專利名稱：一種新型結(jié)構(gòu)的復(fù)合勵磁無刷單相同步發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種具有高功率密度和復(fù)勵穩(wěn)壓特性的、新型結(jié)構(gòu)的復(fù)合勵磁無刷單相同步發(fā)電機，與汽油機或柴油機配套組成發(fā)電機組，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)電機行業(yè)主流機型是以銅線和鋁線為主的有刷電勵磁類型發(fā)電機， 功率范圍涵蓋IkW 20kW ；另外，對于功率為1 5kW的小型單相同步發(fā)電機組，還有一種采用轉(zhuǎn)子勵磁繞組感應(yīng)定子負載電流建立的負序磁場而進行整流電勵磁的無刷電勵磁方式。采用AVR調(diào)節(jié)勵磁電流的有刷電勵磁單相或三相交流發(fā)電機是汽油發(fā)電機組的主流勵磁方式，這種發(fā)電機的最大優(yōu)勢就是其磁場可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流來實現(xiàn)自動調(diào)整，從而使單機運行的發(fā)電機可以在空載到額定負載的全范圍保持輸出電壓的穩(wěn)定。圖 5是現(xiàn)有技術(shù)普遍采用的傳統(tǒng)有刷電勵磁交流同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)原理示意圖，圖中標號4為定子主繞組，標號5為定子鐵芯，標號21為電刷與集電環(huán)，標號22為定子副繞組，標號23為 AVR勵磁調(diào)壓器，標號M為勵磁繞組，標號25為轉(zhuǎn)子鐵芯，標號沈為驅(qū)動轉(zhuǎn)軸。此種類型發(fā)電機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和勵磁繞組對，其中定子主繞組4對外供給電力，轉(zhuǎn)子上的勵磁繞組M用來建立電機氣隙磁場，使電機產(chǎn)生電磁感應(yīng)，定、轉(zhuǎn)子鐵芯屬于導(dǎo)磁部件，電勵磁產(chǎn)生的兩異極性磁極磁場通過轉(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)動轉(zhuǎn)軸沈上。 同時，為調(diào)節(jié)磁場，發(fā)電機組還必須配置相應(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。圖6是一種普遍采用的常規(guī)無刷全電勵磁類型單相發(fā)電機結(jié)構(gòu)原理示意圖，圖中標號4為定子主繞組，標號5為定子鐵芯，標號11為二極管，標號22為定子副繞組，標號M為勵磁繞組，標號25為轉(zhuǎn)子鐵芯，標號沈為驅(qū)動轉(zhuǎn)軸，標號27為電容器。在定子鐵芯5和轉(zhuǎn)子鐵芯25上設(shè)置銅線或鋁線做成的定子單相主繞組4、副繞組22和勵磁繞組對， 其中定子主繞組4對外供給電力，轉(zhuǎn)子勵磁繞組M用來建立電機氣隙磁場，使電機產(chǎn)生電磁感應(yīng)，定、轉(zhuǎn)子鐵芯屬于導(dǎo)磁部件，轉(zhuǎn)子鐵芯固定與驅(qū)動轉(zhuǎn)軸沈上。電機空載時，轉(zhuǎn)子剩磁在副繞組中逐步產(chǎn)生感應(yīng)電勢，副繞組22與串接的電容27構(gòu)成單相電流回路，該單相電流將在氣隙中分別產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)方向相反的正、負序磁場，而負序磁場將在轉(zhuǎn)子勵磁繞組M中感應(yīng)兩倍頻率的交變電勢，通過串接于轉(zhuǎn)子勵磁繞組兩端的二極管11構(gòu)成半波整流回路， 在轉(zhuǎn)子勵磁回路流過直流電流，從而產(chǎn)生維持空載電壓Un穩(wěn)定的空載氣隙磁場。電機負載時，定子主繞組同樣流過單相負載電流，與空載時同樣的原理及電磁感應(yīng)過程，將在轉(zhuǎn)子勵磁繞組中流過與定子負載電流成正比的負載勵磁電流，從而在電機氣隙中產(chǎn)生一個補充加強了的負載磁場來維持發(fā)電機端電壓隊在一定范圍穩(wěn)定；其中，二極管11半波整流回路的接線方向決定于電機磁場N、S極方向和電流方向。以上兩種全電勵磁方式的發(fā)電機勵磁容量較大，轉(zhuǎn)子電勵磁回路的損耗比例占電機全部損耗的55% 65%，因此發(fā)電機的能量效率難以提高，而且該類型發(fā)電機轉(zhuǎn)子用銅量也占電機全部用銅量的55% 65%，故其成本也較高，銅、鋁等有色金屬的資源消耗也大。我國是世界上稀土永磁材料最豐富的國家，但同時也是銅、鋁等有色金屬資源貧乏的國家；因此，大力發(fā)展稀土材料的應(yīng)用對我國有現(xiàn)實的意義。隨著控制技術(shù)的進步，稀土永磁電機在電動機行業(yè)驅(qū)動領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，稀土永磁材料做成的電動機產(chǎn)品，其單位體積材料傳送的功率密度大，電機效率高而能耗小，顯示出其稀土電機巨大的優(yōu)越性；但稀土永磁材料用到發(fā)電機領(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)電機磁場無法調(diào)節(jié)，從而導(dǎo)致發(fā)電機端電壓控制很困難，電機帶負載后電壓下降很厲害，進而影響永磁發(fā)電機組的發(fā)電質(zhì)量，限制了永磁材料在此類發(fā)電機上的應(yīng)用范圍。而且，按傳統(tǒng)電機慣例簡單地采用稀土材料代替電勵磁發(fā)電機轉(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。因此，拓展稀土材料在獨立運行的移動電源領(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，必須研究設(shè)計能傳送高功率密度的永磁發(fā)電機新型結(jié)構(gòu)；二、研究克服永磁電機無法調(diào)節(jié)磁場而穩(wěn)定發(fā)電機電壓的技術(shù)途徑和有效方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有永磁發(fā)電機技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于以中小型汽油發(fā)電機組為依托，提供一種可傳送高功率密度且具有復(fù)勵穩(wěn)壓特性的、“內(nèi)外雙定子+空心永磁轉(zhuǎn)子” 結(jié)構(gòu)及“稀土永磁+感應(yīng)無刷電勵磁”復(fù)合勵磁方式的新型結(jié)構(gòu)無刷單相同步發(fā)電機。本發(fā)明的基本構(gòu)思是突破常規(guī)永磁電機異極性永磁體之間必須用鐵磁材料來構(gòu)成軛部磁路的傳統(tǒng)電機理論限制，直接利用稀土永磁體兩面異極性的特征，同時在內(nèi)外兩定子與空心永磁轉(zhuǎn)子之間建立起內(nèi)外兩個它勵氣隙主磁場，其具體結(jié)構(gòu)特征是發(fā)電機采用“雙定子+ 空心永磁轉(zhuǎn)子”結(jié)構(gòu)及“稀土永磁+感應(yīng)無刷電勵磁”的復(fù)合勵磁方式，內(nèi)、外定子鐵芯上嵌裝單相繞組，轉(zhuǎn)子為永磁式空心圓桶形結(jié)構(gòu)，安裝于內(nèi)外兩定子之間，磁路為多片并排安裝構(gòu)成一磁極的同極性永磁體的兩異極性面通過內(nèi)外氣隙直接串聯(lián)兩臺定子而閉合的復(fù)合磁路結(jié)構(gòu)，各磁極間用不銹鋼連接環(huán)鉚焊成圓桶形狀；永磁體提供每磁極下的空載氣隙磁場Φο，維持負載電壓穩(wěn)定的強勵磁場Ob由順旋轉(zhuǎn)方向的空心永磁轉(zhuǎn)子后極靴附近的電勵磁繞組感應(yīng)負載時的負序磁場并經(jīng)二極管半波整流后提供的勵磁電流而產(chǎn)生。該新型結(jié)構(gòu)的永磁式交流同步發(fā)電機的空心永磁轉(zhuǎn)子沒有磁軛鐵芯，傳統(tǒng)電機的轉(zhuǎn)子磁軛鐵芯部位材料正好利用來增加內(nèi)定子，從而使發(fā)電機具有功率密度大而材料消耗少的明顯優(yōu)勢。為達到上述目的，以下結(jié)合附圖來闡明本發(fā)明涉及的發(fā)電機技術(shù)方案和特點一、

圖1是本發(fā)明涉及的新型結(jié)構(gòu)的復(fù)合勵磁無刷單相同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)原理示意圖，發(fā)電機為“雙定子+無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)電機磁路為多片并排安裝構(gòu)成一磁極的同極性永磁體6的兩異極性面通過內(nèi)外氣隙直接串聯(lián)兩臺定子而閉合的復(fù)合磁路結(jié)構(gòu)，多片并排安裝的同極性稀土永磁體提供每磁極下能保證內(nèi)外定子單相繞組感應(yīng)出額定空載電壓的空載氣隙磁場Otl，這種結(jié)構(gòu)的雙定子完全等同于兩臺發(fā)電機定子，圖3顯示了此類單相交流同步發(fā)電機的內(nèi)外雙定子鐵芯的立體展開結(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立的繞組，兩套定子繞組接成120。相帶分布的單相交流繞組結(jié)構(gòu)，空心永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時永久磁場將同時切割內(nèi)外定子上的主繞組，從而使內(nèi)外定子均可同時對外輸送電功率。二、圖2展示了本發(fā)明所涉及的新型結(jié)構(gòu)的復(fù)合勵磁無刷單相同步發(fā)電機的軸向結(jié)構(gòu)裝配圖，圖4為空心永磁轉(zhuǎn)子與內(nèi)定子裝配的立體結(jié)構(gòu)展開示意圖，空心永磁轉(zhuǎn)子沿軸向兩端裝有前、后旋轉(zhuǎn)支架，并通過滾動軸承與內(nèi)定子支撐軸連接；該空心永磁轉(zhuǎn)子采用多片同極性磁體組成一個磁極的磁體排列方式，磁體為平板矩形結(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)的矩形方槽中，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)，組成每個磁極的同極性磁體并聯(lián)個數(shù)與尺寸決定于電機磁極數(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)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)支架與汽油機動力輸出軸連接并裝配有散熱風(fēng)扇，以加強內(nèi)定子和轉(zhuǎn)子的散熱效果。三、在圖1和圖4所示的示意圖中，為解決永磁發(fā)電機負載時電壓降過大的缺陷， 本發(fā)明在空心轉(zhuǎn)子磁極導(dǎo)磁環(huán)上設(shè)計引入了起輔助勵磁的電勵磁極，其結(jié)構(gòu)特征是空心永磁轉(zhuǎn)子磁極導(dǎo)磁環(huán)采用非對稱結(jié)構(gòu)，在順旋轉(zhuǎn)方向的每個磁極導(dǎo)磁環(huán)的后極靴附近設(shè)置有嵌線槽，槽中安裝有電勵磁繞組，該繞組頭尾線按磁場和電流方向由二極管連接形成半波整流電路。電機負載時，定子單相主繞組流過的單相電流將在氣隙中分別產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)方向相反的正、負序磁場，而負序磁場將在空心永磁轉(zhuǎn)子的輔助電勵磁繞組中感應(yīng)兩倍頻率的交變電勢，通過二極管半波整流后在該輔助勵磁繞組中流過直流電流，從而產(chǎn)生維持負載電壓Un在一定范圍穩(wěn)定的負載補充磁場Φρ采用上述技術(shù)方案所達到的技術(shù)經(jīng)濟效果是一、產(chǎn)品技術(shù)性能優(yōu)勢和效果本技術(shù)發(fā)明適用于功率為1 12kW、鐵芯外圓為Φ 160、Φ 190及Φ270等規(guī)格系列的單相汽油發(fā)電機組，利用該技術(shù)設(shè)計的發(fā)電機組可達到表1所述的設(shè)計性能指標，其單位材料消耗所輸出的功率密度以及發(fā)電機能量轉(zhuǎn)換效率明顯優(yōu)越于傳統(tǒng)電勵磁發(fā)電機組性能。表1發(fā)電機材料消耗、能量效率及功率輸出對比表
權(quán)利要求
1.一種具有高功率密度和復(fù)勵穩(wěn)壓特性的、新型結(jié)構(gòu)的復(fù)合勵磁無刷單相同步發(fā)電機，其特征是一、發(fā)電機采用“內(nèi)外雙定子+空心永磁轉(zhuǎn)子”結(jié)構(gòu)，內(nèi)、外定子鐵芯(2)和 (5)上嵌裝獨立的單相繞組(3)、G)，轉(zhuǎn)子為無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)電機磁路為多片并排安裝構(gòu)成一磁極的同極性永磁體6的兩異極性面直接串聯(lián)兩臺定子而閉合的復(fù)合磁路結(jié)構(gòu)；二、發(fā)電機采用“稀土永磁+感應(yīng)無刷電勵磁”的復(fù)合勵磁方式，發(fā)電所需磁場由兩部分組成多片并排安裝的同極性稀土永磁體(6)提供每磁極下能保證內(nèi)外定子單相繞組感應(yīng)出額定空載電壓的空載氣隙磁場Otl，維持負載端電壓在一定范圍穩(wěn)定所需的強勵磁場Ob由設(shè)置在空心永磁轉(zhuǎn)子順旋轉(zhuǎn)方向后極靴附近槽中的電勵磁繞組(10)感應(yīng)負載時的負序磁場并經(jīng)二極管(11)半波整流后向電勵磁繞組提供直流勵磁電流而產(chǎn)生。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型結(jié)構(gòu)的復(fù)合勵磁無刷單相同步發(fā)電機，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特征是圓桶形的空心永磁轉(zhuǎn)子異極性永磁體之間無轉(zhuǎn)子磁軛鐵芯聯(lián)接磁路，永磁體(6)為平板矩形結(jié)構(gòu)并內(nèi)嵌入由鐵磁材料制成的磁極導(dǎo)磁環(huán)(9)的矩形方槽內(nèi)，磁體排列方式為多片同極性磁體組成一個磁極，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)，組成每個磁極的同極性磁體并聯(lián)個數(shù)與尺寸決定于電機磁極數(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 并通過滾動軸承與內(nèi)定子支撐軸(1)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型結(jié)構(gòu)的復(fù)合勵磁無刷單相同步發(fā)電機，其結(jié)構(gòu)特征是空心永磁轉(zhuǎn)子磁極導(dǎo)磁環(huán)(9)為非對稱結(jié)構(gòu)，在順旋轉(zhuǎn)方向的每個磁極導(dǎo)磁環(huán)(9)的后極靴附近設(shè)置有嵌線槽，槽中安裝有電勵磁繞組(10)，該繞組頭尾線按磁場和電流方向由二極管(11)連接形成半波整流電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型結(jié)構(gòu)的復(fù)合勵磁無刷單相同步發(fā)電機，其內(nèi)定子繞組 (3)和外定子繞組(4)接成單相交流電路結(jié)構(gòu)對外電阻性負載供電，其外定子鐵芯(5)按單相磁路原理設(shè)計成截邊的腰圓形狀，內(nèi)外定子單相繞組分布均按120°相帶設(shè)計布置。
全文摘要
一種新型結(jié)構(gòu)的復(fù)合勵磁無刷單相同步發(fā)電機，適用于汽油機發(fā)電機組作備用電源使用。其特征是發(fā)電機采用“雙定子+空心永磁轉(zhuǎn)子”結(jié)構(gòu)及“稀土永磁+感應(yīng)無刷電勵磁”的復(fù)合勵磁方式，內(nèi)、外定子鐵芯2和5上嵌裝單相繞組3、4，轉(zhuǎn)子為永磁式空心圓桶形結(jié)構(gòu)，安裝于內(nèi)外兩定子之間，磁路為多片并排安裝構(gòu)成一磁極的同極性永磁體6的兩異極性面通過內(nèi)外氣隙直接串聯(lián)兩臺定子而閉合的復(fù)合磁路結(jié)構(gòu)，各磁極間用不銹鋼連接環(huán)8鉚焊成圓桶形狀；永磁體提供每磁極下的空載氣隙磁場Φ0，維持負載電壓穩(wěn)定的強勵磁場Φb由順旋轉(zhuǎn)方向的空心永磁轉(zhuǎn)子后極靴附近的電勵磁繞組10感應(yīng)負載時的負序磁場并經(jīng)二極管11半波整流后提供的勵磁電流而產(chǎn)生。
文檔編號H02K15/00GK102480199SQ201010563229
公開日2012年5月30日 申請日期2010年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月29日
發(fā)明者余虹錦 申請人:余虹錦