CN102349221A - 用于供给电动发电机中的励磁绕组的旋转变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种旋转变换器，所述旋转变换器尤其适用于向同步电机的励磁绕组供给电流。固定定位的初级绕组装置(3)由AC电压源(4)馈电。次级绕组装置(2)装配在转子(1)上，并且感应耦合到所述初级绕组装置。为了使组装简单，所述初级绕组装置具有至少两个初级绕组(32)，所述至少两个初级绕组(32)中的每一个都相对于所述转子的旋转方向在预定扇区上延伸。因此能够分离地装配初级绕组，并且以节省空间的方式将所述装置布置在电动发电机中此外仍未使用的区域中。

Description

用于供给电动发电机中的励磁绕组的旋转变换器

技术领域

本发明涉及一种用于将电功率从定子传输到转子的设备。这种设备也被称为旋转变换器。本发明还涉及一种装配有这种旋转变换器的电动发电机。

背景技术

同步电机形式的发电机具有位于转子上的一个或多个励磁绕组。励磁绕组是在运行过程中产生恒定磁场的配线(conductor arrangement)，恒定磁场与转子一起旋转以在定子的绕组中感应产生AC电压。可以设置电刷和滑环以向旋转励磁绕组供给电流。然而，它们容易受到磨损。因此常常设置无刷励磁器(exciter)，其中存在形式为外极发电机且向实际发电机的励磁绕组提供电流的辅助发电机。在辅助发电机中，安装到转子上的转子绕组在定子中产生的静磁场中旋转。辅助发电机的转子绕组中产生的电压在适当整流(rectification)后能够用来提供给实际发电机的励磁绕组。然而，这种辅助发电机需要相对大的空间。

WO 95/26069因此提出使用一种旋转变换器将电功率从定子传输到转子，以代替辅助发电机。那里所提出的旋转变换器包括两个线圈，所述两个线圈绕旋转轴同心地缠绕，并且沿所述旋转轴彼此轴向相对。这种设计使旋转变换器在实践中仅布置在转子轴的端部，并且这相当大地限制设计自由度，结果，当必须使用大型发电机时，这种解决方案特别不适合。

US 6,483,218也提出一种具有这种旋转变换器的电动发电机。在这里，所述变换器同样包括绕转子轴缠绕的两个同心绕组，其中，初级绕组布置在次级绕组的径向外侧，并且部分地环绕次级绕组。然而，这种布置也严重限制电动发电机的可能形式。而且，在组装过程中必须遵守非常特定的顺序。

US 3,758,845提出一种用于电机(electrical machine)的旋转变换器，其中，在转子的外表面上安装扁矩形次级绕组，并且与相应的初级绕组径向相对。虽然这种变换器使装配它的电动发电机组装简单，形式灵活，但仅适用于小信号的传输。而且，能够传输的功率高度依赖瞬间的转子位置。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于限定一种用于将电功率从电子传输到能够旋转的转子的设备，并且所述设备能够设计成节省空间的方式，所述设备组装简单，并且允许在更小依赖旋转角度的条件下传输更大的功率级。

这个目的通过具有权利要求1的特征的设备实现。优选实施例在从属权利要求中限定。

因此，本发明限定一种用于将电功率从定子传输到转子的设备，所述设备具有：

AC电压源，其用于产生AC电压；

定子，其具有由所述AC电压源输电的初级绕组装置；以及

转子，其具有次级绕组装置，所述次级绕组装置具有一个或多个次级绕组，感应耦合到所述初级绕组装置，其中，所述转子布置成使得转子能够绕旋转轴旋转并且限定旋转方向。

该设备的区别之处在于所述初级绕组装置具有至少两个，优选三个或更多个初级绕组，所述转子的旋转轴不通过所述初级绕组，所述初级绕组中的每一个都相对于所述旋转轴的旋转方向在预定扇区(角度范围)上延伸，并且所述初级绕组相对于所述旋转方向彼此偏置地布置。

术语至少两个初级绕组还意图覆盖包括两个半部分的线圈的实施例，所述两个半部分在组装过程中彼此连接，然后形成绕组。

每个初级绕组优选延伸至多180°的扇区，并且所述初级绕组布置成使得所述初级绕组不重叠，并且特别是相对于旋转方向一个在另一个后面地布置。

由于形成所述转子轴不通过的至少两个分开的初级绕组，能够一方面彼此分开地装配初级绕组，并且这样在不可能装配具有共轴绕组的变换器的位置设置变换器。特别地，所述变换器不需要布置在所述转子的一个端部，如现有技术中的解决方案那样的情况。而且，所需要的空间显著小于辅助发电机所占用的空间，结果，所述转子不需要不必要地延长。这里作出的特别贡献在于，变换器能够以相对高的频率运行，这样允许高功率密度。另一方面，保证甚至是相对高功率级的稳定传输，这是因为不只存在单个初级绕组，而是存在在周缘上分布地布置的多个这种初级绕组。

在本上下文中，绕组意思是形式为环的任何期望的导体装置，其适用于电流流过和适用于在该过程中产生磁场，并且其适用于允许磁通量通过和适用于输出作为该通量变化的结果的感应电压。在这种情况下，绕组能够常规地是具有一匝(turn)或多匝的线圈。然而，例如，还可以包括单个导体环和/或金属杆，带或中空导体，水或气体能够为冷却目的而穿过中空导体。

所述初级绕组中的每一个都优选布置在分开的磁芯上。这使泄漏损失达到最小，并且实现更高的效率。由于每个初级绕组与分开的芯部相关联，每个初级绕组能够与其芯部以简单的方式分开地装配。在这种情况下，所述芯部可以具有各种构型，这取决于特定要求。特别地，所述芯部可以具有E形轮廓、U形轮廓或在最简单的情形下，I形轮廓的截面。

为了简化制造，所述磁芯可包括多个单独制造的芯部区段，其中，这些芯部区段中的每一个只在所述相关联的初级绕组的扇区(部分角度范围)的一部分上延伸。在这里所提出的变换器的实施例中，这是可能的，这是因为在周向方向(旋转方向)上不存在可观的磁通量，并且所述芯部区段之间的不可避免的间隙对芯部的磁特征没有显著的影响。

所有初级绕组优选具有相同的尺寸，并且也优选设计成是相同的。为了保证功率的稳定传输，优选设置至少三个初级绕组，并且所述初级绕组相对旋转方向均匀地分布。

所述初级绕组装置和次级绕组装置优选彼此径向相对，也就是说，由绕组所围绕或限定的区域具有大致在径向方向上指向的法平面。或者换句话说，所述初级绕组和次级绕组优选均大致定位在圆柱的表面上。再换句话说，穿过所述绕组的磁场优选基本上在径向方向上覆盖(cover)所述初级侧电路和次级侧电路之间的间隙，也就是说，所述初级绕组装置和次级绕组装置之间的感应耦合是大致径向的。然而，对所述初级绕组装置和次级绕组装置而言，在距离旋转轴一距离处彼此轴向相对也是可行的。

每个初级绕组优选具有两个部段，所述两个部段大致平行地伸展，基本上在周向方向上延伸，并且电流在运行中通过两个部段在相反方向上流动，其中，这些部段的长度明显大于它们的间距，也就是说，所述绕组具有沿着旋转方向或周向方向伸长的弯曲形状。这造成特别细长结构的变换器。然而，其他绕组形式也是可能的。

为了节省空间，所述初级绕组装置优选布置在径向环绕所述次级绕组装置的区域中，并且所述初级绕组装置和次级绕组装置优选布置在所述转子的周缘上。

所提出的变换器的效率能够通过在谐振时运行而得到显著改善。为此，所述初级绕组中的每一个都优选形成谐振电路的一部分，并且所述AC电压源设计成，使得在运行过程中，所述AC电压源产生在谐振电路的谐振附近的工作频率的AC电压。在谐振时运行的变换器的一个实例例如在下述文件中说明：R.Mecke和C.Rathge，High frequency resonant inverter forcontactless energy transmission over large air gap，IEEE 35^th AnnualPower Electronics Specialists Conference(PESC)，2004，Volume 3，pp.1737-1743。在这种情况下，每个初级绕组可以是分开的谐振电路的一部分，或者多个或所有初级绕组能够相互连接以形成单个谐振电路。

所述变换器的工作频率优选在中频到高频范围内，尤其是在高于约400Hz的范围内。所述AC电压源因此设计成产生在这种工作频率的AC电压，并且可以例如由适当操作的逆变器或变频器形成。合适的AC电压源在现有技术中是已知的。所述工作频率为优选约1KHz到20KHz，但也可以超过这个范围，例如可以达到50KHz或更高。工作频率的选择尤其依赖于所使用的磁芯的损失特性。

在一个优选的改进方案中，不仅存在多个初级绕组，而且所述次级侧装置也具有至少两个次级绕组，其中，每个次级绕组相对于所述转子的旋转方向在预定的扇区上延伸，并且所述次级绕组布置成相对于所述旋转方向彼此偏置。特别地，这能够使所述转子设计成，允许补偿可能的不平衡。特别地，所述多个次级绕组具有相同的尺寸，并且优选也具有相同的结构，所述多个次级绕组能够布置成在周向方向或旋转方向上均匀地分布。

通过将所述次级绕组布置在共同磁芯上而实现特别精致和简单的结构，其中，所述共同磁芯在转子的径向外侧(在其周缘上)环绕所述转子。该芯部可包括在周向方向上绕所述转子缠绕的至少一个层压板(laminate)。

本发明涉及一种电动发电机，特别地，本发明涉及一种同步电机形式的发电机，如上所述，所述发电机的励磁绕组由用于电功率传输的设备馈电。为此，所述电动发电机包括至少一个励磁绕组，所述至少一个励磁绕组连接到所述转子，以产生与所述转子旋转的磁场，并且所述电动发电机包括连接到所述转子的至少一个整流装置。所述次级绕组装置电连接到所述整流装置，以对所述次级绕组装置中感应的次级侧电压进行整流，并且所述整流装置电连接到所述励磁绕组，以向励磁绕组馈送所述已整流的次级侧电压。

此外，所述电动发电机可以具有连接到所述转子的风扇。为了节省空间，所述次级绕组装置则能够布置在相对于轴向方向位于所述励磁绕组和风扇之间的转子的区域中。

所提出的励磁电流供应允许高度灵活地向激励器馈电。特别地，因此能够使所述电动发电机具有由不同的次级绕组单独地馈电的两个或更多个励磁绕组。

附图说明

参照附图，在下面的文字中描述本发明的优选实施例，这些附图仅仅用于阐明本发明，不应解释为限制性的。在附图中：

图1显示通过根据本发明第一实施例的旋转变换器的示意性纵截面；

图2显示图1中所示旋转变换器的初级绕组装置的示意性透视图；

图3显示初级绕组装置的单个区段的示意性透视图；

图4显示两个连续区段之间的连接的例示图；

图5显示具有两个初级绕组和四个次级绕组的旋转变换器的电示意图；

图6显示转子盖和风扇之间的旋转变换器的布置的示意性例示图；

图7显示通过根据本发明第二实施例的旋转变换器的示意性纵截面；

图8显示用于根据本发明第三实施例的旋转变换器的次级绕组装置的在转子上缠绕的芯部；

图9显示具有芯部和布置在芯部上的次级绕组的转子的示意性例示图；

图10显示具有芯部、次级绕组和端环的完整次级绕组装置的示意性例示图。

具体实施方式

图1中示意性地例示本发明的第一实施例。在图1中仅非常示意性地表示转子1，转子1安装成能够绕旋转轴11旋转。可旋转的变换器具有初级侧3和次级侧2，可旋转的变换器沿着转子1的周缘安置。次级侧2附接到转子1的周缘上，并且与其旋转，而初级侧3的位置固定。初级侧3从逆变器或变频器形式的AC电压源4输入中频范围(约2KHz到50KHz)的初级侧电压。

次级侧2包括磁芯21，磁芯21由铁层压板以本身已知的方式形成，以使涡流损失最小。磁芯21具有E形轮廓的横截面，磁芯21限定两个平行沟槽，两个平行沟槽在周向(旋转方向)上延伸，并且在外部径向开口。次级绕组22插入到这些沟槽中。多个相同的次级绕组22以一个在另一个后面的方式分散布置在转子的周缘上，其中，这些次级绕组22中的每一个仅在周缘的特定扇区(角度范围)上延伸。为此，芯部21关于旋转方向被多次中断，至少达到次级绕组22能够在这些中断的区域中被闭合的程度。替代具有多个中断的芯部21，还能够设置多个分开的芯部21，其中，每个次级绕组22与其自己的芯部21相关联。每个次级绕组22围绕其法平面在各处径向向外指向的曲线形区域。为了达到转子1的良好平衡，优选至少三个次级绕组22均匀地分布在周缘上。

次级绕组22经由仅仅示意性表示的线23连接到整流装置24，以便对在次级绕组22中感应产生的次级侧电压进行整流，整流装置24同样也仅仅示意性地表示，并且其本身是本领域技术人员所公知的。整流装置24的输出连接到励磁绕组装置，并且将整流后的次级侧电压输入到励磁绕组，其中，励磁绕组装置在图1中并未示出，但是同样布置在转子1上。

图2至图4更详细地例示用于初级侧的一个可能实施例。所述初级侧由三个相同的区段形成，这三个相同的区段均匀地分布在转子的周缘上，并且在环绕次级绕组的区域中，布置在次级绕组的径向外侧。这些区段中的每一个包括磁芯31，磁芯31具有E形横截面的轮廓，并且因此限定两个平行的沟槽，这两个平行的沟槽沿着周向延伸，并且径向向内开口。初级绕组32插入到每个区段的两个沟槽中。

在本实施例中，每个初级绕组32包括四匝(turn)(参见图1)，但当然也可以具有更多或更少匝，甚至在极端情况下可以仅具有单匝。每个初级绕组32具有伸长的基本形状，特别是具有弯曲的矩形形状，其中，矩形的两个长边沿着周向方向延伸并且插入到芯部31的沟槽中，而短边在轴向方向上与这两个长边连接并且在芯部31的外部延伸。总之，这因此导致每个区段在轴向方向上具有非常细长的构型。由初级绕组32围绕的弯曲区域具有各处都在径向方向上指向的法平面，也就是说，初级绕组与次级绕组径向相对，初级侧和次级侧的芯部的电极表面面向轴向方向，且初级侧和次级侧之间的磁通量大致在径向方向上经过这些电极表面之间的间隙。

再一次地，磁芯31本身包括多个芯部区段311、312。这些芯部区段311、312中的每一个都具有U形截面，并且由层压板以通常的形式形成，以便使涡流损失最小。两个芯部区段311、312在每种情况下都在轴向方向上彼此并排地布置，使得这种形式的一对区段大体上形成E形截面。在周向方向上一个在另一个后面地布置多个这种E形对，以便这样形成初级侧的整个磁芯。

如果在这里使用能够购买到的标准零件，则特别地如图4所示，由于弯曲，在周向方向上相邻芯部区段之间能够形成间隙。然而，由于磁力线大致沿着每个单个芯部区段的U形形状，并且因此没有强磁场作用在周向方向上。在实践中，磁通量因此不需要经过连续芯部区段之间的间隙，结果，这些间隙对运行没有严重影响。然而，优选芯部区段311、312之间没有间隙的布置，这通过使芯部区段311、312成型为与定子的曲率相匹配来实现。

具有初级绕组31插入到其中的芯部31由用作壳体的保持件33固定。保持件33包括两个形式为壳元件且彼此轴向并排布置的半部分。所述两个半部分利用螺杆34轴向保持在一起，并且在轴向方向上向芯部31施加夹持力，其中，为了清晰起见，螺杆34仅在图1中显示。在保持件33的每个端部处，保持件具有连接法兰37，其法平面指向周向方向，其中，相邻保持件的连接法兰37沿着周向方向彼此相对，并且通过仅在图4中显示的螺杆38彼此连接。

图5显示根据本发明的变换器的示意性电示意图。在图5的实例中，初级侧3仅具有两个初级绕组32。在本实例中，次级侧2具有四个次级绕组22，每个次级绕组22设有三个接头(connection)。次级绕组22经过次级侧的共同磁芯21和初级侧的磁芯31感应耦合到初级绕组32。次级绕组22的中心接头彼此连接，并且形成DC电压中间电路25的第一电极。次级绕组22的两个其他接头经过一起形成整流装置24的二极管连接到中间电路25的第二电极。这里未显示的励磁绕组由中间电路25输电。

为了实现高效率且低损耗，所述系统优选在谐振时运行。为此，两个初级绕组32中的每一个均具有增加到其上的电容36以形成谐振电路，谐振电路的谐振频率由初级绕组32和电容36的感应系数以已知的方式限定。AC电压源的工作频率调整到该谐振频率，也就是说，所述AC电压源以所述谐振频率或接近谐振频率的频率操作所述初级电路，AC电压源在图5中未显示，但向初级电路供电，这样初级电路是闭合的。虽然图5显示为串联谐振电路，但所述谐振电路也可以是并联谐振电路，或者特别优选地，以串联和并联形式连接的电容的组合。

图6显示这里提出的类型的变换器是怎样以节省空间的方式布置在发电机的所谓转子盖13和风扇6之间的。转子1在这里仅部分地且示意性地显示，转子1装配有仅在图6中显示的励磁绕组12，以便产生与转子1旋转的磁场。这在此处未显示但连接到定子5的感应线圈中产生感应电压。励磁绕组在其中终止的转子1的区域由转子盖13盖住。风扇6在距离转子盖13特定轴向距离处沿所述转子轴连接。在这个区域中具有足够的空间以便容纳具有次级侧2和初级侧3的上述类型的旋转变换器，次级侧2和初级侧3在这里以非常高示意性的形式表示。

图7示意性地显示旋转变换器的替代实施例。在这种情况下，所述初级侧包括具有U形截面的磁芯31’，而次级侧的磁芯21’在这种情况下具有I形截面。在目前情况下，初级绕组32’包括由扁的中空导体形成的单个导体环。单个导体环设有连接线35’，连接线35’同样也是中空的，但在这里仅仅示意性地表示。这允许例如冷却水的冷却液体泵送经过所述导体。AC电压源4向初级侧供给初级侧电压，其中，AC电压源4为本身是已知的逆变器或变频器形式。次级绕组22’也分别由扁的中空导体所形成的单个导体环形成，气体能够通过单个导体环流动以进行冷却。次级绕组22’又连接到整流器24，整流器24固定在转子中，在这里进示意性地表示。

图8至图10例示对次级侧的结构从有利于制造的观点进行的改型。包括金属带的磁芯21”缠绕在转子1上，在这里仅示意性地表示转子1。金属带本身是已知的，且能够用于此目的，特别是非常适用于相对低工作频率的纳米晶体芯带或Fe-Si带。多个次级绕组22”装配到这样形成的共同芯部中，但这些次级绕组22”在这里仅高示意性地表示。这些绕组22”的接头23在轴向方向上输出(pass out)并且朝向转子的表面径向向内弯曲。最后，在其轴端处，所述装置设有两个周缘端环26a、26b，其用于固定所述次级绕组装置，并且进一步使漏磁场减小到最小。

显然，上述描述仅仅例示本发明的优选实施例，不应当用于限制本发明。特别地，上述示例性实施例的多个改型和修改是可能的。例如，一个或多个次级绕组能够分开地向各个励磁绕组馈电；为此能够设置多个独立的整流器装置。与上述示例性实施例相比，所述次级绕组还能够布置成使得它们彼此重叠，并且特别地能够由平行于所述轴且连接到集电环的导体棒形成，其本身如从EP1 708 342所公知的那样。特别地，本发明也能够设置以简单的方式向励磁绕组提供大电流供应，允许20KA或更高，特别是高达100KA的范围内的大电流。

附图标记列表

1                转子

11               转子轴

12               励磁绕组

13               转子盖

2                次级侧

21，21’，21”   芯部

22，22’，22”   次级绕组

23               线

24               整流装置

25               中间电路

26a，26b         固定环

3                初级侧

31，31’         芯部

311，312         芯部区段

32，32’         初级绕组

33               保持件

34               螺杆

35，35’         供应线

36               电容

37               连接法兰

38               螺杆

5                定子

6                风扇

Claims (15)

1.一种用于将电功率从定子传输到转子(1)的设备，所述设备具有：

AC电压源(4)，其用于产生AC电压；

定子(5)，其具有由所述AC电压源(4)馈电的初级绕组装置(3)；以及

转子(1)，所述转子(1)具有次级绕组装置(2)，所述次级绕组装置(2)感应耦合到所述初级绕组装置(3)，其中，所述转子(1)布置成使得所述转子(1)能够绕旋转轴(11)旋转并且限定旋转方向，

其特征在于，

所述初级绕组装置(3)具有至少两个初级绕组(32；32’)，所述转子(1)的旋转轴(11)不通过所述至少两个初级绕组(32；32’)，其中，所述初级绕组(32；32’)中的每一个都相对于所述转子(1)的旋转方向在预定扇区上延伸，并且所述初级绕组(32；32’)相对于旋转方向而彼此偏置地布置。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，

所述初级绕组(32；32’)中的每一个都布置在其自己的磁芯(31；31’)上。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，

所述磁芯(31；31’)包括多个芯部区段(311，312)，其中，这些芯部区段(311，312)中的每一个都在所述相关初级绕组(32；32’)的扇区的一部分上延伸。

4.根据前述权利要求中的任意一项所述的设备，其特征在于，

所述初级绕组(32；32’)具有相同的尺寸并且相对于所述旋转方向均匀地分布。

5.根据前述权利要求中的任意一项所述的设备，其特征在于，

所述初级绕组(32；32’)中的每一个都围绕区域法平面大致在径向方向上指向的区域。

6.根据前述权利要求中的任意一项所述的设备，其特征在于，

所述初级绕组装置(3)布置在径向环绕所述次级绕组装置(2)的区域中。

7.根据前述权利要求中的任意一项所述的设备，其特征在于，

所述初级绕组(32；32’)中的每一个都形成谐振电路的一部分，并且所述AC电压源(4)构造成产生工作频率在所述谐振电路的谐振范围内AC电压。

8.根据前述权利要求中的任意一项所述的设备，其特征在于，

所述AC电压源(4)构造成产生400Hz或更高频率的工作频率的AC电压。

9.根据前述权利要求中的任意一项所述的设备，其特征在于，

所述次级绕组装置(2)具有至少两个次级绕组(22；22’；22”)，其中，每个次级绕组(22；22’；22”)相对于所述转子(1)的旋转方向在预定扇区上延伸，并且所述次级绕组(22；22’；22”)相对于旋转方向彼此偏置地布置。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，

所述次级绕组(22；22’；22”)具有相同的尺寸，并且在旋转方向上均匀分布地布置。

11.根据前述权利要求中的任意一项所述的设备，其特征在于，

所述次级绕组(22；22’；22”)布置于在所述转子(1)的外侧环绕所述转子(1)的共同芯部(21；21’；21”)上。

12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，

所述芯部(21；21’；21”)包括在周向方向上绕所述转子(1)缠绕的至少一个层压板。

13.根据前述权利要求中的任意一项所述的设备，其特征在于，

所述次级绕组装置(2)连接到整流装置(24)，以对所述次级绕组装置中感应的次级电压进行整流。

14.一种具有前述权利要求中的任意一项所述的设备的电动发电机，其中，所述电动发电机具有与所述转子(1)连接的至少一个励磁绕组(12)，以产生与所述转子(1)旋转的磁场，并且所述电动发电机具有连接到所述转子的整流装置(24)，其中，所述次级绕组装置(2)电连接到所述整流装置(24)，以对所述次级绕组装置(2)中感应的次级电压进行整流，并且所述整流装置(24)电连接到所述励磁绕组(12)，以将所述已整流的次级电压馈送到所述励磁绕组。

15.根据权利要求14所述的电动发电机，其特征在于，

所述电动发电机具有连接到所述转子(1)的风扇(6)，其中，所述次级绕组装置(2)布置在相对于轴向方向位于所述励磁绕组(12)和风扇(6)之间的转子(1)的区域中。

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