一种50kW-100kW永磁体自动调速恒压发电机

摘要

本发明属于发电机领域，尤其是涉及高频率的永磁体自动调速恒压发电机。一种50kW-100kW永磁体自动调速恒压发电机，采用永磁发电机分别给U、V和W逆变系统供电；其中，所述永磁发电机的定子冲片的槽内缠绕有同相位三路三相四线绕组线圈，形成第一永磁发电机、第二永磁发电机和第三永磁发电机。采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：1、采用18极永磁多极的发电机，结构简单、体积小、效率高、运行可靠；2、因永磁发电机不同于励磁发电机，其磁强度不能变化，因此当转速上升时，相应的发电机电压和频率都会上升，本发明采用了由电源开关组成的全桥半控稳压电路，保证了供给逆变的直流电压稳定。

说明书

技术领域

本发明属于发电机领域，尤其是涉及高频率的永磁体自动调速恒压发电 机。

背景技术

发电机(英文名称：Generators)是将其他形式的能源转换成电能的机 械设备，它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流，气流， 燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转 换为电能。例如柴油机驱动发电机运转，将柴油的能量转化为电能。汽油机 驱动发电机运转，将汽油的能量转化为电能。柴油机一般指柴油发动机。用 发动机带动发电机来发电。发电机的形式很多，但其工作原理都基于电磁感 应定律和电磁力定律。因此，其构造的一般原则是：用适当的导磁和导电材 料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的 目的。

目前内燃机(包括汽油机、柴油机)发电机大多数采用工频设计结构，此 发电机体积大、重量重，耗材多，由于发电机一般为单对极励磁，发出的是与 旋转频率相同的交流电，频率维持在国内50Hz或国外60Hz范围，这样的交流 电频率低；其原因主要是发电机的转速，必须符合国内外一致公认的公式： 转速n＝(120×频率f)÷极数p，因此发电机为一对磁极时，额定转速在3000 转/分钟；两对磁极时，额定转速1500转/分；三对磁极时，额定转速需1000 转/分；四对磁极时，要750转/分；

故此看这类发电机，其对内燃机的要求较高：

(1)发动机恒转速：即一对磁极3000转/分钟，两对磁极时额定转速1500 转/分……；

(2)发动机功率大：此类发电机只能用发动机固定转速点的功率，然而 发动机功率是随着转速上升而增加的。以两对极时额定转速1500转/分为例， 如果实际发电机输出功率30kw时，30kw×1.5＝45kw即发动机转速1100转/分 就可以满足发电机输出要求，如果转速能降下来，即减少能耗又降低噪音和减 少机械磨损，但是发电机频率：f＝n×P÷120＝1100×4÷120＝36.6(Hz)，不符 合工频发电要求；

(3)发动机稳速率≤10％：如果发动机稳速率大的话，发电机频率变化 就会加大，n＝1500转/分p＝4极

1500±1500×5/100＝1425～1575转/分

最低：f＝n×P÷120＝1425×4÷120＝47.5(Hz)

最高：f＝n×P÷120＝1575×4÷120＝52.5(Hz)

即使这样也只能满足普通要求的交流电使用，对于精密设备是不可以用 的；但已形成了工频发电机的生产厂家都遵循这一规律，无法改变。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明提供一种交流电压变化小频率恒定的高频率发电机。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

一种50kW-100kW永磁体自动调速恒压发电机，其中，采用永磁发电机 分别给U、V和W逆变系统供电；

其中，所述永磁发电机的定子冲片的槽内缠绕有同相位三路三相四线绕 组线圈，形成第一永磁发电机、第二永磁发电机和第三永磁发电机；

给U逆变系统供电的电路如下：

第一永磁发电机输出第一路三相四线交流电，所述交流电经过第一直流 稳压电路后成为稳压直流电，再进入第一三相组合逆变电路将稳压直流电逆 变成带有高频谐波正弦波交流电后输出，输出的高频谐波正弦波交流电再经 过第一正弦波交流滤波电路进行滤波后将正弦波交流电输出给U逆变系统；

给V逆变系统供电的电路如下：

第二永磁发电机输出第二路三相四线交流电，所述交流电经过第二直流 稳压电路后成为稳压直流电，再进入第二三相组合逆变电路将稳压直流电逆 变成带有高频谐波正弦波交流电后输出，输出的高频谐波正弦波交流电再经 过第二正弦波交流滤波电路进行滤波后将正弦波交流电输出给V逆变系统；

给W逆变系统供电的电路如下：

第三永磁发电机输出第三路三相四线交流电，所述交流电经过第三直流 稳压电路后成为稳压直流电，再进入第三三相组合逆变电路将稳压直流电逆 变成带有高频谐波正弦波交流电后输出，输出的高频谐波正弦波交流电再经 过第三正弦波交流滤波电路进行滤波后将正弦波交流电输出给W逆变系统。

进一步的，所述永磁发电机包括后端盖、中间接盘、绕组定子和转子， 将转子和中间接盘固定连接在发动机上，绕组定子固定安装在中间接盘上， 绕组定子安装在转子外侧，后端盖固定安在绕组定子出线端侧；

其中，所述绕组定子由定子冲片、定子铝壳和卡键组成，将定子冲片叠 压在定子铝壳内部，然后用卡键卡上并焊接；

所述转子由转子铝芯、转子冲片、永磁体、法兰盘、盘片、压盘、轴、 轴承、小键及大键组成，转子铝芯和大键对应键槽位置安装在轴上，转子冲 片叠压在转子铝芯上，将永磁体插入转子冲片的方形槽内；法兰盘和小键对 应键槽位置安装在轴的一端，压盘通过螺栓把盘片安装在法兰盘上；轴承安 装在轴的另一端。

进一步的，所述永磁发电机中的永磁体采用18级。

进一步的，所述第一永磁发电机输出A1、B1、C1、相位标识，三相 绕组的尾部并联接在一起，三相绕组的星点标识N1；

所述第二永磁发电机输出A2、B2、C2、相位标识，三相绕组的尾部 并联接在一起，三相绕组的星点标识N2；

所述第三永磁发电机输出A3、B3、C3、相位标识，三相绕组的尾部 并联接在一起，三相绕组的星点标识N3。

进一步的，所述第一直流稳压电路包括第一整流器、第一电源开关和第 一滤波电容；第二直流稳压电路包括第二整流器、第二电源开关和第二滤波 电容；第三直流稳压电路包括第三整流器、第三电源开关和第三滤波电容。

进一步的，所述第一电源开关、第二电源开关和第三电源开关为场效应 管。

进一步的，所述第一电源开关、第二电源开关和第三电源开关为IGBT。

进一步的，所述第一三相组合逆变电路是由第一单相逆变器组成，所述 第二三相组合逆变电路是由第二单相逆变器组成，所述第三三相组合逆变电 路是由第三单相逆变器组成。

逆变器就是一种将直流电(电池、蓄电瓶)转变为220伏交流电(一般 为220v50HZ正弦或方波)的电子设备。

进一步的，所述第一单相逆变器由4个IGBT组成；所述第二单相逆变 器由4个IGBT组成；所述第三单相逆变器由4个IGBT组成。

进一步的，所述第一正弦波交流滤波电路由第一电感和第一电容组成， 所述第二正弦波交流滤波电路由第二电感和第二电容组成，所述第三正弦波 交流滤波电路由第三电感和第三电容组成。

进一步的，经过第一正弦波交流滤波电路进行滤波后形成的正弦波、经 过第二正弦波交流滤波电路进行滤波后形成的正弦波和经过第三正弦波交流 滤波电路进行滤波后形成的正弦波之间互相相差120°。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、采用18极永磁多极的发电机，结构简单、体积小、效率高、运行可 靠，同时根据极别长度不同，功率可做到50kW-100kW，打破了现在技术功 率不能超过50kW的局限；

2、因永磁发电机不同于励磁发电机，其磁强度不能变化，因此当转速上 升时，相应的发电机电压和频率都会上升，本发明采用了由电源开关组成的 全桥半控稳压电路，保证了供给逆变的直流电压稳定；

3、三相组合逆变电路采用三相组合式逆变结构，结合发电机三路输出， 不用变压器就可以输出可靠的三相四线纯正弦波交流电。

附图说明

图1是本发明的电路结构示意图；

图2是本发明的电流结构示意图；

图3是本发明实施例的绕组线圈结构示意图；

图4是永磁发电机的结构示意图。

1-第一永磁发电机、2-第二永磁发电机、3-第三永磁发电机、4-第一整流 器、5-第一电源开关、6-第一滤波电容、7-第二整流器、8-第二电源开关、9- 第二滤波电容、10-第三整流器、11-第三电源开关、12-第三滤波电容、13-第 一单相逆变器、14-第二单相逆变器、15-第三单相逆变器、16-第一电感、17- 第一电容、18-第二电感、19-第二电容、20-第三电感、21-第三电容

01、压盘02、盘片03、法兰盘04、中间接盘05、013、风扇叶

06、永磁体07、转子冲片08、转子铝芯09、轴010、小键

011、大键012、轴承014、定子铝壳015、定子冲片016、卡键

017、后端盖

具体实施方式

以下结合具体实施例和附图对本发明做进一步解释说明。

先对本发明中的部分名词进行解释说明：

工频：指工业上用的交流电源的频率，单位赫兹(Hz)；

久磁体：在开路状态下能长期保留较高剩磁的磁体，能够长期保持磁性， 如天然的磁石(磁铁矿)和人造磁钢(铁镍钴磁钢)等，其是硬磁体，不易失 磁，也不易被磁化，极性不会变化。

励磁：为发电机等(利用电磁感应原理工作的电气设备)提供工作磁场； 有时向发电机转子提供转子电源的装置也叫励磁。

三相四线制：在低压配电网中，输电线路一般采用三相四线制，其中三 条线路分别代表A,B,C三相，另一条是中性线N(如果该回路电源侧的中性 点接地，则中性线也称为零线(老式叫法，应逐渐避免，改称PEN，如果不接 地，则从严格意义上来说，中性线不能称为零线)。在进入用户的单相输电 线路中，有两条线，一条我们称为相线L，另一条我们称为中线N，中线正 常情况下要通过电流以构成单相线路中电流的回路。而三相系统中，三相平 衡时，中性线(零线)是无电流的，故称三相四线制。

一种50kW-100kW永磁体自动调速恒压发电机，其中，采用永磁发电机 分别给U、V和W逆变系统供电；

其中，所述永磁发电机的定子冲片的槽内缠绕有同相位三路三相四线绕 组线圈，形成第一永磁发电机1、第二永磁发电机2和第三永磁发电机3；

给U逆变系统供电的电路如下：

第一永磁发电机1输出第一路三相四线交流电，所述交流电经过第一直 流稳压电路后成为稳压直流电，再进入第一三相组合逆变电路将稳压直流电 逆变成带有高频谐波正弦波交流电后输出，输出的带高频谐波正弦波交流电 再经过第一正弦波交流滤波电路进行滤波后将正弦波交流电输出给U逆变系 统；

给V逆变系统供电的电路如下：

第二永磁发电机2输出第二路三相四线交流电，所述交流电经过第二直 流稳压电路后成为稳压直流电，再进入第二三相组合逆变电路将稳压直流电 逆变成带有高频谐波正弦波交流电后输出，输出的带高频谐波正弦波交流电 再经过第二正弦波交流滤波电路进行滤波后将正弦波交流电输出给V逆变系 统；

给W逆变系统供电的电路如下：

第三永磁发电机3输出第三路三相四线交流电，所述交流电经过第三直 流稳压电路后成为稳压直流电，再进入第三三相组合逆变电路将稳压直流电 逆变成带有高频谐波正弦波交流电后输出，输出的带高频谐波正弦波交流电 再经过第三正弦波交流滤波电路进行滤波后将正弦波交流电输出给W逆变 系统。

本实施例中，所述永磁发电机中的永磁体采用18极，采用18极高频率 发电结构，发电机结构简单，体积小，效率高等特点，根据不同长度，功率 可做到50kW-100kW，发电机采用三路输出，分别给U、V、W逆变系统 经过稳压给到三路单相逆变系统，最后完成三相四线输出即AC220V、 AC380V或AC110V、AC220V输出，输出的波形标准。

在永磁发电机的定子冲片对应的槽内嵌入同相位三路三相四线绕组线 圈，所述的三相三路绕组线圈是指发电机绕组设计成三路三相绕组，所述三 路三相绕组制作方法如下：用专用绕线模绕线,绕线时三路三相绕组分别 绕,每套三相绕组有三个绕组组成，嵌线时三路三相绕组的起始槽在同一 位置上相错一个槽位，即同一路绕着相位相差120°，在定子的三个位置， 如图3所示；

所述第一永磁发电机输出A1、B1、C1、相位标识，三相绕组的尾部 并联接在一起，三相绕组的星点标识N1；

所述第二永磁发电机输出A2、B2、C2、相位标识，三相绕组的尾部 并联接在一起，三相绕组的星点标识N2；

所述第三永磁发电机输出A3、B3、C3、相位标识，三相绕组的尾部 并联接在一起，三相绕组的星点标识N3。

本实施例中，如图1所示，所述第一直流稳压电路包括第一整流器4、 第一电源开关5和第一滤波电容6；第二直流稳压电路包括第二整流器7、第 二电源开关8和第二滤波电容9；第三直流稳压电路包括第三整流器10、第 三电源开关11和第三滤波电容12；所述第一电源开关5、第二电源开关8 和第三电源开关11为IGBT；所述第一三相组合逆变电路是由第一单相逆变 器13组成，所述第二三相组合逆变电路是由第二单相逆变器14组成，所述 第三三相组合逆变电路是由第三单相逆变器15组成；所述第一正弦波交流滤 波电路由第一电感16和第一电容17组成，所述第二正弦波交流滤波电路由 第二电感18和第二电容19组成，所述第三正弦波交流滤波电路由第三电感 20和第三电容21组成。

经过第一正弦波交流滤波电路进行滤波后形成的正弦波、经过第二正弦 波交流滤波电路进行滤波后形成的正弦波和经过第三正弦波交流滤波电路进 行滤波后形成的正弦波之间互相相差120°。

其中，直流稳压电路采用了全桥半控稳压电路，即发电机低转速时发电 机输出电压降低，IGBT的PWM全开，三相整流电路为全波整流输出；高转 速时发电机输出电压升高，IGBT的PWM关断，三相整流电路为半波整流输 出；控制DSP高速数字芯片，通过电压反馈信号，调节PWM占空比，控制 输出直流电压稳定。

本实施例中的逆变器采用三相组合式逆变拓扑电路，即第一单相逆变器 13、第二单相逆变器14、第三单相逆变器15三个单相逆变器输出N相相连 作为中线来实现三相四线交流输出，第一单相逆变器13、第二单相逆变器14、 第三单相逆变器15每相逆变器相互独立而统一控制的电压型逆变电路，其三 相基准正弦波互差120°，所述第一单相逆变器13由4个IGBT组成；所述 第二单相逆变器14由4个IGBT组成；所述第三单相逆变器15由4个IGBT 组成。

因永磁发电机采用三路输出，分别给U、V、W逆变系统供电，所以 三相互相独立，并且输出时省去了变压器，提高了整个发电机系统的效率， 降低了重量和成本。

本发明中，电流的走向如图2所示，永磁发电机出来的交流电经过整流 器变成直流电，直流电经过电源开关变成稳压直流电，再经过单向逆变器变 成交流滤波后输出。

需要特别指出的是，本实施例中所述永磁发电机，如图4所示，包括后 端盖017、中间接盘04、绕组定子和转子组成，将转子的盘片02通过螺栓紧 固在发动机飞轮上；再将中间接盘04通过螺栓安装在发动机飞轮壳上，然后 用螺栓将绕组定子安装在中间接盘04上，绕组定子安装在转子外侧；最后安 装后端盖017在绕组定子出线端侧，用螺栓紧固，转子上的轴承012要入后 端盖017的轴承室内。

其中，所述绕组定子由定子冲片015、定子铝壳014和卡键016组成， 将定子冲片015叠压在定子铝壳014内部，然后用卡键016卡上并焊接；

所述转子由转子铝芯08、转子冲片07、永磁体06、法兰盘03、中间接 盘04、盘片02、压盘01、轴09、轴承012、小键010及大键011组成，转 子铝芯08和大键011对应键槽位置安装在轴09上；转子冲片07一片一片叠 压在转子铝芯08上，将永磁体06一个一个插入转子冲片07的方形槽内，共 计18个(极)，注意N-S对应，即一个N一个S；然后两端用风扇叶05、013 用螺栓紧固在转子铝芯08上，将转子冲片07的两端封上压紧；法兰盘03 和小键010对应键槽位置安装在轴09的一端，压盘1通过螺栓把盘片02安 装在法兰盘03上；轴承012安装在轴09的另一端。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普 通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润 饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。