一种分裂齿集成绕组起动发电机

1.本发明属于起动发电领域，更具体地，涉及一种分裂齿集成绕组起动发电机。


背景技术：

2.在以航空为代表的起动/发电系统中，一般采用专用的起动机完成起动功能，当发动机达到额定转速后，再通过发电机将发动机输出的部分机械能转化为用电设备所需的电能。这种系统包含独立的起动系统及发电系统，体积和重量较大、系统复杂，不仅降低了系统的可靠性，而且当发动机起动完成后，起动机就成了影响飞机性能的负担，当航空电源系统的功率较大时，这种缺陷将变得更为严重。因此，如果能够利用电机的可逆原理，在飞机起动时通过合理地控制起动/发电机的主发电机电枢绕组的电流矢量，使其运行在电动状态，提供航空发动机起动所需的扭矩，当发动机达到一定转速并进入稳定工作状态后，再将起动/发电机切换到发电状态为机载用电设备供电，这不仅可以省去传统飞机电源系统的专用起动组件，简化发动机的附件驱动齿轮箱以及相应的润滑、冷却系统，有效降低航空电源系统的体积重量、复杂程度以及制造成本，还能提高飞机电源系统的可靠性和维护性。
3.目前，起动/发电系统普遍采用三级式无刷交流同步电机。但是，其由副励磁机、主励磁机、旋转整流器以及主发电机四个部分组成。在起动阶段，主励磁机提供励磁电流供主发电机起动，带动发动机运行；在发电阶段，主电机在发动机拖动下产生电能。然而，上述三级式无刷交流同步电机存在结构复杂、体积大、故障率高等问题，严重制约了航空系统轻量化、高可靠性的发展。相应地，本领域亟需寻找针对性的解决方案，以便更好地满足实际生产实践中面临的以上技术需求。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种分裂齿集成绕组起动发电机，旨在解决现有的三级式无刷交流同步电机结构复杂、体积大、可靠性低的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种分裂齿集成绕组起动发电机，包括同轴套设的定子组件和转子组件，所述定子组件和所述转子组件之间有气隙，所述转子组件包括转子铁心，所述定子组件包括定子铁心和集成绕组，其中，
6.所述定子铁心靠近气隙的侧面周向均匀设置有多个定子主齿；所述定子主齿靠近定子中心的上表面非均匀间隔地设置有ns个定子辅助齿；
7.所述集成绕组绕制在所述定子主齿外周。
8.优选地，所述定子铁心和所述转子铁心均由两面绝缘的硅钢片轴向叠压而成；
9.优选地，所述转子铁心采用多层磁障或简单凸极。
10.优选地，所述集成绕组为集中式绕组。
11.该分裂齿集成绕组起动发电机，属于无刷电励磁电机，转子上不含有永磁体和绕组，具有结构简单可靠、容错性能好、适合于高温高速运行的优点。同时，采用分裂齿结构，通过灵活改变分裂齿的数量和位置，充分利用分裂齿的调制效应，实现多个谐波同时工作，
转矩密度大幅提升。此外，采用一套集成绕组，通过电力电子器件控制绕组中的电流幅值、频率和相位，产生两种不同极对数的磁场，实现电机起动和发电双功能，且控制灵活。
12.优选地，所述集成绕组的通流方式满足如下关系：
13.i＝i
1 cos(ω1t+θ1)+i
2 cos(ω2t+θ2)
14.其中，i1、i2分别表示该集成绕组同时通入的两种电流的幅值，其中i1是第一种电流的幅值，i2是第二种电流的幅值；ω1、ω2分别表示该集成绕组同时通入的两种电流的角频率，其中ω1是第一种电流的角频率，ω2是第二种电流的角频率；θ1、θ2分别表示该集成绕组同时通入的两种电流的相位角，其中θ1是第一种电流的相位角，θ2是第二种电流的相位角；t表示时间。
15.优选地，所述集成绕组通入的两种电流的角频率ω1和ω2，所述集成绕组同时产生的两种极对数磁场p
a1
和p
a2
，与所述定子凸极数ns，所述转子凸极数为nr，满足以下关系：
16.|p
a1
±
p
a2
|＝|kns±
nr|
17.|ω1±
ω2|＝nrωr18.其中，ωr为转子机械角速度，k＝0,1,2...。
19.进一步地，所述集成绕组式起动发电机还包括与其匹配的一体化起动发电控制器；
20.所述一体化起动发电控制器在发动机起动阶段，作为逆变器从直流电池抽取电能供给电机运行，带动发动机起动；
21.所述一体化起动发电控制器在发动机点火到达指定转速后，作为整流器将电机发出的电整流为直流电。
22.通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
23.1、本发明提供的分裂齿集成绕组起动发电机，采用一套集成绕组，通过电力电子器件控制绕组中的电流幅值、频率和相位，产生两种不同极对数的磁场。相较于两套及多套绕组，改善了电机槽满率，减少了铜耗，进一步提升电机效率。
24.2、本发明提供的分裂齿集成绕组起动发电机，具备分裂齿双凸极磁阻结构，充分利用定子凸极和转子凸极的调制效应，产生多个工作磁场谐波，协同贡献平均转矩，显著提升电机转矩密度。
25.3、本发明提供的分裂齿集成绕组起动发电机，可以通过一体化起动发电控制器实现了电机在起动阶段，电动运行，带动发动机起动；在发电阶段，发电运行，输出电能，满足了航空系统的起动发电双重需求。
附图说明
26.图1是本发明较佳实施例中集成绕组起动发电机的结构示意图；
27.图2为本发明实施例中的电流波形示意图；
28.图3为本发明实施例提供的电机驱动桥臂结构示意图；
29.在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1、定子铁心，2、集成绕组，3、转子铁心。
具体实施方式
30.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不构成冲突就可以相互组合。
31.如图1所示，本发明实施例提供一种集成绕组式起动发电机，包括同轴套设的定子组件和转子组件，定子组件和转子组件之间有气隙，定子组件包括定子铁心1和集成绕组2，转子组件为转子铁心3。
32.定子铁心1靠近气隙的侧面周向均匀设置有多个定子主齿，定子主齿靠近定子中心的上表面非均匀间隔地设置有ns定子辅助齿，由图1可以看出，辅助齿与定子中心的夹角并不相等，集成绕组2绕制在定子齿外周。
33.作为一种可选的实施方式，定子铁心1和转子铁心3由两面绝缘的第一硅钢片轴向叠压而成。
34.作为一种可选的实施方式，所述集成绕组2为集中式绕组。
35.本发明实施例中，集成绕组的通流方式满足如下关系：
36.i＝i1cos(ω1t+θ1)+i2cos(ω2t+θ2)
37.其中，i1、i2分别表示该集成绕组同时通入的两种电流的幅值，其中i1是第一种电流的幅值，i2是第二种电流的幅值；ω1、ω2分别表示该集成绕组同时通入的两种电流的角频率，其中ω1是第一种电流的角频率，ω2是第二种电流的角频率；θ1、θ2分别表示该集成绕组同时通入的两种电流的相位角，其中θ1是第一种电流的相位角，θ2是第二种电流的相位角；t表示时间。具体的电流波形如图2所示。
38.本发明实施例中，第一种电流的角频率ω1＝0，ω2＝nrωr，ωr为转子机械角速度；集成绕组产生两种极对数的磁场，其中p
a1
为3i，i＝1,3,5
…
，p
a2
为6j
±
1，i＝0,1,2
…
；定子凸极数ns为12，转子凸极数nr为10，满足以下关系：
39.|p
a1
±
p
a2
|＝|kns±
nr|
40.|ω1±
ω2|＝nrωr41.其中，k＝0,1,2...。
42.具体地，p
a1
＝3，ω1＝0时，集成绕组产生3对极静止磁势，该磁势经过nr＝10对极的转子凸极调制，产生7对极磁场，与集成绕组产生的p
a2
＝7磁场极对数和频率相同，共同作用输出转矩；
43.类似地，p
a1
＝9，ω1＝0时，集成绕组产生9对极静止磁势，该磁势经过nr＝10对极的转子凸极调制，产生1对极磁场，与集成绕组产生的p
a2
＝1磁场极对数和频率相同，共同作用输出转矩；
44.类似地，p
a1
＝15，ω1＝0时，集成绕组产生15对极静止磁势，该磁势经过nr＝10对极的转子凸极调制，产生5对极磁场，与集成绕组产生的p
a2
＝5磁场极对数和频率相同，共同作用输出转矩。
45.图3为集成绕组驱动桥臂。起动状态下，驱动桥臂负责将电池的直流电能转换为所需频率ω1、ω2的电能，做逆变器运行，从而控制电动机运行。发电状态，发电机的电流经所述驱动桥臂整流后，供给负载。
46.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。