CN101795040A - 整体凸极式中频无刷励磁同步发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种整体凸极式中频无刷励磁同步发电机，它包括主发电机、励磁机、励磁调节系统，励磁调节系统由复励装置、旋转整流器和AVR自动电压调节器组成，复励装置由复励绕组、复励变流器和三相整流桥组构成，主发电机定子采用分数槽短距绕组，其每极每相槽数q为一个分数值，主发电机转子铁心由多极数的转子铁心冲片叠装而成，主发电机转子铁心为整体凸极式转子铁心结构，该转子铁心是由转子铁心冲片整片冲制叠装而成，每片转子铁心冲片是将磁极和磁轭制成一整体，在磁轭处开设有轴向通风冷却孔。该发电机能实现无刷励磁中频发电，输出单相或三相中频电压，具有性能优良，工作稳定可靠，输出功率大的优点。

Description

整体凸极式中频无刷励磁同步发电机

(一)技术领域：

本发明涉及一种中频发电机，尤其是一种中大功率的整体凸极式中频无刷励磁同步发电机。

(二)背景技术：

目前，市场上对中频发电机的需求量越来越多，如国防设施及国民经济相关领域需要中频电源、飞机场为维护和检修机仓仪器及设备需要移动式中频电源、工业冶炼需用400Hz及更高频率的中频电源等等。

现有的中频电源往往由工频电源经变频而获得，工频电源即普通发电机的发电频率一般为50HZ或60HZ，为得到中频电源，就需要变频设备及辅助设施，其存在的缺点为：一是投资大，设备投资远大于一台发电机，成本高，设施环节多，带来的维护工作量及故障率也多，维修费用高；二是经过变频使得系统的稳定性减低；三是发电机转子铁心普遍采用传统的分体凸极式转子铁心，它由每片独立的磁极铁心冲片叠装成磁极铁心后经磁极螺钉径向固定锁紧到转子磁轭上，不仅结构复杂，制造工序多，安装不便，可靠性差，成本高，而且散热面积系数小，冷却效果差，导致发电机转子绕组温升高；四是现有中频发电机功率较小，在500kw～1000kW中大功率的中频发电机未见报导。

传统的小型中频发电机多为永磁式，转子磁极或定子磁极为永久磁钢，也存在有不足之处：一是磁极无绕组，无从调节励磁电流，因而发电机电压处于无法调节状态；二是有的永久磁钢在高温环境下运行或长途运输颠震等恶劣条件下，有逐渐消磁的可能性，影响发电机电压的稳定性；三是中型以上功率电机转子直径大、离心力大，极难装设磁钢。

(三)发明内容：

本发明的目的是要提供一种中大功率的整体凸极式中频无刷励磁同步发电机，该同步发电机能实现无刷励磁中频发电，输出单相或三相中频电压，不仅具有结构合理，重量轻，成本低的优点，而且具有技术先进，性能优良，工作稳定可靠，输出功率大的显著优点。

本发明是这样构成的，它包括安装在主轴上的主发电机、与主发电机同轴安装的励磁机、励磁调节系统及引风冷却风扇，在所述的主发电机上设有定子铁心、转子铁心、定子中频绕组及转子绕组，在所述的励磁机上设有定子铁心、转子电枢铁心、定子主励磁绕组及转子电枢绕组，其特征在于：所述的励磁调节系统由复励装置、旋转整流器和AVR自动电压调节器组成，所述的复励装置由固定于励磁机定子上的复励绕组、与该复励绕组相连的复励变流器和连接于复励变流器上的三相整流桥组构成，从而使得主发电机转子励磁电流和励磁机定子励磁电流都处于可控调节状态，所述的主发电机定子采用分数槽短距绕组，其每极每相槽数q为一个分数值，能获得理想的正弦波电压波形，所述的主发电机转子铁心由多极数的转子铁心冲片叠装而成，所述的主发电机转子铁心为整体凸极式转子铁心结构，该整体凸极式转子铁心是由转子铁心冲片整片冲制叠装而成，所述的每片转子铁心冲片是将磁极和磁轭制成一整体，所述的磁极均匀分布在转子轮毂外沿处并向外凸出，在所述的磁轭外沿处即位于各个磁极极间底部处开设有多边形(如四边形)轴向通风冷却孔，以形成能利用发电机端部的引风冷却风扇对转子绕组进行直接冷却的轴向通风道。

本发明的技术特征还可以进一步具体为：

所述的旋转整流器的输入端与励磁机转子电枢绕组相连，输出端与主发电机转子绕组相连，所述的AVR自动电压调节器设有低频保护电路环节、电压稳定(性)电路环节、并联运行调差电路环节及电压整定电路环节，在所述的AVR自动电压调节器上分别连接有主发电机定子绕组抽头线匝、励磁机定子主励磁绕组及调差互感器。该低频保护环节在发电机转速低于保护点频率下限值时，不会出现超大励磁电流而烧毁绕组。

在所述主发电机的定子槽中分布有定子三相中频绕组，或分布有定子单相中频绕组。

所述的主发电机转子铁心和励磁机定子铁心是由既有良好磁化性能又具剩磁功能的薄钢板冲制的铁心冲片叠装而成，使得该中频无刷励磁同步发电机具有主发电机转子和励磁机定子双重剩磁磁场。

所述主发电机转子极数可分别为16、24、32、40极。

在所述磁轭外沿处所开设的轴向通风冷却孔为四边形的轴向通风冷却孔。

本发明的工作原理过程如下：中频无刷励磁同步发电机在发动机的驱动下主发电机转子旋转至接近额定转速，并带动励磁机转子电枢旋转，由于主发电机转子磁场和励磁机定子磁场的切割作用使嵌在主发电机定子铁心槽中的定子绕组U、V相抽头线匝感应出电压，然后经AVR自动电压调节器中的整流环节将交流电整流成直流电，输入励磁机定子主励磁绕组，此时在励磁机定子铁心建立励磁机主磁场，旋转的励磁机转子电枢绕组便感应出三相交流电压，该三相交流电压经三相旋转整流桥组整流成直流电压，再输入主发电机转子绕组，从而建立主发电机转子主磁场，使主发电机定子绕组感应出三相中频电压，输出三相中频电能。调节AVR自动电压调节器中的电位器，就可以把发电机的端电压整定在额定值。

当负载时，由于负载的变化会引起发电机端电压的变化，故保持端电压的恒定是通过AVR自动电压调节器和复励装置来控制实现的。

1、由AVR自动电压调节器对励磁机励磁电流进行自动调节，由励磁机电枢感应的三相电压经旋转整流输给主发电机转子绕组的励磁电流也得到了自动调节，从而维持了同步发电机的电压保持基本恒定。

2、由复励装置调节同步发电机的端电压，当发电机负载增大或突加时，复励装置中的复励变流器副方电流也增大，然后经过三相整流桥组整流后输入励磁机复励绕组，使励磁机的定子磁场同时增强，从而帮助同步发电机的端电压迅速回升；当发电机负载减少或突甩时，复励装置的复励作用减弱，使同步发电机的端电压也迅速回落。因此，复励装置的复励作用提高了无刷发电机动态性能(包括瞬态调压性能、电压恢复时间及启动动力机械能力)。

较之已有的中频发电机而言，本发明具有如下优点：

1、由于本发明主发电机定子采用分数槽短距绕组，用较少槽数获得相当多槽的分布系数，故能够有效削弱绕组中的谐波电势，改善电压波形，从而使得发电机电压质量高。

2、由于采用无刷励磁的方式，故无线电干扰极小，工作稳定可靠，维护工作量少。

3、由于主发电机转子铁心为整体凸极式转子铁心结构，且设有轴向通风冷却孔，故不仅能够节省铁心、绕组的材料，降低重量和体积，而且转子铁心牢靠、绕组结实、散热条件好，转子绕组温升实测值比标准值低20-25K，从而使得发电机使用寿命长。

4、由于本发明主发电机转子铁心和励磁机定子铁心采用既有良好磁化性能又具剩磁功能的薄钢板冲制的铁心冲片叠装而成，故在各种环境条件下均能可靠自励建立电压。

5、由于本发明采用AVR自动电压调节器和复励结构保持端电压的恒定，故具有工作稳定可靠，动态性能好的显著优点。

6、本发明技术先进，它采用电磁设计新技术高线负荷、高磁通密度、低定子电密即“二高一低”的原则，不仅使得定、转子铁心长度缩短，节省铁心、绕组、结构的材料，使得成本减低，而且定子绕组的温升得到有效控制。

7、本发明发电机的极数可分别为16、24、32、40极，极数多，范围广，频率为300～600Hz，适用于各种场所对中频电源的需求，功率为500～1000kW，成为目前理想的中大功率甚至大功率的中频发电设备。

8、此外，本发明还具有结构合理，重量轻的优点，它与内燃机联接组成发电机组或移动电站，能够作为国防设施、飞机机场、邮电通讯、船舰、冶炼厂矿的通讯、动力或照明用常用交流电源或应急备用电源，故具有显著的社会效益和经济效益，便于推广利用。

(四)附图说明：

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明输出三相电压的电路工作原理图。

图3是主发电机整体凸极式转子铁心冲片的极数为24极的结构示意图。

图中，1为主发电机，2为励磁机，3为旋转整流器，4为励磁机的定子铁心，5为励磁机的转子电枢铁心，6为励磁机的主励磁绕组，7为励磁机的转子电枢绕组，8为复励绕组，9为复励变流器，10为三相整流桥组，11为主发电机的转子铁心，12为主发电机的定子铁心，13为主发电机的转子绕组，14为主发电机的定子绕组，15为主发电机的转子铁心冲片，16为转子铁心冲片的磁极，17为转子铁心冲片的磁轭，18为转子铁心冲片磁轭的四边形轴向通风冷却孔，19为AVR自动电压调节器，20为调差互感器。

(五)具体实施方式：

参照附图，本发明实施例包括安装在主轴上的主发电机1、与主发电机1同轴安装的励磁机2、励磁调节系统及引风冷却风扇，在所述的主发电机1上设有定子铁心12、转子铁心11、定子中频绕组14及转子绕组13，在所述的励磁机2上设有定子铁心4、转子电枢铁心5、定子主励磁绕组6及转子电枢绕组7，其特征在于：所述的励磁调节系统由复励装置、旋转整流器3和AVR自动电压调节器19组成，所述的复励装置由固定于励磁机定子上的复励绕组8、与该复励绕组相连的复励变流器9和连接于复励变流器上的三相整流桥组10构成，从而使得主发电机转子励磁电流和励磁机定子励磁电流都处于可控调节状态，所述的主发电机定子12采用分数槽短距绕组14，其每极每相槽数q为一个分数值，其作用是用较少的定子槽数获得相当多的分布系数，有效削弱绕组感应电势中的谐波电势，获得理想的正弦波电压波形，所述的主发电机转子铁心11由多极数的转子铁心冲片15叠装而成，所述的主发电机转子铁心11为整体凸极式转子铁心结构，该整体凸极式转子铁心是由转子铁心冲片15整片冲制叠装而成，所述的每片转子铁心冲片15是将磁极16和磁轭17制成一整体，所述的磁极16均匀分布在转子轮毂外沿部上向外凸出，在所述的磁轭17位于各个磁极16极间底部处开设有四边形轴向通风冷却孔18，当安装使用时由于引风冷却风扇的作用，发电机能形成对转子绕组7、13进行直接冷却的轴向通风道，从而使得转子铁心5、11牢靠，散热条件好。

上述的旋转整流器3的输入端与励磁机2转子电枢绕组7相连，输出端与主发电机1转子绕组13相连。上述的AVR自动电压调节器19设有低频保护电路环节、电压稳定性电路环节、并联运行调差电路环节及电压整定电路环节。该低频保护电路环节在发电机转速低于保护点频率下限值时，不会出现超大励磁电流而烧毁绕组。在上述的AVR自动电压调节器19上分别连接有主发电机1定子绕组14抽头线匝、励磁机2定子主励磁绕组6及调差互感器20。调差互感器20与AVR自动电压调节器19的并联运行调差环节连接，用于2台或多台主发电机并联运行时，能够自动调节无功电流，从而实现各发电机无功功率按比例自动分配。

在上述主发电机1的定子槽中分布有定子三相中频绕组14，或分布有定子单相中频绕组14，从而实现输出电压为单相或三相电压。

上述的主发电机1转子铁心11和励磁机2定子铁心4是由既有良好磁化性能又具剩磁功能的Q235-A薄钢板冲制的铁心冲片叠装而成，使得该中频无刷励磁同步发电机具有主发电机转子和励磁机定子双重剩磁磁场，它在各种环境条件下能可靠自励建立电压。

上述主发电机1转子极数可分别为16、24、32、40极，故本发明制造的发电机极数也分别为16、24、32、40极，极数多，范围广。

在所述磁轭外沿处所开设的轴向通风冷却孔为四边形的轴向通风冷却孔18。

本发明的未述部分与现有技术相同。

Claims (6)

1.一种整体凸极式中频无刷励磁同步发电机，包括安装在主轴上的主发电机、与主发电机同轴安装的励磁机、励磁调节系统及引风冷却风扇，在所述的主发电机上设有定子铁心、转子铁心、定子中频绕组及转子绕组，在所述的励磁机上设有定子铁心、转子电枢铁心、定子主励磁绕组及转子电枢绕组，其特征在于：所述的励磁调节系统由复励装置、旋转整流器和AVR自动电压调节器组成，所述的复励装置由固定于励磁机定子上的复励绕组、与该复励绕组相连的复励变流器和连接于复励变流器上的三相整流桥组构成，所述的主发电机定子采用分数槽短距绕组，其每极每相槽数q为一个分数值，所述的主发电机转子铁心由多极数的转子铁心冲片叠装而成，所述的主发电机转子铁心为整体凸极式转子铁心结构，该整体凸极式转子铁心是由转子铁心冲片整片冲制叠装而成，所述每片转子铁心冲片上的所有磁极和磁轭为一整体式结构，即每片转子铁心冲片是将磁极和磁轭制成一整体，所述的磁极均匀分布在转子轮毂外沿处并向外凸出，在所述的磁轭外沿处即位于各个磁极极间底部处开设有多边形轴向通风冷却孔，以形成能利用发电机端部的引风冷却风扇对转子绕组进行直接冷却的轴向通风道。

2.根据权利要求1所述的中大功率的整体凸极式中频无刷励磁同步发电机，其特征在于：所述的旋转整流器的输入端与励磁机转子电枢绕组相连，输出端与主发电机转子绕组相连，所述的AVR自动电压调节器设有低频保护电路环节、电压稳定性电路环节、并联运行调差电路环节及电压整定电路环节，在所述的AVR自动电压调节器上分别连接有主发电机定子绕组抽头线匝、励磁机定子主励磁绕组及调差互感器。

3.根据权利要求1所述的中大功率的整体凸极式中频无刷励磁同步发电机，其特征在于：在所述主发电机的定子槽中分布有定子三相中频绕组，或分布有定子单相中频绕组。

4.根据权利要求1所述的中大功率的整体凸极式中频无刷励磁同步发电机，其特征在于：所述的主发电机转子铁心和励磁机定子铁心是由既有良好磁化性能又具剩磁功能的薄钢板冲制的铁心冲片叠装而成。

5.根据权利要求1所述的中大功率的整体凸极式中频无刷励磁同步发电机，其特征在于：所述主发电机转子极数可分别为16、24、32、40极。

6.根据权利要求1所述的中大功率的整体凸极式中频无刷励磁同步发电机，其特征在于：在所述磁轭外沿处所开设的多边形轴向通风冷却孔为四边形的轴向通风冷却孔。

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