一种双定子轴向磁通发电机的交直流混合发电供电系统

1.本发明涉及发电和供电技术领域，特别是涉及交直流混合发电供电的轴向磁通永磁发电机。


背景技术：

2.在飞机、舰船、空间站及飞船、石油钻井平台等独立系统中，往往同时需要交流电源和直流电源，而这些场合往往对直流电源的供电品质要求较高，并且对交直流混合发电供电系统的体积和重量有着严格限制。
3.为同时获得交流电和直流电，专利（申请号cn201610258892.4）提出了一种用于多电飞机的双绕组异步电机交直流起动发电系统及其控制方法，该系统中共有两台双绕组异步发电机，且各连接于不同的原动轴，其中一台输出交流电，另一台经整流后输出直流电，该方案虽实现了多电飞机交直流电的供给，但系统结构和控制策略复杂，两台电机的使用增加了整个系统的体积和重量。专利（申请号cn201811114730.9）提出了一种交直流发电机系统的拓扑结构和控制方法，一台发电机上放置两套定子绕组，其中一套三相y接绕组直接输出三相交流电能，另一套绕组为开绕组结构，绕组两端各与一个发电驱动单元连接，再将两个发电驱动单元的输出端进行串联后输出直流电，该系统虽可同时提供交流电和直流电，但其直流侧拓扑结构复杂，交流绕组和直流绕组在机械上存在耦合，降低了系统的可靠性。
4.因此，设计一种结构相对简单、体积小、可靠性高的交直流混合发电的发电系统尤为必要。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明提出一种双定子轴向磁通发电机的交直流混合发电供电系统，其目的在于提供一种体积小、重量轻、结构简单、功率密度高的能同时提供交流和直流两种电制的发电系统；削除传统交直流混合发电系统中交流电源和直流电源在电气或机械上的耦合，提高系统的冗余容错运行能力；减小直流电源的电压脉动系数，提升电源的供电品质。
6.技术方案：一种双定子轴向磁通发电机的交直流混合发电供电系统，所述系统包括发电机单元和整流单元，所述发电机单元为双定子轴向磁通永磁发电机，发电机单元的直流侧定子和交流侧定子对称固定于机座内，发电机单元的转子固定于转轴上，直流侧定子和交流侧定子对称放置在转子两侧，直流侧定子和交流侧定子与转子之间均存在气隙，直流侧定子的直流绕组单元和整流单元连接构成了直流电源，用于产生直流电压；交流侧定子的交流绕组单元用于产生交流电压。
7.进一步的，直流绕组单元由n组j相对称绕组构成，n、j为自然数，直流绕组单元中的n组j相对称绕组分别连接整流单元的n组j相全波整流桥，当直流绕组单元中n＞1时，n组
j相对称绕组在空间上依次相差θ=180
°
/jn电角度；交流绕组单元由m组k相对称绕组构成，m、k为自然数，当m＞1时，m组k相对称绕组在空间上依次相差β=180
°
/km电角度。
8.进一步的，直流侧定子包括直流定子铁心和直流绕组单元，交流侧定子包括交流定子铁心和交流绕组单元；直流定子铁心和交流定子铁心均包括有电枢齿、电枢槽，直流绕组单元嵌置于直流定子铁心中的电枢槽内，交流绕组单元嵌置于交流定子铁心中的电枢槽内。
9.进一步的，转子包括转子架和永磁体；转子架上开设2p个永磁体安装孔，永磁体嵌置于永磁体安装孔内，相邻两块永磁体的充磁方向f相异，在转子上构造出p对极；转子架为不导磁材料。
10.进一步的，直流电源电压脉动系数为sn=2/((2nj)
2-1)。
11.一种双定子轴向磁通发电机的交直流混合发电供电系统的控制方法，当直流绕组单元中的一组j相对称绕组或整流单元中的一组j相全波整流桥发生故障时，系统切除该组j相对称绕组及与其相对应的j相全波整流桥，直流电源降载运行；当交流绕组单元中的m组k相对称绕组中的某一组k相对称绕组发生故障时，系统切除该组k相对称绕组。
12.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：（1）本发明提出的双定子轴向磁通发电机的交直流混合发电供电系统，直流绕组单元和交流绕组单元各依附于一个电枢，两个单元之间在电气和机械上无耦合，具有更高的可靠性和冗余容错运行能力。
13.（2）本发明提出的双定子轴向磁通发电机的交直流混合发电供电系统，相较于传统交直流发电机组的交直流混合发电供电系统，具有体积小，重量轻的优势。
14.（3）本发明提出的双定子轴向磁通发电机的交直流混合发电供电系统，相较于传统多绕组交直流发电机的交直流混合供电系统，具有更高的功率密度。
15.（4）本发明提出的双定子轴向磁通发电机的交直流混合发电供电系统，整流单元结构简单，直流电源的电压脉动系数低。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
17.图1为本发明交直流混合发电供电系统原理图；图2为本发明交直流混合发电供电系统发电机单元的截面示意图；图3为本发明交直流混合发电供电系统发电机单元的直流侧或交流侧定子图；图4为本发明交直流混合发电供电系统发电机单元的转子结构图；图5为三相电机和六相电机的直流电压纹波。
18.其中：1-发电机单元、10-直流侧定子、100-直流绕组单元、101-第一直流j相绕组、102-第二直流j相绕组、10n-第n直流j相绕组、11a-第二气隙、11d-第一气隙、12-转子、121-转子架、122-永磁体、1211-永磁体安装孔、13-机座、14-转轴、15-轴承、2-整流单元、20-交流侧定子、200-交流绕组单元、201-第一交流k相绕组、202-第二交流k相绕组、20m-第m交流k相绕组、3-直流电源、300a-交流定子铁心、300d-直流定子铁心、301-电枢齿、302-电枢槽。
具体实施方式
19.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
20.如图1和2所示，本实例提供一种基于双定子轴向磁通永磁发电机的交直流混合发电供电系统，所述系统包括发电机单元1和整流单元2；所述发电机单元1为双定子轴向磁通永磁发电机，发电机单元1包括固定体与转动体，固定体与转动体通过轴承15连接，固定体包括直流侧定子10、交流侧定子20和机座13，直流侧定子10和交流侧定子20对称固定于机座13内，具体为直流侧定子10和交流侧定子20各自固定在不同的机座13上；转动体包括转子12和转轴14，转子12固定于转轴14上，直流侧定子10和交流侧定子20对称放置在转子12两侧，直流侧定子10和交流侧定子20与转子12之间均存在气隙11，气隙11为两个，分别为第一气隙11d和第二气隙11a，直流侧定子10与转子12之间存在第一气隙11d，交流侧定子20与转子12之间存在第二气隙11a。直流侧定子10的直流绕组单元100和整流单元2连接构成了直流电源3，用于产生直流电压；直流绕组单元100由n组j相对称绕组构成，n、j为自然数，分别称为第一直流j相绕组101、第二直流j相绕组102、
…
、第n直流j相绕组10n，直流绕组单元100中的n组j相对称绕组分别连接整流单元2的n组j相全波整流桥，交流侧定子20的交流绕组单元200用于产生交流电压。直流绕组单元和交流绕组单元可根据不同的使用场合设计为不同的相数，并且两个单元分别安装于一个定子，在电气和机械上无耦合。
21.当直流绕组单元100中n＞1时，n组j相对称绕组在空间上依次相差θ=180
°
/jn电角度；交流绕组单元200由m组k相对称绕组构成，m、k为自然数，分别称为第一交流k相绕组201、第二交流k相绕组202、
…
、第m交流k相绕组10m，当m＞1时，m组k相对称绕组在空间上依次相差β=180
°
/km电角度（也即第一交流k相绕组201与第二交流k相绕组202相差β=180
°
/km电角度，直至第m-1交流k相绕组20(m-1)与第m交流k相绕组20m相差β=180
°
/km电角度）。
22.如图3所示，所述发电机单元1中的直流侧定子10包括直流定子铁心300d和直流绕组单元100，交流侧定子20包括交流定子铁心300a和交流绕组单元200；直流定子铁心300d和交流定子铁心300a均包括有电枢齿301、电枢槽302，直流绕组单元100嵌置于直流定子铁心300d中的电枢槽302内，交流绕组单元200嵌置于交流定子铁心300a中的电枢槽302内。
23.如图4所示，所述发电机单元1中的转子12包括转子架121和永磁体122；转子架121上开设2p个永磁体安装孔1211，永磁体122嵌置于永磁体安装孔1211内，相邻两块永磁体122的充磁方向f相异，在转子12上构造出p对极；转子架121为不导磁材料。
24.如图1所示，所述发电机单元1中的直流绕组单元100由n组三相（图1中的j=3）对称绕组构成，n为自然数，分别称为第一直流三相绕组101、第二直流三相绕组102、
…
、第n直流三相绕组10n，当n＞1时，n组三相对称绕组在空间上依次相差θ=180
°
/3n电角度（也即第一直流三相绕组101与第二直流三相绕组102相差θ=180
°
/3n电角度，直至第n-1直流三相绕组10( n-1)与第n直流三相绕组10n相差θ=180
°
/3n电角度）。所选n值越大，直流电压脉动系数越小，电源的冗余容错运行能力越强。图5针对n=m=2，j=k=3的一台电机所做的仿真，电机每转过一对磁极，产生的直流波动次数为2jn=2
×3×
2=12次，图5仿真转过两对磁极，所以电压波动次数为24；图5中的电压波动峰峰值由三相的37.20v降至六相的11.07v。
25.如图1所示，所述发电机单元1中的交流绕组单元200由m组三相（图1中的k=3）对称绕组构成，m为自然数，分别称为第一交流三相绕组201、第二交流三相绕组202、
…
、第m交流
三相绕组10m，当m＞1时，m组三相对称绕组在空间上依次相差β=180
°
/3m电角度（也即第一交流三相绕组201与第二交流三相绕组202相差β=180
°
/3m电角度，直至第m-1交流三相绕组20(m-1)与第m交流三相绕组20m相差β=180
°
/3m电角度）。增加m的取值，可减小电枢反应气隙磁场谐波畸变率，进而减小发电机的转子涡流损耗。
26.直流绕组单元100中的n组三相对称绕组分别连接n组三相全波整流桥，当其中的一组三相对称绕组（或其中的一组三相全波整流桥）发生故障时，系统切除该组三相对称绕组及与其相对应的三相全波整流桥，直流电源3降载运行；当交流绕组单元200中的m组三相对称绕组中的某一组三相对称绕组发生故障时，系统切除该组三相对称绕组。
27.本发明提供一种基于双定子轴向磁通永磁发电机的交直流混合发电供电系统，可减小交直流混合发电系统的体积和重量，该系统结构简单，交流绕组单元和直流绕组单元在电气和机械上均无耦合，直流电压脉动系数越小，具有更好的冗余容错运行能力。