专利名称：改进型永磁同步发电机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种永磁同步发电机，尤指一种带有复合电枢绕组的、体积小、供电质量好的永磁同步发电机。
背景技术：
对于传统的发电机，发电机内的励磁磁场是由励磁绕组和辅助励磁绕组通以电流产生的，因此在励磁过程中要消耗一定的能量，这些能量的消耗降低了发电机的效率。当这些能量转化为热量时，又提高了发电机的温升。另外，由于发电机的励磁绕组通常设置在转子上，为给旋转的励磁绕组供电，一般通过电刷和滑环系统来实现，又由于电刷的使用寿命比发电机的寿命要短的多，这就使发电机的运行可靠性大大降低。而且，电刷和滑环在发电机运行中随着转子的旋转产生很大的相对运动，在通电的情况下，会产生电火花，对周围环境产生电磁干扰。
随着高性能稀土永磁材料-----钕铁硼的问世和制造技术的不断完善，永磁材料在电机中的应用已成为国际上研究的热点。研制出了永磁同步发电机，利用钕铁硼等高性能永磁材料取代常规发电机中的电励磁系统。利用永磁材料的剩余磁感应强度来建立发电机的励磁磁场，无需消耗任何能量，从而使发电机的效率提高，温升降低，同时也省去了传统发电机中的励磁绕组、电刷和滑环，使发电机的结构更简单，体积减小，可靠性增加，对周围环境的电磁污染降低。
尽管永磁发电机相对电励磁发电机而言有上述诸多优点，但是其本身又有难以克服的缺点1、由于永磁材料所产生的发电机励磁磁场不能调节，使得发电机输出电压难以控制。2、由于永磁材料和加工工艺的分散性，而且钕铁硼的温度系数较大，导致发电机输出电压分散，偏离额定值。使永磁发电机的应用受到很大的限制，特别是在对供电质量要求较高的领域难以推广应用。
发明内容
为了解决上述问题，本实用新型的目的是提供了一种供电质量好、输出电压稳定、效率高、节能效果显著、结构简单的改进型永磁同步发电机。
为实现上述目的，本实用新型采取以下设计方案一种改进型永磁同步发电机，它由发电机和自动调压系统构成；所述发电机主要由定子、转子、电枢绕组、永磁体、机壳组成；所述电枢绕组为复合电枢绕组，它由主绕组和一组或数组调压绕组构成；所述主绕组与传统发电机的电枢绕组相同，可以是单相或多相绕组；所述调压绕组的相数与主绕组相数相同；所述自动调压系统实时监测所述主绕组的端电压，根据主绕组的端电压控制所述调压绕组与所述主绕组的串联方式和串联个数。
所述复合电枢绕组位于转子上为复合转子电枢绕组。
所述复合电枢绕组位于定子上为复合定子电枢绕组。
所述自动调压系统主要由电压取样电路、电压比较电路、功率驱动电路、电压电流取样电路、电压电流保护电路和继电器组或大功率开关器件组等构成；电压取样电路的信号输入端与发电机复合电枢绕组的主绕组两端相连，其信号输出端与电压比较电路的一端相连；电压比较电路的信号输出端通过功率驱动电路与继电器组或大功率开关器件组相连，继电器组或大功率开关器件组的输出触点与调压绕组相连；电压电流取样电路的信号输入端与发电机额定电压输出端相连，其信号输出端通过电压电流保护电路、功率驱动电路与继电器组或大功率开关器件组相连。
由于本实用新型采用以上技术方案，即在发电机的转子或定子电枢绕组上串联一组或多组调压绕组，使转子或定子上的电枢绕组变为复合电枢绕组；然后，通过自动调压系统根据主绕组端电压，控制与主绕组正向/反向串联的调压绕组个数，从而使发电机输出电压保持在允许的输出电压范围内，发电机输出电压更稳定、供电品质更好，而且结构更简单。本实用新型与传统的电励磁发电机相比，更具有以下优点1、电机效率高，节能效果显著。由于本实用新型采用永磁磁体产生磁场，在励磁过程中无需消耗任何能量，而传统的发电机电励磁线圈和励磁辅助线圈中的电阻将能量转化为热能，在励磁过程中消耗大量的能量，因此，本实用新型节能效果显著、电机效率高。2、电机温升低，过载能力强，适合在恶劣环境下工作。3、输出电压稳定、波形畸形率低、供电质量好。4、本实用新型采用自动调压系统控制、调节发电机输出电压，故发电机动态稳定性好。5、由于本实用新型采用永磁体产生励磁磁场，无需电刷、集电环等结构，故结构简单、运行可靠性高、使用寿命长。6、本实用新型基本消除了齿谐波，噪声小，电磁干扰极小。本实用新型通过磁场分析和优化设计，将发电机中齿谐波的影响降低到可忽略不计的程度，其输出电压中的齿谐波基本为零，其他各高次谐波分量也远小于常规电励磁发电机，使电机的电磁噪声大幅下降，对通讯设备和电子仪器的干扰变得非常微小。
图1为本实用新型复合电枢绕组及自动调压系统原理框图图2、图3、图4为本实用新型复合电枢绕组及自动调压系统具体电路图
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
如图1所示，本实用新型改进型永磁同步发电机由发电机1和自动调压系统2两部分组成，发电机可通过机械传动装置与柴油机或汽油机等相连构成发电机组。发电机1与传统永磁同步发电机的区别在于它的转子或定子电枢绕组为复合电枢绕组。如图1所示，复合转子电枢绕组或复合定子电枢绕组是由一组主绕组和若干组调压绕组构成。主绕组与传统发电机的电枢绕组相同，可以是单相或多相绕组。调压绕组的相数与主绕组相数相同，且其相绕组轴线的空间位置与主绕组的相绕组轴线的空间位置基本相同。
调压绕组可以是一组也可以是多组，不同的调压绕组的匝数和分布可以相同也可以不同，但是，调压绕组的数目、匝数和分布要根据调压和电压输出波形的要求而定，原则是通过部分或全部调压绕组与主绕组的串联即感应电势的矢量迭加，使发电机在不同负载情况下，输出电压变化范围均保持在允许范围内，并适当考虑调压绕组的分布，使其与主绕组的合成电压波形即发电机输出电压波形畸变率符合设计要求。
为了控制与主绕组串联的调压绕组的个数，本实用新型还设计了自动调压系统2。如图1所示，自动调压系统2主要由电压取样电路、电压比较电路、功率驱动电路、电压电流取样电路、电压电流保护电路和继电器组或大功率开关器件组等构成。电压取样电路的信号输入端与发电机复合电枢绕组主绕组两端相连，其信号输出端与电压比较电路的一端相连；电压比较电路的信号输出端通过功率驱动电路与继电器组或大功率开关器件组相连；继电器组或大功率开关器件组的输出触点与调压绕组相连，控制调压绕组与主绕组串联方式及串联个数。同时，电压电流取样电路的信号输入端又与发电机额定电压输出端相连，其信号输出端通过电压电流保护电路、功率驱动电路与继电器组或大功率开关器件组相连，当发生电机过流、过压情况，使电机停止工作。
由于现有的永磁发电机的永磁磁场的大小是不可调节的，当发电机负载或温度变化时，它的输出电压也随之变化，这一变化通常超出了用户所允许的电压变化范围。本实用新型通过复合电枢绕组和与其配套的自动调压系统，在不加装可调节的电励磁系统的情况下，使发电机输出电压保持在一个很小的范围内变化。本实用新型的工作原理是当发电机在空载和负载运行时，其励磁磁场在复合电枢绕组的主绕组和调压绕组内产生感应电势，自动调压系统中的电压取样电路不断地对复合电枢绕组的主绕组的端电压进行取样，并与预先设定的允许电压最大值和最小值进行比较。如果大于允许电压的最大值，功率驱动电路将触发继电器组或大功率开关器件组动作，将一组或多组调压绕组与主绕组反向串联，使发电机的输出电压即主绕组和调压绕组的合成电压保持在允许范围之内；如果主绕组的端电压小于允许电压的最小值，功率驱动电路将触发继电器组或大功率开关器件组动作，将一组或多组调压绕组与主绕组正向串联，使发电机的输出电压保持在允许范围之内。
图2、图3、图4为本实用新型自动调压系统具体电路图。如图所示，电压取样电路(变压器TF1、D26～27、R7～R9、R36、R47等)的信号输入端与复合电枢绕组的主绕组两端IN1、IN2相连；其信号输出端V与电压比较电路(比较器U1A～U1D)的一端相连，电压比较电路的信号输出端通过功率驱动电路(U4A、U4B)与继电器线圈相连，继电器组的RLY1、RLY2、RLY3、RLY4的触点与调压绕组V10、V20相连。正常情况下，继电器组的触点不动作，调压绕组与主绕组不串联，复合电枢绕组只有主绕组工作；当主绕组端电压大于允许电压的最大值时，功率驱动电路将触发继电器组动作，继电器组的RLY1或RLY2或RLY1和RLY2的触点动作，将一组或两组调压绕组与主绕组反向串联，使发电机的输出电压即主绕组和调压绕组的合成电压保持在允许范围之内；当主绕组的端电压小于允许电压的最小值时，功率驱动电路将触发继电器组动作，继电器组的RLY1或RLY2或RLY1和RLY2与RLY3和RLY4的触点共同动作，将一组或两组调压绕组与主绕组正向串联，从而使发电机的输出电压保持在允许范围之内，使永磁发电机的输出电压稳定、供电质量好。同时，本实用新型电压电流保护电路(变压器TF3、整流桥D29、比较器U3A、U3B等)还对发电机的额定输出电压、电流进行实时检测，当出现过压、过流情况时，电压电流保护电路通过功率驱动电路(U4C)使继电器组动作，继电器RLY5的常闭触点动作，使发电机停止工作。
本实用新型也可用于电励磁发电机中，调节其输出电压，使发电机输出电压更稳定，供电质量更好。
本实用新型在结构设计方面，采用IP23防护等级，其外形尺寸比同功率的传统发电机小很多，这样不仅节省了空间，而且减小了整机的重量。另外，本实用新型采用高性能的稀土永磁体，不需要励磁绕组和直流励磁电源，也就取消了容易出现问题的集电环和电刷装置，成为无刷电机，因此，发电机效率高、耗能低，结构简单、体积小、运行更可靠。
以上是对本实用新型较佳实施例的叙述，是为阐明本实用新型的实用新型目的，而无意限定本实用新型的保护范围，任何基于以上技术方案或实施例的修改或等效变化均属于本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种改进型永磁同步发电机，其特征在于它由发电机和自动调压系统构成；所述发电机主要由定子、转子、电枢绕组、永磁体、机壳组成；所述电枢绕组为复合电枢绕组，它由主绕组和一组或数组调压绕组构成；所述主绕组与传统发电机的电枢绕组相同，可以是单相或多相绕组；所述调压绕组的相数与主绕组相数相同；所述自动调压系统实时监测所述主绕组的端电压，根据主绕组的端电压控制所述调压绕组与所述主绕组的串联方式和串联个数。
2.根据权利要求1所述的改进型永磁同步发电机，其特征在于所述复合电枢绕组位于转子上为复合转子电枢绕组。
3.根据权利要求1所述的改进型永磁同步发电机，其特征在于所述复合电枢绕组位于定子上为复合定子电枢绕组。
4.根据权利要求2或3所述的改进型永磁同步发电机，其特征在于所述自动调压系统主要由电压取样电路、电压比较电路、功率驱动电路、电压电流取样电路、电压电流保护电路和继电器组或大功率开关器件组等构成；电压取样电路的信号输入端与发电机复合电枢绕组的主绕组两端相连，其信号输出端与电压比较电路的一端相连；电压比较电路的信号输出端通过功率驱动电路与继电器组或大功率开关器件组相连，继电器组或大功率开关器件组的输出触点与调压绕组相连；电压电流取样电路的信号输入端与发电机额定电压输出端相连，其信号输出端通过电压电流保护电路、功率驱动电路与继电器组或大功率开关器件组相连。
专利摘要本实用新型公开了一种改进型永磁同步发电机，它由发电机和自动调压系统构成；所述发电机主要由定子、转子、电枢绕组、永磁体、机壳组成。所述定子电枢绕组或转子电枢绕组为复合电枢绕组，它由主绕组和一组或数组调压绕组构成；所述主绕组与传统发电机的电枢绕组相同，可以是单相或多相绕组；调压绕组的相数与主绕组相数相同。所述自动调压系统实时监测所述主绕组的端电压，根据主绕组的端电压控制调压绕组与主绕组的串联方式和串联个数。本实用新型输出电压稳定、供电质量好、电机效率高、节能效果显著、结构简单。
文档编号H02K11/00GK2550956SQ02237978
公开日2003年5月14日 申请日期2002年6月20日 优先权日2002年6月20日
发明者夏东 申请人:夏东