CN101997372A - 四相永磁发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及四相永磁发电机。包括转子组件、定子组件，转子组件包括转子支架、固定在转子支架上由导磁材料制成的转子圈、和紧贴转子圈内壁N极、S极相间设置的多个永磁体；定子组件包括定子支架、固定在定子支架上的定子铁芯、沿定子铁芯圆周呈放射状分布的多个绕组极、缠绕在每一个绕组极上的线圈绕组。其中：永磁体环绕在绕组极外周，当转子组件旋转时，线圈绕组处于所述永磁体产生的磁场中；多个绕组极分为四相，每相中的绕组极的数量为n个，永磁体的数量为4n+2个，其中n为大于等于1的自然数。本发明的四相永磁发电机磁场利用率高、性能稳定可靠、功率与体积重量比大、结构简单紧凑、输出纹波电流极小，特别适用于超便携和超轻超小要求场合。

Description

四相永磁发电机

技术领域

本发明涉及发电机，更具体地说，涉及一种四相永磁发电机。

背景技术

由于工作原理和结构设计上的原因，现有的永磁发电机，特别是直流发电机普遍存在结构复杂、效率低、转子转速低、整流成直流电后纹波大。另外，现有的永磁发电机还存在功率与体积重量比低的缺陷，不能满足便携或超轻超小应用环境的要求。并且由于重量体积大，要消耗大量的铜，钢等材料。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述结构复杂、效率低、转子转速低、整流成直流电后纹波大的缺陷，提供一种全新的四相永磁发电机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种四相永磁发电机，包括转子组件、定子组件，其中：

所述转子组件包括转子支架、固定在所述转子支架上由导磁材料制成的转子圈、和紧贴所述转子圈内壁N极、S极相间设置的多个永磁体；

所述定子组件包括定子支架、固定在所述定子支架上的定子铁芯、沿所述定子铁芯圆周呈放射状分布的多个绕组极、缠绕在所述多个绕组极中每一个绕组极上的线圈绕组；

其中：

所述永磁体环绕在所述绕组极外周，所述转子支架和定子支架的安装位置使得所述转子圈与所述定子铁芯同轴，且当所述转子组件旋转时，所述线圈绕组处于所述永磁体产生的磁场中；

所述多个绕组极分为四相，每相中的绕组极的数量为n个，所述永磁体的数量为4n+2个，其中n为大于等于1的自然数。

在本发明所述的四相永磁发电机中，还包括连接所述转子支架和定子支架的转轴及轴承，用以保证所述转子组件和定子组件在高速旋转时保持同轴。

在本发明所述的四相永磁发电机中，所述四相绕组极中各相绕组极的线圈绕组的输出功率引出线之间“口”字形连接。

在本发明所述的四相永磁发电机中，所述四相绕组极中各相绕组极的线圈绕组的相邻两相首尾相连，且其连接点分别位于所述“口”字形的四角上，并用于与四线全桥整流器连接。

在本发明所述的四相永磁发电机中，所述四相绕组极中各相绕组极的线圈绕组的输出功率引出线之间“十”字形连接。

在本发明所述的四相永磁发电机中，所述多个绕组极与所述定子铁芯由一体成型的薄硅钢片叠加而成，或由其他高频导磁材料整体成型而成。

在本发明所述的四相永磁发电机中，所述转子支架上设置有可与原动机的转动机构相连接的连接机构，以将原动机的转动能传送给所述转子组件。

在本发明所述的四相永磁发电机中，所述定子支架上设置有用于固定所述定子组件的固定机构。

实施本发明的四相永磁发电机，具有以下有益效果：电机结构非常简单，制造成本低；由于输出相位差90度的方波，所以整流后的直流电压没有死区时间，纹波极小，使用体积极小的滤波器就能得到很平滑的直流电，由于永磁体与绕组极不是相对应的倍数关系，而是加2的关系，所以转子旋转时没有因磁场变化而产生的阶梯感；并且转子旋转一周，每相绕组分别发电的次数是永磁体总数除以2，因此磁场利用率极高，效率高；所以发电机的功率与体积重量比很高。

实施本发明，在保持额定功率输出条件下，可以制造出体积更小、重量更轻的且廉价的发电设备，适应于一些特殊应用要求，例如：用于飞行器、机器人、随身携带的发电机等等。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1A是根据本发明一实施例的四相永磁发电机各部件的分解图；

图1B是图1A所示实施例的四相永磁发电机的机械结构图；

图1C是图1B的A-A截面图；

图2A是根据本发明一实施例，在T1时刻，永磁体相对于绕组极位置的示意图，图中还示出了线圈绕组的绕线方法；

图2B是根据图2A的实施例，在T2时刻，永磁体相对于绕组极位置的示意图；

图2C是根据图2A的实施例，在T3时刻，永磁体相对于绕组极位置的示意图；

图2D是根据图2A的实施例，在T4时刻，永磁体相对于绕组极位置的示意图。

附图标记所指部件名称：

1-转子支架

2-转轴

3-转子圈

4-永磁体

5-定子铁芯

6-线圈绕组

7-定子支架

8-轴承

9-绕组极

11-转子支架上的连接机构(安装孔)

12-定子支架上的安装孔

具体实施方式

本发明的四相永磁发电机包括转子组件和定子组件。参考图1A-图1C，在本发明的一实施例中，转子组件包括转子支架1、固定在转子支架1上由导磁材料制成的转子圈3、和紧贴转子圈3内壁N极、S极相间设置的多个永磁体4。定子组件包括定子支架7、固定在所述定子支架7上的定子铁芯5、沿所述定子铁芯5圆周呈放射状分布的多个绕组极9、缠绕在多个绕组极中每一个绕组极9上的线圈绕组6。从图1C可知，永磁体4环绕在所述绕组极9外周。在设计上，转子支架1和定子支架7的安装位置使得所述转子圈3与所述定子铁芯5同轴，当转子组件旋转时，线圈绕组6处于永磁体4产生的磁场中。

在该实施例中，还使用转轴2及轴承8连接转子支架1和定子支架7，以保证转子组件和定子组件在高速旋转时保持同轴。作为另一选择，当发电机的功率要求低，也就是转速要求低，低成本简单应用的情况下，也可以不使用转轴2及轴承8，而将转子支架1与原动机连接，并将定子支架7固定来保证转子组件和定子组件旋转时保持同轴。

如图1A至图1C所示，转子支架1上设置有可与原动机的转动机构相连接的连接机构，以将原动机的转动能传送给所述转子组件。在本实施例中，其为可与内燃机风扇相连的连接孔11。在其它实施例中，转子支架还可以通过皮带轮、齿轮组等传动机构与原动机的转轴相连。

所述定子支架7上设置有用于固定所述定子组件的固定机构。在本实施例中，定子支架7上设置有4个安装孔12作为固定机构。在其它实施例中，还可通过各种可利用的支架结构来固定定子组件。

在本发明中，四相永磁发电机的多个绕组极9分为四相，每相中的绕组极9的数量为n个，所述永磁体4的数量为4n+2个，其中n为大于等于1的自然数。值得一提的是，每相中的绕级极的数量n可以根据应用环境、加工工艺水平、制造成本而定。目前技术水平下，综合考虑成本等因素，n取1、2、3、4、5或6较佳。n取值越高，绕线越复杂，但是磁场利用率越高。

本发明的构思是，使发电机转子组件上的永磁体的数量总量比定子铁芯上的绕组极多2只，使得在转子组件旋转的各个时刻总有一对永磁体(该对永磁体相隔180度)与定子铁芯的一对绕组极对应；而定子铁芯上的绕组极总数是四的倍数，即4n个，其中n为大于或等于1的自然数：4n+2个永磁体固定在导磁转子圈的内表面，相邻的永磁体极性相反，即N极S极间隔排列，组成永磁外转子。当永磁转子高速旋转时，离心力的作用会使永磁体牢牢贴紧导磁转子圈，所以永磁体无须特殊工艺固定就能稳定工作在极高的转速不会松动，以获得更高的输出功率。转子每旋转一周，各相绕组分别发电的次数(频率)是永磁体总数(4n+2)除以2；并且输出相位差90度的方波。

其工作原理为，四相永磁发电机中的转子支架可连接到动力输出装置(即原动机)，在其带动下，转子组件转动形成旋转磁场；使由四的倍数构成的定子铁芯绕组磁通变化而发电，发出的电压波形为相位差90度的方波，经过四线全桥整流后变成纹波极小的直流电。

如图2A-图2D所示，在本实施例中，定子铁芯5上的十六个绕组极9，分为四相。其中四相相同的线圈绕组6中的每组相邻的线圈绕组首尾相连，分别在定子铁芯5上的四个极依次嵌线，其相位差为90度，按“口”型接法，每相邻两组线圈绕组6的连接点(即“口”的四个角)分别引线出来接四线全桥整流器，组成四相永磁发电机。转子上的永磁体4的数量总量比定子铁芯5上的绕组极9多二只(即共计十八只)，一对S、N永磁体4相隔180度与定子铁芯5的绕组极9对应。

如图2A所示，在T1时刻，转子组件旋转到这一位置：一对永磁体正对5#、13#绕组极，即，此刻5#、13#绕组极上的线圈绕组处于最大磁场下，其上产生感生电动势也最大。

如图2B所示，在T2时刻，转子组件旋转到这一位置：一对永磁体正对1#、9#绕组极，即，此刻1#、9#绕组极上的线圈绕组处于最大磁场处，其上产生感生电动势也最大，而此刻5#、13#绕组极上的线圈绕组处于最小磁场处，其上产生感生电动势也最小。

如图2C所示，在T3时刻，转子组件旋转到与T1时刻相同的位置，但由于磁极相反，所以产生感生电动势的方向也相反。

如图2D所示，在T4时刻，转子组件旋转到与T2时刻相同的位置，但由于磁极相反，所以产生感生电动势的方向也相反。

总之，各个时刻总有一对永磁体(其相隔180度)与定子铁芯的一对绕组极对应，且总有一对永磁体没有对应于绕组极，使得轮流在十六个线圈绕组中生成感生电动势。

在其它实施例中，定子铁芯上绕组极的数量可以是4、8、12、20……，总之是四的倍数，即4n(n为大于等于1的自然数)，而4n+2块永磁体固定在转子圈的内表面，相邻的永磁体极性相反，即N极S极间隔排列。

在一个实施例中，转子支架固定在动力输出装置的转轴上，定子支架固定在动力输出装置的机体上。工作时，动力输出装置的转轴带动发电机转子转动，即转子磁场旋转，线圈切割磁力线，产生感生电动势，经全桥整流后输出直流电。

除了上述“口”字形连接外，还可以“十”字形连接。需要指出的是，“口”字形连接绕线简单，整流成直流需要使用全桥整流器；“十”字形连接绕线稍复杂，但“十”的中心可以直接当做直流电的一极，所以使用半桥整流器，这样可以减少整流元件的数量，同时，在低压大电流输出应用时，可进一步提高效率。

在本发明的四相永磁发电机中，多个绕组极9与所述定子铁芯5可以由一体成型的薄硅钢片或玻莫合金叠加而成，或者可以由其他高频导磁材料：如铁氧体等整体成型而成。转子圈3由导磁材料制成，如铁、钢、镍或增强导磁的合金材料。永磁体4材料可采用铁钴镍、铝钴镍，钕铁硼等。

本发明的四相永磁发电机可用作四相永磁直流发电机或四相永磁变频交流发电机。具有体积小、重量轻、结构简单、转子转速高的优点，是效率和磁场利用率极高的发电设备。其磁场充分利用、性能稳定可靠、功率与体积重量比大、结构简单紧凑、占据空间小、使用方便、输出纹波电流极小，特别适用于超便携和超轻超小要求场合，并且由于体积小，可以节省大量材料如：铜、钢等，有利于节约资源。

应用本发明，可以制造出总重量(包含发动机)为5公斤，额定输出功率650瓦特的四冲程汽油发电机；或重量(不包含发动机)为1公斤，额定输出功率1万瓦特的使用涡轮喷射引擎带动的发电机等等。

Claims (8)

1.一种四相永磁发电机，包括转子组件、定子组件，其特征在于，

所述转子组件包括转子支架(1)、固定在所述转子支架(1)上由导磁材料制成的转子圈(3)、和紧贴所述转子圈(3)内壁N极、S极相间设置的多个永磁体(4)；

所述定子组件包括定子支架(7)、固定在所述定子支架(7)上的定子铁芯(5)、沿所述定子铁芯(5)圆周呈放射状分布的多个绕组极(9)、缠绕在所述多个绕组极(9)中每一个绕组极(9)上的线圈绕组(6)；

其中：

所述永磁体(4)环绕在所述绕组极(9)外周，所述转子支架(1)和定子支架(7)的安装位置使得所述转子圈(3)与所述定子铁芯(5)同轴，且当所述转子组件旋转时，所述线圈绕组(6)处于所述永磁体(4)产生的磁场中；

所述多个绕组极(9)分为四相，每相中的绕组极(9)的数量为n个，所述永磁体(4)的数量为4n+2个，其中n为大于等于1的自然数。

2.根据权利要求1所述的四相永磁发电机，其特征在于，还包括连接所述转子支架(1)和定子支架(7)的转轴(2)及轴承(8)，用以保证所述转子组件和定子组件在高速旋转时保持同轴。

3.根据权利要求1或2所述的四相永磁发电机，其特征在于，所述四相绕组极中各相绕组极的线圈绕组(6)的输出功率引出线之间“口”字形连接。

4.根据权利要求3所述的四相永磁发电机，其特征在于，所述四相绕组极中各相绕组极的线圈绕组(6)的相邻两相首尾相连，且其连接点分别位于所述“口”字形的四角上，并用于与四线全桥整流器连接。

5.根据权利要求1或2所述的四相永磁发电机，其特征在于，所述四相绕组极中各相绕组极的线圈绕组(6)的输出功率引出线之间“十”字形连接。

6.根据权利要求1或2所述的四相永磁发电机，其特征在于，所述多个绕组极(9)与所述定子铁芯(5)由一体成型的薄硅钢片叠加而成，或由其他高频导磁材料整体成型而成。

7.根据权利要求1或2所述的四相永磁发电机，其特征在于，所述转子支架(1)上设置有可与原动机的转动机构相连接的连接机构(11)，以将原动机的转动能传送给所述转子组件。

8.根据权利要求1或2所述的四相永磁发电机，其特征在于，所述定子支架(7)上设置有用于固定所述定子组件的固定机构(12)。

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