CN1363129A - 由发电机和作为驱动装置的活塞式内燃机组成的发电机组 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由发电机和作为驱动装置的活塞式内燃机组成的发电机组,尤其是由同步发电机和柴油机组成的发电机组,它包括在发电机转子内用于发电机励磁设在磁极区内的永久磁铁以及在定子内的电枢绕组(28),在此发电机组中,在转子(29)的磁极区内沿轴向构成至少一侧开口的安装槽(34),它们通过圆柱形的圆周壁(50)和转子与定子(11)之间构成的气隙(33)相邻;磁极区的永久磁铁由多个磁铁元件(35)构成,它们沿周向并列地布置在安装槽(34)内。

Description

由发电机和作为驱动装置的活塞式 内燃机组成的发电机组
本发明涉及一种由发电机和作为驱动装置的活塞式内燃机组成的发电机组，尤其是由同步发电机和柴油机组成的发电机组，它包括在发电机转子内用于发电机励磁设在磁极区内的永久磁铁以及在定子内的电枢绕组。
在DE 19721527中介绍了这种与一个泵组相结合的发电机组。
永磁电机通常具有永久磁铁，它们每个极由一件构成。在已知的发电机中，每块永久磁铁有圆柱壳段的形状，它在磁极的区域内和与定子一起构成的气隙相邻。
这种永久磁铁壳几乎不可能经济地制造，其尺寸肯定不适用于功率超过5kVA的发电机。这种整体式永久磁铁的装配只是在未磁化的状态下才有可能进行，因为大的磁性力不允许进行任何一般的操作。然后磁化必须麻烦地在完全装配好的转子上实施。此外在大的永久磁铁运输时，由于其材料的脆性，因而存在断裂的危险。
因此本发明的目的是，在前言所述具有用于发电机励磁的永久磁铁的发电机组中，创造一种安装发电机转子的经济的方案，尤其能克服上述缺点。
本发明的目的不仅在制造永久磁铁方面，而且在永久磁铁在前言所述发电机组转子内的装配方面，均按权利要求1特征部分所述特征达到。
按本发明的建议，令永久磁铁由多个比较小的磁铁元件构成，从而可以经济地制成。它们不仅便于运输和以磁化的形式制备，而且还可以通过简单的方式装配。为此目的，它们以同极定向地逐个沿周向并列安装在转子上适用的安装槽内。沿轴向看，安装槽一侧或两侧设计为开口的，所以它们可以从转子的一个或两个端面配备磁铁元件。沿轴向贯通设计的安装槽可作为优选的实施形式，磁铁元件在安装槽内沿轴向至少可设成两排。在这种情况下存在这种可能性，即，通过磁铁元件有恰当的尺寸、数量和布局，适应所期望的任何为获得磁通量所进行的设计。为此目的，磁铁元件可紧密程度或大或小地并列；它们沿轴向可排成一排或两排或甚至多排。在它们的尺寸方面尤其关注径向厚度，它关键性地决定磁通量密度。相比之下，磁铁元件的长度和宽度对于磁阻却并不那么重要。确切地说，除磁铁元件的径向尺寸外，磁阻还取决于它们的数量，亦即取决于配备磁铁元件的安装槽的弧长。此外，励磁电压的大小还可以轻易地改变，即通过安装数量较少的相同尺寸的磁铁元件，从而在相邻磁铁元件之间形成或大或小的空隙。这些空隙必要时可以用塑料备件充填，它们起定位的作用。
至于磁性元件的形状，恰当的可以是其长度根据转子的轴向尺寸确定，例如转子的轴向宽度相当于一个磁铁元件长度的若干倍，例如大约为两倍。
有关磁铁元件的横截面例如可设计为弓形段或矩形。在后一种情况下有利的是将安装槽沿径向的内表面设计为多边形以与之相匹配，所以长方六面体状的磁铁元件分别以其大的表面贴靠在多边形表面上。
为了更便于装配磁铁元件，一种有利的设计在于，至少在安装槽与圆周壁处于相对位置的内表面上，设确定相邻磁铁元件之间距离的沿轴向延伸的肋。
磁铁元件通过大的磁力固定在其各自的安装位置上。但也可以相宜地将磁铁元件再通过胶粘附加地固定在安装槽内表面上，或用相应的金属或塑料盖封闭安装槽在其沿轴向的相对端侧。
同样为了简化装配或出自于稳定性的考虑，可以相宜地借助沿轴向延伸的隔板将安装槽分成一个个大体与磁铁元件的横截面相应的屉格。
磁铁元件装在发电机转子内。按本发明转子在这里可设计为外转子。但具有磁铁元件的转子也可以反之设计为内转子，在这种情况下电枢绕组便处于设在外部的定子之内。
为了避免在边缘侧的磁铁元件在所谓突然短路的情况下由于反复磁化而成为不可用的，按本发明按这样的方式规定磁通量的转向，即，令安装槽沿周向在两侧从各自最后一个磁铁元件向外延长。由此，永久磁铁不会被去磁。
采用按本发明所设用于磁铁元件的安装槽，提供了简化磁铁元件装配的可能性，它们基于磁接地几乎可以不用力定位。此外在装配时可以相宜地影响磁场；为此，按本发明另一项建议可规定，在装配时将一定子定位在转子内部，定子为了装配按这样的方式通电流，即，使得磁铁元件可以基本上不用力定位。由此避免了由于在磁铁元件之间强烈的排斥力带来装配困难。通过一方面设计安装槽以及另一方面为安装槽配备形式上为小磁铁元件的永久磁铁的这种协同作用，找到了一种实现此类具有永磁同步电机的发电机组的经济方法。
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。
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39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 (17)

1.一种由发电机和作为驱动装置的活塞式内燃机组成的发电机组，尤其是由同步发电机和柴油机组成的发电机组，它包括在发电机转子内用于发电机励磁设在磁极区内的永久磁铁以及在定子内的电枢绕组(28)，其特征在于：在转子(29)的磁极区内沿轴向构成至少一侧开口的安装槽(34)，它们通过圆柱形的圆周壁(50)和转子与定子(11)之间构成的气隙(33)相邻；以及，磁极区的永久磁铁由多个磁铁元件(35)构成，它们沿周向并列地布置在安装槽(34)内部。
2.按照权利要求1所述的发电机组，其特征在于：所述磁铁元件(35)在安装槽(34)内沿轴向至少前后排成两排。
3.按照权利要求1所述的发电机组，其特征在于：所述转子(29)设计为外转子。
4.按照权利要求1所述的发电机组，其特征在于：所述安装槽(34)设计为沿轴向贯通，以及圆周壁(50)的厚度大约等于磁铁元件(35)径向厚度的一半。
5.按照权利要求4所述的发电机组，其特征在于：所述安装槽(34)沿周向在两侧分别从最后一个磁铁元件(35)向外延长以构成一个空腔(48)。
6.按照权利要求5所述的发电机组，其特征在于：所述圆周壁(50)延续到空腔(48)的区域内，在这种情况下圆周壁的厚度在考虑到空腔(48)尺寸的同时这样确定，即，不会由于瞬时短路使得在边缘附近的磁铁元件(35)发生退磁。
7.按照权利要求5所述的发电机组，其特征在于：所述安装槽(34)通过径向桥接片(51)与转子(29)的极间段(52)邻接。
8.按照权利要求1所述的发电机组，其特征在于：所述安装槽(34)的径向内表面对应于磁铁元件(35)的形状设计为多边形。
9.按照权利要求1所述的发电机组，其特征在于：至少在安装槽(34)与圆周壁(50)处于相对位置的内表面上设确定相邻磁铁元件(35)之间距离的沿轴向延伸的肋(53)。
10.按照权利要求1所述的发电机组，其特征在于：转子(29)的轴向宽度大约等于一个磁铁元件(35)长度的两倍。
11.按照权利要求1所述的发电机组，其特征在于：所述磁铁元件(35)通过胶粘固定在安装槽(34)的内表面上。
12.按照权利要求1所述的发电机组，其特征在于：所述安装槽(34)在其沿轴向的相对端侧被盖封闭。
13.按照权利要求1所述的发电机组，其特征在于：所述安装槽(34)通过沿轴向延伸的隔板分成一个个大体与磁铁元件(35)的横截面相应的屉格。
14.按照权利要求1所述的发电机组，其特征在于：所述磁铁元件(35)的横截面为矩形。
15.按照权利要求1所述的发电机组，其特征在于：所述磁铁元件(35)的横截面设计为弓形段。
16.一种在权利要求1所述的发电机组中为转子安装磁铁元件(35)的方法，其特征在于：采用已磁化的磁铁元件(35)；以及，定子(11)或一个磁性等效的辅助安装装置在转子内部松动地定位成，使磁铁元件(35)的定位基本上可以不用力；并且磁铁元件(35)在定位后被固定在它们的位置上。
17.按照权利要求16所述的方法，其特征在于：给定子(11)或磁铁元件(35)定位用的辅助装置通电流。
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