CN1201460C - 三相永磁发电机 - Google Patents

Abstract

一种三相永磁发电机，对于给定驱动力和在低温下提供更大和更均匀输出，以提供更小型的发电机。这通过在相对旋转期间不超过两个衔铁齿与单个磁铁部分配准来实现。

Description

三相永磁发电机

本发明涉及一种三相永磁发电机，特别涉及对于给定驱动力和在低温下提供更大和更均匀输出的装置，以提供更紧凑的发电机。

传统的永磁发电机有一个由原动机(例如内燃机)驱动的带有永久磁铁的转子，当旋转磁场通过定子线圈时，在定子线圈中产生感应电压。在转子旋转(圆周)方向设置的永久磁铁的磁极数量为2n，这里n是一个正整数。这是因为必须在圆周方向等间距设置同样数量的N极和S极。在三相发电机中，定子铁芯的齿数或衔铁铁芯的数量P为3m，其中的“m”是一个正整数。

按照惯例，n＝m。即当转子的磁极数量M设置为2n时，定子铁芯的齿数P设置为3m＝3n。例如，当n＝6时，磁极的数量M设置为1 2，齿数或衔铁铁芯数量P为18。当n＝8时，限定M＝16，P＝24。

这种传统的相互关系见图1和图2所示，图1和图2分别为一台永磁发电机的局部横截面主视图和径向横截面视图，其中n＝m＝6，或M＝12，P＝18。通常以21表示的转子包括一个可通过固定在内燃机或其它合适的原动机上的曲柄轴(未示出)而被驱动的轴毂部22。转子21还包括一个固定在轴毂部22的法兰上的通常为杯形的杯部23。若干环形永久磁铁24合适地固定在杯部23的内侧圆周表面。永久磁铁24在圆周方向被磁化成有相反极性的2n个磁极。在这个传统的例子中，设n＝6，并且磁极数量M为2n＝12。

定子25与转子21配合。定子25包括一个通过层压薄钢板形成的有齿或衔铁26的定子铁芯，所述齿或衔铁26被线圈27缠绕。定子25的齿26的数量为18。在本例中，因为3×m＝18，所以m＝6。线圈27有U相、V相和W相。每个相的线圈每隔两个齿连续地缠绕在齿26上。在本例中，每隔两个被同相线圈27所缠绕的齿或衔铁与磁铁24的同极以相同的电角度对置。为了使同相的齿与磁铁24的同极以相同电角度如上所述对置，必须有n＝m，或者至少n为m的整数倍。

对于上述传统的发电机，由于电力在这种状态下产生，即在缠绕有同位线圈27的m个(六个)齿26对着m个(六个)同相永久磁铁的状态下产生，所以在各m个(六个)齿感生的谐波在同相叠加，输出波形失真加剧。这种失真在图3中画出。这台机器的三相接线图以及输出电压V1和V2在图4中示出。

由于失真，所以产生给定输出所需的驱动转子21的扭矩增加。由于近年来永久磁铁性能显著改进，这个问题已经恶化。例如，有极大磁能的钕铁硼磁铁已经公知。当使用这种高性能磁铁时，转子驱动转矩的变化还要增加。

由于驱动转矩增加，当用内燃机驱动转子时，这台发动机的载荷的周期性变化也增加。这样需要特别增加这台发动机的驱动功率或输出。这由图5中的虚曲线示出。这意味着，当发电机用发动机驱动时，发动机的尺寸增加。此外，这张图还示出，由于各相线圈以相同电角度连续地连接，产生的电压增加，但输出电压波形不平滑并且包含许多谐波，导致发电效率低。

如图6虚线曲线所示，这还导致发电机的自生热问题。即不增加发电机尺寸就不能增加发电量。

此外，如图3所示，各相输出电压波形被严重扰乱并且包含许多尖峰形的具有高峰值电压的波形。这需要一个平滑输出电压的电容器，这又导致须使用大尺寸、高成本的电容器。当使用钕铁硼磁铁时，这个问题将变得特别严重。

因此，本发明的一个目的是提供一种三相磁铁发电机，通过降低驱动转矩使其尺寸和原动机的驱动力减小，同时通过输出电压波形的平滑化提高发电效率。

本发明的另一个目的是，通过降低自生电量使线圈致密而减小线圈尺寸或提高出力，并且还通过降低峰值电压减小平滑电容器尺寸以及降低平滑电容器成本或完全不需要电容器。

本发明具体表现在一台有可相对转动的第一和第二部件的发电机中。第一部件固定到若干在圆周间隔排列的部分圆筒形的永久磁铁上。第二部件有若干线圈缠绕的衔铁齿，因此当两个部件相对旋转时，电流将在线圈绕组中感生。结构是这样的，即在相对旋转期间，不多于两个衔铁齿与单个磁铁部分配准。

按照本发明另一特征，结构是这样的，即在衔铁齿感生的电压是同相电压而且围绕这台机器圆周同相位。

按照发明的另一特征，这通过磁极数量等于2n，衔铁齿数量等于3m实现，这里n和m是正整数，并且2n被m除不等于整数。

图1是传统的发电机装置的主视图。

图2是图1所示传统发电机的径向横断面视图。

图3表示传统的发电机的相电压波形。

图4是表示图3电压值测量点的电路原理图。

图5是将应用现有技术的机器(虚线表示)和实现本发明的机器(实线表示)的效率、驱动功率和电力输出对速度的响应相比较的视图。

图6是表示应用现有技术的机器(虚线表示)和实现本发明的机器(实线表示)的温度特性的视图。

图7是部分类似于图1的径向横断面视图，表示按照第一实施例结构的发电机与内燃机(示出一部分)的驱动关系。

图8是图7所示实施例的主视图。

图9是部分类似于图3但表示图7和图8实施例的相电压波形图。

图10是部分类似于图8并表示本发明第二实施例的主视图。

图11是表示传统装置的相电压波形图。

图12是表示按照本发明所述结构的发电机的相电压波形图。

图13是表示传统的装置的线电压波形图。

图14是表示按照本发明所述结构的发电机的线电压波形图。

首先，在图7和图8所示的实施例中，原动机(例如一台内燃机31)的输出轴(即曲柄轴32)由一个左右可拆的曲柄箱33支承。轴承34和另一轴承(未示出)一起支承的曲柄轴32可在曲轴箱33内旋转。曲柄轴32通过将成对的左右曲柄连接板35和36用曲柄销37连接在一起而形成。连杆38的大头通过滚针轴承39支承在曲柄销37上。连杆38的小头可转动地与一个在发动机31的汽缸41内往复运动的活塞(未示出)连接。

曲柄轴32的一部分伸过曲轴箱33的壁41以驱动其上安装的三相磁铁发电机42，三相磁铁发电机42按照第一实施例构造。发电机42包括一个定子25(使用与前述应用到现有技术结构时相同的标号)。这样做是由于各部件除了它们的尺寸和数量，均是相同的。定子25用螺栓43固定到定子座44上，定子座44固定在曲轴箱33的前壁上。即四个螺栓43拧入在定子芯内钻出的四个螺栓孔45(图8)。

转子21的轴毂部22套在曲柄轴32的锥形表面上并且被键46带着旋转。螺母47拧到曲柄轴32的螺纹端48上。风扇49固定在转子21上并且用一个罩51罩着。为了使发动机31冷却，风扇49绕汽缸41输送冷却空气。

在这个实施例中，使用8块有16(＝2n)个磁极的钕铁硼永久磁铁24。定子芯有15(3m＝15)个齿或衔铁26以及相关联的绕组27。因此n＝8，m＝5。在本例子中，磁铁24之间的角度或倾斜角θ1为2π/2n(弧度)＝22.5°。齿25之间的角度或倾斜角θ2为2π/3m(弧度)＝24°。同相的线圈或绕组27缠绕在连续的m(＝5)个齿26上。这里，由于相邻的齿26与不同极磁铁24交替相对，五个线圈27交替地在相反方向缠绕，因此在各个线圈27中感生的电压的极性是彼此相同的。不多于两个齿或衔铁26与任一个磁铁24相关联。

沿五个齿26周向行进，第五个齿26从其磁铁24移动Δθ×(m-1)＝Δθ×4＝6°相位。为了使角度6°保持在磁铁24的范围内，位移角小于磁铁24倾斜角θ1的一半，Δθ×4＜θ1/2。结果，在线圈27中感生的电压可以显著增加。即产生如图9中所示的平滑输出波形。

图10是本发电机另一实施例的主视图。在这张图中，与图7和图8实施例中相同的零件均标以相同的标号，并且不再重复说明。

这个实施例使用具有16(＝2n)个磁极的钕铁硼磁铁24和18(＝3m)个齿或衔铁26。因此，n＝8，m＝6。在本例中，磁铁24之间的角度或倾斜角θ1为2π/2n(弧度)＝22.5°。齿25之间的角度或倾斜角θ2为2π/3m(弧度)＝20°。由于齿26的数量为2的倍数，所以同相(图10中U相)的线圈27分成两组。即每组包括三个(＝m/2)缠绕在连续的三个齿26上的线圈27并且相对于中心对称。

这里，由于相邻的齿26与不同极磁铁24交替相对，线圈27交替地在相反方向缠绕，因此在各个线圈27中感生的电压彼此并不反向。在这个实施例中，三个(＝m/2)齿26相对于三块磁铁24的位移角或相位差Θ为Δθ×(m/2-1)＝Δθ×2。因此Θ＝Δθ×2＜θ1/2。

如上所述，图9和图3分别相比较地示出用本发明所述实施例获得的输出电压波形的失真情况以及用传统的装置获得的输出电压波形的失真情况。在这里，本发明所述实施例由图7和图8示出，具有16磁极和15齿，传统的装置由图1和2示出，具有12磁极和18齿。图9示出按照本发明获得的相电压V1和线电压V2，图3示出按照传统的装置获得的相电压V1和线电压V2。如图3所示，传统装置的输出电压波形V1和V2不仅失真大而且包含许多尖峰形的波形和许多谐波分量。另一方面，如图9所示，本发明的输出电压波形V1和V2平滑并且失真较小，谐波分量较小。

图11和图12示出计算机模拟分析获得的相电压波形。图12示出用本发明的一个类似于图10所示的实施例(具有16磁极和18齿)获得的结果。图11示出用一个传统装置(具有12磁极和18齿)获得的结果。从这些图中显然可以看出，本发明通过降低基本(初)波、第三级波和第五级波的振幅，可以降低合成波形的失真。

图13和图14示出计算机模拟分析获得的线电压波形。图13示出从图11所示相电压获得的结果。图14示出从图12所示相电压获得的结果。

图5给出本发明所述实施例(具有16磁极和18齿，图中“新的”所示)与传统装置(具有12磁极和18齿，图中“传统的”所示)的驱动功率、电力输出和效率的比较。从该图中可以看出，在整个转数范围内驱动功率降低大约10％，效率改善大约10％。

图6表示温度特性。在该图中，画出定子线圈和固定该定子的定子座44之间的温差ΔT(℃)相对于转数(转/分)的曲线。从该图中可以看出，本发明与传统装置相比，在整个转数范围内大约降低线圈温度40％。结果，可以通过使定子线圈更致密来减小定子和转子的尺寸，或从发电机尺寸的观点看，可以用同尺寸发电机提供更大的动力。

应该明白，前面所述的仅是本发明的最佳实施例，在不改变后附权利要求阐明的本发明的精神和范围的情况下，可以作出各种改变。例如，上述实施例中的永久磁铁24使用钕铁硼磁铁，本发明还包括使用其它永久磁铁(例如那些使用稀土和铁氧体的磁铁)的装置。此外，上述实施例为外转子型(转子在定子外面旋转)的，本发明还包括内转子型的(转子在环形定子径向内侧旋转)。

Claims (10)

1.一种有可相对转动的第一和第二部件的多相发电机，所述第一部件具有固定在其上的沿圆周间隔排列的多个分段的永久磁铁，所述永久磁铁在相对转动的方向上具有接近的边缘和相反的极性，所述第二部件有多个线圈缠绕的衔铁齿，因此当所述第一和第二个部件相对旋转时，电流将在所述线圈绕组中感生，同相线圈缠绕在于相对旋转方向连续设置的衔铁齿上，它们的卷绕方向相反并且对应于与各个齿相对的永久磁铁极性的变化，所述永久磁铁和所述衔铁齿是这样配置的，即在相对旋转期间，不多于两个衔铁齿与单个永久磁铁配准，磁极数量2n和齿数3m这样设定，即(2π/2n-2π/3m)×(m-1)不超过π/2n，这里n和m是正整数。

2.如权利要求1所述的发电机，其特征是，在衔铁齿感生的电压是同相电压而且具有围绕这台机器圆周的相同相位。

3.如权利要求1所述的发电机，其特征是，2n被m除不为整数。

4.如权利要求3所述的发电机，其特征是，在衔铁齿感生的电压是同相电压而且具有围绕这台机器圆周的相同相位。

5.如权利要求1所述的发电机，其特征是，永久磁铁包括钕铁硼磁铁。

6.如权利要求1所述的发电机，其特征是，发电机为三相型。

7.如权利要求6所述的发电机，其特征是，2n被m除不为整数。

8.如权利要求7所述的发电机，其特征是，齿数3m是一个奇数。

9.如权利要求6所述的发电机，其特征是，衔铁的齿数是一个偶数，并且同相线圈连续地缠绕在于相对旋转方向连续安排的对称布置的m/2齿上，它们的卷绕方向相反以便与面对各个齿的永久磁铁的极性改变相对应。

10.一种有可相对转动的第一和第二部件的多相发电机，所述第一部件具有固定在其上的沿圆周间隔排列的多个分段的永久磁铁，所述永久磁铁在相对转动的方向上具有接近的边缘和相反的极性，所述第二部件有多个线圈缠绕的衔铁齿，因此当所述第一和第二个部件相对旋转时，电流将在所述线圈绕组中感生，同相线圈缠绕在于相对旋转方向连续设置的衔铁齿上，它们的卷绕方向相反并且对应于与各个齿相对的永久磁铁极性的变化，所述永久磁铁和所述衔铁齿是这样配置的，即在相对旋转期间，不多于两个衔铁齿与单个永久磁铁配准，衔铁的齿数3m是9的倍数或3×3×s，其中s是大于等于2的整数，同相线圈连续地缠绕在于相对旋转方向连续地被S等分的对称布置的m/s齿上，它们的卷绕方向相反以便与面对各个齿的永久磁铁的极性改变相对应。

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