CN109038993A - 一种集成三相交流发电机、变压器的一体机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成三相交流发电机、变压器的一体机，该一体机包括：至少三相定子铁心及三相定子绕组、发电机转子及其磁极，以及定子铁心、转子之间的气隙，3个铁心柱均在同一高度上分为上下两部分，两部分中间有一致的气隙，用于穿过一根发电机转子；处于三相主磁路的三个气隙下的发电机转子，均对应设置有NS磁极结构，处于三个气隙位置的NS磁极轴线互差120°电角度；在原动机驱动下，发电机转子旋转，通过电磁感应，在三相定子绕组上产生高电压等级的三相交流电，通过高压输电线路，实现电能的远距离传输。本发明省掉变压器低压绕组，用同步发电机方式直接在高压绕组中发出三相交流电，节省了投资和运维费用，降低故障率和损耗。

Description

一种集成三相交流发电机、变压器的一体机

技术领域

本发明涉及发电机领域，尤其涉及一种集成三相交流发电机、变压器的一体机。

背景技术

目前，电力系统的大功率发电机主要是同步发电机，单机容量很大，其原理是导线切割磁力线。由于发电机的电压相对高压输电线路而言比较低，因此发电机一般还需要配套的升压变压器。

上述这种主流发电形式存在以下技术缺陷：

1)因为受发电机定子分布式绕组绝缘结构的限制，发电机的发送端电压一般为几十千伏特。电压等级低、电流大、导线截面大、损耗大、发热量大、以及散热成为主要问题。

2)传统发电机的定子绕组会产生一定谐波以及感应电势的损失率。

3)因为发电机发送端的电压等级低，不能直接进行远距离输送电能，只能再通过同容量等级的升压变压器升压至超高压等级进入输电网。发电机+升压变压器的“发变组合”成为了基本固定模式，但二者加在一起造价高、维护量大、占用资源多；且能源多重转换、转换损耗大、浪费能源、以及资金。

发明内容

本发明提供了一种集成三相交流发电机、变压器的一体机，本发明通过省掉变压器的低压绕组节省了投资和运维费用，节省资源，同时降低了故障率和损耗，实现了超高压大功率，详见下文描述：

一种集成三相交流发电机、变压器的一体机，所述一体机包括：至少1个三相三柱式定子铁心及三相定子绕组、发电机转子及其磁极，以及定子铁心、转子之间的气隙，

3个铁心柱均在同一高度上分为上下两部分，两部分中间有一致的气隙，用于穿过一根发电机转子；

处于三相主磁路的三个气隙下的发电机转子，均对应设置有NS磁极结构，并且处于三个气隙位置的NS磁极轴线互差120°电角度；

在原动机驱动下，发电机转子旋转，通过电磁感应，在三相定子绕组上产生高电压等级的三相交流电，通过高压输电线路，实现电能的远距离传输。

进一步地，所述发电机转子的磁场为沿气隙按正弦波形分布。

具体实现时，所述三相定子绕组的数量至少为3个单相的绕组。

具体实现时，所述三相定子绕组设置在铁心柱的上半部分或下半部分，也可以上下部分都安装绕组。

优选地，所述三相定子绕组缠绕在3个铁心柱上。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明直接依靠转子磁场旋转，通过电磁感应，在定子铁心的定子绕组上产生高电压等级的交流电，可将交流电能直接输送到高压线路上，省掉了变压器的低压绕组，保留高压绕组；

2、本发明采用三相交流发电机、与变压器一体的结构，所消耗的电磁材料总量少于“发变组合”的总和，降低了发电机的整体造价；

3、本发明减少了电能转换带来的损耗，降低了运行维护成本，同时由于省掉了变压器中的低压绕组，则减少了整个产品的占用空间和面积，简化了发电厂的设备布局，具有更好的经济性。

附图说明

图1为一种集成三相交流发电机、变压器的一体机的剖面结构示意图；

图2为一种集成三相交流发电机、变压器的一体机的侧视图；

图3为发电机转子与3个NS磁极的结构示意图；

图4为3个NS磁极的俯视图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：定子铁心； 2：三相定子绕组；

3：发电机转子； 1a：定子铁心上半部；

1b：定子铁心下半部。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

本发明实施例提供了一种集成三相交流发电机、变压器的一体机，参见图1和图2，该一体机的设计原理如下：

参见图1，本发明实施例设计的集成三相交流发电机、变压器的一体机仅依靠原动机拖动发电机转子3旋转，发电机转子3上的三组磁场随之旋转，通过电磁感应，在定子铁心1的三相定子绕组2(即集中式绕组)上产生高电压等级的三相交流电，然后将高电压等级的交流电通过远距离传输输送到相应的高压线路上。本发明实施例设计的一体机省掉了变压器的低压绕组，保留高压绕组，使得高压绕组借助发电机转子3的旋转磁场的感应直接输出高压电能。

参见图2该一体机中的定子铁心1为三相三柱式变压器铁心，三个铁心柱1均在同一高度上分为上下两部分(分别为1a和1b)，两部分1a和1b的中间有一致的气隙(本领域的专业技术术语，本发明实施例对此不做赘述)，用于穿过一根发电机转子3。即发电机转子3依次从三个铁心柱1的气隙中穿过，每个气隙下的发电机转子3的部分，均对应设置有NS磁极结构，并且处于三个气隙位置的NS磁极轴线互差120°电角度，参见图3和图4。

一体机中的三相定子绕组2的引出线可以连接成星形或三角形，从而向外发出三相对称的交流电能。

其中，本发明实施例对三相定子绕组2上的线圈数不做限制，匝数越多，交流电的电压越高，具体的匝数可以根据实际应用中的线路设计和运行需要进行调节。

综上所述，本发明实施例设计了一种集成三相交流发电机、变压器的一体机的新型结构，该一体机所消耗的电磁材料总量少于发电机+升压变压器的“发变组合”，从而节省了建设成本和资源，同时由于节省了部分器件，降低了发电机的故障率以及损耗，实现了高压大功率。

实施例2

下面结合图1对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

参见图1，该一种集成三相交流发电机、变压器的一体机包括：至少3个定子铁心1、三相定子绕组2、以及1个发电机转子3，

沿定子铁心1的任意位置上可以套装有若干个三相定子绕组(即线圈)2，三相定子绕组2之间可以根据需要串联或并联，并引出首尾端。定子铁心1的数量至少为三个，气隙的数量可以根据实际应用中的需要设计成多个。定子铁心1、与发电机转子3以及气隙构成了完整的三相主磁路。

具体实现时，不要求每个气隙内的转子都对应设置有NS极，例如：三相五柱式变压器结构，包括：具有5个铁心柱的定子铁心1，在其两侧的定子铁心柱(称为旁轭)的气隙虽然穿过发电机转子3，但其对应的气隙处不设NS磁极。

实际应用时，只需保证同一轴上的发电机转子3依次穿过各铁心柱1的各气隙，利用发电机转子3上至少3组NS磁极的旋转使定子铁心1上的三相定子绕组2感应产生三相交流电能。

每个定子铁心1上的三相定子绕组2的数量和安装位置根据实际应用中的需要进行设定，数量可以是一个，也可以是多个；三相定子绕组2的安装位置可以仅在气隙的一侧(即仅位于气隙的上部或下部)，也可以在定子铁心1上的每个位置上都缠绕有三相定子绕组2。因此，可以根据实际应用中的情况，构成需要的电路连接形式。

上述定子铁心1是具有闭合特点的磁路，本发明实施例对定子铁心1的形状不做限制，仅以图1中的形状为例进行说明，优选便于安装三相定子绕组2的形状、且定子铁心1的材料和叠片结构要利于导磁。

在定子铁心1环绕的闭合磁路空间内，例如：在图1中的圆形区域空间内设置有发电机转子3，发电机转子3上是恒定的磁场，可以由永磁材料提供，也可以是便于调节的直流励磁磁场。

优选地，发电机转子3的磁场可以设计成沿气隙按正弦波形分布，当发电机转子3只有一对磁极时，NS磁极各占二分之一圆弧且按照正弦规律分布；两对磁极时，NS磁极各占四分之一，极性交替分布，以此类推，本发明实施例对此不做赘述。

实际应用时，发电机转子3由原动机拖动进行运转，发电机转子3的形状可以是凸极式，也可以是隐极式，可以是直流励磁的电磁铁磁极。

本发明实施例对励磁的结构不做限制，可以采用任何的现有技术，也可以采用旋转变送器等新技术。当满足安装运行条件后，气隙尺寸越小越好，本发明实施例对此不做限制。

实施例3

参见图1至图4，本发明实施例中的电压等级可以根据需要对三相定子绕组2的匝数进行设计，可高可低。匝数也可以设计多个抽头和分接开关，便于根据实际应用运行需要对线圈匝数进行调节，实现调压。

具体实现时，不能以辅助性结构的变化影响本技术方案的突出的创新性和独特性。辅助性结构可以为：具体采用的绝缘结构、铁心叠片形状、散热方式、绕组连接方式等不限于已有的各种材料与技术，包括非晶合金、纳米和永磁体、超导技术应用等。

实际应用时，发电机运行调节技术具有发电机和变压器的双重特点，也具有新型发电机自身特点；发电机具有散热、绝缘、紧固夹件、外壳等必要附属设备。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种集成三相交流发电机、变压器的一体机，其特征在于，所述一体机包括：至少1个三相三柱式定子铁心及三相定子绕组、发电机转子及其磁极，以及定子铁心、转子之间的气隙，

3个铁心柱均在同一高度上分为上下两部分，两部分中间有一致的气隙，用于穿过一根发电机转子；

处于三相主磁路的三个气隙下的发电机转子，均对应设置有NS磁极结构，并且处于三个气隙位置的NS磁极轴线互差120°电角度；

在原动机驱动下，发电机转子旋转，通过电磁感应，在三相定子绕组上产生高电压等级的三相交流电，通过高压输电线路，实现电能的远距离传输。

2.根据权利要求1所述的一种集成三相交流发电机、变压器的一体机，其特征在于，所述发电机转子的磁场为沿气隙按正弦波形分布。

3.根据权利要求1所述的一种集成三相交流发电机、变压器的一体机，其特征在于，所述三相定子绕组的数量至少为3个单相绕组。

4.根据权利要求1所述的一种集成三相交流发电机、变压器的一体机，其特征在于，所述三相定子绕组设置在铁心柱的上半部分或下半部分，也可以上下部分都安装绕组。

5.根据权利要求1所述的一种集成三相交流发电机、变压器的一体机，其特征在于，所述三相定子绕组缠绕在整个铁心柱上。