專利名稱：一種新型結構的永磁式交流同步發(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永磁式交流同步發(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?，F(xiàn)在國內(nèi)外的汽油發(fā)電機組基本都是采用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，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，以下結合附圖來說明其結構原理圖7是現(xiàn)有技術普遍采用的傳統(tǒng)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M，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，這種全電勵磁方式的發(fā)電機所需勵磁容量較大，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(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“雙定子+無磁軛鐵芯的空心永磁轉子”新型結構的永磁式交流同步發(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)電機采用內(nèi)外雙定子+無磁軛鐵芯的永磁式空心轉子結構，內(nèi)外定子鐵芯槽內(nèi)嵌有獨立的繞組，空心轉子位于內(nèi)外定子之間，磁路連接方式為永磁體的兩異極性面直接串聯(lián)兩臺定子而構成閉合磁路；永磁體為平板式矩形結構并內(nèi)嵌入由鐵磁材料制成的磁極導磁環(huán)內(nèi)，磁體排列采用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)的復合磁路結構，磁極導磁環(huán)為非對稱結構，在順旋轉方向后極靴部分留有多余鐵磁材料，兩磁極間用不導磁的不銹鋼連接環(huán)鉚焊成圓桶形狀，沿軸向兩端裝有前后旋轉支架和并通過滾動軸承與內(nèi)定子支撐軸連接。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—、

圖1、圖2和圖3分別是本發(fā)明涉及的幾種類型的新型結構永磁式交流同步發(fā)電機的結構原理示意圖，發(fā)電機為“雙定子+無磁軛鐵芯的空心永磁轉子”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)電機磁路連接方式為永磁體的兩異極性面直接串聯(lián)兩臺定子而構成主磁通Φ δ0的閉合磁路，這種結構的雙定子完全等同于兩臺發(fā)電機定子，圖5顯示了此類型交流同步發(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，兩套定子繞組可接成單相或三相Y和△交流電路結構，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4展示了本發(fā)明所涉及的新型結構的永磁式交流同步發(fā)電機的軸向結構裝配圖，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；圖6的空心轉子立體結構展開示意圖顯示了該空心轉子稀土永磁體采用多片同極性磁體組成一極的磁體排列方式，磁體為平板式矩形結構并內(nèi)嵌入由鐵磁材料制成的磁極導磁環(huán)內(nèi)的磁鋼方槽中，磁路為同極性磁體并聯(lián)、異極性磁體串聯(lián)的復合磁路結構，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，兩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、圖2和圖3所示的各實施例中，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)的結構設計上采用非對稱結構，其順旋轉方向后極靴部分預留有多余鐵磁材料，該多余部分的鐵磁材料在負載時相當于輔助導磁極，其作用是削弱空載時過高的氣隙磁場并充分增強負載時的氣隙磁場。發(fā)電機空載時，空載氣隙磁場通過該輔助導磁極而漏掉部分磁通。b。，從而將空載氣隙有效的交鏈磁場Φ δ0削弱到合適的程度，降低空載條件下過高的感應電壓。發(fā)電機負載時，內(nèi)外定子的電樞電流將產(chǎn)生電樞反應磁場Φ ，該電樞反應磁場順轉子轉向的磁極后極靴部分將起助磁作用，其大小與定子電流成正比，相當于在永磁電機內(nèi)增加了一種串勵磁場，該磁場將充分增強負載條件下的氣隙磁場，彌補負載時電樞反應的去磁效應。合理調(diào)整該部分磁極導磁環(huán)尺寸，可使發(fā)電機在空載到額定負載范圍內(nèi)保持氣隙磁場的穩(wěn)定，從而保持發(fā)電機端電壓在一定范圍穩(wěn)定。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 20kW、鐵芯外圓為Φ 160、Φ 190及Φ270等規(guī)格系列的單相、三相汽油發(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)壓特性的新型結構永磁式交流同步發(fā)電機，其特征是一、發(fā)電機定子為內(nèi)外雙定子結構，內(nèi)定子鐵芯(2)和外定子鐵芯(5)上均嵌裝兩套獨立的繞組(3)、(4) ；二、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)電機磁路連接方式為永磁體(6)的兩異極性面直接串聯(lián)兩臺定子而構成閉合磁路(12)；三、空心轉子磁極導磁環(huán)(9)為非對稱結構，順旋轉方向后極靴部分預留有多余鐵磁材料。
2.根據(jù)權利要求1所述的新型結構永磁式交流同步發(fā)電機，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，永磁體(6)為平板式矩形結構并內(nèi)嵌入由鐵磁材料制成的磁極導磁環(huán)(9)的磁鋼方槽內(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)的復合磁路結構，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，內(nèi)定子支撐軸(1)由后安裝支架定位并決定內(nèi)外氣隙的大小及均勻度。
3.根據(jù)權利要求1所述的新型結構永磁式交流同步發(fā)電機，其內(nèi)定子繞組C3)和外定子繞組(4)可接成單相或三相交流電路結構；用于單相電路對外電阻負載供電的發(fā)電機， 其外定子鐵芯( 按單相磁路原理設計成截邊的腰圓形狀，單相繞組及定子槽分布均按 120°相帶設計布置；用于三相電路對外電阻負載供電的發(fā)電機，其內(nèi)外定子鐵芯均采用磁路均勻對稱的圓形及均勻分布的內(nèi)外繞組嵌線槽。
全文摘要
一種新型結構的永磁式交流同步發(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)電機采用內(nèi)外雙定子+無磁軛鐵芯的空心永磁轉子結構，內(nèi)外定子鐵芯2、5槽內(nèi)嵌有獨立的繞組3、4，空心永磁轉子位于內(nèi)外定子之間，磁路連接為永磁體6的兩異極性面直接串聯(lián)兩臺定子而構成閉合磁路12；永磁體6為平板矩形結構并內(nèi)嵌入鐵磁材料制成的磁極導磁環(huán)9內(nèi)，磁體排列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)的復合磁路結構，磁極導磁環(huán)9為非對稱結構，在順旋轉方向后極靴部分留有多余鐵磁材料，各異極性磁極間用不導磁的不銹鋼連接環(huán)8鉚焊成圓桶形狀，兩端通過前后旋轉支架和滾動軸承與內(nèi)定子支撐軸1連接。
文檔編號H02K16/04GK102480198SQ20101055883
公開日2012年5月30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