一种无轴承永磁同步发电机制造技术

本实用新型专利技术公开一种无轴承永磁同步发电机，定子铁心同轴套在永磁转子外，定子铁心沿圆周方向均匀设有36个定子槽，每个定子槽中均布置内外两层绕组，外层绕组是每极每相定子槽数为3的2对极发电绕组，内层绕组是1对极悬浮力绕组和2对极励磁绕组；发电绕组沿顺时针方向按A1+、B1‑、C1+、A1‑、B1+、C1‑、A2+、B2‑、C2+、A2‑、B2+、C2‑相排列，悬浮力绕组沿顺时针方向按a+、b‑、c+、a‑、b+、c‑相排列，励磁绕组沿顺时针方向按X1+、Y1‑、Z1+、X1‑、Y1+、Z1‑、X2+、Y2‑、Z2+、X2‑、Y2+、Z2‑相排列，提高了电机在特殊工况下运行的可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及永磁同步发电机和无轴承电机领域，特别涉及在原动机驱动转速变化和外电路负载变化的特殊工况下使用的无轴承永磁同步发电机。
技术介绍
永磁同步发电机具有结构简单、效率高、功率密度大、拓扑结构灵活多样、无需电刷结构、运行可靠等诸多优点，在风力发电机、燃气轮发电机、航空电源、混合动力汽车、飞轮储能系统电动发电一体机等诸多场合的应用日益广泛，这对发电机运行的可靠性提出了更高的要求。由于发电机工作环境复杂多变，容易引发其定子、转子、轴承等部件的一系列电气或机械故障，其中轴承故障率高达40%左右。轴承是实现传动系统高速和超高速运行的瓶颈，因此，提出了无轴承电机，削弱轴承故障的影响，延长发电机的轴承使用寿命，减少了维护成本。目前永磁发电机的电机调节磁场的能力很小，一般永磁电机磁场是通过增加辅助电励磁进行调节，因此出现一些不同结构的混合励磁发电机模型，例如：横向磁通混合励磁结构、双盘式混合励磁结构等等，这些电机大都是永磁磁场和电励磁磁场耦合的混合磁路结构，如：双凸极混合励磁电机、无刷爪极电动机和混合励磁爪极发电机等等，这些结构大部分都是针对转子进行改进，转子由发电用的永磁部分和调压用的电励磁部分组成，将永磁部分和电励磁部分同轴安装，通过调节其励磁电流来改变气隙磁通大小达到稳压目的，但是装配工艺复杂，增加了维修成本，转子负担加重，功率密度降低。无轴承电机的悬浮力是由悬浮力绕组磁场和转矩绕组磁场合成的不平衡磁场产生的麦克斯韦力的合力。虽然无轴承永磁同步发电机结构简单、运行可靠，但发电机运行时会遇到诸如原动机给定转速变化和用电负载变化等一系列问题，这会使得发电绕组中磁场产生变化。由于发电机气隙磁场较难自主调节，导致该无轴承永磁同步发电机的发电绕组和悬浮力绕组合成磁场发生变化。保持恒压对发电机来说是比较困难的，对于稳定性要求较高的场合，必须采用电力电子变换器调压、双转子或双定子调压等方法，这会增加成本，降低动态性能。
技术实现思路
为了克服现有发电机存在的上述问题，本技术提出一种新型高性能无轴承永磁同步发电机，提高特殊工况下发电机的悬浮性能和发电品质。本技术一种无轴承永磁同步发电机采用的技术方案是：包括定子铁心、永磁转子和转轴，定子铁心同轴套在永磁转子外，永磁转子同轴套在转轴外，永磁转子由永磁体和紧固连接件组成，紧固连接件外表面上沿圆周方向均匀表贴有四块径向充磁、极对数为2的永磁体，定子铁心沿圆周方向均匀设有36个定子槽，每个定子槽中均布置内外两层绕组，外层绕组是每极每相定子槽数为3的2对极发电绕组，内层绕组是1对极悬浮力绕组和2对极励磁绕组。进一步地，发电绕组沿顺时针方向按A1+、B1-、C1+、A1-、B1+、C1-、A2+、B2-、C2+、A2-、B2+、C2-相排列，相邻的3个槽为一相的进线端或出线端，悬浮力绕组沿顺时针方向按a+、b-、c+、a-、b+、c-相排列，励磁绕组沿顺时针方向按X1+、Y1-、Z1+、X1-、Y1+、Z1-、X2+、Y2-、Z2+、X2-、Y2+、Z2-相排列。更进一步地，发电绕组的A1+相所在的3个定子槽中，沿顺时针方向的第一个槽中的内层绕组是励磁绕组的X1+相，第二个和第三个槽中的内层绕组是悬浮力绕组的第一个a+相；发电绕组B1-相所在3个定子槽中，沿顺时针方向的第一个槽中的内层绕组是励磁绕组的Y1-相，第二个和第三个槽中的内层绕组是悬浮力绕组的第二个a+相，相邻的第一个a+相和第二个a+相组合成悬浮力绕组的一个完整a+相；内层绕组的其他相按顺时针方向占第一个槽的励磁绕组和占第二、第三两个槽的悬浮力绕组交错排列，相邻两个第二、第三两个槽中的悬浮力绕组。本技术的优点在于：1．本技术的定子铁芯上有内外双层绕组，在定子上添加一套励磁绕组补偿合成磁场，不仅减小机械噪音，提高电机在特殊工况下运行的可靠性，而且具有无摩擦、无接触、无需润滑和维护费用低等优点。2、本技术由于转子永磁体的极对数和悬浮力绕组的极对数不同，当没有转子偏心时，永磁体在悬浮力绕组中不产生感应电流，悬浮力绕组电流也不会产生转矩，即无轴承永磁同步发电机的悬浮力控制与发电控制是自然解耦的。3．本技术的励磁绕组充分利用了内层的定子绕组结构并采用与永磁体相同的极对数，当原动机给定转速发生变化或是发电机外电路负载发生变化时，发电绕组中的感应电流变化会导致合成磁场变化，此时在励磁绕组中通以相应电流来补偿合成磁场的变化，能够使得无轴承永磁同步发电机继续稳定悬浮运行。附图说明图1为本技术一种无轴承永磁同步发电机的轴向剖面示意图；图2为图1去掉机壳后的径向剖面放大图以及绕组布置示意图；图3为图2中各个绕组水平展开后的接线示意图；图4为图3中各个绕组与负载电路和驱动功率电路的连接示意图；图5为本技术工作时悬浮力及电机磁场空间分布结构示意图；图6为本技术工作时补偿绕组合成磁场加强示意图；图7为本技术工作时补偿绕组合成磁场减弱示意图。图中：1-机壳，2-定子铁心，3-发电绕组，4-悬浮力绕组，5-励磁绕组，6-径向充磁的表贴式永磁体，7-径向位移传感器，8-基准环，9-左端盖，10-右端盖，11-备用轴承，12-调心轴承，13-转轴，14-光电码盘，15-连接永磁体和转轴的紧固连接件。具体实施方式参见图1，本技术包括机壳1、定子铁心2、永磁转子和转轴13，最外部是机壳1，机壳1的轴向左端固定左端盖9、轴向右端固定右端盖10。机壳1的中心处安装转轴13，转轴13与机壳1同轴连接，转轴13的右端伸出右端盖10外且连接光电码盘14。在机壳1内部有定子铁心2和永磁转子，定子铁心2固定连接机壳1内壁，永磁转子同轴套在转轴13外，定子铁心2同轴套在永磁转子外，属外定子内转子结构。定子铁心2和永磁转子之间具有径向气隙。永磁转子由永磁体6和紧固连接件15组成，永磁体6径向充磁，表贴在紧固连接件15上。紧固连接件15将永磁体6和转轴13固定连接成一个整体。紧固连接件15的左端通过调心轴承12支撑在左端盖9上，紧固连接件15的右端通过备用轴承11支撑在右端盖10上，在发电机不工作时，备用轴承11起支撑作用。定子铁心2和永磁转子安装在转轴13的轴向中部位置，在机壳1内的定子铁心2左端空间有4个径向位移传感器7，径向位移传感器7安装在基准环8上，基准环8同轴固定套在转轴13上。定子铁芯2上有内外两层绕组，外层绕组为发电绕组3，内层绕组为悬浮力绕组4和励磁绕组5，悬浮力绕组4用以产生径向悬浮力，励磁绕组5用以补偿磁场。参见图2，在紧固连接件15外表面上表贴了四块径向充磁的永磁体6，四块永磁体6沿圆周方向均匀布置，形成极数为2的结构。在定子铁心2沿圆周方向均匀设有36个定子槽，每个定子槽中都布置有内外两层绕组，绕组采用分布式内外两层布置方式。外层绕组是每极每相定子槽数为3的分布式发电绕组3，发电绕组3沿顺时针方向按A1+、B1-、C1+、A1-、B1+、C1-、A2+、B2-、C2+、A2-、B2+、C2-相排列，相邻的3个槽为一相的进线端或出线端，这样的排列使得发电绕组3为2对极，和永磁转子中的永磁体6的极对数一样，可感应发电。内层绕组是悬浮力绕组4和励磁绕组5，悬浮力绕组4沿顺时针方向按a+、b-、c+、a-、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无轴承永磁同步发电机，包括定子铁心、永磁转子和转轴，定子铁心同轴套在永磁转子外，永磁转子同轴套在转轴外，永磁转子由永磁体和紧固连接件组成，其特征是：紧固连接件外表面上沿圆周方向均匀表贴有四块径向充磁、极对数为2的永磁体，定子铁心沿圆周方向均匀设有36个定子槽，每个定子槽中均布置内外两层绕组，外层绕组是每极每相定子槽数为3的2对极发电绕组，内层绕组是1对极悬浮力绕组和2对极励磁绕组。

【技术特征摘要】
1.一种无轴承永磁同步发电机，包括定子铁心、永磁转子和转轴，定子铁心同轴套在永磁转子外，永磁转子同轴套在转轴外，永磁转子由永磁体和紧固连接件组成，其特征是：紧固连接件外表面上沿圆周方向均匀表贴有四块径向充磁、极对数为2的永磁体，定子铁心沿圆周方向均匀设有36个定子槽，每个定子槽中均布置内外两层绕组，外层绕组是每极每相定子槽数为3的2对极发电绕组，内层绕组是1对极悬浮力绕组和2对极励磁绕组。2.根据权利要求1所述一种无轴承永磁同步发电机，其特征是：发电绕组沿顺时针方向按A1+、B1-、C1+、A1-、B1+、C1-、A2+、B2-、C2+、A2-、B2+、C2-相排列，相邻的3个槽为一相的进线端或出线端，悬浮力绕组沿顺时针方向按a+、b-、c+、a-、b+、c-相排列，励磁绕组沿顺时针方向按X1+、Y1-、Z1+、X1-、Y1+、Z1-、X2+、Y2-、Z2+、X2-、Y2+、Z2-相排列。3.根据权利要求2所述一种无轴承永磁同步发电机，其特征是：发电绕组的A1+相所在的3个定子槽中，沿顺时针方向的第一个槽中的内层绕组是励磁绕组的X1+相，第二个和第三个槽中的内层绕组是悬浮力绕组的第一个a+相；发电绕组B1-相所在3个定子槽中，沿顺时针方向的第一个槽中的内层绕组是励磁绕组的Y1-相，第二个和第三个槽中的内层绕组是悬浮力绕组的第二个a+相，相邻的第一个a+相和第二个a+相组合成悬浮力绕组的...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡亚民，朱熀秋，李慧，郝正杰，陈颖，郁叶，刘浩，蒋莉，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：新型
国别省市：江苏;32