CN103023255A - 电磁机 - Google Patents

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CN103023255A
CN103023255A CN 201110372081 CN201110372081A CN103023255A CN 103023255 A CN103023255 A CN 103023255A CN 201110372081 CN201110372081 CN 201110372081 CN 201110372081 A CN201110372081 A CN 201110372081A CN 103023255 A CN103023255 A CN 103023255A
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CN 201110372081
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保罗·伊万·利林顿
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辐射通量实验室私人有限公司
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Abstract

公开一种电磁机,包括:绕组定子;以及转子,并且其中,所述转子包括:至少两个磁极,每个磁极由一对成角度地隔开的永久磁体构成;转子磁极片,位于每个所述磁极之间;三角成形空隙,位于所述转子磁极片内;以及多个狭槽,位于所述转子磁极片内。

Description

电磁机技术领域[0001] 本发明总体涉及用作发电机的电磁机(永磁发电机),更具体地,涉及输出电压及 电流波形中谐波分量的控制。背景技术[0002] 永磁(PM)AC发电机是耐用、可靠且高效的。与具有有刷或无刷的励磁机的绕线式 励磁同步发电机(wound-field synchronous generator)相比,永磁AC发电机具有很多吸 引人的特性。尽管具有这些优点,但PM发电机在小型电力系统(诸如5-20kW范围内的单 相和三相的3000rpm(2-极)或1500rpm(4_极)汽油和柴油驱动的发电机中没有得到广泛运用。[0003] 该领域中使用PM发电机的问题在于,2-极和4-极发电机难以设计,且在负载条件 下可能遭受严重的波形畸变。畸变的产生源于所谓的通量曳引效应,该效应导致转子中的 磁通量因为绕组中的负载电流而从磁体径向轴线偏斜。与磁极数量更多的发电机相比,为 实现相同的功率输出,PM 2-极和4-极发电机还使用了更多的磁体材料。[0004] 当前唯一实用的2-极和4-极设计是表面安装磁体的类型。然而,这些设计在 负载条件下也有畸变的输出电压和电流波形,并且在高负载条件下可能遭受磁缘(magnet edge)去磁化。用于2-极和4-极转子的表面安装的磁体段具有大弧段(large arc segment),这表明在其制造中存在大量废料并且增加了磁体的成本。表面安装PM AC发电 机的当前设计在负载条件下显示出巨大的压降。因为恒速条件下这些发电机没有的简单的 调压方法,所以需要良好调压的那些应用无法使用PMAC发电机。[0005] 但是,有些PMAC发电机具有可接受的波形和调压。这些发电机具有坚固的一体PM 转子。这些设计的主要问题在于,就算是在较低功率条件下,它们使用的磁体材料也是等 效的表面安装设计的六倍或更多,并且也不能在4-极配置中制成。相反,此类发电机当在 2-极设计中仅在3kW额定功率及以下时是实用的。如果高于该额定功率,则磁体成本和体 积会按照转子直径的平方而增加,性价比低。[0006] 这些问题表明,PM发电机的当前设计仅适合于低级别、低功率的AC同步发电机, 其中调压和谐波畸变都不重要。[0007] 有必要克服或至少改善这些缺点中的一个或多个。发明内容[0008] 广义上而言,本发明提供了一种包括绕组定子及转子的电磁发电机(电磁机)。该 转子包括:至少两个磁极,每个磁极由一对成角度地隔开的永久磁体构成;转子磁极片,位 于每个所述磁极之间;三角成形空隙,位于转子磁极片中;以及多个狭槽,位于转子磁极片 中。[0009] 披露了其他方面。附图说明[0010] 在附图中:[0011] 图1示出了 2-极发电机的截面图;[0012] 图2A示出了图1发电机的在空载条件下的通量线;[0013] 图2B示出了图1发电机的在满载条件下的通量线;[0014] 图3是图1发电机的局部截面图;[0015] 图4示出了已组装的2-极发电机的剖视图;[0016] 图5不出了 4_极发电机的截面图;[0017] 图6A不出了图5发电机的在空载条件下的通量线;[0018] 图6B不出了图5发电机的在满载条件下的通量线;[0019] 图7示出了具有无通量空隙的已知2-极发电机的在负载条件下的输出电压波 形;[0020] 图8示出了图7的输出波形的基础及谐波频率分量的曲线;[0021] 图9示出了图1的2-极发电机在负载条件下的输出电压波形;以及[0022] 图10示出了图9的输出波形的基础及谐波频率分量的曲线。具体实施方式[0023] 图1以截面图形式示出了实施本发明的2-极发电机装置10。定子100具有传统形 式的绕组101,绕组为单相或三相配置。转子由层叠叠片(stacked lamination)构成。这 种叠片的数量决定了发电机的输出功率。叠片通过穿过隔开孔102和117的棒(rod)(图1 未示出)而夹紧在一起,且固定在任何最靠近端部的叠片,其通常使用端板(未示出)。输 出功率为5kW到20kW的发电机的典型转子直径范围是IOOmm到130mm。叠片包括位于两个 磁极之间的转子磁极片107。每个磁极均由一对(嵌入式)永久磁体103构成,一对永久磁 体通过中间磁体段106成角度地隔开。磁体103和转子磁极片107从中心轴105安装,该 轴通常由非磁性材料制成。[0024] 转子磁极片107包括一系列均匀隔开的狭槽109和中心空隙108。理想条件下,该 空隙从气隙121附近的一个点114延伸到相应磁体底部的内点115和116,然而,这将危害 到转子的结构完整性,在这种情况下,空隙108会脱离所示转子材料的边缘。狭槽109的长 度不同,将来自磁体103的通量以垂直于转子表面的所需角度引入气隙121。可通过建模或 实验性尝试来改变狭槽109的宽度和角度,以便在负载和最高气隙通量条件下实现所需的 最低波形畸变。狭槽109也有助于改变转子的凸极性(saliency),如下文所述。空隙108 和狭槽109通常由自由空间(free space)占据,但也可被非磁性材料(诸如招)填充。[0025] 凸极性是直轴电感(Xd)除以交轴电感(Xq)的比。Xd轴线位于图2A所示方向201 上,而Xq轴线与其成90度。磁通量线202也示出了。狭槽109位于方向206上,方向206 将Xd轴线208 (重新配置以便于图解表示)和磁极(N-S)轴线207之间的角二等分。此类 狭槽的定向代表了 Xd轴线与磁体定向之间的最佳工程折衷方案,并且实现了最优通量流, 该最优通量流在负载和空载条件下均针对图1配置具有最低阻碍。[0026] 通过让磁体在内点118处接触且延伸到外点104的方式来确定磁体102的长度 112和宽度110。理想2-极转子的长度112应为极弧长度的一半,极弧长度为转子的半径,但如果这样的话,磁体的宽度110会为零,不会有容纳轴105的空间。已经发现相对于极弧 长度120的比例为O. 7时能形成最大气隙通量,同时实现充足的轴直径113。外点104受 限于需要克服发电机全速运行时产生的离心力将磁体保持于适当位置的这种需要,但理想 情况下应延伸到转子的整个直径。转子磁极片107上104处的悬垂物也可被移除,磁体可 以通过其他方式(诸如胶合或粘合)被保持在适当位置。2-极转子的弧段111优选为60 度,或是弧长度119的一半,代表的弧度比为1/3 (用于2-极发电机)。分立磁体的布置使 得,通过将所需磁体材料体积减少大约50%而大大节省成本。[0027] 图2B示出了图1的2-极发电机在满载条件下的通量线。尽管空载条件下Xd轴线 201位于通量线的中心,但负载条件下的Xd轴线204移动通过弧线250,引起轴105上的扭 转负载和绕组101中的电流导致的通量曳引。中心空隙108和狭槽109降低了通量曳引效 应。也可看出,来自磁体103的通量线203已经被曳引到右侧。还可进一步看出,绕组101 内流动的电流试图将通量从磁体103曳引到磁体的右手侧。如果允许这种情况发生,那么 气隙120中的通量将会不均匀。所包括的狭槽的数量代表了一个折衷方案,即在增加凸极 性和避免形成磁极片的材料不充足(形成饱和从而导致不良的调压)之间的折衷方案。[0028] 现在参考图3,可以看出,中间磁体段106是弯曲的,提供了大的气隙间隙301,这 么做使得定子100的磁链(flux linkage)保持最小。间隙301受到一种需要的限制,该需 要是需要提供充足的磁性材料以防止中间磁体磁极片106变得饱和。中间磁体段106也将 磁体103固定地锁定在适当位置,并且也防止了磁体与转子磁极片102的密切接触。[0029] 图4示出了图1转子的剖视图,其中,转子磁极片107的层叠叠片通过螺栓401保 持在适当位置。磁体103和磁体段106配备在层叠转子磁极片107之间,且由各自的螺栓固 定。设置中间板404以便对磁极片107进行机械支撑。螺栓401由软或高强度钢制成,并具 有磁性,以便允许通量穿过它们。螺栓401锚固到法兰406,在另一端处,板402和螺母409 用于将转子磁极片102夹紧在一起以及将磁体103和中间磁体段106保持于轴105。为了 便于装配,较长转子的磁体也纵向剖分成多个段103’。轴105具有凹锥形(female taper), 以便从发动机驱动发电机。该锥形驱动(taper drive)可以被替换成任何适当的驱动。在 轴105的背端上,是一根短轴408,其承担了用于端部支承的支撑任务。[0030] 图5示出了实施本发明的4-极PM AC发电机50。发电机具有定子500、绕组501、 嵌入式永久磁体503 (即每磁极具有一对磁体)、中间磁体段506和中心轴505,如图1所不 发电机的情况一样。同样,设置了固定孔502,其与转子磁极片507 —样。在该4-极转子的 布置中,磁体长度512的正确比例是尺寸515,其为极段(pole segment) 504的一半。该尺 寸实现了用于最小磁体体积的最大通量集中(flux concentration)。通过将磁体分成两片 实现的磁体体积的降低小于在2-极转子中的降低,大约为38%。然而,因为更高的气隙通 量,每磁体体积的输出功率也更高。这是因为,理想的磁体-磁极的弧度比可以在4-极设 计中实现。中心空隙508具有图1中一样的尺寸限制,但是具有曲边503,以与所需的4-极 通量线一致。共有具有曲线轮廓的三个通量控制狭槽509,以便也与所需的通量线一致。可 以容纳比图1实施例的情况中更大的轴尺寸514。[0031] 图6A示出了图5的4-极实施例的空载通量线603,其中,Xd轴线601位于通量线 601的中心。与2-极配置相似,弯曲狭槽509被定向在方向606上,其二等分Xd轴线601 和磁极轴线605。可以看出,中心空隙508的曲边513和弯曲狭槽509与通量线603 —致。[0032] 图6B示出了满载条件下4-极转子中的通量线,其中可以看出,通量的有效中心已 经从轴线601移动了一段弧形距离602并到达604。这示例示出了图5的4-极实施例的通 量曳引效应。还可以看出,如图6A所示,绕组中的电流试图向右曳引通量线603。[0033] 图7示出了无通量空隙或通量控制狭槽的已知2-极嵌入式磁体发电机在负载条 件下的输出电压波形。图8是图7波形中谐波的曲线,表示大约19. 0%的第三谐波分量以 及大约7. 0%的第五谐波,总谐波畸变超过20%。[0034] 图9示出了图1所示发电机在负载条件下的输出电压波形,显示为近正弦波形。图 10是图9所示波形中谐波的曲线,表示了大约1. 0%的第三谐波分量以及大约1. 5%的第五 谐波,总谐波畸变低于4%。此外,使得定子偏斜也进一步将总谐波畸变总共降低50-60%。[0035] 其他实施例中,包含绕组101的定子100中的狭槽可以被偏斜一个或多个狭槽,超 过定子的长度,以进一步降低总谐波畸变(THD)。这减少了穿过狭槽开口的磁体产生的谐 波。转子可以铸造为一体件,在狭槽和空隙中使用压铸铝,以有效地将转子段116夹在一 起,从而无需使用夹紧螺栓401和螺母409。转子段107中的空隙和狭槽的第二效果是,改 进负载条件下的调压。[0036] 在所示实施例中,从空载到满载的测定调压非常好,为±3%。改进的THD和调压 的效果也提高了发动机的效率。[0037] 上述仅为本发明的一些实施例,只要不背离本发明的范围和精神,可对本发明进 行修改和/或改变,实施例为示意性而非限制性。

Claims (8)

1. 一种电磁机,包括: 绕组定子;以及 转子, 并且其中,所述转子包括: 至少两个磁极,每个磁极由一对成角度地隔开的永久磁体构成; 转子磁极片,位于每个所述磁极之间; 三角成形空隙,位于所述转子磁极片内;以及 多个狭槽,位于所述转子磁极片内。
2.根据权利要求1所述的电磁机,其中,所述空隙和狭槽的尺寸和位置被设置成使得在负载下的输出电压波形的相对总谐波畸变低于5%。
3.根据权利要求1所述的电磁机,其中,所述空隙位于转子磁极片的中央。
4.根据权利要求3所述的电磁机,其中,所述狭槽位于空隙与相邻磁体之间。
5.根据权利要求4所述的电磁机,其中,所述狭槽在所述转子磁极片内被定向成将直轴电感和磁极轴二等分。
6.根据权利要求5所述的电磁机,其中,在空隙与相邻磁体之间存在两个磁极和四个狭槽。
7.根据权利要求5所述的电磁机,其中,在空隙与相邻磁体之间存在四个磁极和三个狭槽。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电磁机,进一步包括位于每个磁极的磁体之间的三角成形间隔件。
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