CN111030409A - 一种非线性负载专用发电机 - Google Patents

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Abstract

一种非线性负载专用发电机，包括三相交流同步主发电机、励磁系统和永磁机，所述三相交流同步主发电机包括主发电机定子和主发电机转子，所述主发电机定子包括定子铁芯和电枢绕组，所述主发电机转子包括转子铁芯和主励磁绕组，所述主励磁绕组镶嵌在转子铁芯上；所述励磁系统包括交流副励磁机和自动电压调节器，所述交流副励磁机包括固定在后端盖上的励磁机定子和安装在主轴上的励磁机转子；所述永磁机包括固定在后端盖上的永磁机定子和安装在主轴上的永磁机转子。发电机励磁系统采用自动电压调节器，可有效提高发电机检测电压的准确性，从而保证在负载波形畸变较大的情况下，发电机端电压维持在稳定范围。

Description

一种非线性负载专用发电机
技术领域
本发明涉及一种非线性负载输出电源，尤其是一种非线性负载专用发电机。
背景技术
随着三相无刷同步发电机技术的发展，该发电机与柴油机成套后在油田钻井平台领域已开始应用，主要为变频器或者整流器驱动负载，在高次谐波下运行会对发电机造成影响，如发电机端电压波动、高次谐波损耗过大造成主绝缘发热导致发电机烧毁击穿或者是机组异常的机械振动等，在长时间运行时由于谐波造成的长期脉冲电压冲击和电晕效应造成的发电机烧毁。针对以上问题和不足，须研发一种专用发电机可在冲击性负载以及非线性等变频器和整理装置下产期运行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种非线性负载专用发电机，保证在负载波形畸变较大的情况下，发电机端电压维持在稳定范围。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种非线性负载专用发电机，包括三相交流同步主发电机、励磁系统和永磁机，所述三相交流同步主发电机包括主发电机定子和主发电机转子，所述主发电机定子包括定子铁芯和电枢绕组，所述主发电机转子包括转子铁芯和主励磁绕组，所述主励磁绕组镶嵌在转子铁芯上；所述励磁系统包括交流副励磁机和自动电压调节器，所述交流副励磁机包括固定在后端盖上的励磁机定子和安装在主轴上的励磁机转子；所述永磁机包括固定在后端盖上的永磁机定子和安装在主轴上的永磁机转子；永磁机产生的交流电源给自动电压调节器供电，自动电压调节器经整流后输出直流电给副励磁机定子供电，在副励磁机气隙中产生磁场，副励磁机输出三相交流电给旋转整流盘，经旋转整流盘整流供给主发电机转子稳定的直流电；
所述电枢绕组采用成型耐谐波绕组线圈，所述线圈包括电磁线组和包在电磁线组外的主对地绝缘结构，所述电磁线组由若干电磁线组成；所述电磁线包括铜条、包裹在铜条外的耐电晕聚酰亚胺薄膜和绕包在耐电晕聚酰亚胺薄膜外的云母带；所述主对地绝缘结构包括绕包在电磁线组外的耐电晕的少胶云母带和涂在少胶云母带外的半导体防晕层；两个线圈的直线部分通过热收缩性的绝缘防护带包扎在一起组成线圈绕组并置于定子槽内，两个线圈的直线部分之间设有层间垫条；所述定子槽内设有用于固定线圈绕组的磁性槽楔、楔下垫条和槽底垫条；
所述永磁机包括永磁机转子和永磁机定子，所述永磁机定子通过爪形支柱固定在发电机后轴承外盖上，所述永磁机转子套装在轴套的档位上，永磁机转子与轴套之间通过键来传递扭矩，永磁机转子的一端靠轴套上的档位止口定位，另一端用通过卡装在轴套上的弹性挡圈定位；所述轴套上设有连接法兰，所述连接法兰上设有安装孔，所述连接法兰通过螺栓与主轴端部连接。
作为改进，所述非线性负载专用发电机还包括机座、设在机座前端的前端盖、与主轴前端连接的风扇、设在机座顶部的定子接线盒和后罩。
作为改进，所述副励磁机为分体的交流转枢三相发电机。
作为改进，所述永磁机定子内嵌有散嵌定子绕组，永磁机转子上安装有径向励磁磁钢，相邻磁钢磁性方向按NS依次分布，永磁机极数为16极，永磁机频率为200HZ。
作为改进，所述自动电压调节器为数字式自动电压调节器。
作为改进，耐电晕的少胶云母带采用2/3叠包而成。
作为改进，所述主轴的端面设有与安装孔对应的螺纹孔，所述螺栓与螺纹孔配合；所述安装孔中具有供螺栓移动的空间。
作为改进，所述爪形支柱上设有止口位，所述定子的外侧通过所述止口位定位并通过螺栓固定在爪形支柱上。
作为改进，所述爪形支柱上于止口位处设有螺纹孔，所述螺栓与螺纹孔配合。
本发明与现有技术相比所带来的有益效果是：
1、发电机励磁系统采用自动电压调节器，可有效提高发电机检测电压的准确性，从而保证在负载波形畸变较大的情况下，发电机端电压维持在稳定范围；
2、整个绝缘结构的主绝缘、固定绝缘、匝间绝缘均采用了防电晕材料，可有效抑制谐波负载对线圈结构产生的损害以及冲击负载对绕组产生机械振动带来的危害，从而形成一种有效、高性能的绝缘结构；
3、线圈全部涂有防晕层，沿定子槽内部电位差较小，可以有效防止槽内电晕的发生；
4、采用磁性槽楔和半导体垫条，有效抑制谐波负载电晕损害的同时对定子线圈进行固定，可避免冲击负载产生的振动对绕组产生的危害；
5、电磁线采用耐电晕聚酰亚胺薄膜烧结和云母带绕包的电磁线，是有机和无机材料复合的一种电磁线，既有良好的电气性能，又有良好的绝缘寿命；
6、永磁机转子通过轴套与主轴尾部的大间隙配合，使得它的径向保持了一定的自由度，使得永磁机径向位置可以做适当调整，从而得到调节永磁机定转子同心的要求，这种结构首先保证了永磁机定转子之间气隙均匀度，排除了由于不同心造成的永磁机故障烧毁问题，同时调整均匀的气隙使得永磁机波形更好，性能更优；
7、摒弃了一体式永磁设计中的联轴器这个易损件，彻底解决了由于联轴器的磨损等引起的客户被迫停机和售后服务的情况；分体式三相永磁机结构设计提高了三相永磁机的性能、电机运行稳定性，同时还排除了易损件更换产生的用户体验度下降和售后服务费用。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为永磁机装配示意图。
图3为爪形支柱立体图。
图4为线圈结构示意图。
图5为线圈嵌在定子槽内的示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种非线性负载专用发电机，包括三相交流同步主发电机、励磁系统和永磁机、机座4、主轴16、设在机座4顶部的定子接线盒8和设在机座4后端的后罩11。
如图1所示，所述机座4的前端设有前端盖1，后端设有后端盖9，主轴16的前端通过前轴承2安装在前端盖1上，主轴16的后端通过后轴承13安装在后端盖9上。主轴16的前端于机座4内设有风扇3，该风扇3跟随主轴16旋转，对发电机内部进行散热。
如图1所示，所述三相交流同步主发电机包括主发电机定子7和主发电机转子6；所述主发电机定子7包括定子铁芯和电枢绕组，所述主发电机转子6包括转子铁芯和主励磁绕组，所述主励磁绕组镶嵌在转子铁芯上，随主轴16旋转，建立主磁场；在主发电机定转子之间有个很小的气隙，在气隙中有磁场产生，通过转子气隙进行机电能量转换，将机械能转换为电能。所述励磁系统包括交流副励磁机12和数字式自动电压调节器10；所述交流副励磁机12为分体的交流转枢三相发电机，其包括通过安装块固定在后端盖9上的励磁机定子和通过键传动安装在主轴16上的励磁机转子，随主轴16同轴旋转，输出三相交流电；励磁机转子上安装有旋转整流盘14。所述数字式自动电压调节器10是一个电子装置，其安装在机座4的顶部，当发电机加减负载过程中，定子绕组产生电枢反应，电枢反应会削弱或增加主机的磁场，导致发电机电压上升或下跌，数字式自动电压调节器10通过IGBT功率元件与集成控制电路来自动跟踪发电机的端电压的变化，通过调节数字式自动电压调节器10的直流输出来维持发电机端电压的稳定。当发电机达到额定转速后，永磁机定子切割永磁机转子磁场，产生200HZ中频的三相交流电给数字式自动电压调节器10供电，经数字式自动电压调节器10整流后输出直流电给副励磁机定子供电，在副励磁机气隙中产生磁场，副励磁机转子电枢旋转切割该磁场，输出三相交流电给旋转整流盘14，经旋转整流盘14整流供给主发电机转子6稳定的直流电，该直流流过安装在主轴16上的凸极转子的励磁线圈，在主发电机气隙中产生旋转磁场，输出三相稳定低谐波高品质的三相无刷交流电能。
如图1所示，所述永磁机15为分体式三相永磁励磁机，其包括永磁机转子152和永磁机定子151。永磁机定子151内嵌有散嵌定子绕组，永磁机转子152上安装有径向励磁磁钢，相邻磁钢磁性方向按NS依次分布，永磁机极数为16极，永磁机频率为200HZ。所述永磁机定子151通过四个圆周均匀分布的爪形支柱18固定在发电机后轴承外盖17上，并通过后罩11罩住保护。如图2所示，所述爪形支柱18呈L形，其包括连接部181和安装部182，所述连接部181的一端通过焊接固定在后轴承外盖17上，连接部181的另一端与安装部182连接，安装部182与连接部181垂直。在安装部182的端面设有止口位，止口位处呈阶梯状，其包括一安装平面183和与安装平面183垂直的的定位平面184，所述安装平面183上设有第一螺纹孔，永磁机定子151的外侧通过所述止口位定位并通过第一螺栓20固定在爪形支柱18上；永磁机定子151固定后，其安装位置不变。所述永磁机转子152套装在轴套21的档位上，永磁机转子152与轴套21之间通过键来传递扭矩；永磁机转子152的一端靠轴套21上的档位止口23定位，另一端用通过卡装在轴套21上的弹性挡圈22定位，防止永磁机转子152在轴套21上发生轴向移动；所述轴套21的一端上设有连接法兰24，所述连接法兰24上设有安装孔，所述主轴16的尾部端面上设有第二螺栓孔，所述连接法兰24通过第二螺栓19与发电机的主轴11端部连接；所述连接法兰24上的安装孔中具有供螺栓移动的空间，该安装孔的直径可以稍大于第二螺栓19的直径，或者采用腰型孔，总之，可以使轴套21具有径向移动的自由度。永磁机转子152套装在轴套21上，轴套21再通过螺栓固定在主轴16上，轴套21的安装位置可以进行微调，意味着给予了永磁机转子152在一定范围内的径向自由度，所以永磁机转子152的径向位置变成了可调节的自由尺寸，当由于各工件累计误差造成永磁机定转子不同心时，可以检查定转子之间的气隙，通过将各位置的气隙矫正到满足设计要求的尺寸后，再将轴套21的位置固定使永磁机转子152锁死，以此保证励磁机定转子同心的问题。
如图4、5所示，所述主发电机定子7的电枢绕组采用成型耐谐波绕组线圈5，可有效抵抗，非线性负载回路中变流器和整理器产生的交流脉冲电压。电枢绕组由两匝线圈组成，所述线圈包括电磁线组71和包在电磁线组71外的主绝缘结构72。所述电磁线组71由若干电磁线组成，所述电磁线包括铜条、包裹在铜条外的绝缘才层，所述绝缘层包括通过烧结工艺的耐电晕聚酰亚胺薄膜和绕包在耐电晕聚酰亚胺薄膜外的云母带。电磁线采用耐电晕聚酰亚胺薄膜烧结和云母带绕包的电磁线，是有机和无机材料复合的一种电磁线，既有良好的电气性能，又有良好的绝缘寿命。所述主绝缘结构72包括绕包在电磁线组外的耐电晕的少胶云母带和涂在少胶云母带外的半导体防晕层。该主绝缘结构的制作工艺：将耐电晕的少胶云母带采用2/3叠包而成，然后在表面再涂半导体防晕层，最后烘干成形。线圈全部涂有防晕层，沿定子槽内部电位差较小，可以有效防止槽内电晕的发生。两个线圈的直线部分通过热收缩性的绝缘防护带76包扎在一起组成线圈绕组并置于定子槽内，两个线圈的直线部分之间设有层间垫条75。线圈采用热收缩性的绝缘防护带76，在浸漆烘干过程中，机械防护带受热收缩，有效防止绝缘漆的流失，起到易渗透防流失的浸漆效果。所述定子槽内设有用于固定线圈绕组的磁性槽楔73、楔下垫条74和槽底垫条77，槽底垫条77设在定子槽的底部且与线圈绕组的一侧相抵，磁性槽楔73和楔下垫条74设在定子槽的开口处且与线圈绕组的另一侧相抵；所述楔下垫条74和槽底垫条77为半导体垫条。采用磁性槽楔和半导体垫条，有效抑制谐波负载电晕损害的同时对定子线圈进行固定，可避免冲击负载产生的振动对绕组产生的危害。整个绝缘结构的主绝缘、固定绝缘、匝间绝缘均采用了防电晕材料，可有效抑制谐波负载对线圈结构产生的损害以及冲击负载对绕组产生机械振动带来的危害，从而形成一种有效、高性能的绝缘结构。

Claims (9)

1.一种非线性负载专用发电机，其特征在于：包括三相交流同步主发电机、励磁系统和永磁机，所述三相交流同步主发电机包括主发电机定子和主发电机转子，所述主发电机定子包括定子铁芯和电枢绕组，所述主发电机转子包括转子铁芯和主励磁绕组，所述主励磁绕组镶嵌在转子铁芯上；所述励磁系统包括交流副励磁机和自动电压调节器，所述交流副励磁机包括固定在后端盖上的励磁机定子和安装在主轴上的励磁机转子；所述永磁机包括固定在后端盖上的永磁机定子和安装在主轴上的永磁机转子；永磁机产生的交流电源给自动电压调节器供电，自动电压调节器经整流后输出直流电给副励磁机定子供电，在副励磁机气隙中产生磁场，副励磁机输出三相交流电给旋转整流盘，经旋转整流盘整流供给主发电机转子稳定的直流电；
所述电枢绕组采用成型耐谐波绕组线圈，所述线圈包括电磁线组和包在电磁线组外的主对地绝缘结构，所述电磁线组由若干电磁线组成；所述电磁线包括铜条、包裹在铜条外的耐电晕聚酰亚胺薄膜和绕包在耐电晕聚酰亚胺薄膜外的云母带；所述主对地绝缘结构包括绕包在电磁线组外的耐电晕的少胶云母带和涂在少胶云母带外的半导体防晕层；两个线圈的直线部分通过热收缩性的绝缘防护带包扎在一起组成线圈绕组并置于定子槽内，两个线圈的直线部分之间设有层间垫条；所述定子槽内设有用于固定线圈绕组的磁性槽楔、楔下垫条和槽底垫条；
所述永磁机包括永磁机转子和永磁机定子，所述永磁机定子通过爪形支柱固定在发电机后轴承外盖上，所述永磁机转子套装在轴套的档位上，永磁机转子与轴套之间通过键来传递扭矩，永磁机转子的一端靠轴套上的档位止口定位，另一端用通过卡装在轴套上的弹性挡圈定位；所述轴套上设有连接法兰，所述连接法兰上设有安装孔，所述连接法兰通过螺栓与主轴端部连接。
2.根据权利要求1所述的一种非线性负载专用发电机，其特征在于：所述非线性负载专用发电机还包括机座、设在机座前端的前端盖、与主轴前端连接的风扇、设在机座顶部的定子接线盒和后罩。
3.根据权利要求1所述的一种非线性负载专用发电机，其特征在于：所述副励磁机为分体的交流转枢三相发电机。
4.根据权利要求1所述的一种非线性负载专用发电机，其特征在于：所述永磁机定子内嵌有散嵌定子绕组，永磁机转子上安装有径向励磁磁钢，相邻磁钢磁性方向按NS依次分布，永磁机极数为16极，永磁机频率为200HZ。
5.根据权利要求1所述的一种非线性负载专用发电机，其特征在于：所述自动电压调节器为数字式自动电压调节器。
6.根据权利要求1所述的一种非线性负载专用发电机，其特征在于：耐电晕的少胶云母带采用2/3叠包而成。
7.根据权利要求1所述的一种非线性负载专用发电机，其特征在于：所述主轴的端面设有与安装孔对应的螺纹孔，所述螺栓与螺纹孔配合；所述安装孔中具有供螺栓移动的空间。
8.根据权利要求1所述的一种非线性负载专用发电机，其特征在于：所述爪形支柱上设有止口位，所述定子的外侧通过所述止口位定位并通过螺栓固定在爪形支柱上。
9.根据权利要求1所述的一种非线性负载专用发电机，其特征在于：所述爪形支柱上于止口位处设有螺纹孔，所述螺栓与螺纹孔配合。
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