CN101951062A - 用于绕线式励磁发电机嵌套的励磁机级和主发电机级 - Google Patents

用于绕线式励磁发电机嵌套的励磁机级和主发电机级 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于绕线式励磁发电机嵌套的励磁机级和主发电机级。提供了绕线式励磁发电机(102)以及制造具有嵌套的励磁机级(307)和主发电机级(305)的绕线式励磁发电机的方法。绕线式励磁发电机包括连接到转子构件(312)的励磁机级转子(310)和连接到转子构件(312)的主级转子(304)。还包括连接到转子构件(312)并电连接到励磁机级转子和主级转子(304)的旋转整流器组件(306)。还包括用于与励磁机级转子(310)建立电磁场联系的励磁机级定子(308)以及用于与主级转子(304)建立电磁场联系的主级定子(302)。励磁机级定子(308)和励磁机转子(310)相对于主级定子(302)和主级转子(304)围绕绕线式励磁发电机(102)的中心轴线(316)被径向地嵌套。

Description

用于绕线式励磁发电机嵌套的励磁机级和主发电机级
相关申请的交叉引用
本申请包含涉及下面共同正在审查的申请的主题的主题，该申请被转让给本申请的同一受让人：康涅狄格州温莎洛克斯的哈米尔顿森德斯特兰德公司。因此下面列出的申请通过引用全文并入本申请。
名称为NESTED TORSIONAL DAMPER FOR AN ELECTRICMACHINE(用于电机的嵌套式扭转型阻尼器)的美国专利申请No.12/486,365和名称为HYBRID CASCADING LUBRICATION ANDCOOLING SYSTEM(混合级联式润滑和制冷系统)、代理人编号(Attorney Docket)No.PA-0011113-US的美国专利申请。
技术领域
本文公开的主题总的涉及发电机，并且更特别地涉及传动系统可安装的发电机。
背景技术
交流发电机通过在转子和定子之间的电磁感应产生电流。旋转的电磁场包括进入缠成线圈的导体的交流电流。然后交流电可以使用例如整流器被转换成直流电。
在地面交通工具上，电的产生可以通过利用皮带轮驱动的交流发电机来实现。由皮带轮驱动的交流发电机产生的电力是能被承载在发动机曲轴和皮带轮驱动的交流发电机之间的机械载荷的函数。产生更大数量电力的能力会受到发动机曲轴和皮带轮驱动的交流发电机之间的机械载荷约束条件的限制。
发明内容
根据本发明的一个方面，绕线式励磁发电机包括嵌套的励磁机级(exciter stage)和主发电机级(main generator stage)。绕线式励磁发电机包括连接到转子构件的励磁机级转子和连接到转子构件的主级转子。绕线式励磁发电机还包括连接到转子构件并电连接到励磁机级转子和主级转子的旋转整流器组件。绕线式励磁发电机还包括用来与励磁机级转子建立电磁场联系的励磁机级定子和用来与主级转子建立电磁场联系的主级定子。励磁机级定子和励磁机级转子相对于主级定子和主级转子围绕绕线式励磁发电机的中心轴线被径向地嵌套。
根据本发明的另外一方面，提供了用于制造具有嵌套的励磁机级和主发电机级的绕线式励磁发电机的方法。该方法包括在绕线式励磁发电机内将励磁机级转子连接到转子构件，以及将主级转子连接到转子构件。该方法还包括将旋转整流器组件电连接到励磁机级转子和主级转子。该方法还包括在绕线式励磁发电机中设置励磁机级定子以与励磁机级转子建立电磁场联系，以及在绕线式励磁发电机中设置主级定子以与主级转子建立电磁场联系。该方法附加地包括相对于主级定子和主级转子围绕绕线式励磁发电机的中心轴线径向地嵌套励磁机级定子和励磁机级转子。
根据下面的结合附图进行的说明，这些和其他优点和特征将变得更显而易见。
附图说明
被看作是本发明的主题在申请文件的结尾的权利要求中被特别地指出并明确地要求保护。根据下面的结合附图进行的详细描述本发明的前述和其他特征以及优点是显而易见的。
图1示出了传动系统的示例性实施例，其包括安装在传动系统中的绕线式励磁发电机；
图2为根据示例性实施例的绕线式励磁发电机的电气示意图的示例；
图3示出了具有嵌套的励磁机级和主发电机级的绕线式励磁发电机示例性实施例的剖视图；
图4示出了制造具有嵌套的励磁机级和主发电机级的绕线式励磁发电机的过程。
利用对照附图的示例，详细的描述说明了本发明的实施例以及优点和特征。
具体实施方式
图1描述了传动系统100的示例性实施例。在示例性的实施例中，传动系统100是地面交通工具(诸如卡车或坦克)的传动系统的一部分。传动系统100包括插装在发动机104和变速器106之间的绕线式励磁发电机102。在示例性的实施例中，绕线式励磁发电机102具有与发动机104和变速器106上已有的连接点对准的连接点108。因此，当绕线式励磁发电机102被插装到传动系统100中时，可以将对已有部件(例如发动机104和变速器106)的影响降到最小。虽然描述绕线式励磁发电机102位于发动机104和变速器106之间，但是可以理解的是在传动系统100上的部件的设置不受此限制。例如，可以有附加的部件，例如插装到传动系统100中的离合器，或者如果希望绕线式励磁发电机102具有更小的直径，那么绕线式励磁发电机102可以被连接到变速器106的相对端。
图2描述了图1中的绕线式励磁发电机102的电气示意图200的示例。电气示意图200包括建立直流(DC)电场的励磁机线圈202。励磁机线圈202可以从直流电源(例如电池或交流发电机(未示出))接收直流电力。励磁机线圈202可以实施为励磁机定子，具有围绕铁芯缠绕的导电线圈。励磁机电枢204从由励磁机线圈202建立的直流电场接收感生电流。作为旋转装置206的一部分，励磁机电枢204在旋转通过直流电场时产生交流电(AC)。旋转装置206还包括旋转整流器组件208，其将由励磁机电枢204产生的交流电转换为直流电。交流电到直流电的转换可以使用多个二极管实施。转子线圈210被连接到旋转整流器组件208以建立主旋转直流电场。在示例性实施例中，转子线圈210是主级转子的一部分，其包括围绕铁芯缠绕的导电线圈以建立主旋转直流电场。
当转子线圈210在主级输出线圈212附近旋转时，主级输出线圈212产生由转子线圈210的主旋转直流电场感生的交流电。在示例性实施例中，主级输出线圈212是绕场发电机的主级定子的一部分，其包括围绕铁芯缠绕的导电线圈。可以使用电流互感器214从主级输出线圈212提取电流用于检测目的或为其他用途提供交流电力。附加入口点，例如入口点216和入口点218也可以用于检测或其它用途。由主级输出线圈212产生的交流电可以被发送到输出整流器组件220以执行交流电到直流电的转换。交流电到直流电的转换可以使用多个用于整流二级管来执行。连接点222和连接点224提供了由输出整流器组件220输出的高压直流电的接入。电磁干扰(EMI)滤波器226可以被连接在连接点222和连接点224之间以过滤EMI效应，例如高频噪音。
图2中的部件可以被重复多次并以变化的比例来适应多种几何形状和功率需求。例如，多个线圈可以围绕中心轴线沿圆周分布。图2中的部件也可以进一步划分成分布在多个物理位置之间的组。例如，输出整流器组件220可以远离主极输出线圈212定位。
图3示出了图1的绕线式励磁发电机102的示例性实施例的剖面图。图3的绕线式励磁发电机102包括主级定子302和主级转子304，两者可以总地被称为主发电机级305。旋转整流器组件306可以被用于将主发电机级305与嵌套的励磁机级307电连接，励磁机级307包括励磁机级定子308和励磁机级转子310。主级转子304和励磁机级转子310被连接到由驱动轴314的旋转驱动的转子构件312。在示例性实施例中，驱动轴314围绕绕线式励磁发电机102的中心轴线316旋转，从而使转子构件312旋转。当转子构件312旋转时，主级定子302和励磁机级定子308保持静止。旋转整流器组件306可以被定位于紧邻转子构件312上的主级转子304或励磁机级转子310的位置，并电连接于主级转子304和励磁机级转子310。线套318可以被用于保持配线以支撑旋转整流器组件306。
在示例性实施例中，主级定子302提供了图2中的主级输出线圈212的电特性。主级转子304可以在电气上等同于图2中转子线圈210。旋转整流器组件306可以在电气上等同于图2的旋转整流器组件208。此外，励磁机级定子308可以在电气上等同于励磁机线圈202，以及励磁机级转子310可以在电气上等同于图2的励磁机电枢204。
当驱动轴314旋转时，转子构件312旋转紧邻励磁机级定子308的励磁机级转子310，并且主级转子304紧邻主级定子302旋转。将直流电源(例如来自电池或交流发电机的电流)应用于励磁机级定子308导致直流电场以当转子构件312旋转时建立在励磁机级转子310中感生交流电的电磁场联系。可选地，永磁铁发电机可以整合到绕线式励磁发电机102内从而为绕线式励磁发电机102提供直流电源，以允许绕线式励磁发电机102能自励磁。励磁机级转子310中的交流电流过旋转整流器组件306以在主级转子304中产生直流电。主级转子304中的直流电生成直流电场以当转子构件312旋转时建立在主级定子302中感生交流电的电磁场联系。主级定子302中的交流电可以通过外部输出整流器组件(例如图2中的输出整流器组件222)被转换为直流电。来自绕线式励磁发电机102的交流电力也可以被例如直接使用在交流电配电网中。因此，绕线式励磁发电机102可以直接将驱动轴314的机械旋转转换为高压直流电源和/或交流电源。
如图3所示，主级定子302、主级转子304、励磁机级定子308和励磁机级转子310围绕中心轴线316周向地布置，以使励磁机级定子308和励磁机级转子310相对于主级定子302和主级转子304围绕绕线式励磁发电机102的中心轴线316被径向地嵌套。这种配置导致当绕线式励磁发电机102被插装在发动机104和变速器106之间以及附接在连接点108时对图1中的传动系统100的整体长度影响最小。传动系统位移326表示由于绕线式励磁发电机102造成的在传动系统长度上的增量。在示例性实施例中，传动系统位移326小于100毫米以安装重约64KG并产生约100KW电力的绕线式励磁发电机102的变体。可以理解的是：在本发明的范围内可以实施宽泛的尺寸变化。
在本发明的范围内，嵌套的转子和定子从驱动轴314延伸间隔设置的顺序可以变化。例如，励磁机级转子310和中心轴线316之间的径向距离可以小于励磁机级定子308和中心轴线316之间的径向距离，如图3所示。作为可替换的构造，励磁机级转子310和中心轴线316之间的径向距离可以大于励磁机级定子308和中心轴线316之间的径向距离，例如，颠倒图3所示的励磁机级定子308和励磁机级转子310的相对位置。在类似的构成中，如图3所示，主级转子304和中心轴线316之间的径向距离可以小于主级定子302和中心轴线316之间的径向距离。相反地，主级转子304和中心轴线316之间的径向距离可以大于主级定子302和中心轴线316之间的径向距离。作为另一可替换结构，主发电机级305和嵌套的励磁机级307的相对位置可以颠倒以使主发电机级305和中心轴线316之间的径向距离小于嵌套的励磁机级307和中心轴线316之间的径向距离。
驱动轴314还可以被连接到发动机104和变速器106的部件。例如，在图3中驱动轴314被连接到发动机部件320，其可以是飞轮或其它旋转部件。图3的绕线式励磁发电机102还可以包括其他部件以支持绕线式励磁发电机102的运行。例如冷却液泵322可以被用于将冷却液和/或润滑剂从贮液器324循环到绕线式励磁发电机102的各部件。
多个轴承(例如轴承326和328)可以被用于在绕线式励磁发电机102内支撑旋转。轴承326和328能使绕线式励磁发电机102实现自支撑。在可替换的实施例中，图1中的发动机104内的曲轴被直接连接到转子构件312，其中转子构件312作为发动机104的飞轮。在该实施例中，由于发动机104内的曲轴轴承可以足以支撑转子构件312的旋转，因此轴承326和328可以被省略。主级定子302和励磁机级定子308可以被直接连接到发动机104。
图4描述了在绕线式励磁发电机(例如图1中的绕线式励磁发电机102)中嵌套励磁机级和主发电机级的过程400。在方框402中，在绕线式励磁发电机102中励磁机级转子310被连接到转子构件312。在方框404中，主级转子304被连接到转子构件312。在方框406中，旋转整流器组件306被电连接到励磁机级转子310和主级转子304。在方框408中，设置励磁机级定子308以在绕线式励磁发电机102中与励磁机级转子310建立电磁场联系。在方框410中，设置主级定子302以在绕线式励磁发电机102中与主级转子304建立电磁场联系。在方框412中，励磁机级定子308和励磁机级转子310相对于主级定子302和主级转子304围绕绕线式励磁发电机102的中心轴线316被径向地嵌套。
通过图4中的过程400制造的绕线式励磁发电机102可以通过连接点108内嵌地连接在传动系统100上，以例如将绕线式励磁发电机102连接到发动机104和变速器106。发动机104、绕线式励磁发电机102和变速器106可以由图3中的驱动轴314驱动。励磁机级转子310、励磁机级定子308、主级转子304和主级定子302的多种设置可以被用于将各部件距离中心轴线316放置得更近或更远。使具有更高质量的部件与中心轴线316保持更近可以影响惯性矩以及绕线式励磁发电机102的其它设计/性能参数。
技术效果包括传动系统可安装的绕线式励磁发电机102，其具有嵌套的励磁机级和主发电机级以生成电力。嵌套绕线式励磁发电机的励磁机级和主发电机级导致紧凑的设计，其消除了皮带轮、齿轮或链条传动系统的机械无效。与沿传动系统级联的发电机级和/或使用永磁铁转子相比，嵌套绕线式励磁发电机级还可以减小传动系统长度。使用绕线式励磁发电机，由于可以避免动态整流(active rectification)(否则其可以被用于永磁铁系统中)，因此可以降低系统总重量和成本。如果使用变换器，绕线式励磁发电机还可以被用作集成化起动发电机。
虽然仅在有限数量的实施例方面详细地描述了本发明，但是容易理解的是本发明不限于这些公开的实施例。而是，本发明可以被修改以结合此前未描述的但与本发明的主旨和范围相当的任何数量的变体、修改、替代物或等同设置。此外，虽然已描述了本发明的多个实施例，但是可以理解，本发明的方案可以仅包括一些所述实施例。因此，本发明不将被示为受限于前面的描述，而是仅由所附的权利要求的范围限定。

Claims (18)

1.具有嵌套的励磁机级(307)和主发电机级(305)的绕线式励磁发电机(102)，包括：
连接到转子构件(312)的励磁机级转子(310)；
连接到转子构件(312)的主级转子(304)；
旋转整流器组件(306)，其连接到转子构件(312)并电连接到励磁机级转子(310)和主级转子(304)；
用于与励磁机级转子(310)建立电磁场联系的励磁机级定子(308)；以及
用于与主级转子(304)建立电磁场联系的主级定子(302)，其中励磁机级定子(308)和励磁机级转子(310)相对于主级定子(302)和主级转子(304)围绕绕线式励磁发电机(102)的中心轴线(316)被径向地嵌套。
2.权利要求1的绕线式励磁发电机(102)，还包括用于将绕线式励磁发电机(102)内嵌地连接在传动系统(100)上的连接点(108)。
3.权利要求2的绕线式励磁发电机(102)，其中，传动系统(100)还包括发动机(104)和变速器(106)。
4.权利要求3的绕线式励磁发电机(102)，其中发动机(104)、绕线式励磁发电机(102)和变速器(106)由驱动轴(314)驱动。
5.权利要求2的绕线式励磁发电机(102)，其中，由绕线式励磁发电机(102)在传动系统(100)中产生的传动系统位移(326)小于100毫米。
6.权利要求1的绕线式励磁发电机(102)，其中励磁机级转子(310)和中心轴线(316)之间的第一径向距离小于励磁机级定子(308)和中心轴线(316)之间的第二径向距离。
7.权利要求1的绕线式励磁发电机(102)，其中励磁机级转子(310)和中心轴线(316)之间的第一径向距离大于励磁机级定子(308)和中心轴线(316)之间的第二径向距离。
8.权利要求1的绕线式励磁发电机(102)，其中主级转子(304)和中心轴线(316)之间的第一径向距离小于主级定子(302)和中心轴线(316)之间的第二径向距离。
9.权利要求1的绕线式励磁发电机(102)，其中主级转子(304)和中心轴线(316)之间的第一径向距离大于主级定子(302)和中心轴线(316)之间的第二径向距离。
10.制造具有嵌套的励磁机级(307)和主发电机级(305)的绕线式励磁发电机(102)的方法，包括：
在绕线式励磁发电机(102)中将励磁机级转子(310)连接到转子构件(312)；
将主级转子(304)连接到转子构件(312)；
将旋转整流器组件(306)电连接到励磁机级转子(310)和主级转子(304)；
在绕线式励磁发电机(102)中设置励磁机级定子(308)以与励磁机级转子(310)建立电磁场联系；
在绕线式励磁发电机(102)中设置主级定子(302)以与主级转子(304)建立电磁场联系；以及
相对于主级定子(302)和主级转子(304)围绕绕线式励磁发电机(102)的中心轴线(316)径向地嵌套励磁机级定子(308)和励磁机级转子(310)。
11.权利要求10的方法，还包括：
通过连接点(108)将绕线式励磁发电机(102)内嵌地连接在传动系统(100)上。
12.权利要求11的方法，其中传动系统(100)还包括发动机(104)和变速器(106)。
13.权利要求12的方法，其中发动机(104)、绕线式励磁发电机(102)和变速器(106)由驱动轴(314)驱动。
14.权利要求11的方法，其中由绕线式励磁发电机(102)在传动系统(100)中产生的传动系统位移(326)小于100毫米。
15.权利要求10的方法，其中励磁机级转子(310)和中心轴线(316)之间的第一径向距离小于励磁机级定子(308)和中心轴线(316)之间的第二径向距离。
16.权利要求10的方法，其中励磁机级转子(310)和中心轴线(316)之间的第一径向距离大于励磁机级定子(308)和中心轴线(316)之间的第二径向距离。
17.权利要求10的方法，其中主级转子(304)和中心轴线(316)之间的第一径向距离小于主级定子(302)和中心轴线(316)之间的第二径向距离。
18.权利要求10的方法，其中主级转子(304)和中心轴线(316)之间的第一径向距离大于主级定子(302)和中心轴线(316)之间的第二径向距离。
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