CN107707092B - 一种无刷交流发电机及发电技术 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无刷交流发电发电机，其结构简单，电机的可靠性和可维护性好，无需碳刷滑环或旋转整流，克服了现有交流发电机可靠性低、结构复杂、成本高、转速受限等缺点，发电单元包括定子和转子，定子和转子之间有留有气隙，转子包括至少两个转子凸极，定子包括定子铁心和励磁支架，励磁支架与定子铁心固定连接，励磁支架上布置有励磁绕组，励磁支架构成磁通通路使得励磁支架的两端分别形成N极和S极，定子铁心上布置有定子槽，定子槽内设有电枢绕组，在定子铁心上对应相邻的两个转子凸极之间设有两组电枢绕组，且两组电枢绕组反向串联连接，此外本发明还提供了采用该无刷交流发电发电机进行发电的技术。

Description

一种无刷交流发电机及发电技术

技术领域

本发明涉及发电技术领域，具体为一种无刷交流发电机及发电技术。

背景技术

目前主流的交流发电机，一般采用转子励磁方式，即励磁磁场产生于转子，外部动力设备带动转子转动，从而带动励磁磁场转动，切割布于定子的电枢绕组，来发出交流电。对于电励磁交流发电机，其通过滑环电刷或旋转整流模块，将直流电通入转子励磁绕组以产生励磁磁场，此种技术由于励磁绕组在转子上，所以必须通过碳刷滑环或旋转整流将直流电通入转子，结构复杂，成本高，也由于碳刷或整流模块的损坏，导致可靠性不高；另外，励磁绕组在转动部件转子上，需经过复杂工艺处理，可靠性不高，转子速度也受到限制。

对于永磁交流发电机，由于励磁磁场无法调节，无法实现对输出电压的调节；另外永磁体有失磁风险，且永磁体置于转子上，考虑到永磁体高速下可靠性的，设计的转子结构复杂且成本很高。

也有将励磁和电枢绕组布置于定子上的发电机，如双凸极的开关磁阻发电机，然而其对极对数有严格要求，漏磁严重，另外电枢绕组必须采用集中式绕组，波形很差，效率低。另外一种将励磁和电枢绕组布置于定子上的感应子交流发电机，励磁绕组为环状安放在两端定子之间，制造和维修均困难，特别对于大功率电机，大型的环状励磁绕组制造难度和成本均较高，而且非交变磁通，波形差和电压有效值低。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种无刷交流发电发电机，其结构简单，电机的可靠性和可维护性好，无需碳刷滑环或旋转整流，克服了现有交流发电机可靠性低、结构复杂、成本高、转速受限等缺点，此外本发明还提供了采用该无刷交流发电发电机进行发电的技术。

其技术方案是这样的：一种无刷交流发电机，包括至少一个发电单元，所述发电单元包括定子和转子，所述转子通过驱动机构驱动且能够相对于所述定子转动，所述定子和所述转子之间有留有气隙，其特征在于：所述转子包括至少两个转子凸极，所述定子包括定子铁心和励磁支架，所述励磁支架与所述定子铁心固定连接，所述励磁支架上布置有励磁绕组，所述励磁支架构成磁通通路使得励磁支架的两端分别形成N极和S极，所述定子铁心上布置有定子槽，所述定子槽内设有电枢绕组，在所述定子铁心上对应相邻的两个转子凸极之间设有两组所述电枢绕组，且两组所述电枢绕组反向串联连接。

进一步的，两组所述电枢绕组反向串联连接具体设置方式如下：相连的两个转子凸极分别为第一凸极和第二凸极，所述第一凸极与第二凸极之间设有第一电枢绕组和第二电枢绕组，第一电枢绕组的第一组边对应第一凸极设置、第二组边对应设置在所述第一凸极与第二凸极之间，第二电枢绕组的第一组边对应第二凸极设置、第二组边对应设置在所述第一凸极与第二凸极之间，第一电枢绕组的第二组边与第二电枢绕组的第一组边串联连接使得所述第一电枢绕组与所述第二电枢绕组反向串联。

进一步的，所述转子设置在所述定子内侧，所述定子铁心分别与所述励磁支架的两端相连接，使得两端的所述定子铁心分别形成N极和S极，所述转子的两端分别对应所述定子铁心设有所述转子凸极，所述定子铁心与所述转子凸极之间留有所述气隙。

进一步的，所述定子铁心和所述励磁支架设置在所述转子内侧，所述定子铁心分别设置在所述励磁支架的两端，使得两端的所述定子铁心分别形成N极和S极，所述转子内侧分别对应所述定子铁心设有所述转子凸极，所述定子铁心与所述转子凸极之间留有所述气隙。

进一步的，所述转子设置在所述定子内侧，所述定子铁心分别设置在所述励磁支架的两端，使得两端的所述定子铁心分别形成N极和S极，所述转子的转子凸极设置在所述定子内侧且所述定子铁心对应设置所述转子凸极的前、后侧，所述定子铁心与所述转子凸极之间留有所述气隙。

进一步的，所述定子铁心和所述励磁支架设置在所述转子内侧，所述定子铁心分别设置在所述励磁支架的两端，使得两端的所述定子铁心分别形成N极和S极，所述转子的转子凸极分别设置在所述定子铁心的外侧，所述定子铁心与所述转子凸极之间留有所述气隙。

进一步的，所述励磁绕组励磁采用电励磁或电励磁和永磁体的混合励磁。

进一步的，所述转子凸极上设有阻尼绕组。

进一步的，所述电枢绕组的布置方式为同心式或叠式。

一种无刷交流发电技术，其特征在于,采用上述的一种无刷交流发电机进行发电。

本发明的无刷交流发电机，相对于现有的电励磁交流发电机，其结构简单，可靠性好，励磁绕组和电枢绕组同时置于定子上，励磁绕组建立励磁磁场，电枢绕组分布于定子槽内，转子无需安装励磁绕组，仅作为磁路通道，从而省去了碳刷滑环或旋转整流模块，简化了发电机部件和结构，提高可靠性和可维护性，转子速度不受限制；相对于现有的永磁交流发电机，励磁磁场和输出电压可调，另外，励磁绕组置于定子上，励磁绕组建立励磁磁场，避免了永磁体置于转子上存在的高速转动情况下存在可靠性缺陷的问题产生，同时简化了转子结构，降低了成本；相对于开关磁阻发电机，定子非凸极，电枢绕组采用分布式，波形和效率高，漏磁小，相对于感应子发电机，励磁绕组布置简单，可靠性高并且输出波形畸变小，输出电压有效值高。

附图说明

图1为本发明的具体实施方式1中的无刷交流发电机的主视示意图；

图2为本发明的具体实施方式1中的无刷交流发电机的侧视的剖视示意图；

图3为本发明的具体实施方式2中的无刷交流发电机的主视示意图；

图4为本发明的具体实施方式2中的无刷交流发电机的侧视的剖视示意图；

图5为本发明的具体实施方式3中的无刷交流发电机的主视示意图；

图6为本发明的具体实施方式3中的无刷交流发电机的侧视的剖视示意图；

图7为本发明的具体实施方式4中的无刷交流发电机的主视示意图；

图8为本发明的具体实施方式4中的无刷交流发电机的侧视的剖视示意图；

图9为本发明的具体实施方式5中的无刷交流发电机的主视示意图；

图10为本发明的具体实施方式5中的无刷交流发电机的侧视的剖视示意图；

图11为本发明的具体实施方式6的无刷交流发电机的侧视的剖视示意图；

图12为图11的A-A向视图；

图13为本发明的具体实施方式7的无刷交流发电机的侧视的剖视示意；

图14为本发明的具体实施方式8的无刷交流发电机的侧视的剖视示意；

图15为本发明的电枢绕组的布置的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行进一步说明。

具体实施方式1：见图1、图2，本实施例的一种无刷交流发电机，包括一个发电单元，发电单元包括定子1和转子2，转子2通过驱动机构驱动且能够相对于定子1转动，定子1和转子2之间有留有气隙，转子2设置在定子1内侧，定子包括定子铁心3和励磁支架4，定子铁心3和励磁支架4分别设有两个，励磁支架4上布置有励磁绕组5，其中一个定子铁心3分别与两个励磁支架4的一端相连接，另一个定子铁心3分别与两个励磁支架4的另一端相连接，励磁支架4构成磁通通路使得励磁支架4的两端的定子铁心3分别形成N极和S极，转子2的两端分别对应定子铁心设有两个转子凸极6，定子铁心3与转子凸极6之间留有气隙，转子凸极6上设有阻尼绕组9，定子铁心3上布置有定子槽7，定子槽7内设有电枢绕组8，在定子铁芯上对应相邻的两个转子凸极6之间设有两组电枢绕组8，且两组电枢绕组8反向串联连接，本实施例中励磁绕组励磁采用电励磁，电枢绕组8的布置方式为同心式。

见图15，两组电枢绕组8反向串联连接具体设置方式如下：相连的两个转子凸极6分别为第一凸极61和第二凸极62，第一凸极61与第二凸极62之间设有第一电枢绕组81和第二电枢绕组82，第一电枢绕组81的第一组边11对应第一凸极设置、第二组边12对应设置在第一凸极61与第二凸极62之间，第二电枢绕组82的第一组边13对应第二凸极62设置、第二组边14对应设置在第一凸极61与第二凸极62之间，第一电枢绕组81的第二组边12与第二电枢绕组82的第一组边13串联连接使得第一电枢绕组81与第二电枢绕组82反向串联。

具体实施方式2：见图3、图4，本实施例的一种无刷交流发电机，包括一个发电单元，发电单元包括定子1和转子2，转子2通过驱动机构驱动且能够相对于定子1转动，定子1和转子2之间有留有气隙，转子2设置在定子1内侧，定子包括定子铁心3和励磁支架4，定子铁心3设有两个，励磁支架4设有四个，其中一个定子铁心3分别与四个励磁支架4的一端相连接，另一个定子铁心3分别与四个励磁支架4的另一端相连接，励磁支架4上布置有励磁绕组5，励磁支架4构成磁通通路使得励磁支架4的两端的定子铁心3分别形成N极和S极，转子2的两端分别对应定子铁心设有两个转子凸极6，定子铁心3与转子凸极6之间留有气隙，转子凸极6上设有阻尼绕组9，定子铁心3上布置有定子槽7，定子槽7内设有电枢绕组8，在定子铁芯上对应相邻的两个转子凸极6之间设有两组电枢绕组8，且两组电枢绕组8反向串联连接，本实施例中励磁绕组励磁采用电励磁，电枢绕组8的布置方式为叠式，两组电枢绕组8反向串联连接具体设置方式同具体实施1。

具体实施方式3：见图5、图6，本实施例的一种无刷交流发电机，包括一个发电单元，发电单元包括定子1和转子2，转子2通过驱动机构驱动且能够相对于定子1转动，定子1和转子2之间有留有气隙，转子2设置在定子1内侧，定子包括定子铁心3和励磁支架4，定子铁心3和励磁支架4分别设有两个，励磁支架4上布置有励磁绕组5，其中一个定子铁心3分别与两个励磁支架4的一端相连接，另一个定子铁心3分别与两个励磁支架4的另一端相连接，励磁支架4构成磁通通路使得励磁支架4的两端的定子铁心3分别形成N极和S极，转子2的两端分别对应定子铁心设有四个转子凸极6，定子铁心3与转子凸极6之间留有气隙，转子凸极6上设有阻尼绕组9，定子铁心3上布置有定子槽7，定子槽7内设有电枢绕组8，在定子铁芯上对应相邻的两个转子凸极6之间设有两组电枢绕组8，且两组电枢绕组8反向串联连接，本实施例中励磁绕组励磁采用电励磁，电枢绕组8的布置方式为同心式，两组电枢绕组8反向串联连接具体设置方式同具体实施1。

具体实施方式4：见图7、图8，本实施例的一种无刷交流发电机，包括一个发电单元，发电单元包括定子1和转子2，转子2通过驱动机构驱动且能够相对于定子1转动，定子1和转子2之间有留有气隙，定子包括定子铁心3和励磁支架4，定子铁心3和励磁支架4设置在转子2内侧，定子铁心3设有两个，两个定子铁心3分别设置在励磁支架4的两端，励磁支架4上布置有励磁绕组5，励磁支架4构成磁通通路使得励磁支架4的两端的定子铁心3分别形成N极和S极，转子2内侧分别对应定子铁心3设有两个转子凸极6，定子铁心3与转子凸极6之间留有气隙，转子凸极6上设有阻尼绕组9，定子铁心3上布置有定子槽7，定子槽7内设有电枢绕组8，在定子铁芯上对应相邻的两个转子凸极6之间设有两组电枢绕组8，且两组电枢绕组8反向串联连接，本实施例中励磁绕组励磁采用电励磁，电枢绕组8的布置方式为同心式，两组电枢绕组8反向串联连接具体设置方式同具体实施1。

具体实施方式5：见图9、图10，本实施例的一种无刷交流发电机，包括两个发电单元，发电单元包括定子1和转子2，转子2通过驱动机构驱动且能够相对于定子1转动，两个发电单元的转子同轴转动，定子1和转子2之间有留有气隙，转子2设置在定子1内侧，定子包括定子铁心3和励磁支架4，定子铁心3和励磁支架4分别设有两个，励磁支架4上布置有励磁绕组5，其中一个定子铁心3分别与两个励磁支架4的一端相连接，另一个定子铁心3分别与两个励磁支架4的另一端相连接，励磁支架4构成磁通通路使得励磁支架4的两端的定子铁心3分别形成N极和S极，转子2的两端分别对应定子铁心设有四个转子凸极6，定子铁心3与转子凸极6之间留有气隙，转子凸极6上设有阻尼绕组9，定子铁心3上布置有定子槽7，定子槽7内设有电枢绕组8，在定子铁芯上对应相邻的两个转子凸极6之间设有两组电枢绕组8，且两组电枢绕组8反向串联连接，本实施例中励磁绕组励磁采用电励磁，电枢绕组8的布置方式为同心式，两组电枢绕组8反向串联连接具体设置方式同具体实施1。

具体实施方式6：见图11、图12，本实施例的一种无刷交流发电机，包括一个发电单元，发电单元包括定子1和转子2，转子2通过驱动机构驱动且能够相对于定子1转动，定子1和转子2之间有留有气隙，转子2设置在定子1内侧，定子包括定子铁心3和励磁支架4，定子铁心3分别设置在励磁支架4的两端，励磁支架4上布置有励磁绕组5，使得两端的定子铁心3分别形成N极和S极，转子2的转子凸极6设置在定子1内侧且定子铁心3对应设置转子凸极6的前、后侧，定子铁心3与转子凸极6之间留有气隙，转子凸极6上设有阻尼绕组，定子铁心3上布置有定子槽7，定子槽7内设有电枢绕组8，在定子铁芯上对应相邻的两个转子凸极6之间设有两组电枢绕组8，且两组电枢绕组8反向串联连接，本实施例中励磁绕组励磁采用电励磁，电枢绕组8的布置方式为叠式，两组电枢绕组8反向串联连接具体设置方式同具体实施1。

具体实施方式7，见图13，本实施例的一种无刷交流发电机，包括两个发电单元，发电单元包括定子1和转子2，转子2通过驱动机构驱动且能够相对于定子1转动，两个发电单元的转子同轴转动，定子1和转子2之间有留有气隙，转子2设置在定子1内侧，定子包括定子铁心3和励磁支架4，定子铁心3分别设置在励磁支架4的两端，励磁支架4上布置有励磁绕组5，使得两端的定子铁心3分别形成N极和S极，转子2的转子凸极6设置在定子1内侧且定子铁心3对应设置转子凸极6的前、后侧，定子铁心3与转子凸极6之间留有气隙，转子凸极6上设有阻尼绕组，定子铁心3上布置有定子槽7，定子槽7内设有电枢绕组8，在定子铁芯上对应相邻的两个转子凸极6之间设有两组电枢绕组8，且两组电枢绕组8反向串联连接，本实施例中励磁绕组励磁采用电励磁，电枢绕组8的布置方式为叠式，两组电枢绕组8反向串联连接具体设置方式同具体实施1。

具体实施方式8，见图14，本实施例的一种无刷交流发电机，包括一个发电单元，发电单元包括定子1和转子2，转子2通过驱动机构驱动且能够相对于定子1转动，定子1和转子2之间有留有气隙，定子铁心3和励磁支架4设置在转子内侧，定子包括定子铁心3和励磁支架4，定子铁心3分别设置在励磁支架4的两端，励磁支架4上布置有励磁绕组5，使得两端的定子铁心3分别形成N极和S极，转子的转子凸极6分别设置在定子铁心3的外侧，定子铁心3与转子凸极6之间留有气隙，转子凸极6上设有阻尼绕组，定子铁心3上布置有定子槽7，定子槽7内设有电枢绕组8，在定子铁芯上对应相邻的两个转子凸极6之间设有两组电枢绕组8，且两组电枢绕组8反向串联连接，本实施例中励磁绕组励磁采用电励磁，电枢绕组8的布置方式为叠式。

以下描述本发明的无刷交流发电机的发电过程：当励磁方式为电励磁时，励磁绕组通入直流电产生磁通，磁通由励磁支架的一端出来，经过定子铁心，定子铁心与转子凸极之间的气隙，进入转子，再从转子另一端出来进入定子与转子之间的气隙，回到励磁支架的另一端后形成闭合回路，形成励磁磁场, 励磁绕组构建励磁磁场后，通过驱动机构带动转子转动，励磁绕组的磁通在定子铁心中圆周方向的分布随转子凸极的位置变化，切割转子凸极对应的电枢绕组线圈，在电枢绕组线圈铁心槽里的每个边里，产生感应电动势；但由于每端凸极的所有极性相同，所以若采用目前整距绕组的布置方法，即电枢绕组线圈的一边对应于一个凸极，电枢绕组线圈的另一边对应于相邻的另一个凸极，这样在电枢绕组线圈的两边产生的电动势大小相同，方向相同，正好抵消，电枢线圈无电压输出；若采用短距绕组布置方法，电枢绕组中的磁通就会同感应子发电机类似，为半波脉振型，输出电压波形差和有效值低；所以本发明提供了一种新型的电枢线圈布置方法，即在本设计的结构上，在定子铁芯上对应相邻两个凸极间布置两组电枢绕组线圈，使一个凸极对应一个电枢绕组线圈的一边，另一个凸极对应另一个电枢绕组线圈的一边，并使这两个电枢绕组线圈反向串联起来，这样，当凸极引导磁场切割电枢绕组线圈时，在两个串联的电枢绕组线圈内的两边就产生大小相同，方向相反的电动势，使整个串联的电枢绕组线圈有最大的输出电压，并使整个电枢线圈内的磁通变化为交变而非脉振，减小输出波形畸变，增大电压输出有效值。

本发明的无刷交流发电机，相对于现有的电励磁交流发电机，其结构简单，可靠性好，励磁绕组和电枢绕组同时置于定子上，励磁绕组建立励磁磁场，电枢绕组分布于定子槽内，转子无需安装励磁绕组，仅作为磁路通道，从而省去了碳刷滑环或旋转整流模块，简化了发电机部件和结构，提高可靠性和可维护性，转子速度不受限制；相对于现有的永磁交流发电机，由于励磁可以调节，可对电压进行控制，另外，励磁绕组置于定子上，励磁绕组建立励磁磁场，避免了永磁体置于转子上存在的高速转动情况下存在可靠性缺陷的问题产生，同时简化了转子结构，降低了成本；相对于双凸极的开关磁阻发电机，因定子非凸极设计和采用分布式绕组，漏磁小，波形好，效率高；相对于感应子发电机，励磁绕组布置简单，可靠性高并且输出波形畸变小，输出电压有效值高。

由于转子存在阻尼绕组，在转子转过定子间隙过程中，针对磁通快速换向，阻尼绕组会感应出电流，来抵消磁通的突变，从而减缓因电枢绕组磁通快速换向引起的突变电压，本发明采用电磁手段，抵消了换向突波电压，提高了发电品质。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种无刷交流发电机，包括至少一个发电单元，所述发电单元包括定子和转子，所述转子通过驱动机构驱动且能够相对于所述定子转动，所述定子和所述转子之间有留有气隙，其特征在于：所述转子包括至少两个转子凸极，所述定子包括定子铁心和励磁支架，所述定子为非凸极和分布式电枢绕组结构，所述励磁支架与所述定子铁心固定连接，所述励磁支架上布置有励磁绕组，所述励磁支架构成磁通通路使得励磁支架的两端分别形成N极和S极，所述定子铁心上布置有定子槽，所述定子槽内设有电枢绕组，在所述定子铁心上对应相邻的两个转子凸极之间设有两组所述电枢绕组，且两组所述电枢绕组反向串联连接，两组所述电枢绕组反向串联连接具体设置方式如下：相连的两个转子凸极分别为第一凸极和第二凸极，所述第一凸极与第二凸极之间设有第一电枢绕组和第二电枢绕组，第一电枢绕组的第一边组对应第一凸极设置、第二组边对应设置在所述第一凸极与第二凸极之间，第二电枢绕组的第一组边对应第二凸极设置、第二组边对应设置在所述第一凸极与第二凸极之间，第一电枢绕组的第二组边与第二电枢绕组的第一组边串联连接使得所述第一电枢绕组与所述第二电枢绕组反向串联；所述励磁绕组励磁采用电励磁或电励磁和永磁体的混合励磁；所述转子凸极上设有阻尼绕组。

2.根据权利要求1所述的一种无刷交流发电机，其特征在于：所述转子设置在所述定子内侧，所述定子铁心分别与所述励磁支架的两端相连接，使得两端的所述定子铁心分别形成N极和S极，所述转子的两端分别对应所述定子铁心设有所述转子凸极，所述定子铁心与所述转子凸极之间留有所述气隙。

3.根据权利要求1所述的一种无刷交流发电机，其特征在于：所述定子铁心和所述励磁支架设置在所述转子内侧，所述定子铁心分别设置在所述励磁支架的两端，使得两端的所述定子铁心分别形成N极和S极，所述转子内侧分别对应所述定子铁心设有所述转子凸极，所述定子铁心与所述转子凸极之间留有所述气隙。

4.根据权利要求1所述的一种无刷交流发电机，其特征在于：所述转子设置在所述定子内侧，所述定子铁心分别设置在所述励磁支架的两端，使得两端的所述定子铁心分别形成N极和S极，所述转子的转子凸极设置在所述定子内侧且所述定子铁心对应设置所述转子凸极的前、后侧，所述定子铁心与所述转子凸极之间留有所述气隙。

5.根据权利要求1所述的一种无刷交流发电机，其特征在于：所述定子铁心和所述励磁支架设置在所述转子内侧，所述定子铁心分别设置在所述励磁支架的两端，使得两端的所述定子铁心分别形成N极和S极，所述转子的转子凸极分别设置在所述定子铁心的外侧，所述定子铁心与所述转子凸极之间留有所述气隙。

6.根据权利要求1所述的一种无刷交流发电机，其特征在于：所述电枢绕组的布置方式为同心式或叠式。

7.一种无刷交流发电方法，其特征在于：采用权利要求2所述的一种无刷交流发电机进行发电。

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