CN103580426A

CN103580426A - 具有复励特性的凸极式永磁发电机

Info

Publication number: CN103580426A
Application number: CN201310533987.9A
Authority: CN
Inventors: 陆夫昌
Original assignee: SUZHOU ERMA MACHINERY CO Ltd
Current assignee: SUZHOU ERMA MACHINERY CO Ltd
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2014-02-12

Abstract

本发明公开了一种具有复励特性的凸极式永磁发电机，它包括转子和定子，所述转子上设有若干个由永磁体和软磁体组合而成的组合磁极。本发明提供的这种具有复励特性的凸极式永磁发电机具有良好的电压调整率，同时其输出波形也明显优于传统永磁发电机。

Description

具有复励特性的凸极式永磁发电机

技术领域

本发明涉及发电机领域，具体涉及一种具有复励特性的凸极式永磁发电机。

背景技术

永磁同步发电机具有结构简单、运行可靠、效率高等诸多优点，但由于转子上磁钢的磁场是恒定的，从而不同负载时的气隙磁通量是恒定的，导致了发电机的固有电压调整率高，因此以往的永磁发电机通常在15～25%甚至更高，并且要想降低固有电压调整率必须投入更大的成本，从而限制了推广应用。在目前要求较高的应用场合，除了增大永磁体磁化方向长度和加粗绕组线径等措施来降低固有电压调整率外，还需采用稳压模块或变频器来调节输出电压，使成本大为上升，不能普及应用。

在普通的永磁发电机中，空载时的气隙磁势就是磁钢磁势，为矩形。负载时，交轴电枢反应磁通穿过永磁体经铁芯、气隙闭合，且前半边极与磁钢磁通反向，后半边极同向。于是，交轴电枢反应磁通与磁钢磁通的合成使磁钢下气隙中的磁通分布发生了改变，由矩形波变成为斜坡波。虽然一个极下的磁通总量不变，但合成气隙磁场发生畸变，而且是负载越大，畸变越严重，从而恶化了发电机的输出波形。

发明内容

本发明目的是：针对上述问题，本发明提供一种具有复励特性的凸极式永磁发电机，该发电机具有良好的电压调整率，同时其输出波形也明显优于普通永磁发电机。

本发明的技术方案是：所述的具有复励特性的凸极式永磁发电机，包括转子和定子，所述转子上设有若干个由永磁体和软磁体组合而成的组合磁极。

所述永磁体为磁钢，所述软磁体为软铁。

该凸极式永磁发电机可以是内转子外定子式结构，所述转子包括转子轴以及固定套设在该转子轴上的转子铁芯，所述转子铁芯上固定设置有若干个对称分布的、且位于该转子铁芯外侧面上的所述永磁体，在所述转子的旋转方向上、紧挨每个永磁体的后侧均设置有一个与所述转子铁芯相固定的所述软磁体。

所述永磁体为截面呈圆弧形的瓦片形结构，通过磁钢胶粘结固定在所述转子铁芯上；所述转子铁芯为软铁材质，所述软磁体与所述转子铁芯为一体结构。

在所述转子的旋转方向上、所述软磁体的宽度为所述组合磁极宽度的1/8～1/5。

所述转子铁芯上开设有若干个轴向的通风散热孔。

该凸极式永磁发电机也可以是外转子内定子式结构，所述转子包括转子轴以及固定在该转子轴上的转子机壳，所述转子机壳上固定设置有若干个对称分布的、且位于该转子机壳内侧面上的所述永磁体，在所述转子的旋转方向上、紧挨每个永磁体的后侧均设置有一个与所述转子机壳相固定的所述软磁体。

所述软磁体粘结固定在所述转子机壳上。

所述转子上开设有若干个轴向的通风散热孔。

本发明的优点是：本发明这种凸极式永磁发电机的转子上设置了由磁钢制成的永磁体和由软铁制成的软磁体组合而成的组合式磁极结构，利用了输出绕组的交轴电枢反应磁势，使原本恒定励磁的发电机具有了复励特性，能随着负载的增大而自动增强励磁磁场，从而使发电机具有复励特性，即使不增大永磁体磁化方向长度和加粗线径也能具有良好的电压调整率，电压调整率可达到5～10%左右。而且本发明这种永磁发电机的输出波形明显优于传统的永磁发电机。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明实施例一这种具有复励特性的凸极式永磁发电机的结构示意图，图中弧线箭头表示转子的旋转方向。

图2为本发明实施例二这种具有复励特性的凸极式永磁发电机的结构示意图，图中弧线箭头表示转子的旋转方向。

图3为图2的A-A向剖视图；

其中：1-永磁体，2-软磁体，3-转子轴，4-转子铁芯，5-通风散热孔，6-转子机壳，7-保持架。

具体实施方式

实施例一：

图1出示了本发明这种具有复励特性的凸极式永磁发电机一个具体实施例，它是一款内转子外定子式2极发电机，该发电机包括凸极式转子和嵌有漆包线绕组的隐极式定子（其中定子的结构图中未画出）。其中定子的结构与普通发电机基本相同，但定子尺寸取值则适合于复励特性的要求。

该发电机的转子包括转子轴3以及固定套设在该转子轴3上的转子铁芯4，所述转子铁芯4上固定设置有两个对称分布的、且位于该转子铁芯外侧面上的永磁体1，在所述转子的旋转方向上、紧挨每个永磁体的后侧均设置有一个与所述转子铁芯4相固定的软磁体2。每个永磁体1和紧挨该永磁体的软磁体2构成一个组合磁极，共两个组合磁性。

本实施例中，所述永磁体1为磁钢，其通过磁钢胶粘结固定在所述转子铁芯4上。所述软磁体2为软铁，述转子铁芯4也为软铁材质，而且软磁体2与转子铁芯4为一体结构，在制作时，对转子铁芯4的相应部位作加高处理而形成所述软磁体2。

本实施例这种凸极式永磁发电机采用了由磁钢和软铁组合而成的组合式磁极结构，利用了输出绕组的交轴电枢反应磁势，使原本恒定励磁的发电机具有了复励特性，能随着负载的增大而自动增强励磁磁场，从而使发电机具有复励特性，即使不增大永磁体磁化方向长度和加粗线径也能具有良好的电压调整率，可达到5～10%左右，具体原理如下：

在普通的永磁磁极发电机中，不论是空载还是负载，也不论负载大小，磁钢的励磁磁场大小是恒定的。负载时，直轴电枢反应磁势因与磁钢磁势反向而产生抵消作用，使气隙中的磁通总量减小，即合成气隙磁通比空载时小了，从而绕组中的感应电势减小，输出电压下降；而交轴电枢反应磁势还会使合成气隙磁场产生畸变。而在本实施这种组合磁极发电机中，负载时的直轴电枢反应磁势同样因与磁钢磁势反向而产生抵消作用，但是交轴磁势产生的磁通路径变了，它会使气隙磁通增大。这是因为：由于磁钢的磁阻很大，因而交轴电枢反应磁通不再经由永磁体，而是绝大部分从S极上的软铁（即所述的软磁体2）进入，穿过转子铁芯4后再从N极上的软铁（即所述的软磁体2）流出，从而与磁钢磁通是同向的。也就是说，交轴电枢反应磁通加大了气隙中的磁通总量，等于是励磁磁场加大了，从而输出电压下降幅度也就小了。而且负载越大，软铁下气隙中的交轴电枢反应磁通也越大，气隙中的磁通总量越大，使发电机具有了复励特性。

本实施例这种凸极式永磁发电机的输出波形明显优于普通永磁发电机，其原因在于其励磁磁势的空间分布（每个磁极上的分布）基本上为矩形，接近于普通的电励磁发电机，而普通的永磁发电机则因波形畸变而不再是矩形，而是变成为斜坡形。在普通的永磁发电机中，空载时的气隙磁势就是磁钢磁势，为矩形。负载时，交轴电枢反应磁通穿过永磁体经铁芯、气隙闭合，且前半边极与磁钢磁通反向，后半边极同向。于是，交轴电枢反应磁通与磁钢磁通的合成使磁钢下气隙中的磁通分布发生了改变，由矩形波变成为斜坡波。虽然一个极下的磁通总量不变，但合成气隙磁场发生畸变，而且是负载越大，畸变越严重，从而恶化了发电机的输出波形。而在本实施这种组合磁极发电机中，负载时由于交轴电枢反应磁通不再经由永磁体，而是绝大部分径由相邻极的软铁闭合，从而对磁钢下的气隙磁通分布影响很小，而软铁处的气隙中则是交轴电枢反应磁通，也是一个矩形波，只是其大小随负载而变，负载越大，磁通越大。总之，负载时普通永磁发电机的励磁磁势产生的磁通总量不变（磁钢磁通），且由矩形波畸变为斜坡波，而组合磁极发电机的励磁磁通总量变大（磁钢磁通加上交轴电枢反应磁通），并且是磁钢矩形波旁加一个小的矩形波，因此其输出波形明显优于普通永磁发电机。

当然，上述原理的应用，可以是三相永磁同步发电机，也可以是单相永磁同步发电机；可以是内转子式发电机，也可以是外转子式发电机（可参见实施例二），本实施例为内转子式；可以是两极发电机，也可以是多极发电机（可参见实施例二）。

在本发电机中，除了采用组合磁极的技术来实现复励特性的关键技术外，尚含有如下几点辅助技术来增强复励特性：

1、选取合适的软铁与磁钢的宽度比。软铁宽度占组合磁极宽度的比例合适时，可使满载时的交轴电枢反应磁通在软铁气隙处的磁密与主磁密大致相等，从而改善输出波形。本实施例中，在所述转子的旋转方向上、所述软磁体2的宽度为所述组合磁极宽度的1/8～1/5，功率大的电机取大值。也就是说，所述软磁体2在所述转子旋转方向上的宽度为所述组合磁极在所述转子旋转方向上宽度的1/8～1/5。

2、选取合适的磁钢形状及定子的绕组参数，以力求减小直轴电枢反应磁势、增大交轴电枢反应磁势。本实施例中，所述磁钢为截面呈圆弧形的瓦片形结构，如图1。

3、降低磁钢工作温度的措施。如图1，本实施例在转子铁芯4上开有多个轴向的通风散热孔5，从而可望将磁钢工作温度从通常的80℃左右降低到60℃甚至更低。这样可提高工作时的剩余磁通密度，增大气隙磁通，从而减少绕组匝数，降低固有电压调整率。

4、设计矮而胖的定子槽形，减小定子漏抗，降低固有电压调整率。在单相永磁同步发电机中还可采用空槽技术，以大大加强定子的通风冷却效果，降低了电机的温升。

实施例二：

图2和图3出示了本发明这种具有复励特性的凸极式永磁发电机另一个具体实施例，它是一款内定子外转子式14极发电机，该发电机包括凸极式转子和嵌有漆包线绕组的隐极式定子（其中定子的结构图中未画出）。其中定子的结构与普通发电机基本相同，但定子尺寸取值则适合于复励特性的要求。

该发电机的转子包括转子轴3以及固定在该转子轴上的转子机壳6，所述转子机壳6上固定设置有14个对称分布的、且位于该转子机壳6内侧面上的永磁体1，在所述转子的旋转方向上、紧挨每个永磁体的后侧均设置有一个与所述转子机壳6相固定的软磁体2。每个永磁体1和紧挨该永磁体的软磁体2构成一个组合磁极，共14个组合磁极。

本实施例中，所述永磁体1为磁钢，所述软磁体2为软铁，其中而且永磁体1和软磁体2均通过胶体粘结固定在所述转子机壳6上。在所述转子的旋转方向上、所述软磁体2的宽度为所述组合磁极宽度的1/8～1/5，功率大的电机取大值。所述转子上开设有若干个轴向的通风散热孔5，从而可将磁钢工作温度从通常的80℃左右降低到60℃甚至更低。这样可提高工作时的剩余磁通密度，增大气隙磁通，从而减少绕组匝数，降低固有电压调整率。

本实施例这种具有复励特性的凸极式永磁发电机采用了由磁钢和软铁组合而成的组合式磁极结构，利用了输出绕组的交轴电枢反应磁势，使原本恒定励磁的发电机具有了复励特性，能随着负载的增大而自动增强励磁磁场，从而使发电机具有复励特性，即使不增大永磁体磁化方向长度和加粗线径也能具有良好的电压调整率，其原理与实施例一相同。

当然，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是为了让发电机具有良好的电压调整率，而在发电机转子上设置了若干个由永磁体和软磁体组合而成的组合磁极结构，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种具有复励特性的凸极式永磁发电机，包括转子和定子，其特征在于：所述转子上设有若干个由永磁体（1）和软磁体（2）组合而成的组合磁极。

2.根据权利要求1所述的具有复励特性的凸极式永磁发电机，其特征在于：所述永磁体（1）为磁钢，所述软磁体（2）为软铁。

3.根据权利要求2所述的具有复励特性的凸极式永磁发电机，其特征在于：该凸极式永磁发电机为内转子外定子式结构，所述转子包括转子轴（3）以及固定套设在该转子轴（3）上的转子铁芯（4），所述转子铁芯（4）上固定设置有若干个对称分布的、且位于该转子铁芯外侧面上的所述永磁体（1），在所述转子的旋转方向上、紧挨每个永磁体的后侧均设置有一个与所述转子铁芯（4）相固定的所述软磁体（2）。

4.根据权利要求3所述的具有复励特性的凸极式永磁发电机，其特征在于：所述永磁体（1）为截面呈圆弧形的瓦片形结构，通过磁钢胶粘结固定在所述转子铁芯（4）上；所述转子铁芯（4）为软铁材质，所述软磁体（2）与所述转子铁芯（4）为一体结构。

5.根据权利要求3或4所述的具有复励特性的凸极式永磁发电机，其特征在于：在所述转子的旋转方向上、所述软磁体（2）的宽度为所述组合磁极宽度的1/8～1/5。

6.根据权利要求3或4所述的具有复励特性的凸极式永磁发电机，其特征在于：所述转子铁芯（4）上开设有若干个轴向的通风散热孔（5）。

7.根据权利要求2所述的具有复励特性的凸极式永磁发电机，其特征在于：该凸极式永磁发电机为外转子内定子式结构，所述转子包括转子轴（3）以及固定在该转子轴上的转子机壳（6），所述转子机壳（6）上固定设置有若干个对称分布的、且位于该转子机壳（6）内侧面上的所述永磁体（1），在所述转子的旋转方向上、紧挨每个永磁体的后侧均设置有一个与所述转子机壳（6）相固定的所述软磁体（2）。

8.根据权利要求7所述的具有复励特性的凸极式永磁发电机，其特征在于：所述软磁体（2）粘结固定在所述转子机壳（6）上。

9.根据权利要求7或8所述的具有复励特性的凸极式永磁发电机，其特征在于：在所述转子的旋转方向上、所述软磁体（2）的宽度为所述组合磁极宽度的1/8～1/5。

10.根据权利要求7或8所述的具有复励特性的凸极式永磁发电机，其特征在于：所述转子上开设有若干个轴向的通风散热孔（5）。