专利名称：一种新型磁极结构的正弦波盘式永磁发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型磁极结构的正弦波盘式永磁发电机，特别适用于船舶发电用盘式永磁发电机。
背景技术：
随着电机技术的发展，人们逐渐认识到了普通径向磁通电机存在着自身结构无法克服的一些弱点，如电机冷却困难、铁心利用率低等问题。盘式永磁电机的气隙是平面型的，气隙磁场是轴向的，所以又称为轴向磁场电机。盘式永磁电机有效地利用定子铁心内径到转轴的空间，从而大幅缩短电机的轴向尺寸，与径向磁通的永磁电机相比，其轴向尺寸短、重量轻、体积小、结构紧凑，转矩密度可提高20%左右，盘式电机成为永磁同步电机领域中的热点研究对象之一。对于不同的功率需求，盘式永磁电机能方便地作成多单元电机，灵活搭配，从而像搭积木似地满足不同功率的需要，减少电机的设计、制造费用和研发周期。船舶用大功率盘式永磁发电机对转矩密度、效率、电源质量、可靠性、可维修性等方面提出了较高的要求，因此，在提高转矩密度的前提下优化盘式永磁电机的磁极结构和安装工艺，提高电源质量并兼顾可靠性和可维修性是盘式永磁电机设计的关键所在。
发明内容
本发明一个目的是提供一种具有正弦畸变率较小的气隙磁密波形和反电势波形、电机效率高、磁极安装与固定简便、降低电机绕组的嵌线难度与电机制造成本的新型磁极结构的正弦波盘式永磁发电机。为实现上述目的，本发明的技术方案是
一种新型磁极结构的正弦波盘式永磁发电机，包括机座、定子盘、安装在定子盘的两侧各一个转子盘、固定在转子盘上的磁极、以及端盖、转轴和轴承；所述磁极由固定在转子盘上的偶数个扇形极块组成；扇形极块绕转子盘的中心沿圆周均布固定在转子盘朝定子盘的一侧；每个扇形极块朝定子盘一侧的侧面外形呈阶梯形，该阶梯形的中间为高台阶，而向两侧对称逐级下降为低台阶；相邻两扇形极块之间的距离相等；所述定子盘包括定子铁心和定子绕组，该定子绕组为集中整距绕组。在上述技术方案基础上更进一步的技术方案是
所述的新型磁极结构的正弦波盘式永磁发电机，每个扇形极块台阶数量为奇数，且中间高台阶两侧的对称低台阶形状对应相同，大小对应相同。所述的新型磁极结构的正弦波盘式永磁发电机，磁极的每个扇形极块的每个对称低台阶的高度相同，所有扇形极块的中间高台阶的高度相同。所述的新型磁极结构的正弦波盘式永磁发电机，每个扇形极块中间高台阶两侧的对称低台阶其弧长小于或等于中间高台阶弧长。所述的新型磁极结构的正弦波盘式发电机，所述扇形极块有3个台阶，中间高台阶两侧的对称低台阶其弧长分别是中间高台阶弧长的一半，或相等。
所述的新型磁极结构的正弦波盘式发电机，所述扇形极块有5个台阶，其中位于两端的对称低台阶其弧长分别与中间高台阶弧长相等，其余每个对称低台阶其弧长分别是中间高台阶弧长的一半，或为中间高台阶弧长的四分之三，或相等。所述的新型磁极结构的正弦波盘式发电机，所述扇形极块有9个台阶，其中位于两端的对称低台阶其弧长分别与中间高台阶弧长相等，其余每个对称低台阶其弧长分别是中间高台阶弧长的一半，或相等。所述的新型磁极结构的正弦波盘式永磁发电机，所述转子盘朝定子盘的一侧沿圆周均布有与扇形极块形状相同的凹槽，用于嵌入和沿圆周定位扇形极块；相邻两扇形极块之间有加固扇形极块的固定压板，该固定压板和扇形极块与转子盘之间有空隙，用环氧漆将其灌封固定。所述的新型磁极结构的正弦波盘式永磁发电机，磁极外缘上固定有非导磁材料制作的挡圈，该挡圈通过紧固件固定在转子盘外缘上。结合本发明结构、原理，对本发明效果说明如下
盘式永磁发电机一般采用扇形磁极和分布、短距绕组从而产生正弦畸变率较小的反电势波形，但扇形磁极在转子上不易固定，且占用较大的电磁气隙，增加了价格昂贵的永磁材料的用量，对高转速电机该问题尤其突出。而且采用分布绕组势必造成每极每相槽数的增加或者采用分数槽，两者均增加了电机嵌线难度和制造成本。本发明采用新型磁极结构和集中整距绕组，即可得到畸变率较小的气隙磁密波形和反电势波形，阶梯形状磁极两端留有较大空间便于其安装与固定，降低电机制造成本。本发明的显著效果是优化了磁极形状，获得正弦畸变率小的气隙磁密和电压波形，简化了高速盘式永磁发电机磁极的安装与固定方式，降低了电机绕组的制造难度和成本，同时减少了气隙磁密谐波引起的各种损耗和转矩的波动，提高电机的效率。
图1为盘式永磁发电机的结构示意图； 图2为扇形磁极块示意图3为安装有磁极的转子盘结构示意图； 图4为图3的A-A局部剖视图； 图5为仿真的空载反电势波形图6为仿真的负载相电流波形； 图7为实测的空载反电势波形； 图8为实测的负载相电流波形。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。实施例1
如图1、2、3、4所示，一种新型磁极结构的正弦波盘式永磁发电机，包括机座1、定子盘 2、安装在定子盘2的两侧各一个转子盘4、固定在转子盘4上的磁极5、以及端盖3、转轴6 和轴承7 ；所述磁极5由固定在转子盘4上的偶数个扇形极块5. 1组成；如图3所示，本实施例扇形极块5. 1有4块；扇形极块5. 1绕转子盘4的中心沿圆周均布固定在转子盘4朝定子盘2的一侧；如图2所示，每个扇形极块5. 1朝定子盘2 —侧的侧面外形呈阶梯形，该阶梯形的中间为高台阶，而向两侧对称逐级下降为低台阶；相邻两扇形极块5. 1之间的距离相等；所述定子盘2包括定子铁心2. 1和定子绕组2. 2，该定子绕组2. 2为集中整距绕组， 而不是采用交流电机常用的分布、短距绕组。每个扇形极块5. 1台阶数量为奇数，且中间高台阶两侧的对称低台阶形状对应相同，大小对应相同。磁极5的每个扇形极块5. 1的每个对称低台阶的高度相同，所有扇形极块5. 1的中间高台阶的高度相同。每个扇形极块5. 1 中间高台阶两侧的对称低台阶其弧长小于或等于中间高台阶弧长。本实施例所述扇形极块 5. 1有5个台阶，其中位于两端的对称低台阶其弧长分别与中间高台阶弧长相等，其余每个对称低台阶其弧长分别是中间高台阶弧长的一半。当采用每个对称低台阶其弧长分别是中间高台阶弧长的四分之三技术方案时，则是一个新的实施例。当采用每个对称低台阶其弧长分别与中间高台阶弧长相等技术方案时，则又是一个新的实施例。如图3所示，所述转子盘4朝定子盘2的一侧沿圆周均布有与扇形极块5. 1形状相同的凹槽，用于嵌入和沿圆周定位扇形极块5. 1 ；如图3、4所示，相邻两扇形极块5. 1之间有加固扇形极块5. 1的固定压板8，该固定压板8和扇形极块5. 1与转子盘4之间有空隙，用环氧漆将其灌封固定，该环氧漆的灌封是在用固定压板8将扇形极块5. 1固定在转子盘4上之后再灌封，并将固定有扇形极块5. 1的转子盘4 一同经火保温烘干，从而固化环氧漆。如图1所示，磁极5外缘上固定有非导磁材料制作的挡圈9，该挡圈9通过紧固件固定在转子盘4外缘上，用于防止转子高速旋转时磁极受离心力径向甩出。定子盘2通过非导磁环形件2. 3固定在机座1内。 转轴6两端由角接触球轴承7支承在机座1上，采用角接触球轴承抵消轴向力。实施例2:
与上述实施例1不同的是，所述扇形极块5. 1有3个台阶，中间高台阶两侧的对称低台阶其弧长分别是中间高台阶弧长的一半。当采用中间高台阶两侧的对称低台阶其弧长分别与中间高台阶弧长相等技术方案时，则是一个新的实施例。实施例3
与上述实施例1不同的是，所述扇形极块5. 1有9个台阶，其中位于两端的对称低台阶其弧长分别与中间高台阶弧长相等，其余每个对称低台阶其弧长分别是中间高台阶弧长的一半。当采用每个对称低台阶其弧长分别与中间高台阶弧长相等技术方案时，则是一个新的实施例。 图5和图7分别为仿真计算空载反电势波形与实测空载反电势波形，图6和图8分别为仿真计算负载电流波形与实测负载电流波形，经仿真计算与试验测试波形对比表明， 仿真计算的空载反电势波形和负载电流波形的幅值和波形均与试验测试波形非常接近，电机反电势和电流波形正弦畸变率非常小，本发明的阶梯状扇形磁极对空载反电势波形和电流波形的改善起到显著的作用。
本发明权利要求保护范围不限于上述实施例。
权利要求
1.一种新型磁极结构的正弦波盘式永磁发电机，其特征在于，包括机座(1)、定子盘(2)、安装在定子盘(2)的两侧各一个转子盘(4)、固定在转子盘(4)上的磁极(5)、以及端盖(3)、转轴(6)和轴承(7);所述磁极(5)由固定在转子盘(4)上的偶数个扇形极块(5.1)组成；扇形极块(5. 1)绕转子盘(4)的中心沿圆周均布固定在转子盘(4)朝定子盘(2)的一侧； 每个扇形极块(5. 1)朝定子盘(2) —侧的侧面外形呈阶梯形，该阶梯形的中间为高台阶，而向两侧对称逐级下降为低台阶；相邻两扇形极块(5. 1)之间的距离相等；所述定子盘(2)包括定子铁心(2. 1)和定子绕组(2. 2)，该定子绕组(2. 2)为集中整距绕组。
2.如权利要求1所述的新型磁极结构的正弦波盘式永磁发电机，其特征在于，每个扇形极块(5. 1)台阶数量为奇数，且中间高台阶两侧的对称低台阶形状对应相同，大小对应相同。
3.如权利要求2所述的新型磁极结构的正弦波盘式永磁发电机，其特征在于，磁极(5) 的每个扇形极块(5. 1)的每个对称低台阶的高度相同，所有扇形极块(5. 1)的中间高台阶的高度相同。
4.如权利要求2所述的新型磁极结构的正弦波盘式永磁发电机，其特征在于，每个扇形极块(5. 1)中间高台阶两侧的对称低台阶其弧长小于或等于中间高台阶弧长。
5.如权利要求4所述的新型磁极结构的正弦波盘式发电机，其特征在于，所述扇形极块(5. 1)有3个台阶，中间高台阶两侧的对称低台阶其弧长分别是中间高台阶弧长的一半， 或相等。
6.如权利要求4所述的新型磁极结构的正弦波盘式发电机，其特征在于，所述扇形极块(5. 1)有5个台阶，其中位于两端的对称低台阶其弧长分别与中间高台阶弧长相等，其余每个对称低台阶其弧长分别是中间高台阶弧长的一半，或为中间高台阶弧长的四分之三， 或相等。
7.如权利要求4所述的新型磁极结构的正弦波盘式发电机，其特征在于，所述扇形极块(5. 1)有9个台阶，其中位于两端的对称低台阶其弧长分别与中间高台阶弧长相等，其余每个对称低台阶其弧长分别是中间高台阶弧长的一半，或相等。
8.如权利要求1所述的新型磁极结构的正弦波盘式永磁发电机，其特征在于，所述转子盘(4)朝定子盘(2)的一侧沿圆周均布有与扇形极块(5. 1)形状相同的凹槽，用于嵌入和沿圆周定位扇形极块(5. 1)；相邻两扇形极块(5. 1)之间有加固扇形极块(5. 1)的固定压板(8)，该固定压板(8)和扇形极块(5. 1)与转子盘(4)之间有空隙，用环氧漆将其灌封固定。
9.如权利要求1所述的新型磁极结构的正弦波盘式永磁发电机，其特征在于，磁极(5) 外缘上固定有非导磁材料制作的挡圈(9)，该挡圈(9)通过紧固件固定在转子盘(4)外缘上。
全文摘要
本发明涉及一种新型磁极结构的正弦波盘式永磁发电机，特别适用于船舶发电用盘式永磁发电机，包括机座、定子盘、转子盘、固定在转子盘上的磁极、以及端盖、转轴和轴承；所述磁极由固定在转子盘上的偶数个扇形极块组成；扇形极块绕转子盘的中心沿圆周均布固定在转子盘朝定子盘的一侧；每个扇形极块朝定子盘一侧的侧面外形呈阶梯形，该阶梯形的中间为高台阶，而向两侧对称逐级下降为低台阶；相邻两扇形极块之间的距离相等；所述定子盘包括定子铁心和定子绕组，该定子绕组为集中整距绕组。本发明优点是具有正弦畸变率较小的气隙磁密波形和反电势波形、提高了电机的效率、磁极安装与固定简便、降低了绕组的嵌线难度和电机制造成本。
文档编号H02K16/02GK102510192SQ201110391029
公开日2012年6月20日 申请日期2011年12月1日 优先权日2011年12月1日
发明者吴海鹰, 杨德望, 郝清亮 申请人:中国船舶重工集团公司第七一二研究所