CN205123556U - 全电型电动发电的电能变换机组 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种能输出多种电源并自行提供电源的全电型电动发电的电能变换机组，包括两个冗余电池、一台电动机和由多台发电机构成的发电机组。两个冗余电池为电动机提供工作电源，再由电动机直接驱动发电机组输出电能；发电机组输出的电能平分为两组，一组电能为电池充电，另一组电能直接供给负载。电动机的转子铁芯和多台发电机的转子铁芯安装在同一根主轴上；电动机的定子铁芯和多台发电机的定子铁芯均安装在机壳上，使电动机和多台发电机构成一整体；电动机为三相稀土永磁同步电动机；发电机均为稀土永磁同步发电机并各自输出不同的相数、相位角、频率和电压的电源；多台发电机的绕组之间相互绝缘和独立并各自通过航空插头向外独立连接。

Description

全电型电动发电的电能变换机组

技术领域

本实用新型涉及一种电力设备，具体涉及一种全电型电动发电的电能变换机组。

背景技术

长期以来，发电机组可分为：1.移动式电源常采用的汽油发动发电机、柴油发动发电机；2.固定式电源有水轮发电机、汽轮发电机和风力发电机。这些发电机发出的电源按国家统一标准发电并网组成电力网的电力系统。电能在国家的建设与人们的生活中已成为不可或缺的能源，也是使用最方便的能源。通常生活用电均采用50Hz、220V的低压电源，工业生产大多采用50Hz、380V的低压电源，大型设备常用50Hz、6000VAC和10000VAC的高压电源，个别小型装备和特殊装备用400Hz、115VAC的电源。随着电力电子科学技术的进步，新开发的电力电子变换器应用了大规模的集成电路，其优异的性能已得到了广泛的应用。特别是在军工设备和航空航天事业的发展过程中，对各式各样的电源形式需求越来也多，对其性能的要求也越来越高，尤其是对可靠性、抗干扰性、防震性、防辐射能力、过载能力、耐高温性的要求更高，因此单靠电力电子器件装置来变换相数、变换相位、变换频率等，其可靠性、抗干扰性、防震性、特别是抗辐射能力远不如机电装置。普通机电装置中，采用高速永磁同步发电机后，已摒弃了电动式同步发电机的滑环和电刷，因此大大提高了发电系统的可靠性。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种全电型电动发电的电能变换机组，它能实现多种电源的输出并自行提供电源，不仅省去了机械变速机构，提高了传动效率降低了传动噪声，缩小了体积，减轻了重量，而且具有输出力矩大、承载能力强、刚性高、寿命长等特点。

本实用新型的目的是这样实现的：一种全电型电动发电的电能变换机组，包括两个冗余电池、一台电动机和由多台发电机构成的发电机组，其中，

所述两个冗余电池为所述电动机提供工作电源，再由所述电动机直接驱动所述发电机组输出电能；

所述发电机组输出的电能通过控制器平分为两组，一组电能通过充电器为所述电池充电，另一组电能直接提供给负载；

所述电动机和发电机组置于同一个机壳内，并且电动机和多台发电机的定、转子分别沿轴向分成若干段；所述电动机的转子铁芯和多台发电机的转子铁芯安装在同一根主轴上，所述电动机的转子铁芯位于所述主轴的前部，多台发电机的转子铁芯沿轴向依次位于所述主轴的中后部；所述主轴的前后端分别设有两个轴承；所述电动机的定子铁芯和发电机的定子铁芯均安装在所述机壳上；所述机壳的前后端分别设有端盖，使电动机和多台发电机构成一整体；

多台发电机的转子铁芯的外径相同，多台发电机的定子铁芯的外径相同；所述电动机的转子铁芯的外径大于所述发电机的转子铁芯的外径，所述电动机的定子铁芯的外径大于所述发电机的定子铁芯的外径；

所述电动机为三相稀土永磁同步电动机；多台发电机均为稀土永磁同步发电机并各自输出不同的相数、相位角、频率和电压的电源；

多台发电机的绕组相互绝缘和独立并各自通过航空插头向外独立连接。

上述的全电型电动发电的电能变换机组，其中，每台发电机的定子铁芯的线槽数为Z，应满足Z/m＝正整数的要求，m为发电机的相数；每台发电机的定子铁芯的线槽中的线圈匝数应满足电势E的要求，E＝4.44f×W_Ф×R_W，式中W_Ф为相串联匝数，R_W为绕组系数；每台发电机的转子磁极数2P应满足频率f＝P×n/60的要求，n为发电机的转速。

上述的全电型电动发电的电能变换机组，其中，所述发电机的定子铁芯为空心圆柱形并由硅钢片叠压而成，并且内圆面上分布线槽，线槽中嵌入电枢线圈，线圈相连构成电枢绕组；至少一台发电机的电枢绕组采用6相单Y连接，其余的发电机的电枢绕组采用相移30°双Y连接，使其余的发电机为相移30°的6相发电机；所述发电机的转子铁芯也为空心圆柱并由硅钢片叠压而成，并且外表面上均布地插入磁钢。

上述的全电型电动发电的电能变换机组，其中，所述机壳与所述电动机的定子铁芯的配合处、所述机壳与多台发电机的定子铁芯的配合处分别设有冷却水槽；所述机壳与所述轴承的轴承座的配合处设有冷却水腔；所述水槽和水腔分别通过水管与外部的循环水系统相连。

本实用新型的全电型电动发电的电能变换机组具有以下特点：

1.通过一台稀土永磁同步电动机直接驱动同轴的多台稀土永磁同步发电机，实现多种电源的输出，可输出单相电源、三相电源和相移30°电角度的6相电源，多种电压(230VAC、400VAC、600VAC)的电源；多种频率(50Hz、60Hz、200Hz、400Hz)的电源，以满足各类装置、装备对电能的特殊需求；

2.将一台同步电动机和多台同步发电机置于同一机壳和机座，使机壳和机座一体组成，还省去了机械变速机构，不仅提高了传动效率，降低了传动噪声，缩小了体积，减轻了重量，而且具有输出力矩大、承载能力强、刚性高、寿命长等特点；

3.能对输出电能的相数、频率进行提升，使用电设备的脉动大大降低并可大大降低电解电器的滤液容量；

4.本实用新型全电型电动发电的电能变换机组除满足特殊应用外，还可供中高等工科学院作为十分理想的科研实验平台，对电气工程、电气传动和自控专业的实验研究十分方便。

附图说明

图1是本实用新型的全电型电动发电的电能变换机组的结构框图；

图2是本实用新型的全电型电动发电的电能变换机组中的电动机与发电机组的剖面图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。

请参阅图1，本实用新型的全电型电动发电的电能变换机组，包括两个冗余电池95、95’、一台电动机1和由多台发电机构成的发电机组20，其中：

两个冗余电池95、95’为电动机1提供工作电源，由电能经电动机1转换成动能，再由电动机1输出的动能直接驱动发电机组20输出电能，并能实现电压、频率、相数、相位的变化；

发电机组20输出的电能通过控制器30平分为两组，一组电能通过充电器50为电池95或电池95’充电，另一组电能直接提供给负载40；

本实用新型的全电型电动发电电能变换机组中的发电机组20由两台稀土永磁同步发电机2、3构成，该两台发电机2、3的输出电能的功率为12KW，电压为380V，电流为30A，通过控制器30将输出电能平分成两组，该两组电能的功率和电压相同，均为功率为6KW，电流为15A。一组电能用于为电池充电，另一组电能直接给负载供电。充电的一组电能通过充电器50使电流变为60A后直接为电池95或电池95’充电。一个电池充满电的时间约为1小时30分钟。电池95或电池95’充满后的电流电压为560VDC～600VDC，再转换为30A提供给电动机1作为工作电源，电池95或电池95’给电动机1提供电能约2个小时电能耗尽，因此机组采用两个冗余电池95、95’自动转换供电；当一个电池给电动机1供电，另一个电池被充电并等待转换；期间由电动机1直接驱动同轴的两台发电机2、3发电。

本实用新型的全电型电动发电的电能变换机组，是先通过外接电源对两个冗余电池充满电，接着由两个充满电的冗余电池轮流向电动机的通电线圈提供电能，由电动机将电能转换为动能实现转动，再由电动机的旋转扭矩驱动同轴的发动机旋转，进而实现发电。在运行一段时间后，需要重新由外接电源对两个电池充满电。

再请参阅图2，本实用新型的全电型电动发电的电能变换机组中的电动机1和两台发电机2、3置于同一个机壳4内，并且电动机1和两台发电机2、3的定、转子分别沿轴向分成若干段；电动机1的转子铁芯11和两台发电机2、3的转子铁芯21、31分别通过平键安装在同一根主轴10上，电动机1的转子铁芯11位于主轴10的前部，两台发电机2、3的转子铁芯21、31沿轴向位于电动机1的主轴10的中后部。

主轴10的前后端分别设有两个轴承51、52，位于主轴10前端的两个轴承51、52均安装在一个轴承座50上，并通过前内、外隔圈53、54和螺母55安装在主轴10上；位于主轴10后端的两个轴承51’、52’均安装在一个轴承座50’上，并通过后内、外隔圈53’、54’和螺母55’安装在主轴10上；轴承上分别加设有关和油盖，以便定时加油，保证了机组使用时间长、可靠和低噪音。

电动机1的定子铁芯12和两台发电机2、3的定子铁芯22、32均安装在机壳4上，机壳4的前后端分别设有端盖，端盖包括小盖61和大盖62，使电动机1和两台发电机2、3构成一整体。

电动机1的转子铁芯11的两端分别设有前平衡环71；两台发电机2、3的转子铁芯21、31之间设有中平衡环72，两台发电机2、3的转子铁芯21、31的另一端分别设有后平衡环73；位于发电机3的转子铁芯31后端的后平衡环73与两个轴承51’、52’之间还设有后调整垫74。

两台发电机2、3的转子铁芯21、31的外径相同，两台发电机2、3的定子22、32的外径相同；电动机1的转子铁芯11的外径大于发电机2、3的转子铁芯21、31的外径，电动机1的定子铁芯12的外径大于发电机2、3的定子铁芯22、32的外径。

机壳4与电动机1的定子铁芯12的配合处、机壳与4与两台发电机2、3的定子铁芯22、32的配合处分别设有冷却水槽81；机壳4与轴承座50、50’的配合处设有水腔82；冷却水槽81和冷却水腔82分别通过水管与外部的水沟相连，构成高效散热的循环水冷却系统。

电动机1为三相稀土永磁同步电动机。两台发电机2、3均为稀土永磁同步发电机并各自输出不同的相数、相位角、频率和电压的电源。两台发电机2、3的绕组之间相互绝缘和独立并各自通过航空插头向外独立连接。

两台发电机2、3的定子铁芯11为空心圆柱形并由硅钢片叠压而成，并且内圆面上分布线槽，线槽中嵌入电枢线圈，线圈相连构成电枢绕组。

至少一台发电机的电枢绕组采用3相单Y连接，另一台发电机的电枢绕组采用相移30°双Y连接，即成为相移30°的6相发电机；

电枢绕组采用相移30°双Y连接时：

对分布绕组，转子磁极数2P＝4，8，应满足定子铁芯的线槽数Z＝12K，K为自然数1,2,3,4……；

对集中绕组，应满足定子铁芯的线槽数Z＝12K，磁极数2P＝Z±2，K为自然数1,2,3,4……，可获得的电机性能相对最优。

两台发电机2、3的转子铁芯也为空心圆柱并由硅钢片叠压而成，并且外表面上均布地插入磁钢；在定子和转子的气隙中呈梅花状对称分布，气隙稍有不均匀，使气隙中的磁密在空间按正弦分布，确保电枢绕组产生正弦波电势，使每磁极的磁通量为Ф。

每台发电机的定子铁芯的线槽数为Z，应满足Z/m＝正整数的要求，m为发电机的相数。

每台发电机的定子铁芯的线槽中的线圈匝数应满足电势E的要求，E＝4.44f×W_Ф×R_W，式中W_Ф为相串联匝数，R_W为绕组系数。

每台发电机的转子磁极数2P应满足频率f＝P×n/60的要求，n为发电机的转速。

本实用新型的全电型电动发电的电能变换机组的最佳的实施例是：发电机的数量为三台A、B、C，均为稀土永磁同步发电机，仅是定子铁芯的线槽数和转子磁极的极数不同。发电机A的电枢绕组采用三相单Y连接；发电机B、C的电枢绕组采用相移30°双Y连接，使发电机B、C为相移30°的6相发电机。

电动机1是由两个冗余电池或通用的工频为50Hz、电压为380V的时电经变频器驱动，转速为1500转/分，并直接驱动三台发电机A、B、C。设定发电机A的磁极数2P＝8，定子铁芯的线槽数Z＝30，相数m＝3，当转速为1500转/分，根据频率的计算式f＝P×n/60，获得电压为E＝400VAC、频率f＝100Hz的电能输出。发电机B的磁极数2P＝22，定子铁芯的线槽数Z＝24，当转速为1500转/分，根据频率的计算式f＝P×n/60，获得相移30°的6相、电压为E＝400VAC、频率f＝250Hz的电能输出。发电机C的磁极数2P＝10，定子铁芯的线槽数Z＝12，当转速为1500转/分，根据频率的计算式f＝P×n/60，获得相移30°的6相、电压为E＝400VAC、频率f＝125Hz的电能输出。

本实用新型的全电型电动发电的电能变换机组具有以下特点：

1.通过一台稀土永磁同步电动机直接驱动同轴的多台稀土永磁同步发电机，实现多种电源的输出，可输出单相电源、三相电源和相移30°电角度的6相电源，多种电压(230VAC、400VAC、600VAC)的电源；多种频率(50Hz、60Hz、200Hz、400Hz)的电源，以满足各类装置、装备对电能的特殊需求；

2.将一台同步电动机和多台同步发电机置于同一机壳和机座，使机壳和机座一体组成，还省去了机械变速机构，不仅提高了传动效率，降低了传动噪声，缩小了体积，减轻了重量，而且具有输出力矩大、承载能力强、刚性高、寿命长等特点；

3.能对输出电能的相数、频率进行提升，使用电设备的脉动大大降低并可大大降低电解电器的滤液容量；

4.本实用新型全电型电动发电的电能变换机组除满足特殊应用外，还可供中高等工科学院作为十分理想的科研实验平台，对电气工程、电气传动和自控专业的实验研究十分方便。

以上实施例仅供说明本实用新型之用，而非对本实用新型的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本实用新型的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (4)

1.一种全电型电动发电的电能变换机组，包括两个冗余电池、一台电动机和由多台发电机构成的发电机组，其特征在于，

所述两个冗余电池为所述电动机提供工作电源，再由所述电动机直接驱动所述发电机组输出电能；

所述发电机组输出的电能通过控制器平分为两组，一组电能通过充电器为所述电池充电，另一组电能直接提供给负载；

所述电动机和发电机组置于同一个机壳内，并且电动机和多台发电机的定、转子分别沿轴向分成若干段；所述电动机的转子铁芯和多台发电机的转子铁芯安装在同一根主轴上，所述电动机的转子铁芯位于所述主轴的前部，多台发电机的转子铁芯沿轴向依次位于所述主轴的中后部；所述主轴的前后端分别设有两个轴承；所述电动机的定子铁芯和发电机的定子铁芯均安装在所述机壳上；所述机壳的前后端分别设有端盖，使电动机和多台发电机构成一整体；

多台发电机的转子铁芯的外径相同，多台发电机的定子铁芯的外径相同；所述电动机的转子铁芯的外径大于所述发电机的转子铁芯的外径，所述电动机的定子铁芯的外径大于所述发电机的定子铁芯的外径；

所述电动机为三相稀土永磁同步电动机；多台发电机均为稀土永磁同步发电机并各自输出不同的相数、相位角、频率和电压的电源；

多台发电机的绕组相互绝缘和独立并各自通过航空插头向外独立连接。

2.根据权利要求1所述的全电型电动发电的电能变换机组，其特征在于，

每台发电机的定子铁芯的线槽数为Z，应满足Z/m＝正整数的要求，m为发电机的相数；

每台发电机的定子铁芯的线槽中的线圈匝数应满足电势E的要求，E＝4.44f×W_Ф×R_W，式中W_Ф为相串联匝数，R_W为绕组系数；

每台发电机的转子磁极数2P应满足频率f＝P×n/60的要求，n为发电机的转速。

3.根据权利要求1所述的全电型电动发电的电能变换机组，其特征在于，

所述发电机的定子铁芯为空心圆柱形并由硅钢片叠压而成，并且内圆面上分布线槽，线槽中嵌入电枢线圈，线圈相连构成电枢绕组；

至少一台发电机的电枢绕组采用6相单Y连接，其余的发电机的电枢绕组采用相移30°双Y连接，使其余的发电机为相移30°的6相发电机；

所述发电机的转子铁芯也为空心圆柱并由硅钢片叠压而成，并且外表面上均布地插入磁钢。

4.根据权利要求1所述的全电型电动发电的电能变换机组，其特征在于，所述机壳与所述电动机的定子铁芯的配合处、所述机壳与多台发电机的定子铁芯的配合处分别设有冷却水槽；所述机壳与所述轴承的轴承座的配合处设有冷却水腔；所述水槽和水腔分别通过水管与外部的循环水系统相连。