專利名稱：一種磁通切換型發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及的是一種發(fā)電機(jī)，具體涉及的是一種磁通切換型發(fā)電機(jī)，屬于電 機(jī)制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前出現(xiàn)的單相或者三相發(fā)電機(jī)都是采取勵(lì)磁與電樞兩套繞組分別放置的結(jié)構(gòu)， 包括轉(zhuǎn)子放置勵(lì)磁繞組/定子放置電樞繞組的旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁式電勵(lì)磁結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子放置永磁體/ 定子放置電樞繞組的旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁式永磁結(jié)構(gòu)、定子放置勵(lì)磁繞組/轉(zhuǎn)子放置電樞繞組的旋轉(zhuǎn) 電樞式電勵(lì)磁結(jié)構(gòu)、定子放置永磁體/轉(zhuǎn)子放置電樞繞組的旋轉(zhuǎn)電樞式永磁結(jié)構(gòu)。上述四 種結(jié)構(gòu)都需要電刷和/或換向器，降低了系統(tǒng)的可靠性，需要維護(hù)。而近些年出現(xiàn)的所謂磁通切換型電機(jī)，是指隨著轉(zhuǎn)子位置的變化，勵(lì)磁磁通切換 其閉合路徑，使得定子電樞繞組內(nèi)匝鏈的磁通大小和方向均發(fā)生變化，從而產(chǎn)生交變的感 應(yīng)電勢的電機(jī)。該電機(jī)有純永磁結(jié)構(gòu)(將永磁體與電樞繞組都置于定子)、純電勵(lì)磁結(jié)構(gòu) (將勵(lì)磁繞組與電樞繞組都置于定子)、混合勵(lì)磁結(jié)構(gòu)(將永磁體、勵(lì)磁繞組與電樞繞組都 置于定子)，轉(zhuǎn)子上既無永磁體也無繞組，結(jié)構(gòu)非常簡單。然而，傳統(tǒng)的磁通切換電機(jī)作為同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)都采用三相繞組結(jié)構(gòu)，且定子 永磁體數(shù)(即定子極數(shù))與轉(zhuǎn)子齒數(shù)都不相等，常用的結(jié)構(gòu)有定子十二槽/轉(zhuǎn)子一極、定子 十二槽/轉(zhuǎn)子十四極，定子六槽/轉(zhuǎn)子五極等，存在下述兩個(gè)缺點(diǎn)(1)發(fā)電機(jī)輸出互差120度的三相交流電，一般需要三相整流才能得到直流電壓， 導(dǎo)致系統(tǒng)的整流部分成本較高，不適合低成本應(yīng)用場合；(2)采用永磁體數(shù)(即定子極數(shù))與轉(zhuǎn)子齒數(shù)都不相等的齒槽配合會(huì)導(dǎo)致組成一 相的兩個(gè)(針對六槽/五極結(jié)構(gòu))或四個(gè)線圈(針對十二槽/十極或十四極結(jié)構(gòu))之間存 在分布因數(shù)，使得各線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢之間存在相位差，從而合成的感應(yīng)電勢幅值小于 每個(gè)線圈感應(yīng)電勢幅值的代數(shù)和，降低了繞組的利用率。

實(shí)用新型內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)上存在的不足，本實(shí)用新型目的是在于提供一種效率高、功率密度 高、繞組因數(shù)為一即繞組利用率為100%的磁通切換型發(fā)電機(jī)，且通過優(yōu)化設(shè)計(jì)電機(jī)尺寸， 可以直接產(chǎn)生正弦度較高的單相交流電，作為單相交流電源使用。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型是通過如下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型包括定子、轉(zhuǎn)子、勵(lì)磁線圈和電樞線圈，轉(zhuǎn)子極數(shù)與定子槽數(shù)相同，保 證了本實(shí)用新型可直接輸出正弦性能較好的單相交流電，在結(jié)構(gòu)上不僅保留了傳統(tǒng)磁通切 換發(fā)電機(jī)緊湊、簡單、魯棒性好、適于高速運(yùn)行的優(yōu)勢，而且各個(gè)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢同 相位使得電機(jī)可直接作為單相交流電源使用，成本較低。電樞線圈的兩個(gè)圈邊置于相鄰兩 個(gè)定子齒的相鄰兩個(gè)槽中，繞組線圈依次首尾串聯(lián)組成單相集中電樞繞組，勵(lì)磁線圈與對 應(yīng)的電樞線圈相互垂直。[0010]上述勵(lì)磁線圈串聯(lián)組成單相集中勵(lì)磁繞組。上述定子包括U形導(dǎo)磁鐵心和將相鄰兩U形導(dǎo)磁鐵心固聯(lián)為一體的長方形導(dǎo)磁 橋。上述轉(zhuǎn)子上設(shè)有直槽或斜槽。直槽的轉(zhuǎn)子可保證本實(shí)用新型在采用集中繞組和轉(zhuǎn) 子不斜槽的條件下，就可獲得正弦度非常高的磁鏈、感應(yīng)電勢和電感等靜態(tài)特性；如果對電 機(jī)勵(lì)磁磁鏈、感應(yīng)電勢和電感等靜態(tài)特性的正弦度要求較高，亦可將直槽的轉(zhuǎn)子斜槽一定 角度以提高正弦性。上述轉(zhuǎn)子極數(shù)與定子槽數(shù)均為十二個(gè)。上述定子和轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)。上述定子和轉(zhuǎn)子的材料均為硅鋼片。本實(shí)用新型的有益效果如下(1)該發(fā)電機(jī)可產(chǎn)生單相近似正弦的空載感應(yīng)電勢，可以直接作為單相交流電源 使用。在原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定的情況下，可通過合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子極數(shù)來保證輸出電壓的頻率滿足 需求；(2)該發(fā)電機(jī)各個(gè)電樞線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢大小相等，方向依次相反，可使電機(jī)的繞 組分布因數(shù)為一，即利用率達(dá)到100% ； (3)該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上既沒有繞組，又沒有永磁體，結(jié) 構(gòu)緊湊、堅(jiān)固可靠，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小且轉(zhuǎn)子為一塊整體，適合于高速發(fā)電運(yùn)行；(4)該發(fā)電機(jī)采 用純電勵(lì)磁結(jié)構(gòu)時(shí)，定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)規(guī)則，無永磁體，所需加工設(shè)備少，制造容易、材料成本低； (5)該電機(jī)可將定子部分制造成一塊整體，提高電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。電樞繞組、勵(lì)磁 繞組(若存在)、永磁體(若存在)都置于定子，易于散熱，抗振動(dòng)能力強(qiáng)，運(yùn)行可靠；(6)可 根據(jù)發(fā)電輸出端的性能需求，靈活選擇該發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)，保證所需的功率密度與電壓 調(diào)整率要求。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
來詳細(xì)說明本實(shí)用新型；

圖1為本實(shí)用新型的橫向剖視圖；圖2為現(xiàn)有的三相定子十二槽轉(zhuǎn)子十極的磁通切換型發(fā)電機(jī)空載時(shí)的線圈磁通 圖；圖3為本實(shí)用新型的單相定子十二槽轉(zhuǎn)子十二極的磁通切換型發(fā)電機(jī)空載時(shí)的 線圈磁通圖。
具體實(shí)施方式
為使本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面 結(jié)合具體實(shí)施方式
，進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型。參見圖1，本實(shí)用新型包括定子1和轉(zhuǎn)子5，定子1和轉(zhuǎn)子5都采用硅鋼片沖片壓 疊制成，轉(zhuǎn)子5位于定子1的內(nèi)部，轉(zhuǎn)子5也可以做成外轉(zhuǎn)子5結(jié)構(gòu)，定子1和轉(zhuǎn)子5都為 凸極結(jié)構(gòu)；其中定子1包括十二個(gè)U形導(dǎo)磁鐵心和十二個(gè)長方形導(dǎo)磁橋4，相鄰兩U形導(dǎo)磁 鐵心通過一長方形導(dǎo)磁橋4連為一個(gè)整體，U形導(dǎo)磁鐵心與長方形導(dǎo)磁橋4的材料相同，在 定子1上分別設(shè)有單相集中電樞繞組2及單相集中勵(lì)磁繞組3。單相集中電樞繞組2 —共有十二個(gè)電樞線圈，每個(gè)電樞線圈的兩個(gè)圈邊置于相
4鄰兩個(gè)定子齒的相鄰兩個(gè)槽中。十二個(gè)電樞線圈分別為第一電樞線圈201、第二電樞線圈 202、第三電樞線圈203、第四電樞線圈204、第五電樞線圈205、第六電樞線圈206、第七電樞 線圈207、第八電樞線圈208、第九電樞線圈209、第十電樞線圈210、第i^一電樞線圈211、第 十二電樞線圈212均為集中繞組，各個(gè)電樞線圈橫跨在相鄰兩個(gè)定子齒上，在兩個(gè)定子齒 的兩個(gè)相鄰槽排布，與相應(yīng)的定子齒在空間上垂直，上述十二個(gè)電樞線圈依次順序首尾串 連連接，組成單相集中電樞繞組2。單相集中勵(lì)磁繞組3 —共有十二個(gè)勵(lì)磁線圈，每個(gè)勵(lì)磁線圈的兩個(gè)圈邊置于每塊 長方形導(dǎo)磁橋4內(nèi)、外側(cè)的空間中。十二個(gè)勵(lì)磁線圈分別為第一勵(lì)磁線圈301、第二勵(lì)磁線 圈302、第三勵(lì)磁線圈303、第四勵(lì)磁線圈304、第五勵(lì)磁線圈305、第六勵(lì)磁線圈306、第七勵(lì) 磁線圈307、第八勵(lì)磁線圈308、第九勵(lì)磁線圈309、第十勵(lì)磁線圈310、第十一勵(lì)磁線圈311、 第十二勵(lì)磁線圈312均為集中繞組，每個(gè)勵(lì)磁線圈套在長方形導(dǎo)磁橋4上，在長方形導(dǎo)磁橋 4的內(nèi)、外側(cè)空間中排布，與相應(yīng)的電樞線圈在空間上垂直，上述十二個(gè)勵(lì)磁線圈依次順序 首尾串連連接，組成單相集中勵(lì)磁繞組3。轉(zhuǎn)子5極數(shù)和定子1槽數(shù)相等，保證了本實(shí)用新型可直接輸出正弦性能較好的單 相交流電。轉(zhuǎn)子5可以是直槽的轉(zhuǎn)子5，保證了本實(shí)用新型在采用集中繞組和轉(zhuǎn)子5不斜槽 的條件下，就可獲得正弦度非常高的磁鏈、感應(yīng)電勢和電感等靜態(tài)特性。如果對電機(jī)勵(lì)磁磁 鏈、感應(yīng)電勢和電感等靜態(tài)特性的正弦度要求較高，亦可將直槽的轉(zhuǎn)子5斜槽一定角度以 提高正弦性。等定子1槽轉(zhuǎn)子5極配合的磁通切換型單相同步發(fā)電機(jī)，一方面定子1部分采用 了單相集中電樞繞組2與永磁體或/和單相集中勵(lì)磁繞組3，直槽的或斜槽的轉(zhuǎn)子5 ；另一 方面定子1部分為一塊整體，轉(zhuǎn)子5部分為凸極結(jié)構(gòu)，既無永磁體也無繞組，結(jié)構(gòu)非常簡單 而堅(jiān)固，且轉(zhuǎn)子5極數(shù)與定子1槽數(shù)相等。在結(jié)構(gòu)上不僅保留了傳統(tǒng)磁通切換發(fā)電機(jī)緊湊、 簡單、魯棒性好、適于高速運(yùn)行的優(yōu)勢，而且各個(gè)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢同相位使得電機(jī)可 直接作為單相交流電源使用，成本較低。與現(xiàn)有的磁通切換型電機(jī)不同，本實(shí)用新型提出的等定子1槽轉(zhuǎn)子5極配合的磁 通切換發(fā)電機(jī)的定子1槽數(shù)和轉(zhuǎn)子5極數(shù)是相等的。轉(zhuǎn)子5為帶有直槽的(或斜槽的)轉(zhuǎn) 子5，轉(zhuǎn)子5上既無永磁體也無繞組。單相集中電樞繞組2隨著轉(zhuǎn)子5位置的變化，每相鄰兩個(gè)電樞線圈中所匝鏈的勵(lì) 磁磁通極性相反而大小相等，即會(huì)在組成單相集中電樞繞組2的十二個(gè)電樞線圈中產(chǎn)生大 小相等、方向依次相反的近似正弦的空載感應(yīng)電勢，即產(chǎn)生兩組交變的感應(yīng)電勢，每一組各 有六個(gè)電樞線圈，大小相等、相位相差180電角度。根據(jù)合成感應(yīng)電勢最大這一原則可確定 每個(gè)電樞線圈的正負(fù)端，從而組成一個(gè)閉合的單相集中電樞繞組2，使得單相集中電樞繞組 2中能產(chǎn)生一個(gè)幅值為單個(gè)電樞線圈所感應(yīng)電勢十二倍大小的近似正弦的合成感應(yīng)電勢。本實(shí)用新型的勵(lì)磁系統(tǒng)有三種不同的類型，即永磁體(純永磁發(fā)電機(jī))、單相集中 勵(lì)磁繞組3 (純電勵(lì)磁發(fā)電機(jī))、永磁體與勵(lì)磁繞組組合(混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī))。(1)采用純電勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，即單相集中勵(lì)磁繞組3通電產(chǎn)生勵(lì)磁磁勢作為單一勵(lì)磁 磁源，則在每兩塊相鄰的U形導(dǎo)磁鐵心之間通過一塊長方形導(dǎo)磁橋4連接，而在該長方形導(dǎo) 磁橋4的徑向內(nèi)、外側(cè)分別空出的一塊面積中安置勵(lì)磁線圈，一共有十二個(gè)勵(lì)磁線圈，每個(gè) 勵(lì)磁線圈套在相應(yīng)的長方形導(dǎo)磁橋4上，與相應(yīng)的電樞線圈在空間上垂直。每相鄰兩個(gè)勵(lì)磁線圈所產(chǎn)生的勵(lì)磁磁通極性相反，根據(jù)這一原則確定每個(gè)勵(lì)磁線圈的正負(fù)端，從而組成 一個(gè)閉合的單相集中勵(lì)磁繞組3。在該單相集中勵(lì)磁繞組3通入一定大小的直流電流時(shí)，便 能產(chǎn)生與永磁體相等效的恒定勵(lì)磁磁場，通過調(diào)節(jié)該勵(lì)磁電流的大小，即可改變勵(lì)磁磁場， 從而影響單相集中電樞繞組2中感應(yīng)的電勢大小。(2)采用純永磁結(jié)構(gòu)，即永磁體作為單一勵(lì)磁磁源，則一共會(huì)有十二塊磁化方向交 替相反的磁鋼取代勵(lì)磁線圈。在上述的勵(lì)磁線圈所在位置放置永磁磁鋼即可，此時(shí)的定子 1無長方形導(dǎo)磁橋4，僅由十二個(gè)U形導(dǎo)磁鐵心組成。(3)采用混合勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，即通過永磁體與勵(lì)磁繞組通電產(chǎn)生組合勵(lì)磁磁源，則定子 1結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。將兩塊相鄰的U形導(dǎo)磁鐵心之間的長方形導(dǎo)磁橋4由永磁體取代，而保留 勵(lì)磁線圈，即一共有十二塊永磁體、十二個(gè)勵(lì)磁線圈組成單相集中勵(lì)磁繞組3。通過調(diào)節(jié)勵(lì) 磁電流的大小與方向，即可改變永磁體所產(chǎn)生的固定勵(lì)磁磁場，從而影響單相集中電樞繞 組2中感應(yīng)的電勢大小，特別適合于需要在不同轉(zhuǎn)速下輸出電壓恒定的應(yīng)用場合。本實(shí)用新型最為關(guān)鍵的是發(fā)電機(jī)的定子1槽數(shù)和轉(zhuǎn)子5極數(shù)是相等的，從而保證 了各個(gè)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢大小相等，方向依次相反，通過第一勵(lì)磁線圈301至第十二勵(lì) 磁線圈312依次首尾順序串連的方法，使得該發(fā)電機(jī)的繞組分布因數(shù)為一，即利用率達(dá)到 100%。在外界原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，即可在定子1的單相集中電樞繞組2中產(chǎn)生近似正弦的 空載感應(yīng)電勢，若接通單相負(fù)載即可輸出電能。感應(yīng)電勢大小既與轉(zhuǎn)子5速度有關(guān)，也與勵(lì) 磁磁場有關(guān)，而磁場的強(qiáng)弱決定于勵(lì)磁磁勢?？筛鶕?jù)發(fā)電機(jī)性能要求，選擇合適的勵(lì)磁方 式。此外，該等定子1槽轉(zhuǎn)子5極配合的磁通切換型發(fā)電機(jī)繼承了不等定子1槽轉(zhuǎn)子5 極配合的常規(guī)磁通切換發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，即聚磁能力強(qiáng)、空載氣隙磁通密度較大、發(fā)電機(jī)具有 較強(qiáng)的轉(zhuǎn)矩輸出能力、功率密度較高。同時(shí)，電樞繞組與勵(lì)磁繞組都是集中繞組，端部短，電 阻較小，效率較高。轉(zhuǎn)子5結(jié)構(gòu)簡單，適合高速運(yùn)行等。參見圖2，是現(xiàn)有的三相定子1十二槽轉(zhuǎn)子5十極的磁通切換型發(fā)電機(jī)空載時(shí)的線 圈磁通圖，由于對稱關(guān)系，圖中省略了第七電樞線圈207、第八電樞線圈208、第九電樞線圈 209、第十電樞線圈210、第i^一電樞線圈211、第十二電樞線圈212的磁通。由圖2可知，組 成一相的兩個(gè)線圈之間存在相位差，即繞組因數(shù)小于一。參見圖3，是本實(shí)用新型的單相定子1十二槽轉(zhuǎn)子5十二極的磁通切換型發(fā)電機(jī)空 載時(shí)的線圈磁通圖，由于對稱關(guān)系，圖中省略了第七電樞線圈207、第八電樞線圈208、第九 電樞線圈209、第十電樞線圈210、第i^一電樞線圈211、第十二電樞線圈212的磁通。由圖 3可知繞組分布因數(shù)為一，即繞組利用率100%。以上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理和主要特征和本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)。本行 業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述 的只是說明本實(shí)用新型的原理，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的前提下，本實(shí)用新型還 會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本實(shí)用新型范圍內(nèi)。本實(shí)用新型 要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求1.一種磁通切換型發(fā)電機(jī)，包括定子(1)、轉(zhuǎn)子(5)、勵(lì)磁線圈和電樞線圈，其特征在 于，所述轉(zhuǎn)子( 極數(shù)與定子(1)槽數(shù)相同；所述電樞線圈的兩個(gè)圈邊置于相鄰兩個(gè)定子齒 的相鄰兩個(gè)槽中，所述繞組線圈依次首尾串聯(lián)組成單相集中電樞繞組O)，所述勵(lì)磁線圈與 對應(yīng)的電樞線圈相互垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁通切換型發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述勵(lì)磁線圈串聯(lián)組成單 相集中勵(lì)磁繞組(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁通切換型發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述定子(1)包括U形導(dǎo)磁 鐵心和將相鄰兩U形導(dǎo)磁鐵心固聯(lián)為一體的長方形導(dǎo)磁橋(4)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁通切換型發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子( 上設(shè)有直槽或 斜槽。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任意一項(xiàng)所述的磁通切換型發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子(5) 極數(shù)與定子(1)槽數(shù)均為十二個(gè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4任意一項(xiàng)所述的磁通切換型發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述定子(1) 和轉(zhuǎn)子(5)均為凸極結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4任意一項(xiàng)所述的磁通切換型發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述定子(1) 和轉(zhuǎn)子(5)的材料均為硅鋼片。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種磁通切換型發(fā)電機(jī)，包括定子、轉(zhuǎn)子、勵(lì)磁線圈和電樞線圈，所述轉(zhuǎn)子極數(shù)與定子槽數(shù)相同；所述電樞線圈的兩個(gè)圈邊置于相鄰兩個(gè)定子齒的相鄰兩個(gè)槽中，所述繞組線圈依次首尾串聯(lián)組成單相集中電樞繞組，所述勵(lì)磁線圈與對應(yīng)的電樞線圈相互垂直。本實(shí)用新型定子部分采用了單相集中電樞繞組與永磁體或/和單相集中勵(lì)磁繞組，直槽的或斜槽的轉(zhuǎn)子，且轉(zhuǎn)子極數(shù)與定子槽數(shù)相等，在結(jié)構(gòu)上不僅保留了傳統(tǒng)磁通切換發(fā)電機(jī)緊湊、簡單、魯棒性好、適于高速運(yùn)行的優(yōu)勢，而且各個(gè)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢同相位使得電機(jī)可直接作為單相交流電源使用，成本較低。
文檔編號(hào)H02K1/22GK201868960SQ20102061958
公開日2011年6月15日 申請日期2010年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月23日
發(fā)明者吳中澤, 程明, 花為 申請人:東南大學(xué)