CN103956875A

CN103956875A - 一种三路并联混合励磁单枢式无刷单相同步发电机

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Publication number: CN103956875A
Application number: CN201410214494.3A
Authority: CN
Inventors: 林绢华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-05-22
Filing date: 2014-05-22
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2034-05-22
Also published as: CN103956875B

Abstract

一种三路并联混合励磁单枢式无刷单相同步发电机，该发电机定、转子均只有一个铁芯，定子铁芯中布置有三相对称的正弦交流绕组，内部接成Δ形，只有二根引出线对外供给频率50HZ，电压220V的单相交流电；转子铁芯中布置有径向永磁体、切向永磁体，以及一套电励磁绕组与串联二极管形成闭合回路。本发明发电机无电刷、滑环、无交流励磁机、无电压调节器(AVR)，稳态电压调整率在±5％以内，优于一般永磁同步发电机一般大于±10％范围的水平，而其瞬态电压调整率、动态特性、启动异步电动机的性能、带现代非线性负载的性能、效率均优于电励磁同步发电机。本发明发电机成本低，径向、切向永磁体混合布置方式以及电励磁结构简单，可靠性高，具有现实推广意义。

Description

一种三路并联混合励磁单枢式无刷单相同步发电机

技术领域

本发明涉及一种三路并联混合励磁单枢式无刷单相同步发电机，属无刷单相同步电机技术领域。

背景技术

在移动电源中，混合励磁同步发电机研发早已成为热点，市场需求旺盛。但现在的混合励磁同步发电机结构多数为二级电机或多级电机构成，电机的轴向长度长，结构复杂，混合励磁的优势发挥不理想。在移动电源中，发电机的外型尺寸和重量也常常受到许多限制。因此，如何研制出混合励磁单枢式无刷同步发电机成为一个重要课题。目前已有混合励磁单枢式三相无刷同步发电机研究性报导，但这种研究的混合励磁单枢式无刷三相同步发电机转子上布置有双套绕组，绕组结构很复杂，制造困难；而且电励磁磁场与永磁体磁场形成的是串联型混合结构，降低了效率，提高了温升，增加了永磁体发生不可逆退磁的危险，降低了可靠性；另外，至今未见有混合励磁单枢式无刷单相同步发电机实用产品报导，若上述这种单枢无刷结构应用到单相同步发电机中，效率会更低，温升会更高，永磁体发生不可逆退磁的危险更大，可靠性更低，更不适宜用于单相无刷同步发电机中，故混合励磁单枢式无刷单相同步发电机尚处于空白。

有鉴于此，很有必要填补混合励磁单枢式无刷单相同步发电机这个空白，并且应当克服上述串联型混合励磁单枢无刷结构存在的诸多缺点，开发出新型结构的混合励磁单枢式无刷单相同步发电机，使制造更容易，性能更良好，成本更低，效率更高，温升更低，能避免高温及短路时永磁体退磁危险，可靠性更高，产业化前景好。

发明内容

本发明的目的是，为了克服串联型混合励磁单枢无刷结构存在的诸多缺点和问题，本发明公开一种三路并联混合励磁单枢式无刷单相同步发电机。

实现本发明的技术方案是，本发明一种三路并联混合励磁单枢式无刷单相同步发电机是一种单枢式无刷结构，没有滑环及电刷，定、转子均只有一个铁芯；发电机也没有交流励磁机，也不用电压调节器(AVR)。

本发明单枢式无刷单相同步发电机由定子和转子组成。定、转子铁芯材料均为硅钢片，定、转子间有气隙，保证定、转子工作时不相摩擦，常规的定子铁芯的槽中布置有三相对称的常规的正弦交流绕组，接成Δ形，Δ形中无环流，只有二根引出D₁D₂二个端子对外供应50HZ、220V的单相交流电源。

本发明转子铁芯中布置有径向永磁体、切向永磁体和一套电励磁绕组，所述电励磁绕组与串联二极管形成闭合回路；空载发电时，径向永磁体主磁场、切向永磁体漏磁场通过定、转子气隙，同向二路并联励磁发电至额定电压；带负载时，径向永磁体主磁场、切向永磁体主磁场以及转子励磁绕组电励磁磁场三路通过定、转子气隙同向并联励磁工作，由于电励磁磁场和切向永磁体主磁场都随负载的大小变化而自动跟随相应变化，故使端电压得以稳定。所述转子铁芯两端还设置固定有阻尼板，转子铁芯上阻尼孔中的阻尼杆接阻尼板。

本发明中的转子铁芯由专门设计的转子冲片迭压而成，在转子铁芯中具有三种不同形状的槽形，以便在其中布置永磁体和转子绕组。第一种是梯形槽，在其中内置径向永磁体，由于梯形槽口小于槽底，因此径向永磁体置于其中旋转工作时不会甩出槽口，安全可靠；第二种是异形槽，在其中只布置一套转子电励磁绕组，结构比双套转子绕组式结构简单得多，而且这一套转子电励磁绕组是直接绕制在异形槽中，绕组导体通过槽楔固定在异形槽中，工作时不会甩出，这套绕组与单向二极管串联后自行形成闭合回路，自发电自整流，这种方式制造容易，工艺性好，又安全可靠；第三种是矩形槽，其中布置切向永磁体，是一种内置方式，安全可靠，安装方便。

本发明转子冲片上冲有转子轴孔，两个梯形槽，转子冲片上还冲有四个异形槽，两个矩形槽，12个阻尼孔，6个工艺孔。转子轴孔位于圆形转子冲片的中心；两个梯形槽位于转子冲片的同一直径的两端，用于转子嵌放径向永磁体用；四个异形槽和两个矩形槽分别位于两个梯形槽所在转子冲片直径的两侧；每一侧有一个矩形槽连接两个用于嵌放转子电励磁绕组的异形槽，矩形槽用于嵌放切向永磁体；被梯形槽和矩形槽分割的转子冲片外圆的每个边沿分别均匀分布有三个阻尼孔，沿转子冲片外圆的边沿共有12个阻尼孔；两个梯形槽与转子轴孔之间的转子冲片上分布有6个工艺孔。通过两个梯形槽中心的直径MN与通过两个矩形槽中心的直径PQ相互垂直；两个异形槽以直径MN为对称轴呈对称分布；阻尼孔以直径MN和直径PQ为对称轴呈对称分布；工艺孔以PQ为对称轴呈对称分布。

本发明一种三路并联混合励磁单枢式无刷单相同步发电机的原理简述如下：当原动机带动发电机的转子旋转时，转子上的径向永磁体主磁场和切向永磁体的漏磁场均经过定、转子气隙同向并联工作，切割定子绕组产生预定的空载额定电压，空载时转子励磁绕组中无电流流过，因而无电励磁部分；当单相发电机带上负载后，定子产生脉振的磁势，使得转子绕组产生感应电势，由于转子绕组上串联有单向二极管组成了闭合回路，故转子绕组中流过的直流电流产生了转子的电励磁磁场，设计时已规定了直流电方向，使该电励磁磁场方向也与径向永磁体磁场方向一致，同时由于电励磁方向，使得切向永磁体主磁场与径向永磁体主磁场、电励磁磁场均经过定、转子气隙三路磁场同向并联工作，由于此时电励磁磁场和切向永磁体主磁场都是随着负载增大而增大，负载减小而减小，当负载增大，发电机端电压下降，电磁场和切向永磁体工作磁场励磁增加，促使发电机端电压回升。负载变化，转子工作总磁场随着变化，因此具备较好的电压稳定精度，不需要使用电压调节器(AVR)其稳态电压调整率可达到±5％以内，优于纯永磁同步发电机一般均大于±10％范围的水平，同时也具有良好的动态工作性能，瞬态电压调整率、启动异步电动机能力、带现代非线性负载的能力均优于常规电励磁无刷单相同步发电机。

由于本发明有二种永磁场参与励磁，而电励磁电源又是源自发电机负载时定子脉振磁势，无须外电源励磁，这二者都使发电机效率大大提高，本发明发电机效率要高于同规格常规电励磁无刷单相同步发电机5％以上，本发明具有现实的推广意义。这种新型结构电机达到了发明的目的。

本发明的有益效果是，本发明实现了三路并联混合励磁单枢式无刷单相同步发电机的新型结构，使其转子只有一套自发电自励磁绕组，切向永磁体工作磁场可变化，不用电压调节器(AVR)电压调整率可达±5％以内，优于永磁发电机一般大于±10％的范围水平；本发明单枢式无刷单相同步发电机的瞬态电压调整率、启动异步电动机的能力、带非线性负载能力均优于电励磁无刷单相同步发电机。本实施例3KW单相发电机效率达77％，比同规格电励磁无刷单相发电机效率70％，高出7％；重量比同规格电励磁单相发电机减小20％，轴向长度缩小25％；本发明单枢式无刷单相同步发电机比一般内置式永磁发电机节省永磁体70％以上，大大降低了永磁材料成本。

附图说明

图1为本发明的电气原理图；

图2为本发明的发电机转子冲片图；

图中图号：1是定子；2是转子；21是转子冲片；22是转子轴孔；23是梯形槽；24是异形槽；25是矩形槽；26是阻尼孔；27是工艺孔；N₁S₁、N₂S₂为径向永磁体；N₃S₃、N₄S₄为切向永磁体；F₁F₂为电励磁绕组，Z为单向二极管，R为压敏电阻；定子1中a、b、c为三相对称的正弦交流绕组，内部接法为Δ接法，二线引出D₁、D₂，两个端子对外供应50HZ、230V单相交流电源。

具体实施方式

本发明具体实施例为一个二极的单相同步发电机，是按其发明内容组成的一种三路并联混合励磁单枢式无刷单相同步发电机，结构类似小型绕线式转子的异步电动机，定、转子均只有一个，是一种单枢式结构。

本实施例发电机功率3KW，单相电压220V，转速3000r/min，频率50Hz，定子Z＝24槽，定子绕组a、b、c三相绕组按常规正弦绕组设计布置，常规正弦绕组已为业内的通用技术，此处不再赘述。这种三相正弦绕组内部接成Δ形，二线引出D₁、D₂两个端子对外供应50Hz、230V单相交流电流，Δ形中无环流，而这种三绕组接法的定子绕组散热均匀，温升低，且提高了供电的可靠性。

本发明发电机的转子铁芯是由特殊设计的转子冲片21迭压而成的，本实施例发电机转子冲片如图2所示，是一种二极结构，转子冲片21上冲有转子轴孔22，梯形槽23两个，转子冲片上还冲有四个异形槽24，两个矩形槽25，12个阻尼孔26，6个工艺孔27。转子轴孔22位于圆形转子冲片21的中心；两个梯形槽23位于转子冲片21的同一直径MN的两端，用于转子嵌径向永磁体用；四个异形槽24和两个矩形槽25分别位于两个梯形槽所在转子冲片直径PQ的两侧；每一侧有一个矩形槽25连接两个用于嵌放转子电励磁绕组的异形槽24，矩形槽25用于嵌切向永磁体；被梯形槽和矩形槽分割的转子冲片外圆的每个边沿分别均匀分布有三个阻尼孔26，沿转子冲片外圆的边沿共有12个阻尼孔；两个梯形槽23与转子轴孔22之间的转子冲片上分布有若干个工艺孔27。

通过两个梯形槽23中心的直径MN与通过两个矩形槽25中心的直径PQ相互垂直；两个异形槽24以直径MN为对称轴呈对称分布；阻尼孔26以直径MN和直径PQ为对称轴呈对称分布；工艺孔27以PQ为对称轴呈对称分布。

转子冲片21迭压成转子铁芯后通过轴孔22固定在转轴上，在转子铁芯中，将图1中径向永磁体N₁S₁、N₂S₂分别嵌入2个梯形槽23中，径向永磁体形状与梯形槽23相似配合；而将图1中转子绕组F₁F₂直接绕置在4个异形槽24中，并在槽口用槽楔固定槽中绕组导体；在2个矩形槽25中内置图1中N₃S₃、N₄S₄切向永磁体，切向永磁体形状与矩形槽25相似配合；阻尼孔26中有阻尼杆与转子铁芯两端阻尼板焊接组成笼形横轴阻尼，可改善电压波形；如图1中二个径向永磁体N₁S₁、N₂S₂分别嵌入图2中两个梯形槽23中，N₁、N₂方向都向上；如图1中的转子电励磁绕组F₁F₂直接绕在异形槽24中，并在槽口用槽楔固定，异形槽24中的绕组导体F₁F₂引出线通过图2中的工艺孔27在转子铁芯端部一侧同时引出，与单向二极管Z相串联形成闭合回路，F₁F₂两端还并接压敏电阻R，R做保护用；Z二极管接入的方向应使F₁F₂绕组在负载时感应的电势自整流形成的直流电励磁磁场形成的方向与N₁S₁、N₂S₂磁场方向一致；如图1中的切向永磁体内置在图2中的矩形槽25中，两个切向永磁体N₃S₃、N₄S₄分别内置在图2矩形槽25中，N₃、N₄方向都向上；空载发电时，电励磁绕组F₁F₂内无感生电势电流产生，故无电励磁工作；空载发电时，切向永磁体N₃S₃、N₄S₄主磁场基本上不通过定、转子气隙，而是在转子铁芯内形成磁短路，但N₃S₃、N₄S₄的漏磁场会通过定、转子气隙，参与空载励磁工作；空载发电时，径向永磁体N₁S₁、N₂S₂主磁场通过定、转子间气隙励磁工作；因此空载发电时是由径向永磁体N₁S₁、N₂S₂主磁场与切向永磁体N₃S₃、N₄S₄漏磁场同向经过定、转子气隙并联励磁工作的，并输出额定空载电压；发电机负载时，由于定子绕组会产生脉振电磁势，电励磁绕组F₁F₂内会感生电势经二极管Z在其闭合回路中有直流电流过，因此产生了直流电励磁磁场，电励磁场方向与径向永磁体N₁S₁、N₂S₂同向，这个电励磁场是自动随着负载电流增大而增大，负载电流减小而减小的，同时当电励磁磁场大小变化时，切向永磁体N₃S₃、N₄S₄的环路也发生变化，电励磁增大时，N₃S₃、N₄S₄通过定、转子气隙的磁场同向增大，电励磁减小时，N₃S₃、N₄S₄通过定、转子气隙的磁场也同向减小，由此可见，负载时，径向永磁体N₁S₁、N₂S₂主磁场；切向永磁体N₃S₃、N₄S₄主磁场；F₁F₂形成的电励磁磁场均经过定、转子气隙三路并联励磁同向工作，自动维持负载时的电压稳定，克服了串联型混合励磁的诸多缺点，同时由于电励磁和切向永磁励磁都有与负载大小变化而随之变化的特性，故不采用电压调节器时，稳态电压调整率也能控制在±5％以内，达到国家电励磁无刷单相同步发电机的标准，具有很好的实用性，优于永磁同步发电机一般稳态电压调整率大于±10％的范围的水平。这种新型结构加工、装配及维护维修和可靠性方面也优于一般的永磁发电机，其瞬态电压调整率、启动异步电动机的性能、带现代非线性负载的能力，都优于常规电励磁无刷单相同步发电机，而发电机效率高于同规格电励磁无刷单相同步发电机5％以上。

Claims

1.一种三路并联混合励磁单枢式无刷单相同步发电机，包括定子和转子，其特征在于，所述电机的转子铁芯中布置有径向永磁体、切向永磁体和一套电励磁绕组，所述电励磁绕组与串联二极管形成闭合回路；空载发电时，径向永磁体主磁场、切向永磁体漏磁场通过定、转子气隙，同向二路并联励磁发电至额定电压；带负载时，径向永磁体主磁场、切向永磁体主磁场以及转子励磁绕组电励磁磁场三路通过定、转子气隙同向并联励磁工作，由于电励磁磁场和切向永磁体主磁场都随负载的大小变化而自动跟随相应变化，故使端电压得以稳定。

2.根据权利要求1所述的一种三路并联混合励磁单枢式无刷单相同步发电机，其特征在于，所述转子铁芯由专门设计的转子冲片迭压而成；所述转子冲片上冲有转子轴孔，两个梯形槽，转子冲片上还冲有四个异形槽，两个矩形槽，12个阻尼孔，6个工艺孔；转子轴孔位于圆形转子冲片的中心；两个梯形槽位于转子冲片的同一直径的两端；四个异形槽和两个矩形槽分别位于两个梯形槽所在转子冲片直径的两侧；每一侧有一个矩形槽连接两个用于嵌放转子电励磁绕组的异形槽；被梯形槽和矩形槽分割的转子冲片外圆的每个边沿分别均匀分布有三个阻尼孔，沿转子冲片外圆的边沿共有12个阻尼孔；两个梯形槽与转子轴孔之间的转子冲片上分布有工艺孔。

3.根据权利要求1所述的一种三路并联混合励磁单枢式无刷单相同步发电机，其特征在于，所述转子铁芯的二个梯形槽分别嵌放径向永磁体N₁S₁、N₂S₂，N₁、N₂方向向上。

4.根据权利要求1所述的一种三路并联混合励磁单枢式无刷单相同步发电机，其特征在于，所述转子铁芯的四个异形槽用于嵌放转子电励磁绕组F₁F₂，F₁F₂引出线通过工艺孔在转子铁芯端部一侧同时引出，与单向二极管Z相串联形成闭合回路，F₁F₂两端还并接压敏电阻R，二极管Z接入的方向应使F₁F₂绕组在负载时感应的电势自整流形成的直流电励磁磁场方向与N₁S₁、N₂S₂磁场方向一致。

5.根据权利要求1所述的一种三路并联混合励磁单枢式无刷单相同步发电机，其特征在于，所述转子铁芯的两个矩形槽分别用于嵌放切向永磁体N₃S₃、N₄S₄；N₃、N₄方向向上。

6.根据权利要求1所述的一种三路并联混合励磁单枢式无刷单相同步发电机，其特征在于，所述转子铁芯两端还设置固定有阻尼板，转子铁芯阻尼孔中设置的阻尼杆与转子铁芯两端的阻尼板焊接组成笼形横轴阻尼。

7.根据权利要求2所述的一种三路并联混合励磁单枢式无刷单相同步发电机，其特征在于，所述转子冲片上，通过两个梯形槽中心的直径MN与通过两个矩形槽中心的直径PQ相互垂直；两个异形槽以直径MN为对称轴呈对称分布；阻尼孔以直径MN和直径PQ为对称轴呈对称分布；工艺孔以PQ为对称轴呈对称分布。