阅读说明：本技术 三级式无刷交流同步发电机及旋转整流器 (Three-stage brushless AC synchronous generator and rotary rectifier ) 是由 王玉姣 胡雄杰 郝杨 刘正敏 谢昊 于 2019-07-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种三级式无刷交流同步发电机,及旋转整流器,旋转整流器包括正极板、负极板,所述正极板、负极板为两个结构相同的空心圆盘,正极板、负极板上均布有三个二极管安装孔,正极板、负极板上还均布有六个空心铆钉安装孔一,各二极管安装孔内分别安装有一二极管,且三个二极管阴极与正极板电连接,另三个二极管阳极端与负极板电连接,各二极管为雪崩型或齐纳型二极管；正极板、负极板外周上均布有三个V型缺口,V型缺口与对应极板的二极管安装孔一一对应；还包括三个均布于正极板反面上端的汇流条部件,通风散热性好,体积小,质量轻；对磁场能量的吸收和励磁系统电压尖峰的抑制效果十分迅速有效。(The invention relates to a three-stage brushless alternating current synchronous generator and a rotary rectifier, wherein the rotary rectifier comprises a positive plate and a negative plate, the positive plate and the negative plate are two hollow discs with the same structure, three diode mounting holes are uniformly distributed on the positive plate and the negative plate, six hollow rivet mounting holes I are also uniformly distributed on the positive plate and the negative plate, a diode is respectively mounted in each diode mounting hole, the cathodes of the three diodes are electrically connected with the positive plate, the anode ends of the other three diodes are electrically connected with the negative plate, and each diode is an avalanche type or Zener type diode; three V-shaped notches are uniformly distributed on the peripheries of the positive plate and the negative plate, and the V-shaped notches correspond to the diode mounting holes of the corresponding plates one by one; the three bus bar components are uniformly distributed at the upper end of the reverse side of the positive plate, so that the ventilation and heat dissipation performance is good, the size is small, and the weight is light; the absorption of magnetic field energy and the suppression effect of the voltage spike of the excitation system are very quick and effective.)

三级式无刷交流同步发电机及旋转整流器

技术领域

本发明涉及无刷交流同步发电机制造领域，具体涉及一种三级式无刷交流同步发电机，及旋转整流器。

背景技术

不管在航空电源领域还是在工业发电领域，现有技术中，同步交流发电机为实现无刷化，均采用三级式结构。具体可分为主发电机级、旋转电枢式励磁发电机和旋转整流器级、永磁发电机级，并且上述各级结构的发电机均由电枢部分和励磁部分构成。

为满足三级式无刷交流同步发电机的功能，旋转整流器需要具备的如下要求：

1、旋转整流器可随着三级式无刷交流同步发电机的励磁部分一起高速旋转，可承受几千个G的加速度和高速运转过程中产生的离心力作用。

2、旋转整流器高速运转时加快空气流通的速度而提高旋转整流器的散热能力，因此旋转整流器的体积不能过大。

3、旋转整流器需将旋转电枢式励磁发电机发出的交流电转换为主发电机励磁的直流电。

4、旋转整流器还需要具备在电机负载突加、突卸时对磁场瞬变能量吸收的功能以避免主发电机励磁绕组之间的过电压和降低供电系统的供电尖峰，同时还应具备抑制或吸收负序磁场在主发电机励磁绕组产生的过电压能力。

现有的旋转整流器采用普通硅整流二极管并联保护电阻或电容组成旋转整流器的整流电路，其中普通硅整流二极管将交流电转换为直流电，并联的保护电阻或电容可吸收电机突加、突卸产生的过电压。

在使用时，旋转整流器与发电机同轴运转，保护电阻或电容通过锡焊、接触电阻焊、超声波焊等焊接方式实现电的连接；通过卡子、夹子、固定架等连接方式实现机械固定；电路结构上电连接点众多、物理结构复杂、固定方式繁琐，并存在保护电阻或电容旋转过程中受到离心力而发生故障的隐患，旋转整流器整体可靠性低，进而影响整个三级式无刷交流同步发电机的可靠性；又由于保护电阻的存在，即便是正常工作状态，保护电阻也会形成能量消耗，引起电机的发热和效率降低；在负载突变时保护电阻对反向电压的吸收比较缓慢，导致主电机励磁绕组存在着相对较高的匝间电压、主电机输出电压存在相对较高的浪涌。

同时，现有旋转整流器结构还存在以下问题：

a）现有旋转整流器多为半环形结构，元器件分布不均匀，在旋转过程中离心力不均匀，容易导致整流器向一边偏侧，影响整流器使用寿命；

b）现有旋转整流器上电阻、电容元件较多，导致整流器固定方式繁琐，结构复杂，体积大，散热性不好；

c）旋转整流器半环形结构导致正负极板不在同一平面，平面高低不齐造成二极管引脚长短不一，在高速旋转时较长二极管引脚会受离心力作用发生变形，因而降低二极管和旋转整流器的可靠性。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的上述不足而提供一种三级式无刷交流同步发电机，及旋转整流器，通风散热性好，体积小，质量轻；对磁场能量的吸收和励磁系统电压尖峰的抑制效果十分迅速有效。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种旋转整流器，包括正极板、负极板，所述正极板、负极板为两个结构相同的空心圆盘，正极板、负极板上均布有三个二极管安装孔，正极板、负极板上还均布有六个空心铆钉安装孔一，各二极管安装孔内分别安装有一二极管，且三个二极管阴极与正极板电连接，另三个二极管阳极端与负极板电连接，正极板、负极板外周上均布有三个V型缺口，V型缺口与对应极板的二极管安装孔一一对应；所述各二极管为雪崩型或齐纳型二极管；

所述正极板与负极板正面相对通过六个外部设有绝缘薄膜的空心铆钉呈60°交错安装固定，正极板的三个二极管安装孔与负极板的三个二极管安装孔交错布置，六个空心铆钉与六个二极管交错布置；

还包括三个均布于正极板反面上端的汇流条部件，汇流条部件与正极板上V型缺口交错分布，汇流条部件包括弧形汇流条支架、与汇流条支架一端固定连接的汇流条，汇流条支架两端分别设置有一与空心铆钉相匹配的空心铆钉安装孔二，汇流条两端部分别连接到一设置于正极板上的二极管阳极端、一设置于负极板上的二极管阴极端，汇流条支架、汇流条对应位置上分别设置有一励磁机励磁绕组线过孔，三个励磁机励磁绕组线分别沿负极板反面依次穿过对应汇流条支架、汇流条上的励磁机励磁绕组线过孔与励磁机的励磁机A相电压、励磁机B相电压、励磁机C相电压电连接。

上述的旋转整流器中，所述正极板、负极板的三个二极管安装孔位于一与正极板、负极板同心的同心圆的圆周上；所述正极板、负极板上的六个空心铆钉安装孔一位于一与正极板、负极板同心的同心圆圆周上；二极管安装孔与对应的正极板、负极板的圆心距小于空心铆钉安装孔一与对应的正极板、负极板的圆心距。

上述的旋转整流器中，所述各二极管安装孔、各空心铆钉安装孔一为圆筒状结构，各二极管安装孔、各空心铆钉安装孔一一端面与对应的正极板、负极板反面平齐，各二极管安装孔、各空心铆钉安装孔一另一端面伸出对应的正极板、负极板正面；二极管安装孔高度与二极管管座相匹配，二极管安装孔高度为H1，空心铆钉安装孔一高度为H2，空心铆钉安装孔一高度H2小于二极管安装孔高度H1。

上述的旋转整流器中，所述正极板、负极板上还分别设置有一极板铆钉安装孔，极板铆钉安装孔内分别安装有一用于固定主转子励磁线的极板铆钉。

上述的旋转整流器中，所述极板铆钉为外部镀有银的空心铜管，极板铆钉内径与主转子励磁线相匹配。

上述的旋转整流器中，所述汇流条上设有一与汇流条支架上空心铆钉安装孔二相对应的空心铆钉安装孔三；所述汇流条支架上一体成型有一绝缘挡板。

上述的旋转整流器中，所述空心铆钉上还设有一绝缘垫片，绝缘垫片位于正极板与负极板之间。

上述的旋转整流器中，所述正极板、负极板正面均布有圆弧形凸台，该凸台截面为T型结构加强筋，三个加强筋与三个V型缺口交错分布。

上述的旋转整流器中，所述二极管包括管座、连接于管座上的引脚，所述管座包括位于下部的金属外壳段、连接于金属外壳段上端的环氧树脂密封层，金属外壳的直径大于环氧树脂密封层的直径，管座高度为H3；二极管与二极管安装孔间隙内注塑环氧树脂。

一种三级式无刷交流同步发电机，包括发电机转子，发电机定子、永磁发电机励磁部分、永磁发电机电枢部分、励磁机电枢部分、励磁机励磁部分、主发电机励磁部分、主发电机电枢部分、控制器以及权利要求1-9任意一项所述的旋转整流器。

本发明的有益效果是：与现有技术相比实用新型：

a）从结构上减少现有技术中整流器中电阻、电容等元器件，因而简化连接方式，增加可靠性；各二极管圆周均布，使离心力均匀分布，且相互抵消；通风散热性好，体积小，质量轻；

b）本发明中的旋转整流器采用雪崩型或齐纳型二极管，雪崩型或齐纳型二极管反向电压在超过一点阈值后可以迅速击穿并在该反向电压降低到阈值下后快速恢复，因而对磁场能量的吸收和励磁系统电压尖峰的抑制效果十分迅速有效；并且在正常工作情况下极低的漏电电流提高了电机效率，减少电机发热。

附图说明

图1为本发明旋转整流器爆炸图；

图2为本发明旋转整流器主视图；

图3为本发明旋转整流器后视图；

图4为本发明旋转整流器侧视图；

图5为本发明旋转整流器极板主视图；

图6为本发明旋转整流器极板侧视图；

图7为本发明旋转整流器极板后视图；

图8为本发明旋转整流器极板等轴测视图；

图9为本发明旋转整流器二极管主视图；

图10为本发明旋转整流器正极板与二极管正装配主视图；

图11为本发明旋转整流器正极板与二极管正装配左视图；

图12为本发明旋转整流器负极板与二极管负装配主视图；

图13为本发明旋转整流器负极板与二极管负装配左视图；

图14为本发明旋转整流器汇流条部件等轴测视图；

图15为本发明旋转整流器汇流条支架等轴测视图；

图16为本发明旋转整流器汇流条等轴测视图；

图17为本发明旋转整流器电路原理图；

图18为本发明三级式无刷交流同步发电机结构图；

图中，1、三级式无刷交流同步发电机，2、控制器，3、发电机转子，4、发电机定子，5、永磁发电机励磁部分，6、永磁发电机电枢部分，7、励磁机电枢部分，8、励磁机励磁部分，9、旋转整流器，10、主发电机励磁部分，11、主发电机电枢部分，12、电流互感器；

901、励磁机A相电压，902、励磁机B相电压；903、励磁机C相电压，904、正极板，905负极板，906、汇流条支架，907、汇流条，908、空心铆钉，909、二极管ZD1，910、二极管ZD2，911、二极管ZD3，912、二极管ZD4，913、二极管ZD5，914、二极管ZD6，915、绝缘垫片，916、正极板铆钉安装孔，917、负极板铆钉安装孔，918、正极板铆钉，919、负极板铆钉，920、加强筋，921、励磁机励磁绕组线，922、绝缘薄膜，923、汇流条部件。

具体实施方式

图1中，旋转整流器从左到右依次是负极板905、负极板铆钉919、二极管ZD4（912）、二极管ZD5（913）、二极管ZD6（914）、六个绝缘垫片915、正极板904、正极板铆钉918、二极管ZD1（909）、二极管ZD2（910）、二极管ZD3（911）、三个汇流条支架906、三个汇流条907、六个空心铆钉908；

进一步，二极管ZD4（912）、二极管ZD5（913）、二极管ZD6（914）、二极管ZD1（909）、二极管ZD2（910）、二极管ZD3（911）为雪崩型或齐纳型。

图2、图3、图4中，旋转整流器装配的时候六个空心铆钉908将正极板904、负极板905、六个绝缘垫片915、三个汇流条支架906、三个汇流条907固定成一个整体；空心铆钉908外表面设有一层绝缘薄膜922；正极板上安装二极管ZD1（909）、二极管ZD2（910）、二极管ZD3（911）；负极板上安装二极管ZD4（912）、二极管ZD5（913）、二极管ZD6（914）。

图5、图6、图7、图8中，正极板904、负极板905材料、形状完全相同。

在设计时选用铝合金材料，该种材料在保证较好强度的同时具有重量轻的优点。

正极板904、负极板905在设计中采的空心镂空圆盘结构，该种结构当旋转整流器高速运转时具有很好的通风散热性，故此旋转整流器的体积可以很小。

正极板904、负极板905外周设计上有三个均匀分布的V型槽，与V型槽一一对应的是二极管安装孔，三个二极管安装孔位于一与正极板904、负极板905同心圆的圆周上；

每个二极管安装孔相邻有两个对称分布的空心铆钉安装孔一，六个空心铆钉安装孔一位与正极板904、负极板905同心圆的圆周上；

二极管安装孔与正极板904、负极板905的圆心距小于空心铆钉安装孔一与正极板904、负极板905的圆心距；

二极管安装孔与空心铆钉安装孔一的位置布置使得每个二极管在安装时与相邻两个空心铆钉908之间呈V型结构，当旋转整流器高速旋转二极管受离心力的作用往外运动时，二极管需挣脱相邻两个V型铆钉固定力发生位移；此结构相比普通旋转整流器中元件的环形布置可以更好地抵消因离心力产生的变形，增加二极管的紧固力，保证二极管的牢固性，同时提高旋转整流器的可靠性；

正极板904、负极板905正面空心铆钉安装孔一中布置有一圆弧形凸台，该凸台是截面为T型结构的加强筋920，此筋的设计不仅增加极板的强度，还增加与空气的接触面积，增强散热能力；

极板表面设计中反面平整，正面因均匀分布二极管安装孔和空心铆钉安装孔一台阶而不平, 二极管安装孔高度为H1，空心铆钉安装孔一高度为H2；空心铆钉安装孔一高度H2小于二极管安装孔高度H1的二分之一，高度差的设计可以保证在极板装配时，正极板904、负极板905安装时正面相对呈60°交错布置，可以使正极板904的正面和负极板905的反面基本在同一平面，正极板904的反面和负极板905的正面基本在同一平面；此设计不仅保证二极管和空心铆钉的装配，还减小旋转整流器的体积；

正极板904、负极板905上还分别设置有一正极板铆钉安装孔916、负极板铆钉安装孔917，正极板铆钉安装孔916、负极板铆钉安装孔917内分别安装有一用于固定主转子励磁线921的正极板铆钉918、负极板铆钉919；

正极板铆钉918、负极板铆钉919为外部镀有银的空心铜管，且正极板铆钉918、负极板铆钉919内部直径与主转子励磁线相匹配，安装时使正极板铆钉918、负极板铆钉919对应铆接在正极板铆钉安装孔916、负极板铆钉安装孔917内，整流完后的电流通过正极板铆钉918、负极板铆钉919上焊接的主转子励磁线输送给主转子励磁绕组；该方法不仅解决铝制品的极板无法焊接的问题，还增大主转子励磁线921与旋转整流器的接触面积，提高导电能力，减小焊点造成的损耗。

图9中，二极管一端为引脚，一端为管座，且管座的高度为H3；二极管管座下端高度约1/2 H3的是金属外壳，上端高度约为1/2 H3的是环氧树脂密封层；金属外壳的直径略大于环氧树脂密封层的直径；

正极板904上的二极管ZD1（909）、二极管ZD2（910）、二极管ZD3（911）的引脚为阳极，管座中金属外壳为阴极；负极板905上的二极管ZD4（912）、二极管ZD5（913）、二极管ZD6（914）的引脚为阴极，管座中金属外壳为阳极。

图10、图11、图12、图13中，正极板904均匀分布的三个二极管安装孔内分别布置二极管ZD1（909）、二极管ZD2（910）、二极管ZD3（911），其中二极管ZD1（909）、二极管ZD2（910）、二极管ZD3（911）的管座金属外壳过盈压接在正极板904二极管安装孔内，金属外壳的底部与正极板904的正面位于同一平面，管座上端环氧树脂密封层与二极管安装孔之间缝隙处灌注环氧树脂加固，防止二极管内部芯片受离心力的作用而发生位移，二极管ZD1（909）、二极管ZD2（910）、二极管ZD3（911）的引脚从正极板904的反面引出，三个二极管的阴极通过压装与正极板904金属相连实现电的连接，并使三个二极管实现共阴极连接；

负极板905均匀分布的三个二极管安装孔内分别布置二极管ZD4（912）、二极管ZD5（913）、二极管ZD6（914），其中二极管ZD4（912）、二极管ZD5（913）、二极管ZD6（914）的管座金属外壳过盈压接在负极板905二极管安装孔内，金属外壳的底部与负极板905的反面位于同一平面，管座上端环氧树脂密封层与二极管安装孔之间缝隙处灌注环氧树脂加固，防止二极管内部芯片受离心力的作用而发生位移，二极管ZD4（912）、二极管ZD5（913）、二极管ZD6（914）的引脚从负极板905的正面引出，三个二极管阳极通过压装与负极板905金属相连实现电的连接，并使三个二极管实现共阳极连接；

二极管管座的高度H3与极板中二极管安装孔的高度H1相同，该设计是为了二极管与极板安装时，二极管安装孔可以将二极管完全包裹，有效抵抗离心力对二极管的影响；

正极板904、负极板905安装时正面相对呈60°交错通过六个空心铆钉908安装固定，正极板904的三个二极管安装孔与负极板905的三个二极管安装孔交错布置，六个空心铆钉908与六个二极管交错布置，六个空心铆钉908和正极板904、负极板905上的二极管交错布置可以保证每个二极管周围均有两个铆钉进行固定，增加其牢固性；且正面相对可以保证正极板904、负极板905安装后整个旋转整流器的反面为平整的，二极管的引脚均从旋转整流器的正面引出。

图14、图15、图16中，通过六个空心铆钉固定的还包括三个均布于正极板904上端的汇流条部件923，汇流条部件923由弧形汇流条支架906和汇流条907塑压成型，弧形汇流条支架906的作用是固定汇流条907，防止在高速旋转时汇流条产生变形，并且使汇流条907与极板绝缘，汇流条907的作用是连接正负极板上的二极管形成整流桥；

现有旋转整流器多为半环形结构，元器件分布不均匀；整流桥中电阻、电容元件较多，整流器固定方式繁琐，正极板上二极管与负极板上二极管不在同一平面，平面高低不齐造成二极管引脚长短不一。在高速旋转时，要考虑元器件受到的离心力不均匀，整流器向一边偏侧，以及整流器结构复杂，散热性不好，体积庞大的问题和较长二极管引脚受离心力作用产生的变形问题；采用汇流条部件解决正、负极板二极管之间电连接问题，从机械上解决现有设计中二极管较长引脚变形的问题。

汇流条支架906采用绝缘材料塑压成型，汇流条支架906两端均设置有一与空心铆钉908相匹配的空心铆钉安装孔二，安装时，各汇流条支架906与V型缺口交错分布，汇流条支架906两端的空心铆钉安装孔二与正极板904通过圆弧处的两个空心铆钉安装孔二定位，此为防止各汇流条支架906在极板上发生偏移；

汇流条支架906上一体成型有一向内伸出的绝缘挡板，绝缘挡板可以有效防止空心铆钉安装孔与相邻极板接触，以免使空心铆钉安装孔与相邻极板之间产生电连接；

汇流条支架906一端部还固定有一汇流条907，汇流条907一端部与正极板上的一二极管阳极端相连，另一端部与负极板上的一二极管阴极端相连；因汇流条部件固定在正极板上，可以有效减小二极管引脚的长度，减小二极管引脚受离心力的作用，增加二极管的可靠性。

汇流条907材料为钢，汇流条907上设有一与空心铆钉908相匹配的空心铆钉安装孔三，将汇流条907上空心铆钉安装孔三与汇流条支架906上的空心铆钉安装孔二对齐嵌入汇流条支架906后塑压成汇流条部件，该设计提高了接线片的牢固性和绝缘性能；

汇流条支架906、汇流条907对应位置上分别设置有一励磁机励磁绕组线过孔，当旋转整流器与励磁机连接时，将励磁机A相电压901、励磁机B相电压902、励磁机C相电压903三向输入通过励磁机励磁绕组线，从旋转整流器的负极板904依次通过汇流条支架906、汇流条907上的对应励磁机励磁绕组线过孔与三个汇流条907焊接，可以防止当旋转整流器承受横向翻转时的时候，励磁机励磁绕组线具有的牵引力可以防止旋转整流器横向运动；

空心铆钉908上还设有一绝缘垫片，绝缘垫片位于正极板904与负极板905之间；

图17中，二极管ZD1（909）、二极管ZD2（910）、二极管ZD3（911）共阴极连接在正极板904上；二极管ZD4（912）、二极管ZD5（913）、二极管ZD6（914）共阳极连接在负极板905上，二极管ZD1（909）阳极端与二极管ZD4（912）阴极端通过一汇流条电连接，二极管ZD2（910）阳极端与二极管ZD5（913）阴极端通过一汇流条电连接，二极管ZD3（911）阳极端与二极管ZD6（914）阴极端通过一汇流条电连接。

图18中，三级式无刷交流同步发电机包括发电机转子3，发电机定子4、永磁发电机励磁部分5、永磁发电机电枢部分6、励磁机电枢部分7、励磁机励磁部分8、主发电机励磁部分10、主发电机电枢部分11、控制器2以及旋转整流器。

以下对本发明中的旋转整流器对浪涌吸收进行说明。

（1）当电机负载突卸时，由于电机内部磁场能量不能有效释放，主发电机励磁绕组的匝间和输出端会感应出很高的电压浪涌。该浪涌电压施加在旋转整流器的正负极之间，在超过2倍（全桥，半桥为一倍）雪崩型或齐纳型二极管击穿电压后，三个全桥臂同时发生反向击穿，击穿电流可直线增加到单管额定通态电流的6倍左右，迅速将磁场能量消耗。将主发电机励磁绕组端电压嵌位于2倍雪崩型或齐纳型二极管击穿电压，使主发电机输出电压尖峰显著降低。

（2）当电机不对称运行时，负序电流会在主发电机励磁绕组产生两倍额定频率感应电压。该电压正半波超出2倍（全桥，半桥为一倍）雪崩型或齐纳型二极管击穿电压的部分，同样会导致三个全桥臂同时发生反向击穿，而负半波则会视旋转电枢式励磁机输出电阻和主发电机励磁绕组电阻的比值以及各自电抗的大小处于正常整流或三个全桥臂均正向导通的状态，从而抑制励磁绕组间的过电压和负序磁场。

（3）当旋转整流器正常工作时，在整流过程中换相时刻产生的尖峰，会通过和导通相连的不导通桥臂的雪崩型或齐纳型二极管反向击穿得到释放，从而改善电机的电磁兼容性。

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。