一種模擬混合勵磁的雙勵磁電機的制作方法
【專利摘要】一種模擬混合勵磁的雙勵磁電機，包括兩個勵磁線圈、勵磁磁軛、轉軸、兩個滑環、主電刷、次電刷、定子以及定子外殼，兩個勵磁線圈分內外兩層繞制在勵磁磁軛上，兩個滑環依次安裝在轉軸上，兩個電刷安裝在定子外殼，通過兩個滑環分別為轉子內的兩個勵磁線圈提供勵磁電流。通過控制兩個勵磁線圈中的勵磁電流可以實現混合勵磁電機工作狀態的模擬。本發明克服沒有混合勵磁試驗樣機的困難，設計出模擬混合勵磁的雙勵磁電機，可作為混合勵磁原理性樣機應用于混合勵磁發電機的試驗，從而驗證電機理論計算結果與實際產品試驗結果的區別，減少樣機重復制造成本，大大縮短電機研制周期，節約研制費用。
【專利說明】
一種模擬混合勵磁的雙勵磁電機
技術領域
[0001]本發明涉及一種電勵磁發電機，特別是一種模擬混合勵磁的雙勵磁電機，屬于汽車發電領域。
【背景技術】
[0002]隨著社會的不斷發展，應急通信、救護支援、高檔房車等特種車輛需求日益提高，這些特種車輛的用電設備通常都使用220V、50Hz的交流電。而傳統汽車自帶的發電機，由于其輸出功率低，且只提供電壓不大于42V直流電，無法滿足這些特種車輛的用電要求，只能安裝額外專用的車載發電機來滿足要求。車載專用發電機分為普通電勵磁發電機和永磁發電機，這兩種發電機都能滿足特種車輛設備大功率用電需求。電勵磁發電機優點是易于實現寬轉速范圍內電壓的穩定控制，缺點是電機勵磁部分銅耗較高，電機發熱較重;永磁發電機優點是功率密度大即相同功率條件下體積較小，方便實現狹小空間內的安裝，且勵磁部分沒有銅耗，較電勵磁電機節能環保，缺點是只能在汽車駐車時恒定轉速下工作，難以實現行車狀態下電壓的穩定控制。為了兼具兩種電機的優點，國內外競相開展混合勵磁發電機的研發，其即能提高功率密度、降低損耗，又能在行車狀態下實現電壓穩定控制。但是因為結構、控制方面一系列的問題尚未解決，所以目前還沒有可供參考的先例，亟需設計一款雙勵磁電機，用來模擬混合勵磁狀態的發電機，填補試驗階段沒有原理性樣機的空白，促進混合勵磁發電機的研發進度，節約經濟和時間成本。

【發明內容】

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[0003]本發明解決的技術問題是:克服現有技術的不足，提供一種模擬混合勵磁的雙勵磁電機，可作為混合勵磁原理性樣機應用于混合勵磁發電機的試驗，減少樣機重復制造成本，縮短電機研制周期，節約研制費用。
[0004]本發明的技術解決方案是:一種模擬混合勵磁的雙勵磁電機，包括主勵磁線圈、次勵磁線圈、勵磁磁軛、轉軸、主滑環、次滑環、主電刷、次電刷、定子以及定子外殼；主勵磁線圈繞制在勵磁磁軛上，次勵磁線圈繞制在主勵磁線圈外側，且主勵磁線圈和次勵磁線圈之間纏繞絕緣材料;轉軸依次穿過勵磁磁軛、主勵磁滑環和次勵磁滑環，且勵磁磁軛、主勵磁滑環和次勵磁滑環能夠隨轉軸轉動，主勵磁滑環與主勵磁線圈連接，次勵磁滑環與次勵磁線圈連接;主電刷、次電刷以及定子安裝在定子外殼上，且定子的中心線、勵磁磁軛的中心線與轉軸的中心線重合，主電刷、次電刷分別與外部電流連接，轉軸轉動過程中，主勵磁滑環與主電刷接觸，實現為主勵磁線圈提供勵磁電流，次勵磁滑環與次電刷接觸，實現為次勵磁線圈提供勵磁電流。
[0005]所述主勵磁線圈匝數nl與次勵磁線圈匝數n2滿足nl/n2= k*(實際混合勵磁中永磁體磁勢/電勵磁最大磁勢)汰的范圍為(0，1]。
[0006]所述主滑環內徑比次滑環內徑大0.1_，但主滑環與次滑環外徑一致。
[0007]所述主電刷與次電刷之間軸向距離等于主滑環與次滑環的軸向距離。
[0008]轉軸采用階梯軸結構，勵磁磁軛、主勵磁滑環和次勵磁滑環位置處對應的轉軸直徑依次降低，并且勵磁磁軛、主勵磁滑環和次勵磁滑環位置處對應的轉軸周向做直紋滾花，確保勵磁磁軛、主滑環和次滑環的軸向定位和周向固定。
[0009]還包括爪極，且爪極分為左爪和右爪，轉軸依次穿過左爪、勵磁磁軛、右爪、主勵磁滑環和次勵磁滑環，爪極、主勵磁線圈、次勵磁線圈、勵磁磁軛、轉軸、主勵磁滑環和次勵磁滑環組成發電機的轉子。
[0010]轉軸采用階梯軸結構，左爪、勵磁磁軛、右爪、主勵磁滑環和次勵磁滑環位置處對應的轉軸直徑依次降低，并且左爪、勵磁磁軛、右爪、主勵磁滑環和次勵磁滑環位置處對應的轉軸周向做直紋滾花，確保左爪、勵磁磁軛、右爪、主勵磁滑環和次勵磁滑環的軸向定位和周向固定。
[0011]本發明與現有技術相比的優點在于:
[0012](I)本發明克服沒有混合勵磁試驗樣機的困難，設計出模擬混合勵磁的雙勵磁電機，可作為混合勵磁原理性樣機應用于混合勵磁發電機的試驗，本發明利用直流電流112產生的磁場來模擬永磁體產生的磁場，因為I12通過直流電源提供，是連續可調的，所以若需要一定量磁動勢的磁鋼，只需要調節112大小即可，調節到合適值后確保112恒定不變，便可以模擬磁鋼工作狀態，然后根據此時的磁動勢選取合適的磁鋼尺寸，從而驗證電機理論計算結果與實際產品試驗結果的區別，促進混合勵磁發電機的研發進度，減少樣機重復制造成本，大大縮短電機研制周期，節約研制費用。
[0013](2)本發明轉軸采用階梯型結構，使得左爪、磁軛、右爪、主滑環和次滑環都有各自的軸向定位面，不僅使裝配可以一步到位而且保證了裝配精確度，并在各定位面做周向直紋滾花，增加了轉軸與爪極、磁軛和滑環支架的摩擦力，使之隨轉軸同步旋轉，提高了轉子高速運轉時的穩定性。
[0014](3)本發明的主勵磁線圈和次勵磁線圈中間纏繞聚酰亞胺薄膜，使得主勵磁線圈和次勵磁線圈從物理上隔開，實現兩個線圈間的絕緣，有效防止了兩個線圈電流的互相影響，提高了雙勵磁模擬混合勵磁的精確度。
[0015](4)本發明所述主勵磁線圈匝數nl與次勵磁線圈匝數n2滿足nl/n2 = k，k的范圍為(0，1]，即模擬永磁體部分的主勵磁線圈nl匝數要小于或等于次勵磁線圈匝數n2，使得相同電流的情況下，模擬出的永磁體磁動勢小于等于電勵磁磁動勢，這樣可以實現電勵磁對永磁體的完全弱磁，達到寬轉速范圍內電機可以由電勵磁完全控制的目的。
[0016](5)本發明主滑環內徑比次滑環內徑大0.1mm，既保證了在轉軸上的軸向定位和周向固定，又保證了兩個滑環尤其是主滑環的強度滿足要求。
[0017](6)本發明采用爪極發電機，勵磁線圈平整纏繞在轉子軛上，相比于普通非爪極轉子結構，勵磁線圈沒有節距限制，不僅簡化了勵磁線圈繞制方式，降低了線圈的端部銅耗，而且兩個勵磁線圈內外繞制，也避免了普通結構在交互繞制時兩個線圈因為互感而相互影響。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明的電機結構圖；
[0019]圖2為本發明的人工模擬混合勵磁狀態示意圖；
[0020]圖3為本發明的勵磁電流自動控制示意圖；
[0021]圖4為本發明的增磁時磁路圖。
[0022]圖5為本發明的弱磁時磁路圖。
【具體實施方式】
[0023]本發明克服沒有混合勵磁試驗樣機的困難，提出一種模擬混合勵磁的雙勵磁電機，如圖1所示，包括主勵磁線圈1、次勵磁線圈2、勵磁磁軛3、轉軸5、主滑環6、次滑環7、主電刷8、次電刷9、定子10以及定子外殼11;主勵磁線圈I繞制在勵磁磁軛3上，次勵磁線圈2繞制在主勵磁線圈I外側，且主勵磁線圈I和次勵磁線圈2之間纏繞絕緣材料(聚酰亞胺薄膜)；轉軸5依次穿過勵磁磁軛3、主勵磁滑環6和次勵磁滑環7，且勵磁磁軛3、主勵磁滑環6和次勵磁滑環7能夠隨轉軸5轉動，主勵磁滑環6與主勵磁線圈I連接，次勵磁滑環7與次勵磁線圈2連接;主電刷8、次電刷9以及定子10安裝在定子外殼11上，且定子的中心線、勵磁磁軛3的中心線與轉軸5的中心線重合，主勵磁線圈1、次勵磁線圈2、勵磁磁軛3、主勵磁滑環6和次勵磁滑環7組成雙勵磁發電機的轉子。主電刷8與恒定直流電流I12連接，次電刷9與外部可調直流電流I34連接，轉軸5轉動過程中，主勵磁滑環6與主電刷8接觸，實現為主勵磁線圈I提供勵磁電流，次勵磁滑環7與次電刷9接觸，實現為次勵磁線圈2提供勵磁電流。
[0024]主勵磁線圈I匝數nl與次勵磁線圈2匝數n2滿足nl/n2= k*實際混合勵磁中永磁體磁勢/電勵磁最大磁勢，沾勺范圍為(O，I ]。主滑環6內徑比次滑環7內徑大0.1mm，但主滑環6與次滑環7外徑一致。主電刷8與次電刷9之間軸向距離等于主滑環6與次滑環7的軸向距離。
[0025]轉軸5采用階梯軸結構，勵磁磁軛3、主勵磁滑環6和次勵磁滑環7位置處對應的轉軸5直徑依次降低，并且勵磁磁軛3、主勵磁滑環6和次勵磁滑環7位置處對應的轉軸5周向做直紋滾花，確保勵磁磁軛3、主滑環6和次滑環7的軸向定位和周向固定。
[0026]該雙勵磁電機工作原理是:將勵磁線圈分為內外兩層，主勵磁線圈(外層勵磁線圈)通入恒定直流電流Il2，模擬永磁體產生恒定磁場;次勵磁線圈(內層勵磁線圈)通入可調直流電流134，作為電勵磁部分。混合勵磁電機氣隙磁場由永磁體和電勵磁共同合成，其中永磁體部分磁場恒定不變，當發電機轉速和負載變化時，通過調節電勵磁磁場方向和大小來穩定發電機的輸出電壓，從而保證系統輸出恒定的電壓值。
[0027]本發明還可以進一步增加爪極4，形成爪極雙勵磁電機，爪極4分為左爪41和右爪42，轉軸5依次穿過左爪41、勵磁磁軛3、右爪42、主勵磁滑環6和次勵磁滑環7，爪極4、主勵磁線圈1、次勵磁線圈2和勵磁磁軛3組成發電機的轉子。此時，轉軸5仍采用階梯軸結構，左爪41、勵磁磁軛3、右爪42、主勵磁滑環6和次勵磁滑環7位置處對應的轉軸5直徑依次降低，并且左爪41、勵磁磁軛3、右爪42、主勵磁滑環6和次勵磁滑環7位置處對應的轉軸5周向做直紋滾花，確保左爪41、勵磁磁軛3、右爪42、主勵磁滑環6和次勵磁滑環7的軸向定位和周向固定。
[0028]混合勵磁電機中磁鋼的尺寸大小影響磁鋼的磁動勢，最終影響合成磁勢，本發明的雙勵磁電機能夠消除混合勵磁發電機理論設計與實際產品存在差距，以該電機的實際試驗結果來指導理論設計。本發明利用直流電流112產生的磁場來模擬永磁體產生的磁場，因為I12通過直流電源提供，是連續可調的，所以若需要一定量磁動勢的磁鋼，只需要調節I12大小即可，調節到合適值后確保112恒定不變，便可以模擬磁鋼工作狀態，然后根據此時的磁動勢選取合適的磁鋼尺寸，大大縮短了研發周期和降低了試驗成本。
[0029]人工模擬混合勵磁狀態的實現如下:
[0030]如圖2所示，為本發明的人工模擬混合勵磁狀態示意圖，112由直流調壓電源12供電，通過主電刷為主勵磁線圈輸入恒定電流，模擬永磁狀態；134由另一直流電源13供電，通過次電刷為次勵磁線圈輸入可調電流，模擬電勵磁，雙勵磁電機的三相輸出連接交流負載箱14。
[0031 ]設定直流電源12提供的112恒定，改變發電機轉速和負載時，通過人工調節直流電源13的電壓值，從而改變I34使得輸出線電壓穩定在既定值。若發電機轉速較低且負載功率較高時，電機輸出線電壓會低于既定值，則需要增加I34電流值至正值，即增磁狀態;若發電機轉速較高且負載功率較小，電機輸出線電壓會高于既定值，則需要減小I34電流值至負值，即弱磁狀態。
[0032]如圖3所示，為本發明工作在增磁狀態時磁路圖，此時I12所提供的磁通磁路為:轉子軛4左爪4氣隙4定子鐵芯4氣隙4右爪—轉子軛，I34所提供的磁通磁路方向與112相同，兩者磁通在氣隙中疊加，總磁通值大于I12所產生的磁通，即為增磁狀態。
[0033]如圖4所示，為本發明工作在弱磁狀態時磁路圖，此時112所提供的磁通磁路仍然為:轉子軛—左爪—氣隙—定子鐵芯—氣隙—右爪—轉子軛。但是I34所提供的磁通磁路為:轉子軛—右爪—氣隙—定子鐵芯—氣隙—左爪—轉子軛。兩者所產生的磁通方向相反，并且在在氣隙中疊加，總磁通值小于I12所產生的磁通，即為弱磁狀態。
[0034]進一步的，可調電勵磁部分還可以實現自動控制，如圖5所示，通過控制電路15為實現自動控制混合勵磁狀態，112仍然接恒定直流電源，I34接控制電路的勵磁回路，控制電路15的輸出與負載箱連接，通過電路自動調節勵磁回路的勵磁電流，來實現變速、變負載時的十旦壓輸出。
[0035]設定直流電源12提供的I12恒定，改變發電機轉速和負載時，輸出電壓信號會反饋到控制電路15，通過輸出電壓與既定值比較，控制電路15會自動調節134使得輸出線電壓穩定在既定值。若發電機轉速較低且負載功率較高時，電機輸出線電壓會低于既定值，則控制電路15增加134電流值至正值，即增磁狀態;若發電機轉速較高且負載功率較小，電機輸出線電壓會高于既定值，則控制電路15減小I34電流值至負值，即弱磁狀態。當I12確定時，隨著發電機轉速和負載改變，可以實現I34弱磁和增磁功能的自動控制，從而使輸出線電壓穩定在既定值，該功能即為最終雙勵磁電機控制電路需實現的主要功能。
[0036]本發明兩個勵磁線圈中的勵磁電流可以實現單獨控制，當兩個勵磁電流同方向時，發電機工作在增磁狀態，當兩個勵磁電流反方向時，發電機工作在弱磁狀態，這兩個工作狀態模擬了混合勵磁電機的工作狀態。本發明是在現有純電勵磁發電機的基礎上增加一路勵磁繞組，即在轉子內部有兩個勵磁線圈，模擬混合勵磁電機的原理，可作為混合勵磁原理性樣機應用于混合勵磁發電機的試驗，從而驗證電機理論計算結果與實際產品試驗結果的區別，達到完善理論設計的目的，為最終的混合勵磁發電機系統的本體設計和控制方案提供參考依據。同時在混合勵磁電機本體結構研發的同時，其配套控制電路的設計和試驗驗證工作可以同步展開。應用本發明，能夠有效減少樣機重復制造成本，極大地縮短混合勵磁系統產品的研發周期，節約研制費用。
[0037]本發明未詳細說明部分屬本領域技術人員公知常識。
【主權項】
1.一種模擬混合勵磁的雙勵磁電機，其特征在于:包括主勵磁線圈(I)、次勵磁線圈(2)、勵磁磁軛(3)、轉軸(5)、主滑環(6)、次滑環(7)、主電刷(8)、次電刷(9)、定子(10)以及定子外殼(11);主勵磁線圈(I)繞制在勵磁磁軛(3)上，次勵磁線圈(2)繞制在主勵磁線圈(I)外側，且主勵磁線圈(I)和次勵磁線圈(2)之間纏繞絕緣材料;轉軸(5)依次穿過勵磁磁軛(3)、主勵磁滑環(6)和次勵磁滑環(7)，且勵磁磁軛(3)、主勵磁滑環(6)和次勵磁滑環(7)能夠隨轉軸(5)轉動，主勵磁滑環(6)與主勵磁線圈(I)連接，次勵磁滑環(7)與次勵磁線圈⑵連接;主電刷(8)、次電刷(9)以及定子(10)安裝在定子外殼(11)上，且定子的中心線、勵磁磁軛(3)的中心線與轉軸(5)的中心線重合，主電刷(8)、次電刷(9)分別與外部電流連接，轉軸(5)轉動過程中，主勵磁滑環(6)與主電刷(8)接觸，實現為主勵磁線圈(I)提供勵磁電流，次勵磁滑環(7)與次電刷(9)接觸，實現為次勵磁線圈(2)提供勵磁電流。2.根據權利要求1所述的模擬混合勵磁的雙勵磁電機，其特征在于:所述主勵磁線圈(I)匝數nl與次勵磁線圈(2)匝數n2滿足nl/n2 = k*(實際混合勵磁中永磁體磁勢/電勵磁最大磁勢)，k的范圍為(0，1]。3.根據權利要求2所述的模擬混合勵磁的雙勵磁電機，其特征在于:所述主滑環(6)內徑比次滑環(7)內徑大0.1_，但主滑環(6)與次滑環(7)外徑一致。4.根據權利要求3所述的模擬混合勵磁的雙勵磁電機，其特征在于:所述主電刷(8)與次電刷(9)之間軸向距離等于主滑環(6)與次滑環(7)的軸向距離。5.根據權利要求3所述的模擬混合勵磁的雙勵磁電機，其特征在于:轉軸(5)采用階梯軸結構，勵磁磁軛(3)、主勵磁滑環(6)和次勵磁滑環(7)位置處對應的轉軸(5)直徑依次降低，并且勵磁磁軛(3)、主勵磁滑環(6)和次勵磁滑環(7)位置處對應的轉軸(5)周向做直紋滾花，確保勵磁磁軛(3)、主滑環(6)和次滑環(7)的軸向定位和周向固定。6.根據權利要求3所述的模擬混合勵磁的雙勵磁電機，其特征在于:還包括爪極(4)，且爪極(4)分為左爪(41)和右爪(42)，轉軸(5)依次穿過左爪(41)、勵磁磁軛(3)、右爪(42)、主勵磁滑環(6)和次勵磁滑環(7)，爪極(4)、主勵磁線圈(I)、次勵磁線圈(2)、勵磁磁軛(3)、轉軸(5)、主勵磁滑環(6)和次勵磁滑環(7)組成發電機的轉子。7.根據權利要求6所述的模擬混合勵磁的雙勵磁電機，其特征在于:轉軸(5)采用階梯軸結構，左爪(41)、勵磁磁軛(3)、右爪(42)、主勵磁滑環(6)和次勵磁滑環(7)位置處對應的轉軸(5)直徑依次降低，并且左爪(41)、勵磁磁軛(3)、右爪(42)、主勵磁滑環(6)和次勵磁滑環(7)位置處對應的轉軸(5)周向做直紋滾花，確保左爪(41)、勵磁磁軛(3)、右爪(42)、主勵磁滑環(6)和次勵磁滑環(7)的軸向定位和周向固定。
【文檔編號】H02P9/14GK105978286SQ201610415967
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月14日
【發明人】李建春, 翟秀果, 曹清, 呼銳銳, 杜鴻志
【申請人】北京航天控制儀器研究所