[发明专利]一种新型结构的复合励磁无刷单相同步发电机

说明书

技术领域

本发明是一种具有高功率密度和复励稳压特性的、新型结构的复合励磁无刷单相同步发电机，与汽油机或柴油机配套组成发电机组，可作为便携电源及备用应急电源使用。

背景技术

目前，汽油发电机行业主流机型是以铜线和铝线为主的有刷电励磁类型发电机，功率范围涵盖1kW～20kW；另外，对于功率为1～5kW的小型单相同步发电机组，还有一种采用转子励磁绕组感应定子负载电流建立的负序磁场而进行整流电励磁的无刷电励磁方式。

采用AVR调节励磁电流的有刷电励磁单相或三相交流发电机是汽油发电机组的主流励磁方式，这种发电机的最大优势就是其磁场可以通过调节转子励磁电流来实现自动调整，从而使单机运行的发电机可以在空载到额定负载的全范围保持输出电压的稳定。图5是现有技术普遍采用的传统有刷电励磁交流同步发电机结构原理示意图，图中：标号4为定子主绕组，标号5为定子铁芯，标号21为电刷与集电环，标号22为定子副绕组，标号23为AVR励磁调压器，标号24为励磁绕组，标号25为转子铁芯，标号26为驱动转轴。此种类型发电机核心部件是定子和转子各一套，其定子铁芯5和转子铁芯25上设置铜线或铝线做成的定子主绕组4和励磁绕组24，其中定子主绕组4对外供给电力，转子上的励磁绕组24用来建立电机气隙磁场，使电机产生电磁感应，定、转子铁芯属于导磁部件，电励磁产生的两异极性磁极磁场通过转子铁芯磁轭部分构成闭合磁路，转子铁芯25固定于驱动转轴26上。同时，为调节磁场，发电机组还必须配置相应的定子副绕组22、AVR电压调节器23、引入转子电流的电刷和集电环21等部件。

图6是一种普遍采用的常规无刷全电励磁类型单相发电机结构原理示意图，图中：标号4为定子主绕组，标号5为定子铁芯，标号11为二极管，标号22为定子副绕组，标号24为励磁绕组，标号25为转子铁芯，标号26为驱动转轴，标号27为电容器。在定子铁芯5和转子铁芯25上设置铜线或铝线做成的定子单相主绕组4、副绕组22和励磁绕组24，其中定子主绕组4对外供给电力，转子励磁绕组24用来建立电机气隙磁场，使电机产生电磁感应，定、转子铁芯属于导磁部件，转子铁芯固定与驱动转轴26上。电机空载时，转子剩磁在副绕组中逐步产生感应电势，副绕组22与串接的电容27构成单相电流回路，该单相电流将在气隙中分别产生旋转方向相反的正、负序磁场，而负序磁场将在转子励磁绕组24中感应两倍频率的交变电势，通过串接于转子励磁绕组两端的二极管11构成半波整流回路，在转子励磁回路流过直流电流，从而产生维持空载电压U_N稳定的空载气隙磁场。电机负载时，定子主绕组同样流过单相负载电流，与空载时同样的原理及电磁感应过程，将在转子励磁绕组中流过与定子负载电流成正比的负载励磁电流，从而在电机气隙中产生一个补充加强了的负载磁场来维持发电机端电压U_N在一定范围稳定；其中，二极管11半波整流回路的接线方向决定于电机磁场N、S极方向和电流方向。

以上两种全电励磁方式的发电机励磁容量较大，转子电励磁回路的损耗比例占电机全部损耗的55％～65％，因此发电机的能量效率难以提高，而且该类型发电机转子用铜量也占电机全部用铜量的55％～65％，故其成本也较高，铜、铝等有色金属的资源消耗也大。我国是世界上稀土永磁材料最丰富的国家，但同时也是铜、铝等有色金属资源贫乏的国家；因此，大力发展稀土材料的应用对我国有现实的意义。随着控制技术的进步，稀土永磁电机在电动机行业驱动领域已经得到广泛应用，稀土永磁材料做成的电动机产品，其单位体积材料传送的功率密度大，电机效率高而能耗小，显示出其稀土电机巨大的优越性；但稀土永磁材料用到发电机领域却一直受到电压稳定技术的瓶颈制约，由于永磁材料制成的发电机磁场无法调节，从而导致发电机端电压控制很困难，电机带负载后电压下降很厉害，进而影响永磁发电机组的发电质量，限制了永磁材料在此类发电机上的应用范围。而且，按传统电机惯例简单地采用稀土材料代替电励磁发电机转子绕组，也并不能充分而彻底地利用稀土材料传送高能量密度的优点。因此，拓展稀土材料在独立运行的移动电源领域的应用范围就必须得解决以下技术难题：一、为充分利用稀土材料的优势，必须研究设计能传送高功率密度的永磁发电机新型结构；二、研究克服永磁电机无法调节磁场而稳定发电机电压的技术途径和有效方法。

发明内容