專利名稱：一種新型結(jié)構(gòu)的永磁式交流同步發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種具有高功率密度和復(fù)勵(lì)穩(wěn)壓特性的新型結(jié)構(gòu)的永磁式交流同步發(fā)電機(jī)，與汽油機(jī)或柴油機(jī)配套組成發(fā)電機(jī)組，可作為便攜電源及備用應(yīng)急電源使用。
背景技術(shù)：
目前，汽油發(fā)電機(jī)行業(yè)主流機(jī)型是以銅線和鋁線為主的有刷電勵(lì)磁類型發(fā)電機(jī)， 功率范圍涵蓋IkW 20kW?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外的汽油發(fā)電機(jī)組基本都是采用AVR調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的有刷電勵(lì)磁單相或三相交流發(fā)電機(jī)，這種發(fā)電機(jī)的最大優(yōu)勢(shì)就是其磁場(chǎng)可以通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，從而使單機(jī)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)可以在空載到額定負(fù)載的全范圍保持輸出電壓的穩(wěn)定，以下結(jié)合附圖來(lái)說(shuō)明其結(jié)構(gòu)原理圖7是現(xiàn)有技術(shù)普遍采用的傳統(tǒng)電勵(lì)磁交流同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理示意圖，圖中 標(biāo)號(hào)4為定子主繞組，標(biāo)號(hào)5為定子鐵芯，標(biāo)號(hào)21為電刷與集電環(huán)，標(biāo)號(hào)22為定子副繞組， 標(biāo)號(hào)23為AVR勵(lì)磁調(diào)壓器，標(biāo)號(hào)M為勵(lì)磁繞組，標(biāo)號(hào)25為轉(zhuǎn)子鐵芯，標(biāo)號(hào)沈?yàn)轵?qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸。 此種類型發(fā)電機(jī)核心部件是定子和轉(zhuǎn)子各一套，其定子鐵芯5和轉(zhuǎn)子鐵芯25上設(shè)置銅線或鋁線做成的定子主繞組4和勵(lì)磁繞組M，其中定子主繞組4對(duì)外供給電力，轉(zhuǎn)子上的勵(lì)磁繞組M用來(lái)建立電機(jī)氣隙磁場(chǎng)，使電機(jī)產(chǎn)生電磁感應(yīng)，定、轉(zhuǎn)子鐵芯屬于導(dǎo)磁部件，電勵(lì)磁產(chǎn)生的兩異極性磁極磁場(chǎng)通過(guò)轉(zhuǎn)子鐵芯磁軛部分構(gòu)成閉合磁路，轉(zhuǎn)子鐵芯25固定于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸沈上。同時(shí)，為調(diào)節(jié)磁場(chǎng)，發(fā)電機(jī)組還必須配置相應(yīng)的定子副繞組22、AVR電壓調(diào)節(jié)器 23、引入轉(zhuǎn)子電流的電刷和集電環(huán)21等部件，這種全電勵(lì)磁方式的發(fā)電機(jī)所需勵(lì)磁容量較大，轉(zhuǎn)子電勵(lì)磁回路的損耗比例占電機(jī)全部損耗的陽(yáng)％ 65%，因此發(fā)電機(jī)的能量效率難以提高，而且該類型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子用銅量也占電機(jī)全部用銅量的55 % 65 %，故其成本也較高，銅、鋁等有色金屬的資源消耗也大。我國(guó)是世界上稀土永磁材料最豐富的國(guó)家，但同時(shí)也是銅、鋁等有色金屬資源貧乏的國(guó)家；因此，大力發(fā)展稀土材料的應(yīng)用對(duì)我國(guó)有現(xiàn)實(shí)的意義。隨著控制技術(shù)的進(jìn)步，稀土永磁電機(jī)在電動(dòng)機(jī)行業(yè)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，稀土永磁材料做成的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品， 其單位體積材料傳送的功率密度大，電機(jī)效率高而能耗小，顯示出其稀土電機(jī)巨大的優(yōu)越性；但稀土永磁材料用到發(fā)電機(jī)領(lǐng)域卻一直受到電壓穩(wěn)定技術(shù)的瓶頸制約，由于永磁材料制成的發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)無(wú)法調(diào)節(jié)，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)端電壓控制很困難，電機(jī)帶負(fù)載后電壓下降很厲害，進(jìn)而影響永磁發(fā)電機(jī)組的發(fā)電質(zhì)量，限制了永磁材料在此類發(fā)電機(jī)上的應(yīng)用范圍。 而且，按傳統(tǒng)電機(jī)慣例簡(jiǎn)單地采用稀土材料代替電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組，也并不能充分而徹底地利用稀土材料傳送高能量密度的優(yōu)點(diǎn)。因此，拓展稀土材料在獨(dú)立運(yùn)行的移動(dòng)電源領(lǐng)域的應(yīng)用范圍就必須得解決以下技術(shù)難題一、為充分利用稀土材料的優(yōu)勢(shì)，必須研究設(shè)計(jì)能傳送高功率密度的永磁發(fā)電機(jī)新型結(jié)構(gòu)；二、研究克服永磁電機(jī)無(wú)法調(diào)節(jié)磁場(chǎng)而穩(wěn)定發(fā)電機(jī)電壓的技術(shù)途徑和有效方法
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有永磁發(fā)電機(jī)技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于以中小型汽油發(fā)電機(jī)組為依托，提供一種可傳送高功率密度且具有復(fù)勵(lì)穩(wěn)壓特性的“雙定子+無(wú)磁軛鐵芯的空心永磁轉(zhuǎn)子”新型結(jié)構(gòu)的永磁式交流同步發(fā)電機(jī)。本發(fā)明的基本構(gòu)思是突破常規(guī)永磁電機(jī)異極性永磁體之間必須用鐵磁材料來(lái)構(gòu)成軛部磁路的傳統(tǒng)電機(jī)理論限制，直接利用稀土永磁體兩面異極性的特征，同時(shí)在內(nèi)外兩定子與空心永磁轉(zhuǎn)子之間建立起內(nèi)外兩個(gè)它勵(lì)氣隙主磁場(chǎng)，其具體結(jié)構(gòu)特征是發(fā)電機(jī)采用內(nèi)外雙定子+無(wú)磁軛鐵芯的永磁式空心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，內(nèi)外定子鐵芯槽內(nèi)嵌有獨(dú)立的繞組，空心轉(zhuǎn)子位于內(nèi)外定子之間，磁路連接方式為永磁體的兩異極性面直接串聯(lián)兩臺(tái)定子而構(gòu)成閉合磁路；永磁體為平板式矩形結(jié)構(gòu)并內(nèi)嵌入由鐵磁材料制成的磁極導(dǎo)磁環(huán)內(nèi)，磁體排列采用多片同極性磁體組成一個(gè)磁極，磁路為同極性磁體并聯(lián)、異極性磁體串聯(lián)的復(fù)合磁路結(jié)構(gòu)，磁極導(dǎo)磁環(huán)為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在順旋轉(zhuǎn)方向后極靴部分留有多余鐵磁材料，兩磁極間用不導(dǎo)磁的不銹鋼連接環(huán)鉚焊成圓桶形狀，沿軸向兩端裝有前后旋轉(zhuǎn)支架和并通過(guò)滾動(dòng)軸承與內(nèi)定子支撐軸連接。該新型結(jié)構(gòu)的永磁式交流同步發(fā)電機(jī)的空心永磁轉(zhuǎn)子沒(méi)有磁軛鐵芯，傳統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁軛鐵芯部位材料正好利用來(lái)增加內(nèi)定子，從而使發(fā)電機(jī)具有功率密度大而材料消耗少的明顯優(yōu)勢(shì)。為達(dá)到上述目的，以下結(jié)合附圖來(lái)闡明本發(fā)明涉及的發(fā)電機(jī)技術(shù)方案和特點(diǎn)—、

圖1、圖2和圖3分別是本發(fā)明涉及的幾種類型的新型結(jié)構(gòu)永磁式交流同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理示意圖，發(fā)電機(jī)為“雙定子+無(wú)磁軛鐵芯的空心永磁轉(zhuǎn)子”結(jié)構(gòu)，空心永磁轉(zhuǎn)子安裝于內(nèi)定子鐵芯和外定子鐵芯之間，與雙定子間均有氣隙，發(fā)電機(jī)磁路連接方式為永磁體的兩異極性面直接串聯(lián)兩臺(tái)定子而構(gòu)成主磁通Φ δ0的閉合磁路，這種結(jié)構(gòu)的雙定子完全等同于兩臺(tái)發(fā)電機(jī)定子，圖5顯示了此類型交流同步發(fā)電機(jī)的內(nèi)外雙定子鐵芯的立體展開(kāi)結(jié)構(gòu)示意圖。內(nèi)定子鐵芯和外定子鐵芯上均嵌裝兩套獨(dú)立的繞組，兩套定子繞組可接成單相或三相Y和△交流電路結(jié)構(gòu)，空心永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)永久磁場(chǎng)將同時(shí)切割內(nèi)外定子上的主繞組，從而使內(nèi)外定子均可同時(shí)對(duì)外輸送電功率。二、圖4展示了本發(fā)明所涉及的新型結(jié)構(gòu)的永磁式交流同步發(fā)電機(jī)的軸向結(jié)構(gòu)裝配圖，空心永磁轉(zhuǎn)子沿軸向兩端裝有前、后旋轉(zhuǎn)支架，并通過(guò)滾動(dòng)軸承與內(nèi)定子支撐軸連接；圖6的空心轉(zhuǎn)子立體結(jié)構(gòu)展開(kāi)示意圖顯示了該空心轉(zhuǎn)子稀土永磁體采用多片同極性磁體組成一極的磁體排列方式，磁體為平板式矩形結(jié)構(gòu)并內(nèi)嵌入由鐵磁材料制成的磁極導(dǎo)磁環(huán)內(nèi)的磁鋼方槽中，磁路為同極性磁體并聯(lián)、異極性磁體串聯(lián)的復(fù)合磁路結(jié)構(gòu)，組成每個(gè)磁極的同極性磁體并聯(lián)個(gè)數(shù)與尺寸決定于電機(jī)磁極數(shù)和極弧系數(shù)、發(fā)電所需的磁通量以及永磁體制造工藝要求，兩磁極之間采用不導(dǎo)磁的不銹鋼連接環(huán)聯(lián)結(jié)并鉚焊成整體圓桶形狀； 前、后旋轉(zhuǎn)支架內(nèi)外適當(dāng)位置設(shè)置有輻射狀筋板，前旋轉(zhuǎn)支架與汽油機(jī)動(dòng)力輸出軸連接并裝配有散熱風(fēng)扇，以加強(qiáng)內(nèi)定子和轉(zhuǎn)子的散熱效果。三、在圖1、圖2和圖3所示的各實(shí)施例中，為解決永磁發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)電壓降過(guò)大的缺陷，本發(fā)明在空心轉(zhuǎn)子磁極導(dǎo)磁環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其順旋轉(zhuǎn)方向后極靴部分預(yù)留有多余鐵磁材料，該多余部分的鐵磁材料在負(fù)載時(shí)相當(dāng)于輔助導(dǎo)磁極，其作用是削弱空載時(shí)過(guò)高的氣隙磁場(chǎng)并充分增強(qiáng)負(fù)載時(shí)的氣隙磁場(chǎng)。發(fā)電機(jī)空載時(shí)，空載氣隙磁場(chǎng)通過(guò)該輔助導(dǎo)磁極而漏掉部分磁通。b。，從而將空載氣隙有效的交鏈磁場(chǎng)Φ δ0削弱到合適的程度，降低空載條件下過(guò)高的感應(yīng)電壓。發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)，內(nèi)外定子的電樞電流將產(chǎn)生電樞反應(yīng)磁場(chǎng)Φ ，該電樞反應(yīng)磁場(chǎng)順轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向的磁極后極靴部分將起助磁作用，其大小與定子電流成正比，相當(dāng)于在永磁電機(jī)內(nèi)增加了一種串勵(lì)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)將充分增強(qiáng)負(fù)載條件下的氣隙磁場(chǎng)，彌補(bǔ)負(fù)載時(shí)電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)。合理調(diào)整該部分磁極導(dǎo)磁環(huán)尺寸，可使發(fā)電機(jī)在空載到額定負(fù)載范圍內(nèi)保持氣隙磁場(chǎng)的穩(wěn)定，從而保持發(fā)電機(jī)端電壓在一定范圍穩(wěn)定。采用上述技術(shù)方案所達(dá)到的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果是一、產(chǎn)品技術(shù)性能優(yōu)勢(shì)和效果本技術(shù)發(fā)明適用于功率為1 20kW、鐵芯外圓為Φ 160、Φ 190及Φ270等規(guī)格系列的單相、三相汽油發(fā)電機(jī)組，利用該技術(shù)設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)組可達(dá)到表1所述的設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，其單位材料消耗所輸出的功率密度以及發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率明顯優(yōu)越于傳統(tǒng)電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組性能。表1發(fā)電機(jī)材料消耗、能量效率及功率輸出對(duì)比表
權(quán)利要求
1.一種具有高功率密度和復(fù)勵(lì)穩(wěn)壓特性的新型結(jié)構(gòu)永磁式交流同步發(fā)電機(jī)，其特征是一、發(fā)電機(jī)定子為內(nèi)外雙定子結(jié)構(gòu)，內(nèi)定子鐵芯(2)和外定子鐵芯(5)上均嵌裝兩套獨(dú)立的繞組(3)、(4) ；二、轉(zhuǎn)子為無(wú)磁軛鐵芯的永磁式空心圓桶形結(jié)構(gòu)，安裝于內(nèi)外兩定子之間，與雙定子間均有氣隙，發(fā)電機(jī)磁路連接方式為永磁體(6)的兩異極性面直接串聯(lián)兩臺(tái)定子而構(gòu)成閉合磁路(12)；三、空心轉(zhuǎn)子磁極導(dǎo)磁環(huán)(9)為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，順旋轉(zhuǎn)方向后極靴部分預(yù)留有多余鐵磁材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型結(jié)構(gòu)永磁式交流同步發(fā)電機(jī)，圓桶形的空心永磁轉(zhuǎn)子異極性永磁體之間無(wú)轉(zhuǎn)子磁軛鐵芯聯(lián)接磁路，永磁體(6)為平板式矩形結(jié)構(gòu)并內(nèi)嵌入由鐵磁材料制成的磁極導(dǎo)磁環(huán)(9)的磁鋼方槽內(nèi)，磁體排列方式為多片同極性磁體組成一個(gè)磁極，磁路為同極性磁體并聯(lián)、異極性磁體串聯(lián)的復(fù)合磁路結(jié)構(gòu)，組成每個(gè)磁極的同極性磁體并聯(lián)個(gè)數(shù)與尺寸決定于電機(jī)磁極數(shù)和極弧系數(shù)、發(fā)電所需的磁通量以及永磁體制造工藝要求；各異極性磁極之間采用不導(dǎo)磁的不銹鋼連接環(huán)(8)鉚焊成整體圓桶形狀，圓桶形的空心永磁轉(zhuǎn)子沿軸向兩端裝有前后旋轉(zhuǎn)支架(14)和(1 并通過(guò)滾動(dòng)軸承與內(nèi)定子支撐軸 (1)連接，內(nèi)定子支撐軸(1)由后安裝支架定位并決定內(nèi)外氣隙的大小及均勻度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型結(jié)構(gòu)永磁式交流同步發(fā)電機(jī)，其內(nèi)定子繞組C3)和外定子繞組(4)可接成單相或三相交流電路結(jié)構(gòu)；用于單相電路對(duì)外電阻負(fù)載供電的發(fā)電機(jī)， 其外定子鐵芯( 按單相磁路原理設(shè)計(jì)成截邊的腰圓形狀，單相繞組及定子槽分布均按 120°相帶設(shè)計(jì)布置；用于三相電路對(duì)外電阻負(fù)載供電的發(fā)電機(jī)，其內(nèi)外定子鐵芯均采用磁路均勻?qū)ΨQ的圓形及均勻分布的內(nèi)外繞組嵌線槽。
全文摘要
一種新型結(jié)構(gòu)的永磁式交流同步發(fā)電機(jī)，適用于汽油機(jī)發(fā)電機(jī)組作備用電源使用。其特征是發(fā)電機(jī)采用內(nèi)外雙定子+無(wú)磁軛鐵芯的空心永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，內(nèi)外定子鐵芯2、5槽內(nèi)嵌有獨(dú)立的繞組3、4，空心永磁轉(zhuǎn)子位于內(nèi)外定子之間，磁路連接為永磁體6的兩異極性面直接串聯(lián)兩臺(tái)定子而構(gòu)成閉合磁路12；永磁體6為平板矩形結(jié)構(gòu)并內(nèi)嵌入鐵磁材料制成的磁極導(dǎo)磁環(huán)9內(nèi)，磁體排列為多片同極性磁體組成一個(gè)磁極，磁路為同極性磁體并聯(lián)、異極性磁體串聯(lián)的復(fù)合磁路結(jié)構(gòu)，磁極導(dǎo)磁環(huán)9為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在順旋轉(zhuǎn)方向后極靴部分留有多余鐵磁材料，各異極性磁極間用不導(dǎo)磁的不銹鋼連接環(huán)8鉚焊成圓桶形狀，兩端通過(guò)前后旋轉(zhuǎn)支架和滾動(dòng)軸承與內(nèi)定子支撐軸1連接。
文檔編號(hào)H02K16/04GK102480198SQ20101055883
公開(kāi)日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月25日
發(fā)明者余虹錦 申請(qǐng)人:余虹錦