专利名称：一种新型结构的永磁式交流同步发电机的制作方法
技术领域：
本发明是一种具有高功率密度和复励稳压特性的新型结构的永磁式交流同步发电机，与汽油机或柴油机配套组成发电机组，可作为便携电源及备用应急电源使用。
背景技术：
目前，汽油发电机行业主流机型是以铜线和铝线为主的有刷电励磁类型发电机， 功率范围涵盖IkW 20kW。现在国内外的汽油发电机组基本都是采用AVR调节励磁电流的有刷电励磁单相或三相交流发电机，这种发电机的最大优势就是其磁场可以通过调节转子励磁电流来实现自动调整，从而使单机运行的发电机可以在空载到额定负载的全范围保持输出电压的稳定，以下结合附图来说明其结构原理图7是现有技术普遍采用的传统电励磁交流同步发电机结构原理示意图，图中 标号4为定子主绕组，标号5为定子铁芯，标号21为电刷与集电环，标号22为定子副绕组， 标号23为AVR励磁调压器，标号M为励磁绕组，标号25为转子铁芯，标号沈为驱动转轴。 此种类型发电机核心部件是定子和转子各一套，其定子铁芯5和转子铁芯25上设置铜线或铝线做成的定子主绕组4和励磁绕组M，其中定子主绕组4对外供给电力，转子上的励磁绕组M用来建立电机气隙磁场，使电机产生电磁感应，定、转子铁芯属于导磁部件，电励磁产生的两异极性磁极磁场通过转子铁芯磁轭部分构成闭合磁路，转子铁芯25固定于驱动转轴沈上。同时，为调节磁场，发电机组还必须配置相应的定子副绕组22、AVR电压调节器 23、引入转子电流的电刷和集电环21等部件，这种全电励磁方式的发电机所需励磁容量较大，转子电励磁回路的损耗比例占电机全部损耗的阳％ 65%，因此发电机的能量效率难以提高，而且该类型发电机转子用铜量也占电机全部用铜量的55 % 65 %，故其成本也较高，铜、铝等有色金属的资源消耗也大。我国是世界上稀土永磁材料最丰富的国家，但同时也是铜、铝等有色金属资源贫乏的国家；因此，大力发展稀土材料的应用对我国有现实的意义。随着控制技术的进步，稀土永磁电机在电动机行业驱动领域已经得到广泛应用，稀土永磁材料做成的电动机产品， 其单位体积材料传送的功率密度大，电机效率高而能耗小，显示出其稀土电机巨大的优越性；但稀土永磁材料用到发电机领域却一直受到电压稳定技术的瓶颈制约，由于永磁材料制成的发电机磁场无法调节，从而导致发电机端电压控制很困难，电机带负载后电压下降很厉害，进而影响永磁发电机组的发电质量，限制了永磁材料在此类发电机上的应用范围。 而且，按传统电机惯例简单地采用稀土材料代替电励磁发电机转子绕组，也并不能充分而彻底地利用稀土材料传送高能量密度的优点。因此，拓展稀土材料在独立运行的移动电源领域的应用范围就必须得解决以下技术难题一、为充分利用稀土材料的优势，必须研究设计能传送高功率密度的永磁发电机新型结构；二、研究克服永磁电机无法调节磁场而稳定发电机电压的技术途径和有效方法
发明内容
针对现有永磁发电机技术存在的问题，本发明的目的在于以中小型汽油发电机组为依托，提供一种可传送高功率密度且具有复励稳压特性的“双定子+无磁轭铁芯的空心永磁转子”新型结构的永磁式交流同步发电机。本发明的基本构思是突破常规永磁电机异极性永磁体之间必须用铁磁材料来构成轭部磁路的传统电机理论限制，直接利用稀土永磁体两面异极性的特征，同时在内外两定子与空心永磁转子之间建立起内外两个它励气隙主磁场，其具体结构特征是发电机采用内外双定子+无磁轭铁芯的永磁式空心转子结构，内外定子铁芯槽内嵌有独立的绕组，空心转子位于内外定子之间，磁路连接方式为永磁体的两异极性面直接串联两台定子而构成闭合磁路；永磁体为平板式矩形结构并内嵌入由铁磁材料制成的磁极导磁环内，磁体排列采用多片同极性磁体组成一个磁极，磁路为同极性磁体并联、异极性磁体串联的复合磁路结构，磁极导磁环为非对称结构，在顺旋转方向后极靴部分留有多余铁磁材料，两磁极间用不导磁的不锈钢连接环铆焊成圆桶形状，沿轴向两端装有前后旋转支架和并通过滚动轴承与内定子支撑轴连接。该新型结构的永磁式交流同步发电机的空心永磁转子没有磁轭铁芯，传统电机的转子磁轭铁芯部位材料正好利用来增加内定子，从而使发电机具有功率密度大而材料消耗少的明显优势。为达到上述目的，以下结合附图来阐明本发明涉及的发电机技术方案和特点—、
图1、图2和图3分别是本发明涉及的几种类型的新型结构永磁式交流同步发电机的结构原理示意图，发电机为“双定子+无磁轭铁芯的空心永磁转子”结构，空心永磁转子安装于内定子铁芯和外定子铁芯之间，与双定子间均有气隙，发电机磁路连接方式为永磁体的两异极性面直接串联两台定子而构成主磁通Φ δ0的闭合磁路，这种结构的双定子完全等同于两台发电机定子，图5显示了此类型交流同步发电机的内外双定子铁芯的立体展开结构示意图。内定子铁芯和外定子铁芯上均嵌装两套独立的绕组，两套定子绕组可接成单相或三相Y和△交流电路结构，空心永磁转子旋转时永久磁场将同时切割内外定子上的主绕组，从而使内外定子均可同时对外输送电功率。二、图4展示了本发明所涉及的新型结构的永磁式交流同步发电机的轴向结构装配图，空心永磁转子沿轴向两端装有前、后旋转支架，并通过滚动轴承与内定子支撑轴连接；图6的空心转子立体结构展开示意图显示了该空心转子稀土永磁体采用多片同极性磁体组成一极的磁体排列方式，磁体为平板式矩形结构并内嵌入由铁磁材料制成的磁极导磁环内的磁钢方槽中，磁路为同极性磁体并联、异极性磁体串联的复合磁路结构，组成每个磁极的同极性磁体并联个数与尺寸决定于电机磁极数和极弧系数、发电所需的磁通量以及永磁体制造工艺要求，两磁极之间采用不导磁的不锈钢连接环联结并铆焊成整体圆桶形状； 前、后旋转支架内外适当位置设置有辐射状筋板，前旋转支架与汽油机动力输出轴连接并装配有散热风扇，以加强内定子和转子的散热效果。三、在图1、图2和图3所示的各实施例中，为解决永磁发电机负载时电压降过大的缺陷，本发明在空心转子磁极导磁环的结构设计上采用非对称结构，其顺旋转方向后极靴部分预留有多余铁磁材料，该多余部分的铁磁材料在负载时相当于辅助导磁极，其作用是削弱空载时过高的气隙磁场并充分增强负载时的气隙磁场。发电机空载时，空载气隙磁场通过该辅助导磁极而漏掉部分磁通。b。，从而将空载气隙有效的交链磁场Φ δ0削弱到合适的程度，降低空载条件下过高的感应电压。发电机负载时，内外定子的电枢电流将产生电枢反应磁场Φ ，该电枢反应磁场顺转子转向的磁极后极靴部分将起助磁作用，其大小与定子电流成正比，相当于在永磁电机内增加了一种串励磁场，该磁场将充分增强负载条件下的气隙磁场，弥补负载时电枢反应的去磁效应。合理调整该部分磁极导磁环尺寸，可使发电机在空载到额定负载范围内保持气隙磁场的稳定，从而保持发电机端电压在一定范围稳定。采用上述技术方案所达到的技术经济效果是一、产品技术性能优势和效果本技术发明适用于功率为1 20kW、铁芯外圆为Φ 160、Φ 190及Φ270等规格系列的单相、三相汽油发电机组，利用该技术设计的发电机组可达到表1所述的设计性能指标，其单位材料消耗所输出的功率密度以及发电机能量转换效率明显优越于传统电励磁发电机组性能。表1发电机材料消耗、能量效率及功率输出对比表
权利要求
1.一种具有高功率密度和复励稳压特性的新型结构永磁式交流同步发电机，其特征是一、发电机定子为内外双定子结构，内定子铁芯(2)和外定子铁芯(5)上均嵌装两套独立的绕组(3)、(4) ；二、转子为无磁轭铁芯的永磁式空心圆桶形结构，安装于内外两定子之间，与双定子间均有气隙，发电机磁路连接方式为永磁体(6)的两异极性面直接串联两台定子而构成闭合磁路(12)；三、空心转子磁极导磁环(9)为非对称结构，顺旋转方向后极靴部分预留有多余铁磁材料。
2.根据权利要求1所述的新型结构永磁式交流同步发电机，圆桶形的空心永磁转子异极性永磁体之间无转子磁轭铁芯联接磁路，永磁体(6)为平板式矩形结构并内嵌入由铁磁材料制成的磁极导磁环(9)的磁钢方槽内，磁体排列方式为多片同极性磁体组成一个磁极，磁路为同极性磁体并联、异极性磁体串联的复合磁路结构，组成每个磁极的同极性磁体并联个数与尺寸决定于电机磁极数和极弧系数、发电所需的磁通量以及永磁体制造工艺要求；各异极性磁极之间采用不导磁的不锈钢连接环(8)铆焊成整体圆桶形状，圆桶形的空心永磁转子沿轴向两端装有前后旋转支架(14)和(1 并通过滚动轴承与内定子支撑轴 (1)连接，内定子支撑轴(1)由后安装支架定位并决定内外气隙的大小及均勻度。
3.根据权利要求1所述的新型结构永磁式交流同步发电机，其内定子绕组C3)和外定子绕组(4)可接成单相或三相交流电路结构；用于单相电路对外电阻负载供电的发电机， 其外定子铁芯( 按单相磁路原理设计成截边的腰圆形状，单相绕组及定子槽分布均按 120°相带设计布置；用于三相电路对外电阻负载供电的发电机，其内外定子铁芯均采用磁路均勻对称的圆形及均勻分布的内外绕组嵌线槽。
全文摘要
一种新型结构的永磁式交流同步发电机，适用于汽油机发电机组作备用电源使用。其特征是发电机采用内外双定子+无磁轭铁芯的空心永磁转子结构，内外定子铁芯2、5槽内嵌有独立的绕组3、4，空心永磁转子位于内外定子之间，磁路连接为永磁体6的两异极性面直接串联两台定子而构成闭合磁路12；永磁体6为平板矩形结构并内嵌入铁磁材料制成的磁极导磁环9内，磁体排列为多片同极性磁体组成一个磁极，磁路为同极性磁体并联、异极性磁体串联的复合磁路结构，磁极导磁环9为非对称结构，在顺旋转方向后极靴部分留有多余铁磁材料，各异极性磁极间用不导磁的不锈钢连接环8铆焊成圆桶形状，两端通过前后旋转支架和滚动轴承与内定子支撑轴1连接。
文档编号H02K16/04GK102480198SQ20101055883
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月25日 优先权日2010年11月25日
发明者余虹锦 申请人:余虹锦