交叉单层线圈无铁心盘式永磁发电机

Axial Flux Coreless Permanent Magnet

Synchronous Generator

无铁芯盘式永磁发电机属于中间定子盘式永磁发电机,不同的是它的定子是无铁心的。

8对磁极无铁芯盘式永磁发电机

无铁芯盘式永磁发电机的转子

发电机转子结构与中间定子盘式永磁发电机相同,图1是转子结构图,图中下面的转子磁盘已固定在转轴上,上面的转子磁盘剖去部分,还未插入转轴固定。两个转子磁盘布置在定子的上下侧,转子磁盘由转子磁轭与贴在上面的永磁体磁极组成。永磁体磁极呈扇形,均匀的固定在转子磁轭上。

永磁体磁极盘式转子

图1--永磁体磁极盘式转子

转子有8对磁极,每个转子磁盘有16个永磁体磁极,相邻永磁体极性相反,上下转子磁盘对应的永磁体极性相同,总共32个永磁体磁极,在两个转子磁盘间的气隙中形成8对反向的磁场,见图2。由于气隙的磁通方向与中心转轴平行,故也称为轴向磁通永磁发电机,这与课件“中间定子盘式永磁发电机”中的磁通方向是不同的。

盘式转子磁极磁通走向

图2--盘式转子磁极磁通走向
无铁芯盘式永磁发电机的定子

定子在上、下转子磁极之间的气隙中,定子只有绕组没有铁心,为了使气隙宽度尽量小,定子必须做得很薄,不能像有铁芯电机采用双层绕组,绕组必须采用单层绕法。每个线圈呈扇形,线圈由漆包线或其他绝缘导线绕若干圈制成,线圈截面都是扁形的。交叉排列,在磁极对应的部分只有单层线圈,每个线圈内外端部分要弯成如图3形状,保证两个线圈交叉放置时,线圈中部在同一平面上。

交叉放置的2个定子线圈

图3-交叉放置的2个定子线圈
线圈的绕制连接与普通三相交流电机相同,属单层链式交叉排列。在图4中表示了线圈的分布,图中用色彩来区分不同相的绕组,黄色的是A相绕组共8个线圈;绿色的是B相绕组共8个线圈;红色的是C相绕组共8个线圈;总共24个线圈。线圈排列与线圈间的连接见图4与图5。

无铁芯定子的交叉单层绕组透视图

图4-无铁芯定子的交叉单层绕组透视图

无铁芯定子的交叉单层绕组顶视图

图5-无铁芯定子的交叉单层绕组顶视图

无铁芯盘式永磁发电机的线圈还有另一种绕法,适于业余手工制作的无铁芯盘式永磁发电机,有关内容在“平铺单层无铁芯盘式永磁发电机”课件介绍。

在图1中介绍了发电机转子结构,转子磁极在定子的上下方,图6显示了线圈与磁极的位置对应关系,下层转子有16个永磁体磁极,为清楚显示定子绕组的结构与分布,只显示了上层转子的10个永磁体磁极。

定子三相绕组与转子磁极

图6-定子三相绕组与转子磁极
图7是定子线圈布置俯视图,磁极采用半透明显示,在该图可更清楚看清线圈与磁极位置对应关系。

定子三相绕组与转子磁极位置

图7--定子三相绕组与转子磁极位置

定子线圈全部封装在定子电枢盘内,封装材料多为环氧树脂等绝缘材料,封装好的定子电枢盘有足够的强度,图7是定子电枢盘结构图,图中的盘片剖开一个角度以便看清内部定子绕组。

定子电枢盘与封装的三相绕组

图8--定子电枢盘与封装的三相绕组

定子电枢盘的制作较麻烦,目前有一些特殊的工艺通过印刷方式生产线圈,可使定子电枢盘的生产简单了许多,不过对于线圈匝数较多的制作还有些问题。3D打印技术的应用可使一些技术得以解决。

无铁芯盘式永磁发电机整机

图8是盘式无铁心发电机的轴剖视图,可看清定子、转子、机座(外壳)间的对应关系,定子电枢盘固定在机座上(由上、下端盖夹紧),上、下转子盘固定在转轴上,转轴通过轴承安装在机座(上、下端盖)上,转子磁极与定子电枢盘面之间有很小的气隙,转子可以自由旋转。

无铁心盘式发电机轴剖视图

图9--无铁心盘式发电机轴剖视图
图10是这个盘式无铁心发电机的立体剖视图,可更清晰显示整机的结构,在端盖上有散热肋片对发电机进行散热。由于发电频率恒定为每秒转速的8倍,所以称为盘式无铁心永磁同步发电机。

16极无铁心盘式发电机剖视图

图10--16极无铁心盘式发电机剖视图

6对磁极无铁芯盘式永磁发电机

6对磁极无铁芯盘式永磁发电机与前面介绍的8对磁极无铁芯盘式永磁发电机结构相同,极数为6对12极,发电频率为每秒转速的6倍。图11是定子绕组的排列,线圈连接与16极相同(图5),本图不再表示。

12极无铁芯定子的三相绕组

图11--12极无铁芯定子的三相绕组
图12为转子磁极与定子绕组的对应关系。

12个磁极与定子线圈对应关系

图12--12个磁极与定子线圈对应关系
图13是转子与定子组装图。

无铁心盘式发电机的转子与定子

图13-无铁心盘式发电机的转子与定子
图14是12极盘式无铁心发电机的立体剖视图。

12极无铁心盘式发电机剖视图

图14--12极无铁心盘式发电机剖视图
下面请观看12极无铁心盘式发电机旋转动画
12极无铁心盘式发电机旋转动画
结束语

盘式电机由于直径大,适合做多极电机(低速电机)或做力矩电机。由于转子或定子没有铁心,没有定子与转子之间的磁阻转矩,作为发电机时启动力矩很小,特别适用于微风直驱风力发电机

无铁心电机磁路中有一个定子盘厚度与两个气隙,磁阻较大,需增大永磁体磁极的厚度来保证气隙的磁通,由于超强永磁体价格昂贵,这就增大了电机的成本,这是无铁心电机的主要缺点。

 
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