CN1187879C - 由驱动发动机与发电机组成的发电机组 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种由驱动发动机和发电机，尤其是由柴油机和同步发电机组成的发电机组，它包括一个固定的电枢绕组(28)和装在转子(29)内用于发电机励磁的永久磁铁(35)，在此发电机组中，设计为外转子的发电机转子(29)构成柴油机的飞轮，而其设在转子内部的定子(11)则带有电枢绕组(28)。
Description
技术领域
本发明涉及一种由驱动发动机与发电机，尤其是由柴油机与同步发电机组成的发电机组，它包括一个固定的电枢绕组和装在转子内用于发电机励磁的永久磁铁，其中，设计为外转子的发电机转子构成柴油机的飞轮，发电机的定子带有电枢绕组并设在转子的内部。
背景技术
在德国公开文件3009279中介绍了一种可由汽车传动系统驱动的发电机，其中发电机设计为异极发电机，它的转子固定在驱动系统的飞轮上，以及，为了发电机的励磁，在其转子上设永久磁铁。在这里，电压在定子绕组内产生，定子围绕转子固定在驱动系统外壳上。在这种由汽车发动机构成的驱动系统中，转子补充了发动机的飞轮。发动机的冷却系统还间接地用于冷却发电机。
已知的发动机-发电机组的缺点是，它采用大的直径，因为它的转子装在飞轮的外圆周上；虽然将发动机和发电机组装在一起，但并没有简化结构以节省构件。而是将发电机安装在发动机专门适配的传动装置外壳内，传动装置外壳沿径向必须有比较大的尺寸。由于在传动装置外壳内部尤其沿轴向存在有限的容积，所以发电机的电功率仅限于汽车上车载电网的需要。
德国专利文件DE 19721527介绍了一种前言所述类型的发电机组，它除此之外还与一泵组组合。发电机固定在曲轴上的转子同时构成发动机的飞轮。通过泵组产生的冷却介质流导致冷却发电机。该文献中没有说明对发动机的冷却。
发明内容
因此，本发明的目的是，对于前言所述类型的发电机组在结构方面应达到，通过构件的组合能做到节省或能多重利用构件，由此导致减轻重量并且不仅沿径向而且沿轴向减小发电机的结构体积。此外应实现一种简化的结构方式，在此结构方式中不存在与曲轴挠曲有关的问题，以及以简单的方式实施冷却。
按本发明通过一种由驱动发动机和发电机组成的发电机组达到上述目的，所述发电机组它包括一个固定的电枢绕组和装在转子内用于发电机励磁的永久磁铁，其中，设计为外转子的发电机转子构成柴油机的飞轮，发电机的定子带有电枢绕组并设在转子的内部，按照本发明，所述转子装在一个风机叶轮上，风机叶轮本身通过法兰固定在驱动发动机的曲轴端面；定子)设计为薄板组成的叠片铁芯，它带有电枢绕组，并且借助于圆周上多个穿过其叠片铁芯中的孔且将叠片铁芯压在一起的定子螺钉与设在电流输出侧的发电机壳体端盖的内环固定在一起；以及，转子设计为薄板组成的叠片铁芯，它带有永久磁铁用于产生旋转磁场，并且借助于圆周上多个穿过其叠片铁芯中的孔且将叠片铁芯压在一起的夹紧螺钉与风机叶轮固定在一起。
在这里，风机叶轮保证有效和节省空间地既用于冷却发电机又用于冷却发动机。
转子和定子薄板叠片的设计，使发电机按一种特别节省体积的结构方式构造。
作为外转子设计的发电机转子有利地构造成，具备往常在发动机一侧所需要的飞轮的全部惯性矩。这意味着，一方面可根据往常存在的飞轮的惯性矩设计转子的尺寸，以及，另一方面为发动机提供原本要求的惯性矩，此惯性矩通常例如为了保证发动机的手起动性能是由飞轮提供的。
此外，在这样一种转子和飞轮的组合中可比较有利地顺利地遵守闪光极限值(Lichtflimmergrenze)。
若从本发明要达到的目的出发，发动机一侧外壳法兰的径向尺寸不应当由于连接发电机外壳而被超过，从而要限制转子的圆周，则转子的轴向尺寸要么按作为飞轮所需要的惯性矩决定，要么根据所要求的发电机在发电量方面的参数给出。为了在发电机内产生磁场，它有效的磁性质量需要一定的尺寸。
为了进一步减小发动机-发电机组的结构体积，转子在发动机风机叶轮上有利地直接安装在带叶片组的环形部分内部。通过由此将转子设计成具有较大直径的外转子，在轴向结构长度极短的同时达到结构体积特别高的利用率。
定子的一种有利的固定方式在于，它借助于圆周上多个穿过其叠片铁芯中的孔并将叠片铁芯压在一起的定子螺钉与发电机壳体端盖的一个内环固定在一起。在这种情况下特别恰当的是，定子螺钉在定子叠片铁芯与内环之间穿过定距套插入并拉紧固定在内环与定子背对内环的一侧之间。这样一来定子例如在一根轴上复杂的定心支承装置便不再需要。
此外还规定，转子借助于圆周上多个穿过其叠片铁芯中的孔并将叠片铁芯压在一起的夹紧螺钉与风机叶轮在其带叶片组的环形部分内固定在一起。在这种情况下特别恰当的是，夹紧螺钉在转子叠片铁芯与风机叶轮之间通过支承套筒插入并夹紧固定在风机叶轮与转子背对风机叶轮的那一侧之间。
因此，无论是转子还是定子均实现了一种简单的固定或支承方式，其结果是带来明显降低成本的优点。
在一种节省成本的实施形式中，紧挨着发电机外壳圆柱套在其内部，设有多个在圆周上分布地排列并贯穿外壳全长的固定螺钉，它们一端与发动机侧的连接外壳以及另一端与发电机壳体端盖通过螺纹旋紧。
为了进一步节约成本，将发电机外壳特别简单地设计为薄壁的圆柱套，它优选用金属薄板制成，在这种情况下，此发电机外壳以两个端面平面地夹紧在连接外壳与发电机盖之间。
发电机壳体端盖在输出侧的防护罩相宜地同样用金属薄板制成，并借助加长用于发电机外壳的固定螺钉的螺栓固定在发电机壳体端盖上。
在防护罩内部可设一个旋转磁铁作为电压调节器。在这种情况下，它带有一个励磁绕组的磁轭有利地固定在发电机壳体端盖上。在电子调压器空间需求较小的情况下，可以安装设计得特别扁平的防护罩以相应地缩短发电机部分。
采用本发明成功地创造了一种发动机-发电机组，其中，在用于额定功率例如约10KVA的电气构件方面，与传统的类似机组相比，成本可节省达50％。它尤其适用于作为小功率和小结构尺寸的工频发电机。
附图说明
下面根据附图详细描述本发明的实施例，附图中：
图1为沿图2中的剖切线I-I对发动机-发电机组的纵向截面图，
图2为沿图1中的剖切线II-II对发动机-发电机组剖切后得到的对定子和转子的视图，
图3为沿轴向对于图2中所示定子的局部放大截面图，
图4为带有永久磁铁的转子的三维视图，
图5为沿图1中的剖切线V-V对电压调节器的剖切视图。
具体实施方式
图1至图3中所示的构成发电机的电气设备涉及一种由一个驱动发动机和一个同步发电机构成的机组。作为驱动发动机优选考虑一个柴油发动机，在图中对于柴油发动机仅以虚线表示出其曲轴1与同步发电机连接的端部。在曲轴1端部通过螺栓3连接风机叶轮2。风机叶轮2具有叶片组，用于产生如箭头S1所示冷却发动机的气流，其中按照箭头S2通流的空气对应于冷却发电机之后由发电机壳体8流出的冷空气。如图1所示，位于电流输出端的发电机壳体端盖9具有用于按照箭头L通流冷空气的吸入孔。为了使这种冷却气流在发电机壳体8里面达到其充分的冷却效果，防护罩14具有一个或多个(未示出的)尺寸恰当的冷空气进入孔。
发动机侧的连接壳体5沿径向包封形成一个空间，风机叶轮2设置在该空间里；该空间在两端是敞开的并在其与发动机相对的一侧具有一个环状法兰6，该法兰具有螺纹孔用于旋入固定螺钉7，以连接相宜地由薄板制成的圆柱形发电机壳体8，该壳体以其两个端面被平面地压紧。固定螺钉7贴靠在发电机壳体8内侧上地沿其圆周分布并穿过整个壳体长度。在电流输出端，即图示发电机壳体8的左端设有一个发电机壳体端盖9，该端盖在沿径向向内伸出的辐条上具有一个端盖内环10，在端盖内环上固定发电机定子11。固定螺钉7的杆体以其处于电流输出端的端部穿过发电机壳体端盖9上的开孔；在固定螺钉7的外露螺纹段12上旋紧螺栓13，该螺栓用于将发电机壳体8固定在发电机壳体端盖9上以及通过短螺钉15固定防护罩14；该短螺钉15从外面穿过相应的防护罩14上的开孔旋紧在螺栓13的螺孔里面。防护罩14以其敞开端所构成的边缘段16从外面围扣搭接发电机壳体端盖9的相应外露段。
按照本实施例在圆周上分布有8个固定螺钉7，而为了将定子固定在端盖内环10上有6个定子螺钉17就够了，它们穿过定子外面部分19叠片铁芯上的开孔以及位于端盖内环10与其所面对的定子外面部分19之间的定距套20与端盖内环10旋紧。定子外面部分19通过这种方式相对于壳体固定，即，构成定子外面部分19的叠片铁芯通过定子螺钉17压紧在一起。
构成定子里面部分21的叠片铁芯抗扭转地设置在一根空心轴24上。该空心轴24通过其端盖60与设置在轴内的一根预紧的扭转杆46连接。空心轴可旋转地支承在外罩板22支承法兰26的衬套47上，外罩板设置在叠片铁芯相对的两端面上。端盖60对面的扭转杆46的另一端通过一个相对于扭转杆固定的杆状支柱44相对于外壳体固定。该杆状支柱的固定孔61位于一个螺钉62上，该螺钉将轭铁42的叠片铁芯压紧在一起。外罩板22覆盖位于定子里面部分21与定子外面部分19之间的控制气隙23。因此当构成定子里面部分21的叠片铁芯抗扭转地位于空心轴24上的时候，叠片铁芯与空心轴的旋转一起实现将发电机电压调节为期望的恒定值。下面还要详细描述为了调节发电机电压，相对于定子外面部分19调整定子里面部分21。
在图2中，为了更好地表示起见去掉了在图1中所示的绝缘板25，该视图不仅示出了构成转子29的叠片铁芯轮廓，而且也示出了那些构成定子的叠片铁芯的轮廓，该叠片铁芯在定子外面部分19处具有用于容纳发电机交流线圈28线圈骨架的缝隙38。定子外面部分19通过穿过其叠片铁芯开孔的定子螺钉17固定在图1所示的端盖内环10上。对应于所选截面还可以看到定距套20，该定距套顶靠在端盖内环10上支撑定子外面部分19的叠片铁芯。
三个固定螺栓27用于通过侧面外罩板22将定子里面部分21定心在定子外面部分19里面，空心轴24与定子里面部分21的叠片铁芯一起支承在外罩板的支承法兰26里面。
外罩板22在控制气隙23处向外还分别被绝缘板25覆盖，绝缘板用于使发电机交流线圈28以及三个分布在圆周上的固定螺栓27相对于外罩板22电绝缘。固定螺栓27穿过构成定子外面部分19的叠片铁芯里的孔延伸。固定螺栓通过绝缘套相对于叠片铁芯绝缘，并通过外罩板22使定子里面部分21相对于定子外面部分19定心。
定子11被转子29包围，转子同样由叠片铁芯构成，叠片铁芯通过压紧螺栓30压紧在一起，压紧螺栓通过发动机侧的螺纹段31旋紧在风机叶轮相应的螺纹孔里面。穿套在压紧螺栓30上的支撑套32被压紧在风机叶轮与所对应的转子29端面之间。由此使转子29与风机叶轮2抗扭地连接在一起。转子在其内圆周上相对于定子11形成一个约2mm宽的气隙33。此外转子29具有沿轴向贯通的大体为圆柱形的在两个磁极段内部延伸的槽34，窄条状棒形式的磁铁部件35从两侧插进槽里面，而且在本实施例中如图2所示，每个磁极具有两排各10个相邻设置的磁铁部件35，它们负责发电机的励磁。在槽34处，径向向内与槽34邻接的转子29圆周壁50的内轮廓线36与定子11的外轮廓线37一起界定形成窄气隙33。转子叠片上的孔40用于安装一个(图中未示出的)起动器。
按照图2和图4，磁铁部件35轴向插进槽34之后，呈多边状分布且紧密相邻并由此形成两个磁极。通过将永久磁铁分成用于这两个磁极的多个小磁铁部件35，能够实现经济地制造磁铁；其装配通过适当的磁性接地49而变得非常容易，因为由此实际上可以去掉相邻磁铁部件35的相互排斥。每个磁铁部件35都可以几乎不用力就可插进槽34。在此对于磁铁部件35的特殊固定就成为多余，因为这些磁铁在运行中通过其磁力沿轴向被固定并且从径向上看支承在槽里面，因而能轻易地承受在运行中产生的离心力。
在图4所示的磁铁的空间排列立体视图中，在装有磁铁部件35的槽端部设有一个空腔48。如果没有这个空腔48，在发电机短路的情况下这个区域内特别高的磁通量密度会导致外部磁铁部件35反复磁化并由此导致其损坏。通过设计这种带有确定的磁性接地49的空腔48，可以避免这种反复磁化。空腔48通过槽34内圆周壁50的延长段和毗连相邻磁极间隙52的桥臂51构成，通过桥臂接通磁性接地49。在槽34内侧轴向延伸的筋肋53确定磁铁部件35之间的距离。
为了更加清晰，在图3中放大示出了图2的局部，其中相同的部件用相同的附图标记表示。绝缘板25和用于定位定子里面部分21的外罩板22在图3中分别通过外轮廓和内轮廓上的基准线来表示。衬套47示出的是端侧。在定子外面部分19凹槽38内表示了交流绕组28的绕组线截面。
在定子外面部分19与定子里面部分21之间可变化的控制气隙23对于发电机电压调节工作原理来说很重要。毗邻控制气隙23的定子里面部分21和定子外面部分19的圆周表面在整个圆周上形成三个扇形段，其中每个扇形段都具有偏离圆形基本上螺旋状延伸地凸起的圆周段。例如，如果按图2中虚线所示使定子里面部分21沿箭头U(图2)所示的顺时针方向相对于定子外面部分扭转，则控制气隙23变小，在这种情况下，终端位置在大约扭转一个角度W之后达到。在这个终端位置控制气隙23最小。
如上所述，通过定子里面部分21相对于定子外面部分19的旋转，控制气隙23的几何形状发生变化并由此使定子11中的磁阻变化。这种状况对于所述的永久励磁同步设备来说可用于电压调节。通过所述磁通量变化能够调整感应电压，其中，在感应电压与磁通量之间存在着直接的比例关系。通过使定子里面部分21位于一根带有预紧扭转杆46的空心轴24上，以扭转力来抵消作用在定子里面部分21上的磁场作用力，使得定子里面部分21为调节电压相对于定子外面部分19的旋转借助于一个旋转磁铁41可几乎无阻力地顺利进行。而实现这一点的前提是，扭转预紧力与电磁回复力相当。
在图1至5中所示的旋转磁铁41设置在一个轭铁42的内部，该轭铁带有一个受发电机端电压控制的绕组43。在此发电机绕组上的电压波动导致旋转磁铁41的旋转，并由此通过两个定子部件之间的相对转动达到所期望的恒压调节。按照图1，旋转磁铁41悬臂地支承在空心轴24的从属端，该空心轴又抗扭地与定子里面部分21连接。旋转磁铁41定心地位于空心轴24端部的支承段45上并在那里压靠在空心轴24的轴肩上。旋转磁铁41与从属的轭铁42最好分别由许多叠片构成。
在图5中还示出了一个用于控制旋转磁铁41的电路。设置在轭铁42一个磁极上的绕组43连接在发电机绕组28的端电压U1，U2上。在此，磁通量直接与感应电压成比例并控制旋转磁铁41的旋转，同时通过空心轴24也控制定子里面部分21的旋转，由此使控制气隙23的几何形状变化并由此使定子11中的磁阻变化。从而实现简单的、与功率因数cos无关的发电机端电压调节。
Claims (7)
1.一种由驱动发动机和发电机组成的发电机组，它包括一个固定的电枢绕组(28)和装在转子(29)内用于发电机励磁的永久磁铁(35)，其中，设计为外转子的发电机转子(29)构成柴油机的飞轮，发电机的定子(11)带有电枢绕组(28)并设在转子的内部，其特征在于：转子(29)装在一个风机叶轮(2)上，风机叶轮本身通过法兰固定在驱动发动机的曲轴(1)端面；定子(11)设计为薄板组成的叠片铁芯，它带有电枢绕组(28)，并且借助于圆周上多个穿过其叠片铁芯中的孔且将叠片铁芯压在一起的定子螺钉(17)与设在电流输出侧的发电机壳体端盖(9)的内环(10)固定在一起；以及，转子(29)设计为薄板组成的叠片铁芯，它带有永久磁铁(35)用于产生旋转磁场，并且借助于圆周上多个穿过其叠片铁芯中的孔且将叠片铁芯压在一起的夹紧螺钉(30)与风机叶轮(2)固定在一起。
2.按照权利要求1所述的发电机组，其特征在于：在风机叶轮带有叶片组(4)的环形部分内部，夹紧螺钉(30)与风机叶轮(2)通过螺纹旋紧。
3.按照权利要求1所述的发电机组，其特征在于：紧挨着发电机外壳(8)圆柱套的内部，设有多个在圆周上分布地排列并贯穿外壳全长的固定螺钉(7)，它们一端与发动机侧的连接外壳(5)以及另一端与发电机壳体端盖(9)通过螺纹旋紧。
4.按照权利要求3所述的发电机组，其特征在于：发电机外壳(8)用金属薄板制成并以两个端面平面地夹紧在连接外壳(5)与发电机壳体端盖(9)之间。
5.按照权利要求1所述的发电机组，其特征在于：定子螺钉(17)在定子叠片铁芯与内环(10)之间通过定距套(20)插入并在内环(10)和定子(11)背对内环的一侧之间夹紧。
6.按照权利要求1所述的发电机组，其特征在于：夹紧螺钉(30)在转子叠片铁芯与风机叶轮(2)之间通过支承套筒(32)插入，并在风机叶轮(2)与转子(29)背对风机叶轮的那一侧之间夹紧。
7.按照权利要求1所述的发电机组，其特征在于：所述驱动发动机是一柴油发动机以及所述发电机是一同步发电机。
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