CN102005837B

CN102005837B - 一种磁通切换型发电机

Info

Publication number: CN102005837B
Application number: CN2010105549784A
Authority: CN
Inventors: 花为; 吴中泽; 程明
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2010-11-23
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2030-11-23
Also published as: CN102005837A

Abstract

本发明公开了一种磁通切换型发电机，包括定子、转子、励磁线圈和电枢线圈，所述转子极数与定子槽数相同；所述电枢线圈的两个圈边置于相邻两个定子齿的相邻两个槽中，所述电枢线圈依次首尾串联组成单相集中电枢绕组，所述励磁线圈与对应的电枢线圈相互垂直。本发明定子部分采用了单相集中电枢绕组与永磁体或/和单相集中励磁绕组，直槽的或斜槽的转子，且转子极数与定子槽数相等，在结构上不仅保留了传统磁通切换发电机紧凑、简单、鲁棒性好、适于高速运行的优势，而且各个线圈产生的感应电动势同相位使得电机可直接作为单相交流电源使用，成本较低。

Description

一种磁通切换型发电机

技术领域

本发明涉及的是一种发电机，具体涉及的是一种磁通切换型发电机，属于电机制造技术领域。

背景技术

目前出现的单相或者三相发电机都是采取励磁与电枢两套绕组分别放置的结构，包括转子放置励磁绕组/定子放置电枢绕组的旋转励磁式电励磁结构、转子放置永磁体/定子放置电枢绕组的旋转励磁式永磁结构、定子放置励磁绕组/转子放置电枢绕组的旋转电枢式电励磁结构、定子放置永磁体/转子放置电枢绕组的旋转电枢式永磁结构。上述四种结构都需要电刷和/或换向器，降低了系统的可靠性，需要维护。

而近些年出现的所谓磁通切换型电机，是指随着转子位置的变化，励磁磁通切换其闭合路径，使得定子电枢绕组内匝链的磁通大小和方向均发生变化，从而产生交变的感应电势的电机。该电机有纯永磁结构(将永磁体与电枢绕组都置于定子)、纯电励磁结构(将励磁绕组与电枢绕组都置于定子)、混合励磁结构(将永磁体、励磁绕组与电枢绕组都置于定子)，转子上既无永磁体也无绕组，结构非常简单。

然而，传统的磁通切换电机作为同步发电机运行时都采用三相绕组结构，且定子永磁体数(即定子极数)与转子齿数都不相等，常用的结构有定子十二槽/转子一极、定子十二槽/转子十四极，定子六槽/转子五极等，存在下述两个缺点：

(1)发电机输出互差120度的三相交流电，一般需要三相整流才能得到直流电压，导致系统的整流部分成本较高，不适合低成本应用场合；

(2)采用永磁体数(即定子极数)与转子齿数都不相等的齿槽配合会导致组成一相的两个(针对六槽/五极结构)或四个线圈(针对十二槽/十极或十四极结构)之间存在分布因数，使得各线圈产生的感应电势之间存在相位差，从而合成的感应电势幅值小于每个线圈感应电势幅值的代数和，降低了绕组的利用率。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种效率高、功率密度高、绕组因数为一即绕组利用率为100％的磁通切换型发电机，且通过优化设计电机尺寸，可以直接产生正弦度较高的单相交流电，作为单相交流电源使用。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明包括定子、转子、励磁线圈和电枢线圈，转子极数与定子槽数相同，保证了本发明可直接输出正弦性能较好的单相交流电，在结构上不仅保留了传统磁通切换发电机紧凑、简单、鲁棒性好、适于高速运行的优势，而且各个线圈产生的感应电动势同相位使得电机可直接作为单相交流电源使用，成本较低。电枢线圈的两个圈边置于相邻两个定子齿的相邻两个槽中，电枢线圈依次首尾串联组成单相集中电枢绕组，励磁线圈与对应的电枢线圈相互垂直。

上述励磁线圈串联组成单相集中励磁绕组。

上述定子包括U形导磁铁心和将相邻两U形导磁铁心固联为一体的长方形导磁桥。

上述转子上设有直槽或斜槽。直槽的转子可保证本发明在采用集中绕组和转子不斜槽的条件下，就可获得正弦度非常高的磁链、感应电势和电感等静态特性；如果对电机励磁磁链、感应电势和电感等静态特性的正弦度要求较高，亦可将直槽的转子斜槽一定角度以提高正弦性。

上述转子极数与定子槽数均为十二个。

上述定子和转子均为凸极结构。

上述定子和转子的材料均为硅钢片。

本发明的有益效果如下：

(1)该发电机可产生单相近似正弦的空载感应电势，可以直接作为单相交流电源使用。在原动机转速恒定的情况下，可通过合理设计转子极数来保证输出电压的频率满足需求；(2)该发电机各个电枢线圈产生的感应电势大小相等，方向依次相反，可使电机的绕组分布因数为一，即利用率达到100％；(3)该发电机转子上既没有绕组，又没有永磁体，结构紧凑、坚固可靠，转动惯量小且转子为一块整体，适合于高速发电运行；(4)该发电机采用纯电励磁结构时，定转子结构规则，无永磁体，所需加工设备少，制造容易、材料成本低；(5)该电机可将定子部分制造成一块整体，提高电机高速运行时的稳定性。电枢绕组、励磁绕组(若存在)、永磁体(若存在)都置于定子，易于散热，抗振动能力强，运行可靠；(6)可根据发电输出端的性能需求，灵活选择该发电机的励磁系统，保证所需的功率密度与电压调整率要求。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明的横向剖视图；

图2为现有的三相定子十二槽转子十极的磁通切换型发电机空载时的线圈磁通图；

图3为本发明的单相定子十二槽转子十二极的磁通切换型发电机空载时的线圈磁通图。

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。

参见图1，本发明包括定子1和转子5，定子1和转子5都采用硅钢片冲片压叠制成，转子5位于定子1的内部，转子5也可以做成外转子5结构，定子1和转子5都为凸极结构；其中定子1包括十二个U形导磁铁心和十二个长方形导磁桥4，相邻两U形导磁铁心通过一长方形导磁桥4连为一个整体，U形导磁铁心与长方形导磁桥4的材料相同，在定子1上分别设有单相集中电枢绕组2及单相集中励磁绕组3。

单相集中电枢绕组2一共有十二个电枢线圈，每个电枢线圈的两个圈边置于相邻两个定子齿的相邻两个槽中。十二个电枢线圈分别为第一电枢线圈201、第二电枢线圈202、第三电枢线圈203、第四电枢线圈204、第五电枢线圈205、第六电枢线圈206、第七电枢线圈207、第八电枢线圈208、第九电枢线圈209、第十电枢线圈210、第十一电枢线圈211、第十二电枢线圈212均为集中绕组，各个电枢线圈横跨在相邻两个定子齿上，在两个定子齿的两个相邻槽排布，与相应的定子齿在空间上垂直，上述十二个电枢线圈依次顺序首尾串连连接，组成单相集中电枢绕组2。

单相集中励磁绕组3一共有十二个励磁线圈，每个励磁线圈的两个圈边置于每块长方形导磁桥4内、外侧的空间中。十二个励磁线圈分别为第一励磁线圈301、第二励磁线圈302、第三励磁线圈303、第四励磁线圈304、第五励磁线圈305、第六励磁线圈306、第七励磁线圈307、第八励磁线圈308、第九励磁线圈309、第十励磁线圈310、第十一励磁线圈311、第十二励磁线圈312均为集中绕组，每个励磁线圈套在长方形导磁桥4上，在长方形导磁桥4的内、外侧空间中排布，与相应的电枢线圈在空间上垂直，上述十二个励磁线圈依次顺序首尾串连连接，组成单相集中励磁绕组3。

转子5极数和定子1槽数相等，保证了本发明可直接输出正弦性能较好的单相交流电。转子5可以是直槽的转子5，保证了本发明在采用集中绕组和转子5不斜槽的条件下，就可获得正弦度非常高的磁链、感应电势和电感等静态特性。如果对电机励磁磁链、感应电势和电感等静态特性的正弦度要求较高，亦可将直槽的转子5斜槽一定角度以提高正弦性。

等定子1槽转子5极配合的磁通切换型单相同步发电机，一方面定子1部分采用了单相集中电枢绕组2与永磁体或/和单相集中励磁绕组3，直槽的或斜槽的转子5；另一方面定子1部分为一块整体，转子5部分为凸极结构，既无永磁体也无绕组，结构非常简单而坚固，且转子5极数与定子1槽数相等。在结构上不仅保留了传统磁通切换发电机紧凑、简单、鲁棒性好、适于高速运行的优势，而且各个线圈产生的感应电动势同相位使得电机可直接作为单相交流电源使用，成本较低。

与现有的磁通切换型电机不同，本发明提出的等定子1槽转子5极配合的磁通切换发电机的定子1槽数和转子5极数是相等的。转子5为带有直槽的(或斜槽的)转子5，转子5上既无永磁体也无绕组。

单相集中电枢绕组2随着转子5位置的变化，每相邻两个电枢线圈中所匝链的励磁磁通极性相反而大小相等，即会在组成单相集中电枢绕组2的十二个电枢线圈中产生大小相等、方向依次相反的近似正弦的空载感应电势，即产生两组交变的感应电势，每一组各有六个电枢线圈，大小相等、相位相差180电角度。根据合成感应电势最大这一原则可确定每个电枢线圈的正负端，从而组成一个闭合的单相集中电枢绕组2，使得单相集中电枢绕组2中能产生一个幅值为单个电枢线圈所感应电势十二倍大小的近似正弦的合成感应电势。

本发明的励磁系统有三种不同的类型，即永磁体(纯永磁发电机)、单相集中励磁绕组3(纯电励磁发电机)、永磁体与励磁绕组组合(混合励磁发电机)。

(1)采用纯电励磁结构，即单相集中励磁绕组3通电产生励磁磁势作为单一励磁磁源，则在每两块相邻的U形导磁铁心之间通过一块长方形导磁桥4连接，而在该长方形导磁桥4的径向内、外侧分别空出的一块面积中安置励磁线圈，一共有十二个励磁线圈，每个励磁线圈套在相应的长方形导磁桥4上，与相应的电枢线圈在空间上垂直。每相邻两个励磁线圈所产生的励磁磁通极性相反，根据这一原则确定每个励磁线圈的正负端，从而组成一个闭合的单相集中励磁绕组3。在该单相集中励磁绕组3通入一定大小的直流电流时，便能产生与永磁体相等效的恒定励磁磁场，通过调节该励磁电流的大小，即可改变励磁磁场，从而影响单相集中电枢绕组2中感应的电势大小。

(2)采用纯永磁结构，即永磁体作为单一励磁磁源，则一共会有十二块磁化方向交替相反的磁钢取代励磁线圈。在上述的励磁线圈所在位置放置永磁磁钢即可，此时的定子1无长方形导磁桥4，仅由十二个U形导磁铁心组成。

(3)采用混合励磁结构，即通过永磁体与励磁绕组通电产生组合励磁磁源，则定子1结构相对复杂。将两块相邻的U形导磁铁心之间的长方形导磁桥4由永磁体取代，而保留励磁线圈，即一共有十二块永磁体、十二个励磁线圈组成单相集中励磁绕组3。通过调节励磁电流的大小与方向，即可改变永磁体所产生的固定励磁磁场，从而影响单相集中电枢绕组2中感应的电势大小，特别适合于需要在不同转速下输出电压恒定的应用场合。

本发明最为关键的是发电机的定子1槽数和转子5极数是相等的，从而保证了各个线圈产生的感应电势大小相等，方向依次相反，通过第一励磁线圈301至第十二励磁线圈312依次首尾顺序串连的方法，使得该发电机的绕组分布因数为一，即利用率达到100％。

在外界原动机的驱动下，即可在定子1的单相集中电枢绕组2中产生近似正弦的空载感应电势，若接通单相负载即可输出电能。感应电势大小既与转子5速度有关，也与励磁磁场有关，而磁场的强弱决定于励磁磁势。可根据发电机性能要求，选择合适的励磁方式。

此外，该等定子1槽转子5极配合的磁通切换型发电机继承了不等定子1槽转子5极配合的常规磁通切换发电机的优点，即聚磁能力强、空载气隙磁通密度较大、发电机具有较强的转矩输出能力、功率密度较高。同时，电枢绕组与励磁绕组都是集中绕组，端部短，电阻较小，效率较高。转子5结构简单，适合高速运行等。

参见图2，是现有的三相定子1十二槽转子5十极的磁通切换型发电机空载时的线圈磁通图，由于对称关系，图中省略了第七电枢线圈207、第八电枢线圈208、第九电枢线圈209、第十电枢线圈210、第十一电枢线圈211、第十二电枢线圈212的磁通。由图2可知，组成一相的两个线圈之间存在相位差，即绕组因数小于一。

参见图3，是本发明的单相定子1十二槽转子5十二极的磁通切换型发电机空载时的线圈磁通图，由于对称关系，图中省略了第七电枢线圈207、第八电枢线圈208、第九电枢线圈209、第十电枢线圈210、第十一电枢线圈211、第十二电枢线圈212的磁通。由图3可知绕组分布因数为一，即绕组利用率100％。

以上显示和描述了本发明的基本原理和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效物界定。

Claims

1.一种磁通切换型发电机，包括定子(1)、转子(5)、励磁线圈和电枢线圈，其特征在于，所述转子(5)极数与定子(1)槽数相同；所述电枢线圈的两个圈边置于相邻两个定子齿的相邻两个槽中，所述电枢线圈依次首尾串联组成单相集中电枢绕组(2)，所述励磁线圈与对应的电枢线圈相互垂直。

2.根据权利要求1所述的磁通切换型发电机，其特征在于，所述励磁线圈串联组成单相集中励磁绕组(3)。

3.根据权利要求1所述的磁通切换型发电机，其特征在于，所述定子(1)包括U形导磁铁心和将相邻两U形导磁铁心固联为一体的长方形导磁桥(4)。

4.根据权利要求1所述的磁通切换型发电机，其特征在于，所述转子(5)上设有直槽或斜槽。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的磁通切换型发电机，其特征在于，所述转子(5)极数与定子(1)槽数均为十二个。

6.根据权利要求1至4任意一项所述的磁通切换型发电机，其特征在于，所述定子(1)和转子(5)均为凸极结构。

7.根据权利要求1至4任意一项所述的磁通切换型发电机，其特征在于，所述定子(1)和转子(5)的材料均为硅钢片。