CN105531913B - 大输出高效率单相多极的发电机 - Google Patents

Abstract

提供了一种大输出高效率单相多极的发电机，所述发电机的输出可以增大，材料的量可以减少，并且具有简单的结构。发电机(10)具有转子(12)和定子(14)，所述转子(12)具有m或2·m(m：不小于2的偶数)个磁极部分(18)，所述磁极部分(18)布置为沿着圆周方向交替地具有不同的极性；所述定子(14)具有m·n(n：3或4)个齿状部(22)，所述齿状部(22)沿着与转子(12)相对的方向突出，所述齿状部(22)沿着圆周方向以等空隙形成。所述定子(14)具有沿着圆周方向在等间隔处缠绕齿状部(22)的m个定子线圈(26)。每个定子线圈(26)缠绕相邻的n‑1个齿状部(22)。利用这种简单的结构，发电机(10)的输出可以增大，并且其材料的量可以减少。

Description

大输出高效率单相多极的发电机

技术领域

本发明涉及一种大输出高效率单相多极的发电机，其具有包括磁极的转子和包括定子线圈的定子，更具体而言，本发明涉及发电机的结构改进。

背景技术

已知这样的发电机：其具有固定至输入轴的转子以及与转子间隔设置的定子。所述转子具有由磁体形成的磁极，所述磁体设置为沿着转子的圆周方向交替地具有不同的磁性。并且，定子具有与转子的磁体相对的突出形成的齿状部和缠绕齿状部的定子线圈。在这样构造的发电机中，通过作用在由转子的旋转而产生的旋转磁场和定子线圈之间的电磁感应而在定子线圈中感应产生电压，这使得电流流动并且产生电力。

在由发电机产生的电力为多相交流电的情况下，用于不同相的定子线圈通常沿着圆周方向依次等间隔地进行设置。从定子线圈产生了相同大小的电动势，并且取得具有均匀分布的相位的多相交流电的电力。例如，就三相交流电发电机而言，得到其间具有120°的相位差的三相交流电的电力。就五相交流电发电机而言，得到其间具有72°的相位差的五相交流电的电力。

下文所示的专利文件1公开了具有这样的转子的旋转电动机：在所述转子中，沿着圆周方向等间隔地形成有沿着轴向方向延伸的多个保持孔，并且将磁体分别设置于所述孔。

下文所示的专利文件2公开了这样的三相交流电发电机：其具有圆柱形转子和定子，在所述圆柱形转子的内周设置有永磁体，所述定子设置为与所述转子的内周间隔开。所述定子具有设置为径向向外突出的齿状部以及缠绕该齿状部的定子线圈。在该发电机中，通过由于转子的旋转而引起的永磁体与定子线圈之间的电磁感应来产生电力。

引用列表

专利文献

专利文件1：日本专利公开第2000-228838号

专利文件2：日本专利公开第2004-166381号。

发明内容

技术问题

如上所述，在常规的三相交流电发电机中，定子线圈设置为使得可以获得三相交流电的电力，以使得由不同相产生的电动势的大小彼此相等，并且相位之间的差为120°。基于这种布置，可以通过使转子在高速旋转范围(例如，1600、2000、3500或4000rpm)内旋转来产生三相交流电的电力，以便满足发电机的输出特性要求。然而，当转子在如上所述的线圈结构的发电机内旋转时，由于结构的原因，必定会出现大磁阻、大扭矩，增加热量的产生，从而降低了发电机的输出电力，并且有可能损坏发电机或者缩短发电机的寿命。

可以通过仅仅改变线圈绕线结构增加定子线圈的数量便能使转子既能用原有的高速旋转也能在低速旋转范围(例如，1000rpm或者更低)内旋转来抑制上述的热量产生。然而，常规的三相交流电发电机的线圈布置存在以下问题：定子线圈的结构致使磁阻增大，由此使得转子无法低耗能轻松旋转或者不易达到期望的旋转速度，导致无法获得期望的输出电力。

本发明的目标在于提供这样一种大输出高效率的发电机：其结构简单并且能够设计用于增大输出电力并且降低输入驱动动力能耗，并减少了用于定子线圈的导体材料的量。

解决问题的方案

本发明提供了一种大输出高效率单相多极的发电机，其包括转子和定子；所述转子具有m或2m(m：不小于2的偶数)个磁极部分，该磁极部分布置为沿着圆周方向交替地具有不同的极性；所述定子具有沿着与转子相对的方向突出的m·n(n：3或4)个齿状部，所述齿状部沿着圆周方向以等空隙形成，其中，定子具有在沿着圆周方向的等空隙处缠绕齿状部的m个定子线圈，并且其中每个定子线圈缠绕相邻的n-1个齿状部。

优选地，每个磁极部分由具有相同极性的多个磁极形成。

优选地，用于从复数多个独立的定子线圈输出产生的电力的电路，由电压求和电路或者电流求和电路形成，所述电压求和电路通过串联连接而形成以获得电压之高，所述电流求和电路通过并联连接而形成以获得电流之大。

优选地，用于从定子线圈输出的产生的电力的电路由电压求和电路(所述电压求和电路通过串联连接而形成以获得电压之和)与电流求和电路(所述电流求和电路通过并联连接而形成以获得电流之和)的结合而形成。

定子线圈所缠绕的齿状部可以形成为一个整体。

发明的有益效果

根据本发明的大输出高效率单相多极的发电机结构简单，能够增大输出电力并且降低输入驱动动力能耗，并减少了用于定子线圈的导体材料的量。

附图说明

图1为示出了根据本发明的实施方案的大输出高效率单相多极的发电机的布置的示意图。

图2为示出了定子线圈的设置的示意图。

图3为示出了产生电力输出电路的示例的示意图。

图4为示出了产生电力输出电路的另一个示例的示意图。

图5为示出了根据另一个实施方案的大输出高效率单相多极的发电机的布置的示意图。

图6为示出了根据再一个实施方案的大输出高效率单相多极的发电机的布置的示意图。

图7为示出了根据进一步的实施方案的大输出高效率单相多极的发电机的布置的示意图。

图8为具有电磁体的转子的分解立体图。

图9为具有电磁体的转子的立体图。

图10为示出了磁极铁芯的远端部分的形状的示例的示意图。

图11为示出了定子线圈所缠绕的齿状部的外观的示意图。

附图标记

10 大输出高效率单相多极的发电机

12、32 转子

14、34 定子

16 输入轴

18 磁极部分

19 永磁体

20 磁轭

22 齿状部

24 槽

26 定子线圈

28 电流求和(大)电路

30 电压求和(高)电路

38 磁极铁芯

40 绕线筒

42 转子线圈

44 集电环。

具体实施方式

下文将参考附图来描述根据本发明的大输出高效率单相多极的发电机的实施方案。图1为示出了根据该实施方案的大输出高效率单相多极的发电机的布置的示意图。图2为示出了定子线圈的设置的示意图。

根据本发明的大输出高效率单相多极的发电机(在下文中简称为“发电机”)10为从多个定子线圈中的每个产生单相交流电的电力的发电机。发电机10具有转子12和定子14。转子12可旋转地设置为与定子14的内周间隔开。

转子12为由磁性材料制成的圆柱形构件并且与输入轴16同心。例如，转子12通过沿着其轴向方向堆叠电磁钢板来进行构造。转子12固定至输入轴16以与输入轴16整体地可旋转。转子12具有沿着其圆周方向布置的八个磁极部分18。该实施方案中的磁极部分18为永磁体19。八个永磁体19以等空隙设置，从而使N极和S极沿着转子12的圆周方向交替地设置。上述磁极部分18的数量仅为示例。磁极部分18的数量可以为m(m：不小于2的偶数)。

在该实施方案中，作为磁极部分18设置的永磁体19的每一个沿着轴向方向而布置于转子12的周面。但是，本发明并不限于该布置。永磁体19可以设置为嵌入至形成于转子12的孔中，以沿着轴向方向延伸。虽然该实施方案就转子12通过堆叠电磁钢板来构造的情况进行了描述，但是本发明并不限于该布置。转子12可以由压粉磁芯形成，只要其是由磁性材料制成的。

定子14设置为围绕转子12并且与转子12相隔较小间隔。定子14为由磁性材料制成的圆柱形构件并且与输入轴16同心。例如，定子14通过沿着轴向方向堆叠电磁钢板来进行构造。更具体而言，定子14通过以下步骤来形成：利用压力将电磁钢板冲压为板材形式，沿着轴向方向堆叠预定数量的经冲压的电磁钢板，并且通过例如按压嵌缝的作业来连接堆叠的复数个电磁钢板。

虽然该实施方案描述了通过堆叠电磁钢板来构造定子14的情况，但是本发明并不限于该布置。定子14可以由压粉磁芯形成，只要其是由磁性材料制成的。

定子14具有环形磁轭20和齿状部22，所述齿状部22从磁轭20的内周径向向内突出，并且沿着圆周方向以预定的间隔进行设置。在该实施方案中，沿着圆周方向以等间隔设置有二十四个齿状部22，如图1所示。齿状部22的该数量仅为示例。可以将齿状部22的数量设置为3·m。

在每个相邻的成对齿状部22之间形成有槽24，该槽24为通道形式的空间。绕齿状部22缠绕有导体，并且该导体穿过槽24以形成定子线圈26。

在由此构造的发电机10中，通过作用在由转子12的旋转而产生的旋转磁场和定子线圈26之间的电磁感应而在定子线圈26中感应产生电压，从而产生电力。

根据该实施方案的发电机10的特征是：定子14具有数量与磁极部分18的数量相同的定子线圈26，该定子线圈26沿着圆周方向以等空隙设置，并且每个定子线圈26缠绕两个相邻的齿状部22。

如上所述，数量与磁极部分18的数量相同的定子线圈26沿着圆周方向以等空隙设置，从而产生单相交流电的电力。并且，定子线圈26的每一个缠绕两个相邻的齿状部22，从而相比于定子线圈设置为可以获取三相交流电的电力的发电机，限制了对抗旋转的转子12的反作用(即，对抗磁极部分18的反向扭矩)的增大。因此，转子12的旋转速度可以容易地增大，从而增大输出。

在常规的三相交流电发电机中，例如，用于每相的定子线圈缠绕数个齿状部，在所述数个齿状部之间存在用于另外两相的另外数个齿状部，定子线圈设置为使得相之间的相位差均一地设置为120°。在根据本发明的发电机10中，采用了可以将定子线圈设置为可以获取三相交流电的电力的定子14，但是将定子线圈26设置为在定子线圈26之间没有相位差或者设定180°的相位差。这种布置确保了定子线圈26的单相设置。与用于三相交流电的定子线圈设置相比，由于减少了该实施方案中的定子线圈26的数量，并且限制了对抗旋转的转子12的反作用(即，对抗磁极部分18的反向扭矩)的增大，因而促进了转子12的旋转速度的增大。

如图1和图2中所示，缠绕着齿状部22的定子线圈26的数量(该数量为八)小于齿状部22的数量(该数量为二十四)。并且，通过连续地缠绕相邻成对的齿状部22来设置定子线圈26，并且在每个相邻成对的定子线圈26之间设置有一个未缠绕线圈的齿状部22。基于这种布置，进一步限制了对抗磁极部分18的反向扭矩的增大，从而使得转子12的旋转速度可以增大。可以发现，相比于具有设置在全部二十四个齿状部22上的用于三相交流电的定子线圈(分布式绕组或者集中式绕组)的三相交流电发电机，根据该实施方案的发电机10可以获取增大的输出。并且，相比于具有简单地沿着圆周方向均一设置的八个齿状部和定子线圈的单相交流电发电机，根据该实施方案的发电机10可以获取增大的输出。

该实施方案中用于从定子线圈26输出的产生的电力的电路为电压求和电路(所述电压求和电路通过串联连接而形成从而获得电压之和)或者电流求和电路(所述电流求和电路通过并联连接而形成从而获得电流之和)。通过形成这样的作为产生电力输出电路的电压求和电路或者电流求和电路可以获得期望的电压与电流输出。也可以利用由电压求和电路与电流求和电路的结合而构成的产生电力输出电路来获得期望的电压与电流输出。

下面将参考图3和图4来描述用于发电机10的产生电力输出电路。首先将描述图3中所示的产生电力输出电路。产生电力输出电路具有如下配置：其中，线圈C1、C2、C3以及C4的输出端彼此并联连接；线圈C5、C6、C7以及C8的输出端彼此并联连接；并且由此形成的两个并联连接电路彼此串联连接。线圈中的某些线圈的输出端彼此并联连接，从而可以对产生电力的电流进行求和。通过进行这种并联连接来形成电流求和电路28a。两个电流求和电路28a彼此串联连接，从而可以对产生电力的电压进行求和。通过进行这种串联连接而形成电压求和电路30a。利用这种方式来布置产生电力输出电路，从而可以输出电流增大和电压相对显著地增大的电力。

图4中所示的产生电力输出电路也为电流求和电路28a与电压求和电路30a的结合的示例。即，产生电力输出电路具有如下配置：其中，线圈C1、C2、C3以及C4的输出端彼此串联连接；线圈C5、C6、C7以及C8的输出端彼此串联连接；并且由此形成的两个电压求和电路30a彼此并联连接。利用这种方式来布置产生电力输出电路，从而可以输出电流增大和电压相对显著地增大的电力。

在所有的定子线圈26都沿着相同方向缠绕齿状部22的情况下，从线圈C1、C3、C5以及C7输出的电压波形彼此相同，并且从线圈C2、C4、C6以及C8输出的电压波形相对于来自线圈C1、C3、C5以及C7的波形改变了180°。因此，，有必要通过将在电流求和电路28和电压求和电路30中的这些端子换向来连接线圈C2、C4、C6以及C8的输出端，以使得来自线圈C2、C4、C6以及C8的电压波形变得与来自线圈C1、C3、C5以及C7的波形相同。另一方面，在线圈C2、C4、C6以及C8的绕组的方向反向的情况下，从线圈C1至C8输出的电压波形彼此相同，因此，在电流求和电路28和电压求和电路30中可以按照相同的次序来连接线圈C1至C8的输出端。

虽然图3和图4中所示的产生电力输出电路描述了定子线圈26按照线圈编号次序进行布置的情况。但是，本发明并不限于此。不必须要求定子线圈26的输出端按照线圈标号次序来进行连接。

图1中所示的实施方案描述了这样的情况：一个磁极部分18为一个永磁体19，并且永磁体19以等空隙设置以使得沿着圆周方向交替地设置N极和S极。但是，本发明并不限于该布置。一个磁极部分18可以由具有相同极性的成对的磁体形成，并且形成磁极部分18的磁体可以布置为沿着圆周方向来将一个磁体与另一个磁体间隔开。

图5为示出了根据另一个实施方案的发电机10的布置的示意图。在这种情况的转子12中，磁极部分18布置为沿着圆周方向交替地具有不同的极性，如图1中所示的磁极部分18。每个磁极部分18由成对的具有相同极性的永磁体19形成。因此，在转子12中，十六个永磁体19按照N、N、S、S、N、N、S、S……的次序来布置。这种布置具有如下效果：其使得穿过每个定子线圈26的磁通量的波形在其峰值附近更平缓，并且使得波形的宽度在整体上更宽。因此，相比于利用如图1中所示的转子12的发电机，可以降低对抗旋转的转子12的反作用，并且可以获得增大的输出。该实施方案已经描述了每个磁极部分18由成对的具有相同极性的磁体形成的情况。但是，本发明并不限于该布置。可选地，磁极部分18可以由三个或更多个具有相同极性的磁体形成。

所述两个实施方案已经描述了发电机10为内部转子发电机(其转子12设置于定子14的内部)的情况。但是本发明并不限于该配置。如图6中所示，发电机10可以为外部转子发电机(其转子设置于定子的外部)。

图6为示出了根据再一个实施方案的发电机10布置的示意图。该发电机10可以为外部转子发电机(其转子32设置于定子34的外部)。

在转子32中，八个磁极部分18布置于内周侧，以使得沿着圆周方向交替地具有不同的极性。每个磁极部分18由成对的具有相同极性的永磁体19形成。因此，在转子32中，十六个永磁体19按照N、N、S、S、N、N、S、S……的次序来布置。

定子34为圆柱形式的中空构件，输入轴16可以延伸穿过该中空构件。定子34与输入轴16同心。定子34具有环形磁轭20和齿状部22，齿状部22从磁轭20的外周径向向外突出并且沿着圆周方向以预定的间隔进行设置。在该实施方案中，沿着圆周方向设置有二十四个齿状部22，如图6中所示。齿状部22的该数量仅为示例。在每个相邻成对的齿状部22之间形成有槽24，槽24为通道形式的空间。

沿着圆周方向等间隔设置有八个线圈定子26。定子线圈26连续地缠绕相邻成对的齿状部22，并且在每个相邻成对的定子线圈26之间存在一个未缠绕定子线圈26的齿状部22。

与常规的发电机相比，如同上述的两个实施方案所能实现的一样，由此构造的发电机10也可以获得增大的输出。如上所述，设置有不具有绕组的齿状部22；换句话说，相对于齿状部22的数量，定子线圈26的数量减少了，从而有助于将定子线圈26附接至齿状部22的操作。

该实施方案已经就以下情况进行了描述：其中，沿着圆周方向以等间隔设置有与磁极部分18数量相同的定子线圈26，也就是说，当定子线圈26的数量为m时，磁极部分18的数量为m。但是本发明并不限于该布置。如果产生了单相交流电的电力，则当定子线圈26的数量为m时，可以将磁极部分18的数量设置为2·m。将参考图7对此进行描述。

参考图7，如上述实施方案，沿着圆周方向设置有二十四个齿状部22；八个定子线圈26通过连续地缠绕相邻成对的齿状部22来等间隔地沿着圆周方向设置；十六个永磁体19(其为磁极部分18)布置在转子12上，以沿着圆周方向交替地具有不同的极性。利用这种配置，使从定子线圈26输出的所有电压波形彼此相同，并且可以容易地获取单相交流电的电力。另外，在该实施方案中，每个磁极部分18可以由成对的具有相同极性的永磁体19形成，以获得进一步增大的输出。

该实施方案已经描述了每个定子线圈26缠绕两个相邻的齿状部22的情况。但是本发明并不限于该布置。每个定子线圈26可以缠绕三个相邻的齿状部22。在该布置中，如果定子线圈26的数量为m，则齿状部22的数量为4·m。从而可以在每个相邻成对的定子线圈26之间设置有一个未被定子线圈26缠绕的齿状部22。对于单相交流电的电力的产生，磁极部分18的数量为m或2·m。

发明人所进行的试验的结果表明：与常规的三相交流电发电机相比，上述发电机10中的每个都具有增大的转子12的旋转速度，并且可以获得增大的输出。具体而言，通过将齿状部22的数量设置为48、36、72以及96中的任何一个，可以获得显著增大的输出。另一方面，在发电机10中，与常规的三相交流电发电机相比，用于定子线圈26的导体显著地减少，从而实现了节约材料的效果。

每个实施方案已经描述了布置在转子12上的磁极部分18为永磁体19的情况。但是本发明并不限于这种布置。可选地，磁极部分18可以为电磁体部分。并且，磁极部分可以通过缠绕转子线圈而形成。

下面将参考图8和图9来描述具有电磁体的转子12的布置示例。图8为具有电磁体的转子12的分解立体图。图9为具有电磁体的转子12的立体图。

在该实施方案中，转子12为Lundell转子，其中，两个磁极铁芯38通过压入配合而经由绕线筒40来彼此配合，从而进行固定。沿着轴向方向的磁极铁芯38的远端部分38a具有类似爪形的形状。远端部分38a的数量对应于磁极的数量。在该实施方案中，每个磁极铁芯38具有四个远端部分38a。因此，磁极的数量为八个。远端部分38a的数量(即，磁极的数量)可以自由设置。

转子线圈42缠绕着绕线筒40。设置在输入轴16上的集电环44电连接至转子线圈42。当对转子线圈42通电时，两个磁极铁芯38可以具有磁极。更具体而言，如图8中所示，N磁极形成于磁极铁芯38中的一个的远端部分38a，并且S磁极形成于磁极铁芯38中的另一个的远端部分38a，从而在转子12中形成交替地具有不同磁性的电磁体。

在这种Lundell转子中，磁极部分18可以由电磁体形成。图9示出的实施方案描述了这样的情况：一个磁极部分18为具有一个极性的远端部分38a中的一个，并且远端部分38a以等间隔设置以使得N极和S极沿着圆周方向交替地设置。但是，本发明并不限于该布置。可选地，一个磁极部分18可以为成对的具有相同极性的远端部分38a，并且这样的远端部分38a可以布置为沿着圆周方向彼此间隔开。即，电磁体可以按照N、N、S、S、N、N、S、S……的次序来布置。

图10示出了磁极铁芯38的远端部分38a的形状。参考(a)，类似于图8和图9中所示的爪形的远端部分38a以拆分成两个的方式而形成。在这种布置中，具有相同极性的远端部分38a可以布置为沿着圆周方向而彼此间隔开。参考(b)，远端部分38a具有矩形形状，并且以拆分成两个的方式而形成。并且在这种布置中，具有相同极性的远端部分38a可以布置为沿着圆周方向而彼此间隔开。

所述实施方案已经描述了定子线圈26缠绕相邻的数个齿状部22的布置。在该布置中，留下一个中间槽24，定子线圈26形成为穿过设置在一个槽24的相对侧的槽24。根据本发明，相邻的齿状部22可以通过移除定子线圈26中的空缺槽24而形成为一个整体。并且，在定子线圈26中的空缺槽24中可以设置有具有磁性的辅助突出磁极46，如图11中所示。从而将缠绕定子线圈26的磁路展开。辅助突出磁极46可以由与齿状部22相同的材料形成。相比于没有辅助突出磁极46的发电机10，虽然这种布置导致了输出特性的变差，但是与常规的发电机相比，其可以获得改善的输出。

此外，根据本发明，在设计定子的时候，可以移除在定子线圈26所缠绕的齿状部之间的没有绕组的齿状部。

Claims (5)

1.一种大输出高效率单相多极的发电机，包括：

转子，其具有m或2·m个磁极部分，所述磁极部分布置为沿着圆周方向交替地具有不同的极性，m为不小于2的偶数；以及

定子，其具有m·n个齿状部，所述齿状部沿着与转子相对的方向突出，所述齿状部沿着圆周方向等空隙形成，n为3或4，

其中，所述定子具有沿着圆周方向在等间隔处缠绕所述齿状部的m个定子线圈，并且

其中，每个定子线圈缠绕相邻的n-1个齿状部，并且定子线圈是独立的。

2.根据权利要求1所述的大输出高效率单相多极的发电机，其中，每个磁极部分由具有相同极性的多个磁极形成。

3.根据权利要求1或2所述的大输出高效率单相多极的发电机，其中，用于从各个独立的定子线圈产生的电力及输出的电路，通过串联连接而形成以获得电压之和的电压求和电路或者通过并联连接而形成以获得电流之和的电流求和电路形成。

4.根据权利要求1或2所述的大输出高效率单相多极的发电机，其中，由通过串联连接而形成以获得电压之和的电压求和电路与通过并联连接而形成以获得电流之和的电流求和电路的结合来形成用于从定子线圈输出的产生的电力的电路。

5.根据权利要求1或2所述的大输出高效率单相多极的发电机，其中，定子线圈所缠绕的齿状部形成为一个整体。