一种双凸极交流发电机的制作方法

本实用新型涉及交流发电机技术领域，具体涉及一种双凸极交流发电机。

背景技术：

同步励磁发电机是一种输出交流电的传统发电机，同步励磁发电机包含转子和定子，定子上有主绕组和辅助绕组，转子上有励磁绕组，辅助绕组或外接励磁电源产生的励磁电压，连接到转子上的励磁线圈产生电流建立磁场，使得转子旋转时定子主绕组产生交流电压。同步励磁发电机的输出频率跟转子极数和转子转速有关，其定转子体积和重量相较永磁发电机和双凸极发电机要高出一倍以上，而且效率较低。由于同步励磁电机工艺成熟度高，价格便宜，目前常规发电机组多为同步励磁发电机。使用永磁电机代替同步励磁电机，再使用逆变器转换为稳定的交流电压输出，可以大幅度减小发电机组的体积和重量，同时提高电源输出的质量，还可以根据负载的大小调节发动机的转速达到节油降噪的目的，目前已逐步在小范围替代同步励磁发电机，但是由于逆变器的成本较高，逆变发电机组的成本也高于同步励磁发电机组，使得逆变发电机组无法完全替代同步励磁发电机组。

同步励磁发电机组价格便宜但是体积重量较大，为了保证输出频率稳定转速不能降低；逆变发电机体积小重量轻电源质量高，可在中低负载降低转速以节油降噪，但是成本高不利于全面推广。

双凸极发电机是一种新型发电机，最先设计为双凸极直流发电机，其定转子凸极相对，定子上有电枢绕组和励磁元件，励磁元件可以是电励磁绕组也可以是永磁体或二者兼有。双凸极电机的转子一般没有永磁体，所以能耐高温，且加工简单。双凸极直流发电机的电枢绕组通过整流桥输出直流电，通过控制励磁绕组的磁通得到稳定的直流电压输出，其输出直流电压跟转速无关。双凸极直流发电机的体积和同功率的永磁电机相当，具有成本较低，结构简单，耐高温，体积小重量轻等特点，现已普遍应用在飞机发电机和风力发电机组上，其输出的直流电直接连接直流负载或通过逆变器转换成交流电压为交流负载供电。

如果能使用双凸极电机输出交流电压，并不使用逆变器，将既能减小发电机组体积和重量，又能使发电机组的成本不高于同步励磁发电机组，如果通过控制使输出的交流电压和频率与电机转速无关，则可在燃油发电机组上降低转速以达到节油降噪的目的，在风力发电机组上适应各种风速。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双凸极交流发电机，以实现不使用逆变器输出交流电压，以减小发电机组体积和重量，又能使发电机组的成本不高于同步励磁发电机组。

为实现以上目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种双凸极交流发电机，包括：

电机转轴、及套设在所述电机转轴上的发电机支架、定子及转子；

所述定子包括：安装在发电机支架一侧的定子铁芯，缠绕于定子铁芯凸极上的电枢绕组，以及设置于定子铁芯上的励磁元件；

所述转子包括：转子壳体，及安装在所述转子壳体内侧的转子铁芯，所述转子铁芯的凸极与定子铁芯的凸极相对径向重合；

所述双凸极交流发电机，还包括：连接电枢绕组、励磁元件的智能电压调节控制器，智能电压调节控制器通过电枢绕组获取电源，并给励磁元件提供重复的正弦半波电流，同时输出正负半波交替输出的交流电压。

优选地，所述智能电压调节控制器，包括：

励磁绕组驱动电路、电源电路、微控制器、交流选通输出电路；

电源电路通过电枢绕组获取电源，励磁绕组驱动电路在微控制器的控制下给励磁元件提供重复的正弦半波电流，并通过所述交流选通输出电路，使输出的电压为正负半波交替输出的交流电压；

其中，所述正弦半波电流大小与输出的交流电压正相关，电流频率为输出电压频率的二倍。

优选地，所述励磁元件为多个励磁线圈绕组；

所述励磁线圈绕组的绕制方向为正-反-正-反-正-反交替排列，流经励磁线圈绕组的正弦半波励磁电流，其最小值为零。

优选地，所述转子铁芯上安装有至少一对永磁体，在发动机转动时为电枢绕组感应出初始电压供给智能电压调节控制器。

优选地，所述励磁元件包括：至少有一对永磁体及多个励磁线圈绕组；

所述励磁线圈绕组的绕制方向为正-反-正-反-正-反交替排列，流经励磁线圈绕组的正弦半波励磁电流，其最小值为负，在励磁电流最小值时刻，励磁绕组产生的磁场与永磁体产生的磁场抵消，合成磁势为零。

优选地，所述励磁绕组驱动电路包括：

可控开关元件q11、q12、q13、q14及高低边驱动电路，可控开关元件q11、q12、q13、q14由微控制器产生的pwm波形驱动，所述pwm波形为重复的正弦半波经过移相调制产生。

优选地，所述励磁绕组驱动电路由一个电池bt1通过隔离二极管d20提供初始电流。

优选地，所述电源电路为二极管d11～d16以及滤波电容c1组成的三相整流滤波电路。

优选地，所述电源电路为带有反并联二极管的可控开关元件q21～q26以及驱动电路组成的三相桥式电路，可控开关元件q21～q26由微控制器63产生的pwm波形驱动，所述pwm波形为可驱动电机启动的波形序列。

优选地，所述交流选通输出电路包括：

可控硅scr1～scr12、滤波电容c2、隔离触发控制电路，其中，

可控硅scr1～scr12及隔离触发控制电路分为正半波组和负半波组，由微控制器控制在正负半波轮流导通以输出交流电压。

本实用新型采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：

智能电压调节控制器通过电枢绕组获取电源，并给励磁元件提供重复的正弦半波电流，同时输出正负半波交替输出的交流电压，从而实现了不使用逆变器输出交流电压，不需要大电流高电压的igbt开关元件，可完全使用已国产化的电子元件进行生产，可以全面替代同步励磁发电机，并达到节能降耗的目的，又能使发电机组的成本不高于同步励磁发电机组，具有成本低、结构简单、耐高温、体积小、重量轻、输出电压和频率与转速无关等优点；同时因采用双凸极电机，可大幅度减少铜材和钢材的用量，可以减小发电机组体积和重量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一实施例提供的一种双凸极交流发电机的爆炸图；

图2为本实用新型一实施例提供的励磁元件的结构示意图；

图3为本实用新型另一实施例提供的励磁元件的结构示意图；

图4为本实用新型一实施例提供的智能电压调节控制器的电路原理图；

图5为本实用新型另一实施例提供智能电压调节控制器的电路原理图；

图6为本实用新型一实施例提供的励磁线圈绕组电流波形i，uvw三相主绕组电压波形uuvw，和交流输出电压波形uout的波形关系对比图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

参见图1，本实用新型一实施例提供的一种双凸极交流发电机，包括：

电机转轴5、及套设在所述电机转轴5上的发电机支架4、定子及转子；

所述定子包括：安装在发电机支架4一侧的定子铁芯3，缠绕于定子铁芯3凸极上的电枢绕组31，以及设置于定子铁芯3上的励磁元件32；

所述转子包括：转子壳体1，及安装在所述转子壳体1内侧的转子铁芯2，所述转子铁芯2的凸极与定子铁芯3的凸极相对径向重合；

所述双凸极交流发电机，还包括：连接电枢绕组31、励磁元件32的智能电压调节控制器6，智能电压调节控制器6通过电枢绕组31获取电源，并给励磁元件32提供重复的正弦半波电流，同时输出正负半波交替输出的交流电压。

需要说明的是，所述转子铁芯2可以设置在所述定子铁芯3的外圆周，如图1所示，以实现小功率发电机；在一些应用场景下，用户也可以根据需要，将所述定子铁芯3设置在所述转子铁芯2的外圆周，以实现大功率发电机。

可以理解的是，本实施例提供的技术方案，智能电压调节控制器通过电枢绕组获取电源，并给励磁元件提供重复的正弦半波电流，同时输出正负半波交替输出的交流电压(交流电压从图1所示的交流电输出端子65输出)，从而实现了不使用逆变器输出交流电压，不需要大电流高电压的igbt开关元件，可完全使用已国产化的电子元件进行生产，可以全面替代同步励磁发电机，并达到节能降耗的目的，又能使发电机组的成本不高于同步励磁发电机组，具有成本低、结构简单、耐高温、体积小、重量轻、输出电压和频率与转速无关等优点；同时因采用双凸极电机，可大幅度减少铜材和钢材的用量，可以减小发电机组体积和重量。

参见图4和图5，优选地，所述智能电压调节控制器6，包括：

励磁绕组驱动电路61、电源电路62、微控制器63、交流选通输出电路64；

电源电路62通过电枢绕组31获取电源，励磁绕组驱动电路61在微控制器63的控制下给励磁元件32提供重复的正弦半波电流，并通过所述交流选通输出电路64，使输出的电压为正负半波交替输出的交流电压；

其中，所述正弦半波电流大小与输出的交流电压正相关，电流频率为输出电压频率的二倍。

优选地，参见图2，所述励磁元件32为多个励磁线圈绕组；

所述励磁线圈绕组的绕制方向为正-反-正-反-正-反交替排列，流经励磁线圈绕组的正弦半波励磁电流，其最小值为零。

优选地，所述转子铁芯2上安装有至少一对永磁体，在发动机转动时为电枢绕组31感应出初始电压供给智能电压调节控制器6(附图中未示出)。

优选地，参见图3，所述励磁元件32包括：至少有一对永磁体33及多个励磁线圈绕组；

所述励磁线圈绕组的绕制方向为正-反-正-反-正-反交替排列，流经励磁线圈绕组的正弦半波励磁电流，其最小值为负，在励磁电流最小值时刻，励磁绕组产生的磁场与永磁体产生的磁场抵消，合成磁势为零。

可以理解的是，励磁线圈绕组和永磁体产生的合成磁势在正弦半波励磁电流最小值时为零，由于永磁体的存在，电枢绕组可以在励磁线圈绕组未通电的情况下获得初始电压。

优选地，参见图4，所述励磁绕组驱动电路61包括：

可控开关元件q11、q12、q13、q14及高低边驱动电路，可控开关元件q11、q12、q13、q14由微控制器63产生的pwm波形驱动，所述pwm波形为重复的正弦半波经过移相调制产生。

优选地，参见图5，所述励磁绕组驱动电路61由一个电池bt1通过隔离二极管d20提供初始电流。

优选地，参见图4，所述电源电路62为二极管d11～d16以及滤波电容c1组成的三相整流滤波电路。

优选地，参见图5，所述电源电路62为带有反并联二极管的可控开关元件q21～q26以及驱动电路组成的三相桥式电路，可控开关元件q21～q26由微控制器63产生的pwm波形驱动，所述pwm波形为可驱动电机启动的波形序列。

可以理解的是，在电机处于静止时，微控制器63可以按开关磁阻电机的无传感器驱动方式使q21～q26适时导通从而启动发电机，也可以按双凸极直流电机的无传感器驱动方式使q21～q26适时导通，同时给励磁绕组32通以直流电流从而启动发电机；在发电机开始运转后其反并联二极管起整流作用将电枢绕组31产生的电压整流后为励磁绕组驱动电路61提供电源。

优选地，参见图4和图5，所述交流选通输出电路64包括：

可控硅scr1～scr12、滤波电容c2、隔离触发控制电路，其中，

可控硅scr1～scr12及隔离触发控制电路分为正半波组和负半波组，由微控制器63控制在正负半波轮流导通以输出交流电压。

为了便于理解本实用新型提供的技术方案，现结合图1、图3、图4，将本实用新型作为优选实施例一的一种双凸极交流发电机的控制方法和原理解释说明如下：

在该实施例中，该双凸极交流发电机，包括：

电机转轴5、及套设在所述电机转轴5上的发电机支架4、定子及转子；

所述定子包括：安装在发电机支架4一侧的定子铁芯3，缠绕于定子铁芯3凸极上的电枢绕组31，以及设置于定子铁芯3上的励磁元件32；

所述转子包括：转子壳体1，及安装在所述转子壳体1内侧的转子铁芯2，所述转子铁芯2沿所述定子铁芯3的外圆周布设；所述转子铁芯2的凸极与定子铁芯3的凸极相对径向重合；

所述双凸极交流发电机，还包括：连接电枢绕组31、励磁元件32的智能电压调节控制器6，智能电压调节控制器6通过电枢绕组31获取电源，并给励磁元件32提供重复的正弦半波电流，同时输出正负半波交替输出的交流电压。

所述励磁元件32包括：至少有一对永磁体33及多个励磁线圈绕组；

所述励磁线圈绕组的绕制方向为正-反-正-反-正-反交替排列，流经励磁线圈绕组的正弦半波励磁电流，其最小值为负，在励磁电流最小值时刻，励磁绕组产生的磁场与永磁体产生的磁场抵消，合成磁势为零。

励磁线圈绕组与定子铁芯3之间填充有绝缘材料，定子铁芯3和转子铁芯2均为凸极式，见图3；

电枢绕组31分为两组，xyz组为励磁绕组驱动电路61供电，是辅助绕组；另一组uvw绕组为主绕组，为交流选通输出电路64供电，电枢绕组31均按双凸极电机的绕线规则，每相线圈按照正-反-正-反-正-反进行绕制；

电机转轴5在动力机械，如内燃机，汽轮机，风力机等带动下转动，由于定子铁芯3上安装有永磁体，辅助电枢绕组xyz感应出电压，经智能电压调节控制器6的电源电路62整流成直流，微控制器63给励磁绕组驱动电路61的q11～q14提供控制信号，使励磁线圈绕组获得电流，进而使电枢绕组31获得适当的输出电压。

参见图6，微控制器63提供重复的正弦半波调制的pwm信号给q11～q14，使得励磁线圈绕组流过的励磁电流i为重复的正弦半波，其频率为输出交流电uout频率的2倍，励磁电流i的最小值为负，励磁线圈绕组和永磁体产生的合成磁势在最小电流值时为零，此时电枢绕组31的输出也为零；微控制器63在励磁电流的第一个正弦半波时输出控制信号使交流选通输出电路64的正半波控制组scr1～scr6导通，电枢绕组31通过scr1～scr6输出经c2滤波得到正半波输出电压，在此期间scr7～scr12无触发信号不导通；微控制器63在励磁电流i的第二个正弦半波时输出控制信号使交流选通输出电路64的负半波控制组scr7～scr12导通，电枢绕组31通过scr7～scr12输出经c2滤波得到负半波输出电压uout，在此期间scr1～scr6无触发信号不导通；由此在交流选通输出电路64的输出端得到正负交替的交流电压，其输出电压的大小与励磁线圈绕组通过的电流正相关，输出频率为励磁线圈绕组重复正弦半波电流频率的二分之一，通过微控制器63控制设置，可以根据需要使输出电压和频率稳定在额定值；双凸极电机电枢绕组31的感应电压频率与电机转速和定转子凸极数有关。

如图3所示的定转子，其电枢绕组31的感应电压频率在电机转速为3000转/分时为720hz，如设置输出频率为50hz，则每个正弦交流电周期由数十个电压波形经过c2滤波叠加而成，且由于励磁线圈绕组通过正弦变化的电流，电机的合成磁势也是正弦变化的，故而输出电压也是按正弦变化的，其波形图见图6，分别是励磁线圈绕组电流波形i，uvw三相主绕组电压波形uuvw，和交流输出电压波形uout。

本实施例提供的这种双凸极交流发电机，其输出频率是电枢绕组输出频率的数十分之一，跟电机转速完全无关，其输出电压也可以通过励磁电流调节，可以在较大的转速范围输出稳定的交流电压，这使得这种电机在应用于内燃发电机组时，可以在较低负载功率时降低转速来节油和降低噪音，在应用于风力发电机组时，可以适应于大范围的风速而输出电压频率不发生变化。双凸极交流发电机因电枢发电频率较高，其材料利用率得到大幅度提升，相较于同步励磁发电机，可以减少体积和重量一倍以上，铜材和钢材的消耗大大减少，降低了成本；双凸极交流发电机不使用或只使用起励用永磁体，高温下性能不降低，且转子上没有线圈绕组，结构简单、耐高温且可靠性好；双凸极交流发电机不使用大电流高电压的半导体开关元件，所使用的小功率mosfet、igbt、大功率可控硅等，都已完全国产化，成本低廉同时供应链充足。

为了便于理解本实用新型提供的技术方案，现结合图1、图2、图5，将本实用新型作为优选实施例二的一种双凸极交流发电机的控制方法和原理解释说明如下：

相较于优选实施例一，优选实施例二的电源电路62为可控开关元件q21～q26，且增加了电池bt1和隔离二极管d20，采用单一电枢绕组供电，去除了定子铁芯3上的永磁体；由于加入了电池bt1，这种设计的双凸极交流发电机可以采用电池给励磁绕组提供初始励磁电流建立励磁磁势，从而不需要在定子铁芯或转子铁芯上添加永磁体来获得初始励磁电流；当电机应用于需要自启动的场合，在电机转速为零时，由于电池可提供电流，微控制器可以按开关磁阻电机的无传感器驱动方式使q21～q26适时导通从而启动发电机，也可以按双凸极直流电机的无传感器驱动方式使q21～q26适时导通，同时给励磁绕组通以直流电流从而启动发电机，电机转动后带动动力机械转动，使动力机械获得初速度进入运行状态带动发电机发电，在发电机开始运转后，q21～q26截止，其反并联二极管起整流作用将电枢绕组产生的电压整流后为励磁绕组驱动电路61提供电源。

本实施例提供的技术方案，可以以最少的成本实现电机自启动，应用于内燃发电机组可获得更低的成本，且不使用启动马达能进一步降低整机重量。

需要说明的是，如上实施例并未就微控制器的电流电压控制、可控硅的隔离触发、igbt和mosfet的驱动、开关磁阻电机的启动、双凸极直流电机的启动等进行详细描述，这些技术均为现有技术，可通过网络、书籍等获得，在此不予详细描述；实施例中的半导体开关元件igbt或mosfet，或可控硅，并不限于使用igbt或mosfet，或可控硅，可根据成本和新材料发展的需要更换为别的可以完成电子开关作用的元件，相关的替换应视为等同替换，皆在本实用新型的保护范围内。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。