同步電機(jī)的制作方法
【專利說(shuō)明】同步電機(jī)
[0001] 所考慮的發(fā)明涉及具有定子和轉(zhuǎn)子的同步電機(jī)。
[0002] 同步電機(jī)通常包括固定的定子和可以相對(duì)于定子能夠移動(dòng)的轉(zhuǎn)子。同步電機(jī)的定 子通常被設(shè)置成容納電繞組，該電繞組可以是多相的。例如，在三相交流電機(jī)中，與三個(gè)電 相相關(guān)聯(lián)的繞組相對(duì)于彼此被電相移120°。
[0003] 在轉(zhuǎn)子中，經(jīng)常使用永久磁鐵?？商孢x地，可以使用電磁鐵，其中，這里使用直流電 流，其流經(jīng)纏繞在轉(zhuǎn)子齒周圍的線圈。直流電流可以經(jīng)由電刷或者經(jīng)由激勵(lì)繞組和旋轉(zhuǎn)整 流器被傳輸至轉(zhuǎn)子中。
[0004]同步電機(jī)指的是定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子以相同的速度旋轉(zhuǎn)。
[0005] 通過(guò)定子的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)的相互作用來(lái)創(chuàng)建定子的軸上的電磁轉(zhuǎn)矩。
[0006] -段時(shí)間內(nèi)，因?yàn)榫哂杏谰么盆F的同步電機(jī)（所謂的PM電機(jī)）與高能量密度、緊 湊設(shè)計(jì)、高效率以及寬轉(zhuǎn)速范圍相互聯(lián)系，所以其一直處于上升趨勢(shì)。然而，在最近幾年中， 永久磁鐵材料的價(jià)格已經(jīng)大幅上漲。此外，存在某些應(yīng)用情況例如短路情況，其限制了PM 電機(jī)在一些應(yīng)用中的使用。
[0007] 因此，電流激勵(lì)同步交流電機(jī)是未來(lái)令人關(guān)注的替選。
[0008] 據(jù)此，使用直流電流，以便產(chǎn)生定子的恒定磁場(chǎng)。如上已經(jīng)指示的，用于創(chuàng)建磁場(chǎng) 所需的直流電流首先從定子傳輸至轉(zhuǎn)子。為此，在定子中通常使用附加的繞組。附加能量 經(jīng)由空氣間隙傳輸至轉(zhuǎn)子的激勵(lì)繞組中進(jìn)而借助于整流器進(jìn)行整流，然后被供給給一個(gè)或 者多個(gè)場(chǎng)繞組，所述場(chǎng)繞組利用由此獲得的直流電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的恒定磁場(chǎng)。這個(gè)原理通常 被表示為自激勵(lì)。
[0009] 這樣的自激勵(lì)電機(jī)被用于例如風(fēng)力發(fā)電機(jī)中。
[0010] 定子中的輔助繞組（其磁場(chǎng)使能量能夠傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子中）通常被稱為激勵(lì)場(chǎng)繞組， 并且經(jīng)常采用直流電流的方式操作。
[0011] 為此，在定子中通常還需要整流器。除此之外，在定子中需要附加的繞組，該附加 繞組也被稱為定子輔助繞組。這導(dǎo)致了較大的定子體積。輔助繞組相對(duì)于其它繞組必須充 分地絕緣。
[0012] 所描述的電機(jī)類型的另一個(gè)缺點(diǎn)在于：使用具有彼此重疊并且經(jīng)常分布在定子中 的q>l的繞組，其中q是每個(gè)相和每個(gè)極的線圈的數(shù)目。對(duì)于轉(zhuǎn)子中的激勵(lì)繞組，每個(gè)繞組 需要大量的線圈。此外，較高的發(fā)動(dòng)機(jī)慣性導(dǎo)致了電機(jī)的受損的動(dòng)態(tài)特性。在一些已知的 電機(jī)中，在轉(zhuǎn)子中需要附加的狹槽，以便能夠?qū)⑥D(zhuǎn)子的場(chǎng)繞組和激勵(lì)繞組引入到相同的轉(zhuǎn) 子鐵芯中。采用這種方式也造成了復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程。
[0013] 在對(duì)空氣間隙中的諧波的分析中，明顯的是，定子中的輔助繞組產(chǎn)生了空氣間隙 中的形成恒定磁場(chǎng)的高次諧波。由定子的多相主繞組所產(chǎn)生的高次諧波適時(shí)地但以不同的 速度旋轉(zhuǎn)。因此，存在以不同轉(zhuǎn)速出現(xiàn)的不同諧波，其導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子激勵(lì)繞組中的感應(yīng)電壓的 波動(dòng)。這導(dǎo)致了對(duì)同步電機(jī)的操作特性的負(fù)面影響。
[0014]因此，所考慮的發(fā)明的目的在于提供具有改進(jìn)特性的同步電機(jī)。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)具有獨(dú)立專利權(quán)利要求的特征的同步電機(jī)來(lái)達(dá)到目標(biāo)。發(fā)展和 改進(jìn)在從屬權(quán)利要求中被指出。
[0016] 在一個(gè)實(shí)施方式中，同步電機(jī)包括定子和轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子被定位成其可以相對(duì)于定 子移動(dòng)。定子包括至少一個(gè)集中繞組，該集中繞組位于定子的狹槽中。在定子中沒(méi)有單獨(dú) 設(shè)置輔助繞組。在轉(zhuǎn)子中，設(shè)置有第一繞組系統(tǒng)，該第一繞組系統(tǒng)被設(shè)置為激勵(lì)繞組，并且 可以從空氣間隙中的磁場(chǎng)吸收能量。此外，設(shè)置有至少一個(gè)第二繞組系統(tǒng)，其被設(shè)置為場(chǎng)繞 組，也就是說(shuō)，所述至少一個(gè)第二繞組系統(tǒng)能夠產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)。此外，在轉(zhuǎn)子中設(shè)置有整流 器，該整流器連接在第一集中繞組系統(tǒng)與第二集中繞組系統(tǒng)之間，以便得到用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)子 的磁場(chǎng)的直流電流。轉(zhuǎn)子的第一繞組系統(tǒng)和第二繞組系統(tǒng)包括同心繞組。
[0017] 因?yàn)槎ㄗ硬痪哂休o助繞組，所以在定子中也省略了用于此的整流橋。利用定子的 通常被設(shè)計(jì)為多相的至少一個(gè)集中繞組，產(chǎn)生了用于同步電機(jī)的工作諧波，并且有目的地 產(chǎn)生了用于經(jīng)由轉(zhuǎn)子的激勵(lì)繞組供給轉(zhuǎn)子的高次諧波。
[0018] 因此，所提出的原理允許同步電機(jī)的簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)，該簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)可以省掉轉(zhuǎn)子的 永久磁鐵。
[0019] 在一個(gè)改進(jìn)中，定子的至少一個(gè)集中繞組被設(shè)計(jì)為多相集中繞組，特別是三相集 中繞組。與經(jīng)由多個(gè)齒制成并且在相中重疊的分布繞組相比，可以以特別低的成本來(lái)生產(chǎn) 集中繞組。此外，多相設(shè)計(jì)允許諧波磁場(chǎng)分布，并且還允許電機(jī)簡(jiǎn)單連接至多相電氣系統(tǒng)。
[0020] 可替選地或者附加地，轉(zhuǎn)子的第一繞組系統(tǒng)即激勵(lì)繞組也被設(shè)計(jì)為多相集中繞 組。
[0021] 對(duì)于工作諧波，不使用定子繞組所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)的基本諧波，而是使用該磁動(dòng)勢(shì) 的高次諧波。例如，在其中定子具有十二個(gè)狹槽而轉(zhuǎn)子具有十個(gè)極并且定子具有齒集中繞 組的電機(jī)中，可以使用五次諧波作為工作諧波。
[0022] 額外優(yōu)選地，使用定子電動(dòng)勢(shì)的與工作諧波不同的高次諧波作為用于供給激勵(lì)繞 組的激勵(lì)諧波。在針對(duì)具有十二個(gè)狹槽和十個(gè)極的集中繞組的所提及的示例中，可以有利 地使用七次諧波作為激勵(lì)諧波。
[0023] 在該示例中可以清楚地看出，在定子中具有集中繞組的電機(jī)的高次諧波（實(shí)際 上，所述高次諧波是不期望的）可以有利地和有意地用于該目的，以便向轉(zhuǎn)子中的激勵(lì)繞 組提供電能。
[0024] 有利地，定子的至少一個(gè)集中繞組產(chǎn)生工作諧波和激勵(lì)諧波二者。
[0025] 在一個(gè)實(shí)施方式中，轉(zhuǎn)子中的場(chǎng)繞組包括：圍繞轉(zhuǎn)子的齒纏繞并且彼此串聯(lián)連接 的若干線圈。因此，將場(chǎng)繞組的串聯(lián)連接以如下方式進(jìn)行設(shè)計(jì)：當(dāng)直流電流流經(jīng)串聯(lián)連接 時(shí)，沿著轉(zhuǎn)子的圓周產(chǎn)生磁北極和磁南極。
[0026] 激勵(lì)繞組優(yōu)選地具有高繞組系數(shù)。
[0027] 激勵(lì)繞組和場(chǎng)繞組優(yōu)選地圍繞轉(zhuǎn)子的相同齒而纏繞。
[0028] 在一個(gè)改進(jìn)中，場(chǎng)繞組和激勵(lì)繞組具有不同的線圈寬度，并且在這個(gè)范圍內(nèi)關(guān)于 各自所使用諧波而適應(yīng)于空氣間隙中的不同狀況。例如，因?yàn)閳?chǎng)繞組適應(yīng)于五次諧波而激 勵(lì)繞組適應(yīng)于七次諧波，所以場(chǎng)繞組的線圈寬度可以大于激勵(lì)繞組的線圈寬度。例如，不同 的線圈寬度可以在凸極轉(zhuǎn)子中實(shí)現(xiàn)，其中場(chǎng)繞組被纏繞在凸極的齒頸周圍，而激勵(lì)繞組被 纏繞在具有較小線圈寬度的齒頂。
[0029] 可替選地或者附加地，可以在轉(zhuǎn)子中例如在腿極中引入永久磁鐵。
[0030] 因?yàn)樗岢龅耐诫姍C(jī)使轉(zhuǎn)子經(jīng)由電機(jī)的空氣間隙磁場(chǎng)而自激勵(lì)，所以用于電流 的直流傳輸?shù)幕h(huán)和電刷被省略。另外，在定子中不需要輔助繞組和整流器。
[0031] 優(yōu)選地，轉(zhuǎn)子繞組即第一繞組系統(tǒng)和第二繞組系統(tǒng)被專門制作成集中齒線圈繞 組；即，繞組的所有線圈都圍繞一個(gè)齒纏繞。
[0032] 優(yōu)選地，針對(duì)激勵(lì)繞組和場(chǎng)繞組設(shè)置有單獨(dú)的齒線圈繞組。
[0033] 整流優(yōu)選地被實(shí)現(xiàn)為全橋式整流器電路。
[0034] 優(yōu)選地，在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電流的兩個(gè)線圈或多個(gè)線圈在其連接至全橋式整流器之前 被串聯(lián)連接。因此，激勵(lì)繞組總是包括串聯(lián)連接的至少兩個(gè)線圈。
[0035] 以下借助于附圖以幾個(gè)實(shí)施方式示例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)地說(shuō)明。
[0036] 附圖示出如下：
[0037] 圖1根據(jù)所提出的原理的同步電機(jī)的框圖的實(shí)施方式示例；
[0038] 圖2根據(jù)所提出的原理的借助于框圖的轉(zhuǎn)子的示例性實(shí)現(xiàn)；
[0039] 圖3根據(jù)所提出的原理的關(guān)于具有十二個(gè)狹槽和十個(gè)極的電機(jī)的示例的自激勵(lì) 構(gòu)思；
[0040] 圖4轉(zhuǎn)子的場(chǎng)繞組的實(shí)施方式示例；
[0041] 圖5轉(zhuǎn)子的激勵(lì)繞組的實(shí)施方式示例；
[0042] 圖6轉(zhuǎn)子的繞組系統(tǒng)的改進(jìn)的實(shí)施方式示例；
[0043] 圖7關(guān)于示例的轉(zhuǎn)子的繞組系統(tǒng)的另一改進(jìn)；
[0044] 圖8以橫截面表示的具有定子和轉(zhuǎn)子的同步電機(jī)的實(shí)施方式示例；
[0045] 圖9以橫截面表示的具有定子和轉(zhuǎn)子的同步電機(jī)的另一實(shí)施方式示例；
[0046] 圖10以橫截面表示的具有定子和轉(zhuǎn)子的同步電機(jī)的另一實(shí)施方式示例；以及
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