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CN105896820A - 一种废气涡轮驱动电励磁发电机 - Google Patents

一种废气涡轮驱动电励磁发电机 Download PDF

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Abstract

本发明的一种废气涡轮驱动电励磁发电机由轴、废气涡轮、废气涡轮壳、两套励磁绕组、两个定子铁心、两套电枢绕组、转子铁心和电机外壳组成。轴上分别固定有废气涡轮和转子铁心，转子铁心的两个端面上有沿轴向凸起的转子极。定子铁心固定在外壳的内壁；定子铁心朝向转子铁心的端面有沿轴向凸起的定子极。电枢绕组绕在定子极上。励磁绕组绕定子铁心的径向绕制并嵌到定子铁心的隔磁凹槽里。本发明的技术转子为一体成型制造，无励磁绕组，可适应废气涡轮所处的高温、高速的工作环境；采用通电线圈励磁，无定位转矩，可迅速加速；转子两个端面皆有电枢绕组，电机比功率高。

Description

一种废气涡轮驱动电励磁发电机
技术领域
本发明涉及一种废气涡轮驱动电励磁发电机，属于汽车电器技术领域。
背景技术
目前火力发电都是用汽轮发电机技术，高效发电的汽轮发电机总效率可提高到60％-70％以上。
目前，发动机的热效率大多在35%以下，发动机排放的高温高压的废气带走了燃料热能的40%，大部分发动机不能有效利用这些能量。废气涡轮增压装置实现了部分废气动能的利用，提高了发动机的燃料利用率，目前的应用越来越广泛。
目前汽车发电机大多是由皮带轮驱动的交流发电机，该发电机发电效率在50%左右。因此发动机带动发电机发电的总效率仅由17.5%左右。这远远小于汽轮发电机的发电效率。
因此利用发动机排出的废气直接驱动发电机发电，可有效利用汽轮发电机发电效率高的特点，提高汽车的燃油利用率。
废气涡轮发电机是国内外研究的热点，例如专利号为201410814049.0的授权发明专利：废气透平发电机组，（透平即turbo、涡轮的意思）提出了一种包括透平、永磁发电机和逆变器的发电机组。所述透平用以接收废气以被所述废气驱动旋转。该永磁发电机被所述透平的旋转驱动用以发电。
授权的美国发明专利：Exhaust energy recovery and generator for use with an engine，专利号：4694694，也公开了一种发动机废气回收用的发电机，其电机采用永磁转子，不能适应废气涡轮所处的高温、高速运转环境。类似的还有授权的发明专利：发动机废气涡轮驱动永磁发电机，专利号：201310473600.5。
申请人2016年获得授权发明专利：一种涡轮增压发电装置，专利号为2014100754333提出了一种包括外壳、轴承、定子、控制器和由排气涡轮、进气涡轮、轴、转子铁心组成的转子的涡轮增压发电装置。发动机排出的废气驱动排气涡轮后，带动同轴的进气涡轮和转子铁心旋转，实现对进气的增压和发电。该专利指出，如果转子铁心无励磁源，则可适应废气涡轮的超高速运转；如果转子无永磁体，则转子结构简单、耐温高，使得发电装置可以工作在温度较高的排气管附近。
随着研究的进行，申请人创新励磁绕组和电枢绕组的配置方式，可以径向集中式励磁，励磁绕组总的绕线长度较小，励磁效率高。因此本发明提出了一种新型的拓扑结构，可以实现上述方案。
本申请的创新点还在于转子两个端面皆有电枢绕组，电机比功率高；电枢绕组是是绕轴向绕制的集中式绕组，因此电枢绕组绕线长度也较小。
目前申请人尚未检索到本申请的废气涡轮驱动电励磁发电机密切相关的报道。
发明内容
为了发明一种废气涡轮驱动电励磁发电机，实现远离高温废气涡轮的励磁功能，回收发动机废气能量，本发明采用如下技术方案：
一种废气涡轮驱动电励磁发电机，其特征在于：
由轴(1)、废气涡轮(2)、废气涡轮壳(3)、第一励磁绕组(4)、第一定子铁心(5)、第一电枢绕组(6)、转子铁心(7)、第二电枢绕组(8)、第二定子铁心(9)、第二励磁绕组(10)和电机外壳(11)组成；
轴(1)的末端固定有废气涡轮(2)，轴(1)的中间固定有盘式的转子铁心(7)；
转子铁心(7)为一体成型制造，无励磁源，在轴承的作用下，废气涡轮(2)可驱动转子铁心(7)旋转；
转子铁心(7)在轴向的两个端面上皆有沿轴向凸起的转子极；所述转子极呈扇环形；
转子铁心(7)的两端面之外分别是第一定子铁心(5)和第二定子铁心(9)，第一定子铁心(5)和第二定子铁心(9)分别固定在电机外壳(11)两个端面的内壁上；
第一定子铁心(5)朝向转子铁心(7)的一侧有轴向凸出的第一定子极，第二定子铁心(9)朝向转子铁心(7)的一侧有轴向凸出的第二定子极；所述第一定子极和第二定子极呈扇环形；
每三个第一定子极之间的第一定子铁心(5)上有隔磁凹槽；每三个第二定子极之间的第二定子铁心(9)上也有隔磁凹槽；每个第一定子极上和第二定子极上皆绕有一个集中式的电枢线圈，两个隔磁凹槽之间的三个电枢线圈绕向相同；相邻隔磁凹槽之间的电枢线圈绕向相反；
同相位的电枢线圈串联后组成一相电枢绕组，第一定子铁心(5)上的各相电枢绕组按星型接法组成第一电枢绕组(6)，第二定子铁心(9) 上的各相电枢绕组按星型接法组成第二电枢绕组(8)；
第一励磁绕组(4)绕第一定子铁心(5)的径向绕制并嵌到第一定子铁心(5)的隔磁凹槽里；第二励磁绕组(10) 绕第二定子铁心(9)的径向绕制并嵌到第二定子铁心(9)的隔磁凹槽里；
永磁体(8)平行于轴(1)放置且充磁方向垂直于轴(1)；相邻的第一励磁绕组(4)或相邻的第二励磁绕组(10)绕向相反。
如上所述的一种废气涡轮驱动电励磁发电机，其特征在于：
第一定子铁心(5)、第二定子铁心(9)和转子铁心(7)由无取向导磁材料制成，废气涡轮壳(3)和电机外壳(11)为非导磁材料制成。
如上所述的一种废气涡轮驱动电励磁发电机，其特征在于：
转子铁心(7)每个端面有2N个转子极，N为自然数；第一定子极和第二定子极在圆周方向上对齐；转子铁心(7)两端面的转子极在圆周方向上相差90/N机械角。
本发明的有益效果如下：
⑴本发明的技术转子为一体成型制造，无励磁绕组，可适应废气涡轮所处的高温、高速的工作环境；
⑵采用通电线圈励磁，无定位转矩，可迅速加速；而且电励磁发电机可任意调节励磁电流的大小，从而保持变转速变负载工况下输出稳定电压的直流电；
⑶转子两个端面皆有电枢绕组，电机比功率高；两个转子可以通过错开一定的角度，从而降低驱动的转矩脉动；
⑷励磁绕组绕制方向较为特殊，可以径向集中式励磁，励磁绕组总的绕线长度较小，励磁效率高。
附图说明
图1是本发明一种废气涡轮驱动电励磁发电机纵剖图。其中：1轴，2、废气涡轮，3、废气涡轮壳，4、第一励磁绕组，5、第一定子铁心，6、第一电枢绕组，7、转子铁心，8、第二电枢绕组，9、第二定子铁心，10、第二励磁绕组，11、电机外壳。
图2是本发明一种废气涡轮驱动电励磁发电机第一电枢绕组的侧视图。其中：1轴，4、第一励磁绕组，5、第一定子铁心，6、第一电枢绕组。
图3为本发明一种废气涡轮驱动电励磁发电机励磁绕组侧视图。其中：1轴，4、第一励磁绕组，5、第一定子铁心。
图4为本发明一种废气涡轮驱动电励磁发电机转子铁心侧视图。其中：1轴，7、转子铁心，12、转子极。
图5是本发明一相电枢绕组不同励磁电流时的磁链图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
图1是本发明一种废气涡轮驱动电励磁发电机纵剖图。
所述废气涡轮驱动电励磁发电机由轴(1)、废气涡轮(2)、废气涡轮壳(3)、第一励磁绕组(4)、第一定子铁心(5)、第一电枢绕组(6)、转子铁心(7)、第二电枢绕组(8)、第二定子铁心(9)、第二励磁绕组(10)和电机外壳(11)组成。
轴(1)的末端固定有废气涡轮(2)，轴(1)的中间固定有盘式的转子铁心(7)。
转子铁心(7)为一体成型制造，无励磁源，在轴承的作用下，废气涡轮(2)可驱动转子铁心(7)旋转。
转子铁心(7)在轴向的两个端面上皆有沿轴向凸起的转子极；所述转子极呈扇环形；
转子铁心(7)的两端面之外分别是第一定子铁心(5)和第二定子铁心(9)，第一定子铁心(5)和第二定子铁心(9)分别固定在电机外壳(11)两个端面的内壁上。
第一定子铁心(5)朝向转子铁心(7)的一侧有轴向凸出的第一定子极，第二定子铁心(9)朝向转子铁心(7)的一侧有轴向凸出的第二定子极；所述第一定子极和第二定子极呈扇环形；
每三个第一定子极之间的第一定子铁心(5)上有隔磁凹槽；每三个第二定子极之间的第二定子铁心(9)上也有隔磁凹槽；每个第一定子极上和第二定子极上皆绕有一个集中式的电枢线圈，两个隔磁凹槽之间的三个电枢线圈绕向相同；相邻隔磁凹槽之间的电枢线圈绕向相反。
同相位的电枢线圈串联后组成一相电枢绕组，第一定子铁心(5)上的各相电枢绕组按星型接法组成第一电枢绕组(6)，第二定子铁心(9) 上的各相电枢绕组按星型接法组成第二电枢绕组(8)。
永磁体(8)平行于轴(1)放置且充磁方向垂直于轴(1)；相邻的第一励磁绕组(4)或相邻的第二励磁绕组(10)绕向相反。
第一转子铁心(5)、第二定子铁心(9)和定子铁心(7)由无取向导磁材料制成，废气涡轮壳(3)和电机外壳(11)为非导磁材料制成。
图2是本发明一种废气涡轮驱动电励磁发电机第一电枢绕组的侧视图。
每三个第一定子极之间的第一定子铁心(5)上有隔磁凹槽；每三个第二定子极之间的第二定子铁心(9)上也有隔磁凹槽；每个第一定子极上和第二定子极上皆绕有一个集中式的电枢线圈，两个隔磁凹槽之间的三个电枢线圈绕向相同；相邻隔磁凹槽之间的电枢线圈绕向相反；
同相位的电枢线圈串联后组成一相电枢绕组，第一定子铁心(5)上的各相电枢绕组按星型接法组成第一电枢绕组(6)，第二定子铁心(9) 上的各相电枢绕组按星型接法组成第二电枢绕组(8)。
图3为本发明一种废气涡轮驱动电励磁发电机励磁绕组侧视图。
每三个第一定子极之间的第一定子铁心(5)上有隔磁凹槽；每三个第二定子极之间的第二定子铁心(9)上也有隔磁凹槽。
第一励磁绕组(4)绕第一定子铁心(5)的径向绕制并嵌到第一定子铁心(5)的隔磁凹槽里；第二励磁绕组(10) 绕第二定子铁心(9)的径向绕制并嵌到第二定子铁心(9)的隔磁凹槽里。
图4为本发明一种废气涡轮驱动电励磁发电机转子铁心侧视图。
转子铁心(7)每个端面有2N个转子极，N为自然数，在本实施例中，N=2；第一定子极和第二定子极在圆周方向上对齐；转子铁心(7)两端面的转子极在圆周方向上相差90/N机械角。
图5是本发明一相电枢绕组不同励磁电流时的磁链图。其各相磁链随着转子位置的不同而变换。
下面对本发明提出的一种废气涡轮驱动电励磁发电机进行工作原理的说明。
其工作原理为：若给励磁绕组通以励磁电流，则各定子极上会产生励磁磁场。当转子旋转时，会依次增大或减小各定子极上的磁通量，从而引起各相电枢绕组匝链的磁通量变化。因此，三相电枢绕组会感应出三相交流电，其感应电动势就与磁通量的变换率成正比。这个三相交流电压经整流电路整流就可以给蓄电池充电，或者给汽车用电设备供电。由于励磁电流可调，因此通过调节励磁电流的大小，就可以实现发电状态下的输出电压的稳定。

Claims (3)

1.一种废气涡轮驱动电励磁发电机，其特征在于：
由轴(1)、废气涡轮(2)、废气涡轮壳(3)、第一励磁绕组(4)、第一定子铁心(5)、第一电枢绕组(6)、转子铁心(7)、第二电枢绕组(8)、第二定子铁心(9)、第二励磁绕组(10)和电机外壳(11)组成；
轴(1)的末端固定有废气涡轮(2)，轴(1)的中间固定有盘式的转子铁心(7)；
转子铁心(7)为一体成型制造，无励磁源，在轴承的作用下，废气涡轮(2)可驱动转子铁心(7)旋转；
转子铁心(7)在轴向的两个端面上皆有沿轴向凸起的转子极；所述转子极呈扇环形；
转子铁心(7)的两端面之外分别是第一定子铁心(5)和第二定子铁心(9)，第一定子铁心(5)和第二定子铁心(9)分别固定在电机外壳(11)两个端面的内壁上；
第一定子铁心(5)朝向转子铁心(7)的一侧有轴向凸出的第一定子极，第二定子铁心(9)朝向转子铁心(7)的一侧有轴向凸出的第二定子极；所述第一定子极和第二定子极呈扇环形；
每三个第一定子极之间的第一定子铁心(5)上有隔磁凹槽；每三个第二定子极之间的第二定子铁心(9)上也有隔磁凹槽；每个第一定子极上和第二定子极上皆绕有一个集中式的电枢线圈，两个隔磁凹槽之间的三个电枢线圈绕向相同；相邻隔磁凹槽之间的电枢线圈绕向相反；
同相位的电枢线圈串联后组成一相电枢绕组，第一定子铁心(5)上的各相电枢绕组按星型接法组成第一电枢绕组(6)，第二定子铁心(9) 上的各相电枢绕组按星型接法组成第二电枢绕组(8)；
第一励磁绕组(4)绕第一定子铁心(5)的径向绕制并嵌到第一定子铁心(5)的隔磁凹槽里；第二励磁绕组(10) 绕第二定子铁心(9)的径向绕制并嵌到第二定子铁心(9)的隔磁凹槽里；
永磁体(8)平行于轴(1)放置且充磁方向垂直于轴(1)；相邻的第一励磁绕组(4)或相邻的第二励磁绕组(10)绕向相反。
2.如权利要求1所述的一种废气涡轮驱动电励磁发电机，其特征在于：
第一定子铁心(5)、第二定子铁心(9)和转子铁心(7)由无取向导磁材料制成，废气涡轮壳(3)和电机外壳(11)为非导磁材料制成。
3.如权利要求1所述的一种废气涡轮驱动电励磁发电机，其特征在于：
转子铁心(7)每个端面有2N个转子极，N为自然数；第一定子极和第二定子极在圆周方向上对齐；转子铁心(7)两端面的转子极在圆周方向上相差90/N机械角。
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