CN1667923A - 高稳压精度稀土永磁单相同步发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高稳压精度稀土永磁单相同步发电机，在定子铁芯(6)的内圆圆柱表面上根据正弦分布规律设计大小不同的斜槽式定子槽(10)，在最大的一对正弦槽的中心线上沿定子外圆圆柱表面对称安置形调磁铁心(2)，调磁铁心(2)上绕有调磁线圈(1)；采用平板形多块组合的稀土磁钢(12)夹在转子铁芯中呈“∧∨”形布置，转子硅钢迭片(11)被“∧∨”形稀土磁钢(12)分割为三分体，硅钢迭片(11)通过铆钉(15)铆合为整体；本发明的发电机输出波形的正弦性畸变率控制在2％以内，固有电压调整率控制在10％以，气隙磁场有合理的正弦形分布，电压调节过程短，瞬时快速反应。

Description

高稳压精度稀土 永磁单相同步发电机

所属技术领域

本发明属发电机领域，它涉及一种高稳压精度稀土永磁单相同步发电机，主要与汽油机、柴油机、燃气轮机或其他动力机械配套成机组形成可移动电源，广泛应用于通信、采矿、筑路、林区、农田排灌、野外施工、国防军事、车船运输、有车族星期六出游、企事业单位备用电源等等。

背景技术

现阶段国内外市场占绝对统治地位的是有刷和无刷同步发电机。永磁发电机由于电压调节困难，仅局限于对电压质量要求不高的场合，如拖拉机的夜间照明等，致于稀土永磁发电机，几乎还未形成市场空间。而有的采用交一直一交变频调压的永磁发电机，因昂贵的价格和零过载能力的缺陷，市场空间很窄。无论无刷和有刷发电机，都存在以下缺陷：

一、无刷机供电波形不好，正弦性畸变率很高，有的进口名牌机的正弦性畸变率高达24％，这对于电子负载和开关电源设备来说，是不适宜的。

二、电励磁的磁场强度受到电机结构的限制，因而带感性负载的能力弱，一般仅能驱动七成左右的感性负载。

三、损耗大、效率低。用铁量和用铜量都相对较大，铜损、铁耗都大，又由于电励磁发电机输出电能的10％以上用于自身的励磁消耗，因此效率低、耗能高。

四、故障率高。有刷机转子磁场用滑环供电，存在机械性电接触和磨损，自动电压调整系统电路复杂，电子元件多，击穿损坏率高。

我国是世界第一稀土大国，稀土储量占全球80％以上。钱学森院士指出：“中国应该打好稀土这张牌。”我国稀土永磁的磁性能已接近世界先进水平，给本发明创造了条件。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种高稳压精度稀土永磁单相同步发电机，该发电机正弦波形好，电压调整率小，带电开关电源设备能力强，效率高，节能节材，解决稀土永磁同步发电机输出电压和调整困难这一难题。

本发明的技术解决方案是：在发电机的定子和转子以及自动电压调节器上采用技术解决措施，即：一、发电机定子：在定子内圆圆柱表面上根据正弦分布规律设计大小不同的斜槽式定子槽，在上下对称的最大的一对正弦槽的中心线上，沿定子外园圆柱表面对称安置︹形调磁铁心，调磁铁心的两个园弧面沿定子外圆圆柱径向跨接在2-3对正弦槽间，调磁铁心上绕有调磁线圈，调磁铁心通过固定耳、螺钉和包箍紧固在定子铁心外园柱表面。

二、发电机转子：采用平板形多块组合的稀土磁钢夹在转子铁心中呈“∧∨”形布置，转子硅钢迭片被“∧∨”形稀土磁钢分割为三体，硅钢迭片通过铆钉、两隔磁端板、中隔磁板铆合为整体，在保证铁心外弧面与转子轴之间的形位公差后置于磁钢。

三、自动电压调节器：在单面印刷电路板上连接取样电源、基准电源、PWM芯片、MOSFET功率管以及小量外围电子无件组成自动电压调节器电路，取样电源和基准电源连接在PWM上，调磁电源接调磁线圈后接MOSFET功率管形成电回路。

本发明具有以下优点：①发电机输出波形的正弦性畸变率控制在2％以内，固有电压调整率控制在10％以下。②气隙磁场有合理的正弦形分布，最大限度减小漏磁，减小磁场交轴扭曲，避免磁场退磁，充分发挥稀土磁钢的磁性优势。③电压调节过程短，瞬时快速反应，瞬时电压调整度小。

附图说明

图1为本发明定子结构图

图2为图1的剖视图

图3为本发明转子结构图

图4为图3的剖视图

图5为本发明自动电压调节器原理框图

图中：1调磁线圈、2调磁铁心、3螺钉、4固定耳、5包箍、6定子铁芯、7主付绕组端部、8主正弦绕组、9付绕组、10定子槽、11硅钢迭片、12稀土磁钢、13转子轴、14隔磁端板、15铆钉、16中隔磁板、17取样电源、18基准电源、19PWM波调制、20调磁电源、21MOSFET功率管

具体实施方式

如图1、2、3、4、5所示，本发明在发电机的定子和转子以及自动电压调节器上采取技术解决措施：

一、发电机的定子：如图1、2所示，在定子铁芯6的内圆圆柱表面上根据正弦分布规律设计大小不同的斜槽式定子槽10，在上下对称的最大的一对正弦槽即图1中的E、E`和F、F`的中心线上，沿定子外园圆柱表面对称安置一对︹形调磁铁心2、调磁铁心的两个圆弧面沿定子外圆柱径向跨接在2-3对正弦槽间，调磁铁心的圆弧面与定子铁芯的外圆面尽量做到精密光滑无间隙接触，调磁铁心2上绕有调磁线圈1，调磁铁心的个数与发电机极数一致，调磁铁芯2通过固定耳4螺钉3和包箍5紧固在定子铁芯6的外圆柱表面。调磁铁心沿定子径向要让开发电机两端盖的四只或三只固定螺栓，沿定子轴向则要让开两端盖的止口位置，如果是有外壳的定子，则需要在外壳相应部位开孔。

本发明在发电机定子上采用以技术措施，其一保证输出电压完全正弦波的前提下，使发电机固有电压调整在10％以下，正弦畸变率控制在2％以内，利用︹形调磁铁芯跨接在上下两对最大正弦槽中心线两侧2-3对槽间的定子轭部外圆柱上，两对最大槽嵌放的正弦绕组线圈我们称波峰线圈，两侧2-3对槽嵌放的正弦绕组线圈称亚波峰线圈，两只︹形调磁铁心上绕有调磁线圈，两调磁线圈的线径和匝数完全一致，反向串联，使它们感应的交流电压大小相等，而方向相反，互相抵消。当发电机空载时，输出电压最高，这时两只调磁绕组馈以最大直流电流，并在调磁铁芯中产生最大直流磁场，它们各自经过所跨接的定子轭部而闭合，直流磁场经定子轭部闭合的路径正好是波峰线圈和亚波峰线圈交变磁路的必经路径。由电磁学原理可知，交变磁路中若迭加有直流磁场，则该交变磁路的动态磁导率将下降，导致正弦绕组的重量级部分波峰线圈和亚波峰线圈感应的交流电压下降。这里没有把全部正弦绕组都纳入调磁铁芯的控制范围，一是因为受控电压幅度只占全电压的10％，控制范围足够，二来可以减小控制所需的功率，三者可不影响发电机外壳附近的构件。当电压下降到预定的数值如230V时，调磁线圈直流电流为零，直流磁场消失，发电机在自然特性上运行。

二、发电机转子：如图3、4所示，稀土磁钢12采用平板形多块组合，夹在转子铁芯中呈“∧∨”形布置，以增大磁钢面积，使转子极弧面聚磁，产生强大的气隙磁通，平板形磁钢与同体积瓦形磁钢相比，单位体积磁能积大，价格又便宜。

转子硅钢迭片11被“∧∨”形稀土磁钢12分割为三分体，硅钢迭片11通过铆钉15、两隔磁端板14、中隔样板16铆合为整体，在保证铁心外弧面与转子轴13之间的形位公差后置于稀土磁钢12，轴肩除外的整个转子浸在常温胶粘剂中滴净干燥。

转子极弧系数取0.55-0.56，比普通发电机要小，配合非均匀气隙，单边气隙最小处不超过0.55毫米。气隙磁密可达0.97T以上，主绕组的用铜量和电阻得到大幅下降，如日产雅马哈EF2600两千瓦发电机用铜总量重3.2千克，本发电机两千瓦用铜总重1.62千克。

本发明的转子上采用以上技术措施，保证转子铁芯和稀土磁钢有牢固的机械强度及高速运转的性能，气隙磁场有合理的正弦形分布，最大限度减小漏磁，减小磁场交轴扭曲，避免磁场直轴退磁，充分发挥稀土磁钢的磁性优势。

三、自动电压调节器(AVR)：本发明中的AVR电路，属发明人首创。在单面印刷电路板上连接取样电源17、基准电源18、PWM波调制19、调磁电源20、MOSFET21以及小量外围电子元件组成自动电压调节器电路。它依据发电机输出电压的变化同步地线性地控制调磁线圈电流的大小、以达到稳定输出电压的目的，具体原理框图如图5所示。AVR电路由取样电源、基准电源，PWM波调制、MOSFE功率管单元组成，发电机输出电压提供的取样电源17和基准电源18连接到PWM波调制19上，由发电机付绕组提供的调磁电源20经全波整流接入调磁线圈1，再经MOSFET功率管21组成电回路。控制原理如下：发电机输出电压上升、取样电压上升、与基准电压之差增大、PWM波脉宽增大、MOSFET功率管单位时间导通比增大、调磁线圈电流增大、发电机输出电压下降、直至下降到整定值范围。

该AVR电路是一个由内到外，由外到内的闭环调节系统。由于这是一种直流调感控制，完成调节过程的时间很短，瞬时快速反应能力很强，加上稀土磁钢抗电枢反应的能力强，所以瞬态电压调整率也小。

调磁线圈中直流电源的大小由发电机输出电压确定，输出电压增高即调磁线圈直流增大，导致输出电压降低，反之则升高，输出电压在整定值附近时，调磁线圈直流趋向为零。这种同步跟随过程由自动电压调节器(简称AVR)完成。

从已经研制出的家庭个体粗制的两千瓦样机的试验数据中看到，汽油机转速从空载3150r/min(52.5H)至发电机额定负载2970r/min(49.5H)，发电机输出电压从空载的240V至额定负载的230V之间变化。根据JB/T3320.2-2000标准，该发电机输出电压的稳态调整率为2.1％，但此时原动机汽油机的转速调速率为6％，JB/T3320.2-2000中规定为5％，已超标。若转速调速率为5％的话，折算到输出电压的整调率为1.75％。如此低的电压调整率，在小型发电机中，无论是无刷或有刷机，都属高档机系列。若该机改善工艺和加工精度，电压调速率可望达1％。

Claims (4)

1.高稳压精度稀土永磁单相同步发电机，在发电机的定子和转子以及自动电压调节器上采取技术解决措施：

一、发电机的定子：在定子铁芯(6)的内圆圆柱表面上根据正弦分布规律设计大小不同的斜槽式定子槽(10)，在上下对称的最大的一对正弦槽中心线上沿定子外园圆柱表面对称安置

形调磁铁心(2)，调磁铁心(2)上绕有调磁线圈(1)，调磁铁芯(2)通过固定耳(4)螺钉(3)和包箍(5)紧固在定子铁芯(6)的外圆柱表面；

二、发电机的转子：采用平板形多块组合的稀土磁钢(12)夹在转子铁芯中呈“∧∨”形布置，转子硅钢迭片(11)被“∧∨”形稀土磁钢(12)分割为三分体，硅钢迭片(11)通过铆钉(15)、两隔磁端板(14)、中隔样板(16)铆合为整体；

三、发电机自动电压调节器：AVR电路由取样电源(17)、基准电源(18)、PWM波调制(19)、MOSFE功率管(21)组成，发电机输出电压提供的取样电源(17)和基准电源(18)连接到PWM波调制(19)上，由发电机付绕组提供的调磁电源(20)经全波整流接入调磁线圈(1)，再接MOSFET功率管(20)组成AVR电回路。

2.根据权利要求1所述的高稳压精稀土永磁单相同步发电机，其特征在于：调磁铁心(2)的圆弧面沿定子外圆柱径向跨接在2-3对正弦槽间。

3.根据权利要求1所述的高稳压精稀土永磁单相同步发电机，其特征在于：调磁铁心(2)的个数与发电机极数一致。

4.根据权利要求1所述的高稳压精稀土永磁单相同步发电机，其特征在于：硅钢迭片(11)在保证铁心外弧面与转子轴(13)之间的形位公差后置于稀土磁钢(12)。

Images