CN101030720A - 永磁无刷直流发电机 - Google Patents

Abstract

一种永磁无刷直流发电机，属永磁同步发电机。该发电机包括永磁同步发电机和整流滤波器两部分，永磁同步发电机由定子(1)与转子组成，转子分为两段，一段为位置相对固定的发电机主转子(2)，另一段为调节转子(3)，它相对主转子(2)可以径向调整位置，位置调整合适后与主转子(2)之间通过螺钉(5)固定连接，主转子(2)与调节转子(3)和转轴(4)一同旋转。整流滤波器(6)为零式整流结构，整流二极管共阳极连接，阳极公共点为输出直流电压的低电位点。本发明的发电机制成后输出电压易于调整，不需额外的电压调节装置，整流器件电流应力小、损耗小，散热器结构简单，是一种高可靠性、高效率的永磁无刷直流发电机，在应急电源、低压大电流等场合具有突出的应用优势。

Description

永磁无刷直流发电机

一、技术领域

本发明涉及一种永磁同步发电机。

二、技术背景

永磁同步电机以永磁体励磁，消除了电励磁同步电机的励磁损耗，并省去了机械接触装置，实现了无刷结构，具有结构简单、运行可靠和功率密度大、效率高的显著优点。同时，永磁电机制成后，气隙磁场调节困难，这成为其应用于发电系统主电源的固有缺点。国内外学者围绕永磁同步发电机的电压调节提出了一些行之有效的方法，如串联电容调压、附加直流磁化绕组调压、电力电子变换器调压、双转子或双定子调压等。还有学者提出混合励磁电机结构形式，这种电机是在永磁电机的基础上增加电励磁部分，电励磁绕组通电后建立的磁场用以对主气隙磁场进行调节，从而实现调压目的。

尽管永磁同步发电机电压调节困难，但在一些特殊应用场合，如应急电源系统中，我们正好可以利用其制成后输出电压变化范围小、固有电压调整率较低、外特性硬的特性。尤其是直流电源系统中，负荷功率因数高，电机电枢反应去磁作用不强，因此，如果发电机结构参数设计合理、准确，输出电压范围符合要求，则发电机输出经过不控整流后可以直接作为直流用电负荷的供电电源，不需额外增加具有调压功能的功率装置，简化系统结构，提高系统工作可靠性。

但是，发电机电磁计算精度有限，且制造工艺复杂，正由于电机设计及制造过程中存在诸多不确定性，所以永磁发电机制作完成后，一旦其输出电压精度不满足系统指标要求，则难以调整，从而不能直接应用于应急电源等场合。

众所周知，提高发电机转速可以减小电机的体积重量。另外，为使永磁无刷直流发电机外特性较硬，可以增大电机极对数以减小其电枢反应磁势。但是，随电机转速及极对数的增加，发电机感应电势频率成倍增大，会引起电机定转子内铁损增加。为此，可以采用6相相移30°双Y整流，电路结构如附图1所示，这样能有效降低电枢磁势5、7等高次谐波含量，从而减小转子表面涡流损耗及输出直流电压脉动量。但是，该整流电路拓扑中整流二极管数目为12个，其稳态电流应力为负载电流一半，故整流部分功率损耗较大，尤其在低压大电流场合，必须附加散热器以保证二极管正常可靠工作。

三、发明内容

为了克服永磁同步发电机制成后输出电压调整困难以及输出整流器件损耗较大的不足，提供一种结构简单、输出电压调整方便、整流效率高的永磁无刷直流发电机。

本发明的永磁无刷直流发电机实现方案如下：整个电机包括永磁同步发电机和输出整流滤波器两大部分。永磁同步发电机定子由铁心及绕组组成。转子由永磁体及转子极靴构成，与传统永磁同步电机不同的是，它为两段式结构，一段为发电机主转子，另一段为调节转子，两段转子共用同一转轴。主转子极靴上开设有径向均步的螺纹孔，调节转子开设有位置对应、数目相同的通孔。主转子位置相对固定，调节转子相对主转子可以径向旋转以调整位置，两段转子的永磁体充磁方式及极对数相同。设两段转子每极极靴上螺纹孔及通孔的数目均为n(n为大于等于2的整数)，转子极对数为p(p为大于等于1的整数)，则调节转子相对主转子可以旋转的机械角度可以为360°×k/2p(n+1)，其中k＝1，2，3，…，n+1。发电机制作完成后，如果输出电压不满足技术指标要求，可以旋转调节转子，由于两段转子间相对位置变化，两段转子对应的气隙磁场方向不再完全相同，而且两段转子的极靴相互错开一定角度后，使得各段转子的磁钢都在另一段转子极靴内产生轴向磁通路径，这样可以有效地调整气隙磁场达到调整输出电压的目的。位置调整合适后，两段转子之间由螺钉固定连接。电压调整即气隙磁场调整的范围由两段转子轴向长度比决定，电压调整的精度由转子极靴上开设的螺纹孔及通孔数目决定。

永磁同步发电机输出的交流电经过整流滤波后成为直流电。与6相相移30°双Y整流电路不同的是，本发明永磁无刷直流发电机采用12相相移30°绕组，设计为集中整距绕组以使其相电势波形为顶宽大于或等于120°的方波。整流部分为12相零式整流结构，12个整流二极管共阳极连接，阳极公共点电位为零，为输出电压的低电位端(负极)。12个整流二极管的阴极分别与12相电枢绕组串联，12相电枢绕组的另一端连接于一公共点，为输出电源的高电位端(正极)。输出电压的正负极之间并接一滤波电容。由于相绕组电势波形顶宽不小于120°，12相绕组相移为30°，故采用12相零式整流电路，稳态工作时同一时刻有不少于120°/30°＝4个整流二极管导通，整流二极管电流应力为1/4负载电流，相比6相相移30°双Y整流电路中的二极管电流应力降低了一半。

以上方案特别适用于转子切向磁化结构，同样可以应用于转子径向磁化结构。

综上可见，本发明的永磁无刷直流发电机具有以下突出优点：

①由于发电机采用两段式转子结构，故电机制成后即使输出电压不满足要求，也可以通过调整两段转子的相对位置来调整发电机输出电压，不需要重新设计、制造电机，缩短发电机研制周期，在应急电源系统等应用场合下，不需要额外的电压调节装置就能满足电压指标要求，大大简化系统结构；

②采用12相零式整流电路，只要将绕组相电势波形设计为顶宽不小于120°的方波，则与6相相移30°双Y整流电路相比，整流二极管数目不变，电流应力却减小一半，这样可以选择较低额定电流参数的整流二极管，而且二极管功率损耗降低，提高发电机的整机效率，特别适用于低压大电流场合。

③由于12相零式整流电路中整流二极管采用共阳极连接，阳极公共点电位为零，故整流二极管的散热器设计大为简化，甚至可以不用单独的散热器，直接利用机壳散热。

④改变发电机两段转子的轴向长度比及螺纹孔和通孔数目即可改变发电机输出电压调整范围和精度，易于满足不同应用场合的电压指标要求，设计灵活。

附图说明

图1是现有技术的6相相移30°双Y整流电路结构拓扑；

图2是本发明的永磁无刷直流发电机结构组成示意图；

图3是永磁无刷直流发电机实施例的结构示意图；

图4是图3中A-A剖面图；

图5是图3中B-B剖面图；

图6是12相零式整流滤波电路结构图。

上述图中标号名称：1、发电机定子；2、主转子；3、调节转子；4、转轴；5、连接螺钉；6、整流滤波器；7、发电机定子铁心；8、电枢绕组；9、主转子极靴；10、主转子磁钢；11、调节转子极靴；12、调节转子磁钢；13、电机壳体；14、前端盖；15、后端盖；16、整流器壳体；17、输出接线端子；18、轴承；19、主转子极靴上的内螺纹孔；20、调节转子极靴上的通孔。

具体实施方式

图3、图4、图5和图6给出了2对极切向磁化结构的永磁无刷直流发电机实施例。如图3所示，发电机定子由导磁的定子铁心7和电枢绕组8构成，电枢绕组为12相30°相带。发电机转子分为两段，主转子段由其转子极靴9与切向磁化的磁钢10构成，调节转子段由其转子极靴11与切向磁化的磁钢12构成。主转子位置相对固定，其每极极靴9上开设有5个径向位置均步的内螺纹孔19，调节转子可以径向旋转，其每极极靴11上开设有5个径向位置均步的通孔20，内螺纹孔19和通孔20一一对应，两段转子之间由穿过通孔20而拧入内螺纹孔19的螺钉5固定连接。两段转子固定连接后再刚性连接于发电机转轴4上，转轴4与发电机的前端盖14和后端盖15之间分别密封有转动轴承18，发电机定子及转子均安装在电机壳体13内。电枢绕组8引入固定于整流部分壳体16上的整流滤波器6，经整流滤波后通过发电机输出接线端子17输出直流电。

图4和图5给出了调节转子相对主转子径向旋转30°机械角状态下的主转子A-A面剖视图和调节转子B-B面剖视图。由图4和图5可见，本实施例中，两段转子的每极极靴上有4个螺钉连接。本实施例，调节转子相对主转子还可以旋转15°、45°、60°、75°、90°机械角。不同旋转机械角下，发电机输出电压值不同。当调节转子相对于主转子旋转角度为零，即调节转子与主转子间极靴和磁钢正好对应，则电枢绕组感应电势最大，经整流滤波后发电机输出电压最高。当调节转子相对于主转子旋转角度为90°机械角，即调节转子与主转子极靴极性恰好相反，则电枢绕组感应电势最小，发电机输出电压最低。发电机制作完成后，根据需要调整调节转子与主转子之间的相对位置。同样，本实施例中转子极靴上的螺纹孔和通孔数目可以改变，增加数目可以增大输出电压调整精度。

图6为12相零式整流滤波电路结构型式。D1～D12为整流二极管，12个整流二极管的阳极连接在一起，为输出电压Udc的地，整流二极管的阴极分别与12相绕组A1、A2、B1、B2、C1、C2、  -A1、-A2、-B1、-B2、-C1、-C2串联，12相绕组的另一端连接在一起为输出电压Udc的高电位。滤波电容C1跨接于输出电压Udc两端。

Claims (4)

1.一种永磁无刷直流发电机，包括永磁同步发电机和整流滤波器两部分，永磁同步发电机包括由定子铁心(7)和电枢绕组(8)所组成的定子(1)、转子、前端盖(14)、后端盖(15)以及通过轴承(18)联接于前后两个端盖(14、15)上的转轴(4)、壳体(13)，其特征在于，其转子分为共用同一转轴(4)的主转子(2)和调节转子(3)两段，其中主转子(2)由主转子磁钢(10)安装在主转子极靴(9)上所组成，安装在转轴(4)上的位置相对固定；调节转子(3)由调节转子磁钢(12)安装在调节转子极靴(11)上所组成，相对于主转子(2)其径向位置可调，并通过螺钉(5)与主转子(2)固定连接；所述整流滤波器(6)为零式整流结构，置于整流器壳体(16)内，整流二极管共阳极连接，阳极公共点为输出电压的低电位端，整流二极管的阴极分别与电枢绕组串联，电枢绕组的另一端连接于一公共点，为输出电源的高电位端。

2.根据权利要求1所述的永磁无刷直流发电机，其特征是电枢绕组为12相30°相带集中绕组。

3.根据权利要求1或2所述的永磁无刷直流发电机，其特征是主转子(2)极靴上开设有径向均匀分布的螺纹孔，调节转子(3)开设有位置对应、数目相同的通孔，转子每极极靴上螺纹孔及通孔的数目均为n，n为大于等于2的整数，转子极对数为p，p为大于等于1的整数，则调节转子(3)相对主转子可以旋转的机械角度可以为360°×k/2p(n+1)，其中k＝1，2，3，…，n+1，旋转机械角度选定后，将螺钉(5)穿过通孔拧入螺纹孔。

4.根据权利要求1或2或3所述的永磁无刷直流发电机，转子可以是切向磁化结构，也可以是径向磁化结构。

Images