CN1363132A - 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
一种由发电机和作为驱动装置的活塞式内燃机所组成、尤其是由同步发电机和柴油发动机所组成的发电机组,发电机转子(29)作为外转子由柴油发动机曲轴(1)驱动并且带有用于发电机励磁的永久磁铁(35);发电机定子(11)设置在转子(29)内部并且带有发电机的电枢绕组(28),其中,为了进行电压调节,将发电机定子(11)分成定子外面部分(19)以及定子里面部分(21),该定子外面部分与转子(29)构成气隙(33),该定子里面部分与包围它的定子外面部分(19)构成控制气隙(23),并且相对于定子外面部分(19)可旋转地被支承,使得通过位置旋转可改变控制气隙(23)的几何形状并且可根据发电机端电压的波动产生旋转。
Description
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所组成的、尤其是由同步发电机和柴油发动机所组成的、如权利要求1前序部分所述的发电机组。
这种与泵组相结合的发电机组已经在DE19721527中描述。
对于永久磁铁励磁的发电机组来说通常缺少一种为使发电机电压与不同负载状态相适配所采取的简单调节方法。对于其它一些发电机组来说,则是通过在发电机励磁端或者以易受磨损的滑环形式或者通过安装一个带有励磁机的旋转式整流器,来采取调节技术措施。
与上述方式相反,本发明的目的是避免采用昂贵的调节技术措施。尤其是在负载变化的情况下应该保证维持给定的电压误差,以有利于有一个连续的、尽可能与相位无关的电压波形。
按照本发明的建议,这个目的根据权利要求1的特征来实现。
按照本发明的建议,为了进行电压调节将发电机定子分成定子外面部分和定子里面部分,该定子外面部分与转子构成一气隙,该定子里面部分则与包围它的定子外面部分构成一个控制气隙,通过简单地改变控制气隙的几何形状,就能通过定子里面部分的扭转对定子中的磁通量实现控制。通过控制气隙的这种变化并根据定子里面部分的旋转角就能够做到,在保持低电压误差的情况下使得与感应电压成正比的磁通量单调变化。
按照本发明,定子里面部分的旋转随着由负载引起的发电机端电压的变化而产生,其中定子中的磁阻随着控制气隙的逐渐闭合而减小,或者相反随着控制气隙的逐渐增大而加大。
为此,在圆周方向看过去,限定控制气隙的两个定子部件的圆周表面上具有多个扇形凸起,且最好这样构成,即每个定子部件具有至少三个扇形凸起,其轮廓反向地偏离于圆形。这意味着,定子里面部分的扇形凸起沿旋转方向逐渐接近各定子外面部分,而在相反旋转方向上在控制气隙增大的情况下扇形凸起逐渐相互远离。
按照本发明的另一个建议,定子外面部分相宜地通过固定在发电机壳体端盖部件上而相对于壳体固定,并且定子里面部分同心且可旋转地被容纳在定子外面部分里面。
这一点具有优点地以这种方式实现,定子里面部分抗扭转地设置在一根空心轴上,该空心轴在定子里面部分两端可旋转地支承在轴承法兰里面,轴承法兰例如以这种方式与定子外面部分连接,即轴承法兰成形于端部外罩板上,而外罩板与定子外面部分螺栓连接。
按照本发明,对于定子里面部分随与负载有关的发电机端电压的波动所产生的旋转进行改进,即,使一个旋转磁铁抗扭转地支承在空心轴壳体端盖侧的延长段上,旋转磁铁在从属的与壳体固定在一起的轭铁内部的旋转通过轭铁连接在发电机端电压上的绕组来控制。由此实现与功率因数cos无关地调节电压。
在本发明的一个特别有利的改进设计中,将定子里面部分按上面所述设置在空心轴上。定子里面部分通过旋转磁铁几乎无阻力的旋转由此可以实现,即,将作用于定子与旋转磁铁之间的、与空心轴连接的扭转杆设计成,使扭转力能与旋转角无关地大约等于磁场施加在定子里面部分上的磁力。在这种适配状况下就主要取决于由旋转角所决定的控制气隙的几何形状。通过对空心轴中的扭转杆弹簧力的相应匹配,实际上可以实现无阻力的电压调节。
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 (8)
1.一种由发电机和作为驱动装置的活塞式内燃机所组成、尤其是由同步发电机和柴油发动机所组成的发电机组,其中发电机转子作为外转子(29)由柴油发动机的曲轴(1)驱动并且带有用于发电机励磁的永久磁铁(35),发电机定子(11)设置在转子(29)内部并且带有发电机的电枢绕组(28),其特征在于,为了进行电压调节,发电机定子(11)分成定子外面部分(19)以及定子里面部分(21),该定子外面部分与转子(29)构成气隙(33),该定子里面部分与包围它的定子外面部分(19)构成控制气隙(23)并且相对于定子外面部分(19)可旋转地被支承,使得通过位置旋转可改变控制气隙(23)的几何形状并且可根据发电机的端电压波动产生旋转。
2.如权利要求1所述的发电机组,其特征在于,沿圆周方向看,两个定子部件(19,21)在邻近控制气隙(23)的圆周面上具有多个扇形凸起。
3.如权利要求2所述的发电机组,其特征在于,每个定子部件(19,21)具有至少三个扇形凸起,其轮廓反向地偏离圆形。
4.如权利要求1所述的发电机组,其特征在于,定子外面部分(19)与壳体固定在一起并且在定子外面部分里面同心且可旋转地容纳定子里面部分(21)。
5.如权利要求4所述的发电机组,其特征在于,定子里面部分(21)抗扭转地设置在一根空心轴(24)上,该空心轴可旋转地支承在定子里面部分(21)两端的轴承法兰(26)里面,该轴承法兰固定在定子外面部分(19)上。
6.如权利要求5所述的发电机组,其特征在于,所述轴承法兰(26)成形在端部外罩板(22)上,而外罩板与定子外面部分(19)螺栓连接。
7.如权利要求5所述的发电机组,其特征在于,一个旋转磁铁(41)位于空心轴(24)壳体盖侧的延长段上,该旋转磁铁通过空心轴延长段在与壳体固定的轭铁(42)内部的旋转受到轭铁连接在发电机端电压上的线圈(43)的控制。
8.如权利要求7所述的发电机组,其特征在于,一个作用于定子与旋转磁铁(41)之间的、与空心轴(24)连接的扭转杆被设计成,使得由旋转角所决定的扭转力基本上等于磁场施加在定子里面部分(21)上的磁力,这样定子里面部分(21)通过旋转磁铁(41)的旋转几乎可以无阻力地实现。
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