CN201167297Y - 自适应同频发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种发电机，尤其是一种适合用于低速多极、动力转速不稳定的发电机的自适应同频发电机。包括主轴、固定安装在主轴上的发电机转子，以及环绕设置在发电机转子周围的发电机定子，发电机定子通过轴承安装在主轴上，定子线圈的铁芯与转子线圈的铁芯成磁隙配合；在主轴上还安装有励磁发电机和同步电动机；所述同步电动机为永磁体同步电动机，固定安装在轴套上；励磁发电机的励磁绕组通过电刷与励磁电源连接，电枢绕组通过导线连接转子线圈；定子线圈连接输出电压端。在规定的范围内，该发电机主轴转速无论如何变化，输出电压的频率始终与电网频率一致，无需整流—逆变装置，结构简单、故障率低、发电效率高。

Description

自适应同频发电机

技术领域

本实用新型涉及一种发电机，尤其是一种适合用于低速多极、动力转速不稳定的发电机的自适应同频发电机。

背景技术

风力发电机、水力发电机等大功率低速多极发电机为了达到并网发电的要求，需要在不同转速的情况下输出的电压频率保持与电网频率一致，现在直驱型发电机多数采用整流-逆变-变频的方式进行电子调整输出频率，由于逆变器结构复杂、故障率高，成本高，已成为风力、水力发电机并网发电的一大障碍。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种结构简单、转速低、可直接并网且无需整流-逆变装置的自适应同频发电机，在动力转速允许的变化范围内无论主轴转速多少，输出电压频率始终保持与电网频率一致，且无需其他辅助调频手段。

为达到上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：

本实用新型所述的自适应同频发电机包括主轴、固定安装在主轴上的发电机转子，以及环绕设置在发电机转子周围的发电机定子，发电机定子通过轴承安装在主轴上，其特征在于：发电机转子包括爪极板、铁芯、转子线圈，铁芯固定安装在相对设置的两片爪极板之间，爪极板通过其中心的安装孔固定安装在主轴上，多个铁芯均匀分布在主轴的周围，铁芯上缠绕转子线圈；发电机定子呈圆桶状，其桶壁的两端固定连接端盖，端盖的中心通过轴承插装在主轴上，桶壁的内侧固定安装有定子线圈，定子线圈的铁芯与转子线圈的铁芯成磁隙配合；在主轴上还安装有励磁发电机和同步电动机，励磁发电机的电枢绕组固定安装在圆筒状的电枢支架的内壁上，电枢支架固定安装在主轴上，励磁发电机的励磁绕组固定安装在轴套上，轴套通过轴承套装在主轴上；轴套上同时还固定安装有电刷；所述同步电动机包括电动机定子和电动机转子，电动机定子与发电机定子固定连接，其内壁固定安装电动机定子线圈，电动机转子为永磁体转子，固定安装在轴套上；励磁发电机的励磁绕组通过电刷与励磁电源连接，电枢绕组通过导线连接转子线圈；定子线圈连接输出电压端。

上述爪极板为圆盘状，其边缘部分沿圆周均匀分布多个齿状的爪极，爪极的形状呈梯形，爪极设置成与主轴的轴线平行、垂直于爪极板。

励磁发电机的励磁绕组缠绕在励磁铁芯上，励磁铁芯固定安装在两片励磁爪极板之间，励磁爪极板为圆盘状，其边缘部分沿圆周均匀分布多个齿状的励磁爪极，励磁爪极的形状呈梯形，励磁爪极设置成与主轴的轴线平行、垂直于励磁爪极板；励磁爪极板的中心带有安装孔，多个励磁绕组以安装孔为中心均匀分布在安装孔的周围，安装孔中固定安装有安装套，安装套固定安装在轴套上。

在主轴上通过平键固定安装有连接套，两片爪极板分别固定安装在连接套的两端。

采用上述技术方案以后，本实用新型具有如下优点：

1、在规定的范围内，无论主轴转速变化，输出电压的频率始终与电网频率一致，无需整流-逆变装置，结构简单、故障率低、发电效率高；

2、采用分布式小直径的励磁线圈结构，其电阻小，励磁能耗低；

3、各旋转部件直接安装在同一主轴上，同心度高、气隙间隙小，降低生产成本，提高发电机的稳定性。

4、能满足风力发电机、水力发电机等多种转速不稳定的发电机的要求，省掉增速装置及整流-逆变电子装置，提高发电机的可靠性，且发电机直径大大降低。

5、能够自动适应电网频率的变化；

6、结构简单、有利于降低制造成本，提高运行可靠性、大幅度降低工程造价。

附图说明

图1是本实用新型的一个实施例的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是励磁发电机和同步电动机部分的放大示意图；

图4是图3的B-B剖视图；

图5是爪极板的展开结构示意图。

具体实施方式

本实施例各附图采用类似剖面图的表达形式，但为了清楚表示各部分的结构和连接关系，未画出剖面线。

如图1所示，本实用新型所述的自适应同频发电机，包括主轴1、固定安装在主轴1上的发电机转子，以及环绕设置在发电机转子周围的发电机定子3，发电机定子3通过轴承安装在主轴1上。发电机转子包括爪极板2、铁芯51、转子线圈5。爪极板2为圆盘状，采用导磁性能好的材料制成，其边缘部分沿圆周均匀分布多个齿状的爪极21，爪极21的形状呈梯形，爪极21设置成与主轴1的轴线平行、垂直于爪极板2。如图5所示，两片爪极板2以爪极21交错排列的形式相对平行设置。铁芯51固定安装在相对设置的两片爪极板2之间，爪极板2通过其中心的安装孔固定安装在主轴1上。在主轴1上通过平键固定安装有连接套6，两片爪极板2分别固定安装在连接套6的两端。当然，为了避免转子线圈5产生的磁场被连接套6短路，连接套6应采用不导磁的材料制成，如果为了降低成本采用导磁的钢铁材料，则至少应该在连接套6与爪极板2之间设置由不导磁材料制成的垫片。这样可以保证转子线圈5产生的磁场的两极分别分布在两片爪极板2上，而不被连接套6短路。如图2所示，有多个铁芯51以爪极板2上的安装孔为中心均匀分布在主轴1的周围，铁芯51上缠绕转子线圈5。铁芯51以及转子线圈5的数量可以根据需要设置，可以是两个，也可以是三个、四个或者更多；

发电机定子3呈圆桶状，其桶壁的两端固定连接端盖31，端盖31的中心通过轴承插装在主轴1上，这样，主轴1可以在端盖31中旋转。桶壁的内侧固定安装有定子线圈7，当然，这里定子线圈7的极对数应该与爪极21的个数相同。定子线圈7的铁芯与转子线圈5的铁芯成磁隙配合。

位于发电机定子3内部的发电机转子可以是一组，也可以是2组、3组或者如附图1所示的四组。采用多组发电机定子的结构可以提高发电机的容量、便于实现模快化生产，从而降低生产制造的难度、降低生产成本。

如图1、图3所示，在主轴1上还安装有励磁发电机和同步电动机，励磁发电机的电枢绕组91固定安装在圆筒状的电枢支架92的内壁上，电枢支架92固定套装在主轴1上，励磁发电机的励磁绕组93固定安装在轴套94上，轴套94通过轴承套装在主轴1上。励磁发电机的励磁绕组结构与发电机转子的结构类似，也是采用相对设置的爪极板夹住铁芯、线圈的结构。具体说是将励磁发电机的励磁绕组93缠绕在励磁铁芯98上，励磁铁芯98固定安装在两片励磁爪极板99之间，励磁爪极板99为圆盘状，其边缘部分沿圆周均匀分布多个齿状的励磁爪极96，励磁爪极96的形状呈梯形。当然，这里励磁爪极96的个数应该与电枢绕组91的极数相同。励磁爪极96设置成与主轴1的轴线平行、垂直于励磁爪极板99；如图4所示，在励磁爪极板99的中心带有安装孔，多个励磁绕组93以安装孔为中心均匀分布在安装孔的周围，安装孔中固定安装有安装套97，安装套97固定安装在轴套94上。安装套97应该采用不导磁的材料制成，或者至少在安装套97与励磁爪极板99之间设置不导磁的垫片，从而避免两励磁爪极板99之间磁短路。在轴套94上同时还固定安装有电刷95和同步电动机的电动机转子82；所述同步电动机包括电动机定子81和电动机转子82，电动机定子81与发电机定子3固定连接，为了机构更稳定，在电动机定子81的一端与主轴1连接的部位也采用轴承连接。在电动机定子81的内壁固定安装电动机定子线圈83，电动机转子82为永磁体转子，固定安装在轴套94上；励磁发电机的励磁绕组93通过电刷94与励磁电源连接，电枢绕组91通过导线连接转子线圈5；定子线圈7连接输出电压端。为了便于电枢绕组91与转子线圈5的连接，本实施例将主轴1设计成一端粗一端细的结构，在发电机转子和励磁发电机之间的主轴1上带有一个台阶面，在这个台阶面上钻上孔，该孔从励磁发电机一侧通到转子线圈5一侧。这样，励磁绕组93的接头可以很容易地穿过台阶面上的孔进入转子线圈5的一侧，与转子线圈5连接。由于工作的时候转子线圈5与励磁绕组93同轴连接、相对静止，两者之间没有相对运动。这种连接不会妨碍正常工作。

工作的时候，主轴1带动固定连接在其上的发电机转子、电枢支架92、电枢绕组91以一定的转速转动，即发电机转子以及励磁发电机的电枢支架92、电枢绕组91的转速相同，而发电机定子3以及电动机定子81与主轴1之间因为有轴承连接，并固定在底座上，是固定不动的。当给同步电动机输入电网频率电源的时候，电动机转子82通过轴套94带动励磁爪极板99旋转。

此时，励磁电源通过电刷95给励磁发电机的励磁绕组93通以励磁电流，并在励磁爪极板99上产生磁场，该磁场在电动机转子82的带动下，以转速N同步旋转。此时，励磁发电机的电枢绕组91在主轴1的带动下以低于励磁爪极板99的速度旋转，转速为N1。使得励磁发电机的电枢绕组91和励磁爪极板99产生的磁场发生相对运动，差速度为N-N1。这时，在励磁发电机的电枢绕组91上产生频率为F1的电动势，F1＝P1(N-N1)/60，其中P1为励磁发电机的极对数。将该电动势加到发电机的转子线圈5上，使爪极板2上产生频率为F1的交变磁场。

上述交变磁场在主轴1的带动下以转速N1旋转，并在发电机的定子线圈7上产生频率为F2的电动势，F2＝F1+P2*N1/60，其中P2为发电机的极对数。

当同步电动机的极对数为P、电网频率即同步电动机的电源频率为F的时候，则同步电动机的转速为N＝60*F/P；

由此可知，F2＝F1+P2*N1/60＝P1(N-N1)/60+P2*N1/60＝P1*N/60+N1(P2-P1)/60。因为N＝60*F/P，所以F2＝F*P1/P+N1(P2-P1)/60。

由上述公式可知，当P1＝P2的时候，F2＝F*P1/P，即当发电机极对数与励磁发电机的极对数相等的时候，发电机输出电压的频率只与电网频率F、同步电动机的极对数P、励磁发电机的极对数P1有关，而与发电机的转速无关。

在上述条件的基础上，当同步电动机的极对数P与励磁发电机的极对数P1也相等的时候，即P1＝P2＝P，F2＝F，也即发电机输出电压的频率等于电网频率即同步电动机的电源频率，从而实现发电机的输出频率在规定范围内始终等于电网频率，即同频发电。

另外，该自适应同频发电机还可实现输出电压的调整，当励磁电源的电压升高的时候，励磁发电机的励磁电流随之而增大，励磁电动势也随之升高，施加在励磁绕组93上的励磁电流也增大，这时，在电枢绕组91上产生的输出电动势也随之升高，发电机转子线圈5中的励磁电流也增大，在定子线圈7上产生的电动势随之升高。反之，当励磁电源的电压降低的时候，输出电动势也随之降低。该发电机可以能容易地实现输出电压的调整，进而调整发电机向电网输送无功功率的大小。

Claims (4)

1、自适应同频发电机，包括主轴(1)、固定安装在主轴(1)上的发电机转子，以及环绕设置在发电机转子周围的发电机定子(3)，发电机定子(3)通过轴承安装在主轴(1)上，其特征在于：发电机转子包括爪极板(2)、铁芯(51)、转子线圈(5)，铁芯(51)固定安装在相对设置的两片爪极板(2)之间，爪极板(2)通过其中心的安装孔固定安装在主轴(1)上，多个铁芯(51)均匀分布在主轴(1)的周围，铁芯(51)上缠绕转子线圈(5)；发电机定子(3)呈圆桶状，其桶壁的两端固定连接端盖(31)，端盖(31)的中心通过轴承插装在主轴(1)上，桶壁的内侧固定安装有定子线圈(7)，定子线圈(7)的铁芯与转子线圈(5)的铁芯成磁隙配合；在主轴(1)上还安装有励磁发电机和同步电动机，励磁发电机的电枢绕组(91)固定安装在圆筒状的电枢支架(92)的内壁上，电枢支架(92)固定安装在主轴(1)上，励磁发电机的励磁绕组(93)固定安装在轴套(94)上，轴套(94)通过轴承套装在主轴(1)上；轴套(94)上同时还固定安装有电刷(95)；所述同步电动机包括电动机定子(81)和电动机转子(82)，电动机定子(81)与发电机定子(3)固定连接，其内壁固定安装电动机定子线圈(83)，电动机转子(82)为永磁体转子，固定安装在轴套(94)上；励磁发电机的励磁绕组(93)通过电刷(94)与励磁电源连接，电枢绕组(91)通过导线连接转子线圈(5)；定子线圈(7)连接输出电压端。

2、根据权利要求1所述的自适应同频发电机，其特征在于：爪极板(2)为圆盘状，其边缘部分沿圆周均匀分布多个齿状的爪极(21)，爪极(21)的形状呈梯形，爪极(21)设置成与主轴(1)的轴线平行、垂直于爪极板(2)。

3、根据权利要求1或2所述的自适应同频发电机，其特征在于：励磁发电机的励磁绕组(93)缠绕在励磁铁芯(98)上，励磁铁芯(98)固定安装在两片励磁爪极板(99)之间，励磁爪极板(99)为圆盘状，其边缘部分沿圆周均匀分布多个齿状的励磁爪极(96)，励磁爪极(96)的形状呈梯形，励磁爪极(96)设置成与主轴(1)的轴线平行、垂直于励磁爪极板(99)；励磁爪极板(99)的中心带有安装孔，多个励磁绕组(93)以安装孔为中心均匀分布在安装孔的周围，安装孔中固定安装有安装套(97)，安装套(97)固定安装在轴套(94)上。

4、根据权利要求1或2所述的自适应同频发电机，其特征在于：在主轴(1)上通过平键固定安装有连接套(6)，两片爪极板(2)分别固定安装在连接套(6)的两端。

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