專利名稱：一種新型結構的復合勵磁無刷單相同步發(fā)電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是一種具有高功率密度和復勵穩(wěn)壓特性的、新型結構的復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。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)有技術普遍采用的傳統(tǒng)有刷電勵磁交流同步發(fā)電機結構原理示意圖，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為轉子鐵芯，標號沈為驅動轉軸。此種類型發(fā)電機核心部件是定子和轉子各一套，其定子鐵芯5和轉子鐵芯25上設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，定、轉子鐵芯屬于導磁部件，電勵磁產(chǎn)生的兩異極性磁極磁場通過轉子鐵芯磁軛部分構成閉合磁路，轉子鐵芯25固定于驅動轉軸沈上。 同時，為調(diào)節(jié)磁場，發(fā)電機組還必須配置相應的定子副繞組22、AVR電壓調(diào)節(jié)器23、引入轉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)電機結構原理示意圖，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為轉子鐵芯，標號沈為驅動轉軸，標號27為電容器。在定子鐵芯5和轉子鐵芯25上設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24， 其中定子主繞組4對外供給電力，轉子勵磁繞組M用來建立電機氣隙磁場，使電機產(chǎn)生電磁感應，定、轉子鐵芯屬于導磁部件，轉子鐵芯固定與驅動轉軸沈上。電機空載時，轉子剩磁在副繞組中逐步產(chǎn)生感應電勢，副繞組22與串接的電容27構成單相電流回路，該單相電流將在氣隙中分別產(chǎn)生旋轉方向相反的正、負序磁場，而負序磁場將在轉子勵磁繞組M中感應兩倍頻率的交變電勢，通過串接于轉子勵磁繞組兩端的二極管11構成半波整流回路， 在轉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)有永磁發(fā)電機技術存在的問題，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勵穩(wěn)壓特性的、“內(nèi)外雙定子+空心永磁轉子” 結構及“稀土永磁+感應無刷電勵磁”復合勵磁方式的新型結構無刷單相同步發(fā)電機。本發(fā)明的基本構思是突破常規(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子之間建立起內(nèi)外兩個它勵氣隙主磁場，其具體結構特征是發(fā)電機采用“雙定子+空心永磁轉子”及“稀土永磁+感應無刷電勵磁”的復合勵磁磁路結構，內(nèi)、外定子鐵芯上嵌裝單相繞組，轉子為永磁式空心圓桶形結構，安裝于內(nèi)外兩定子之間，磁路為多片并排安裝構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合磁路結構，各磁極間用不銹鋼連接環(huán)鉚焊成圓桶形狀；發(fā)電機采用“稀土永磁+感應無刷電勵磁”的復合勵磁結構，發(fā)電機磁路由兩部分組成提供每磁極下空載氣隙磁場Otl的多片并排安裝的同極性稀土永磁體構成永磁磁路，設置在空心永磁轉子順旋轉方向后極靴附近槽中的輔助電勵磁繞組和半波整流用二極管構成可產(chǎn)生強勵磁場Ob的輔助電勵磁回路。該新型結構的永磁式交流同步發(fā)電機的空心永磁轉子沒有磁軛鐵芯，傳統(tǒng)電機的轉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，
以下結合附圖來闡明本發(fā)明涉及的發(fā)電機技術方案和特點一、

圖1是本發(fā)明涉及的新型結構的復合勵磁無刷單相同步發(fā)電機的結構原理示意圖，發(fā)電機為“雙定子+空心永磁轉子”結構，空心永磁轉子安裝于內(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成一磁極的同極性稀土永磁體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合磁路結構，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出額定空載電壓的空載氣隙磁場Otl，這種結構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構示意圖。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構，空心永磁轉子旋轉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)明所涉及的新型結構的復合勵磁無刷單相同步發(fā)電機的軸向結構裝配圖，圖4為空心永磁轉子與內(nèi)定子裝配的立體結構展開示意圖，空心永磁轉子沿軸向兩端裝有前、后旋轉支架，并通過滾動軸承與內(nèi)定子支撐軸連接；該空心永磁轉子采用多片同極性稀土永磁體組成一個磁極的磁體排列方式，稀土永磁體為平板矩形結構并內(nèi)嵌入由鐵磁材料制成的磁極導磁環(huán)內(nèi)的矩形方槽中，磁路為同極性稀土永磁體并聯(lián)、異極性稀土永磁體串聯(lián)的復合磁路結構，組成每個磁極的同極性稀土永磁體并聯(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磁的不銹鋼連接環(huán)聯(lián)結并鉚焊成整體圓桶形狀；前、后旋轉支架內(nèi)外適當位置設置有輻射狀筋板，前旋轉支架與汽油機動力輸出軸連接并裝配有散熱風扇，以加強內(nèi)定子和轉子的散熱效果。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)明在空心轉子磁極導磁環(huán)上設計引入了起輔助勵磁的輔助電勵磁極，其結構特征是空心永磁轉子磁極導磁環(huán)采用非對稱結構，在順旋轉方向的每個磁極導磁環(huán)的后極靴附近設置有嵌線槽，槽中安裝有輔助電勵磁繞組，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)生旋轉方向相反的正、負序磁場，而負序磁場將在空心永磁轉子的輔助電勵磁繞組中感應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采用上述技術方案所達到的技術經(jīng)濟效果是一、產(chǎn)品技術性能優(yōu)勢和效果本技術發(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，利用該技術設計的發(fā)電機組可達到表1所述的設計性能指標，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
權利要求1.一種具有高功率密度和復勵穩(wěn)壓特性的、新型結構的復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+空心永磁轉子”結構，內(nèi)、外定子鐵芯(2)和 (5)上嵌裝獨立的單相繞組(3)、G)，轉子為無磁軛鐵芯的永磁式空心圓桶形結構，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成一磁極的同極性稀土永磁體(6)的兩異極性面直接串聯(lián)兩臺定子而閉合的復合磁路結構；二、發(fā)電機采用 “稀土永磁+感應無刷電勵磁”的復合勵磁磁路結構，發(fā)電機磁路由兩部分組成提供每磁極下空載氣隙磁場Φο的多片并排安裝的同極性稀土永磁體(6)構成永磁磁路，設置在空心永磁轉子順旋轉方向后極靴附近槽中的輔助電勵磁繞組(10)和半波整流用二極管(11) 構成可產(chǎn)生強勵磁場Ob的輔助電勵磁回路。
2.根據(jù)權利要求1所述的新型結構的復合勵磁無刷單相同步發(fā)電機，其結構特征是 圓桶形的空心永磁轉子異極性永磁體之間無轉子磁軛鐵芯聯(lián)接磁路，稀土永磁體(6)為平板矩形結構并內(nèi)嵌入由鐵磁材料制成的磁極導磁環(huán)(9)的矩形方槽內(nèi)，磁體排列方式為多片同極性稀土永磁體組成一個磁極，磁路為同極性稀土永磁體并聯(lián)、異極性稀土永磁體串聯(lián)的復合磁路結構，組成每個磁極的同極性稀土永磁體并聯(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稀土永磁體制造工藝要求；各異極性稀土永磁體之間采用不導磁的不銹鋼連接環(huán)(8)鉚焊成整體圓桶形狀，圓桶形的空心永磁轉子沿軸向兩端裝有前后旋轉支架(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)權利要求1所述的新型結構的復合勵磁無刷單相同步發(fā)電機，其結構特征是空心永磁轉子磁極導磁環(huán)(9)為非對稱結構，在順旋轉方向的每個磁極導磁環(huán)(9)的后極靴附近設置有嵌線槽，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)權利要求1所述的新型結構的復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構對外電阻性負載供電，其外定子鐵芯(5)按單相磁路原理設計成截邊的腰圓形狀，內(nèi)外定子單相繞組分布均按120°相帶設計布置。
專利摘要一種新型結構的復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+空心永磁轉子”及“稀土永磁+感應無刷電勵磁”的復合勵磁結構，內(nèi)、外定子鐵芯2和5上嵌裝單相繞組3、4，轉子為永磁式空心圓桶形結構，安裝于內(nèi)外兩定子之間，磁路為多片并排安裝構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合磁路結構，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由順旋轉方向的空心永磁轉子后極靴附近的電勵磁繞組10感應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H02K1/26GK201956846SQ20102062987
公開日2011年8月31日 申請日期2010年11月29日 優(yōu)先權日2010年11月29日
發(fā)明者余虹錦 申請人:余虹錦