CN103326484A - 一种变压器式交流发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变压器式交流发电机，包括绕轴旋转的转子磁体组件和环设在转子磁体组件外的定子磁体组件，定子磁体组件包括至少两个定子磁体，所有定子磁体均匀地环设在转子磁体组件外，转子磁体组件包括至少两个同轴设置的由永磁体制成的转子磁体，转子磁体的N极与S极位置均与定子磁体的磁极位置对应形成闭合磁回路，定子磁体上缠绕有输出绕组。当转子磁体旋转时根据电磁感应定律产生感应电势。本发明的变压器式交流发电机结构简单、体积小、成本低、重量轻、降低空负载损耗、提高单位重量的输出功率，且可以直接发出满足输电线路所需要的高电压，散热良好、绝缘性有保证，而且结构标准模块化，方便生产、运输、安装、检修和维护。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电机，特别是涉及一种变压器式交流发电机。
背景技术
1832年法国科学家A·H·皮克希发明了世界上第一台交流发电机。180余年来发电的基本原理和发电机的基本结构没有实质性的变革，其发电原理为：导体切割磁力线而产生感应电动势。这样的发电机结构的缺点是：发电绕组必须置于紧围转子磁体的狭小的定子槽内，槽外两端部相互叠置，散热困难，而且由于相互叠置，绝缘性不能保证。传统的交流发电机只能发出数十仟伏的电势，为了提高散热效率，增大输出功率，大型汽轮发电机往往不得不采用复杂的氢冷或水冷技术；为了满足输电线路所需要的数百、上千千伏的高压，又必须在其输出端串接升压变压器，因此增加了设备投资，占地面积和空、负载损耗，降低了可靠性，其输出电势波形为含有高次槽谐波，近似正弦而非精确的正弦波形。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术中的不足而完成的，本发明的目的是提供一种结构简单、体积小、成本低、重量轻、降低空负载损耗、提高单位重量输出功率，且可以直接发出满足输电线路所需要的高电压，散热良好、绝缘性有保证，而且结构标准模块化，方便生产、运输、安装、检修和维护的变压器式交流发电机。
本发明的一种变压器式交流发电机，包括绕轴旋转的转子磁体组件和环设在所述转子磁体组件外的定子磁体组件，所述定子磁体组件包括至少两个定子磁体，所有所述定子磁体均匀地环设在所述转子磁体组件外，所述转子磁体组件包括至少两个同轴设置的转子磁体，所述转子磁体为永磁体，所述转子磁体的N极与S极位置均与所述定子磁体的磁极位置对应形成闭合磁回路，所述定子磁体外部缠绕有输出绕组。
本发明的一种变压器式交流发电机还可以是：
所述各定子磁体为D型磁体，所述定子磁体为由硅钢带卷制成的矩形框，所述矩形框一侧开设有开口，所述转子磁体组件外部位于所述开口内，所述转子磁体由上至下沿所述转子磁体组件延伸，所述定子磁体开口处的磁极与所述转子磁体相对应。
所述定子磁体为C型磁体，所述定子磁体为由硅钢带卷制而成，所述转子磁体分别延伸设置于所述转子磁体组件的顶部和底部，所述定子磁体上下磁极分别与转子磁体的N极和S极对应。
所述定子磁体组件包括至少三个定子磁体，所述定子磁体的数目为三的整数倍。
所述相邻定子磁体之间均设置有补偿磁体。
所述定子磁体组件包括至少四个定子磁体，所述定子磁体的数目为四的整数倍。
所述转子磁体组件包括由绝缘材料制成的转体和延伸设置在所述转体内的转子磁体。
所述定子磁体的磁极横截面为扇形环状。
所述转子磁体横截面为扇形环状或弧形状，所述转子磁体的横截面积等于或小于所述定子磁体的磁极横截面积。
本发明的一种变压器式交流发电机，其包括绕轴旋转的转子磁体组件和环设在所述转子磁体组件外的定子磁体组件，所述定子磁体组件包括至少两个定子磁体，所有所述定子磁体均匀地环设在所述转子磁体组件外，所述转子磁体组件包括至少两个同轴设置的转子磁体，所述转子磁体为永磁体，所述转子磁体的N极与S极位置均与所述定子磁体的磁极位置对应形成闭合磁回路，所述定子磁体外部缠绕有输出绕组。这样，转子磁体组件绕自身轴线旋转，带动内部永磁体即转子磁体一同旋转，转子磁体的N极和S极交替与定子磁体的磁化作用，产生交变磁通量，根据电磁感应定律在输出绕组中产生交流电势，而且可以直接发出输电线路所需要的高电压，甚至可以省去外设的变压器。由于输出绕组是缠绕在定子磁体外部，缠绕空间相对于现有的在定子磁体内部的定子槽的容纳空间而言增大了至少一倍，因此散热更好，而且绝缘性有保证。同时，由于减少了升压变压器组合等，重量和空负载可减少50%以上，而且相应地减少了设备投资，体积更小，而且根据转子磁体横截面的几何形状，可以发出精准的正弦、方波、三角波等波形。而且由于定子磁体组件可以积木化，便于生产、运输、安装、检修和维护更加方便。
附图说明
图1本发明一种变压器式交流发电机中单相交流发电机示意图。
图2本发明一种变压器式交流发电机另一单相交流发电机示意图。
图3本发明图1所述定子磁体与转子磁体截面图。
图4本发明图3示出的变压器发电机输出电动势e与磁通量Φ波形图。
图5本发明图1所述的定子磁体与转子磁体组件另一实施例截面图。
图6本发明图5示出的变压器发电机输出电动势e与磁通量Φ波形图。
图7本发明图1所述的定子磁体与转子磁体组件再一实施例截面图。
图8本发明图7示出的变压器发电机输出电动势e与磁通量Φ波形图。
图9本发明一种变压器式交流发电机中三相交流发电机截面图。
图10本发明一种变压器式交流发电机中四相交流发电机截面图。
图11本发明一种变压器式交流发电机中另一三相交流发电机截面图。
图12本发明图9所示的一种变压器式交流发电机输出电势波形图。
图13本发明图10所示的一种变压器式交流发电机输出电势波形图。
图号说明
1…转子磁体组件 2…定子磁体 3…转子磁体
4…输出绕组 5…开口 6…补偿磁体
7…转体
具体实施方式
下面结合附图的图1至图13对本发明的一种变压器式交流发电机作进一步详细说明。
本发明的一种变压器式交流发电机，请参考图1至图13，包括绕轴旋转的转子磁体组件1和环设在所述转子磁体组件1外的定子磁体组件，所述定子磁体组件包括至少两个定子磁体2，所有所述定子磁体2均匀地环设在所述转子磁体组件1外，所述转子磁体组件1包括至少两个同轴设置的转子磁体3，所述转子磁体3为永磁体，所述转子磁体3的N极与S极位置均与所述定子磁体2的磁极位置对应形成闭合磁回路，所述定子磁体2外部缠绕有输出绕组4。这样，转子磁体组件1绕自身轴线旋转，带动内部转子磁体3一同旋转，转子磁体3的N极和S极交替与定子磁体2磁化作用，产生交变磁通量，根据电磁感应定律，在输出绕组中产生交流电势。由于绕组4是缠绕在定子磁体2外部的，相比现有技术中狭窄的定子槽而言，绕组4所处空间更大，因此散热更好，而且绝缘性有保证，可以直接发出输电线路所需的高电压，甚至可省去外设的变压器，重量和空负载损耗减少50%以上，而且相应地减少了设备投资，体积更小，而且根据转子磁体3的横截面的形状，可以发出精准的正弦、方波、三角波等波形。而且定子磁体2可以积木化，便于生产、运输、安装、检修和维护更加方便。另外，定子磁体2均匀地环设在所述转子磁体组件1外，即定子磁体2等间隔环设在转子磁体组件1外，也即是各相邻的定子磁体2之间的夹角相同。
本发明的一种变压器式交流发电机，请参考图1至图13，在前面技术方案的基础上具体可以是所述各定子磁体2为D型磁体，所述定子磁体2为由硅钢带卷制成的矩形框，所述矩形框一侧开设有开口5，所述转子磁体组件1外部位于所述开口5内，所述转子磁体3由上至下沿所述转子磁体组件1延伸，所述定子磁体2开口5处的磁极与所述转子磁体3相对应形成封闭磁回路。如图1所示，当转子旋转时，转子磁体组件1的转子磁体3的N极和S极交替与定子磁体2产生交变的磁化作用，而产生交变磁通量，产生交流电势，上述形式为同轴同径交流发电。当然还可以是所述定子磁体组件包括至少两个定子磁体2，所述定子磁体2为C型磁体，所述定子磁体2为由硅钢带卷制而成，如图2所示，所述转子磁体3分别延伸设置于所述转子磁体组件1的顶部和底部，所述定子磁体2上下磁极分别与转子磁体3的N极和S极对应。这样，在旋转的过程中位于定子磁体2顶部和底部的转子磁体3旋转时与其相对应的定子磁体2磁化产生交变磁通，根据电磁感应定律，进而在绕组4产生交流感应电势，其为同轴异径发电机。当着这两种具体的结构的交流发电机可以是单相交流发电机、三相交流发电机、四相交流发电机和多相交流发电机。参考图9，更进一步具体的技术方案为所述定子磁体组件包括至少三个定子磁体2，所述定子磁体2的数目为三的整数倍，此为变压器式交流三相异步电动机。更进一步具体的技术方案为所述相邻定子磁体2之间均设置有补偿磁体6。设置补偿磁体6的优点是减小转子磁体组件1的漏磁，改善输出电势波形。另外，参考图10，所述定子磁体组件包括对称设置的至少四个定子磁体2，所述定子磁体2的数目为四的整数倍。定子磁体组件还是对称设置的四个定子磁体2形成，对称设置的四个定子磁体2的优点是相邻的定子磁体2之间的夹角为90°，定子磁体2两两相对，相邻极互为补偿极，最大限度地提高了发电机的效率，增多了一相，减少一根输电线，使得电动机运行更为平稳，可为船舰、航空和坦克等独立供电系统首选。而且如果该两个相对的定子磁体外部绕组反串可以形成两相交流发电机，而不串接则为准四相交流发电机。还可以是定子磁体2的数目为六个。以上的变压器式单相交流发电机、变压器式三相交流发电机、变压器式两相交流发电机以及变压器式准四相交流发电机的发电原理和磁极横截面的几何形状均是相同的。
本发明的一种变压器式交流发电机，请参考图1至图13，在前面所述的技术方案的基础上，还可以是所述转子磁体组件1包括由磁缘材料制成的转体7和延伸设置在所述转体7内的转子磁体3。这样设置的优点是转体和转子磁体整体组成圆柱体，其旋转过程中阻力最小，而且转体将转子磁体的位置固定，得以实现转子磁体运行平稳、阻矩小。请参考图3，图5，和图7，进一步优选的技术方案为所述定子磁体2的磁极横截面为扇形环状。请参考图3，图5，和图7，还可以是所述转子磁体3横截面为扇形环状或弧形状，所述转子磁体3的横截面积等于或小于所述定子磁体2的磁极横截面积。而扇形环状和弧形形状对应的是产生不同的输出电势波形。输出的电势波形不同可以应用于不同的用电装置中。根据电磁感应定律可推导出，不同的输出电势波形相应的转子磁体横截面的几何形状的数学表达式。
发电机和电动机是可逆的，当输出绕组加以相应的交流电压时则可作为电动机应用。
上述仅对本发明中的几种具体实施例加以说明，但并不能作为本发明的全部保护范围，凡是依据本发明中的设计精神所作出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，均应认为落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种变压器式交流发电机，其特征在于：包括绕轴旋转的转子磁体组件和环设在所述转子磁体组件外的定子磁体组件，所述定子磁体组件包括至少两个定子磁体，所有所述定子磁体均匀地环设在所述转子磁体组件外，所述转子磁体组件包括至少两个同轴设置的转子磁体，所述转子磁体为永磁体，所述转子磁体的N极与S极位置均与所述定子磁体的磁极位置对应形成闭合磁回路，所述定子磁体外部缠绕有输出绕组。
2.根据权利要求1所述的一种变压器式交流发电机，其特征在于：所述各定子磁体为D型磁体，所述定子磁体为由硅钢带卷制成的矩形框，所述矩形框一侧开设有开口，所述转子磁体组件外部位于所述开口内，所述转子磁体由上至下沿所述转子磁体组件延伸，所述定子磁体开口处的磁极与所述转子磁体相对应。
3.根据权利要求1所述的一种变压器式交流发电机，其特征在于：所述定子磁体为C型磁体，所述定子磁体为由硅钢带卷制而成，所述转子磁体分别延伸设置于所述转子磁体组件的顶部和底部，所述定子磁体上下磁极分别与转子磁体的N极和S极对应。
4.根据权利要求2或3所述的一种变压器式交流发电机，其特征在于：所述定子磁体组件包括至少三个定子磁体，所述定子磁体的数目为三的整数倍。
5.根据权利要求4所述的一种变压器式交流发电机，其特征在于：所述相邻定子磁体之间均设置有补偿磁体。
6.根据权利要求2或3任意一权利要求所述的一种变压器式交流发电机，其特征在于：所述定子磁体组件包括对称设置的至少四个定子磁体，所述定子磁体的数目为四的整数倍。
7.根据权利要求2或3任意一权利要求所述的一种变压器式交流发电机，其特征在于：所述转子磁体组件包括由绝缘材料制成的转体和延伸设置在所述转体内的转子磁体。
8.根据权利要求7所述的一种变压器式交流发电机，其特征在于：所述定子磁体的磁极横截面为扇形环状。
9.根据权利要求7所述的一种变压器式交流发电机，其特征在于：所述转子磁体横截面为扇形环状或弧形状，所述转子磁体的横截面积等于或小于所述定子磁体的磁极横截面积。
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