CN102480201A - 新型复合励磁方式的永磁式无刷单相同步发电机 - Google Patents

Abstract

一种采用“稀土永磁+感应无刷电励磁”的新型复合励磁方式的永磁式无刷单相同步发电机，与汽油机配套组成内燃发电机组作为备用单相交流电源使用。其特征是：该发电机由分布于转子铁芯6表面的多片同极性稀土永磁体3组成一个磁极而形成的每极下空载气隙磁场建立起发电机空载电压，负载时嵌于定子铁芯1槽中的主绕组2流过单相电流，该单相电流建立的气隙负序磁场在转子磁极后极靴附近槽中的电励磁绕组9中感应交变电势，通过连接于该电励磁绕组两端的二极管10进行半波整流成直流励磁电流，从而建立起随定子负载电流而变化的辅助气隙磁场，弥补负载时的气隙永磁磁场的不足并维持发电机端电压U_N在一定范围稳定。

Description

新型复合励磁方式的永磁式无刷单相同步发电机

技术领域

本发明是一种具有稳压特性的、新型复合励磁方式的永磁式无刷单相同步发电机，与汽油机或柴油机配套组成发电机组，可作为便携电源及备用应急电源使用。

背景技术

目前，汽油发电机行业主流机型是以铜线和铝线为主的有刷电励磁类型发电机，功率范围涵盖1kW～20kW；另外，对于功率为1～5kW的小型单相同步发电机组，还有一种采用转子励磁绕组感应定子负载电流建立的负序磁场而进行整流电励磁的无刷电励磁方式。其中，采用AVR调节励磁电流的有刷电励磁单相或三相交流发电机是汽油发电机组的主流励磁方式，这种发电机的最大优势就是其磁场可以通过调节转子励磁电流来实现自动调整，从而使单机运行的发电机可以在空载到额定负载的全范围保持输出电压的稳定。

图3是一种普遍采用的常规无刷全电励磁类型单相发电机结构原理示意图，图中：标号1为定子铁芯，标号2为定子主绕组，标号6为转子铁芯，标号8为驱动转轴，标号9为电励磁绕组，标号10为二极管，标号12为定子副绕组，标号13为电容器。在定子铁芯1和转子铁芯6上设置铜线或铝线做成的定子单相主绕组2、副绕组12和励磁绕组9，其中定子主绕组2对外供给电力，转子励磁绕组9用来建立电机气隙磁场，使电机产生电磁感应，定、转子铁芯属于导磁部件，转子铁芯固定与驱动转轴8上。电机空载时，转子剩磁在副绕组中逐步产生感应电势，副绕组与串接的电容13构成单相电流回路，该单相电流将在气隙中分别产生旋转方向相反的正、负序磁场，而负序磁场将在转子励磁绕组9中感应两倍频率的交变电势，通过串接于转子励磁绕组两端的二极管10构成半波整流回路，在转子励磁回路流过直流电流，从而产生维持空载电压U_N稳定的空载气隙磁场。电机负载时，定子主绕组同样流过单相负载电流，与空载时同样的原理及电磁感应过程，将在转子励磁绕组中流过与定子负载电流成正比的负载励磁电流，从而在电机气隙中产生一个补充加强了的负载磁场来维持发电机端电压U_N在一定范围稳定；其中，二极管10半波整流回路的接线方向决定于电机磁场N、S极方向和电流方向。以上两种全电励磁方式的发电机励磁容量较大，转子电励磁回路的损耗比例占电机全部损耗的55％～65％，因此发电机的能量效率难以提高，而且该类型发电机转子用铜量也占电机全部用铜量的55％～65％，故其成本也较高，铜、铝等有色金属的资源消耗也大。

我国是世界上稀土永磁材料最丰富的国家，但同时也是铜、铝等有色金属资源贫乏的国家；因此，大力发展稀土材料的应用对我国有现实的意义。随着控制技术的进步，稀土永磁电机在电动机行业驱动领域已经得到广泛应用，稀土永磁材料做成的电动机产品，其单位体积材料传送的功率密度大，电机效率高而能耗小，显示出其稀土电机巨大的优越性；但稀土永磁材料用到发电机领域却一直受到电压稳定技术的瓶颈制约，由于永磁材料制成的发电机磁场无法调节，从而导致发电机端电压控制很困难，电机带负载后电压下降很厉害，进而影响永磁发电机组的发电质量，限制了永磁材料在此类发电机上的应用范围。而且，按传统电机惯例简单地采用稀土材料代替电励磁发电机转子绕组，也并不能充分而彻底地利用稀土材料传送高能量密度的优点。因此，拓展稀土材料在独立运行的移动电源领域的应用范围就必须得解决以下技术难题：一、为充分利用稀土材料的优势，必须研究设计能传送高功率密度的永磁发电机新型结构；二、研究克服永磁电机无法调节磁场而稳定发电机电压的技术途径和有效方法。

发明内容

针对现有行业技术存在的问题，本技术发明的目的在于提供一种采用“稀土永磁+感应无刷电励磁”的复合励磁方式的单相同步发电机。本发明的基本构思是，采用分布于转子铁芯表面的稀土永磁体形成的永久磁场来代替传统无刷电励磁发电机定子副绕组与电容所组成的空载起励回路以及转子励磁绕组，从而建立起发电机电磁感应所需要的基本气隙磁场。

由于永磁体的退磁曲线为直线，因而仅靠该永磁磁场难以维持单机运行的发电机负载端电压在一定范围稳定，本发明利用传统的无刷全电励磁方式的特点，由分布于转子铁芯表面的多片同极性稀土永磁体组成一个磁极而形成的每极下空载气隙磁场建立起发电机空载电压，在转子铁芯每个磁极后极靴附近设置嵌线槽，槽中安放有电励磁绕组，负载时嵌于定子铁芯槽中的主绕组流过单相电流，该单相电流建立的气隙负序磁场在转子磁极后极靴附近槽中的电励磁绕组中感应交变电势，通过连接于该电励磁绕组两端的二极管进行半波整流成直流励磁电流，从而建立起随定子负载电流而变化的辅助气隙磁场，弥补负载时的气隙永磁磁场的不足并维持发电机端电压U_N在一定范围稳定。这样的技术处理既充分利用了稀土永磁体所具备高磁能积的特点，又克服了全永磁式发电机不能通过调节励磁而稳定电压的缺点，使发电机励磁功率大大减少，有效提高发电机的能量转换效率，降低发电机的发热损耗和温升，同时还可以适当减小发电机的体积，减少材料消耗及单机成本，提高电机转子可靠性和寿命。该新型复合励磁无刷单相发电机可与汽油机或柴油机配套组成内燃机动力发电机组，作为便携电源或备用应急单、三相电源使用，比传统的全电励磁机组整机可靠性高、电能效率高、燃油消耗节省、CO₂排放降低。

为达到上述目的，以下结合图1和图2所示实施案例来阐明本发明涉及的发电机技术方案和特点：

第一，发电所需磁场由两部分组成：一、转子铁芯上分布的多片同极性稀土永磁体组成一个磁极提供发电机所需的每磁极下空载气隙磁场，保证发电机定子主绕组感应出额定空载电压；二、维持发电机负载时端电压在一定范围稳定所需的强励磁场由设置在转子铁芯顺旋转方向后极靴附近槽中的电励磁绕组感应负载时的负序磁场并经二极管半波整流后向电励磁绕组提供直流励磁电流而产生。

第二，转子铁芯每个磁极极靴部位并排安装有多片同极性稀土永磁体，永磁体采用平板矩形结构并内嵌于每个磁极极靴部位的矩形槽中，每磁极下同极性磁体排列数量根据发电机空载电压所需的空载气隙磁场大小、气隙极弧系数和稀土永磁体的制造工艺决定，其磁路结构为“同极性磁体并联、异极性磁体串联”的复合磁路结构。图1为四片同极性永磁体组成一个磁极的2极发电机结构案例，图2为三片同极性永磁体组成一个磁极的2极发电机结构案例。

第三，在转子铁芯顺旋转方向的每个磁极后极靴附近设置有嵌线槽，槽中安装有电励磁绕组，该绕组头尾线按磁场和电流方向由二极管连接形成半波整流电路；每磁极的同极性磁体之间设置有阻尼铜条构成改善电压波形的阻尼绕组。

第四，转子铁芯靠近驱动转轴附近设置有起隔离汽油机动力轴传递来的热量作用的空气隔热槽，同时在磁极之间的过渡部位设置有起刮风散热作用的散热筋，在每磁极下靠近稀土磁体附近设置有冷却散热孔。

第五，定子结构特征是定子铁芯按单相电机磁路特点设计成可提高硅钢板材料利用率的扁圆形状，定子主相绕组按可以减少高次谐波成分的120°相带分布，定子上不需要安装空载起励用的副绕组及串接电容所组成的空载起励回路。

采用上述技术方案所达到的技术经济效果：

一、产品技术性能优势和效果

本技术发明适用于1～5kW的、2～4极结构的、内燃机动力拖动的单相交流同步发电机组。

该技术发明的产品由于电励磁回路为辅助励磁，所以转子绕组的电阻发热损耗得以有效降低，从而使此类发电机能量输出效率比全电励磁机组平均可以提高5～8％以上，其转子绕组温升也可以显著下降。用此类型发电机所组成的内燃机组，可降低燃油消耗5～8％以上，从而减少单位kW数的CO₂排放量。

由于转子采用永磁+无刷辅助电励磁方式，转子与外电路无电连接，也无需电容和AVR电励磁调压器等电子组件，从而杜绝了传统有刷发电机常见的励磁主回路的绝缘击穿、匝间不良、AVR功率管等电子元件损坏等缺陷，发电机可靠性提高，寿命延长。

二、产品的经济成本优势和效果

由于转子励磁回路无传统有刷电励磁发电机的电刷和集电环，定子也无需安装主绕组取样信号、副绕组与电容，取消了传统有刷电励磁发电机的AVR励磁调压器等电子组件，使得发电机定子制造工艺简化，有色金属材料节省，机组整机成本下降，其综合成本比同容量的全电励磁有刷机组相比平均可节约10％，因而其经济性十分显著。

附图说明

图1是四片磁体组成一极的“复合励磁方式的永磁式无刷单相同步发电机”的结构原理示意图。

图2是三片磁体组成一极的“复合励磁方式的永磁式无刷单相同步发电机”的结构原理示意图。

以上图中：1.定子铁芯，2.定子主绕组，3.稀土永磁体，4.阻尼铜条与端环，5.冷却散热孔，6.转子铁芯，7.散热筋，8.驱动转轴，9.电励磁绕组，10.二极管，11.空气隔热槽。

图3是传统的无刷全电励磁类型单相发电机结构原理示意图。

图中：1.定子铁芯，2.定子主绕组，6.转子铁芯，8.驱动转轴，9.电励磁绕组，10.二极管，12.定子副绕组，13.电容器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的说明：

在图1和图2所示实施例中，本发明所述的一种新型复合励磁方式的永磁式无刷单相同步发电机定子铁芯(1)及定子主绕组(2)与传统的有刷和无刷电励磁单相同步发电机基本相同，仅定子主绕组参数随永磁材料性能而有所变化，且定子无需传统发电机的副绕组、电容或AVR励磁调压器，定子结构和工艺更简单，因而完全可沿用现有的各系列状态定子冲片，便于系列化、标准化生产。

本发明所述的复合励磁方式的永磁无刷单相发电机与传统的有刷电励磁发电机所不同的在于转子结构：

首先，转子铁芯(6)每个磁极极靴部位并排安装了多片同极性稀土永磁体(3)构成一个磁极，永磁体采用平板矩形结构并内嵌于极靴部位的矩形槽中，每个磁极下同极性磁体排列数量与尺寸根据发电机空载电压所需的空载气隙磁场大小、气隙极弧系数和稀土永磁体的制造工艺决定，其磁路结构为“同极性磁体并联、异极性磁体串联”的复合磁路结构。图1给出了四片同极性永磁体组成一个磁极的2极发电机结构案例，图2给出了三片同极性永磁体组成一个磁极的2极发电机结构案例。以上描述的磁体排列方式和复合磁路结构并不仅仅局限于2极发电机，还完全可以推广延伸至4极单相同步发电机。此种永磁磁路结构的发电机转子装配工艺简单，磁钢适合批量生产，材料利用率较高。

第二，转子铁芯(6)采用0.5mm厚硅钢板冲制成铁芯冲片结构并与驱动转轴(8)叠压成整体，铁芯叠压长度随发电机功率而变化，永磁体长度与铁芯长度相同，每磁极的同极性磁体之间设置有阻尼铜条(4)两端与阻尼端环铆接构成阻尼绕组，以改善电压波形并轴向压紧永磁体。

第三，在转子铁芯(6)顺旋转方向的每个磁极后极靴附近设置有嵌线槽，槽中安装有电励磁绕组(9)，该绕组头尾线按磁场和电流方向由二极管(10)连接形成半波整流电路，该电励磁回路自成闭合电路，与外电路无电联结，在负载时起到辅助励磁作用；该励磁绕组与普通的线圈绕制、嵌线、接线、浸漆等绝缘处理工艺完全一样。

第四，转子铁芯(6)靠近驱动转轴(8)附近设置有空气隔热槽(11)以隔离来自汽油机动力轴传递的热量，同时在磁极之间的过渡部位设置有散热筋(7)并起到刮风散热的作用，在每磁极下靠近稀土磁体附近设置有冷却散热孔(5)，装配后可保证发电机负载时转子永磁体工作温度控制在允许范围以内。

以上所述的仅是本技术发明的优选实施方式，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本技术发明原理的前提下，还可以作出若干结构变形和改进，这些也应该视为本技术发明的保护范围，这些都不会影响本技术发明实施的效果和实用性。

Claims (5)

1.一种新型复合励磁方式的永磁式无刷单相同步发电机，其特征是发电所需磁场由两部分组成：一、转子铁芯(6)上分布的多片同极性稀土永磁体(3)组成一个磁极提供发电机所需的每磁极下空载气隙磁场，保证发电机定子主绕组(2)感应出额定空载电压；二、维持发电机负载时端电压在一定范围稳定所需的强励磁场由设置在转子铁芯(6)顺旋转方向后极靴附近槽中的电励磁绕组(9)感应负载时的负序磁场并经二极管(10)半波整流后向电励磁绕组提供直流励磁电流而产生。

2.根据权利要求1所述的新型复合励磁方式的永磁式无刷单相同步发电机，其结构特征是转子铁芯(6)每个磁极极靴部位并排安装有多片同极性稀土永磁体(3)，永磁体采用平板矩形结构并内嵌于每个磁极极靴部位的矩形槽中，每磁极下同极性磁体排列数量根据发电机空载电压所需的空载气隙磁场大小、气隙极弧系数和稀土永磁体的制造工艺决定，其磁路结构为“同极性磁体并联、异极性磁体串联”的复合磁路结构。

3.根据权利要求1所述的新型复合励磁方式的永磁式无刷单相同步发电机，其结构特征是在转子铁芯(6)顺旋转方向的每个磁极后极靴附近设置有嵌线槽，槽中安装有电励磁绕组(9)，该绕组头尾线按磁场和电流方向由二极管(10)连接形成半波整流电路；每磁极的同极性磁体之间设置有阻尼铜条(4)构成改善电压波形的阻尼绕组。

4.根据权利要求1所述的新型复合励磁方式的永磁式无刷单相同步发电机，其结构特征是转子铁芯(6)靠近驱动转轴(8)附近设置有起隔离汽油机动力轴传递来的热量作用的空气隔热槽(11)，同时在磁极之间的过渡部位设置有起刮风散热作用的散热筋(7)，在每磁极下靠近稀土磁体附近设置有冷却散热孔(5)。

5.根据权利要求1所述的新型复合励磁方式的永磁式无刷单相同步发电机，其定子结构特征是定子铁芯(1)按单相电机磁路特点设计成可提高硅钢板材料利用率的扁圆形状，定子主相绕组(2)按可以减少高次谐波成分的120°相带分布。

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