專利名稱：一種串電容運行的單相永磁同步發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種永磁同步發(fā)電機，特別是一種串電容運行的單相永磁同步發(fā)電 機。
背景技術(shù)：
車用電源、野外作業(yè)用移動電源以及緊急備用電源多以小型單相同步發(fā)電機為 主，目前的發(fā)展趨勢是容量不斷增大。相對于傳統(tǒng)的電勵磁同步電機，永磁同步電機具有無 需轉(zhuǎn)子勵磁、效率高以及體積小等優(yōu)點，因此單相永磁同步發(fā)電機得到越來越多的應用。但 是單相同步發(fā)電機帶有負載時，單相電樞繞組流過的交流電流不像三相電機那樣產(chǎn)生圓形 磁場，而是在電機內(nèi)產(chǎn)生脈振磁動勢，脈振磁動勢可以分解為兩個幅值相同并以同步轉(zhuǎn)速 正、反方向旋轉(zhuǎn)的正序磁動勢和負序磁動勢，而其中的負序磁場導致發(fā)電機帶負載時輸出 的電壓正弦波形畸變，影響發(fā)電機輸出電能的質(zhì)量；更嚴重的是當單相發(fā)電機輸出容量增 大時，電樞脈振磁場和發(fā)電機轉(zhuǎn)子永磁磁場共同作用產(chǎn)生的脈動力矩使電機產(chǎn)生的振動和 噪聲更加劇烈，甚至威脅到發(fā)電機的安全運行。為了解決負序磁場引起的輸出電壓畸變以及機械振動與噪聲問題，針對電勵磁單 相同步發(fā)電機目前常采取的技術(shù)措施如下1.采用合理的定子斜槽、定子正弦繞組或120度相帶雙層短距繞組。2.適當?shù)姆糯髿庀?，以增大氣隙磁阻，減小負序磁場，同時減小槽口與氣隙的比值。3.改變轉(zhuǎn)子繞組參數(shù)，采用強阻尼繞組，主要形式有全籠阻尼繞組、半籠阻尼繞組 以及1/4籠阻尼繞組。前兩種方法能很好抑制和消除齒諧波和高次諧波對電壓波形的影響，但對于負序 磁場的削弱作用不大，單相電流產(chǎn)生的依然是脈振磁場；第三種方法在轉(zhuǎn)子上采用強阻尼 繞組可最大程度削弱負序磁場的影響。在綜合采用抑制負序磁場的技術(shù)措施基礎(chǔ)上，國內(nèi) 已經(jīng)成功研制出2000KW大功率單相電勵磁同步發(fā)電機。但是這三種技術(shù)措施是以增大材 料用量為代價。福州大學的林珍和蘭州電機有限責任公司的李文富提出了利用負序磁場在轉(zhuǎn)子 繞組上感應的電流為單相發(fā)電機提供勵磁的方案，發(fā)電機定子有互差90度的兩套繞組，其 中一套繞組通過外接電容短路，另一套繞組作為功率繞組向外輸出電能。同時在轉(zhuǎn)子上也 有兩套互相垂直的繞組，負序磁場在轉(zhuǎn)子繞組中感應的2倍基頻的電壓經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流后為發(fā) 電機轉(zhuǎn)子提供勵磁。前三種技術(shù)方案以及定轉(zhuǎn)子分別為兩套繞組的方案對于電勵磁單相同步發(fā)電機 比較實用，但對于單相永磁發(fā)電機尤其是轉(zhuǎn)子為表面磁鋼結(jié)構(gòu)的單相永磁同步發(fā)電機很難 實現(xiàn)，因為在結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子沒有安裝阻尼繞組的位置。因此目前表面磁鋼結(jié)構(gòu)的單相永磁同 步發(fā)電機輸出功率能達到10個千瓦左右，輸出功率繼續(xù)增大后機械振動及其噪聲嚴重影 響了發(fā)電機的正常工作。
發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種串電容運行的單相永磁同步發(fā)電機，其 主要結(jié)構(gòu)件包括由端蓋、機殼、轉(zhuǎn)軸、永磁轉(zhuǎn)子鐵心、永磁磁鋼、定子鐵心和電樞繞組構(gòu)成的 永磁同步發(fā)電機和外接的串聯(lián)運行電容，其特征在于-永磁發(fā)電機定子中放置兩相在空間上相差90度電角度的正交電樞繞組；-兩相互相正交的電樞繞組具有相同的繞組分布形式和參數(shù)，可采用單層分布式 繞組、雙層分布繞組或正弦分布繞組；-永磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子采用表面磁鋼結(jié)構(gòu)或內(nèi)置式磁鋼結(jié)構(gòu)。所述發(fā)電機中電動勢滯后的一相繞組和外接的運行電容串聯(lián)，然后和電動勢超前 一相繞組并聯(lián)共同作為單相發(fā)電機的輸出。本發(fā)明的一種串電容運行的單相永磁同步發(fā)電機在同一定子鐵心內(nèi)放置相差90 度電角度的兩相電樞繞組。定子鐵心由硅鋼片疊壓而成，定子極/槽配合采用傳統(tǒng)的兩相 交流電機分布繞組或雙層短距分布的極/槽比，也可以采用正弦繞組設(shè)計，以降低電樞繞 組電動勢中的諧波含量。兩相繞組具有相同的分布形式和參數(shù)，將兩相繞組的尾端接在一 起作為發(fā)電機單相輸出的一端，在電動勢滯后的一相繞組中串連接入電力電容后，和電動 勢超前相繞組的一端并聯(lián)作為發(fā)電機單相輸出的另一端。為了降低發(fā)電機的電壓調(diào)整率，本發(fā)明的串電容運行的單相永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子 為傳統(tǒng)的表面磁鋼結(jié)構(gòu)，對于容量較小的發(fā)電機也可以采用內(nèi)永磁磁鋼結(jié)構(gòu)，永磁轉(zhuǎn)子通 過選擇合適的極弧系數(shù)或磁極形狀優(yōu)化設(shè)計進一步減小電樞繞組電動勢中的諧波含量。本發(fā)明的串電容運行的單相永磁同步發(fā)電機的工作原理如下當單相發(fā)電機帶負 載時，通過調(diào)整其中一相繞組中串連接入電容的大小，兩相繞組電流的幅值完全相等或接 近相等，兩相繞組的電流相位差為90度或接近90度，電機內(nèi)部兩相電樞電流合成的磁動勢 為圓形或橢圓形磁動勢，減小了發(fā)電機電壓輸出的波形畸變以及由負序磁場產(chǎn)生的振動和 噪聲，并且總的輸出功率比其中一相的輸出功率高。對于發(fā)電機所帶負載為純電阻性負載即單位功率因數(shù)的情況，根據(jù)發(fā)電機一相繞 組參數(shù)以及負載電阻大小，通過選擇串連接入其中一相繞組中電容的大小可以使兩相電流 幅值完全相等，并且兩相電流的相位差為90度，此時兩相繞組電流在電機內(nèi)合成的是圓 形磁動勢，沒有負序磁場，是最理想的運行狀態(tài)，此時總輸出功率是其中一相輸出功率的 141. 4%。當發(fā)電機所帶的負載功率因數(shù)小于1時，根據(jù)發(fā)電機一相繞組參數(shù)、負載及功率 因數(shù)大小，選擇串連接入其中一相繞組中電容的大小，雖然不能使兩相電流幅值完全相等 和兩相電流相位差為90度兩個條件同時滿足，但通過折中選擇電容，使兩相電流合成的磁 動勢中的負序磁動勢盡可能的小，合成磁動勢為橢圓形磁動勢，以達到減小負序磁場對發(fā) 電機影響的目的。本發(fā)明的串電容運行的單相永磁同步發(fā)電機與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下特點1)通過在其中一相電樞繞組中串聯(lián)電容，使單相永磁同步發(fā)電機電樞合成磁場為 圓形或橢圓形磁場，削弱了負序磁場對輸出電壓波形畸變的影響，更重要的是從本質(zhì)上抑 制了負序磁場在發(fā)電機運行中引起的振動和噪聲。
2)永磁發(fā)電機兩相繞組的設(shè)計可以利用所有的定子槽，并且其中一相繞組通過串 電容后和另一相繞組并聯(lián)共同向外輸出功率，提高了發(fā)電機的輸出功率，并且由于減小了 運行中的振動和噪聲，發(fā)電機的容量可以設(shè)計的比較大。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細說明圖1是單相永磁同步發(fā)電機軸向剖面示意圖；圖2是單相永磁同步發(fā)電機永磁轉(zhuǎn)子截面示意圖；圖3是單相永磁同步發(fā)電機單層分布繞組A相繞組分布圖；圖4是單相永磁同步發(fā)電機單層分布繞組B相繞組分布圖；圖5是單相永磁同步發(fā)電機運行原理示意圖；圖6是串電容運行的單相永磁同步發(fā)電機帶電阻負載時A、B兩相電流波形圖；圖7是串電容運行的單相永磁同步發(fā)電機帶功率因數(shù)為0. 8的感性負載時A、B兩 相電流波形圖；圖8是單相永磁同步發(fā)電機雙層短距分布繞組A相繞組分布圖；圖9是單相永磁同步發(fā)電機分數(shù)槽繞組A相繞組分布圖；圖10是單相永磁同步發(fā)電機分數(shù)槽繞組B相繞組分布圖。附圖標記Gl-轉(zhuǎn)軸，G2-軸承，G3-端蓋，G4-永磁電機轉(zhuǎn)子鐵心，G5-電樞繞組，G6-永磁 磁鋼，G7-非導磁不銹鋼螺釘，G8-定子鐵心，G9-機殼，GlO-O型密封墊圈，Gll-風扇罩， G12-風扇，Z1-發(fā)電機單相負載阻抗，AX-A相繞組，BY-B相繞組，良-電動勢超前相(A相) 繞組電動勢相量，烏-電動勢滯后相(B相)繞組電動勢相量，Ra-A相繞組電阻，Rb-B相繞 組電阻，Xa-A相繞組電抗，Xb-B相繞組電抗，Cl-外接運行的串聯(lián)電容，1到36為單相永磁 發(fā)電機定子槽標號。
具體實施例方式本發(fā)明的幾個優(yōu)先實施例子結(jié)合
如下實施例一由圖1可知，本發(fā)明的串電容運行的單相永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子采用表面磁鋼結(jié) 構(gòu)，永磁磁鋼G6采用不銹鋼螺釘G7固定在轉(zhuǎn)子鐵心G4上，轉(zhuǎn)子鐵心G4為二十號鋼加工而 成；轉(zhuǎn)子鐵心G4安裝在轉(zhuǎn)軸Gl上，轉(zhuǎn)軸Gl通過兩端的兩個軸承G2支持在端蓋G3上，端蓋 G3固定在機殼G9的兩端，并由0型密封墊圈GlO密封；風扇G12固定在轉(zhuǎn)軸Gl非機械輸 入端的端頭上，對發(fā)電機進行風冷，風扇罩Gll套在機殼G9的非機械輸入端，作為風扇G12 的安全防護罩。如圖2所示，本實施例中發(fā)電機極數(shù)為4極，N、S磁極交替布置，極弧系數(shù)為0. 75。定子鐵心G8的齒槽數(shù)在本實施例中為M槽，定子鐵心G8放置在機殼G9內(nèi)，定子 鐵心G8中嵌放互差90度電角度的A、B兩相電樞繞組G5，A、B兩相單層分布繞組分布圖分 別如圖3和圖4所示，每極每相槽數(shù)為3，繞組節(jié)距數(shù)為6 ( —個極距)，即第一個線圈的首 邊放在定子鐵心G8的1號槽內(nèi)，尾邊放在7號槽內(nèi)，其余類推。槽號為(1、2、3，13、14、15)的定子槽中放置A相繞組每個線圈的首邊，(7、8、9，，19、20、21)號定子槽放置A相繞組對 應每個線圈的尾邊；槽號為0、5、6，16、17、18)的定子槽中放置B相繞組每個線圈的首邊， (10U1U2, 22,23,24)號定子槽中放置B相繞組每個對應線圈的尾邊。每三個線圈串聯(lián)構(gòu) 成一個線圈組，每一相的2個線圈組相串聯(lián)構(gòu)成一相電樞繞組。如圖5所示，A、B兩相繞組的尾端X和Y接在一起作為單相發(fā)電機輸出的一端，在 時間上滯后一相(這里是B相)繞組的首端串聯(lián)電容Cl后和在時間上超前相(這里是A 相)繞組的首端并聯(lián)，作為單相發(fā)電機輸出的另一端。根據(jù)A、B兩相電樞繞組的參數(shù)以及負載電阻的大小，選擇合適的串聯(lián)電容Cl (這 里串聯(lián)電容Cl選取220微法)，可以在發(fā)電機所帶純電阻性負載情況下兩相電樞繞組的電 流幅值相等且相位差為90度，圖6是單相永磁發(fā)電機帶15kW電阻性負載時的兩相電流波 形，其中實線為A相電流波形，虛線是B相電流波形，此時兩相電樞電流合成的基波磁場是 理想的圓形磁場。當發(fā)電機帶功率因數(shù)為0. 8感性(滯后性)的負載時，即使在滯后相繞組(這里 是B相)中串聯(lián)電容，A、B兩相電樞電流的幅值不再相等，同時相位差也不再是90度，但根 據(jù)A、B兩相電樞繞組以及負載阻抗\參數(shù)的大小，通過選擇合適的電容Cl大小(這里串 聯(lián)電容Cl依然選取220微法)，使兩相電流幅值盡可能相等，同時兩相電流相位差盡可能接 近90度。圖7是單相永磁發(fā)電機帶功率因數(shù)為0. 8滯后性的15kW負載時兩相電樞繞組的 電流波形，其中實線為A相電流波形，虛線是B相電流波形。此時雖然兩相電樞電流不能合 成理想的圓形磁場，但是可以合成盡量接近圓形的橢圓形磁場，也比單相繞組電流產(chǎn)生的 脈振磁動勢要好的多，削弱了負序磁場的影響。實施例二本實施例中發(fā)電機整體結(jié)構(gòu)同實施例1，但4極M槽的A、B兩相電樞繞組采用雙 層短距分布繞組，進一步削弱諧波磁場對感應電動勢的影響。如圖1所示，定子鐵心G8中 放置互差90度電角度的A、B兩相電樞繞組G5。其中A相雙層短距分布繞組的分布示意圖 如圖8所示，每極每相槽數(shù)為3，繞組節(jié)距數(shù)為5，即第一個線圈的首邊放在定子鐵心G8的 1號槽內(nèi)，尾邊放在6號槽內(nèi)，其余類推。槽號為(1、2、3，7、8、9，13、14、15，19、20、21)的定 子槽中放置A相繞組每個線圈的首邊(上層邊)，(6、7、8，12、13、14，18、19、20，24、1、2)號 定子槽中放置A相繞組對應每個線圈的尾邊(下層邊)；槽號為0、5、6，10、11、12，16、17、 18，22、23、24)的定子槽中放置B相繞組每個線圈的首邊(上層邊)，(9、10、11，15、16、17， 21、22、23，3、4、5)號定子槽中放置B相繞組每個線圈的尾邊(下層邊)。每三個線圈串聯(lián) 構(gòu)成一個線圈組，每一相的4個線圈組相串聯(lián)構(gòu)成一相電樞繞組。本實施例中的A、B兩相電樞繞組的連接方式以及B相繞組中串聯(lián)電容的選擇和連 接方法同實施例1。實施例三本實施例中發(fā)電機整體結(jié)構(gòu)同實施例1，但4極36槽的兩相電樞繞組采用分數(shù)槽 繞組，進一步削弱齒槽諧波磁場對電樞繞組中感應電動勢的影響。如圖1所示，定子鐵心G8 中放置互差90度電角度的A、B兩相電樞繞組G5。其中A相分數(shù)槽繞組的分布示意圖如圖 9所示，每極每相槽數(shù)為4+，例如在一個極下有連續(xù)4個槽屬于A相繞組，則在相鄰極下有 5個槽屬于A相繞組。繞組節(jié)距數(shù)為7，即第一個線圈的首邊放在定子鐵心G8的1號槽內(nèi)，
6尾邊放在 8 號槽內(nèi)，其余類推。槽號為(1、2、3、4，10、11、12、13、14，19、20、21、22，28、29、30、 31,32)的定子槽中放置A相繞組每個線圈的首邊(上層邊)，(8、9、10、11，17、18、19、29、 21，26、27、28、29，35、36、1、2、3)號定子槽中放置A相繞組對應每個線圈的尾邊(下層邊)。 每四個或五個相鄰線圈串聯(lián)構(gòu)成一個線圈組，上述4個線圈組相串聯(lián)構(gòu)成A相電樞繞組。B相分數(shù)槽繞組的分布示意圖如圖10所示，槽號為(5、6、7、8、9，15、16、17、18，23、 24、25、26、27，33、；34、35、36)的定子槽中放置B相繞組每個線圈的首邊(上層邊)，(12、13、 14、15、16，22、23、24、25，30、31、32、33、34，4、5、6、7)號定子槽中放置B相繞組對應每個線 圈的尾邊(下層邊)。每四個或五個相鄰線圈串聯(lián)構(gòu)成一個線圈組，上述4個線圈組相串聯(lián) 構(gòu)成B相電樞繞組。本實施例中的A、B兩相電樞繞組的連接方式以及B相繞組中串聯(lián)電容的選擇和連 接方法同實施例1。
權(quán)利要求
1.一種串電容運行的單相永磁同步發(fā)電機，其主要結(jié)構(gòu)件包括由端蓋(G3)、機殼 (G9)、轉(zhuǎn)軸(Gl)、永磁轉(zhuǎn)子鐵心(G4)、永磁磁鋼(G6)、定子鐵心(G8)和電樞繞組(G5)構(gòu)成 的永磁同步發(fā)電機和外接的串聯(lián)運行電容，其特征在于-永磁發(fā)電機定子(G8)中放置兩相在空間上相差90度電角度的正交電樞繞組(G5)； -兩相互相正交的電樞繞組(GO具有相同的繞組分布形式和參數(shù)，可采用單層分布式 繞組、雙層分布繞組或正弦分布繞組；-永磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子采用表面磁鋼結(jié)構(gòu)或內(nèi)置式磁鋼結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機，其特征在于，所述發(fā)電機中電動勢滯后的一相繞組和 外接的運行電容串聯(lián)，然后和電動勢超前一相繞組并聯(lián)共同作為單相發(fā)電機的輸出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種串電容運行的單相永磁同步發(fā)電機。它由兩相永磁同步發(fā)電機以及外接運行電容(C1)組成，永磁發(fā)電機采用表面磁鋼或內(nèi)嵌式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，定子鐵心中放置相差90度空間電角度的兩相電樞繞組，它們有相同的分布形式，采用單層分布繞組、雙層繞組或正弦分布繞組。在電動勢滯后的一相繞組中串聯(lián)合適的電容(C1)，然后和另一相繞組并聯(lián)向外輸出單相電壓，使兩相繞組電流的幅值近似相等，相位差接近90度，電樞電流合成磁場為圓形或橢圓形，減小單相電樞電流產(chǎn)生的脈振磁動場對發(fā)電機輸出電壓波形畸變以及對振動和噪聲的影響。發(fā)電機充分利用定子所有槽，輸出功率可比同體積傳統(tǒng)單相發(fā)電機最大提高40％以上，減小了發(fā)電機的體積。
文檔編號H02K11/00GK102064648SQ20101055783
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月22日
發(fā)明者劉明基, 古琳盛, 尹柳, 廖姍姍, 朱晨宸, 林雪華 申請人:華北電力大學