專利名稱：電磁機的制作方法
電磁機技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明總體涉及用作發(fā)電機的電磁機(永磁發(fā)電機)，更具體地，涉及輸出電壓及 電流波形中諧波分量的控制。
背景技術(shù)：
永磁(PM)AC發(fā)電機是耐用、可靠且高效的。與具有有刷或無刷的勵磁機的繞線式 勵磁同步發(fā)電機(wound-field synchronous generator)相比,永磁AC發(fā)電機具有很多吸 引人的特性。盡管具有這些優(yōu)點，但PM發(fā)電機在小型電力系統(tǒng)(諸如5-20kW范圍內(nèi)的單 相和三相的3000rpm(2-極)或1500rpm(4_極)汽油和柴油驅(qū)動的發(fā)電機中沒有得到廣泛運用。
該領(lǐng)域中使用PM發(fā)電機的問題在于，2-極和4-極發(fā)電機難以設(shè)計，且在負(fù)載條件 下可能遭受嚴(yán)重的波形畸變?；兊漠a(chǎn)生源于所謂的通量曳引效應(yīng)，該效應(yīng)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子中的 磁通量因為繞組中的負(fù)載電流而從磁體徑向軸線偏斜。與磁極數(shù)量更多的發(fā)電機相比，為 實現(xiàn)相同的功率輸出，PM 2-極和4-極發(fā)電機還使用了更多的磁體材料。
當(dāng)前唯一實用的2-極和4-極設(shè)計是表面安裝磁體的類型。然而，這些設(shè)計在 負(fù)載條件下也有畸變的輸出電壓和電流波形，并且在高負(fù)載條件下可能遭受磁緣(magnet edge)去磁化。用于2-極和4-極轉(zhuǎn)子的表面安裝的磁體段具有大弧段(large arc segment)，這表明在其制造中存在大量廢料并且增加了磁體的成本。表面安裝PM AC發(fā)電 機的當(dāng)前設(shè)計在負(fù)載條件下顯示出巨大的壓降。因為恒速條件下這些發(fā)電機沒有的簡單的 調(diào)壓方法，所以需要良好調(diào)壓的那些應(yīng)用無法使用PMAC發(fā)電機。
但是，有些PMAC發(fā)電機具有可接受的波形和調(diào)壓。這些發(fā)電機具有堅固的一體PM 轉(zhuǎn)子。這些設(shè)計的主要問題在于，就算是在較低功率條件下，它們使用的磁體材料也是等 效的表面安裝設(shè)計的六倍或更多，并且也不能在4-極配置中制成。相反，此類發(fā)電機當(dāng)在 2-極設(shè)計中僅在3kW額定功率及以下時是實用的。如果高于該額定功率，則磁體成本和體 積會按照轉(zhuǎn)子直徑的平方而增加，性價比低。
這些問題表明，PM發(fā)電機的當(dāng)前設(shè)計僅適合于低級別、低功率的AC同步發(fā)電機， 其中調(diào)壓和諧波畸變都不重要。
有必要克服或至少改善這些缺點中的一個或多個。發(fā)明內(nèi)容
廣義上而言，本發(fā)明提供了一種包括繞組定子及轉(zhuǎn)子的電磁發(fā)電機(電磁機)。該 轉(zhuǎn)子包括至少兩個磁極，每個磁極由一對成角度地隔開的永久磁體構(gòu)成；轉(zhuǎn)子磁極片，位 于每個所述磁極之間；三角成形空隙，位于轉(zhuǎn)子磁極片中；以及多個狹槽，位于轉(zhuǎn)子磁極片 中。
披露了其他方面。


在附圖中
圖1示出了 2-極發(fā)電機的截面圖2A示出了圖1發(fā)電機的在空載條件下的通量線；
圖2B示出了圖1發(fā)電機的在滿載條件下的通量線；
圖3是圖1發(fā)電機的局部截面圖4示出了已組裝的2-極發(fā)電機的剖視圖5不出了 4_極發(fā)電機的截面圖6A不出了圖5發(fā)電機的在空載條件下的通量線；
圖6B不出了圖5發(fā)電機的在滿載條件下的通量線；
圖7示出了具有無通量空隙的已知2-極發(fā)電機的在負(fù)載條件下的輸出電壓波 形；
圖8示出了圖7的輸出波形的基礎(chǔ)及諧波頻率分量的曲線；
圖9示出了圖1的2-極發(fā)電機在負(fù)載條件下的輸出電壓波形；以及
圖10示出了圖9的輸出波形的基礎(chǔ)及諧波頻率分量的曲線。
具體實施方式
圖1以截面圖形式示出了實施本發(fā)明的2-極發(fā)電機裝置10。定子100具有傳統(tǒng)形 式的繞組101,繞組為單相或三相配置。轉(zhuǎn)子由層疊疊片(stacked lamination)構(gòu)成。這 種疊片的數(shù)量決定了發(fā)電機的輸出功率。疊片通過穿過隔開孔102和117的棒(rod)(圖1 未示出)而夾緊在一起，且固定在任何最靠近端部的疊片，其通常使用端板(未示出)。輸 出功率為5kW到20kW的發(fā)電機的典型轉(zhuǎn)子直徑范圍是IOOmm到130mm。疊片包括位于兩個 磁極之間的轉(zhuǎn)子磁極片107。每個磁極均由一對(嵌入式)永久磁體103構(gòu)成,一對永久磁 體通過中間磁體段106成角度地隔開。磁體103和轉(zhuǎn)子磁極片107從中心軸105安裝，該 軸通常由非磁性材料制成。
轉(zhuǎn)子磁極片107包括一系列均勻隔開的狹槽109和中心空隙108。理想條件下，該 空隙從氣隙121附近的一個點114延伸到相應(yīng)磁體底部的內(nèi)點115和116，然而，這將危害 到轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)完整性，在這種情況下，空隙108會脫離所示轉(zhuǎn)子材料的邊緣。狹槽109的長 度不同，將來自磁體103的通量以垂直于轉(zhuǎn)子表面的所需角度引入氣隙121?？赏ㄟ^建?；?實驗性嘗試來改變狹槽109的寬度和角度，以便在負(fù)載和最高氣隙通量條件下實現(xiàn)所需的 最低波形畸變。狹槽109也有助于改變轉(zhuǎn)子的凸極性(saliency)，如下文所述。空隙108 和狹槽109通常由自由空間(free space)占據(jù),但也可被非磁性材料(諸如招)填充。
凸極性是直軸電感(Xd)除以交軸電感(Xq)的比。Xd軸線位于圖2A所示方向201 上，而Xq軸線與其成90度。磁通量線202也示出了。狹槽109位于方向206上，方向206 將Xd軸線208 (重新配置以便于圖解表示)和磁極(N-S)軸線207之間的角二等分。此類 狹槽的定向代表了 Xd軸線與磁體定向之間的最佳工程折衷方案，并且實現(xiàn)了最優(yōu)通量流， 該最優(yōu)通量流在負(fù)載和空載條件下均針對圖1配置具有最低阻礙。
通過讓磁體在內(nèi)點118處接觸且延伸到外點104的方式來確定磁體102的長度 112和寬度110。理想2-極轉(zhuǎn)子的長度112應(yīng)為極弧長度的一半，極弧長度為轉(zhuǎn)子的半徑，但如果這樣的話，磁體的寬度110會為零，不會有容納軸105的空間。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)相對于極弧 長度120的比例為O. 7時能形成最大氣隙通量，同時實現(xiàn)充足的軸直徑113。外點104受 限于需要克服發(fā)電機全速運行時產(chǎn)生的離心力將磁體保持于適當(dāng)位置的這種需要，但理想 情況下應(yīng)延伸到轉(zhuǎn)子的整個直徑。轉(zhuǎn)子磁極片107上104處的懸垂物也可被移除，磁體可 以通過其他方式(諸如膠合或粘合)被保持在適當(dāng)位置。2-極轉(zhuǎn)子的弧段111優(yōu)選為60 度，或是弧長度119的一半，代表的弧度比為1/3 (用于2-極發(fā)電機)。分立磁體的布置使 得,通過將所需磁體材料體積減少大約50%而大大節(jié)省成本。
圖2B示出了圖1的2-極發(fā)電機在滿載條件下的通量線。盡管空載條件下Xd軸線 201位于通量線的中心，但負(fù)載條件下的Xd軸線204移動通過弧線250，引起軸105上的扭 轉(zhuǎn)負(fù)載和繞組101中的電流導(dǎo)致的通量曳引。中心空隙108和狹槽109降低了通量曳引效 應(yīng)。也可看出，來自磁體103的通量線203已經(jīng)被曳引到右側(cè)。還可進(jìn)一步看出，繞組101 內(nèi)流動的電流試圖將通量從磁體103曳引到磁體的右手側(cè)。如果允許這種情況發(fā)生，那么 氣隙120中的通量將會不均勻。所包括的狹槽的數(shù)量代表了一個折衷方案，即在增加凸極 性和避免形成磁極片的材料不充足(形成飽和從而導(dǎo)致不良的調(diào)壓)之間的折衷方案。
現(xiàn)在參考圖3，可以看出，中間磁體段106是彎曲的，提供了大的氣隙間隙301，這 么做使得定子100的磁鏈(flux linkage)保持最小。間隙301受到一種需要的限制，該需 要是需要提供充足的磁性材料以防止中間磁體磁極片106變得飽和。中間磁體段106也將 磁體103固定地鎖定在適當(dāng)位置，并且也防止了磁體與轉(zhuǎn)子磁極片102的密切接觸。
圖4示出了圖1轉(zhuǎn)子的剖視圖，其中，轉(zhuǎn)子磁極片107的層疊疊片通過螺栓401保 持在適當(dāng)位置。磁體103和磁體段106配備在層疊轉(zhuǎn)子磁極片107之間，且由各自的螺栓固 定。設(shè)置中間板404以便對磁極片107進(jìn)行機械支撐。螺栓401由軟或高強度鋼制成，并具 有磁性，以便允許通量穿過它們。螺栓401錨固到法蘭406，在另一端處，板402和螺母409 用于將轉(zhuǎn)子磁極片102夾緊在一起以及將磁體103和中間磁體段106保持于軸105。為了 便于裝配，較長轉(zhuǎn)子的磁體也縱向剖分成多個段103’。軸105具有凹錐形(female taper), 以便從發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機。該錐形驅(qū)動(taper drive)可以被替換成任何適當(dāng)?shù)尿?qū)動。在 軸105的背端上，是一根短軸408，其承擔(dān)了用于端部支承的支撐任務(wù)。
圖5示出了實施本發(fā)明的4-極PM AC發(fā)電機50。發(fā)電機具有定子500、繞組501、 嵌入式永久磁體503 (即每磁極具有一對磁體)、中間磁體段506和中心軸505,如圖1所不 發(fā)電機的情況一樣。同樣，設(shè)置了固定孔502,其與轉(zhuǎn)子磁極片507 —樣。在該4-極轉(zhuǎn)子的 布置中，磁體長度512的正確比例是尺寸515,其為極段(pole segment) 504的一半。該尺 寸實現(xiàn)了用于最小磁體體積的最大通量集中(flux concentration)。通過將磁體分成兩片 實現(xiàn)的磁體體積的降低小于在2-極轉(zhuǎn)子中的降低，大約為38%。然而，因為更高的氣隙通 量，每磁體體積的輸出功率也更高。這是因為，理想的磁體-磁極的弧度比可以在4-極設(shè) 計中實現(xiàn)。中心空隙508具有圖1中一樣的尺寸限制，但是具有曲邊503，以與所需的4-極 通量線一致。共有具有曲線輪廓的三個通量控制狹槽509，以便也與所需的通量線一致。可 以容納比圖1實施例的情況中更大的軸尺寸514。
圖6A示出了圖5的4-極實施例的空載通量線603，其中，Xd軸線601位于通量線 601的中心。與2-極配置相似，彎曲狹槽509被定向在方向606上，其二等分Xd軸線601 和磁極軸線605。可以看出，中心空隙508的曲邊513和彎曲狹槽509與通量線603 —致。
圖6B示出了滿載條件下4-極轉(zhuǎn)子中的通量線，其中可以看出，通量的有效中心已 經(jīng)從軸線601移動了一段弧形距離602并到達(dá)604。這示例示出了圖5的4-極實施例的通 量曳引效應(yīng)。還可以看出，如圖6A所示，繞組中的電流試圖向右曳引通量線603。
圖7示出了無通量空隙或通量控制狹槽的已知2-極嵌入式磁體發(fā)電機在負(fù)載條 件下的輸出電壓波形。圖8是圖7波形中諧波的曲線，表示大約19. 0%的第三諧波分量以 及大約7. 0%的第五諧波，總諧波畸變超過20%。
圖9示出了圖1所示發(fā)電機在負(fù)載條件下的輸出電壓波形，顯示為近正弦波形。圖 10是圖9所示波形中諧波的曲線，表示了大約1. 0%的第三諧波分量以及大約1. 5%的第五 諧波，總諧波畸變低于4%。此外，使得定子偏斜也進(jìn)一步將總諧波畸變總共降低50-60%。
其他實施例中，包含繞組101的定子100中的狹槽可以被偏斜一個或多個狹槽，超 過定子的長度，以進(jìn)一步降低總諧波畸變(THD)。這減少了穿過狹槽開口的磁體產(chǎn)生的諧 波。轉(zhuǎn)子可以鑄造為一體件，在狹槽和空隙中使用壓鑄鋁，以有效地將轉(zhuǎn)子段116夾在一 起，從而無需使用夾緊螺栓401和螺母409。轉(zhuǎn)子段107中的空隙和狹槽的第二效果是，改 進(jìn)負(fù)載條件下的調(diào)壓。
在所示實施例中，從空載到滿載的測定調(diào)壓非常好，為±3%。改進(jìn)的THD和調(diào)壓 的效果也提高了發(fā)動機的效率。
上述僅為本發(fā)明的一些實施例，只要不背離本發(fā)明的范圍和精神，可對本發(fā)明進(jìn) 行修改和/或改變，實施例為示意性而非限制性。
權(quán)利要求
1.一種電磁機,包括 繞組定子；以及 轉(zhuǎn)子， 并且其中，所述轉(zhuǎn)子包括 至少兩個磁極，每個磁極由一對成角度地隔開的永久磁體構(gòu)成； 轉(zhuǎn)子磁極片，位于每個所述磁極之間； 三角成形空隙，位于所述轉(zhuǎn)子磁極片內(nèi)；以及 多個狹槽，位于所述轉(zhuǎn)子磁極片內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁機，其中，所述空隙和狹槽的尺寸和位置被設(shè)置成使得在負(fù)載下的輸出電壓波形的相對總諧波畸變低于5%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁機，其中，所述空隙位于轉(zhuǎn)子磁極片的中央。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電磁機，其中，所述狹槽位于空隙與相鄰磁體之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電磁機，其中，所述狹槽在所述轉(zhuǎn)子磁極片內(nèi)被定向成將直軸電感和磁極軸二等分。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電磁機，其中，在空隙與相鄰磁體之間存在兩個磁極和四個狹槽。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電磁機，其中，在空隙與相鄰磁體之間存在四個磁極和三個狹槽。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的電磁機，進(jìn)一步包括位于每個磁極的磁體之間的三角成形間隔件。
全文摘要
公開一種電磁機，包括繞組定子；以及轉(zhuǎn)子，并且其中，所述轉(zhuǎn)子包括至少兩個磁極，每個磁極由一對成角度地隔開的永久磁體構(gòu)成；轉(zhuǎn)子磁極片，位于每個所述磁極之間；三角成形空隙，位于所述轉(zhuǎn)子磁極片內(nèi)；以及多個狹槽，位于所述轉(zhuǎn)子磁極片內(nèi)。
文檔編號H02K1/27GK103023255SQ20111037208
公開日2013年4月3日 申請日期2011年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月26日
發(fā)明者保羅·伊萬·利林頓 申請人:輻射通量實驗室私人有限公司