由發電機和作為驅動裝置的活塞式內燃機組成的發電機組的製作方法

2023-06-15 11:23:46 2

專利名稱：由發電機和作為驅動裝置的活塞式內燃機組成的發電機組的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種由發電機和作為驅動裝置的活塞式內燃機組成的發電機組，尤其是由同步發電機和柴油機組成的發電機組，它包括在發電機轉子內用於發電機勵磁設在磁極區內的永久磁鐵以及在定子內的電樞繞組。
在DE 19721527中介紹了這種與一個泵組相結合的發電機組。
永磁電機通常具有永久磁鐵，它們每個極由一件構成。在已知的發電機中，每塊永久磁鐵有圓柱殼段的形狀，它在磁極的區域內和與定子一起構成的氣隙相鄰。
這種永久磁鐵殼幾乎不可能經濟地製造，其尺寸肯定不適用於功率超過5kVA的發電機。這種整體式永久磁鐵的裝配只是在未磁化的狀態下才有可能進行，因為大的磁性力不允許進行任何一般的操作。然後磁化必須麻煩地在完全裝配好的轉子上實施。此外在大的永久磁鐵運輸時，由於其材料的脆性，因而存在斷裂的危險。
因此本發明的目的是，在前言所述具有用於發電機勵磁的永久磁鐵的發電機組中，創造一種安裝發電機轉子的經濟的方案，尤其能克服上述缺點。
本發明的目的不僅在製造永久磁鐵方面，而且在永久磁鐵在前言所述發電機組轉子內的裝配方面，均按權利要求1特徵部分所述特徵達到。
按本發明的建議，令永久磁鐵由多個比較小的磁鐵元件構成，從而可以經濟地製成。它們不僅便於運輸和以磁化的形式製備，而且還可以通過簡單的方式裝配。為此目的，它們以同極定向地逐個沿周向並列安裝在轉子上適用的安裝槽內。沿軸向看，安裝槽一側或兩側設計為開口的，所以它們可以從轉子的一個或兩個端面配備磁鐵元件。沿軸向貫通設計的安裝槽可作為優選的實施形式，磁鐵元件在安裝槽內沿軸向至少可設成兩排。在這種情況下存在這種可能性，即，通過磁鐵元件有恰當的尺寸、數量和布局，適應所期望的任何為獲得磁通量所進行的設計。為此目的，磁鐵元件可緊密程度或大或小地並列；它們沿軸向可排成一排或兩排或甚至多排。在它們的尺寸方面尤其關注徑向厚度，它關鍵性地決定磁通量密度。相比之下，磁鐵元件的長度和寬度對於磁阻卻並不那麼重要。確切地說，除磁鐵元件的徑向尺寸外，磁阻還取決於它們的數量，亦即取決於配備磁鐵元件的安裝槽的弧長。此外，勵磁電壓的大小還可以輕易地改變，即通過安裝數量較少的相同尺寸的磁鐵元件，從而在相鄰磁鐵元件之間形成或大或小的空隙。這些空隙必要時可以用塑料備件充填，它們起定位的作用。
至於磁性元件的形狀，恰當的可以是其長度根據轉子的軸向尺寸確定，例如轉子的軸向寬度相當於一個磁鐵元件長度的若干倍，例如大約為兩倍。
有關磁鐵元件的橫截面例如可設計為弓形段或矩形。在後一種情況下有利的是將安裝槽沿徑向的內表面設計為多邊形以與之相匹配，所以長方六面體狀的磁鐵元件分別以其大的表面貼靠在多邊形表面上。
為了更便於裝配磁鐵元件，一種有利的設計在於，至少在安裝槽與圓周壁處於相對位置的內表面上，設確定相鄰磁鐵元件之間距離的沿軸向延伸的肋。
磁鐵元件通過大的磁力固定在其各自的安裝位置上。但也可以相宜地將磁鐵元件再通過膠粘附加地固定在安裝槽內表面上，或用相應的金屬或塑料蓋封閉安裝槽在其沿軸向的相對端側。
同樣為了簡化裝配或出自於穩定性的考慮，可以相宜地藉助沿軸向延伸的隔板將安裝槽分成一個個大體與磁鐵元件的橫截面相應的屜格。
磁鐵元件裝在發電機轉子內。按本發明轉子在這裡可設計為外轉子。但具有磁鐵元件的轉子也可以反之設計為內轉子，在這種情況下電樞繞組便處於設在外部的定子之內。
為了避免在邊緣側的磁鐵元件在所謂突然短路的情況下由於反覆磁化而成為不可用的，按本發明按這樣的方式規定磁通量的轉向，即，令安裝槽沿周向在兩側從各自最後一個磁鐵元件向外延長。由此，永久磁鐵不會被去磁。
採用按本發明所設用於磁鐵元件的安裝槽，提供了簡化磁鐵元件裝配的可能性，它們基於磁接地幾乎可以不用力定位。此外在裝配時可以相宜地影響磁場；為此，按本發明另一項建議可規定，在裝配時將一定子定位在轉子內部，定子為了裝配按這樣的方式通電流，即，使得磁鐵元件可以基本上不用力定位。由此避免了由於在磁鐵元件之間強烈的排斥力帶來裝配困難。通過一方面設計安裝槽以及另一方面為安裝槽配備形式上為小磁鐵元件的永久磁鐵的這種協同作用，找到了一種實現此類具有永磁同步電機的發電機組的經濟方法。
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
1.一種由發電機和作為驅動裝置的活塞式內燃機組成的發電機組，尤其是由同步發電機和柴油機組成的發電機組，它包括在發電機轉子內用於發電機勵磁設在磁極區內的永久磁鐵以及在定子內的電樞繞組(28)，其特徵在於在轉子(29)的磁極區內沿軸向構成至少一側開口的安裝槽(34)，它們通過圓柱形的圓周壁(50)和轉子與定子(11)之間構成的氣隙(33)相鄰；以及，磁極區的永久磁鐵由多個磁鐵元件(35)構成，它們沿周向並列地布置在安裝槽(34)內部。
2.按照權利要求1所述的發電機組，其特徵在於所述磁鐵元件(35)在安裝槽(34)內沿軸向至少前後排成兩排。
3.按照權利要求1所述的發電機組，其特徵在於所述轉子(29)設計為外轉子。
4.按照權利要求1所述的發電機組，其特徵在於所述安裝槽(34)設計為沿軸向貫通，以及圓周壁(50)的厚度大約等於磁鐵元件(35)徑向厚度的一半。
5.按照權利要求4所述的發電機組，其特徵在於所述安裝槽(34)沿周向在兩側分別從最後一個磁鐵元件(35)向外延長以構成一個空腔(48)。
6.按照權利要求5所述的發電機組，其特徵在於所述圓周壁(50)延續到空腔(48)的區域內，在這種情況下圓周壁的厚度在考慮到空腔(48)尺寸的同時這樣確定，即，不會由於瞬時短路使得在邊緣附近的磁鐵元件(35)發生退磁。
7.按照權利要求5所述的發電機組，其特徵在於所述安裝槽(34)通過徑向橋接片(51)與轉子(29)的極間段(52)鄰接。
8.按照權利要求1所述的發電機組，其特徵在於所述安裝槽(34)的徑向內表面對應於磁鐵元件(35)的形狀設計為多邊形。
9.按照權利要求1所述的發電機組，其特徵在於至少在安裝槽(34)與圓周壁(50)處於相對位置的內表面上設確定相鄰磁鐵元件(35)之間距離的沿軸向延伸的肋(53)。
10.按照權利要求1所述的發電機組，其特徵在於轉子(29)的軸向寬度大約等於一個磁鐵元件(35)長度的兩倍。
11.按照權利要求1所述的發電機組，其特徵在於所述磁鐵元件(35)通過膠粘固定在安裝槽(34)的內表面上。
12.按照權利要求1所述的發電機組，其特徵在於所述安裝槽(34)在其沿軸向的相對端側被蓋封閉。
13.按照權利要求1所述的發電機組，其特徵在於所述安裝槽(34)通過沿軸向延伸的隔板分成一個個大體與磁鐵元件(35)的橫截面相應的屜格。
14.按照權利要求1所述的發電機組，其特徵在於所述磁鐵元件(35)的橫截面為矩形。
15.按照權利要求1所述的發電機組，其特徵在於所述磁鐵元件(35)的橫截面設計為弓形段。
16.一種在權利要求1所述的發電機組中為轉子安裝磁鐵元件(35)的方法，其特徵在於採用已磁化的磁鐵元件(35)；以及，定子(11)或一個磁性等效的輔助安裝裝置在轉子內部鬆動地定位成，使磁鐵元件(35)的定位基本上可以不用力；並且磁鐵元件(35)在定位後被固定在它們的位置上。
17.按照權利要求16所述的方法，其特徵在於給定子(11)或磁鐵元件(35)定位用的輔助裝置通電流。
全文摘要
本發明涉及一種由發電機和作為驅動裝置的活塞式內燃機組成的發電機組,尤其是由同步發電機和柴油機組成的發電機組,它包括在發電機轉子內用於發電機勵磁設在磁極區內的永久磁鐵以及在定子內的電樞繞組(28),在此發電機組中,在轉子(29)的磁極區內沿軸向構成至少一側開口的安裝槽(34),它們通過圓柱形的圓周壁(50)和轉子與定子(11)之間構成的氣隙(33)相鄰;磁極區的永久磁鐵由多個磁鐵元件(35)構成,它們沿周向並列地布置在安裝槽(34)內。
文檔編號H02K21/00GK1363129SQ01800388
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, 弗朗滋·莫澤 申請人:哈茲電機製造公司