交叉單層線圈無鐵心盤式永磁發(fā)電機(jī)

Axial Flux Coreless Permanent Magnet

Synchronous Generator

無鐵芯盤式永磁發(fā)電機(jī)屬于中間定子盤式永磁發(fā)電機(jī),不同的是它的定子是無鐵心的。

8對(duì)磁極無鐵芯盤式永磁發(fā)電機(jī)

無鐵芯盤式永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與中間定子盤式永磁發(fā)電機(jī)相同,圖1是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖,圖中下面的轉(zhuǎn)子磁盤已固定在轉(zhuǎn)軸上,上面的轉(zhuǎn)子磁盤剖去部分,還未插入轉(zhuǎn)軸固定。兩個(gè)轉(zhuǎn)子磁盤布置在定子的上下側(cè),轉(zhuǎn)子磁盤由轉(zhuǎn)子磁軛與貼在上面的永磁體磁極組成。永磁體磁極呈扇形,均勻的固定在轉(zhuǎn)子磁軛上。

永磁體磁極盤式轉(zhuǎn)子

圖1--永磁體磁極盤式轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子有8對(duì)磁極,每個(gè)轉(zhuǎn)子磁盤有16個(gè)永磁體磁極,相鄰永磁體極性相反,上下轉(zhuǎn)子磁盤對(duì)應(yīng)的永磁體極性相同,總共32個(gè)永磁體磁極,在兩個(gè)轉(zhuǎn)子磁盤間的氣隙中形成8對(duì)反向的磁場,見圖2。由于氣隙的磁通方向與中心轉(zhuǎn)軸平行,故也稱為軸向磁通永磁發(fā)電機(jī),這與課件“中間定子盤式永磁發(fā)電機(jī)”中的磁通方向是不同的。

盤式轉(zhuǎn)子磁極磁通走向

圖2--盤式轉(zhuǎn)子磁極磁通走向
無鐵芯盤式永磁發(fā)電機(jī)的定子

定子在上、下轉(zhuǎn)子磁極之間的氣隙中,定子只有繞組沒有鐵心,為了使氣隙寬度盡量小,定子必須做得很薄,不能像有鐵芯電機(jī)采用雙層繞組,繞組必須采用單層繞法。每個(gè)線圈呈扇形,線圈由漆包線或其他絕緣導(dǎo)線繞若干圈制成,線圈截面都是扁形的。交叉排列,在磁極對(duì)應(yīng)的部分只有單層線圈,每個(gè)線圈內(nèi)外端部分要彎成如圖3形狀,保證兩個(gè)線圈交叉放置時(shí),線圈中部在同一平面上。

交叉放置的2個(gè)定子線圈

圖3-交叉放置的2個(gè)定子線圈
線圈的繞制連接與普通三相交流電機(jī)相同,屬單層鏈?zhǔn)浇徊媾帕小T趫D4中表示了線圈的分布,圖中用色彩來區(qū)分不同相的繞組,黃色的是A相繞組共8個(gè)線圈;綠色的是B相繞組共8個(gè)線圈;紅色的是C相繞組共8個(gè)線圈;總共24個(gè)線圈。線圈排列與線圈間的連接見圖4與圖5。

無鐵芯定子的交叉單層繞組透視圖

圖4-無鐵芯定子的交叉單層繞組透視圖

無鐵芯定子的交叉單層繞組頂視圖

圖5-無鐵芯定子的交叉單層繞組頂視圖

無鐵芯盤式永磁發(fā)電機(jī)的線圈還有另一種繞法,適于業(yè)余手工制作的無鐵芯盤式永磁發(fā)電機(jī),有關(guān)內(nèi)容在“平鋪單層無鐵芯盤式永磁發(fā)電機(jī)”課件介紹。

在圖1中介紹了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子磁極在定子的上下方,圖6顯示了線圈與磁極的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系,下層轉(zhuǎn)子有16個(gè)永磁體磁極,為清楚顯示定子繞組的結(jié)構(gòu)與分布,只顯示了上層轉(zhuǎn)子的10個(gè)永磁體磁極。

定子三相繞組與轉(zhuǎn)子磁極

圖6-定子三相繞組與轉(zhuǎn)子磁極
圖7是定子線圈布置俯視圖,磁極采用半透明顯示,在該圖可更清楚看清線圈與磁極位置對(duì)應(yīng)關(guān)系。

定子三相繞組與轉(zhuǎn)子磁極位置

圖7--定子三相繞組與轉(zhuǎn)子磁極位置

定子線圈全部封裝在定子電樞盤內(nèi),封裝材料多為環(huán)氧樹脂等絕緣材料,封裝好的定子電樞盤有足夠的強(qiáng)度,圖7是定子電樞盤結(jié)構(gòu)圖,圖中的盤片剖開一個(gè)角度以便看清內(nèi)部定子繞組。

定子電樞盤與封裝的三相繞組

圖8--定子電樞盤與封裝的三相繞組

定子電樞盤的制作較麻煩,目前有一些特殊的工藝通過印刷方式生產(chǎn)線圈,可使定子電樞盤的生產(chǎn)簡單了許多,不過對(duì)于線圈匝數(shù)較多的制作還有些問題。3D打印技術(shù)的應(yīng)用可使一些技術(shù)得以解決。

無鐵芯盤式永磁發(fā)電機(jī)整機(jī)

圖8是盤式無鐵心發(fā)電機(jī)的軸剖視圖,可看清定子、轉(zhuǎn)子、機(jī)座(外殼)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,定子電樞盤固定在機(jī)座上(由上、下端蓋夾緊),上、下轉(zhuǎn)子盤固定在轉(zhuǎn)軸上,轉(zhuǎn)軸通過軸承安裝在機(jī)座(上、下端蓋)上,轉(zhuǎn)子磁極與定子電樞盤面之間有很小的氣隙,轉(zhuǎn)子可以自由旋轉(zhuǎn)。

無鐵心盤式發(fā)電機(jī)軸剖視圖

圖9--無鐵心盤式發(fā)電機(jī)軸剖視圖
圖10是這個(gè)盤式無鐵心發(fā)電機(jī)的立體剖視圖,可更清晰顯示整機(jī)的結(jié)構(gòu),在端蓋上有散熱肋片對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行散熱。由于發(fā)電頻率恒定為每秒轉(zhuǎn)速的8倍,所以稱為盤式無鐵心永磁同步發(fā)電機(jī)。

16極無鐵心盤式發(fā)電機(jī)剖視圖

圖10--16極無鐵心盤式發(fā)電機(jī)剖視圖

6對(duì)磁極無鐵芯盤式永磁發(fā)電機(jī)

6對(duì)磁極無鐵芯盤式永磁發(fā)電機(jī)與前面介紹的8對(duì)磁極無鐵芯盤式永磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)相同,極數(shù)為6對(duì)12極,發(fā)電頻率為每秒轉(zhuǎn)速的6倍。圖11是定子繞組的排列,線圈連接與16極相同(圖5),本圖不再表示。

12極無鐵芯定子的三相繞組

圖11--12極無鐵芯定子的三相繞組
圖12為轉(zhuǎn)子磁極與定子繞組的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

12個(gè)磁極與定子線圈對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖12--12個(gè)磁極與定子線圈對(duì)應(yīng)關(guān)系
圖13是轉(zhuǎn)子與定子組裝圖。

無鐵心盤式發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子

圖13-無鐵心盤式發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子
圖14是12極盤式無鐵心發(fā)電機(jī)的立體剖視圖。

12極無鐵心盤式發(fā)電機(jī)剖視圖

圖14--12極無鐵心盤式發(fā)電機(jī)剖視圖
下面請(qǐng)觀看12極無鐵心盤式發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫
12極無鐵心盤式發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫
結(jié)束語

盤式電機(jī)由于直徑大,適合做多極電機(jī)(低速電機(jī))或做力矩電機(jī)。由于轉(zhuǎn)子或定子沒有鐵心,沒有定子與轉(zhuǎn)子之間的磁阻轉(zhuǎn)矩,作為發(fā)電機(jī)時(shí)啟動(dòng)力矩很小,特別適用于微風(fēng)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)

無鐵心電機(jī)磁路中有一個(gè)定子盤厚度與兩個(gè)氣隙,磁阻較大,需增大永磁體磁極的厚度來保證氣隙的磁通,由于超強(qiáng)永磁體價(jià)格昂貴,這就增大了電機(jī)的成本,這是無鐵心電機(jī)的主要缺點(diǎn)。

 
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