一种永磁交流发电机转子的制作方法

[0001]
本发明涉及发电机技术领域，尤其涉及一种永磁交流发电机转子。


背景技术：

[0002]
永磁电机所具有效率高，体积小的优点使其受到各行业的广泛关注。永磁电机的空载感应电压大小和波形对电机的运行效率、振动噪声、转矩波动等都有重要影响。当作为发电机并网运行或者独立运行时，对感应电压波形要求更高。表1为国家标准gb/t14549
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93《电能质量-公用电网谐波》所规定的不同电压等级下公用电网谐波电压总畸变率和各次谐波电压含有率的上限值，而永磁电机的空载感应电压谐波总畸变率一般都大于该规定。为了降低电压谐波总畸变率，目前主要采用的方法主要包括：
[0003]
(1)采用极数和槽数相近的分数槽绕组结构，该种结构在大型水轮发电机和低速永磁电机中常采用，在转速为3000转/分和1500转/分的场合很少采用；
[0004]
(2)采用斜槽或者斜极技术。该种方法可有效降低永磁电机空载感应电压的谐波总畸变率，提高电压波形正弦性，但电机制造工艺相对复杂，且在降低谐波电压的同时，基波电压同样也有所减小。此外，对于大型电机而言，斜槽和斜极会带来较大的轴向力，不利于电机运行；
[0005]
(3)优化转子结构。目前常规的内置式永磁电机通常采用附图1～图4的结构。图1到图3主要通过优化角度，以及在转子铁心外圆增加辅助槽，并优化辅助槽的圆周开口角度大小等措施来提高空载感应电压的正弦性。但相应的措施对空载感应电压波形谐波总畸变率的降低都很有限，难以满足国家标准gb/t14549—93的要求。在附图1～图3的基础上，公开专利cn 110048530 b通过如图4所示的结构进行空载感应电压的优化，从而降低转矩波动，但采用此结构后电机转矩降低了，影响了电机功率输出。


技术实现要素：

[0006]
针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种永磁交流发电机转子，其解决了现有技术中降低电压谐波总畸变率而优化转子结构后电机输出功率降低以及不稳定的问题。
[0007]
根据本发明的实施例，一种永磁交流发电机转子，包括转子体，所述转子体由多个冲片层叠形成，所述转子体内部设有一中心孔并且定义有一通过该中心孔的中心轴线，在垂直于该中心轴线的平面内定义有以该中心轴线的投影点为原点的直角坐标系；在垂直于所述中心轴线的平面内，所述冲片的外缘投影所成的形状包括：偶数段基部曲边，偶数段凸部曲边，和连接曲边，所述凸部曲边与所述基部曲边之间通过所述连接曲边连接；其中，
[0008]
在以所述中心轴线的投影点为原点的直角坐标系内，所述凸部曲边设置在两个所述基部曲边之间，且偶数段基部曲边和凸部曲边均关于x轴和y轴对称；
[0009]
所述连接曲边包括两段曲率不同的连接圆弧，且两段所述连接圆弧的圆心偏离所述中心轴线的投影点，并分别位于所述中心轴线的两侧。
[0010]
优选的，在以所述中心轴线的投影点为原点的直角坐标系内，所述基部曲边的圆心与所述原点重合；第n象限内两段所述连接圆弧中，与所述基部曲边相连的连接圆弧的圆心位于与所述第n象限对角的象限内，与所述凸部曲边相连的连接圆弧的圆心位于第n象限内。
[0011]
优选的，所述冲片还开设偶数个安装孔，其设置在所述中心孔的边缘与所述冲片的外缘之间。
[0012]
优选的，两段所述连接圆弧的半径比为1:1.05-1:1.85之间。
[0013]
优选的，偶数个所述安装孔中，相邻两个所述安装孔之间预留有加强筋。
[0014]
优选的，所述凸部曲边包括圆弧，所述圆弧的圆心为所述中心轴线的投影点，所述圆弧上构造有缺口。
[0015]
优选的，所述冲片上开设多个通孔。
[0016]
优选的，所述通孔为圆形孔，多个所述通孔位于两个所述安装孔之间。
[0017]
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
[0018]
本发明提出一种永磁交流发电机转子，其在降低电压谐波总畸变率的同时，克服了电机输出功率降低以及不稳定的缺陷，从而不仅降低了电压谐波总畸变率，还保证了电机稳定的功率输出。
附图说明
[0019]
图1为一种现有转子结构。
[0020]
图2为另一种现有转子结构。
[0021]
图3为另一种现有转子结构。
[0022]
图4为另一种现有转子结构。
[0023]
图5为图1-图4四种转子结构的永磁体剩磁和气隙长度的分布函数。
[0024]
图6为图1-图3三种转子结构所对应的感应电压波形图。
[0025]
图7为图4的转子结构的感应电压波形图。
[0026]
图8为电机的结构示意图。
[0027]
图9为本发明一种实施例的冲片的结构示意图。
[0028]
图10为本发明另一种实施例的冲片的结构示意图。
[0029]
图11为本发明两个实施例的冲片组装成电机后的感应电压波形图。
[0030]
上述附图中：101、中心轴线；301、中心孔；100、电机；10、定子；20、转子；30、转子体；31、冲片；32、基部曲边；33、凸部曲边；34、连接曲边；35、连接圆弧；35a、第一连接圆弧；35b、第二连接圆弧36、安装孔；37、通孔；38、加强筋；40、圆弧；41、缺口；c1、辅助槽1；c2、辅助槽2。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。
[0032]
表1为国家标准gb/t14549
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93《电能质量-公用电网谐波》所规定的不同电压等级下公用电网谐波电压总畸变率和各次谐波电压含有率的上限值。
[0033][0034]
表1
[0035]
由法拉第电磁感应定律可知，永磁电机极数和槽数、绕组形式一定时，空载气隙磁密的波形对永磁电机空载感应电动势起着决定性影响作用。气隙磁密越正弦，空载感应电动势越正弦。根据磁路基本定律可知，在给定永磁体厚度和材料特性情况下，气隙磁密沿圆周分布函数可表示为：
[0036][0037]
其中，μ0＝4π
×
10-7
h/m为真空中的磁导率；θ为圆周角度；l
pm
(θ)为永磁体厚度沿圆周分布函数；l
g
(θ)为气隙长度沿圆周分布函数；h
pm
(θ)为永磁体剩磁沿圆周方向分布函数。
[0038]
对于常规结构永磁电机，磁体剩磁沿圆周方向的分布函数h
pm
(θ)为矩形波或者阶梯波。l
pm
(θ)为永磁体厚度沿圆周分布函数为矩形波或者阶梯波，其波形与h
pm
(θ)相同；不考虑开槽影响时，l
g
(θ)沿圆周方向为一常数。
[0039]
图1-图3中在转子外圆增加辅助槽1和辅助槽2仅能对气隙长度的圆周分布进行较小调整，难于实现反电动势的高度正弦化。
[0040]
图4采用转子外圆整体偏移转轴中心一定距离h0进行空载感应电压的正弦化设计，由于在图1-图4的永磁体剩磁和气隙长度的分布函数如图5所示，图5中(a)图为采用附图1所示结构对应的永磁体剩磁分布函数，(b)图为采用附图2-附图4所示结构对应的永磁体剩磁分布函数，(c)图为采用附图1附图3所示结构对应的气隙长度分布函数，(d)图为采用附图4所示结构对应的气隙长度分布函数，(e)图代表本发明提出附图9和附图1所示结构对应的气隙长度函数。可见，采用图1到图4所示的结构的感应电动势正弦度较低。
[0041]
图6为图1到图3结构所对应的感应电动势波形，其总谐波畸变率为9.5％。
[0042]
图7为图4结构的感应电动势波形。从图7中可以看出，由于图4所对应的气隙长度函数可以对永磁体剩磁分布函数进行较好的调理作用，因此波形正弦性得到了提高，其总谐波畸变率为7.8％。但由于图4所示的结构q轴位置气隙长度很大导致转子中放置永磁体的空间降低，所以导致图4所示的结构感应电动势基波相对于图1-图3所示的结构减小了约9％。
[0043]
鉴于此，本发明提出在转子外圆在d轴和q轴之间通过多段圆弧模拟，进而实现图5(e)所示的气隙长度分布函数，既不减小永磁体放置空间，又可提高感应电动势正弦度。
[0044]
电机结构参考图8示，电机100包括定子10和转子20。转子20能够被磁场驱动绕中
心轴线101转动。定子10用于产生驱动转子20转动的磁场。定子10套设在转子20的外周，定子10和转子20在中心轴线101的径向上具有一定的气隙间隔。
[0045]
参考图9-图10所示，本发明实施例提出了一种永磁交流发电机转子，包括转子体30，所述转子体30由多个冲片31层叠形成，所述转子体30内部设有一中心孔301，在垂直于中心轴线101的平面内定义有以该中心轴线101的投影点为原点的x-y直角坐标系；在垂直于所述中心轴线101的平面内，所述冲片31的外缘投影所成的形状包括：偶数段基部曲边32，偶数段凸部曲边33，和连接曲边34，所述凸部曲边33与所述基部曲边32之间通过所述连接曲边34连接；其中，
[0046]
在以所述中心轴线101的投影点为原点的直角坐标系内，所述凸部曲边33设置在两个所述基部曲边32之间，且偶数段基部曲边32和凸部曲边33均关于x轴和y轴对称；
[0047]
所述连接曲边34包括两段曲率不同的连接圆弧35，分别为第一连接圆弧35a和第二连接圆弧35b，且第一连接圆弧35a和第二连接圆弧35b的圆心偏离所述中心轴线101的投影点，并分别位于所述中心轴线101的两侧。
[0048]
作为具体的实施例，在以所述中心轴线的投影点为原点的直角坐标系内，所述基部曲边32的圆心与所述原点重合；第n象限内两段所述连接圆弧35中，与所述基部曲边32相连的第一连接圆弧35a的圆心位于与所述第n象限对角的象限内，与所述凸部曲边33相连的第二连接圆弧35b的圆心位于第n象限内，例如在以所述中心轴线101的投影点为原点的直角坐标系内，第二象限内的所述基部曲边32的圆心与所述原点重合；第二象限内的两段所述连接圆弧35中，与所述基部曲边32相连的第一连接圆弧35a的圆心位于第四象限内，与所述凸部曲边33相连的第二连接圆弧35b的圆心位于第二象限内，所述第一连接圆弧35a与第二连接圆弧35b的半径比为1:1.05-1:1.85之间；所述凸部曲边33包括圆弧40，所述圆弧40的圆心为所述中心轴线101的投影点，所述圆弧40上构造有缺口41，所述缺口成v形。
[0049]
作为具体的实施例，参阅附图9，在所述中心孔301的边缘与所述冲片31的外缘之间，所述冲片31上开设有两组安装孔36，每组安装孔36为两个，并以中心轴线101的径向成两层分布，每组中的相邻两个所述安装孔36之间预留有加强筋38，两层安装孔36之间还开设通孔37，所述基部曲边32的半径为75.5mm，所述第一连接圆弧35a与第二连接圆弧35b的半径分别为47.7mm和79.5mm。
[0050]
作为具体的实施例，参阅附图10，在所述中心孔301的边缘与所述冲片31的外缘之间，与第一实施例不同的是，所述冲片31上开设有四组安装孔36，每组安装孔36为两个，并以中心轴线101的径向成两层分布，为保证冲片31的强度，每组中的相邻两个所述安装孔36之间预留有加强筋38，两层安装孔36之间还开设通孔37，所述基部曲边的半径为75.5mm，所述第一连接圆弧35a与第二连接圆弧35b的半径分别为49.4mm和72.5mm。
[0051]
本发明中连接曲边34由不同圆心不同半径的圆弧构成，通过对不同弧段角度和圆心位置的优化设计，优化气隙磁阻，在保证电机输出电压变化很小的情况下降低空载感应电压谐波总畸变率，提高空载感应电压的正弦性。相比于现有的感应电压优化技术，本发明结构下的空载感应电压总谐波畸变率不但满足国家标准gb/t14549—93的要求，而且相对于外圆同心的常规结构，空载感应电压基波值不会降低。此外，相对于转子外圆同心结构，该种结构的直轴电感有所降低，增大了发电机的有功功率输出能力；由于转子外圆为不同心结构，转子外圆到电机定子铁心内圆的距离在圆周不相同，增加了气隙空气的流动速度，
有利于电机散热。
[0052]
上述两个具体实施例的电机感应电压波形参见图11，与现有技术中常见的图1-图4中的电机转子结构相比，参见图6中示意的图1-图3三种转子结构的感性电压波形以及图7所示意的图4转子结构的感性电压波形，本发明中的转子感性电压正弦性更好，并且功率输出更加稳定。
[0053]
作为具体的实施例，所述第一连接圆弧35a与第二连接圆弧35b的半径还分别为46.9mm和73.4mm,42.3mm和71.8mm。
[0054]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。