CN103780042A - 一种无刷直流磁阻式起动发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种无刷直流磁阻式起动发电机，该电机包括三相电枢绕组、励磁绕组、绕组串并联切换开关、定子铁心、转子铁心、轴、位置传感器、桥式变换器和控制器。定子铁心的每个极上绕有集中式绕制的电枢线圈，励磁线圈跨三个定子极绕制，同相位的电枢线圈串联或并联组成一相。本发明公开的起动发电机采用磁阻式结构，转子无绕组，结构简单工作可靠，发电时可以通过调节励磁电流来保持输出电压的稳定；起动时依靠磁阻转矩旋转，电枢线圈串联，起动转矩大，且适合低速运转；发电时利用励磁绕组产生磁场，电枢线圈并联，电枢反应小，且适合高速运转。本发明技术非常适合用于汽车等载运工具使用。

Description

一种无刷直流磁阻式起动发电机

技术领域

本发明涉及一种无刷直流磁阻式起动发电机，属于汽车电机与电器技术领域。

背景技术

起动发电机既能当作电动机运行起动发动机，又能作为发电机运行为用电设备供电，是混合动力汽车、怠速停机汽车等新型节能汽车的关键部件。随着汽车技术的发展，起动发电机技术越来越多的应用于汽车上。

为了延长起动发电机的使用寿命，减小碳刷产生的火花的电磁干扰，起动发电机应该采用无刷化结构。目前可以应用于汽车起动发电机的电机主要由爪极式交流电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等。爪极式交流电机采用转子上的励磁绕组励磁，非常适合作为发电机使用，但作为起动机使用存在不适合起动低速运转、转子上的励磁绕组故障率高等缺陷。永磁同步电机是用永磁材料励磁，其电压调整较为困难。开关磁阻电机转子结构非常简单，适合用于高温、高速等场合，而且起动特性好，因此，自上世纪80年代末以来，国外对开关磁阻电机的研究一直十分活跃。尽管开关磁阻电机运行时噪声较大，但用于起动机时，电机噪声远比发动机小。但开关磁阻电机作为发电机运行时输出电流为脉冲式的，需要特殊的整流滤波电路，而且开关磁阻发电机电压调节能力较为复杂，成本较高。因此，若能结合爪极式交流发电机电压调压特性好、开关磁阻电机起动特性好的优点，发明一种新型无刷直流磁阻电机将具有很高的应用前景。

目前已有的技术中，申请的发明专利：基于三相六状态起动的电励磁双凸极电机转子位置辨识法，申请号201310148450.0。提出了一种基于两两相导通注入低压脉冲矢量进行转子位置预估的方法，其采用的电机为电励磁双凸极电机，该电机在电动运行时采用和永磁无刷电机相同的三相全桥变换器，分别给一相通正向电流，产生正的电磁转矩和正的磁阻转矩；另一相通负向电流，产生正的电磁转矩和负的磁阻转矩。其中磁阻转矩相互抵消，电磁转矩起主要作用对外输出，浪费了部分磁阻转矩。且为了降低电励磁双凸极电机的电枢反应，其电枢绕组匝数一般很少，这样该电机的各相电感较小，总的输出转矩较低。相似的，授权的发明专利：一种电动汽车起动发电***，201110245987.X，也发明了一种采样三相全桥变换器控制的起动发电***，其起动时的输出转矩也是电磁转矩。授权的发明专利：一种开关磁阻起动/发电机功率变换器，专利号200910033555.5，公布了一种开关磁阻起动/发电机功率变换器，该技术通过在传统的自励模式不对称半桥功率变换器拓扑中外加六个辅助开关管，有效衔接了各桥臂的开关管以及负载开关管，从而可以实现各桥臂任意开关管发生故障时的冗余，开关管利用率高，可靠性强。申请的发明专利：一种具备电动和发电转换功能的电动车用开关磁阻电机，申请号：200910112146.4，在转子凸极上加装独立的励磁绕组及其外接控制电路，励磁绕组通过集电滑环取电；电动时，其切换开关断开使转子绕组空载；当车辆刹车或下坡等使电机获得反作用力时，主控***使转子转换成发电机的励磁磁场，旋转的转子励磁磁场通过对原定子电枢绕组进行交变励磁而发电。该技术还需采用碳刷滑环结构给励磁绕组供电，励磁绕组也容易飞散，而且该发电原理在技术上还存在一定的不可操作性。因此该专利未被授权。

本发明的技术与以上文献皆不相同。首先，在原理上，本发明的技术在起动时按照开关磁阻电机原理运行，且采用新型的功率变换器；在发电时按照电励磁电机运行，利用上述功率变换器上的二极管整流对外输出。其次，本发明的技术在起动时各线圈串联，匝数多，电磁转矩大；在发电时各线圈并联，匝数少，适合发电时的高速运转环境。

总之，目前国内外尚未检索到本发明相似的技术。相对于已有技术来说，本发明公开的技术在电动和发电状态时采用不同的原理，在技术上有一定的创造性；另外还在电动功率变换器、电动状态与发电状态的电枢绕组切换上具有一定的创新性。 

发明内容

本发明针对现有汽车的使用环境和起动转速特性，提出了一种采用可以串联或并联连接的电枢绕组、起动时依靠磁阻转矩、发电时依靠励磁调压的无刷直流磁阻式起动发电机，既可以起动发动机，又可以在起动后发电为发动机、汽车等提供电源。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种无刷直流磁阻式起动发电机，包括三相电枢绕组、励磁绕组、串并联切换开关、定子铁心、转子铁心、轴、位置传感器、桥式变换器和控制器。其特征在于：

定子铁心的每个极上绕有集中式绕制的电枢线圈，励磁绕组由励磁线圈串联组成，励磁线圈也位于定子上且跨三个定子极绕制，相邻的励磁线圈绕向相反，电枢线圈与匝链的励磁线圈同向；

串并联切换开关可以把同相位的电枢线圈串联或并联组成A相电枢绕组、B相电枢绕组和C相电枢绕组，所述A相电枢绕组、B相电枢绕组和C相电枢绕组采用三相星形接法，接在一起的中性点通过第七二极管接正极，中性点还通过第四开关管接地；A相电枢绕组、B相电枢绕组和C相电枢绕组的另一端分别接半控桥的三个桥臂中点，半控桥的下半桥由第一二极管、第二二极管和第三二极管组成，半控桥的上半桥由第一开关管、第二开关管和第三开关管组成，第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管都带有体二极管；所述励磁绕组串联第五开关管，励磁绕组的两端接有第九二极管作为续流二极管；

当所述起动发电机工作在起动状态时，各相的电枢线圈串联，位置传感器检测转子位置，控制器控制上述开关管分别导通，依次给电感增大的一相电枢绕组通电，所述起动发电机会依靠磁阻转矩旋转；当所述起动发电机工作在发电状态时，控制器控制第五开关管导通，给励磁绕组通电并根据转速和负载调整励磁电流的大小，串并联切换开关控制三相电枢线圈并联，三相电枢绕组产生三相交流电，通过半控桥上的二极管整流对外输出直流电。

如上所述的一种无刷直流磁阻式起动发电机，其特征在于：所述半控桥的下半桥包含可控元件，即半控桥的上半桥由第一二极管、第二二极管和第三二极管组成，半控桥的下半桥由第一开关管、第二开关管和第三开关管组成，所述电枢绕组的中性点通过第七二极管接地，中性点通过第四开关管接正极。

本发明的有益效果如下：

⑴本发明公开的起动发电机采用磁阻式结构，转子无绕组，结构简单工作可靠；

⑵发电时可以通过调节励磁电流来保持输出电压的稳定；

⑶起动时电枢线圈串联，起动转矩大，适合用于汽车等载运工具使用；

⑷电枢绕组的中性点带有两个二极管，可以利用中性点的电压波动提高发电量。

附图说明

图1是本发明的一种无刷直流磁阻式起动发电机功率变换器拓扑。

图2是本发明一种无刷直流磁阻式起动发电机电机本体结构示意图，其中：1、定子铁心；2、励磁绕组；3、电枢绕组；4、转子铁心；5、轴。

图3为本发明一种无刷直流磁阻式起动发电机A相线圈切换原理图。

图4为本发明一种无刷直流磁阻式起动发电机三相电感及电动原理图。

图5为本发明一种无刷直流磁阻式起动发电机电动运行时仿真的三相电流。

图6为本发明一种无刷直流磁阻式起动发电机电动运行时仿真的输出转矩。

图7为本发明一种无刷直流磁阻式起动发电机发电运行时仿真的三相电压。

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是本发明的一种无刷直流磁阻式起动发电机功率变换器拓扑。

所述起动发电机有A相、B相和C相三相电枢绕组，三相电枢绕组采用星形接法，接在一起的中性点通过第七二极管接正极，中性点还通过第四开关管接地；A相、B相和C相三相电枢绕组的另一端分别接半控桥的三个桥臂中点，所述半控桥的上半桥分别为第一开关管、第二开关管和第三开关管；所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管都带有体二极管；所述励磁绕组串联第五开关管，励磁绕组的两端接有第九二极管作为续流二极管。

当所述起动发电机工作在起动状态时，各相的电枢线圈串联，位置传感器检测转子位置，控制器控制上述开关管分别导通，依次给电感增大的一相电枢绕组通电，所述起动发电机会依靠磁阻转矩旋转，由于电枢线圈串联，因此起动转矩大，且适合低速运转的起动状态；当所述起动发电机工作在发电状态时，控制器控制第五开关管导通，给励磁绕组通电并根据转速和负载调整励磁电流的大小，转子旋转时各相电枢线圈的磁链会变化，三相电枢绕组产生三相交流电，通过半控桥上的二极管整流对外输出直流电，串并联切换开关控制电枢线圈并联，电枢反应小，且适合高速运转的发电状态。

所述电枢绕组的中性点接有两个二极管，可以利用中性点的电压波动提高发电量。

图2是本发明一种无刷直流磁阻式起动发电机电机本体结构示意图，所述起动发电机包括三相电枢绕组、励磁绕组、串并联切换开关、定子铁心、转子铁心、轴、位置传感器、桥式变换器和控制器。所述定子铁心的每个极上绕有集中式绕制的电枢线圈，励磁线圈也位于定子上且跨三个定子极绕制，相邻的励磁线圈绕向相反，电枢线圈与匝链的励磁线圈同向。

图3为本发明一种无刷直流磁阻式起动发电机A相线圈切换原理图。串并联切换开关可以把同相位的电枢线圈串联或并联组成A相、B相或C相电枢绕组。图中所述的为A相包含两个A1和A2两个线圈的情况，因此串并联切换开关为一个双刀双掷开关。起动状态时，继电器控制双刀双掷开关啮合S1触点和S2触点，A1电枢线圈和A2电枢线圈串联；发电状态时，继电器控制双刀双掷开关啮合G1和G2触点，则A1电枢线圈和A2电枢线圈并联。

图4为本发明一种无刷直流磁阻式起动发电机三相电感及电动原理图。当定子极弧系数为0.5，转子极弧系数为0.333时，所述起动发电机的三相电感如图中Lp所示。依次给电感增大的一相电枢绕组通电以电流Ip，所述起动发电机的三相绕组分别会产生磁阻转矩Tpr，合成的Tr为对外输出的转矩。

图5为本发明一种无刷直流磁阻式起动发电机电动运行时仿真的三相电流。此图为仿真电流，与图4所示的理论分析电流波形基本一致，验证了本发明方法的正确性。

图6为本发明一种无刷直流磁阻式起动发电机电动运行时仿真的输出转矩。此图为仿真转矩，所述起动发电机可以输出正向的磁阻转矩，验证了本发明方法的正确性。与图4所示的理论分析的差别在于电流换相时存在一定的转矩脉动，这是开关磁阻电机的固有现象，可以通过优化开关角度减小该转矩脉动。

图7为本发明一种无刷直流磁阻式起动发电机发电运行时仿真的三相电压。仿真结果表明，所述起动发电机发电时输出三相交流电，经过整流后可对外输出直流电。

其工作原理为：

在本电机励磁绕组上通有电流，此时在电机内部会建立起磁场，产生的磁通将经过励磁磁轭、气隙、N极爪极、气隙、定子铁心、S极爪极、气隙、励磁磁轭形成闭合磁路。由于采用无刷爪极式电励磁转子，没有碳刷滑环结构，故障率低。

发电运行时：发动机带动本起动发电机按一定方向旋转，三相电枢绕组匝链的磁链随着转子位置改变而变化，从而产生三相交变的感应电势。当需要直流输出时，用外接的功率变换器整流输出直流电，供给各种电气负载或向蓄电池充电。通过调整励磁电流的大小，可以保持所述起动发电机在变转速变负载工况下保持输出电压的稳定。

起动运行时:通过位置传感器检测电机转子位置，将位置信号输送给控制器后，控制器控制功率变换器的相应开关管，给电感上升的绕组通以正向电流，给电感下降的绕组通以负向电流，电机即可实现对外输出磁阻转矩。该工作原理与开关磁阻电机基本一致。 

Claims (2)

1.一种无刷直流磁阻式起动发电机，包括三相电枢绕组、励磁绕组、串并联切换开关、定子铁心、转子铁心、轴、位置传感器、桥式变换器和控制器，其特征在于：

定子铁心的每个极上绕有集中式绕制的电枢线圈，励磁绕组由励磁线圈串联组成，励磁线圈也位于定子上且跨三个定子极绕制，相邻的励磁线圈绕向相反，电枢线圈与匝链的励磁线圈同向；

串并联切换开关可以把同相位的电枢线圈串联或并联组成A相电枢绕组、B相电枢绕组和C相电枢绕组，所述A相电枢绕组、B相电枢绕组和C相电枢绕组采用三相星形接法，接在一起的中性点通过第七二极管接正极，中性点还通过第四开关管接地；A相电枢绕组、B相电枢绕组和C相电枢绕组的另一端分别接半控桥的三个桥臂中点，半控桥的下半桥由第一二极管、第二二极管和第三二极管组成，半控桥的上半桥由第一开关管、第二开关管和第三开关管组成，第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管都带有体二极管；所述励磁绕组串联第五开关管，励磁绕组的两端接有第九二极管作为续流二极管；

当所述起动发电机工作在起动状态时，各相的电枢线圈串联，位置传感器检测转子位置，控制器控制上述开关管分别导通，依次给电感增大的一相电枢绕组通电，所述起动发电机会依靠磁阻转矩旋转；当所述起动发电机工作在发电状态时，控制器控制第五开关管导通，给励磁绕组通电并根据转速和负载调整励磁电流的大小，串并联切换开关控制三相电枢线圈并联，三相电枢绕组产生三相交流电，通过半控桥上的二极管整流对外输出直流电。

2.根据权利要求1所述一种无刷直流磁阻式起动发电机，其特征在于：所述半控桥的下半桥包含可控元件，即半控桥的上半桥由第一二极管、第二二极管和第三二极管组成，半控桥的下半桥由第一开关管、第二开关管和第三开关管组成，所述电枢绕组的中性点通过第七二极管接地，中性点通过第四开关管接正极。

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