CN109687636B - 一种分布式惯量型无刷励磁同步发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式惯量型无刷励磁同步发电机，包括机座、转轴、接线盒和惯量分布型转子组件，惯量分布型转子组件套设在转轴上，转轴左右贯穿机座，转轴和惯量分布型转子组件集成于机座内，接线盒设于机座外；所述的惯量分布型转子组件包括风扇、第一辅助飞轮、同步发电机励磁、旋转整流盘、励磁发电机电枢和第二辅助飞轮；能够在电源晃电、闪变等特殊环境下利用发电机自身较大的分布式惯量储能，由机械能转变为电能，补偿短时间的电压突变，自动带载实现发电机输出电压持续、频率稳定的可靠供给，解决应急电源系统的可靠性问题。

Description

一种分布式惯量型无刷励磁同步发电机

技术领域

本发明涉及发电机技术领域，尤其涉及一种分布式惯量型无刷励磁同步发电机。

背景技术

无刷励磁同步发电机包括一个主同步发电机和一个交流励磁机，交流励磁机是一种小型同步发电机，主要由交流励磁机磁极和交流励磁机转子组成。交流励磁机转子为电枢，输出三相交流电，经旋转整流盘整流成直流电为主同步发电机提供主励磁电流。

常用的无刷励磁同步发电机虽然能够通过自动电压调节装置(AVR)保证常规电网环境时的启动、挂网、运行功能，但是电网出现瞬时掉电、切换、闪变等工况发生时，自动电压调节装置AVR亦无法保证发电机的持续稳定输出。并且，现有设计采用轴伸端配置单一惯量飞轮，单一飞轮必然体量较大飞轮轴系局部惯量过大，造成整个发电机轴系机械稳定性及可靠性降低。

尤其，在电信、银行、军工、医院、消防、核电等特殊环境中对应急电源要求较高，应急系统电源需要具有极强的抗晃电能力。发电机为整个应急系统中最为核心的组成部分，其故障情况下，电源输出的持续性及电源品质的稳定性，直接影响到负载的可靠服务功能。

因此，分布式惯量型无刷同步发电机组就被设计应用到该类场所，为某些关键性设备提供持续性高品质供电服务，确保应急电源无间断、无闪变，就要求发电机在这些特殊场合具有较高的环境适应性和较高的可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种分布式惯量型无刷励磁同步发电机，能够在电源晃电、闪变等特殊环境下利用发电机自身较大的分布式惯量储能，由机械能转变为电能，补偿短时间的电压突变，自动带载实现发电机输出电压持续、频率稳定的可靠供给，解决应急电源系统的可靠性问题。

本发明采用的技术方案为：

一种分布式惯量型无刷励磁同步发电机，包括机座、转轴、接线盒和惯量分布型转子组件，惯量分布型转子组件套设在转轴上，转轴左右贯穿机座，转轴和惯量分布型转子组件集成于机座内，接线盒设于机座外；所述的惯量分布型转子组件包括风扇、第一辅助飞轮、同步发电机励磁、旋转整流盘、励磁发电机电枢和第二辅助飞轮。

所述的风扇、第一辅助飞轮、同步发电机励磁、旋转整流盘、励磁发电机电枢和第二辅助飞轮由左向右依次排列分布。

所述的转轴由左向右依次分为左段、中段和右段，左段和右段分别穿设于机座左右侧壁，中段设于机座内，中段设为惯量转子段，惯量转子段采用凸极式整体冲片迭压结构，包括冲片、转子压板、极靴、极身、转子绕组和保护壳，冲片通过转子压板迭压固定，转子压板采用钢板，极靴和极身一体设计，转子绕组由绕线模绕制，转子绕组外侧设有保护壳。

所述的风扇包括风扇轴套和风扇本体，风扇本体通过风扇轴套套设在转轴上，风扇本体包括风扇兜风盘、风扇通风盘和多个扇叶，风扇兜风盘的外圆半径大于风扇通风盘的外圆半径，风扇兜风盘的中心设有固定孔，风扇通风盘中心设有通风孔，风扇兜风盘和风扇通风盘并列设置，且之间通过多个扇叶联结，多个扇叶均匀分布，扇叶之间形成进风通道，风扇通风盘的通风孔形成出风口，整个风扇本体采用钢板焊接式离心风扇，风扇兜风盘上设有平衡环。

所述的第一辅助飞轮采用中心设有穿孔的钢盘，第一辅助飞轮的半径等于风扇本体半径的1/2。

所述的旋转整流盘包括左整流分盘和右整流分盘，左整流分盘和右整流分盘背向贴合固定，左整流分盘的中心开设有中心套孔，左整流分盘的左端面上围绕中心套孔设有环形空槽腔，在环形空槽腔的底部、围绕中心套孔的圆周上均匀分布有分盘固定孔，在环形空槽腔的底部均匀开设有多个通风孔，在空槽腔内、贴合空槽腔的外圆周壁上均匀分布设有多个散热支架片，在散热支架片的右侧与空槽腔的底部之间安装整流器，右整流分盘和左整流分盘结构相同且对称。

所述的散热支架片呈弧形片状结构，散热支架片上设有散热翅片，散热支架片的右侧贴合紧固整流器，散热翅片和通风孔形成风道。

所述的第二辅助飞轮采用中心设有穿孔的凹心钢盘，第二辅助飞轮的半径等于风扇本体半径。

所述的转轴位于机座内的中心高是同容量发电机的1.25倍中心高，且惯量分布型转子组件的惯量是同容量发电机转子组件的1.5-1.6倍。

本发明采用一体化圆筒式封闭结构，转轴左右贯穿机座，转轴和惯量分布型转子组件集成于机座内，接线盒设于机座外；其中，惯量分布型转子组件包括由左向右依次排列分布的风扇、第一辅助飞轮、同步发电机励磁、旋转整流盘、励磁发电机电枢和第二辅助飞轮，均集成于发电机机座内，形成一体化结构。

进一步地，根据能量守恒理论计算整个惯量，然后将整个轴系所需总的惯量通过惯量转子段及惯量分布型转子组件，主要是惯量转子段、风扇、第一辅助飞轮、同步发电机励磁、旋转整流盘、励磁发电机电枢和第二辅助飞轮等旋转部件按照不同惯性体结构进行设计，形成惯量型发电机独特的分布储能式转子结构，各个组件将惯量进行分配，最终达到本装置所需要的惯量，能够在电源晃电、闪变等特殊环境下利用发电机自身较大的分布式惯量储能，补偿短时间的电压突变，自动带载实现发电机输出电压持续、频率稳定的可靠供给，解决应急电源系统的可靠性问题。

附图说明

图1为本发明的截面半剖视图；

图2为本发明的惯量分布型转子组件的结构示意图；

图3为本发明的惯量转子段的截面示意图；

图4为本发明的风扇的主视图；

图5为本发明的风扇的A-A剖视图；

图6为本发明的旋转整流盘的主视图；

图7为本发明的旋转整流盘的C-C剖视图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明包括机座1、转轴2、接线盒3和惯量分布型转子组件，惯量分布型转子组件套设在转轴2上，转轴2左右贯穿机座1，转轴2和惯量分布型转子组件集成于机座1内，接线盒3设于机座1外；所述的惯量分布型转子组件包括风扇5、第一辅助飞轮6、同步发电机励磁7、旋转整流盘9、励磁发电机电枢11和第二辅助飞轮12。所述的惯量转子段4、风扇5、第一辅助飞轮6、同步发电机励磁7、旋转整流盘9、励磁发电机电枢11和第二辅助飞轮12由左向右依次排列分布。

所述的所述的转轴2由左向右依次分为左段、中段和右段，左段和右段分别穿设于机座1左右侧壁，中段设于机座1内，中段设为惯量转子段4，惯量转子段4采用凸极式整体冲片迭压结构，如图3所示，包括冲片(整个磁极由冲片迭压而成，图中未显示)、转子压板42、极靴43、极身（压板42遮盖的部分为极身，图中未显示）、转子绕组45和保护壳46，冲片通过转子压板42迭压固定，转子压板42采用钢板，极靴43和极身一体设计，转子绕组45由绕线模绕制，转子绕组45外侧设有保护壳46。

所述的风扇5包括风扇轴套51和风扇本体，如图4和图5所示，风扇本体通过风扇轴套51套设在转轴2上，风扇本体包括风扇兜风盘52、风扇通风盘53和多个扇叶54，风扇兜风盘52的外圆半径大于风扇通风盘53的外圆半径，风扇兜风盘52的中心设有固定孔，风扇通风盘中心设有通风孔，风扇兜风盘52和风扇通风盘53并列设置，且之间通过多个扇叶54联结，多个扇叶54均匀分布，扇叶54之间形成进风通道，风扇通风盘53的通风孔形成出风口，整个风扇本体采用钢板焊接式离心风扇，风扇兜风盘上设有平衡环55。

如图2所示，所述的第一辅助飞轮6采用中心设有穿孔的钢盘，第一辅助飞轮6的半径等于风扇本体半径的1/2。

所述的旋转整流盘9包括左整流分盘91和右整流分盘92，如图6和图7所示，左整流分盘91和右整流分盘92背向贴合固定，左整流分盘91的中心开设有中心套孔93，左整流分盘91的左端面上围绕中心套孔93设有环形空槽腔94，在环形空槽腔94的底部、围绕中心套孔93的圆周上均匀分布有分盘固定孔95，在环形空槽腔94的底部均匀开设有多个通风孔96，在空槽腔内、贴合空槽腔的外圆周壁上均匀分布设有多个散热支架片97，在散热支架片97的右侧与空槽腔的底部之间安装整流器98，右整流分盘92和左整流分盘91结构相同且对称。

所述的散热支架片97呈弧形片状结构，散热支架片97上设有散热翅片99，散热支架片97的右侧贴合紧固整流器98，散热翅片99、整流器98和通风孔96形成风道。

所述的第二辅助飞轮12采用中心设有穿孔的凹心钢盘，第二辅助飞轮12的半径等于风扇本体半径。

所述的转轴2位于机座1内的中心高是同容量发电机的1.25倍中心高，且惯量分布型转子组件的惯量是同容量发电机转子组件的1.5-1.6倍。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发电机采用无刷励磁设计原理，与现有无刷原理相同，减少碳刷和滑环，减少应急系统的维护工作量，提高发电机长期运行可靠性。本发电机采用一体化圆筒式封闭结构，惯量分布型转子组件套设在转轴2上，转轴2左右贯穿机座1，转轴2和惯量分布型转子组件集成于机座1内，接线盒3设于机座1外，形成一体化结构。如图1所示。

本装置在进行设计时，需要考虑并结合电网掉电（突变）持续时长、发电机负载容量、电源电压波动等各项技术指标，根据动能守恒定律，计算出发电机轴系所需总的惯量。由能量和惯量计算公式E=Jω²和J=mr²/2表明，旋转物体的转动惯量J与旋转体的形状和重量有关。首先，根据能量守恒理论计算整个惯量，然后将整个轴系所需总的惯量通过惯量分布型转子组件，主要是惯量转子段4、风扇5、第一辅助飞轮6、同步发电机励磁7、旋转整流盘9、励磁发电机电枢11和第二辅助飞轮12等旋转部件按照不同惯性体结构进行设计，形成如下所示惯量型发电机独特的分布储能式转子结构，如图2所示。之后，基于三维模型和ANSYS软件，对转轴2系上设计的所有不同形状的转子惯量组件进行惯量计算和应力核算，根据计算的惯量调整设计参数及比例分配。上述所述的惯量分配和方法不属于本发明的保护范围，所以在此不再详细的赘述。而分布式惯量的体现在于转轴2的中段惯量转子段4及惯量转子段4上分布的各个转动的风扇5、第一辅助飞轮6、同步发电机励磁7、旋转整流盘9、励磁发电机电枢11和第二辅助飞轮12。各个组件将惯量进行分配，最终达到本装置所需要的惯量，能够在电源晃电、闪变等特殊环境下利用发电机自身较大的分布式惯量储能，补偿短时间的电压突变，自动带载实现发电机输出电压持续、频率稳定的可靠供给，解决应急电源系统的可靠性问题。

具体体现为：

惯量转子段4采用凸极式整体冲片迭压结构，包括冲片、转子压板42、极靴43、极身、转子绕组45和保护壳46，冲片通过转子压板42迭压固定，转子压板42采用钢板，提高转动惯量；极靴43和极身一体设计，转子绕组45由绕线模绕制，按照专用的绕线模绕制转子绕组45，绕组完成后经高压真空VPI浸漆，在绕组外边形成整体保护壳46，从而增强惯量密度。

风扇5包括风扇轴套51和风扇本体，风扇本体通过风扇轴套51套设在转轴2上，风扇轴套51按照惯量轮设计，风扇本体包括风扇兜风盘52和风扇通风盘53，采用钢板焊接式离心风扇5，风扇兜风盘52上设有平衡环55，扇叶4厚度增大增加质量，同时增加风扇5整体的转动惯量，满足通风和分配惯量的双重功能需求，形成叶轮式惯量组件。

本装置根据不同的惯量需求，设计了第一辅助飞轮6和第二辅助飞轮12，第一辅助飞轮6采用中心设有穿孔的钢盘式旋转组件，第二辅助飞轮12采用中心设有穿孔的凹心钢盘，第一辅助飞轮6的半径等于风扇本体半径的1/2。第一辅助飞轮6设于风扇5和同步发电机励磁7（同步发电机励磁7相呼应的是同步发电机电枢8）之间，由于同步发电机励磁7及同步发电机电枢8的特殊结构，所以，第一辅助飞轮6半径较小，但是，厚度较大，从而增大惯量。第二辅助飞轮12由于设于励磁发电机电枢11（励磁发电机电枢11相呼应的是励磁发电机励磁10）右侧，所以，第二辅助飞轮12的半径等于风扇本体半径，设计的半径较大，但是，厚度相对第一辅助飞轮6厚度是其一半。

旋转整流盘9包括左整流分盘91和右整流分盘92，左整流分盘91和右整流分盘92背向贴合固定，左整流分盘91的中心开设有中心套孔93，中心套孔93内可通过轴套套设在转轴2上，还可以直接套设在转轴2上。左整流分盘91的左端面上围绕中心套孔93设有环形空槽腔94，环形空槽腔94的截面呈U型结构，在环形空槽腔94的内、围绕中心套孔93的圆周上均匀分布有分盘固定孔95，分盘固定孔95配合紧固螺栓将左整流分盘91和右整流分盘92固定。本装置，在环形空槽腔94的底部均匀开设有3个通风孔96，在空槽腔内、贴合空槽腔的外圆周壁上均匀分布设有3个散热支架片97，在散热支架片97的右侧与空槽腔的底部之间安装整流器98，右整流分盘92和左整流分盘91结构相同且对称。散热支架片97呈弧形片状结构，贴合空槽腔的外圆周壁的一侧为圆弧状，相对的一侧为三折线结构，如梯形的底部结构，散热支架片97上设有散热翅片99，散热支架片97的右侧贴合紧固整流器98，散热翅片99和通风孔96形成风道。

所述的转轴2位于机座1内的中心高是同容量发电机的1.25倍中心高，且惯量分布型转子组件的惯量是同容量发电机转子组件的1.5-1.6倍，自然形成增强惯量型转子。

本装置为提高发电机惯量分布型转子组件惯量，转子组件材料采用高比强度（δ/ρ）材料，增加储能密度，一般可选择用玻璃钢或者钢材等。为确保发电机惯量组件可靠运行，紧固件、键、螺栓均须从强度应力、速度应力、疲劳寿命等方面采用有限元分析方法计算，选用具有优良力学性能的材料。

综上所述，本分布式惯量型无刷励磁同步发电机具有以下优点：

1)本发电机专为应急电源设计，发电机自身设计惯量较大，具有抵抗电源扰动的能力。

2)本发电机采用一体化设计，结合相应的惯量分布计算软件，惯量飞轮与发电机转子组件、整流盘组件相结合，转子上的所有部件均承担设计所需惯量，兼做储能飞轮。

3)本发电机采用的设计方法和结构方式，可以避免轴伸端单一惯量飞轮造成的如下问题：轴伸端悬臂式重量集中造成转轴2变形、半径大线速度高而爆裂、体量大造成的安装时对中困难、运行时振动大、长期运行不可靠、轴承局部承受重量影响轴承寿命、后期吊装拆卸等维护困难。

4)本发电机转子及惯量部件可以实现整体动、静平衡，确保机组及系统运行平稳性。

5)本发电机采用封闭式结构，结构紧凑、强度高、振动特性优。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种分布式惯量型无刷励磁同步发电机，其特征在于：包括机座、转轴、接线盒和惯量分布型转子组件，惯量分布型转子组件套设在转轴上，转轴左右贯穿机座，转轴和惯量分布型转子组件集成于机座内，接线盒设于机座外；所述的惯量分布型转子组件包括风扇、第一辅助飞轮、同步发电机励磁、旋转整流盘、励磁发电机电枢和第二辅助飞轮；所述的风扇、第一辅助飞轮、同步发电机励磁、旋转整流盘、励磁发电机电枢和第二辅助飞轮由左向右依次排列分布；

所述的风扇包括风扇轴套和风扇本体，风扇本体通过风扇轴套套设在转轴上，风扇本体包括风扇兜风盘、风扇通风盘和多个扇叶，风扇兜风盘的外圆半径大于风扇通风盘的外圆半径，风扇兜风盘的中心设有固定孔，风扇通风盘中心设有通风孔，风扇兜风盘和风扇通风盘并列设置，且之间通过多个扇叶联结，多个扇叶均匀分布，扇叶之间形成进风通道，风扇通风盘的通风孔形成出风口，整个风扇本体采用钢板焊接式离心风扇，风扇兜风盘上设有平衡环；

所述的第一辅助飞轮采用中心设有穿孔的钢盘，第一辅助飞轮的半径等于风扇本体半径的1/2；

所述的第二辅助飞轮采用中心设有穿孔的凹心钢盘，第二辅助飞轮的半径等于风扇本体半径。

2.根据权利要求1所述的分布式惯量型无刷励磁同步发电机，其特征在于：所述的转轴由左向右依次分为左段、中段和右段，左段和右段分别穿设于机座左右侧壁，中段设于机座内，中段设为惯量转子段，惯量转子段采用凸极式整体冲片迭压结构，包括冲片、转子压板、极靴、极身、转子绕组和保护壳，冲片通过转子压板迭压固定，转子压板采用钢板，极靴和极身一体设计，转子绕组由绕线模绕制，转子绕组外侧设有保护壳。

3.根据权利要求1所述的分布式惯量型无刷励磁同步发电机，其特征在于：所述的旋转整流盘包括左整流分盘和右整流分盘，左整流分盘和右整流分盘背向贴合固定，左整流分盘的中心开设有中心套孔，左整流分盘的左端面上围绕中心套孔设有环形空槽腔，在环形空槽腔的底部、围绕中心套孔的圆周上均匀分布有分盘固定孔，在环形空槽腔的底部均匀开设有多个通风孔，在空槽腔内、贴合空槽腔的外圆周壁上均匀分布设有多个散热支架片，在散热支架片的右侧与空槽腔的底部之间安装整流器，右整流分盘和左整流分盘结构相同且对称。

4.根据权利要求3所述的分布式惯量型无刷励磁同步发电机，其特征在于：所述的散热支架片呈弧形片状结构，散热支架片上设有散热翅片，散热支架片的右侧贴合紧固整流器，散热翅片和通风孔形成风道。

5.根据权利要求1所述的分布式惯量型无刷励磁同步发电机，其特征在于：所述的转轴位于机座内的中心高是同容量发电机的1.25倍中心高，且惯量分布型转子组件的惯量是同容量发电机转子组件的1.5-1.6倍。