CN101465585A - 插片式稀土永磁发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发电机，特别涉及一种稀土永磁发电机。定子的铁心的相槽嵌有单相绕组或三相绕组；所述单相绕组采用正弦绕组，在其中一极串联每槽等匝的同心绕组，所述正弦绕组的每极各有一个抽头；所述三相绕组为单双层混合绕组，选用短节距，其中单层相槽占相槽总数的1/3～2/3，单层相槽和双层相槽交替布置；所述转子的转子冲片上、下边为圆弧形，靠近圆弧边以圆心为中心对称开有四边形或四边形相连接而成的多边形的磁钢槽，中间有轴孔。本发明解决了现在的稀土永磁发电机存在的成本高、调压率差和磁钢破碎引发事故的问题。

Description

插片式稀土永磁发电机

技术领域

本发明涉及一种发电机，特别涉及一种稀土永磁发电机。

背景技术

当今世界油价居高不下，能源供应日趋紧张，稀土永磁发电机带阻性负载时可比传统电励磁发电机节省燃油20％左右，带感性负载时可节省燃油50％，但这一巨大优势由于受成本高、电压波动大和运行可靠性差等因素的制约，得不到充分发挥，小型发电机市场仍被效率低、能耗大的传统电励磁发电机所统治。

稀土永磁发电机具有高效节能、承载感性负载能力大、波形好、体积小、重量轻、结构简单等诸多优点而受到市场的重视。但稀土永磁发电机磁场调控困难，输出电压随负载的变化波动大，电压调整率一般在±10％左右，不能满足多数用户的需要。成本高、调压率差和磁钢破碎引发事故是影响稀土永磁发电机推广应用的三大主要因素。市场急需既能保持稀土永磁发电机高效节能的优点而又成本低、性能好、运行可靠的新型稀土永磁发电机来适应当今能源紧缺的时代。

现有的稀土发电机采用瓦片形稀土磁钢。如授权公告号为CN2585468Y，授权公告日为2003年11月5日的中国实用新型专利申请，公开了一种高性能稀土永磁发电机，这种由定子总承、转子总承、外壳组成的高性能稀土永磁发电机，其定子铁心采用斜槽结构，其转子磁极采用1～n片同极性的稀土瓦形磁钢拼成；稀土瓦形磁钢采用高性能稀土永磁材料加工而成，开有中心孔；用螺栓和粘合剂将稀土瓦形磁钢固定在导磁的圆形转轴上。现有的稀土永磁发电机最大缺点是转子的磁钢裸露在外，和定子铁心之间的距离，即发电机气隙，一般只有0.5mm。稀土磁钢是一种粉末冶金的产品，本身强度不大，质量较差的稀土磁钢在静置状态下，自身都会发生碎裂，在高速旋转和剧烈震动情况下更容易碎裂。发电机运转时会有强烈震动，转子又以每分钟3000多转的速度高速旋转，稀土磁钢一旦碎裂，碎片在强大离心力作用下，向定子铁心方向运动，从而碰擦定子铁心，形成“扫膛”事故。碰擦所产生的高温足以使稀土磁钢退磁而发不出电来，严重的还会烧毁定子线圈，损坏发电机。瓦形磁钢耗用材料比较多，加工也比较困难，而且在中间还要打一个安装螺栓用的阶梯孔，由于稀土磁钢材料比较脆，打孔时废品率较高。采用这种结构的转子不但成本高，运行的可靠性也比较差，常有这种稀土永磁发电机因扫膛而损坏，一般维修点很难修复，大多要送回生产厂家修复，既增加了费用又耽误了时间。为了避免稀土磁钢碎裂，也有把转子上的瓦形稀土磁钢安装进由转子冲片叠装成的磁钢槽内的做法，这样虽解决了因稀土磁钢破裂而导致的扫膛事故，但瓦形磁钢耗材多，加工困难，成本高的问题依然存在。

授权公告号为CN200956527Y，授权公告日为2007年10月3日的中国实用新型专利申请公开了一种单双层电机绕组，包括定子和定子上的相槽，其特征在于相槽按一个单层槽一个双层槽的交叉方式分布在定子上。单层槽内设置线圈，线圈匝数为九、十七、十九或二十一奇数。双层槽的内层槽线圈匝数设置为九、十七、十九或二十一奇数，而外层槽线圈匝数设置为八、十、十六或二十偶数，或者内层槽线圈匝数设置为八、十、十六或二十偶数，而外层槽线圈匝数设置为九、十七、十九或二十一奇数。该实用新型解决了现有双层绕组存在的端部尺寸大，漏抗严重等不足的问题。

授权公告号为CN2859594Y，授权公告日为2007年1月17日的中国实用新型专利申请公开了一种发电机组智能控制系统。这种发电机组智能控制系统，包括一微处理器，该微处理器分别与LCD显示电路、A/D转换电路、故障指示电路、输出驱动电路、键盘控制电路及信号输入电路相连接。所述A/D转换电路连接有三相电压输入采样电路、三相电流输入采样电路、压力传感器输入采样电路、温度传感器输入采样电路以及速度传感器输入采样电路。

发明内容

本发明的目的在于提出一种插片式稀土永磁发电机，以解决现在稀土永磁发电机存在的上述问题。

本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：

插片式稀土永磁发电机，主要由定子、转子、机壳和智能控制系统组成，定子包括定子铁心，铁心上开有相槽，转子包括叠压成转子冲片叠片的转子冲片，其特征在于：

定子的铁心的相槽嵌有单相绕组或三相绕组；所述单相绕组采用正弦绕组，在其中一极串联每槽等匝的同心绕组，所述正弦绕组的每极各有一个抽头；所述三相绕组为单双层混合绕组，选用短节距，其中单层相槽占相槽总数的1/3～2/3，单层相槽和双层相槽交替布置；

所述转子的转子冲片上、下边为圆弧形，靠近圆弧边以圆心为中心对称开有四边形或四边形相连接而成的多边形的磁钢槽，中间有轴孔；所述磁钢槽内插有横截面为四边形的柱状的稀土磁钢。

这种稀土永磁发电机保持了稀土永磁发电机诸多固有的优点，还具有成本低，性能好，运行可靠的特点，能较好满足市场对廉价、优质、节能发电机的需求。插片式稀土永磁发电机单相绕组采用了在传统的正弦绕组基础上，在其中一极串联每槽等匝的同心绕组，可以有效地改善波形，使波形畸变率<5％；每极在一定匝数处进行抽头，根据负荷不同切换抽头，可调整定子绕组匝数，使电压调整率提高到<±3％。三相绕组采用单双层混合绕组，可使波形畸变率提高到<2％，接近完美正弦波。转子采用这种横截面为四边形的柱形稀土磁钢，可比瓦形磁钢节省稀土磁性材料三分之一左右，由于加工简单，中间不须打阶梯孔，可节省加工费用80％左右，稀土磁钢总成本可降低一半左右。磁钢安装也比瓦形磁钢简单、方便，可提高工效一倍多，采用这种转子，可简化稀土发电机生产工艺，降低发电机成本30％左右，提高了稀土永磁发电机运行的可靠性，为稀土永磁发电机的推广应用创造了条件。

进一步，所述稀土磁钢的截面为梯形、矩形或平行四边形。所述稀土磁钢的截面为梯形、矩形或平行四边形。这种形状的稀土磁钢可使用简单的加工方法制作，加工过程中对稀土永磁材料的损耗也很少，降低了稀土磁钢的成本。

进一步，所述智能调控系统由单片机、继电器组、大功率开关器件组、伺服电机以及相关功能电路组成；其特征在于，系统通过接线端子与外部的稀土永磁发电机的绕组连接来收集发电机参数，并且通过继电器组和大功率开关器件组来控制输出额定电压和频率；所述系统内部通过电路连接与设置又分别设有两大功能电路组：

(1)调压电路：由接线端子、电压取样电路、电压比较电路、功率驱动电路和继电器组依次连接而成；

(2)频率调节电路：由接线端头、频率取样电路、频率比较电路、功率驱动电路、伺服电机和节气门或油门依次连接而成。

所述智能控制系统通过对插片式稀土永磁发电机输出电流的取样比较，信号输出，抽头切换和开关启闭等一系列动作，使发电机在负荷增加，原动机转速下降，输出电压，频率下降的情况下，通过增加定子绕组匝数、增大原动机节气门或油门开度来维持输出电压和频率的稳定。本发明所述的智能控制系统，可使插片式稀土永磁发电机电压调整率提高到<±3％，频率调整率<3％。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1是单相两极30槽调压绕组的绕组分布与接线图。

图2是三相两极24槽单双层混合绕组展开图。

图3是本发明所述的转子冲片的一种实施方式的结构示意图。

图4是本发明所述的转子冲片的另一种实施放置的结构示意图。

图5是智能控制调控系统的原理框图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

插片式稀土永磁发电机，主要由定子、转子、机壳和智能控制系统组成。

插片式稀土永磁发电机的定子包括定子铁心和绕组，绕组设置在定子铁心上的相槽中。定子的铁心的相槽中嵌有单相绕组或三相绕组。

如图1所示，单相绕组采用正弦绕组，在一极的正弦绕组与每槽等匝的同心绕组相串联，正弦绕组的每极分别有一个抽头。其工作原理如下：

1、发电机空载时输出电压由2-3绕组提供，2-3绕组为空载绕组；

2、负荷增加，电压下降到设定值时切换到1-3输出，增加1-2绕组提供的电压nV；

3、负荷继续增加，电压又下降到设定值时，切换到2-4；

输出电压由空载绕组和3-4绕组提供，增加电压2n-nV；

4、负荷再增加，电压又下降到设定值，切换到1-4，此时输出电压由空载绕组和1-2绕组、3-4绕组共同提供；增加的电压弥补了由于原动机加负载后转速下降以及定子绕组中有电流通过时产生电枢反应引起的电压降，使输出电压维持基本稳定。

如图2所示，三相绕组为单双层混合绕组；定子的铁心的相槽分为单层相槽和双层相槽，选用短节距，其中单层相槽占相槽总数的1/3～2/3，单层相槽和双层相槽交替布置。

插片式稀土永磁发电机的转子由转轴、转子冲片叠片、横截面为为四边形的柱状稀土磁钢、位于转轴两端的风叶和轴承组成。如图3和图4所示，转子冲片的上、下边为圆弧形，靠近圆弧边有以圆心为中心对称开有四边形或四边形相连成的多边形磁钢槽1，中间有轴孔，为了减少转子漏磁通，减轻转子重量，冲片两侧为直边。这种转子由于稀土磁钢安放在由转子冲片叠装成的叠片内，稀土磁钢在里面即使破碎也只能产生裂纹而不能飞出碎片，可以彻底避免因稀土磁钢碎裂造成的定、转子碰擦(扫膛)事故。而稀土磁钢产生裂纹不影响发电。

按冲片设计图开制冲模，利用冲制定子铁心时冲余的心片冲制转子冲片，按设计厚度要求叠装转子冲片，将转轴压入叠片轴孔内，再在转轴两端压装风叶、轴承，风叶端向下，轴承朝上竖立转子，把按要求加工好的横截面为四边形的柱状磁钢插入磁钢槽1，用橡皮锤轻轻打入，直至磁钢完全进入磁钢槽1，磁钢端面和转子冲片叠片端面齐平。

用切片机对稀土永磁材料胚料进行切割加工，按稀土磁钢图纸设计要求切割成横截面为四边形的柱状体，量大时也可开模具直接压制。稀土磁钢的截面优选为梯形或平行四边形，特别优选为矩形。然后对加工好的柱状稀土磁钢按设计要求充磁。

参见图5。本发明所述的智能调控系统由单片机、继电器组、大功率开关器件组、伺服电机以及相关功能电路组成。其中，系统通过接线端子与外部的稀土永磁发电机的绕组连接来收集发电机参数，并且通过继电器组和大功率开关器件组来控制输出额定电压和频率；所述系统内部通过电路连接与设置又分别设有两大功能电路组：

(1)调压电路：由接线端子、电压取样电路、电压比较电路、功率驱动电路和继电器组依次连接而成；

(2)频率调节电路：由接线端子、频率取样电路、频率比较电路、功率驱动电路、伺服电机和节气门或油门依次连接而成；

另外还设有保护电路，保护电路由接线端子、电压和电流取样电路、电压和电流保护电路、功率驱动电路和大功率开关器件组依次连接而成。

智能调控系统中调压电路是对稀土永磁发电机的输出电压进行取样和比较分析，并通过功率驱动和继电器组的电压调整确保输出电压的稳定。

智能调控系统频率调节电路是对稀土永磁发电机的输出频率进行取样和比较分析、并通过功率驱动和伺服电机来调节驱动发电机的内燃机的节气门或油门的开度，从而确保输出频率的稳定。

智能调控系统中保护电路是对稀土永磁发电机的输出电压及电流进行取样和比较分析，并通过功率驱动，利用大功能开关器件组在发电机出现过电压、欠电压、过电流时进行报警、跳闸、延时输出和短路保护。

智能调控系统中根据实际调控需要，通过调压电路和继电器调整切换稀土永磁发电机不同的调压绕组来确保电压的持续稳定。

下面说明本发明智能调控系统的实际运行过程：

1、空载时2-3先输出空载设定电压mV；

2、加负载后电压不断下降，降到设定值时从2-3切换到1-3，电压上升nV；

3、继续加载，电压又不断下降，到设定值时，从1-3切换到2-4电压上升2n-n＝nV；

4、再加载，使电压再次下降到设定值时，从2-4切换到1-4，电压上升nV；

5、卸载过程为加载过程的逆运作，整个输电过程电压始终在空载设定电压和下降设定值之间波动，波动值不超过nV，从而大大提高了发电机的调压率，使其不超过±3％；

6、加负载后原动机转速下降到设定值后，通过伺服电机加大节气门或油门开度提升原动机转速，从而使输出频率的变动控制在3％左右。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (3)

1、插片式稀土永磁发电机，主要由定子、转子、机壳和智能调控系统组成，定子包括定子铁心，铁心上开有相槽，转子包括叠压成转子冲片叠片的转子冲片，其特征在于：

定子的铁心的相槽嵌有单相绕组或三相绕组；所述单相绕组采用正弦绕组，在其中一极串联每槽等匝的同心绕组，所述正弦绕组的每极各有一个抽头；所述三相绕组为单双层混合绕组，选用短节距，其中单层相槽占相槽总数的1/3～2/3，单层相槽和双层相槽交替布置；

所述转子的转子冲片上、下边为圆弧形，靠近圆弧边以圆心为中心对称开有四边形或四边形相连接而成的多边形的磁钢槽，中间有轴孔；所述磁钢槽内插有横截面为四边形的柱状的稀土磁钢。

2、根据权利要求1所述的插片式稀土永磁发电机，其特征在于：所述稀土磁钢的截面为梯形，矩形或平行四边形。

3、根据权利要求1所述的插片式稀土永磁发电机，其特征在于：所述智能调控系统由单片机、继电器组、大功率开关器件组、伺服电机以及相关功能电路组成；其特征在于，系统通过接线端子与外部的稀土永磁发电机的绕组连接来收集发电机参数，并且通过继电器组和大功率开关器件组来控制输出额定电压和频率；所述系统内部通过电路连接与设置又分别设有两大功能电路组：

(1)调压电路：由接线端子、电压取样电路、电压比较电路、功率驱动电路和继电器组依次连接而成；

(2)频率调节电路：由接线端子、频率取样电路、频率比较电路、功率驱动电路、伺服电机和节气门或油门依次连接而成。

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