由驅動發動機與發電機組成的發電機組的製作方法
2023-12-01 07:14:06
專利名稱：由驅動發動機與發電機組成的發電機組的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種按權利要求1前序部分所述由驅動發動機與發電機，尤其是由柴油機與同步發電組組成的發電機組。
在德國公開文件3009279中介紹了一種可由汽車傳動系統驅動的發電機，其中發電機設計為異極發電機，它的轉子固定在驅動系統的飛輪上，以及，為了發電機的勵磁，在其轉子上設永久磁鐵。在這裡，電壓在定子繞組內產生，定子圍繞轉子固定在驅動系統外殼上。在這種由汽車發動機構成的驅動系統中，轉子補充了發動機的飛輪。發動機的冷卻系統還間接地用於冷卻發電機。
已知的發動機-發電機組的缺點是，它採用大的直徑，因為它的轉子裝在飛輪的外圓周上；雖然將發動機和發電機組裝在一起，但並沒有簡化結構以節省構件。而是將發電機安裝在發動機專門適配的傳動裝置外殼內，傳動裝置外殼沿徑向必須有比較大的尺寸。由於在傳動裝置外殼內部尤其沿軸向存在有限的容積，所以發電機的電功率僅限於汽車上車載電網的需要。
德國專利文件DE19721527介紹了一種前言所述類型的發電機組，它除此之外還與一泵組組合。發電機固定在曲軸上的轉子同時構成發動機的飛輪。通過泵組產生的冷卻介質流導致冷卻發電機。該文獻中沒有說明對發動機的冷卻。
因此，本發明的目的是，對於前言所述類型的發電機組在結構方面應達到，通過構件的組合能做到節省或能多重利用構件，由此導致減輕重量並且不僅沿徑向而且沿軸向減小發電機的結構體積。此外應實現一種簡化的結構方式，在此結構方式中不存在與曲軸撓曲有關的問題，以及以簡單的方式實施冷卻。
按本發明通過權利要求1的特徵達到上述目的。其中a)柴油機的飛輪由發電機的轉子代替，它仍安裝在風機葉輪上，風機葉輪本身通過法蘭固定在驅動發動機的曲軸端面上；b)定子設計為由薄板組成的疊片鐵芯，它帶有電樞繞組；
c)轉子設計為由薄板組成的疊片鐵芯，它帶有永久磁鐵用於產生旋轉磁場。
在這裡，風機葉輪保證有效和節省空間地既用於冷卻發電機又用於冷卻發動機。
轉子和定子薄板疊片的設計，使發電機按一種特別節省體積的結構方式構造。
作為外轉子設計的發電機轉子有利地構造成，具備往常在發動機一側所需要的飛輪的全部慣性矩。這意味著，一方面可根據往常存在的飛輪的慣性矩設計轉子的尺寸，以及，另一方面為發動機提供原本要求的慣性矩，此慣性矩通常例如為了保證發動機的手起動性能是由飛輪提供的。
此外，在這樣一種轉子和飛輪的組合中可比較有利地順利地遵守閃光極限值(Lichtflimmergrenze)。
若從本發明要達到的目的出發，發動機一側外殼法蘭的徑向尺寸不應當由於連接發電機外殼而被超過，從而要限制轉子的圓周，則轉子的軸向尺寸要麼按作為飛輪所需要的慣性矩決定，要麼根據所要求的發電機在發電量方面的參數給出。為了在發電機內產生磁場，它有效的磁性質量需要一定的尺寸。
為了進一步減小發動機-發電機組的結構體積，轉子在發動機風機葉輪上有利地直接安裝在帶葉片組的環形部分內部。通過由此將轉子設計成具有較大直徑的外轉子，在軸向結構長度極短的同時達到結構體積特別高的利用率。
定子的一種有利的固定方式在於，它藉助於圓周上多個穿過其疊片鐵芯中的孔並將疊片鐵芯壓在一起的定子螺釘與發電機殼體端蓋的一個內環固定在一起。在這種情況下特別恰當的是，定子螺釘在定子疊片鐵芯與內環之間穿過定距套插入並拉緊固定在內環與定子背對內環的一側之間。這樣一來定子例如在一根軸上複雜的定心支承裝置便不再需要。
此外還規定，轉子藉助於圓周上多個穿過其疊片鐵芯中的孔並將疊片鐵芯壓在一起的夾緊螺釘與風機葉輪在其帶葉片組的環形部分內固定在一起。在這種情況下特別恰當的是，夾緊螺釘在轉子疊片鐵芯與風機葉輪之間通過支承套筒插入並夾緊固定在風機葉輪與轉子背對風機葉輪的那一側之間。
因此，無論是轉子還是定子均實現了一種簡單的固定或支承方式，其結果是帶來明顯降低成本的優點。
在一種節省成本的實施形式中，緊挨著發電機外殼圓柱套在其內部，設有多個在圓周上分布地排列並貫穿外殼全長的固定螺釘，它們一端與發動機側的連接外殼以及另一端與發電機殼體端蓋通過螺紋旋緊。
為了進一步節約成本，將發電機外殼特別簡單地設計為薄壁的圓柱套，它優選用金屬薄板製成，在這種情況下，此發電機外殼以兩個端面平面地夾緊在連接外殼與發電機蓋之間。
發電機殼體端蓋在輸出側的防護罩相宜地同樣用金屬薄板製成，並藉助加長用於發電機外殼的固定螺釘的螺栓固定在發電機殼體端蓋上。
在防護罩內部可設一個旋轉磁鐵作為電壓調節器。在這種情況下，它帶有一個勵磁繞組的磁軛有利地固定在發電機殼體端蓋上。在電子調壓器空間需求較小的情況下，可以安裝設計得特別扁平的防護罩以相應地縮短發電機部分。
採用本發明成功地創造了一種發動機-發電機組，其中，在用於額定功率例如約10KVA的電氣構件方面，與傳統的類似機組相比，成本可節省達50％。它尤其適用於作為小功率和小結構尺寸的工頻發電機。
下面根據附圖詳細描述本發明的實施例，附圖中
圖1為沿圖2中的剖切線I-I對發動機-發電機組的縱向截面圖，圖2為沿圖1中的剖切線II-II對發動機-發電機組剖切後得到的對定子和轉子的視圖，圖3為沿軸向對於圖2中所示定子的局部放大截面圖，圖4為帶有永久磁鐵的轉子的三維視圖，圖5為沿圖1中的剖切線V-V對電壓調節器的剖切視圖。
圖1至圖3中所示的構成發電機的電氣設備涉及一種由一個驅動發動機和一個同步發電機構成的機組。作為驅動發動機優選考慮一個柴油發動機，在圖中對於柴油發動機僅以虛線表示出其曲軸1與同步發電機連接的端部。在曲軸1端部通過螺栓3連接風機葉輪2。風機葉輪2具有葉片組，用於產生如箭頭S1所示冷卻發動機的氣流，其中按照箭頭S2通流的空氣對應於冷卻發電機之後由發電機殼體8流出的冷空氣。如圖1所示，位於電流輸出端的發電機殼體端蓋9具有用於按照箭頭L通流冷空氣的吸入孔。為了使這種冷卻氣流在發電機殼體8裡面達到其充分的冷卻效果，防護罩14具有一個或多個(未示出的)尺寸恰當的冷空氣進入孔。
發動機側的連接殼體5沿徑向包封形成一個空間，風機葉輪2設置在該空間裡；該空間在兩端是敞開的並在其與發動機相對的一側具有一個環狀法蘭6，該法蘭具有螺紋孔用於旋入固定螺釘7，以連接相宜地由薄板製成的圓柱形發電機殼體8，該殼體以其兩個端面被平面地壓緊。固定螺釘7貼靠在發電機殼體8內側上地沿其圓周分布並穿過整個殼體長度。在電流輸出端，即圖示發電機殼體8的左端設有一個發電機殼體端蓋9，該端蓋在沿徑向向內伸出的輻條上具有一個端蓋內環10，在端蓋內環上固定發電機定子11。固定螺釘7的杆體以其處於電流輸出端的端部穿過發電機殼體端蓋9上的開孔；在固定螺釘7的外露螺紋段12上旋緊螺栓13，該螺栓用於將發電機殼體8固定在發電機殼體端蓋9上以及通過短螺釘15固定防護罩14；該短螺釘15從外面穿過相應的防護罩14上的開孔旋緊在螺栓13的螺孔裡面。防護罩14以其敞開端所構成的邊緣段16從外面圍扣搭接發電機殼體端蓋9的相應外露段。
按照本實施例在圓周上分布有8個固定螺釘7，而為了將定子固定在端蓋內環10上有6個定子螺釘17就夠了，它們穿過定子外面部分19疊片鐵芯上的開孔以及位於端蓋內環10與其所面對的定子外面部分19之間的定距套20與端蓋內環10旋緊。定子外面部分19通過這種方式相對於殼體固定，即，構成定子外面部分19的疊片鐵芯通過定子螺釘17壓緊在一起。
構成定子裡面部分21的疊片鐵芯抗扭轉地設置在一根空心軸24上。該空心軸24通過其端蓋60與設置在軸內的一根預緊的扭轉杆46連接。空心軸可旋轉地支承在外罩板22支承法蘭26的襯套47上，外罩板設置在疊片鐵芯相對的兩端面上。端蓋60對面的扭轉杆46的另一端通過一個相對於扭轉杆固定的杆狀支柱44相對於外殼體固定。該杆狀支柱的固定孔61位於一個螺釘62上，該螺釘將軛鐵42的疊片鐵芯壓緊在一起。外罩板22覆蓋位於定子裡面部分21與定子外面部分19之間的控制氣隙23。因此當構成定子裡面部分21的疊片鐵芯抗扭轉地位於空心軸24上的時候，疊片鐵芯與空心軸的旋轉一起實現將發電機電壓調節為期望的恆定值。下面還要詳細描述為了調節發電機電壓，相對於定子外面部分19調整定子裡面部分21。
在圖2中，為了更好地表示起見去掉了在圖1中所示的絕緣板25，該視圖不僅示出了構成轉子29的疊片鐵芯輪廓，而且也示出了那些構成定子的疊片鐵芯的輪廓，該疊片鐵芯在定子外面部分19處具有用於容納發電機交流線圈28線圈骨架的縫隙38。定子外面部分19通過穿過其疊片鐵芯開孔39的定子螺釘17固定在圖1所示的端蓋內環10上。對應於所選截面還可以看到定距套20，該定距套頂靠在端蓋內環10上支撐定子外面部分19的疊片鐵芯。
三個固定螺栓27用於通過側面外罩板22將定子裡面部分21定心在定子外面部分19裡面，空心軸24與定子裡面部分21的疊片鐵芯一起支承在外罩板的支承法蘭26裡面。
外罩板22在控制氣隙23處向外還分別被絕緣板25覆蓋，絕緣板用於使發電機交流線圈28以及三個分布在圓周上的固定螺栓27相對於外罩板22電絕緣。固定螺栓27穿過構成定子外面部分19的疊片鐵芯裡的孔延伸。固定螺栓通過絕緣套相對於疊片鐵芯絕緣，並通過外罩板22使定子裡面部分21相對於定子外面部分19定心。
定子11被轉子29包圍，轉子同樣由疊片鐵芯構成，疊片鐵芯通過壓緊螺栓30壓緊在一起，壓緊螺栓通過發動機側的螺紋段31旋緊在風機葉輪相應的螺紋孔裡面。穿套在壓緊螺栓30上的支撐套32被壓緊在風機葉輪與所對應的轉子29端面之間。由此使轉子29與風機葉輪2抗扭地連接在一起。轉子在其內圓周上相對於定子11形成一個約2mm寬的氣隙33。此外轉子29具有沿軸向貫通的大體為圓柱形的在兩個磁極段內部延伸的槽34，窄條狀棒形式的磁鐵部件35從兩側插進槽裡面，而且在本實施例中如圖2所示，每個磁極具有兩排各10個相鄰設置的磁鐵部件35，它們負責發電機的勵磁。在槽34處，徑向向內與槽34鄰接的轉子29圓周壁50的內輪廓線36與定子11的外輪廓線37一起界定形成窄氣隙33。轉子疊片上的孔40用於安裝一個(圖中未示出的)起動器。
按照圖2和圖4，磁鐵部件35軸向插進槽34之後，呈多邊狀分布且緊密相鄰並由此形成兩個磁極。通過將永久磁鐵分成用於這兩個磁極的多個小磁鐵部件35，能夠實現經濟地製造磁鐵；其裝配通過適當的磁性接地49而變得非常容易，因為由此實際上可以去掉相鄰磁鐵部件35的相互排斥。每個磁鐵部件35都可以幾乎不用力就可插進槽34。在此對於磁鐵部件35的特殊固定就成為多餘，因為這些磁鐵在運行中通過其磁力沿軸向被固定並且從徑向上看支承在槽裡面，因而能輕易地承受在運行中產生的離心力。
在圖4所示的磁鐵的空間排列立體視圖中，在裝有磁鐵部件35的槽端部設有一個空腔48。如果沒有這個空腔48，在發電機短路的情況下這個區域內特別高的磁通量密度會導致外部磁鐵部件35反覆磁化並由此導致其損壞。通過設計這種帶有確定的磁性接地49的空腔48，可以避免這種反覆磁化。空腔48通過槽34內圓周壁50的延長段和毗連相鄰磁極間隙52的橋臂51構成，通過橋臂接通磁性接地49。在槽34內側軸向延伸的筋肋53確定磁鐵部件35之間的距離。
為了更加清晰，在圖3中放大示出了圖2的局部，其中相同的部件用相同的附圖標記表示。絕緣板25和用於定位定子裡面部分21的外罩板22在圖3中分別通過外輪廓和內輪廓上的基準線來表示。襯套47示出的是端側。在定子外面部分19凹槽38內表示了交流繞組28的繞組線截面。
在定子外面部分19與定子裡面部分21之間可變化的控制氣隙23對於發電機電壓調節工作原理來說很重要。毗鄰控制氣隙23的定子裡面部分21和定子外面部分19的圓周表面在整個圓周上形成三個扇形段，其中每個扇形段都具有偏離圓形基本上螺旋狀延伸地凸起的圓周段。例如，如果按圖2中虛線所示使定子裡面部分21沿箭頭U(圖2)所示的順時針方向相對於定子外面部分扭轉，則控制氣隙23變小，在這種情況下，終端位置在大約扭轉一個角度W之後達到。在這個終端位置控制氣隙23最小。
如上所述，通過定子裡面部分21相對於定子外面部分19的旋轉，控制氣隙23的幾何形狀發生變化並由此使定子11中的磁阻變化。這種狀況對於所述的永久勵磁同步設備來說可用於電壓調節。通過所述磁通量變化能夠調整感應電壓，其中，在感應電壓與磁通量之間存在著直接的比例關係。通過使定子裡面部分21位於一根帶有預緊扭轉杆46的空心軸24上，以扭轉力來抵消作用在定子裡面部分21上的磁場作用力，使得定子裡面部分21為調節電壓相對於定子外面部分19的旋轉藉助於一個旋轉磁鐵41可幾乎無阻力地順利進行。而實現這一點的前提是，扭轉預緊力與電磁回復力相當。
在圖1至5中所示的旋轉磁鐵41設置在一個軛鐵42的內部，該軛鐵帶有一個受發電機端電壓控制的繞組43。在此發電機繞組上的電壓波動導致旋轉磁鐵41的旋轉，並由此通過兩個定子部件之間的相對轉動達到所期望的恆壓調節。按照圖1，旋轉磁鐵41懸臂地支承在空心軸24的從屬端，該空心軸又抗扭地與定子裡面部分21連接。旋轉磁鐵41定心地位於空心軸24端部的支承段45上並在那裡壓靠在空心軸24的軸肩上。旋轉磁鐵41與從屬的軛鐵42最好分別由許多疊片構成。
在圖5中還示出了一個用於控制旋轉磁鐵41的電路。設置在軛鐵42一個磁極上的繞組43連接在發電機繞組28的端電壓U1，U2上。在此，磁通量直接與感應電壓成比例並控制旋轉磁鐵41的旋轉，同時通過空心軸24也控制定子裡面部分21的旋轉，由此使控制氣隙23的幾何形狀變化並由此使定子11中的磁阻變化。從而實現簡單的、與功率因數cos無關的發電機端電壓調節。
權利要求
1.一種由驅動發動機和發電機，尤其是由柴油機和同步發電機組成的發電機組，它包括一個固定的電樞繞組(28)和裝在轉子(29)內用於發電機勵磁的永久磁鐵(35)，其中，設計為外轉子的發電機轉子(29)構成柴油機的飛輪，發電機的定子(11)帶有電樞繞組(28)並設在轉子的內部，其特徵在於轉子(29)裝在一個風機葉輪(2)上，風機葉輪本身通過法蘭固定在驅動發動機的曲軸(1)端面；定子(11)設計為薄板組成的疊片鐵芯，它帶有電樞繞組(28)，並且藉助於圓周上多個穿過其疊片鐵芯中的孔且將疊片鐵芯壓在一起的定子螺釘(17)與設在電流輸出側的發電機殼體端蓋(9)的內環(10)固定在一起；以及，轉子(29)設計為薄板組成的疊片鐵芯，它帶有永久磁鐵(35)用於產生旋轉磁場，並且藉助於圓周上多個穿過其疊片鐵芯中的孔且將疊片鐵芯壓在一起的夾緊螺釘(30)與風機葉輪(2)固定在一起。
2.按照權利要求1所述的發電機組，其特徵在於在風機葉輪帶有葉片組(4)的環形部分內部，夾緊螺釘(30)與風機葉輪(2)通過螺紋旋緊。
3.按照權利要求1所述的發電機組，其特徵在於緊挨著發電機外殼(8)圓柱套的內部，設有多個在圓周上分布地排列並貫穿外殼全長的固定螺釘(7)，它們一端與發動機側的連接外殼(5)以及另一端與發電機殼體端蓋(9)通過螺紋旋緊。
4.按照權利要求3所述的發電機組，其特徵在於發電機外殼(8)用金屬薄板製成並以兩個端面平面地夾緊在連接外殼(5)與發電機殼體端蓋(9)之間。
5.按照權利要求1所述的發電機組，其特徵在於定子螺釘(17)在定子疊片鐵芯與內環(10)之間通過定距套(20)插入並在內環(10)和定子(11)背對內環的一側之間夾緊。
6.按照權利要求1所述的發電機組，其特徵在於夾緊螺釘(30)在轉子疊片鐵芯與風機葉輪(2)之間通過支承套筒(32)插入，並在風機葉輪(2)與轉子(29)背對風機葉輪的那一側之間夾緊。
全文摘要
本發明涉及一種由驅動發動機和發電機,尤其是由柴油機和同步發電機組成的發電機組,它包括一個固定的電樞繞組(28)和裝在轉子(29)內用於發電機勵磁的永久磁鐵(35),在此發電機組中,設計為外轉子的發電機轉子(29)構成柴油機的飛輪,而其設在轉子內部的定子(11)則帶有電樞繞組(28)。
文檔編號H02K1/27GK1363133SQ01800386
公開日2002年8月7日 申請日期2001年3月2日 優先權日2000年3月2日
發明者厄恩斯特·哈茲, 弗朗茲·莫澤 申請人:哈茲電機製造公司