CN102064648A - 一种串电容运行的单相永磁同步发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种串电容运行的单相永磁同步发电机。它由两相永磁同步发电机以及外接运行电容(C1)组成，永磁发电机采用表面磁钢或内嵌式永磁转子结构，定子铁心中放置相差90度空间电角度的两相电枢绕组，它们有相同的分布形式，采用单层分布绕组、双层绕组或正弦分布绕组。在电动势滞后的一相绕组中串联合适的电容(C1)，然后和另一相绕组并联向外输出单相电压，使两相绕组电流的幅值近似相等，相位差接近90度，电枢电流合成磁场为圆形或椭圆形，减小单相电枢电流产生的脉振磁动场对发电机输出电压波形畸变以及对振动和噪声的影响。发电机充分利用定子所有槽，输出功率可比同体积传统单相发电机最大提高40％以上，减小了发电机的体积。

Description

一种串电容运行的单相永磁同步发电机

技术领域

本发明涉及一种永磁同步发电机，特别是一种串电容运行的单相永磁同步发电机。

背景技术

车用电源、野外作业用移动电源以及紧急备用电源多以小型单相同步发电机为主，目前的发展趋势是容量不断增大。相对于传统的电励磁同步电机，永磁同步电机具有无需转子励磁、效率高以及体积小等优点，因此单相永磁同步发电机得到越来越多的应用。但是单相同步发电机带有负载时，单相电枢绕组流过的交流电流不像三相电机那样产生圆形磁场，而是在电机内产生脉振磁动势，脉振磁动势可以分解为两个幅值相同并以同步转速正、反方向旋转的正序磁动势和负序磁动势，而其中的负序磁场导致发电机带负载时输出的电压正弦波形畸变，影响发电机输出电能的质量；更严重的是当单相发电机输出容量增大时，电枢脉振磁场和发电机转子永磁磁场共同作用产生的脉动力矩使电机产生的振动和噪声更加剧烈，甚至威胁到发电机的安全运行。

为了解决负序磁场引起的输出电压畸变以及机械振动与噪声问题，针对电励磁单相同步发电机目前常采取的技术措施如下：

1.采用合理的定子斜槽、定子正弦绕组或120度相带双层短距绕组。

2.适当的放大气隙，以增大气隙磁阻，减小负序磁场，同时减小槽口与气隙的比值。

3.改变转子绕组参数，采用强阻尼绕组，主要形式有全笼阻尼绕组、半笼阻尼绕组以及1/4笼阻尼绕组。

前两种方法能很好抑制和消除齿谐波和高次谐波对电压波形的影响，但对于负序磁场的削弱作用不大，单相电流产生的依然是脉振磁场；第三种方法在转子上采用强阻尼绕组可最大程度削弱负序磁场的影响。在综合采用抑制负序磁场的技术措施基础上，国内已经成功研制出2000KW大功率单相电励磁同步发电机。但是这三种技术措施是以增大材料用量为代价。

福州大学的林珍和兰州电机有限责任公司的李文富提出了利用负序磁场在转子绕组上感应的电流为单相发电机提供励磁的方案，发电机定子有互差90度的两套绕组，其中一套绕组通过外接电容短路，另一套绕组作为功率绕组向外输出电能。同时在转子上也有两套互相垂直的绕组，负序磁场在转子绕组中感应的2倍基频的电压经旋转整流后为发电机转子提供励磁。

前三种技术方案以及定转子分别为两套绕组的方案对于电励磁单相同步发电机比较实用，但对于单相永磁发电机尤其是转子为表面磁钢结构的单相永磁同步发电机很难实现，因为在结构上转子没有安装阻尼绕组的位置。因此目前表面磁钢结构的单相永磁同步发电机输出功率能达到10个千瓦左右，输出功率继续增大后机械振动及其噪声严重影响了发电机的正常工作。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种串电容运行的单相永磁同步发电机，其主要结构件包括由端盖、机壳、转轴、永磁转子铁心、永磁磁钢、定子铁心和电枢绕组构成的永磁同步发电机和外接的串联运行电容，其特征在于：

-永磁发电机定子中放置两相在空间上相差90度电角度的正交电枢绕组；

-两相互相正交的电枢绕组具有相同的绕组分布形式和参数，可采用单层分布式绕组、双层分布绕组或正弦分布绕组；

-永磁发电机转子采用表面磁钢结构或内置式磁钢结构。

所述发电机中电动势滞后的一相绕组和外接的运行电容串联，然后和电动势超前一相绕组并联共同作为单相发电机的输出。

本发明的一种串电容运行的单相永磁同步发电机在同一定子铁心内放置相差90度电角度的两相电枢绕组。定子铁心由硅钢片叠压而成，定子极/槽配合采用传统的两相交流电机分布绕组或双层短距分布的极/槽比，也可以采用正弦绕组设计，以降低电枢绕组电动势中的谐波含量。两相绕组具有相同的分布形式和参数，将两相绕组的尾端接在一起作为发电机单相输出的一端，在电动势滞后的一相绕组中串连接入电力电容后，和电动势超前相绕组的一端并联作为发电机单相输出的另一端。

为了降低发电机的电压调整率，本发明的串电容运行的单相永磁同步发电机转子为传统的表面磁钢结构，对于容量较小的发电机也可以采用内永磁磁钢结构，永磁转子通过选择合适的极弧系数或磁极形状优化设计进一步减小电枢绕组电动势中的谐波含量。

本发明的串电容运行的单相永磁同步发电机的工作原理如下：当单相发电机带负载时，通过调整其中一相绕组中串连接入电容的大小，两相绕组电流的幅值完全相等或接近相等，两相绕组的电流相位差为90度或接近90度，电机内部两相电枢电流合成的磁动势为圆形或椭圆形磁动势，减小了发电机电压输出的波形畸变以及由负序磁场产生的振动和噪声，并且总的输出功率比其中一相的输出功率高。

对于发电机所带负载为纯电阻性负载即单位功率因数的情况，根据发电机一相绕组参数以及负载电阻大小，通过选择串连接入其中一相绕组中电容的大小可以使两相电流幅值完全相等，并且两相电流的相位差为90度，此时两相绕组电流在电机内合成的是圆形磁动势，没有负序磁场，是最理想的运行状态，此时总输出功率是其中一相输出功率的141.4％。

当发电机所带的负载功率因数小于1时，根据发电机一相绕组参数、负载及功率因数大小，选择串连接入其中一相绕组中电容的大小，虽然不能使两相电流幅值完全相等和两相电流相位差为90度两个条件同时满足，但通过折中选择电容，使两相电流合成的磁动势中的负序磁动势尽可能的小，合成磁动势为椭圆形磁动势，以达到减小负序磁场对发电机影响的目的。

本发明的串电容运行的单相永磁同步发电机与现有技术相比，具有以下特点：

1)通过在其中一相电枢绕组中串联电容，使单相永磁同步发电机电枢合成磁场为圆形或椭圆形磁场，削弱了负序磁场对输出电压波形畸变的影响，更重要的是从本质上抑制了负序磁场在发电机运行中引起的振动和噪声。

2)永磁发电机两相绕组的设计可以利用所有的定子槽，并且其中一相绕组通过串电容后和另一相绕组并联共同向外输出功率，提高了发电机的输出功率，并且由于减小了运行中的振动和噪声，发电机的容量可以设计的比较大。

附图说明

下面结合附图对本发明作详细说明：

图1是单相永磁同步发电机轴向剖面示意图；

图2是单相永磁同步发电机永磁转子截面示意图；

图3是单相永磁同步发电机单层分布绕组A相绕组分布图；

图4是单相永磁同步发电机单层分布绕组B相绕组分布图；

图5是单相永磁同步发电机运行原理示意图；

图6是串电容运行的单相永磁同步发电机带电阻负载时A、B两相电流波形图；

图7是串电容运行的单相永磁同步发电机带功率因数为0.8的感性负载时A、B两相电流波形图；

图8是单相永磁同步发电机双层短距分布绕组A相绕组分布图；

图9是单相永磁同步发电机分数槽绕组A相绕组分布图；

图10是单相永磁同步发电机分数槽绕组B相绕组分布图。

附图标记：

G1-转轴，G2-轴承，G3-端盖，G4-永磁电机转子铁心，G5-电枢绕组，G6-永磁磁钢，G7-非导磁不锈钢螺钉，G8-定子铁心，G9-机壳，G10-O型密封垫圈，G11-风扇罩，G12-风扇，Z_l-发电机单相负载阻抗，AX-A相绕组，BY-B相绕组，

-电动势超前相(A相)绕组电动势相量，

-电动势滞后相(B相)绕组电动势相量，Ra-A相绕组电阻，Rb-B相绕组电阻，Xa-A相绕组电抗，Xb-B相绕组电抗，C1-外接运行的串联电容，1到36为单相永磁发电机定子槽标号。

具体实施方式

本发明的几个优先实施例子结合附图说明如下：

实施例一

由图1可知，本发明的串电容运行的单相永磁同步发电机转子采用表面磁钢结构，永磁磁钢G6采用不锈钢螺钉G7固定在转子铁心G4上，转子铁心G4为二十号钢加工而成；转子铁心G4安装在转轴G1上，转轴G1通过两端的两个轴承G2支持在端盖G3上，端盖G3固定在机壳G9的两端，并由O型密封垫圈G10密封；风扇G12固定在转轴G1非机械输入端的端头上，对发电机进行风冷，风扇罩G11套在机壳G9的非机械输入端，作为风扇G12的安全防护罩。

如图2所示，本实施例中发电机极数为4极，N、S磁极交替布置，极弧系数为0.75。

定子铁心G8的齿槽数在本实施例中为24槽，定子铁心G8放置在机壳G9内，定子铁心G8中嵌放互差90度电角度的A、B两相电枢绕组G5，A、B两相单层分布绕组分布图分别如图3和图4所示，每极每相槽数为3，绕组节距数为6(一个极距)，即第一个线圈的首边放在定子铁心G8的1号槽内，尾边放在7号槽内，其余类推。槽号为(1、2、3，13、14、15)的定子槽中放置A相绕组每个线圈的首边，(7、8、9，，19、20、21)号定子槽放置A相绕组对应每个线圈的尾边；槽号为(4、5、6，16、17、18)的定子槽中放置B相绕组每个线圈的首边，(10、11、12，22、23、24)号定子槽中放置B相绕组每个对应线圈的尾边。每三个线圈串联构成一个线圈组，每一相的2个线圈组相串联构成一相电枢绕组。

如图5所示，A、B两相绕组的尾端X和Y接在一起作为单相发电机输出的一端，在时间上滞后一相(这里是B相)绕组的首端串联电容C1后和在时间上超前相(这里是A相)绕组的首端并联，作为单相发电机输出的另一端。

根据A、B两相电枢绕组的参数以及负载电阻的大小，选择合适的串联电容C1(这里串联电容C1选取220微法)，可以在发电机所带纯电阻性负载情况下两相电枢绕组的电流幅值相等且相位差为90度，图6是单相永磁发电机带15kW电阻性负载时的两相电流波形，其中实线为A相电流波形，虚线是B相电流波形，此时两相电枢电流合成的基波磁场是理想的圆形磁场。

当发电机带功率因数为0.8感性(滞后性)的负载时，即使在滞后相绕组(这里是B相)中串联电容，A、B两相电枢电流的幅值不再相等，同时相位差也不再是90度，但根据A、B两相电枢绕组以及负载阻抗Z_l参数的大小，通过选择合适的电容C1大小(这里串联电容C1依然选取220微法)，使两相电流幅值尽可能相等，同时两相电流相位差尽可能接近90度。图7是单相永磁发电机带功率因数为0.8滞后性的15kW负载时两相电枢绕组的电流波形，其中实线为A相电流波形，虚线是B相电流波形。此时虽然两相电枢电流不能合成理想的圆形磁场，但是可以合成尽量接近圆形的椭圆形磁场，也比单相绕组电流产生的脉振磁动势要好的多，削弱了负序磁场的影响。

实施例二

本实施例中发电机整体结构同实施例1，但4极24槽的A、B两相电枢绕组采用双层短距分布绕组，进一步削弱谐波磁场对感应电动势的影响。如图1所示，定子铁心G8中放置互差90度电角度的A、B两相电枢绕组G5。其中A相双层短距分布绕组的分布示意图如图8所示，每极每相槽数为3，绕组节距数为5，即第一个线圈的首边放在定子铁心G8的1号槽内，尾边放在6号槽内，其余类推。槽号为(1、2、3，7、8、9，13、14、15，19、20、21)的定子槽中放置A相绕组每个线圈的首边(上层边)，(6、7、8，12、13、14，18、19、20，24、1、2)号定子槽中放置A相绕组对应每个线圈的尾边(下层边)；槽号为(4、5、6，10、11、12，16、17、18，22、23、24)的定子槽中放置B相绕组每个线圈的首边(上层边)，(9、10、11，15、16、17，21、22、23，3、4、5)号定子槽中放置B相绕组每个线圈的尾边(下层边)。每三个线圈串联构成一个线圈组，每一相的4个线圈组相串联构成一相电枢绕组。

本实施例中的A、B两相电枢绕组的连接方式以及B相绕组中串联电容的选择和连接方法同实施例1。

实施例三

本实施例中发电机整体结构同实施例1，但4极36槽的两相电枢绕组采用分数槽绕组，进一步削弱齿槽谐波磁场对电枢绕组中感应电动势的影响。如图1所示，定子铁心G8中放置互差90度电角度的A、B两相电枢绕组G5。其中A相分数槽绕组的分布示意图如图9所示，每极每相槽数为

，例如在一个极下有连续4个槽属于A相绕组，则在相邻极下有5个槽属于A相绕组。绕组节距数为7，即第一个线圈的首边放在定子铁心G8的1号槽内，尾边放在8号槽内，其余类推。槽号为(1、2、3、4，10、11、12、13、14，19、20、21、22，28、29、30、31、32)的定子槽中放置A相绕组每个线圈的首边(上层边)，(8、9、10、11，17、18、19、29、21，26、27、28、29，35、36、1、2、3)号定子槽中放置A相绕组对应每个线圈的尾边(下层边)。每四个或五个相邻线圈串联构成一个线圈组，上述4个线圈组相串联构成A相电枢绕组。

B相分数槽绕组的分布示意图如图10所示，槽号为(5、6、7、8、9，15、16、17、18，23、24、25、26、27，33、34、35、36)的定子槽中放置B相绕组每个线圈的首边(上层边)，(12、13、14、15、16，22、23、24、25，30、31、32、33、34，4、5、6、7)号定子槽中放置B相绕组对应每个线圈的尾边(下层边)。每四个或五个相邻线圈串联构成一个线圈组，上述4个线圈组相串联构成B相电枢绕组。

本实施例中的A、B两相电枢绕组的连接方式以及B相绕组中串联电容的选择和连接方法同实施例1。

Claims (2)

1.一种串电容运行的单相永磁同步发电机，其主要结构件包括由端盖(G3)、机壳(G9)、转轴(G1)、永磁转子铁心(G4)、永磁磁钢(G6)、定子铁心(G8)和电枢绕组(G5)构成的永磁同步发电机和外接的串联运行电容，其特征在于：

-永磁发电机定子(G8)中放置两相在空间上相差90度电角度的正交电枢绕组(G5)；

-两相互相正交的电枢绕组(G5)具有相同的绕组分布形式和参数，可采用单层分布式绕组、双层分布绕组或正弦分布绕组；

-永磁发电机转子采用表面磁钢结构或内置式磁钢结构。

2.如权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述发电机中电动势滞后的一相绕组和外接的运行电容串联，然后和电动势超前一相绕组并联共同作为单相发电机的输出。

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