專利名稱：三相永磁發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三相永磁發(fā)電機(jī)，特別涉及對(duì)于給定驅(qū)動(dòng)力和在低溫下提供更大和更均勻輸出的裝置，以提供更緊湊的發(fā)電機(jī)。
傳統(tǒng)的永磁發(fā)電機(jī)有一個(gè)由原動(dòng)機(jī)(例如內(nèi)燃機(jī))驅(qū)動(dòng)的帶有永久磁鐵的轉(zhuǎn)子，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)通過定子線圈時(shí)，在定子線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)(圓周)方向設(shè)置的永久磁鐵的磁極數(shù)量為2n，這里n是一個(gè)正整數(shù)。這是因?yàn)楸仨氃趫A周方向等間距設(shè)置同樣數(shù)量的N極和S極。在三相發(fā)電機(jī)中，定子鐵芯的齒數(shù)或銜鐵鐵芯的數(shù)量P為3m，其中的“m”是一個(gè)正整數(shù)。
按照慣例，n=m。即當(dāng)轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)量M設(shè)置為2n時(shí)，定子鐵芯的齒數(shù)P設(shè)置為3m=3n。例如，當(dāng)n=6時(shí)，磁極的數(shù)M設(shè)置為12，齒數(shù)或銜鐵鐵芯數(shù)量P為18。當(dāng)n=8時(shí)，限定M=16，P=24。
這種傳統(tǒng)的相互關(guān)系見

圖1和圖2所示，圖1和圖2分別為一臺(tái)永磁發(fā)電機(jī)的局部橫截面主視圖和徑向橫截面視圖，其中n=m=6，或M=12，P=18。通常以21表示的轉(zhuǎn)子包括一個(gè)可通過固定在內(nèi)燃機(jī)或其它合適的原動(dòng)機(jī)上的曲柄軸(未示出)而被驅(qū)動(dòng)的軸轂部22。轉(zhuǎn)子21還包括一個(gè)固定在軸轂部22的法蘭上的通常為杯形的杯部23。若干環(huán)形永久磁鐵24合適地固定在杯部23的內(nèi)側(cè)圓周表面。永久磁鐵24在圓周方向被磁化成有相反極生的2n個(gè)磁極。在這個(gè)傳統(tǒng)的例子中，設(shè)n=6，并且磁極數(shù)量M為2n=12。
定子25與轉(zhuǎn)子21配合。定子25包括一個(gè)通過層壓薄鋼板形成的有齒或銜鐵26的定子鐵芯，所述齒或銜鐵26被線圈27纏繞。定子25的齒26的數(shù)量為18。在本例中，因?yàn)?×m=18，所以m=6。線圈27有U相、V相和W相。每個(gè)相的線圈每隔兩個(gè)齒連續(xù)地纏繞在齒26上。在本例中，每隔兩個(gè)被同相線圈27所纏繞的齒或銜鐵與磁鐵24的同極以相同的電角度對(duì)置。為了使同相的齒與磁鐵24的同極以相同電角度如上所述對(duì)置，必須有n=m，或者至少n為m的整數(shù)倍。
對(duì)于上述傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)，由于電力在這種狀態(tài)下產(chǎn)生，即在纏繞有同位線圈27的m個(gè)(六個(gè))齒26對(duì)著m個(gè)(六個(gè))同相永久磁鐵的狀態(tài)下產(chǎn)生，所以在各m個(gè)(六個(gè))齒感生的諧波在同相疊加，輸出波形失真加劇。這種失真在圖3中畫出。這臺(tái)機(jī)器的三相接線圖以及輸出電壓V1和V2在圖4中示出。
由于失真，所以產(chǎn)生給定輸出所需的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子21的扭矩增加。由于近年來永久磁鐵性能顯著改進(jìn)，這個(gè)問題已經(jīng)惡化。例如，有極大磁能的釹鐵硼磁鐵已經(jīng)公知。當(dāng)使用這種高性能磁鐵時(shí)，轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的變化還要增加。
由于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩增加，當(dāng)用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子時(shí)，這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的載荷的周期性變化也增加。這樣需要特別增加這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率或輸出。這由圖5中的虛曲線示出。這意味著，當(dāng)發(fā)電機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸增加。此外，這張圖還示出，由于各相線圈以相同電角度連續(xù)地連接，產(chǎn)生的電壓增加，但輸出電壓波形不平滑并且包含許多諧波，導(dǎo)致發(fā)電效率低。
如圖6虛線曲線所示，這還導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的自生熱問題。即不增加發(fā)電機(jī)尺寸就不能增加發(fā)電量。
此外，如圖3所示，各相輸出電壓波形被嚴(yán)重?cái)_亂并且包含許多尖峰形的具有高峰值電壓的波形。這需要一個(gè)平滑輸出電壓的電容器，這又導(dǎo)致須使用大尺寸、高成本的電容器。當(dāng)使用釹鐵硼磁鐵時(shí)，這個(gè)問題將變得特別嚴(yán)重。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種三相磁鐵發(fā)電機(jī)，通過降低驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩使其尺寸和原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力減小，同時(shí)通過輸出電壓波形的平滑化提高發(fā)電效率。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是，通過降低自生電量使線圈致密而減小線圈尺寸或提高出力，并且還通過降低峰值電壓減小平滑電容器尺寸以及降低平滑電容器成本或完全不需要電容器。
本發(fā)明具體表現(xiàn)在一臺(tái)有可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的第一和第二部件的發(fā)電機(jī)中。第一部件固定到若干在圓周間隔排列的部分圓筒形的永久磁鐵上。第二部件有若干線圈纏繞的銜鐵齒，因此當(dāng)兩個(gè)部件相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)，電流將在線圈繞組中感生。結(jié)構(gòu)是這樣的，即在相對(duì)旋轉(zhuǎn)期間，不多于兩個(gè)銜鐵齒與單個(gè)磁鐵部分配準(zhǔn)。
按照本發(fā)明另一特征，結(jié)構(gòu)是這樣的，即在銜鐵齒感生的電壓是同相電壓而且圍繞這臺(tái)機(jī)器圓周同相位。
按照發(fā)明的另一特征，這通過磁極數(shù)量等于2n，銜鐵齒數(shù)量等于3m實(shí)現(xiàn)，這里n和m是正整數(shù)，并且2n被m除不等于整數(shù)。
圖1是傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)裝置的主視圖。
圖2是圖1所示傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的徑向橫斷面視圖。
圖3表示傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)的相電壓波形。
圖4是表示圖3電壓值測(cè)量點(diǎn)的電路原理圖。
圖5是將應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)的機(jī)器(虛線表示)和實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的機(jī)器(實(shí)線表示)的效率、驅(qū)動(dòng)功率和電力輸出對(duì)速度的響應(yīng)相比較的視圖。
圖6是表示應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)的機(jī)器(虛線表示)和實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的機(jī)器(實(shí)線表示)的溫度特性的視圖。
圖7是部分類似于圖1的徑向橫斷面視圖，表示按照第一實(shí)施例結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)與內(nèi)燃機(jī)(示出一部分)的驅(qū)動(dòng)關(guān)系。
圖8是圖7所示實(shí)施例的主視圖。
圖9是部分類似于圖3但表示圖7和圖8實(shí)施例的相電壓波形圖。
圖10是部分類似于圖8并表示本發(fā)明第二實(shí)施例的主視圖。
圖11是表示傳統(tǒng)裝置的相電壓波形圖。
圖12是表示按照本發(fā)明所述結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)的相電壓波形圖。
圖13是表示傳統(tǒng)的裝置的線電壓波形圖。
圖14是表示按照本發(fā)明所述結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)的線電壓波形圖。
首先，在圖7和圖8所示的實(shí)施例中，原動(dòng)機(jī)(例如一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)31)的輸出軸(即曲柄軸32)由一個(gè)左右可拆的曲柄箱33支承。軸承34和另一軸承(未示出)一起支承的曲柄軸32可在曲軸箱33內(nèi)旋轉(zhuǎn)。曲柄軸32通過將成對(duì)的左右曲柄連接板35和36用曲柄銷37連接在一起而形成。連桿38的大頭通過滾針軸承39支承在曲柄銷37上。連桿38的小頭可轉(zhuǎn)動(dòng)地與一個(gè)在發(fā)動(dòng)機(jī)31的汽缸41內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞(未示出)連接。
曲柄軸32的一部分伸過曲軸箱33的壁41以驅(qū)動(dòng)其上安裝的三相磁鐵發(fā)電機(jī)42，三相磁鐵發(fā)電機(jī)42按照第一實(shí)施例構(gòu)造。發(fā)電機(jī)42包括一個(gè)定子25(使用與前述應(yīng)用到現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)時(shí)相同的標(biāo)號(hào))。這樣做是由于各部件除了它們的尺寸和數(shù)量，均是相同的。定子25用螺栓43固定到定子座44上，定子座44固定在曲軸箱33的前壁上。即四個(gè)螺栓43擰入在定子芯內(nèi)鉆出的四個(gè)螺栓孔45(圖8)。
轉(zhuǎn)子21的軸轂部22套在曲柄軸32的錐形表面上并且被鍵46帶著旋轉(zhuǎn)。螺母47擰到曲柄軸32的螺紋端48上。風(fēng)扇49固定在轉(zhuǎn)子21上并且用一個(gè)罩51罩著。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)31冷卻，風(fēng)扇49繞汽缸41輸送冷卻空氣。
在這個(gè)實(shí)施例中，使用8塊有16(=2n)個(gè)磁極的釹鐵硼永久磁鐵24。定子芯有15(3m=15)個(gè)齒或銜鐵26以及相關(guān)聯(lián)的繞組27。因此n=8，m=5。在本例子中，磁鐵24之間的角度或傾斜角θ1為2π／2n(弧度)=22．5°。齒25之間的角度或傾斜角θ2為2π／3m(弧度)=24°。同相的線圈或繞組27纏繞在連續(xù)的m(=5)個(gè)齒26上。這里，由于相鄰的齒26與不同極磁鐵24交替相對(duì)，五個(gè)線圈27交替地在相反方向纏繞，因此在各個(gè)線圈27中感生的電壓的極性是彼此相同的。不多于兩個(gè)齒或銜鐵26與任一個(gè)磁鐵24相關(guān)聯(lián)。
沿五個(gè)齒26周向行進(jìn)，第五個(gè)齒26從其磁鐵24移動(dòng)Δθ×(m-1)=Δθ×4=6°相位。為了使角度6°保持在磁鐵24的范圍內(nèi)，位移角小于磁鐵24傾斜角θ1的一半，Δθ×4＜θ1／2．結(jié)果，在線圈27中感生的電壓可以顯著增加。即產(chǎn)生如圖9中所示的平滑輸出波形。
圖10是本發(fā)電機(jī)另一實(shí)施例的主視圖。在這張圖中，與圖7和圖8實(shí)施例中相同的零件均標(biāo)以相同的標(biāo)號(hào)，并且不再重復(fù)說明。
這個(gè)實(shí)施例使用具有16(=2n)個(gè)磁極的釹鐵硼磁鐵24和18(=3m)個(gè)齒或銜鐵26。因此，n=8，m=6。在本例中，磁鐵24之間的角度或傾斜角θ1為2π／2n(弧度)=22．5°。齒25之間的角度或傾斜角θ2為2π／3m(弧度)=20°。由于齒26的數(shù)量為2的倍數(shù)，所以同相(圖10中U相)的線圈27分成兩組。即每組包括三個(gè)(=m／2)纏繞在連續(xù)的三個(gè)齒26上的線圈27并且相對(duì)于中心對(duì)稱。
這里，由于相鄰的齒26與不同極磁鐵24交替相對(duì)，線圈27交替地在相反方向纏繞，因此在各個(gè)線圈27中感生的電壓彼此并不反向。在這個(gè)實(shí)施例中，三個(gè)(=m／2)齒26相對(duì)于三塊磁鐵24的位移角或相位差Θ為Δθ×(m／2-1)=Δθ×2。因此Θ=Δθ×2＜θ1／2。
如上所述，圖9和圖3分別相比較地示出用本發(fā)明所述實(shí)施例獲得的輸出電壓波形的失真情況以及用傳統(tǒng)的裝置獲得的輸出電壓波形的失真情況。在這里，本發(fā)明所述實(shí)施例由圖7和圖8示出，具有16磁極和15齒，傳統(tǒng)的裝置由圖1和2示出，具有12磁極和18齒。圖9示出按照本發(fā)明獲得的相電壓V1和線電壓V2，圖3示出按照傳統(tǒng)的裝置獲得的相電壓V1和線電壓V2。如圖3所示，傳統(tǒng)裝置的輸出電壓波形V1和V2不僅失真大而且包含許多尖峰形的波形和許多諧波分量。另一方面，如圖9所示，本發(fā)明的輸出電壓波形V1和V2平滑并且失真較小，諧波分量較小。
圖11和12示出計(jì)算機(jī)模擬分析獲得的相電壓波形。圖12示出用本發(fā)明的一個(gè)類似于圖10所示的實(shí)施例(具有16磁極和18齒)獲得的結(jié)果。圖11示出用一個(gè)傳統(tǒng)裝置(具有12磁極和18齒)獲得的結(jié)果。從這些圖中顯然可以看出，本發(fā)明通過降低基本(初)波、第三級(jí)波和第五級(jí)波的振幅，可以降低合成波形的失真。
圖13和圖14示出計(jì)算機(jī)模擬分析獲得的線電壓波形。圖13示出從圖11所示相電壓獲得的結(jié)果。圖14示出從圖12所示相電壓獲得的結(jié)果。
圖5給出本發(fā)明所述實(shí)施例(具有16磁極和18齒，圖中“新的”所示)與傳統(tǒng)裝置(具有12磁極和18齒，圖中“傳統(tǒng)的”所示)的驅(qū)動(dòng)功率、電力輸出和效率的比較。從該圖中可以看出，在整個(gè)轉(zhuǎn)數(shù)范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)功率降低大約10％，效率改善大約10％。
圖6表示溫度特性。在該圖中，畫出定子線圈和固定該定子的定子座44之間的溫差ΔT(℃)相對(duì)于轉(zhuǎn)數(shù)(轉(zhuǎn)／分)的曲線。從該圖中可以看出，本發(fā)明與傳統(tǒng)裝置相比，在整個(gè)轉(zhuǎn)數(shù)范圍內(nèi)大約降低線圈溫度40％。結(jié)果，可以通過使定子線圈更致密來減小定子和轉(zhuǎn)子的尺寸，或從發(fā)電機(jī)尺寸的觀點(diǎn)看，可以用同尺寸發(fā)電機(jī)提供更大的動(dòng)力。
應(yīng)該明白，前面所述的僅是本發(fā)明的最佳實(shí)施例，在不改變后附權(quán)利要求闡明的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以作出各種改變。例如，上述實(shí)施例中的永久磁鐵24使用釹鐵硼磁鐵，本發(fā)明還包括使用其它永久磁鐵(例如那些使用稀土和鐵氧體的磁鐵)的裝置。此外，上述實(shí)施例為外轉(zhuǎn)子型(轉(zhuǎn)子在定子外面旋轉(zhuǎn))的，本發(fā)明還包括內(nèi)轉(zhuǎn)子型的(轉(zhuǎn)子在環(huán)形定子徑向內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn))。
權(quán)利要求
1．一種有可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的第一和第二部件的發(fā)電機(jī)，所述第一部件使若干在圓周間隔排列的部分圓筒形的永久磁鐵固定其上，所述第二部件有若干線圈纏繞的銜鐵齒，因此當(dāng)所述第一和第二個(gè)部件相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)，電流將在所述線圈繞組中感生，所述永久磁鐵和所述銜鐵齒是這樣配置的，即在相對(duì)旋轉(zhuǎn)期間，不多于兩個(gè)銜鐵齒與單個(gè)永久磁鐵配準(zhǔn)。
2．如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)，其特征是，在銜鐵齒感生的電壓是同相電壓而且具有圍繞這臺(tái)機(jī)器圓周的相同相位。
3．如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)，其特征是，磁極數(shù)量等于2n，銜鐵齒數(shù)量等于3m，這里n和m是正整數(shù)并且2n被m除不為整數(shù)。
4．如權(quán)利要求3所述的發(fā)電機(jī)，其特征是，在銜鐵齒感生的電壓是同相電壓而且具有圍繞這臺(tái)機(jī)器圓周的相同相位。
5．如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)，其特征是，永久磁鐵包括釹鐵硼磁鐵。
6．如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)，其特征是，發(fā)電機(jī)為三相型，并且同相線圈纏繞在于相對(duì)旋轉(zhuǎn)方向連續(xù)設(shè)置的銜鐵齒上，它們的卷繞方向相反并且隨與各個(gè)齒相對(duì)的永久磁鐵的極性相應(yīng)地改變。
7．如權(quán)利要求6所述的發(fā)電機(jī)，其特征是，磁極數(shù)量等于2n，銜鐵齒數(shù)量等于3m，這里n和m是正整數(shù)并且2n被m除不為整數(shù)。
8．如權(quán)利要求7所述的發(fā)電機(jī)，其特征是，磁極數(shù)量2n和齒數(shù)3m這樣設(shè)定，即(2π／2n-2π／3m)×(m-1)不超過π／2n。
9．如權(quán)利要求8所述的發(fā)電機(jī)，其特征是，齒數(shù)3m是一個(gè)奇數(shù)。
10．如權(quán)利要求6所述的發(fā)電機(jī)，其特征是，銜鐵的齒數(shù)是一個(gè)偶數(shù)，并且同相線圈連續(xù)地纏繞在于相對(duì)旋轉(zhuǎn)方向連續(xù)安排的對(duì)稱布置的m／2齒上，它們的卷繞方向相反以便與面對(duì)各個(gè)齒的永久磁鐵的極性改變相對(duì)應(yīng)。
11．如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)，其特征是，磁極數(shù)2n和齒數(shù)3m這樣設(shè)定，即(2π／2n-2π／3m)×(m-1)不超過π／2n。
12．如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)，其特征是，銜鐵的齒數(shù)是9的倍數(shù)或3×3×s的倍數(shù)，同相線圈連續(xù)地纏繞在于相對(duì)旋轉(zhuǎn)方向連續(xù)地被S等分的對(duì)稱布置的m／s齒上，它們的卷繞方向相反以便與面對(duì)各個(gè)齒的永久磁鐵的極性改變相對(duì)應(yīng)。
全文摘要
一種三相永磁發(fā)電機(jī),對(duì)于給定驅(qū)動(dòng)力和在低溫下提供更大和更均勻輸出,以提供更小型的發(fā)電機(jī)。這通過在相對(duì)旋轉(zhuǎn)期間不超過兩個(gè)銜鐵齒與單個(gè)磁鐵部分配準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)H02K1/14GK1293482SQ0013233
公開日2001年5月2日 申請(qǐng)日期2000年10月8日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月8日
發(fā)明者森松真佐記 申請(qǐng)人:森山工業(yè)株式會(huì)社