一種磁通切換型發電機的製作方法
2023-07-13 16:22:56 1
專利名稱：一種磁通切換型發電機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種發電機，具體涉及的是一種磁通切換型發電機，屬於電 機製造技術領域。
背景技術：
目前出現的單相或者三相發電機都是採取勵磁與電樞兩套繞組分別放置的結構， 包括轉子放置勵磁繞組/定子放置電樞繞組的旋轉勵磁式電勵磁結構、轉子放置永磁體/ 定子放置電樞繞組的旋轉勵磁式永磁結構、定子放置勵磁繞組/轉子放置電樞繞組的旋轉 電樞式電勵磁結構、定子放置永磁體/轉子放置電樞繞組的旋轉電樞式永磁結構。上述四 種結構都需要電刷和/或換向器，降低了系統的可靠性，需要維護。而近些年出現的所謂磁通切換型電機，是指隨著轉子位置的變化，勵磁磁通切換 其閉合路徑，使得定子電樞繞組內匝鏈的磁通大小和方向均發生變化，從而產生交變的感 應電勢的電機。該電機有純永磁結構(將永磁體與電樞繞組都置於定子)、純電勵磁結構 (將勵磁繞組與電樞繞組都置於定子)、混合勵磁結構(將永磁體、勵磁繞組與電樞繞組都 置於定子)，轉子上既無永磁體也無繞組，結構非常簡單。然而，傳統的磁通切換電機作為同步發電機運行時都採用三相繞組結構，且定子 永磁體數(即定子極數)與轉子齒數都不相等，常用的結構有定子十二槽/轉子一極、定子 十二槽/轉子十四極，定子六槽/轉子五極等，存在下述兩個缺點(1)發電機輸出互差120度的三相交流電，一般需要三相整流才能得到直流電壓， 導致系統的整流部分成本較高，不適合低成本應用場合；(2)採用永磁體數(即定子極數)與轉子齒數都不相等的齒槽配合會導致組成一 相的兩個(針對六槽/五極結構)或四個線圈(針對十二槽/十極或十四極結構)之間存 在分布因數，使得各線圈產生的感應電勢之間存在相位差，從而合成的感應電勢幅值小於 每個線圈感應電勢幅值的代數和，降低了繞組的利用率。
實用新型內容針對現有技術上存在的不足，本實用新型目的是在於提供一種效率高、功率密度 高、繞組因數為一即繞組利用率為100%的磁通切換型發電機，且通過優化設計電機尺寸， 可以直接產生正弦度較高的單相交流電，作為單相交流電源使用。為了實現上述目的，本實用新型是通過如下的技術方案來實現本實用新型包括定子、轉子、勵磁線圈和電樞線圈，轉子極數與定子槽數相同，保 證了本實用新型可直接輸出正弦性能較好的單相交流電，在結構上不僅保留了傳統磁通切 換發電機緊湊、簡單、魯棒性好、適於高速運行的優勢，而且各個線圈產生的感應電動勢同 相位使得電機可直接作為單相交流電源使用，成本較低。電樞線圈的兩個圈邊置於相鄰兩 個定子齒的相鄰兩個槽中，繞組線圈依次首尾串聯組成單相集中電樞繞組，勵磁線圈與對 應的電樞線圈相互垂直。[0010]上述勵磁線圈串聯組成單相集中勵磁繞組。上述定子包括U形導磁鐵心和將相鄰兩U形導磁鐵心固聯為一體的長方形導磁 橋。上述轉子上設有直槽或斜槽。直槽的轉子可保證本實用新型在採用集中繞組和轉 子不斜槽的條件下，就可獲得正弦度非常高的磁鏈、感應電勢和電感等靜態特性；如果對電 機勵磁磁鏈、感應電勢和電感等靜態特性的正弦度要求較高，亦可將直槽的轉子斜槽一定 角度以提高正弦性。上述轉子極數與定子槽數均為十二個。上述定子和轉子均為凸極結構。上述定子和轉子的材料均為矽鋼片。本實用新型的有益效果如下(1)該發電機可產生單相近似正弦的空載感應電勢，可以直接作為單相交流電源 使用。在原動機轉速恆定的情況下，可通過合理設計轉子極數來保證輸出電壓的頻率滿足 需求；(2)該發電機各個電樞線圈產生的感應電勢大小相等，方向依次相反，可使電機的繞 組分布因數為一，即利用率達到100% ； (3)該發電機轉子上既沒有繞組，又沒有永磁體，結 構緊湊、堅固可靠，轉動慣量小且轉子為一塊整體，適合於高速發電運行；(4)該發電機採 用純電勵磁結構時，定轉子結構規則，無永磁體，所需加工設備少，製造容易、材料成本低； (5)該電機可將定子部分製造成一塊整體，提高電機高速運行時的穩定性。電樞繞組、勵磁 繞組(若存在)、永磁體(若存在)都置於定子，易於散熱，抗振動能力強，運行可靠；(6)可 根據發電輸出端的性能需求，靈活選擇該發電機的勵磁系統，保證所需的功率密度與電壓 調整率要求。
以下結合附圖和具體實施方式
來詳細說明本實用新型；
圖1為本實用新型的橫向剖視圖；圖2為現有的三相定子十二槽轉子十極的磁通切換型發電機空載時的線圈磁通 圖；圖3為本實用新型的單相定子十二槽轉子十二極的磁通切換型發電機空載時的 線圈磁通圖。
具體實施方式
為使本實用新型實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面 結合具體實施方式
，進一步闡述本實用新型。參見圖1，本實用新型包括定子1和轉子5，定子1和轉子5都採用矽鋼片衝片壓 疊製成，轉子5位於定子1的內部，轉子5也可以做成外轉子5結構，定子1和轉子5都為 凸極結構；其中定子1包括十二個U形導磁鐵心和十二個長方形導磁橋4，相鄰兩U形導磁 鐵心通過一長方形導磁橋4連為一個整體，U形導磁鐵心與長方形導磁橋4的材料相同，在 定子1上分別設有單相集中電樞繞組2及單相集中勵磁繞組3。單相集中電樞繞組2 —共有十二個電樞線圈，每個電樞線圈的兩個圈邊置於相
4鄰兩個定子齒的相鄰兩個槽中。十二個電樞線圈分別為第一電樞線圈201、第二電樞線圈 202、第三電樞線圈203、第四電樞線圈204、第五電樞線圈205、第六電樞線圈206、第七電樞 線圈207、第八電樞線圈208、第九電樞線圈209、第十電樞線圈210、第i^一電樞線圈211、第 十二電樞線圈212均為集中繞組，各個電樞線圈橫跨在相鄰兩個定子齒上，在兩個定子齒 的兩個相鄰槽排布，與相應的定子齒在空間上垂直，上述十二個電樞線圈依次順序首尾串 連連接，組成單相集中電樞繞組2。單相集中勵磁繞組3 —共有十二個勵磁線圈，每個勵磁線圈的兩個圈邊置於每塊 長方形導磁橋4內、外側的空間中。十二個勵磁線圈分別為第一勵磁線圈301、第二勵磁線 圈302、第三勵磁線圈303、第四勵磁線圈304、第五勵磁線圈305、第六勵磁線圈306、第七勵 磁線圈307、第八勵磁線圈308、第九勵磁線圈309、第十勵磁線圈310、第十一勵磁線圈311、 第十二勵磁線圈312均為集中繞組，每個勵磁線圈套在長方形導磁橋4上，在長方形導磁橋 4的內、外側空間中排布，與相應的電樞線圈在空間上垂直，上述十二個勵磁線圈依次順序 首尾串連連接，組成單相集中勵磁繞組3。轉子5極數和定子1槽數相等，保證了本實用新型可直接輸出正弦性能較好的單 相交流電。轉子5可以是直槽的轉子5，保證了本實用新型在採用集中繞組和轉子5不斜槽 的條件下，就可獲得正弦度非常高的磁鏈、感應電勢和電感等靜態特性。如果對電機勵磁磁 鏈、感應電勢和電感等靜態特性的正弦度要求較高，亦可將直槽的轉子5斜槽一定角度以 提高正弦性。等定子1槽轉子5極配合的磁通切換型單相同步發電機，一方面定子1部分採用 了單相集中電樞繞組2與永磁體或/和單相集中勵磁繞組3，直槽的或斜槽的轉子5 ；另一 方面定子1部分為一塊整體，轉子5部分為凸極結構，既無永磁體也無繞組，結構非常簡單 而堅固，且轉子5極數與定子1槽數相等。在結構上不僅保留了傳統磁通切換發電機緊湊、 簡單、魯棒性好、適於高速運行的優勢，而且各個線圈產生的感應電動勢同相位使得電機可 直接作為單相交流電源使用，成本較低。與現有的磁通切換型電機不同，本實用新型提出的等定子1槽轉子5極配合的磁 通切換發電機的定子1槽數和轉子5極數是相等的。轉子5為帶有直槽的(或斜槽的)轉 子5，轉子5上既無永磁體也無繞組。單相集中電樞繞組2隨著轉子5位置的變化，每相鄰兩個電樞線圈中所匝鏈的勵 磁磁通極性相反而大小相等，即會在組成單相集中電樞繞組2的十二個電樞線圈中產生大 小相等、方向依次相反的近似正弦的空載感應電勢，即產生兩組交變的感應電勢，每一組各 有六個電樞線圈，大小相等、相位相差180電角度。根據合成感應電勢最大這一原則可確定 每個電樞線圈的正負端，從而組成一個閉合的單相集中電樞繞組2，使得單相集中電樞繞組 2中能產生一個幅值為單個電樞線圈所感應電勢十二倍大小的近似正弦的合成感應電勢。本實用新型的勵磁系統有三種不同的類型，即永磁體(純永磁發電機)、單相集中 勵磁繞組3 (純電勵磁發電機)、永磁體與勵磁繞組組合(混合勵磁發電機)。(1)採用純電勵磁結構，即單相集中勵磁繞組3通電產生勵磁磁勢作為單一勵磁 磁源，則在每兩塊相鄰的U形導磁鐵心之間通過一塊長方形導磁橋4連接，而在該長方形導 磁橋4的徑向內、外側分別空出的一塊面積中安置勵磁線圈，一共有十二個勵磁線圈，每個 勵磁線圈套在相應的長方形導磁橋4上，與相應的電樞線圈在空間上垂直。每相鄰兩個勵磁線圈所產生的勵磁磁通極性相反，根據這一原則確定每個勵磁線圈的正負端，從而組成 一個閉合的單相集中勵磁繞組3。在該單相集中勵磁繞組3通入一定大小的直流電流時，便 能產生與永磁體相等效的恆定勵磁磁場，通過調節該勵磁電流的大小，即可改變勵磁磁場， 從而影響單相集中電樞繞組2中感應的電勢大小。(2)採用純永磁結構，即永磁體作為單一勵磁磁源，則一共會有十二塊磁化方向交 替相反的磁鋼取代勵磁線圈。在上述的勵磁線圈所在位置放置永磁磁鋼即可，此時的定子 1無長方形導磁橋4，僅由十二個U形導磁鐵心組成。(3)採用混合勵磁結構，即通過永磁體與勵磁繞組通電產生組合勵磁磁源，則定子 1結構相對複雜。將兩塊相鄰的U形導磁鐵心之間的長方形導磁橋4由永磁體取代，而保留 勵磁線圈，即一共有十二塊永磁體、十二個勵磁線圈組成單相集中勵磁繞組3。通過調節勵 磁電流的大小與方向，即可改變永磁體所產生的固定勵磁磁場，從而影響單相集中電樞繞 組2中感應的電勢大小，特別適合於需要在不同轉速下輸出電壓恆定的應用場合。本實用新型最為關鍵的是發電機的定子1槽數和轉子5極數是相等的，從而保證 了各個線圈產生的感應電勢大小相等，方向依次相反，通過第一勵磁線圈301至第十二勵 磁線圈312依次首尾順序串連的方法，使得該發電機的繞組分布因數為一，即利用率達到 100%。在外界原動機的驅動下，即可在定子1的單相集中電樞繞組2中產生近似正弦的 空載感應電勢，若接通單相負載即可輸出電能。感應電勢大小既與轉子5速度有關，也與勵 磁磁場有關，而磁場的強弱決定於勵磁磁勢。可根據發電機性能要求，選擇合適的勵磁方 式。此外，該等定子1槽轉子5極配合的磁通切換型發電機繼承了不等定子1槽轉子5 極配合的常規磁通切換發電機的優點，即聚磁能力強、空載氣隙磁通密度較大、發電機具有 較強的轉矩輸出能力、功率密度較高。同時，電樞繞組與勵磁繞組都是集中繞組，端部短，電 阻較小，效率較高。轉子5結構簡單，適合高速運行等。參見圖2，是現有的三相定子1十二槽轉子5十極的磁通切換型發電機空載時的線 圈磁通圖，由於對稱關係，圖中省略了第七電樞線圈207、第八電樞線圈208、第九電樞線圈 209、第十電樞線圈210、第i^一電樞線圈211、第十二電樞線圈212的磁通。由圖2可知，組 成一相的兩個線圈之間存在相位差，即繞組因數小於一。參見圖3，是本實用新型的單相定子1十二槽轉子5十二極的磁通切換型發電機空 載時的線圈磁通圖，由於對稱關係，圖中省略了第七電樞線圈207、第八電樞線圈208、第九 電樞線圈209、第十電樞線圈210、第i^一電樞線圈211、第十二電樞線圈212的磁通。由圖 3可知繞組分布因數為一，即繞組利用率100%。以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特徵和本實用新型的優點。本行 業的技術人員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述 的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和範圍的前提下，本實用新型還 會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型範圍內。本實用新型 要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求1.一種磁通切換型發電機，包括定子(1)、轉子(5)、勵磁線圈和電樞線圈，其特徵在 於，所述轉子( 極數與定子(1)槽數相同；所述電樞線圈的兩個圈邊置於相鄰兩個定子齒 的相鄰兩個槽中，所述繞組線圈依次首尾串聯組成單相集中電樞繞組O)，所述勵磁線圈與 對應的電樞線圈相互垂直。
2.根據權利要求1所述的磁通切換型發電機，其特徵在於，所述勵磁線圈串聯組成單 相集中勵磁繞組(3)。
3.根據權利要求1所述的磁通切換型發電機，其特徵在於，所述定子(1)包括U形導磁 鐵心和將相鄰兩U形導磁鐵心固聯為一體的長方形導磁橋(4)。
4.根據權利要求1所述的磁通切換型發電機，其特徵在於，所述轉子( 上設有直槽或 斜槽。
5.根據權利要求1至4任意一項所述的磁通切換型發電機，其特徵在於，所述轉子(5) 極數與定子(1)槽數均為十二個。
6.根據權利要求1至4任意一項所述的磁通切換型發電機，其特徵在於，所述定子(1) 和轉子(5)均為凸極結構。
7.根據權利要求1至4任意一項所述的磁通切換型發電機，其特徵在於，所述定子(1) 和轉子(5)的材料均為矽鋼片。
專利摘要本實用新型公開了一種磁通切換型發電機，包括定子、轉子、勵磁線圈和電樞線圈，所述轉子極數與定子槽數相同；所述電樞線圈的兩個圈邊置於相鄰兩個定子齒的相鄰兩個槽中，所述繞組線圈依次首尾串聯組成單相集中電樞繞組，所述勵磁線圈與對應的電樞線圈相互垂直。本實用新型定子部分採用了單相集中電樞繞組與永磁體或/和單相集中勵磁繞組，直槽的或斜槽的轉子，且轉子極數與定子槽數相等，在結構上不僅保留了傳統磁通切換發電機緊湊、簡單、魯棒性好、適於高速運行的優勢，而且各個線圈產生的感應電動勢同相位使得電機可直接作為單相交流電源使用，成本較低。
文檔編號H02K1/22GK201868960SQ20102061958
公開日2011年6月15日 申請日期2010年11月23日 優先權日2010年11月23日
發明者吳中澤, 程明, 花為 申請人:東南大學