CN102651274A - 用于同步电机的高频旋转变压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于电机的高频旋转变压器，包括具有原边变压器绕组的原边变压器部件和具有副边变压器绕组的副边变压器部件。原边变压器绕组构造成通过DC-AC变流器联接到DC电源。副边变压器绕组构造成联接到转子的绕组。原边和副边变压器部件各机械联接到定子或转子。副边变压器部件构造成相对于原边变压器部件旋转以通过原边变压器绕组和副边变压器绕组产生磁通。

Description

用于同步电机的高频旋转变压器

技术领域

本发明大致涉及一种同步电机，更具体地涉及与绕线转子同步电机等结合使用的变压器。

背景技术

现代绕线转子同步电机典型地需要静止的转子磁场与定子磁场相互作用并在电机轴上产生转矩。产生此静止磁场的电能以DC电流的形式由马达外部提供。因为电机转子旋转，需要通过旋转接口提供电能给转子。典型地，此旋转接口通过使用电刷（静止侧）和滑环（旋转侧）来实现。此方法对于长期耐久性（例如，电刷的磨损）和可靠性（在不利环境下的电刷至滑环的电接触的劣化）是不令人满意的。

另一种方法，主要见于发电工业中的大发电机，是使用低频旋转变压器。变压器的原边绕组通过可变电阻器或自耦变压器连接到电网以调节输入电能。变压器的副边绕组与同步发电机的转子一起旋转。固态或机械整流器将来自变压器副边的AC电能转换为提供给发电机磁场绕组的DC电能。因为这样的变压器在相对低的电网频率（例如，60Hz）下操作，这样的装置倾向于过大和过重。

因此，需要在绕线转子同步电机中使用的更紧凑和有效的变压器设计。结合附图和上述技术领域和背景技术，从后续的详细说明和所附权利要求中，可以显而易见到本发明的其他理想特征和特性。

发明内容

根据本发明的一个实施例，用于电机的高频旋转变压器包括具有原边变压器绕组的原边变压器部件和具有副边变压器绕组的副边变压器部件。原边变压器绕组构造成通过DC-AC变流器（逆变器）联接到DC电源。副边变压器绕组构造成联接到转子的绕组（例如，间接地，通过整流器/滤波器电路）。原边和副边变压器部件各机械联接到定子或转子。副边变压器部件构造成相对于原边变压器部件旋转。原边中AC电流通过原边变压器绕组和副边变压器绕组产生磁通。

根据一个实施例的旋转变压器电源系统包括构造成接收DC输入和转子电流指令的逆变器模块；其中提供有转子绕组的转子；旋转变压器，所述旋转变压器包括：具有原边变压器绕组的原边变压器部件，所述原边变压器绕组构造成与逆变器模块相联接；具有与转子的绕组相联接的副边变压器绕组的副边变压器部件，其中原边和副边变压器部件各机械联接到定子或转子；并且其中副边变压器部件构造成相对于原边变压器部件旋转以通过原边变压器绕组和副边变压器绕组产生磁通。

此外，本发明还涉及以下技术方案。

1. 一种用于具有定子和转子的电机的高频旋转变压器，所述旋转变压器包括：

具有原边变压器绕组的原边变压器部件，所述原边变压器绕组构造成与DC电源联接；以及

具有副边变压器绕组的副边变压器部件，所述副边变压器绕组构造成与所述转子的绕组联接；

其中，所述原边变压器部件和副边变压器部件各机械联接到所述定子或转子；以及

其中，所述副边变压器部件构造成相对于所述原边变压器部件旋转以通过所述原边变压器绕组和所述副边变压器绕组产生磁通。

2. 根据技术方案1所述的旋转变压器，其特征在于，所述副边变压器部件构造成相对于所述原边变压器部件旋转以提供大于约60Hz的变压器频率。

3. 根据技术方案1所述的旋转变压器，其特征在于，所述原边变压器部件和所述副边变压器部件被轴向间隙分开。

4. 根据技术方案3所述的旋转变压器，其特征在于，所述原边变压器部件机械联接到所述定子，所述副边变压器部件机械联接到所述转子。

5. 根据技术方案1所述的旋转变压器，其特征在于，所述原边变压器部件和所述副边变压器部件被径向间隙分开。

6. 根据技术方案5所述的旋转变压器，其特征在于，所述原边变压器部件机械联接到所述定子，所述副边变压器部件机械联接到所述转子。

7. 根据技术方案6所述的旋转变压器，其特征在于，所述副边变压器部件套在所述转子的毂的内径中。

8. 根据技术方案1所述的旋转变压器，其特征在于，还包括设置在所述原边变压器部件和所述副边变压器部件的至少一个中的冷却液体路径。

9. 根据技术方案1所述的旋转变压器，其特征在于，所述冷却液体路径构造成接收汽车变速器油。

10. 一种旋转变压器电源系统，包括：

构造成接收DC输入和转子电流指令的逆变器模块；

其中提供有转子绕组的转子；

旋转变压器，所述旋转变压器包括：

      具有原边变压器绕组的原边变压器部件，所述原边变压器绕组构造成与所述逆变器模块联接；以及

      具有与所述转子的绕组联接的副边变压器绕组的副边变压器部件，

其中，所述原边变压器部件和副边变压器部件各机械联接到所述定子或所述转子，并且其中，所述副边变压器部件构造成相对于所述原边变压器部件旋转，以通过所述原边变压器绕组和所述副边变压器绕组产生磁通。

11. 根据技术方案10所述的系统，其特征在于，还包括在所述旋转变压器和所述转子绕组之间相互连接的AC-DC部件。

12. 根据技术方案10所述的系统，其特征在于，所述原边变压器部件和所述副边变压器部件被轴向间隙分开。

13. 根据技术方案12所述的系统，其特征在于，所述原边变压器部件机械联接到所述定子，所述副边变压器部件机械联接到所述转子。

14. 根据技术方案10所述的系统，其特征在于，所述原边变压器部件和所述副边变压器部件被径向间隙分开。

15. 根据技术方案14所述的系统，其特征在于，所述原边变压器部件机械联接到所述定子，所述副边变压器部件机械联接到所述转子。

16. 根据技术方案15所述的系统，其特征在于，所述副边变压器部件套在所述转子的毂的内径中。

17. 根据技术方案10所述的系统，其特征在于，所述原边变压器绕组和所述副边变压器绕组是环形的。

18. 根据技术方案10所述的系统，其特征在于，所述副边变压器部件构造成相对于所述原边变压器部件旋转以提供大于约60Hz的变压器频率。

19. 一种用于提供电能给具有转子和定子的电机的方法，包括如下步骤：

在高频旋转变压器接收指示转子电流指令的AC信号；

通过相对于所述高频旋转部件的原边绕组旋转所述高频旋转变压器的副边绕组以产生磁通而通过所述高频旋转变压器联接所述AC信号；

将所述联接的AC信号转换为DC信号；

提供所述DC信号给所述转子的绕组。

20. 根据技术方案19所述的方法，其特征在于，所述联接包括相对于所述原边绕组旋转所述副边绕组，使得所述高频旋转变压器的频率大于约60Hz。

附图说明

下面将结合以下附图来描述本发明，其中相同的附图标记表示相同的元件，附图中：

图1是根据一个实施例的与同步电机相关的旋转变压器电源系统的概念框图；

图2是根据一个实施例的轴向间隙旋转变压器的示意性横截面图；

图3是根据一个实施例的径向间隙旋转变压器的示意性横截面图。

具体实施方式

总体上，本发明的实施例涉及构造成提供电能给绕线转子同步电机的磁场绕组的紧凑的、重量轻的、高频旋转变压器。为了简单清楚地说明，附图描绘了各种实施例的总体结构和/或构造方式。附图中的元件没有必要按比例绘制：一些特征的尺寸可相对于其他元件被放大以帮助理解示例性实施例。为简明起见，本领域技术人员已知的传统技术、结构和原理不在本文描述，包括，例如，马达和旋转电机的基本原理、变压器的基本操作原理。

参考图1中显示的概念框图，旋转变压器电源组件（或简称为“组件”）100大致包括通过旋转变压器112和整流器/滤波器模块114电联接到同步电机转子绕组116上的DC-AC变流器（逆变器）104（和相关的控制处理器或“处理器”105）。因此，组件110实现DC-DC变流器，在该DC-DC变流器中静止部件130通过旋转变压器112电联接到旋转部件140，如下文更详细描述的。

逆变器104，可为本领域已知的传统开关电源逆变器，联接到DC输入102，例如，来自与混合动力电动车辆结合使用的类型的牵引母线的DC电能。逆变器104还从逆变器控制处理器106接收转子电流指令108并发送状态报告110到逆变器控制处理器106。处理器105接收电流指令108，控制电能转换过程，实现监测和保护功能并提供状态报告110返回给逆变器控制处理器106。因此，接收的转子电流指令108施加到转子的磁场绕组116上（通过旋转变压器112和模块114）。

参考图2中显示的概念横截面图，现在将描述根据本发明的一个实施例的旋转变压器112。如显示的，旋转变压器112包括具有原边变压器绕组230的大致盘形的原边部件212（本文统称为“原边”）和具有副边变压器绕组232的相应的副边部件214（本文统称为“副边”）。因为在原边212和副边214之间沿轴向（即，沿马达轴206的旋转轴线205）提供间隙，在图2中说明的实施例通常称为“轴向间隙”旋转变压器。应当理解，图2是简化的、示意性的说明，不需要按比例绘制，并且在实际的实施例中可包括另外的传统马达部件。

继续参考图2，如说明的，原边212机械联接到定子（未示出）。另一方面，副边214联接到转子208，例如，具有相应的转子绕组210的转子组。在备选实施例中，原边212可联接到定子，而副边214联接到转子208。电触点202提供由原边绕组230到静止开关模式电源（即图1中的逆变器104）的连接。传统整流器/滤波电路216（相应于图1中的块114）还机械联接到转子208并电联接在变压器绕组232和转子绕组210之间。在操作期间，转子208、整流器/滤波电路216、副边214和马达轴206相对于原边212和相关的定子（未示出）旋转。结果，通过绕组230和232产生磁路204，而与转子速度或位置无关，由此提供指令的电能给绕组210。

旋转变压器112可用各种方式制造并使用各种已知的材料。在一个实施例中，例如，旋转变压器112包括铁氧体旋转变压器。如显示的，旋转变压器112的铁芯的分段改善了强度，防止了如果使用易碎的材料（例如铁氧体）时铁芯的磁材料在振动下破裂。变压器112的尺寸可基于转子尺寸、定子尺寸等来选择以实现所需的性能。

现在参考图3，将描述旋转变压器112的备选实施例。与图2中显示的实施例不同，说明的实施例包括在变压器原边和副边部件之间的径向间隙。更具体的，在这个实施例中的旋转变压器112包括具有原边变压器绕组332的原边部件312（本文统称为“原边”）和具有副边变压器绕组330的相应的副边部件314（本文统称为“副边”）。在原边312和副边314之间在径向上提供间隙（即，从旋转轴线305径向延伸）。图3中说明的实施例通常称为径向间隙旋转变压器。

如说明的，原边312机械联接到具有定子绕组310的定子308。副边314安装在转子毂320中，并随其旋转。在备选实施例中，原边312可联接到转子毂320，而副边314联接到定子308。电触点302提供由原边绕组332到静止开关模式电源（例如，图1中的逆变器104）的连接。合适的整流器/滤波电路包括在旋转变压器112中，邻近变压器的副边铁芯。在操作期间，转子毂320、副边314和整流器/滤波器相对于原边312和定子308旋转。结果，通过绕组330和332产生磁路304，由此提供指令的电能给转子绕组。

应当理解，根据图3中显示的实施例，将旋转变压器112套在马达转子毂320中通过减少电机的总长度节省了空间。即，旋转变压器112不在轴向上延伸超过转子毂320本身。此外，因为变压器112的外部联接到转子，产生的施加在转子绕组上的离心力倾向于将绕组按压在结构中。以这种方式，自动实现了在高转子速度下的绕组保持。

期望在旋转变压器112的铁芯中的磁通304、204与变压器静止部分（定子或原边）和旋转部分（转子、副边）之间的角位置无关。根据图2和图3的实施例，当变压器的转子随着马达转子以任何速度旋转时，由原边感应到其中的电压不改变，无论原边和副边之间的相对速度如何。

在各种实施例中，为实现高功率密度，旋转变压器优选地用流体冷却，例如传统的油。例如，从汽车变速器提供的油可引入旋转变压器112的移动表面之间。然后，油通道可提供到转子和/或定子中用于绕组冷却。如图3中描述的，油路350可提供用于润滑旋转变压器112的各个表面。

根据一个实施例，为补偿在马达转子320中的可使得变压器112部件之间不对准的任何轴向间隙，部件中的一个优选地构造成在轴向上厚出等于最大轴向间隙值的量。用这种方式，通过变压器112的磁通204、304将基本上在转子的轴向间隙限度之内不变。

应当理解，图2和图3中说明的旋转变压器112是通常几十或几百千赫兹等级或更高的高频变压器。这与操作在60Hz频率等级的大的、低频变压器不同。

根据说明的实施例，图2的绕组230和232和图3的绕组330和332包括连续的环，而不是在很多现有技术的变压器中的分段绕组。

总之，已描述的是为绕线旋转同步电机的磁场绕组供电的改进的旋转变压器设计。通过使用显示的分段原边和副边变压器部件，提供了很紧凑的、轻的、可制造的高频电源。

虽然已在以上对本发明的详细描述中介绍了至少一个示例性实施例，但是应当理解的是，存在着大量的变型。还应当理解的是，示例性实施例仅仅是示例，且不旨在以任何方式限制本发明的范围、可应用性或配置。相反，上述的详细描述将为本领域技术人员提供用以实施本发明示例性实施例的方便的路线图，应当理解的是，在不脱离所附权利要求及其法律等效物中所陈述的本发明范围的情况下，可以在示例性实施例中所描述元件的功能和布置上作各种变化。

Claims (10)

1.一种用于具有定子和转子的电机的高频旋转变压器，所述旋转变压器包括：

具有原边变压器绕组的原边变压器部件，所述原边变压器绕组构造成与DC电源联接；以及

具有副边变压器绕组的副边变压器部件，所述副边变压器绕组构造成与所述转子的绕组联接；

其中，所述原边变压器部件和副边变压器部件各机械联接到所述定子或转子；以及

其中，所述副边变压器部件构造成相对于所述原边变压器部件旋转以通过所述原边变压器绕组和所述副边变压器绕组产生磁通。

2.根据权利要求1所述的旋转变压器，其特征在于，所述副边变压器部件构造成相对于所述原边变压器部件旋转以提供大于约60Hz的变压器频率。

3.根据权利要求1所述的旋转变压器，其特征在于，所述原边变压器部件和所述副边变压器部件被轴向间隙分开。

4.根据权利要求3所述的旋转变压器，其特征在于，所述原边变压器部件机械联接到所述定子，所述副边变压器部件机械联接到所述转子。

5.根据权利要求1所述的旋转变压器，其特征在于，所述原边变压器部件和所述副边变压器部件被径向间隙分开。

6.根据权利要求5所述的旋转变压器，其特征在于，所述原边变压器部件机械联接到所述定子，所述副边变压器部件机械联接到所述转子。

7.根据权利要求6所述的旋转变压器，其特征在于，所述副边变压器部件套在所述转子的毂的内径中。

8.根据权利要求1所述的旋转变压器，其特征在于，还包括设置在所述原边变压器部件和所述副边变压器部件的至少一个中的冷却液体路径。

9.一种旋转变压器电源系统，包括：

构造成接收DC输入和转子电流指令的逆变器模块；

其中提供有转子绕组的转子；

旋转变压器，所述旋转变压器包括：

      具有原边变压器绕组的原边变压器部件，所述原边变压器绕组构造成与所述逆变器模块联接；以及

      具有与所述转子的绕组联接的副边变压器绕组的副边变压器部件，

其中，所述原边变压器部件和副边变压器部件各机械联接到所述定子或所述转子，并且其中，所述副边变压器部件构造成相对于所述原边变压器部件旋转，以通过所述原边变压器绕组和所述副边变压器绕组产生磁通。

10.一种用于提供电能给具有转子和定子的电机的方法，包括如下步骤：

在高频旋转变压器接收指示转子电流指令的AC信号；

通过相对于所述高频旋转部件的原边绕组旋转所述高频旋转变压器的副边绕组以产生磁通而通过所述高频旋转变压器联接所述AC信号；

将所述联接的AC信号转换为DC信号；

提供所述DC信号给所述转子的绕组。

Images