本发明涉及一种发电机，尤其是一种无刷交流励磁变速同频发电机。包括主轴、固定安装在主轴上的发电机转子，以及环绕设置在发电机转子周围的发电机定子，在主轴上还安装有励磁机构，所述的励磁机构包括与发电机转子同轴安装的二级励磁机、同步励磁电动机以及两个一级励磁机。该发电机去掉了电刷等易损摩擦零件，运行和维护费用大幅度降低；发电机在转速变化时，能保持输出电压频率始终与电网频率相同，减少并网自动控制装置；采用多相整流可为励磁线圈提供高质量的励磁电流，进而提高二次励磁机输出电能质量和电动机的稳定性。
1.无刷交流励磁变速同频发电机，包括主轴(1)、固定安装在主轴(1)上的发电机转子(2)，以及环绕设置在发电机转子(2)周围的发电机定子(3)，发电机转子(2)上安装有发电机励磁线圈(21)，发电机定子(3)上安装有发电机电枢线圈(31)，发电机定子(3)通过轴承安装在主轴(1)上，发电机转子(2)固定安装在主轴(1)上，其特征在于：在主轴(1)上还安装有励磁机构，
所述的励磁机构包括与发电机转子(2)同轴安装的二级励磁机、同步励磁电动机以及两个一级励磁机，二级励磁机包括成磁隙配合的二级电枢绕组(91)和二级励磁转子(93)，一级励磁机包括成磁隙配合的一级电枢绕组(81、811)和一级励磁转子(82、821)，同步励磁电动机包括成磁隙配合的电动机转子(95)和电动机电枢线圈(96)；二级电枢绕组(91)固定安装在圆筒状的二级电枢支架(92)的内壁上，二级电枢支架(92)固定套装在主轴(1)上，二级励磁转子(93)上安装有二级励磁线圈(931)，二级励磁转子(93)固定安装在轴套(94)上，轴套(94)通过轴承套装在主轴(1)上；轴套(94)上同时还固定安装有电动机转子(95)以及一级电枢绕组支架(89)，一级电枢绕组(81、811)固定安装在一级电枢绕组支架(89)的内侧，一级励磁转子(82、821)并列固定安装在端盖(4)的内侧，一级励磁转子(82、
821)上安装有一级励磁线圈(822、823)，端盖(4)以及电动机电枢线圈(96)与发电机定子(3)固定连接；
上述发电机、同步励磁电动机、二级励磁机的极对数相同；
发电机电枢线圈(31)通过并网开关(K1)与电网连接，二级电枢绕组(91)通过导线与发电机励磁线圈(21)电连接，两个一级电枢绕组(81、811)分别通过整流电路(CD)连接到电动机转子(95)中的电动机励磁线圈(90)和二级励磁转子(93)中的二级励磁线圈(931)，电动机电枢线圈(96)通过电动机控制开关(K2)与电网连接，一级励磁转子(82、
821)中的一级励磁线圈(822、823)分别与两个可调压直流励磁电源连接。
2.根据权利要求1所述的无刷交流励磁变速同频发电机，其特征在于：将发电机定子(3)的圆周平均分成两个以上的定子扇区组，各定子扇区组中带有数量相等、均匀分布的发电机电枢线圈槽(8)，任意两相邻发电机电枢线圈槽(8)之间齿的宽度相同，每一定子扇区组的发电机电枢线圈槽(8)中设置有三相发电机电枢线圈(31)，各相发电机电枢线圈(31)分别占有相同面积的扇区；与发电机定子(3)相对应的发电机转子(2)的圆周上平均分成两个以上的转子扇区组，转子扇区组的数量与定子扇区组的数量相同，各转子扇区组中带有数量相等、均匀分布的发电机励磁线圈槽(9)，发电机励磁线圈槽(9)中采用三相叠绕方式设置有发电机励磁线圈(21)；每一个转子扇区组中的发电机励磁线圈(21)产生的磁极的数量与对应的一个定子扇区组中发电机电枢线圈(31)产生的磁极的数量相比较相差两个。
3.根据权利要求1所述的无刷交流励磁变速同频发电机，其特征在于：将一级电枢绕组支架(89)的圆周平均分成两个以上的一级励磁机扇区组，各一级励磁机扇区组中带有数量相等、均匀分布的一级励磁机电枢线圈槽，任意两相邻一级励磁机电枢线圈槽之间齿的宽度相同，每一组一级励磁机电枢线圈槽中设置有多相一级电枢绕组(81、811)，各相一级电枢绕组(81、811)分别占有相同面积的扇区；与一级励磁机扇区组相对应的一级励磁转子(82、821)的圆周上平均分成两个以上的一级励磁转子扇区组，一级励磁机机扇区组的数量与一级励磁机转子扇区组的数量相同，各一级励磁机转子扇区组中带有数量相等、均匀分布的一级励磁磁极；每一个一级励磁机扇区组中的一级电枢绕组(81、811)产生的磁极的数量与对应的一个一级励磁机转子扇区组中的一级励磁磁极的数量相比较相差两个。
4.根据权利要求1或2或3所述的无刷交流励磁变速同频发电机，其特征在于：所述的一级励磁转子(82、821)、二级励磁转子(93)和电动机转子(95)均采用爪极式复合励磁转子，所述的爪极式复合励磁转子包括相对设置的两片爪极板(97)，两片爪极板(97)之间固定安装有永磁体(95)和励磁铁芯(96)，励磁铁芯(96)上缠绕励磁线圈；爪极板(97)为圆盘状，其边缘部分沿圆周均匀分布多个齿状的爪极(99)，该爪极(99)即为磁极，两片爪极板(97)以爪极(99)交错排列的形式相对平行设置，相邻两个带有不同磁性的爪极(99)构成一个磁极对；一级励磁转子(82)通过连接套固定连接在端盖(4)的内侧，二级励磁转子(93)和电动机转子(95)通过连接套固定安装在轴套(94)上。
无刷交流励磁变速同频发电机
技术领域
[0001] 本发明涉及一种发电机，尤其是一种无刷交流励磁变速同频发电机。
背景技术
[0002] 风力发电机、水力发电机等大功率低速多极发电机为了达到并网发电的要求，需要在不同转速的情况下输出的电压频率保持与电网频率一致，现在直驱型发电机多数采用变频的方式进行电子调整输出频率，由于逆变器结构复杂、故障率高，成本高，已成为风力、水力发电机并网发电的一大障碍。另外，普通的交流励磁发电机都带有电刷，摩擦零件的存在，使发电机的维护和运行成本大幅度提高，使用寿命缩短。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种结构简单、可直接并网且无需大功率变频装置的无刷交流励磁变速同频发电机，能够跟随电网电压的变化，自动调整励磁电压的幅度和频率，达到高质量发电的目的。
[0004] 为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
[0005] 本发明所述的无刷交流励磁变速同频发电机包括主轴、固定安装在主轴上的发电机转子，以及环绕设置在发电机转子周围的发电机定子，发电机转子上安装有发电机励磁线圈，发电机定子上安装有发电机电枢线圈，发电机定子通过轴承安装在主轴上，发电机转子固定安装在主轴上，其特征在于：
[0006] 在主轴上还安装有励磁机构，
[0007] 所述的励磁机构包括与发电机转子同轴安装的二级励磁机、同步励磁电动机以及两个一级励磁机，二级励磁机包括成磁隙配合的二级电枢绕组和二级励磁转子，一级励磁机包括成磁隙配合的一级电枢绕组和一级励磁转子，同步励磁电动机包括成磁隙配合的电动机转子和电动机电枢线圈；二级电枢绕组固定安装在圆筒状的二级电枢支架的内壁上，二级电枢支架固定套装在主轴上，二级励磁转子上安装有二级励磁线圈，二级励磁转子固定安装在轴套上，轴套通过轴承套装在主轴上；轴套上同时还固定安装有电动机转子以及一级电枢绕组支架，一级电枢绕组固定安装在一级电枢绕组支架的内侧，一级励磁转子并列固定安装在端盖的内侧，一级励磁转子上安装有一级励磁线圈，端盖以及电动机电枢线圈与发电机定子固定连接；
[0008] 上述发电机、同步励磁电动机、二级励磁机的极对数相同；
[0009] 发电机电枢线圈通过并网开关与电网连接，二级电枢绕组通过导线与发电机励磁线圈电连接，两个一级电枢绕组分别通过整流电路连接到电动机转子中的电动机励磁线圈和二级励磁转子中的二级励磁线圈，电动机电枢线圈通过电动机控制开关与电网连接，一级励磁转子中的一级励磁线圈分别与两个可调压直流励磁电源连接。
[0010] 将发电机定子的圆周平均分成两个以上的定子扇区组，各定子扇区组中带有数量相等、均匀分布的发电机电枢线圈槽，任意两相邻发电机电枢线圈槽之间齿的宽度相同，每一定子扇区组的发电机电枢线圈槽中设置有三相发电机电枢线圈，各相发电机电枢线圈分别占有相同面积的扇区；与发电机定子相对应的发电机转子的圆周上平均分成两个以上的转子扇区组，转子扇区组的数量与定子扇区组的数量相同，各转子扇区组中带有数量相等、均匀分布的发电机励磁线圈槽，发电机励磁线圈槽中采用三相叠绕方式设置有发电机励磁线圈；每一个转子扇区组中的发电机励磁线圈产生的磁极的数量与对应的一个定子扇区组中发电机电枢线圈产生的磁极的数量相比较相差两个。
[0011] 将一级电枢绕组支架的圆周平均分成两个以上的一级励磁机扇区组，各一级励磁机扇区组中带有数量相等、均匀分布的一级励磁机电枢线圈槽，任意两相邻一级励磁机电枢线圈槽之间齿的宽度相同，每一组一级励磁机电枢线圈槽中设置有多相一级电枢绕组，各相一级电枢绕组分别占有相同面积的扇区；与一级励磁机扇区组相对应的一级励磁转子的圆周上平均分成两个以上的一级励磁转子扇区组，一级励磁机机扇区组的数量与一级励磁机转子扇区组的数量相同，各一级励磁机转子扇区组中带有数量相等、均匀分布的一级励磁磁极；每一个一级励磁机扇区组中的一级电枢绕组产生的磁极的数量与对应的一个一级励磁机转子扇区组中的一级励磁磁极的数量相比较相差两个。
[0012] 所述的一级励磁转子、二级励磁转子和电动机转子均采用爪极式复合励磁转子，所述的爪极式复合励磁转子包括相对设置的两片爪极板，两片爪极板之间固定安装有永磁体和励磁铁芯，励磁铁芯上缠绕励磁线圈；爪极板为圆盘状，其边缘部分沿圆周均匀分布多个齿状的爪极，该爪极即为磁极，两片爪极板以爪极交错排列的形式相对平行设置，相邻两个带有不同磁性的爪极构成一个磁极对；一级励磁转子通过连接套固定连接在端盖的内侧，二级励磁转子和电动机转子通过连接套固定安装在轴套上。采用上述技术方案以后，本发明具有如下优点：
[0013] 1、去掉了电刷等易损摩擦零件，运行和维护费用大幅度降低；
[0014] 2、发电机在转速变化时，能保持输出电压频率始终与电网频率相同，减少并网自动控制装置；
[0015] 3、采用多相整流可为励磁线圈提供高质量的励磁电流，进而提高二次励磁机输出电能质量和电动机的稳定性。
[0016] 4、使多极低速发电机能直接消除高次谐波，满足直接并网发电要求。
[0017] 5、当用于风力发电时，能省去变频装置和增速装置，可靠性大大提高，成本却大幅下降。
附图说明
[0018] 图1是本发明一个实施例的结构示意图；
[0019] 图2是图1的M部分放大图；
[0020] 图3是图1的A-A剖视图；
[0021] 图4是图1的B-B剖视图；
[0022] 图5是爪极板的展开结构示意图；
[0023] 图6是本发明一个实施例的电路图；
[0024] 图7是发电机输出电压的向量图；
[0025] 图8是一级电枢绕组的展开结构示意图。
具体实施方式
[0026] 本实施例各附图采用类似剖面图的表达形式，但为了清楚表示各部分的结构和连接关系，未画出剖面线。
[0027] 如图1-图3所示，本发明所述的无刷交流励磁变速同频发电机包括主轴1、固定安装在主轴1上的发电机转子2，以及环绕设置在发电机转子2周围的发电机定子3，发电机转子2上安装有发电机励磁线圈21，发电机定子3上安装有发电机电枢线圈31，发电机定子3通过轴承安装在主轴1上，发电机转子2固定安装在主轴1上。
[0028] 该发电机的定子磁极的数量与转子磁极的数量不相等。具体做法是：将发电机定子3的圆周平均分成两个以上的定子扇区组，各定子扇区组中带有数量相等、均匀分布的发电机电枢线圈槽8，任意两相邻发电机电枢线圈槽8之间齿的宽度相同，每一定子扇区组的发电机电枢线圈槽8中设置有三相发电机电枢线圈31，各相发电机电枢线圈31分别占有相同面积的扇区。
[0029] 本实施例采用两组定子扇区组，每组定子扇区组均为180度的扇区，每一定子扇区组中均匀分布18个大小相等的发电机电枢线圈槽8，三相发电机电枢线圈31各占连续的6个线圈槽，如图3所示。当然，定子扇区组与发电机电枢线圈槽8的数量可以根据需要设定，每个定子扇区组中发电机电枢线圈槽8的数量为3的整数倍，且大于等于6槽。定子扇区组的数量在2个以上的时候，主轴3所受的径向的磁力相互抵消，有利于减小发电机工作时的震动，降低噪音，延长主轴1的使用寿命。发电机电枢线圈槽8的数量以及发电机电枢线圈31的绕制方式为公知技术，在此不再详述。
[0030] 与发电机定子3相对应的发电机转子2的圆周上平均分成两个以上的转子扇区组，转子扇区组的数量与定子扇区组的数量相同，各转子扇区组中带有数量相等、均匀分布的发电机励磁线圈槽9，发电机励磁线圈槽9中采用三相叠绕方式设置有发电机励磁线圈21；每一个转子扇区组中的发电机励磁线圈21产生的磁极的数量与对应的一个定子扇区组中发电机电枢线圈31产生的磁极的数量相比较相差两个。
[0031] 在本实施例中，当每一个定子扇区组中发电机电枢线圈槽8的数量是18个的时候，发电机电枢线圈31采用集中绕组，对应的转子扇区组中磁极的数量就是20个，当然磁极的数量也可以是16个。
[0032] 在本实施例的发电机中，由于每一个转子扇区组中的发电机励磁线圈21产生的磁极的数量与对应的一个定子扇区组中发电机电枢线圈31产生的磁极的数量相比较多两个，使磁相角增加360度，各相发电机电枢线圈31产生的电动势相互形成120度的相角差，正好符合三相交流电的要求。由于发电机励磁线圈21产生的磁极的数量与发电机电枢线圈槽8的数量不相等，各发电机电枢线圈31中产生的电势的相角就会依次发生偏移，并且这种相角的偏差逐个累加。在本实施例中相邻的发电机电枢线圈槽8具有120/6＝20度的相位差，发电机电枢线圈31每一相占有6个线圈槽，相位差累积后，合成相角为(6-1)*20/2＝50度，如附图7所示，图中AH、BH、CH分别为A、B、C三相叠加的合成电动势相量，EA1、EA2、EA3、EA4、EA5、EA6分别为A相的6个发电机电枢线圈槽8中产生的电动势。由于每相合成电动势是由不同相角的电动势叠加而成，不同相角的电势叠加以后产生的谐波电压含量会大幅度减小，有利于直接并网发电。
[0033] 磁极的数量比发电机电枢线圈槽8的数量少两个的情况下，其工作原理同上。
[0034] 在主轴1上还安装有励磁机构，所述的励磁机构包括与发电机转子2同轴安装的二级励磁机、同步励磁电动机以及两个一级励磁机。
[0035] 二级励磁机包括成磁隙配合的二级电枢绕组91和二级励磁转子93。二级电枢绕组91固定安装在圆筒状的二级电枢支架92的内壁上，二级电枢支架92固定安装在主轴1上，二级励磁转子93上安装有二级励磁线圈931，二级励磁转子93固定安装在轴套94上，轴套94通过轴承套装在主轴1上；
[0036] 一级励磁机包括成磁隙配合的一级电枢绕组81、811和一级励磁转子82、821。一级电枢绕组81、811固定安装在一级电枢绕组支架89的内侧，一级电枢绕组支架89固定安装在轴套94上，一级励磁转子82、821并列固定安装在端盖4的内侧，端盖4以及电动机电枢线圈96与发电机定子3固定连接。一级励磁转子82、821上安装有一级励磁线圈822、823。
[0037] 同步励磁电动机包括成磁隙配合的电动机转子95和电动机电枢线圈96；电动机电枢线圈96与发电机定子3固定连接，电动机转子95固定安装在轴套94上，电动机转子95上安装有电动机励磁线圈90。
[0038] 如图6所示，发电机电枢线圈31通过并网开关K1与电网连接，二级电枢绕组91通过导线与发电机励磁线圈21电连接，两个一级电枢绕组81、811分别通过整流电路CD连接到二级励磁线圈931和电动机励磁线圈90，电动机电枢线圈96通过电动机控制开关K2与电网连接，一级励磁转子82、821中的一级励磁线圈822、823分别与两个可调压直流励磁电源连接。
[0039] 如图2、图4所示，一级励磁机具有与发电机类似的结构，即定子磁极的数量与转子磁极的数量不相等，两者之间相差两个。具体说是将一级电枢绕组支架89的圆周平均分成两个以上的一级励磁机扇区组，各一级励磁机扇区组中带有数量相等、均匀分布的一级励磁机电枢线圈槽，任意两相邻一级励磁机电枢线圈槽之间齿的宽度相同，每一组一级励磁机电枢线圈槽中设置有多相一级电枢绕组81、811，各相一级电枢绕组81、811分别占有相同面积的扇区；与一级励磁机扇区组相对应的一级励磁转子82、821的圆周上平均分成两个以上的一级励磁转子扇区组，一级励磁机机扇区组的数量与一级励磁机转子扇区组的数量相同，各一级励磁机转子扇区组中带有数量相等、均匀分布的一级励磁磁极；每一个一级励磁机扇区组中的一级电枢绕组81、811产生的磁极的数量与对应的一个一级励磁机转子扇区组中的一级励磁磁极的数量相比较相差两个。
[0040] 本实施例中，每个一级励磁机扇区组中的一级电枢绕组81共有36个磁极，18极对，采用集中绕组法绕制，每极对为一个绕组，每个绕组为一相，共18相，如图8所示。一级励磁转子扇区组一级励磁线圈822共有38个磁极，19极对，一级励磁线圈822比一级电枢绕组81多360度电磁角。
[0041] 一级电枢绕组811、一级励磁线圈823的磁极数量以及排列方式与上述相同。
[0042] 上述发电机、同步励磁电动机、二级励磁机的极对数相同。
[0043] 这样产生的多相电动势，相序排列对称性好，经多相桥式整流后能大大降低脉动电流，减小滤波成本，提高发电机输出电能质量。
[0044] 如图2、图4所示，上述一级励磁转子82、821、二级励磁转子93和电动机转子95均采用爪极式复合励磁转子，所述的爪极式复合励磁转子包括相对设置的两片爪极板97，两片爪极板97之间固定安装有永磁体95和励磁铁芯96，励磁铁芯96上缠绕励磁线圈，两片爪极板97之间通过连接套固定；爪极板97为圆盘状，其边缘部分沿圆周均匀分布多个齿状的爪极99，该爪极99即为磁极，两片爪极板97以爪极99交错排列的形式相对平行设置，如图5所示，相邻两个带有不同磁性的爪极99构成一个磁极对；一级励磁转子82通过连接套固定连接在端盖4的内侧，二级励磁转子93和电动机转子95通过连接套固定安装在轴套94上。
[0045] 当然，一级励磁转子82、821、二级励磁转子93和电动机转子95也可以采用普通的励磁转子。
[0046] 工作的时候，主轴1带动固定连接在其上的发电机转子2、二级电枢支架92、二级电枢绕组91以一定的转速转动，即发电机转子以及二级励磁发电机的二级电枢支架92、二级电枢绕组91的转速相同，而发电机定子3以及一级电枢绕组81、811与主轴1之间因为有轴承连接，并固定在底座上，是固定不动的。当给同步电动机输入电网频率电源的时候，电动机转子95通过轴套94带动二级励磁转子93和一级电枢绕组81、811以高于主轴1的转速同步旋转。
[0047] 此时，可调压直流励磁电源分别给一级励磁转子82、821通以励磁电流，并与永磁体共同产生复合磁场作用在爪极板97上，一级电枢绕组81、811在电动机转子95的带动下，以转速N与电动机转子95同步旋转，N＝f*60/P，f为电网频率，P为电动机极对数。使一级励磁转子82、821分别和一级电枢绕组81、811之间形成相对旋转运动，并在一级电枢绕组81、811上产生交流感应电动势，这个电动势经多相整流后分别加到电动机转子95和二级励磁转子93的励磁线圈上，使电动机转子95和二级励磁转子93分别产生复合励磁磁场。
[0048] 此时，二级电枢绕组91在主轴1的带动下以低于二级励磁转子93的速度旋转，转速为N1。使得二级电枢绕组91和二级励磁转子93产生的磁场发生相对运动，差速度为N-N1。这时，在二级电枢绕组91上产生频率为f1的三相交流电动势，f1＝P1(N-N1)/60，其中P1为二级励磁转子93的极对数。将该三相交流电动势加到发电机励磁线圈21上，产生转速为N2的旋转磁场。N2＝60*f1/P2，P2为发电机转子2的极对数。
[0049] 上述旋转磁场在主轴1的带动下以转速N1旋转，产生合成转速为N3的旋转磁场，N3＝N2+N1，并在发电机电枢线圈31上产生频率为f2的电动势，f2＝N3*P2/60。
[0050] 由于N3＝N2+N1，所以f2＝N2*P2/60+N1*P2/60。
[0051] 又由于N2＝60*f1/P2，所以f2＝f1+N1*P2/60
[0052] 又 由 于 f1 ＝ P1*(N-N1)/60， 所 以 f2 ＝ P1(N-N1)/60+N1*P2/60 ＝(P1*(N+N1*(P2-P1))/60
[0053] 又由于N＝60*f/P，所以f2＝f*P1/P+N1*(P2-P1)/60
[0054] 由上述公式可知，当P2＝P1＝P时，f2＝f，
[0055] 所以只要二级励磁机、同步励磁电动机和发电机的极对数相同，发电机输出电动势的频率就与电网频率始终相同，实现变速恒频发电。
[0056] 调节一级励磁线圈822的输入电压，可改变电动机励磁强度、调节电动机功角，适应发电机输出功率变化时同频发电的要求，调节一级励磁线圈823的输入电压，可改变二级励磁机的励磁强度，调节二级电枢绕组91的输出电压，进而改变发电机的励磁强度，达到可调节发电机输出无功功率的目的。
