[发明专利]一种复合励磁方式的永磁有刷交流同步发电机

说明书

技术领域

本发明是一种采用“稀土永磁+AVR有刷电励磁”的复合励磁方式的永磁有刷交流同步发电机，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，这种采用AVR调压器调节励磁电流的有刷电励磁方式是交流同步发电机的主流励磁方式，其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电励磁有刷交流同步发电机结构原理示意图，图中：标号1为定子铁芯，标号2为定子主绕组，标号6为转子铁芯，标号8为驱动转轴，标号9为励磁绕组，标号11为电刷与集电环，标号13为定子副绕组，标号14为AVR励磁调压器。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1和转子铁芯6上设置铜线或铝线做成的定子主绕组2和励磁绕组9，其中定子主绕组2对外供给电力，转子上的励磁绕组9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6固定于驱动转轴8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13、AVR电压调节器14、引入转子电流的电刷和集电环11等部件，这种全电励磁方式的发电机所需励磁容量较大，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

针对现有行业技术存在的问题，本技术发明的目的在于提供一种采用“稀土永磁+AVR有刷电励磁”的复合励磁方式的交流同步发电机新结构。本发明的基本构思是，采用分布于转子铁芯表面的稀土永磁体形成的永久磁场来提供发电机空载时电磁感应所需要的基本气隙磁场，保证发电机定子绕组感应出额定空载电压。由于永磁体的退磁曲线为直线，因而仅靠该永磁磁场难以维持单机运行的发电机负载端电压在一定范围稳定，本发明利用传统的有刷电励磁方式的特点，在转子铁芯每个磁极后极靴附近设置辅助电励磁极，电励磁极由励磁绕组和磁极铁芯组成，与转子铁芯之间采用燕尾方式铆压连接；发电机负载时维持端电压U_N稳定的强励磁场由定子副绕组、转子磁极后极靴附近的电励磁极上的励磁绕组、电刷和集电环及AVR励磁调压器所组成的辅助电励磁回路流过的励磁电流而产生，AVR励磁调压器根据从定子主相绕组取样的电压大小改变送入转子电励磁极上的励磁绕组中的励磁电流来调节负载时的气隙磁场大小，弥补负载时的气隙永磁磁场的不足并维持发电机端电压U_N在一定范围稳定。这样的技术处理既充分利用了稀土永磁体所具备高磁能积的特点，又克服了全永磁式发电机不能通过调节励磁而稳定电压的缺点，使发电机励磁功率大大减少，有效提高发电机的能量转换效率，降低发电机的发热损耗和温升，同时还可以适当减小发电机的体积，减少材料消耗及单机成本，提高电机转子可靠性和寿命。该新型复合励磁无刷单相发电机可与汽油机或柴油机配套组成内燃机动力发电机组，作为便携电源或备用应急单、三相电源使用，比传统的全电励磁机组整机可靠性高、电能效率高、燃油消耗节省、CO₂排放降低。

为达到上述目的，以下结合图1、图2、图3和图4所示实施案例来阐明本发明涉及的发电机技术方案和特点：