分別 與D相、E相、F相電流相反，如圖4所示。所以可以將D、E、F相繞組分別與A、B、C相繞組 反接。這樣電機利用傳統(tǒng)三相全橋變換器便可以進行控制。由于A相定子極與轉(zhuǎn)子極嚙合 時產(chǎn)生正的磁阻轉(zhuǎn)矩，D相定子極與轉(zhuǎn)子極脫離產(chǎn)生負的磁阻轉(zhuǎn)矩，因此，A相與D相產(chǎn)生的 磁阻轉(zhuǎn)矩互相抵消，其總的轉(zhuǎn)矩輸出只包含勵磁轉(zhuǎn)矩部分，不包含磁阻轉(zhuǎn)矩。
發(fā)電運行時原動機帶動本電機按一定方向旋轉(zhuǎn)，三相電樞繞組匝鏈的磁鏈隨著 轉(zhuǎn)子位置改變而變化，從而產(chǎn)生三相交變的感應(yīng)電勢。當其作為直流發(fā)電機時，用外接的三 相全橋變換器整流輸出直流電能供給各種電氣負載或向蓄電池充電。
權(quán)利要求
1. 一種內(nèi)外雙定子電勵磁雙凸極起動發(fā)電機，包括內(nèi)定子電樞繞組(I)、內(nèi)定子勵磁繞組(2)、軸(3)、內(nèi)定子鐵心(4)、轉(zhuǎn)子鐵心(5)、外定子鐵心￠)、外定子勵磁繞組(7)、外定子電樞繞組(8)和軸承(9)，其特征在于所述電機的單元電機為12/8/6極結(jié)構(gòu)，即電機的外定子極數(shù)為12N，轉(zhuǎn)子內(nèi)、外側(cè)極數(shù)皆為SN，內(nèi)定子極數(shù)為6N，N為自然數(shù)；內(nèi)定子電樞繞組(I)和外定子電樞繞組(8)由同相位的線圈串聯(lián)或并聯(lián)組成，外定子鐵心(6)各極上分別安裝的A相、B相和C相三相外定子電樞繞組(8)為集中繞組，內(nèi)定子鐵心(4)各極上分別安裝的D相、E相和F相三相內(nèi)定子電樞繞組(I)也為集中繞組，外定子鐵心(6)和內(nèi)定子鐵心(4)上分別纏繞的勵磁線圈都跨三個定子極，相鄰的勵磁線圈繞向相反，電樞繞組的線圈繞向與匝鏈的勵磁線圈一致；所述電機電機外定子鐵心(6)的極弧系數(shù)為0.5，內(nèi)定子鐵心(4)的極弧系數(shù)為0.25，內(nèi)定子鐵心(4)和外定子鐵心￠)固定在發(fā)動機殼體上，電機的轉(zhuǎn)子鐵心(5)在電機徑向上位于內(nèi)定子鐵心(4)和外定子鐵心(6)之間，轉(zhuǎn)子鐵心(5)在電機軸向上由伸出定子的一端固定在軸(3)上,軸(3)通過發(fā)動機殼體和電機端蓋上的軸承(9)定位，可以帶動轉(zhuǎn)子鐵心(5)旋轉(zhuǎn)；所述電機的各相電樞繞組的相位差為60°電角度，即內(nèi)、外定子齒之間的機械角度差和轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)、外側(cè)齒之間的機械角度差相差360° /48N機械角； 由于所述電機齒槽設(shè)計的獨特性，電機不僅可用兩個傳統(tǒng)的三相橋式變換器控制，還可以使用一個三相橋式變換器控制，具體方案是外定子上的A相繞組的尾端接內(nèi)定子上的D相繞組的尾端，外定子上的B相繞組的尾端接內(nèi)定子上的E相繞組的尾端，外定子上的C相繞組的尾端接內(nèi)定子上的F相繞組的尾端，外定子上的A、B和C三相繞組的首端分別接三相全橋變換器的三個橋臂中點，內(nèi)定子上的D、E和F相繞組的首端接在一起。
全文摘要
本發(fā)明提出的一種能有效利用轉(zhuǎn)子內(nèi)部和外部空間的雙定子電勵磁雙凸極起動發(fā)電機，其單元電機為12/8/6極結(jié)構(gòu)，即電機的外定子極數(shù)為12N，轉(zhuǎn)子極數(shù)為8N，內(nèi)定子極數(shù)為6N，N為自然數(shù)。電機外定子與轉(zhuǎn)子為傳統(tǒng)的6/4極單元電機極數(shù)匹配，外定子極弧系數(shù)為0.5。電機內(nèi)定子與轉(zhuǎn)子為6/8極單元電機極數(shù)匹配，內(nèi)定子極弧系數(shù)為0.25。電機內(nèi)外電樞繞組的相位差為60°電角度，可以實現(xiàn)較小的換相轉(zhuǎn)矩脈動。本發(fā)明公開的起動發(fā)電機，充分利用扁平結(jié)構(gòu)的起動發(fā)電機的內(nèi)部空間，適合應(yīng)用在汽車、小型內(nèi)燃機等上作為起動發(fā)電機。
文檔編號H02K16/00GK103001423SQ201210471608
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月20日
發(fā)明者史立偉 申請人:史立偉