CN107482870A - 一种无刷励磁空芯脉冲发电机 - Google Patents

一种无刷励磁空芯脉冲发电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无刷励磁空芯脉冲发电机，属于发电机技术领域。本发明结构包括空芯定子基体、空芯转子基体、发电机励磁绕组、发电机电枢绕组、励磁机电枢绕组、励磁机励磁绕组、转轴、绑扎套筒、机壳以及端盖；本发明无刷励磁空芯脉冲发电机分为发电机与励磁机两个部分，转子绕组由发电机励磁绕组和励磁机电枢绕组构成，通过环氧树脂整体浇筑与空芯转子基体相连，二者均为多相绕组，并反相序连接，这样能提高发电机中磁场切割发电机电枢绕组的频率，增大发电机电枢绕组感应电势，本发明使得空芯脉冲发电机无刷化，提高了电机整体的可靠性与安全性，增大了励磁电流上限，能够提高电机储能密度和功率密度。

Description

一种无刷励磁空芯脉冲发电机
技术领域
本发明属于发电机技术领域，更具体地，涉及一种无刷励磁空芯脉冲发电机。
背景技术
脉冲发电机作为一种特殊的脉冲电源，集惯性储能、能量转换和脉冲调节于一体，具有高储能密度、高功率密度、高重复频率和高使用寿命等综合指标优势，具有广阔的应用前景，在科学研究、国防科技、工业、医学、环境保护等等领域都有着重要的科学意义。
脉冲发电机以储能密度和功率密度为指标。为了提高储能密度和功率密度，脉冲发电机的定转子一般会采用空芯材料(即非导磁材料)制成。虽然铁磁材料的高导磁率使得电机能在励磁电流较低时获得较高的气隙磁通密度，但同时因为其饱和特性而限制了气隙磁通密度的上限，从而限制了储能密度和功率密度的提高。然而空芯材料解除了这个限制，研究者能够通过尽可能地增大励磁电流从而获得更高的气隙磁通密度。此外空芯材料的比强度高于铁磁材料，采用空芯材料的电机能在更高的转速下运行(6000r/min至24000r/min)。再者铁芯材料会带来铁芯损耗，降低***的效率。最后，采用空芯材料能使电机的内电感变得很小，从而增大脉冲放电电流。
为了能获得更大的励磁电流，空芯脉冲发电机一般采用自激励磁，其励磁电流可以达到几kA至几十kA范围。在已有的空芯脉冲发电机中，往往采用电刷来连接定子绕组和转子绕组，从而实现自激励磁。但是在高速大电流的情况下，电刷会严重磨损与发热，大大降低了空心脉冲发电机的可靠性和效率。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种无刷励磁空芯脉冲发电机，其目的在于对空芯脉冲发电机的拓扑结构进行了合理的改进，在其中加入了空芯励磁机结构，使得空芯脉冲发电机无刷化，提高了电机整体的可靠性与安全性，增大了励磁电流上限，能够提高电机储能密度和功率密度。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种无刷励磁空芯脉冲发电机，所述无刷励磁空芯脉冲发电机分为发电机与励磁机左右两个部分，发电机电枢绕组位于发电机一侧，励磁机励磁绕组位于励磁机一侧，且共同安放在空芯定子基体内侧表面上；发电机励磁绕组位于发电机一侧，励磁机电枢绕组位于励磁机一侧，且共同安放在空芯转子基体外侧表面上；转轴设置在空芯转子基体内部，带动空芯转子基体、发电机励磁绕组和励磁机电枢绕组以相同转速旋转。
进一步地，所述发电机励磁绕组和励磁机电枢绕组均为多相绕组，励磁机电枢绕组上感应的电流通过反相序连接导入发电机励磁绕组。
进一步地，所述发电机电枢绕组和励磁机励磁绕组由环氧树脂与空芯定子基体整体浇筑，发电机励磁绕组与励磁机电枢绕组由环氧树脂与空芯转子基体整体浇筑。
进一步地，所述无刷励磁空芯脉冲发电机先自激励磁后向负载放电，自激励磁时发电机电枢绕组中电流经整流桥整流为直流后导入励磁机励磁绕组，实现自激正反馈，负载放电时发电机电枢绕组中电流经整流桥整流后向负载放电。
进一步地，所述无刷励磁空芯脉冲发电机还包括绑扎套筒，所述绑扎套筒包覆在发电机励磁绕组和励磁机电枢绕组外侧表面上，防止在电机高速旋转时与空芯转子脱离，保护转子增加机械强度。
进一步地，所述无刷励磁空芯脉冲发电机还包括机壳，所述机壳位于空芯定子基体外侧表面上，用于增加机体强度。
进一步地，所述无刷励磁空芯脉冲发电机还包括两个端盖，所述转轴穿过两个端盖的中心，两个端盖和机壳构成圆柱体包覆在空芯定子基体的外表面上，用于增加机体强度。
进一步地，所述空芯定子基体、空芯转子基体与绑扎套筒由高强度的非导磁材料加工制成；转轴由高强度材料加工制成。
进一步地，所述空芯定子基体、空芯转子基体与绑扎套筒由碳纤维环氧树脂复合材料加工制成；转轴为钛合金加工制成。
进一步地，发电机电枢绕组为无槽绕组，相数为k，k为任一正整数，k优选为4，可以分为内外两层，每层两相之间互差90度电角度；极对数为p1，p1为任一正整数，p1优选为2。
进一步地，发电机励磁绕组相数为m1，m1为任一大于1的正整数，m1优选为3，极对数为p2，p2与p1相等，p2优选为2。
进一步地，励磁机励磁绕组极对数为p3，p3为任一正整数，p3优选为2。
进一步地，励磁机电枢绕组相数为m2，m2为任一大于1的正整数，m2优选为3，极对数为p4，p4与p3相等，p4优选为2。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术特征及有益效果：
(1)在空芯脉冲发电机中加入空芯励磁机结构，实现了无刷励磁化，增大了电机的可靠性，同时简化了电机的励磁***，减小了励磁损耗，提高了***的效率；
(2)发电机励磁绕组与励磁机电枢绕组均为多相绕组，二者反相序连接，提高了发电机中气隙磁场相对于发电机电枢绕组的旋转切割频率，增大了感应电动势，减小了达到自激励磁终点的时间，同时极高的电频率利于放电电流滤波；
(3)定子基体与转子基体均采用比强度很高的空芯材料，其中空芯转子基体能工作在极高转速下，通过自激励磁使得励磁电流成指数型上升，在极短的时间内就可以获得较大的气隙磁通密度，增加了储能密度和功率密度，减小了电机质量和体积。
附图说明
图1是本发明实施例的侧剖面图；
图2是本发明实施例的电气结构图；
图3是本发明实施例的发电机绕组排布方式图；
图4是本发明实施例的励磁机绕组排布方式图；
图5是本发明实施例的转子绕组连接示意图；
图6是本发明实施例的定子绕组连接示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明优选实例的侧剖面图，其整体可以分为发电机和励磁机左右两个部分；发电机电枢绕组和励磁机励磁绕组固定在空芯定子基体内表面上，发电机励磁绕组和励磁机电枢绕组固定在空芯转子基体外表面上，绑扎套筒通过过盈配合包覆在转子绕组外表面上，转轴位于空芯转子基体内部且二者紧密相连，机壳和端盖包覆在空芯定子基体外表面上。
图2是本发明优选实例的电机电气结构图，自激励磁时，电机先由一台原动机拖动至一定转速，初始励磁模块开关13闭合，由初始励磁模块12向励磁机励磁绕组6中注入种子电流，之后初始励磁模块开关13断开，种子电流在励磁机电枢绕组7中感应出三相电流后反相序流入发电机励磁绕组3中，在发电机电枢绕组4中感应出四相电流，经整流后再导回励磁机励磁绕组6，实现自激正反馈。负载放电时，负载回路开关14闭合，发电机电枢绕组4向负载11放电。
图3和图4分别为本发明优选实例绕组排布方式图和励磁机绕组排布方式图，两图中所示电机极对数均为2，这是为了减少经过转轴的磁通，减小高频损耗；两图中所示绕组均为同心式绕组，这样有利于减小端部电感和电阻，其中定子绕组均采用环氧树脂与空芯定子基体1整体浇筑，转子绕组也采均用环氧树脂与空芯转子基体2整体浇筑；环氧树脂的磁导率接近空气的磁导率，使得电机绕组本身内电感就很低，放电时又与发电机励磁绕组3中的励磁电流互相去磁，实现磁通压缩，进一步降低电机内电感，增强放电能力。图4中转子绕组为发电机励磁绕组3，3相，每相互差120电角度；定子绕组为发电机电枢绕组4，4相，分为内外两层，每层2相，同层两相之间互差90电角度以解除相与相之间的耦合；采用四相是为了增加电枢绕组相数，这样经过整流桥并控制放电角可以消除直流分量，有利于改善放电波形，减小谐波，提高电能质量，也可以使得放电波形多样化以匹配多种负载。图3中转子绕组为励磁机电枢绕组7，3相，每相互差120电角度；定子绕组为励磁机励磁绕组6，其通入电流近似为直流，产生恒定不旋转的磁动势。图中绕组的并联支路数均为1，两条支路串联可以提高电机的空载感应电动势。
图5为本发明优选实例的转子绕组连接示意图，图中上下两套绕组分别为发电机励磁绕组3与励磁机电枢绕组；其中实线表示A相绕组，点划线表示B相绕组，虚线表示C相绕组。由图可见，发电机励磁绕组3与励磁机电枢绕组5各自内部的连接方式完全相同且对称，但是互相之间的连接则采用反相序连接。
图6为本发明优选实例的定子绕组连接示意图，图中上下两套绕组分别为发电机电枢绕组4与励磁机励磁绕组6；发电机电枢绕组4中实线表示A与D相绕组，虚线表示B与C相绕组。由图可见，发电机电枢绕组4与励磁机励磁绕组6的首端之间采用整流桥连接，发电机电枢绕组4中4相电流整流后流入励磁机励磁绕组6中变为直流，二者末端则与中性点相连。
如图5和图6所示，当电机正常工作时，励磁机电枢绕组5为三相电枢绕组，其产生的三相交流电流通过反相序连接流入发电机励磁绕组4，为发电机提供励磁。由于励磁机励磁绕组6中的电流为直流，因此与励磁机电枢绕组5共同产生相对于定子恒定不旋转的磁动势，而励磁机电枢绕组5与空芯转子2共同旋转，因此三相电流产生的磁动势相对于转子为一倍反向转速。通过反相序连接后，发电机励磁绕组3内三相电流产生的磁动势反向旋转，相对于空芯转子的转速为一倍正向转速，相对于空芯定子的转速则提高到了两倍正向转速，从而增大了磁动势的切割频率，提高了脉冲发电机的感应电动势，缩短了励磁时间。
以上内容本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无刷励磁空芯脉冲发电机，其特征在于，所述无刷励磁空芯脉冲发电机分为发电机与励磁机左右两个部分，发电机电枢绕组(4)位于发电机一侧，励磁机励磁绕组(6)位于励磁机一侧，且共同安放在空芯定子基体(1)内侧表面上；发电机励磁绕组(3)位于发电机一侧，励磁机电枢绕组(5)位于励磁机一侧，且共同安放在空芯转子基体(2)外侧表面上；转轴(7)设置在空芯转子基体(2)内部，带动空芯转子基体(2)、发电机励磁绕组(3)和励磁机电枢绕组(5)以相同转速旋转；
发电机励磁绕组(3)和励磁机电枢绕组(5)均为多相绕组，励磁机电枢绕组(5)上感应的电流通过反相序连接导入发电机励磁绕组(3)。
2.根据权利要求1所述的一种无刷励磁空芯脉冲发电机，其特征在于，所述无刷励磁空芯脉冲发电机先自激励磁后向负载放电，自激励磁时发电机电枢绕组(4)中电流经整流桥整流为直流后导入励磁机励磁绕组(6)，实现自激正反馈，负载放电时发电机电枢绕组(6)中电流经整流桥整流后向负载放电。
3.根据权利要求1所述的一种无刷励磁空芯脉冲发电机，其特征在于，所述发电机电枢绕组(4)和励磁机励磁绕组(6)由环氧树脂与空芯定子基体(1)整体浇筑，发电机励磁绕组(3)与励磁机电枢绕组(5)由环氧树脂与空芯转子基体(2)整体浇筑。
4.根据权利要求1所述的一种无刷励磁空芯脉冲发电机，其特征在于，所述无刷励磁空芯脉冲发电机还包括绑扎套筒(8)，所述绑扎套筒(8)包覆在发电机励磁绕组(3)和励磁机电枢绕组(5)外侧表面上。
5.根据权利要求1所述的一种无刷励磁空芯脉冲发电机，其特征在于，所述无刷励磁空芯脉冲发电机还包括机壳(9)，所述机壳(9)位于空芯定子基体(1)外侧表面上。
6.根据权利要求1所述的一种无刷励磁空芯脉冲发电机，其特征在于，所述无刷励磁空芯脉冲发电机还包括两个端盖(10)，所述转轴(7)穿过两个端盖(10)的中心，两个端盖(10)和机壳(9)构成圆柱体包覆在空芯定子基体(1)的外表面上。
7.根据权利要求1所述的一种无刷励磁空芯脉冲发电机，其特征在于，所述空芯定子基体(1)、空芯转子基体(2)与绑扎套筒(8)为高强度的非导磁材料；转轴(7)为高强度材料。
8.根据权利要求1所述的一种无刷励磁空芯脉冲发电机，其特征在于，所述空芯定子基体(1)、空芯转子基体(2)与绑扎套筒(8)由碳纤维环氧树脂复合材料加工制成；转轴(7)为钛合金加工制成。
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