專利名稱：一種復合勵磁方式的永磁無刷單相同步發(fā)電機新結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是一種具有穩(wěn)壓特性的、新型復合勵磁方式的永磁式無刷單相同步發(fā)電機 新結構，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急電源使用。
背景技術：
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。其中，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3是一種普遍采用的常規(guī)無刷全電勵磁類型單相發(fā)電機結構原理示意圖，圖 中標號1為定子鐵芯，標號2為定子主繞組，標號6為轉(zhuǎn)子鐵芯，標號8為驅(qū)動轉(zhuǎn)軸，標號 9為電勵磁繞組，標號11為二極管，標號13為定子副繞組，標號14為電容器。在定子鐵芯 1和轉(zhuǎn)子鐵芯6上設置銅線或鋁線做成的定子單相主繞組2、副繞組12和勵磁繞組9，其中 定子主繞組2對外供給電力，轉(zhuǎn)子勵磁繞組9用來建立電機氣隙磁場，使電機產(chǎn)生電磁感 應，定、轉(zhuǎn)子鐵芯屬于導磁部件，轉(zhuǎn)子鐵芯固定與驅(qū)動轉(zhuǎn)軸8上。電機空載時，轉(zhuǎn)子剩磁在副 繞組中逐步產(chǎn)生感應電勢，副繞組與串接的電容14構成單相電流回路，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9中感應兩倍 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陽％ 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)展稀土材料的應用對我國有現(xiàn)實的意義。隨著控制技術的進步，稀 土永磁電機在電動機行業(yè)驅(qū)動領域已經(jīng)得到廣泛應用，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)電機領域卻一直受到電壓穩(wěn)定技術的瓶頸制約，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 領域的應用范圍就必須得解決以下技術難題一、為充分利用稀土材料的優(yōu)勢，必須研究設 計能傳送高功率密度的永磁發(fā)電機新型結構；二、研究克服永磁電機無法調(diào)節(jié)磁場而穩(wěn)定 發(fā)電機電壓的技術途徑和有效方法。
發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有行業(yè)技術存在的問題，本技術發(fā)明的目的在于提供一種采用“稀土永磁+ 感應無刷電勵磁”的復合勵磁方式的單相同步發(fā)電機新結構。本發(fā)明的基本構思是，采用分 布于轉(zhuǎn)子鐵芯表面的稀土永磁體形成的永久磁場來代替?zhèn)鹘y(tǒng)無刷電勵磁發(fā)電機定子副繞 組與電容所組成的空載起勵回路以及轉(zhuǎn)子勵磁繞組，從而建立起發(fā)電機電磁感應所需要的 基本氣隙磁場。由于永磁體的退磁曲線為直線，因而僅靠該永磁磁場難以維持單機運行的發(fā)電機 負載端電壓在一定范圍穩(wěn)定，本發(fā)明利用傳統(tǒng)的無刷全電勵磁方式的特點，由分布于轉(zhuǎn)子 鐵芯表面的多片同極性稀土永磁體組成一個磁極而形成的每極下空載氣隙磁場建立起發(fā) 電機空載電壓，在轉(zhuǎn)子鐵芯每個磁極后極靴附近設置輔助電勵磁極，電勵磁極由勵磁繞組 和磁極鐵芯組成，與轉(zhuǎn)子鐵芯之間采用燕尾方式鉚壓連接，負載時嵌于定子鐵芯槽中的主 繞組流過單相電流，該單相電流建立的氣隙負序磁場在輔助電勵磁繞組中感應交變電勢， 通過連接于該電勵磁繞組兩端的二極管進行半波整流成直流勵磁電流，從而建立起隨定子 負載電流而變化的輔助氣隙磁場，彌補負載時的氣隙永磁磁場的不足并維持發(fā)電機端電壓 Un在一定范圍穩(wěn)定。這樣的技術處理既充分利用了稀土永磁體所具備高磁能積的特點， 又克服了全永磁式發(fā)電機不能通過調(diào)節(jié)勵磁而穩(wěn)定電壓的缺點，使發(fā)電機勵磁功率大大減 少，有效提高發(fā)電機的能量轉(zhuǎn)換效率，降低發(fā)電機的發(fā)熱損耗和溫升，同時還可以適當減小 發(fā)電機的體積，減少材料消耗及單機成本，提高電機轉(zhuǎn)子可靠性和壽命。該新型復合勵磁 無刷單相發(fā)電機可與汽油機或柴油機配套組成內(nèi)燃機動力發(fā)電機組，作為便攜電源或備用 應急單、三相電源使用，比傳統(tǒng)的全電勵磁機組整機可靠性高、電能效率高、燃油消耗節(jié)省、 CO2排放降低。為達到上述目的，以下結合圖1和圖2所示實施案例來闡明本發(fā)明涉及的發(fā)電機 技術方案和特點第一，發(fā)電所需磁場由兩部分組成一、轉(zhuǎn)子鐵芯上分布的多片同極性稀土永磁體 組成一個磁極提供發(fā)電機所需的每磁極下空載氣隙磁場，保證發(fā)電機定子主繞組感應出額 定空載電壓；二、維持發(fā)電機負載時端電壓在一定范圍穩(wěn)定所需的強勵磁場由設置在轉(zhuǎn)子 鐵芯順旋轉(zhuǎn)方向后極靴附近的電勵磁極上的勵磁繞組感應負載時的負序磁場并經(jīng)二極管 半波整流后向電勵磁繞組提供直流勵磁電流而產(chǎn)生。第二，轉(zhuǎn)子鐵芯每個磁極極靴部位并排安裝有多片同極性稀土永磁體，永磁體采 用平板矩形結構并內(nèi)嵌于每個磁極極靴部位的矩形槽中，每個磁極下同極性磁體排列數(shù)量 與尺寸根據(jù)發(fā)電機空載電壓所需的空載氣隙磁場大小、氣隙極弧系數(shù)和稀土永磁體的制造 工藝決定，其磁路結構為“同極性磁體并聯(lián)、異極性磁體串聯(lián)”的復合磁路結構。圖1為三 片同極性永磁體組成一個磁極的2極發(fā)電機結構案例，圖2為四片同極性永磁體組成一個 磁極的2極發(fā)電機結構案例。
4[0010]第三，在轉(zhuǎn)子鐵芯順旋轉(zhuǎn)方向的每個磁極后極靴附近設置輔助電勵磁極，電勵磁 極由勵磁繞組和磁極鐵芯組成，與轉(zhuǎn)子鐵芯之間采用燕尾方式鉚壓連接，勵磁繞組頭尾線 按磁場和電流方向由二極管連接形成半波整流電路；每磁極的同極性磁體之間設置有阻尼 銅條構成改善電壓波形的阻尼繞組。第四，轉(zhuǎn)子鐵芯靠近驅(qū)動轉(zhuǎn)軸附近設置有起隔離汽油機動力軸傳遞來的熱量作用 的空氣隔熱槽，同時在磁極之間的過渡部位設置有起刮風散熱作用的散熱筋，在每磁極下 靠近稀土磁體附近設置有冷卻散熱孔。第五，定子結構特征是定子鐵芯按單相電機磁路特點設計成可提高硅鋼板材料利 用率的扁圓形狀，定子主相繞組按可以減少高次諧波成分的120°相帶分布，定子上不需要 安裝空載起勵用的副繞組及串接電容所組成的空載起勵回路。采用上述技術方案所達到的技術經(jīng)濟效果一、產(chǎn)品技術性能優(yōu)勢和效果本技術發(fā)明適用于1 5kW的、2 4極結構的、內(nèi)燃機動力拖動的單相交流同步 發(fā)電機組。該技術發(fā)明的產(chǎn)品由于電勵磁回路為輔助勵磁，所以轉(zhuǎn)子繞組的電阻發(fā)熱損耗得 以有效降低，從而使此類發(fā)電機能量輸出效率比全電勵磁機組平均可以提高5 8 %以上， 其轉(zhuǎn)子繞組溫升也可以顯著下降。用此類型發(fā)電機所組成的內(nèi)燃機組，可降低燃油消耗 5 8%以上，從而減少單位kW數(shù)的CO2排放量。由于轉(zhuǎn)子采用永磁+無刷輔助電勵磁方式，轉(zhuǎn)子與外電路無電連接，也無需電容 和AVR電勵磁調(diào)壓器等電子組件，從而杜絕了傳統(tǒng)有刷發(fā)電機常見的勵磁主回路的絕緣擊 穿、匝間不良、AVR功率管等電子元件損壞等缺陷，發(fā)電機可靠性提高，壽命延長。二、產(chǎn)品的經(jīng)濟成本優(yōu)勢和效果由于轉(zhuǎn)子勵磁回路無傳統(tǒng)有刷電勵磁發(fā)電機的電刷和集電環(huán)，定子也無需安裝主 繞組取樣信號、副繞組與電容，取消了傳統(tǒng)有刷電勵磁發(fā)電機的AVR勵磁調(diào)壓器等電子組 件，使得發(fā)電機定子制造工藝簡化，有色金屬材料節(jié)省，機組整機成本下降，其綜合成本比 同容量的全電勵磁有刷機組相比平均可節(jié)約10%，因而其經(jīng)濟性十分顯著。

圖1是三片磁體組成一極的“復合勵磁方式的永磁式無刷單相同步發(fā)電機”的結 構原理示意圖。圖2是四片磁體組成一極的“復合勵磁方式的永磁式無刷單相同步發(fā)電機”的結 構原理示意圖。以上圖中1.定子鐵芯，2.定子主繞組，3.稀土永磁體，4.阻尼銅條與端環(huán)，5.冷 卻散熱孔，6.轉(zhuǎn)子鐵芯，7.散熱筋，8.驅(qū)動轉(zhuǎn)軸，9.電勵磁繞組，10.磁極鐵芯，11. 二極管， 12.空氣隔熱槽。圖3是傳統(tǒng)的無刷全電勵磁類型單相發(fā)電機結構原理示意圖。圖中1.定子鐵芯，2.定子主繞組，6.轉(zhuǎn)子鐵芯，8.驅(qū)動轉(zhuǎn)軸，9.電勵磁繞組， 11. 二極管，13.定子副繞組，14.電容器。
具體實施方式

以下結合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明做進一步的說明在圖1和圖2所示實施例中，本發(fā)明所述的一種新型復合勵磁方式的永磁式無刷 單相同步發(fā)電機新結構定子鐵芯(1)及定子主繞組( 與傳統(tǒng)的有刷和無刷電勵磁單相同 步發(fā)電機基本相同，僅定子主繞組參數(shù)隨永磁材料性能而有所變化，且定子無需傳統(tǒng)發(fā)電 機的副繞組、電容或AVR勵磁調(diào)壓器，定子結構和工藝更簡單，因而完全可沿用現(xiàn)有的各系 列狀態(tài)定子沖片，便于系列化、標準化生產(chǎn)。本發(fā)明所述的復合勵磁方式的永磁無刷單相發(fā)電機與傳統(tǒng)的有刷電勵磁發(fā)電機 所不同的在于轉(zhuǎn)子結構首先，轉(zhuǎn)子鐵芯(6)每個磁極極靴部位并排安裝了多片同極性稀土永磁體(3)構 成一個磁極，永磁體采用平板矩形結構并內(nèi)嵌于極靴部位的矩形槽中，每個磁極下同極性 磁體排列數(shù)量與尺寸根據(jù)發(fā)電機空載電壓所需的空載氣隙磁場大小、氣隙極弧系數(shù)和稀土 永磁體的制造工藝決定，其磁路結構為“同極性磁體并聯(lián)、異極性磁體串聯(lián)”的復合磁路結 構。圖1給出了三片同極性永磁體組成一個磁極的2極發(fā)電機結構案例，圖2給出了四片 同極性永磁體組成一個磁極的2極發(fā)電機結構案例。以上描述的磁體排列方式和復合磁路 結構并不僅僅局限于2極發(fā)電機，還完全可以推廣延伸至4極單相同步發(fā)電機。此種永磁 磁路結構的發(fā)電機轉(zhuǎn)子裝配工藝簡單，磁鋼適合批量生產(chǎn)，材料利用率較高。第二，轉(zhuǎn)子鐵芯(6)采用0. 5mm厚硅鋼板沖制成鐵芯沖片結構并與驅(qū)動轉(zhuǎn)軸⑶ 疊壓成整體，鐵芯疊壓長度隨發(fā)電機功率而變化，永磁體長度與鐵芯長度相同，每磁極的同 極性磁體之間設置有阻尼銅條(4)兩端與阻尼端環(huán)鉚接構成阻尼繞組，以改善電壓波形并 軸向壓緊永磁體。第三，在轉(zhuǎn)子鐵芯(6)順旋轉(zhuǎn)方向的每極后極靴附近設置輔助電勵磁極，電勵磁 極由勵磁繞組(9)和磁極鐵芯(10)組成，與轉(zhuǎn)子鐵芯(6)之間采用燕尾方式鉚壓連接，磁 極鐵芯(10)采用0. 5mm厚硅鋼板沖制成鐵芯沖片結構并鉚焊成整體；勵磁繞組頭尾線按磁 場和電流方向由二極管(11)連接形成半波整流電路，該電勵磁回路自成閉合電路，與外電 路無電聯(lián)結，在負載時起到輔助勵磁作用；該勵磁繞組與普通的線圈繞制、接線、浸漆等絕 緣處理工藝完全一樣。第四，轉(zhuǎn)子鐵芯(6)靠近驅(qū)動轉(zhuǎn)軸⑶附近設置有空氣隔熱槽(12)以隔離來自汽 油機動力軸傳遞的熱量，同時在磁極之間的過渡部位設置有散熱筋(7)并起到刮風散熱的 作用，在每磁極下靠近稀土磁體附近設置有冷卻散熱孔(5)，裝配后可保證發(fā)電機負載時轉(zhuǎn) 子永磁體工作溫度控制在允許范圍以內(nèi)。以上所述的僅是本技術發(fā)明的優(yōu)選實施方式，對于本領域的技術人員來說，在不 脫離本技術發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干結構變形和改進，這些也應該視為本技術 發(fā)明的保護范圍，這些都不會影響本技術發(fā)明實施的效果和實用性。
權利要求1.一種復合勵磁方式的永磁無刷單相同步發(fā)電機新結構，其特征是發(fā)電所需磁場由兩 部分組成一、轉(zhuǎn)子鐵芯(6)上分布的多片同極性稀土永磁體C3)組成一個磁極提供發(fā)電機 所需的每磁極下空載氣隙磁場，保證發(fā)電機定子主繞組( 感應出額定空載電壓；二、維持 發(fā)電機負載時端電壓在一定范圍穩(wěn)定所需的強勵磁場由設置在轉(zhuǎn)子鐵芯(6)順旋轉(zhuǎn)方向 后極靴附近的電勵磁極上的勵磁繞組(9)感應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)權利要求1所述的復合勵磁方式的永磁無刷單相同步發(fā)電機新結構，其結構特 征是轉(zhuǎn)子鐵芯(6)每個磁極極靴部位并排安裝有多片同極性稀土永磁體(3)，永磁體采用 平板矩形結構并內(nèi)嵌于每個磁極極靴部位的矩形槽中，每個磁極下同極性磁體排列數(shù)量與 尺寸根據(jù)發(fā)電機空載電壓所需的空載氣隙磁場大小、氣隙極弧系數(shù)和稀土永磁體的制造工 藝決定，其磁路結構為“同極性磁體并聯(lián)、異極性磁體串聯(lián)”的復合磁路結構。
3.根據(jù)權利要求1所述的復合勵磁方式的永磁無刷單相同步發(fā)電機新結構，其結構特 征是在轉(zhuǎn)子鐵芯(6)順旋轉(zhuǎn)方向的每個磁極后極靴附近設置輔助電勵磁極，電勵磁極由勵 磁繞組(9)和磁極鐵芯(10)組成，與轉(zhuǎn)子鐵芯(6)之間采用燕尾方式鉚壓連接，勵磁繞組 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；每磁極的同極性磁體之 間設置有阻尼銅條(4)構成改善電壓波形的阻尼繞組。
4.根據(jù)權利要求1所述的復合勵磁方式的永磁無刷單相同步發(fā)電機新結構，其結構特 征是轉(zhuǎn)子鐵芯(6)靠近驅(qū)動轉(zhuǎn)軸(8)附近設置有起隔離汽油機動力軸傳遞來的熱量作用的 空氣隔熱槽(12)，同時在磁極之間的過渡部位設置有起刮風散熱作用的散熱筋(7)，在每 磁極下靠近稀土磁體附近設置有冷卻散熱孔(5)。
5.根據(jù)權利要求1所述的復合勵磁方式的永磁無刷單相同步發(fā)電機新結構，其定子結 構特征是定子鐵芯(1)按單相電機磁路特點設計成可提高硅鋼板材料利用率的扁圓形狀， 定子主相繞組( 按可以減少高次諧波成分的120°相帶分布。
專利摘要一種采用“稀土永磁+感應無刷電勵磁”的新型復合勵磁方式的永磁式無刷單相同步發(fā)電機新結構，與汽油機配套組成內(nèi)燃發(fā)電機組作為備用單相交流電源使用。其特征是該發(fā)電機由分布于轉(zhuǎn)子鐵芯6表面的多片同極性稀土永磁體3組成一個磁極而形成的每極下空載氣隙磁場建立起發(fā)電機空載電壓，負載時嵌于定子鐵芯1槽中的主繞組2流過單相電流，該單相電流建立的氣隙負序磁場在轉(zhuǎn)子磁極后極靴附近的電勵磁極上的勵磁繞組9中感應交變電勢，通過連接于勵磁繞組兩端的二極管11進行半波整流成直流勵磁電流，從而建立起隨定子負載電流而變化的輔助氣隙磁場，彌補負載時的氣隙永磁磁場的不足并維持發(fā)電機端電壓UN在一定范圍穩(wěn)定。
文檔編號H02K1/27GK201887629SQ20102062432
公開日2011年6月29日 申請日期2010年11月25日 優(yōu)先權日2010年11月25日
發(fā)明者余虹錦 申請人:余虹錦