專利名稱：高穩(wěn)壓精度稀土永磁單相同步發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬發(fā)電機(jī)領(lǐng)域，它涉及一種高穩(wěn)壓精度稀土永磁單相同步發(fā)電機(jī)，主要與汽油機(jī)、柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)或其他動(dòng)力機(jī)械配套成機(jī)組形成可移動(dòng)電源，廣泛應(yīng)用于通信、采礦、筑路、林區(qū)、農(nóng)田排灌、野外施工、國(guó)防軍事、車船運(yùn)輸、有車族星期六出游、企事業(yè)單位備用電源等等。
背景技術(shù)：
現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)占絕對(duì)統(tǒng)治地位的是有刷和無刷同步發(fā)電機(jī)。永磁發(fā)電機(jī)由于電壓調(diào)節(jié)困難，僅局限于對(duì)電壓質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合，如拖拉機(jī)的夜間照明等，致于稀土永磁發(fā)電機(jī)，幾乎還未形成市場(chǎng)空間。而有的采用交一直一交變頻調(diào)壓的永磁發(fā)電機(jī)，因昂貴的價(jià)格和零過載能力的缺陷，市場(chǎng)空間很窄。無論無刷和有刷發(fā)電機(jī)，都存在以下缺陷一、無刷機(jī)供電波形不好，正弦性畸變率很高，有的進(jìn)口名牌機(jī)的正弦性畸變率高達(dá)24％，這對(duì)于電子負(fù)載和開關(guān)電源設(shè)備來說，是不適宜的。
二、電勵(lì)磁的磁場(chǎng)強(qiáng)度受到電機(jī)結(jié)構(gòu)的限制，因而帶感性負(fù)載的能力弱，一般僅能驅(qū)動(dòng)七成左右的感性負(fù)載。
三、損耗大、效率低。用鐵量和用銅量都相對(duì)較大，銅損、鐵耗都大，又由于電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)輸出電能的10％以上用于自身的勵(lì)磁消耗，因此效率低、耗能高。
四、故障率高。有刷機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)用滑環(huán)供電，存在機(jī)械性電接觸和磨損，自動(dòng)電壓調(diào)整系統(tǒng)電路復(fù)雜，電子元件多，擊穿損壞率高。
我國(guó)是世界第一稀土大國(guó)，稀土儲(chǔ)量占全球80％以上。錢學(xué)森院士指出“中國(guó)應(yīng)該打好稀土這張牌?！蔽覈?guó)稀土永磁的磁性能已接近世界先進(jìn)水平，給本發(fā)明創(chuàng)造了條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高穩(wěn)壓精度稀土永磁單相同步發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)正弦波形好，電壓調(diào)整率小，帶電開關(guān)電源設(shè)備能力強(qiáng)，效率高，節(jié)能節(jié)材，解決稀土永磁同步發(fā)電機(jī)輸出電壓和調(diào)整困難這一難題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是在發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子以及自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器上采用技術(shù)解決措施，即一、發(fā)電機(jī)定子在定子內(nèi)圓圓柱表面上根據(jù)正弦分布規(guī)律設(shè)計(jì)大小不同的斜槽式定子槽，在上下對(duì)稱的最大的一對(duì)正弦槽的中心線上，沿定子外園圓柱表面對(duì)稱安置︹形調(diào)磁鐵心，調(diào)磁鐵心的兩個(gè)園弧面沿定子外圓圓柱徑向跨接在2-3對(duì)正弦槽間，調(diào)磁鐵心上繞有調(diào)磁線圈，調(diào)磁鐵心通過固定耳、螺釘和包箍緊固在定子鐵心外園柱表面。
二、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用平板形多塊組合的稀土磁鋼夾在轉(zhuǎn)子鐵心中呈“∧∨”形布置，轉(zhuǎn)子硅鋼迭片被“∧∨”形稀土磁鋼分割為三體，硅鋼迭片通過鉚釘、兩隔磁端板、中隔磁板鉚合為整體，在保證鐵心外弧面與轉(zhuǎn)子軸之間的形位公差后置于磁鋼。
三、自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器在單面印刷電路板上連接取樣電源、基準(zhǔn)電源、PWM芯片、MOSFET功率管以及小量外圍電子無件組成自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器電路，取樣電源和基準(zhǔn)電源連接在PWM上，調(diào)磁電源接調(diào)磁線圈后接MOSFET功率管形成電回路。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)①發(fā)電機(jī)輸出波形的正弦性畸變率控制在2％以內(nèi)，固有電壓調(diào)整率控制在10％以下。②氣隙磁場(chǎng)有合理的正弦形分布，最大限度減小漏磁，減小磁場(chǎng)交軸扭曲，避免磁場(chǎng)退磁，充分發(fā)揮稀土磁鋼的磁性優(yōu)勢(shì)。③電壓調(diào)節(jié)過程短，瞬時(shí)快速反應(yīng)，瞬時(shí)電壓調(diào)整度小。


圖1為本發(fā)明定子結(jié)構(gòu)2為圖1的剖視3為本發(fā)明轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)4為圖3的剖視5為本發(fā)明自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器原理框中1調(diào)磁線圈、2調(diào)磁鐵心、3螺釘、4固定耳、5包箍、6定子鐵芯、7主付繞組端部、8主正弦繞組、9付繞組、10定子槽、11硅鋼迭片、12稀土磁鋼、13轉(zhuǎn)子軸、14隔磁端板、15鉚釘、16中隔磁板、17取樣電源、18基準(zhǔn)電源、19PWM波調(diào)制、20調(diào)磁電源、21MOSFET功率管具體實(shí)施方式
如圖1、2、3、4、5所示，本發(fā)明在發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子以及自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器上采取技術(shù)解決措施一、發(fā)電機(jī)的定子如圖1、2所示，在定子鐵芯6的內(nèi)圓圓柱表面上根據(jù)正弦分布規(guī)律設(shè)計(jì)大小不同的斜槽式定子槽10，在上下對(duì)稱的最大的一對(duì)正弦槽即圖1中的E、E`和F、F`的中心線上，沿定子外園圓柱表面對(duì)稱安置一對(duì)︹形調(diào)磁鐵心2、調(diào)磁鐵心的兩個(gè)圓弧面沿定子外圓柱徑向跨接在2-3對(duì)正弦槽間，調(diào)磁鐵心的圓弧面與定子鐵芯的外圓面盡量做到精密光滑無間隙接觸，調(diào)磁鐵心2上繞有調(diào)磁線圈1，調(diào)磁鐵心的個(gè)數(shù)與發(fā)電機(jī)極數(shù)一致，調(diào)磁鐵芯2通過固定耳4螺釘3和包箍5緊固在定子鐵芯6的外圓柱表面。調(diào)磁鐵心沿定子徑向要讓開發(fā)電機(jī)兩端蓋的四只或三只固定螺栓，沿定子軸向則要讓開兩端蓋的止口位置，如果是有外殼的定子，則需要在外殼相應(yīng)部位開孔。
本發(fā)明在發(fā)電機(jī)定子上采用以技術(shù)措施，其一保證輸出電壓完全正弦波的前提下，使發(fā)電機(jī)固有電壓調(diào)整在10％以下，正弦畸變率控制在2％以內(nèi)，利用︹形調(diào)磁鐵芯跨接在上下兩對(duì)最大正弦槽中心線兩側(cè)2-3對(duì)槽間的定子軛部外圓柱上，兩對(duì)最大槽嵌放的正弦繞組線圈我們稱波峰線圈，兩側(cè)2-3對(duì)槽嵌放的正弦繞組線圈稱亞波峰線圈，兩只︹形調(diào)磁鐵心上繞有調(diào)磁線圈，兩調(diào)磁線圈的線徑和匝數(shù)完全一致，反向串聯(lián)，使它們感應(yīng)的交流電壓大小相等，而方向相反，互相抵消。當(dāng)發(fā)電機(jī)空載時(shí)，輸出電壓最高，這時(shí)兩只調(diào)磁繞組饋以最大直流電流，并在調(diào)磁鐵芯中產(chǎn)生最大直流磁場(chǎng)，它們各自經(jīng)過所跨接的定子軛部而閉合，直流磁場(chǎng)經(jīng)定子軛部閉合的路徑正好是波峰線圈和亞波峰線圈交變磁路的必經(jīng)路徑。由電磁學(xué)原理可知，交變磁路中若迭加有直流磁場(chǎng)，則該交變磁路的動(dòng)態(tài)磁導(dǎo)率將下降，導(dǎo)致正弦繞組的重量級(jí)部分波峰線圈和亞波峰線圈感應(yīng)的交流電壓下降。這里沒有把全部正弦繞組都納入調(diào)磁鐵芯的控制范圍，一是因?yàn)槭芸仉妷悍戎徽既妷旱?0％，控制范圍足夠，二來可以減小控制所需的功率，三者可不影響發(fā)電機(jī)外殼附近的構(gòu)件。當(dāng)電壓下降到預(yù)定的數(shù)值如230V時(shí)，調(diào)磁線圈直流電流為零，直流磁場(chǎng)消失，發(fā)電機(jī)在自然特性上運(yùn)行。
二、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子如圖3、4所示，稀土磁鋼12采用平板形多塊組合，夾在轉(zhuǎn)子鐵芯中呈“∧∨”形布置，以增大磁鋼面積，使轉(zhuǎn)子極弧面聚磁，產(chǎn)生強(qiáng)大的氣隙磁通，平板形磁鋼與同體積瓦形磁鋼相比，單位體積磁能積大，價(jià)格又便宜。
轉(zhuǎn)子硅鋼迭片11被“∧∨”形稀土磁鋼12分割為三分體，硅鋼迭片11通過鉚釘15、兩隔磁端板14、中隔樣板16鉚合為整體，在保證鐵心外弧面與轉(zhuǎn)子軸13之間的形位公差后置于稀土磁鋼12，軸肩除外的整個(gè)轉(zhuǎn)子浸在常溫膠粘劑中滴凈干燥。
轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)取0.55-0.56，比普通發(fā)電機(jī)要小，配合非均勻氣隙，單邊氣隙最小處不超過0.55毫米。氣隙磁密可達(dá)0.97T以上，主繞組的用銅量和電阻得到大幅下降，如日產(chǎn)雅馬哈EF2600兩千瓦發(fā)電機(jī)用銅總量重3.2千克，本發(fā)電機(jī)兩千瓦用銅總重1.62千克。
本發(fā)明的轉(zhuǎn)子上采用以上技術(shù)措施，保證轉(zhuǎn)子鐵芯和稀土磁鋼有牢固的機(jī)械強(qiáng)度及高速運(yùn)轉(zhuǎn)的性能，氣隙磁場(chǎng)有合理的正弦形分布，最大限度減小漏磁，減小磁場(chǎng)交軸扭曲，避免磁場(chǎng)直軸退磁，充分發(fā)揮稀土磁鋼的磁性優(yōu)勢(shì)。
三、自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(AVR)本發(fā)明中的AVR電路，屬發(fā)明人首創(chuàng)。在單面印刷電路板上連接取樣電源17、基準(zhǔn)電源18、PWM波調(diào)制19、調(diào)磁電源20、MOSFET21以及小量外圍電子元件組成自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器電路。它依據(jù)發(fā)電機(jī)輸出電壓的變化同步地線性地控制調(diào)磁線圈電流的大小、以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的，具體原理框圖如圖5所示。AVR電路由取樣電源、基準(zhǔn)電源，PWM波調(diào)制、MOSFE功率管單元組成，發(fā)電機(jī)輸出電壓提供的取樣電源17和基準(zhǔn)電源18連接到PWM波調(diào)制19上，由發(fā)電機(jī)付繞組提供的調(diào)磁電源20經(jīng)全波整流接入調(diào)磁線圈1，再經(jīng)MOSFET功率管21組成電回路。控制原理如下發(fā)電機(jī)輸出電壓上升、取樣電壓上升、與基準(zhǔn)電壓之差增大、PWM波脈寬增大、MOSFET功率管單位時(shí)間導(dǎo)通比增大、調(diào)磁線圈電流增大、發(fā)電機(jī)輸出電壓下降、直至下降到整定值范圍。
該AVR電路是一個(gè)由內(nèi)到外，由外到內(nèi)的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。由于這是一種直流調(diào)感控制，完成調(diào)節(jié)過程的時(shí)間很短，瞬時(shí)快速反應(yīng)能力很強(qiáng)，加上稀土磁鋼抗電樞反應(yīng)的能力強(qiáng)，所以瞬態(tài)電壓調(diào)整率也小。
調(diào)磁線圈中直流電源的大小由發(fā)電機(jī)輸出電壓確定，輸出電壓增高即調(diào)磁線圈直流增大，導(dǎo)致輸出電壓降低，反之則升高，輸出電壓在整定值附近時(shí)，調(diào)磁線圈直流趨向?yàn)榱?。這種同步跟隨過程由自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(簡(jiǎn)稱AVR)完成。
從已經(jīng)研制出的家庭個(gè)體粗制的兩千瓦樣機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中看到，汽油機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)目蛰d3150r/min(52.5H)至發(fā)電機(jī)額定負(fù)載2970r/min(49.5H)，發(fā)電機(jī)輸出電壓從空載的240V至額定負(fù)載的230V之間變化。根據(jù)JB/T3320.2-2000標(biāo)準(zhǔn)，該發(fā)電機(jī)輸出電壓的穩(wěn)態(tài)調(diào)整率為2.1％，但此時(shí)原動(dòng)機(jī)汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)速率為6％，JB/T3320.2-2000中規(guī)定為5％，已超標(biāo)。若轉(zhuǎn)速調(diào)速率為5％的話，折算到輸出電壓的整調(diào)率為1.75％。如此低的電壓調(diào)整率，在小型發(fā)電機(jī)中，無論是無刷或有刷機(jī)，都屬高檔機(jī)系列。若該機(jī)改善工藝和加工精度，電壓調(diào)速率可望達(dá)1％。
權(quán)利要求
1.高穩(wěn)壓精度稀土永磁單相同步發(fā)電機(jī)，在發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子以及自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器上采取技術(shù)解決措施一、發(fā)電機(jī)的定子在定子鐵芯(6)的內(nèi)圓圓柱表面上根據(jù)正弦分布規(guī)律設(shè)計(jì)大小不同的斜槽式定子槽(10)，在上下對(duì)稱的最大的一對(duì)正弦槽中心線上沿定子外園圓柱表面對(duì)稱安置 形調(diào)磁鐵心(2)，調(diào)磁鐵心(2)上繞有調(diào)磁線圈(1)，調(diào)磁鐵芯(2)通過固定耳(4)螺釘(3)和包箍(5)緊固在定子鐵芯(6)的外圓柱表面；二、發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用平板形多塊組合的稀土磁鋼(12)夾在轉(zhuǎn)子鐵芯中呈“∧∨”形布置，轉(zhuǎn)子硅鋼迭片(11)被“∧∨”形稀土磁鋼(12)分割為三分體，硅鋼迭片(11)通過鉚釘(15)、兩隔磁端板(14)、中隔樣板(16)鉚合為整體；三、發(fā)電機(jī)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器AVR電路由取樣電源(17)、基準(zhǔn)電源(18)、PWM波調(diào)制(19)、MOSFE功率管(21)組成，發(fā)電機(jī)輸出電壓提供的取樣電源(17)和基準(zhǔn)電源(18)連接到PWM波調(diào)制(19)上，由發(fā)電機(jī)付繞組提供的調(diào)磁電源(20)經(jīng)全波整流接入調(diào)磁線圈(1)，再接MOSFET功率管(20)組成AVR電回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高穩(wěn)壓精稀土永磁單相同步發(fā)電機(jī)，其特征在于調(diào)磁鐵心(2)的圓弧面沿定子外圓柱徑向跨接在2-3對(duì)正弦槽間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高穩(wěn)壓精稀土永磁單相同步發(fā)電機(jī)，其特征在于調(diào)磁鐵心(2)的個(gè)數(shù)與發(fā)電機(jī)極數(shù)一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高穩(wěn)壓精稀土永磁單相同步發(fā)電機(jī)，其特征在于硅鋼迭片(11)在保證鐵心外弧面與轉(zhuǎn)子軸(13)之間的形位公差后置于稀土磁鋼(12)。
全文摘要
本發(fā)明公開了高穩(wěn)壓精度稀土永磁單相同步發(fā)電機(jī)，在定子鐵芯(6)的內(nèi)圓圓柱表面上根據(jù)正弦分布規(guī)律設(shè)計(jì)大小不同的斜槽式定子槽(10)，在最大的一對(duì)正弦槽的中心線上沿定子外圓圓柱表面對(duì)稱安置形調(diào)磁鐵心(2)，調(diào)磁鐵心(2)上繞有調(diào)磁線圈(1)；采用平板形多塊組合的稀土磁鋼(12)夾在轉(zhuǎn)子鐵芯中呈“∧∨”形布置，轉(zhuǎn)子硅鋼迭片(11)被“∧∨”形稀土磁鋼(12)分割為三分體，硅鋼迭片(11)通過鉚釘(15)鉚合為整體；本發(fā)明的發(fā)電機(jī)輸出波形的正弦性畸變率控制在2％以內(nèi)，固有電壓調(diào)整率控制在10％以，氣隙磁場(chǎng)有合理的正弦形分布，電壓調(diào)節(jié)過程短，瞬時(shí)快速反應(yīng)。
文檔編號(hào)H02K21/00GK1667923SQ20051003807
公開日2005年9月14日 申請(qǐng)日期2005年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月11日
發(fā)明者何飛, 何雪峰 申請(qǐng)人:何飛, 何雪峰