CN104036935B - 变压器、励磁装置、同步发电机以及同步电动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器、励磁装置、同步发电机以及同步电动机。该变压器的铁芯的第一部分基本上垂直于第三部分，第一部分的一端连接到第二部分，第二部分连接到第三部分，第一部分的另一端与第三部分之间存在间隙，并且第三部分上设置有开孔。转轴该开孔。筒状支架具有筒状部和筒底部，筒状部套在第一部分上，筒底部位于间隙中，转轴固定连接到筒底部的中心位置处。第一线圈缠绕在铁芯上。第二线圈缠绕在筒状支架的筒状部上。使用根据本发明的变压器来给同步发电机或同步电动机的励磁装置提供励磁电流，不需要使用电刷，也不需要额外带动较大质量的铁芯，而只需要带动较轻的线圈和支架，消耗较少的机械能。

Description

变压器、励磁装置、同步发电机以及同步电动机

技术领域

本发明涉及变压器、励磁装置、同步发电机以及同步电动机。

背景技术

电学领域中，在很多场景下，需要向绕轴旋转的电气系统提供电能。例如同步发电机和同步电动机的转子需要使用电能来进行励磁。

下面以同步发电机为例，来进行说明。

目前，大功率同步发电机需要很强的励磁电流。

传统励磁方式有直流励磁机励磁、交流励磁机励磁。两种方式都需要使用电刷和集电环的接触方式来将外界电流引入转子。另外，这两种励磁机的制造也都受到功率的限制。

现在，大多采用静止励磁方式和旋转无刷励磁方式。然而这两种方式也仍然各自存在一些问题。

在采用静止励磁方式的情况下，励磁变压器静止。从励磁变压器副边引出交流电流。该交流电流经整流桥整流而产生直流电流。所产生的直流电流则需要经过集电环电刷才能引入到转子励磁绕组中。而使用电刷和集电环的接触方式在大电流下容易出现各种问题，维护和保养繁复，工作量大。

在采用交流旋转励磁方式的情况下，需要专门制造旋转电枢式交流发电机作为主励磁机，并需要副励磁机为其提供励磁电流。当为大功率同步发电机进行励磁时，需要多级励磁机系统。将作为前一级励磁机的发电机的转子线圈产生的交流电流作为励磁电流提供给作为后一级励磁机的发电机。(多级)励磁机系统与作为最终励磁对象的同步发电机同轴布置，从而避免了电刷和集电环的接触方式。但是这种多级励磁机系统结构复杂，造价高，动态性能不好，并且灭磁慢。

中国专利申请公开文档CN103646757A中公开了一种具有旋转铁芯的变压器，一个线圈缠绕在该旋转铁芯上。该旋转铁芯的转轴可以与同步发电机或同步电动机的转子的转轴对接，从而同步旋转。这样，缠绕在固定铁芯上的线圈中的电能可以被转换为缠绕在旋转铁芯上的线圈中的电能，从而可以直接提供给同步旋转中的转子上的励磁电路，而不需要利用电刷。

然而，铁芯的质量往往较大，带动铁芯转动往往需要耗费较多的机械能。这对于同步发电机和同步电动机都是不期望的。因此，期望能够减轻附加在转子上的结构的质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种变压器，其能够在不需要额外带动较大质量的部件的情况下，以不需要电刷的方式向旋转对象提供电能。

根据本发明的一个方面，提供了一种变压器，包括：铁芯，具有第一部分、第二部分和第三部分，第一部分基本上垂直于第三部分，第一部分的一端连接到第二部分，第二部分连接到第三部分，第一部分的另一端与第三部分之间存在间隙，并且第三部分正对第一部分中心位置处具有开孔；转轴，穿过第三部分的开孔；筒状支架，具有筒状部和筒底部，筒状部套在第一部分上，筒底部位于间隙中，转轴固定连接到筒底部的中心位置处；第一线圈，缠绕在铁芯上；第二线圈，缠绕在筒状支架的筒状部上。

优选地，铁芯的第二部分具有底部和一个或多个从底部延伸的臂部，底部与第一部分连接，臂部与第三部分连接。

优选地，铁芯的第二部分具有底部和筒状壁，底部和第三部分呈圆盘状，底部与第一部分连接，筒状壁与第三部分连接，第一部分从底部的中心位置处沿轴线方向延伸。

优选地，还包括：旋转轨道，设置在第一部分和筒状部之间，用于支撑筒状部，并且便于筒状部旋转。

优选地，筒底部由软磁性材料制成。

优选地，筒状部由非磁性耐磨材料制成。

优选地，还包括：轴套，套在第三部分的开孔中，转轴穿过轴套。

优选地，转轴外侧设置有沿着轴线方向的槽，第二线圈的引线沿着槽穿过开孔；或者转轴是中空的，第二线圈的引线从转轴内部穿过开孔。

根据本发明的另一个方面，提供了一种励磁装置，包括：励磁电路；以及根据本发明的变压器，第二线圈的引线连接到励磁电路，用于向励磁电路提供电流，变压器的转轴适于与转子的转轴对接。

根据本发明的另一个方面，提供了一种同步发电机或同步电动机，包括：转子；根据本发明的励磁装置，其中励磁电路设置在转子上，变压器的转轴与转子的转轴对接，从而同步旋转。

使用根据本发明的变压器来给同步发电机或同步电动机的励磁装置提供励磁电流，不需要使用电刷，也不需要额外带动较大质量的铁芯，而只需要带动较轻的线圈和支架，消耗较少的机械能。

附图说明

图1是根据本发明的变压器的简化示意图；

图2是根据本发明的变压器的剖视图；

图3是根据本发明的变压器的变化形式的简化示意图；

图4是使用根据本发明的变压器进行励磁的同步发电机或同步电动机的简化系统框图。

具体实施方式

下面参考附图详细描述根据本发明的变压器及使用该变压器的励磁装置、同步发电机、同步电动机。

附图是示意性的，并不是按比例绘制的。各部件之间可以有不同的大小比例关系。

为了避免本发明的核心思想被掩蔽，图中没有示出一些细节。例如，没有示出用于固定变压器的铁芯的装置。本领域技术人员应该明白，对于这些细节的各种选择并不会影响本发明的实质。

图1是根据本发明的变压器的简化示意图。图2是图1所示变压器沿轴线160所在平面剖开的剖视图。

如图1和2所示，根据本发明的变压器具有铁芯、第一线圈130和第二线圈140。

铁芯包括三部分，第一部分112、第二部分114和第三部分116。

第一部分112基本上垂直于第三部分116。

第一部分112的一端连接到第二部分114。第二部分114连接到第三部分116。

第一部分112的另一端与第三部分116之间存在间隙125。

第三部分116正对第一部分112中心位置处具有开孔。

转轴150穿过第三部分116的开孔。如图2所示，开孔处可以设置有轴套180，转轴150穿过轴套180。

筒状支架120具有筒状部124和筒底部122(见图2)。筒状部124套在第一部分112上。筒底部122位于间隙125中。

筒底部122是闭合磁路中的一部分，为了减小磁阻，优选地，可以由软磁性材料制成。铁芯的第一部分112、第二部分114和第三部分116、间隙125以及间隙125中的筒底部122构成闭合磁路。

筒状部124不属于闭合磁路，可以由非磁性耐磨材料制成。

转轴150固定连接到筒底部122的中心位置处，从而可以带动筒状支架120旋转。

第一线圈130缠绕在铁芯上，可以缠绕在第一部分112上，也可以缠绕在第二部分114或第三部分116上。图1和2示出了将第一线圈130缠绕在第三部分116上的情形。

第二线圈140缠绕在筒状支架120的筒状部124上。

第一部分112和筒状部124之间可以设置旋转轨道170。旋转轨道170用于支撑筒状部124，并且便于筒状部124旋转。

转轴150的外侧可以设置有沿着轴线160方向的槽(未示出)。第二线圈140的引线可以沿着槽穿过开孔。

或者，转轴150可以是中空的，第二线圈140的引线从转轴150内部穿过开孔。

这样，可以将电能提供给固定的第一线圈130上，在旋转的第二线圈140上感应出电能，提供给旋转的对象，例如同步发电机或同步电动机的转子上的励磁电路。也可以将从例如发电机的转子上引出的电能提供给同步旋转的第二线圈140，在固定的第一线圈130上感应出电能，并向外提供。这样实现了固定的电路与旋转的电路之间的电能传递。

由于只需要额外带动第二线圈140和支撑第二线圈140的筒状支架120旋转，而不需要带动较为沉重的铁芯(第一部分112)转动，需要消耗的机械能较小。

图1中示出了铁芯的第一部分112、第二部分114和第三部分116构成不封闭的“口”字形的情况，其中第二部分114由相互垂直的两个子部分构成。

然而本领域技术人员应该明白，铁芯的第一部分112、第二部分114和第三部分116还可以以其它方式布置。

例如，可以布置为“日”字形等。即，铁芯的第二部分114具有底部和一个或多个从底部延伸的臂部。底部与第一部分112连接，臂部与第三部分116连接。在“日”字形的情况下，是具有两个臂部。根据需要还可以有三个或更多个臂部。第一线圈130可以缠绕在第一部分112、第二部分114或第三部分116。

图3示出了铁芯设置为“日”字形的情况。其中第一线圈130设置在第一部分112上。

另外，铁芯的第二部分114还可以呈圆筒状，具有底部和筒状壁。底部呈圆盘状，相应地第三部分116也呈圆盘状。筒状壁将底部和第三部分116。底部与第一部分112连接。第一部分112从底部的中心位置处沿轴线方向延伸，直到接近第三部分116，并与第三部分116之间留有间隙125。这种情况下，当将铁芯沿过轴线160的平面切开，而不切开第一线圈130和第二线圈140时，所见到的视图将与图3类似。第一线圈130可以也设置在第一部分112上。

另外，在第二部分114呈圆筒状的情况下，第一线圈130也可以设置在筒状壁的内侧。只是优选进一步提供支撑件，来支撑第一线圈130。

至此，已详细描述了根据本发明的变压器。

下面描述使用根据本发明的变压器进行励磁操作的励磁电路、同步发电机或同步电动机。该励磁装置用于同步发电机或同步电动机的转子。

图4是使用根据本发明的变压器进行励磁的同步发电机或同步电动机的简化系统框图。

同步发电机或同步电动机20包括定子21和转子22。另外，还提供了根据本发明的变压器10。

可以将转子22的转轴与变压器10的转轴150配置为能够同步转动。例如，可以将转子22的转轴与变压器10的转轴同轴连接。

在一种实施方式中，转子22的转轴和变压器10的转轴可以通过联轴器(未示出)固定联接。

变压器10与转子22上设置的励磁电路(未示出)构成励磁装置。变压器10的第二线圈140的引线连接到励磁电路，并为励磁电路提供电流。如上所述，第二线圈140的引线可以沿着转轴150外侧的槽穿过变压器10的铁芯的第三部分116的开孔，也可以沿着转轴150中空的内部穿过第三部分116的开孔，从而引出到变压器之外，并进一步进入同步发电机和同步电动机20的内部。

该电流经励磁电路中的整流装置整流，转变为直流电流，并提供给同步发电机或同步电动机的励磁绕组，从而实现励磁。

使用根据本发明的变压器来给励磁电路(励磁装置)提供电流，不需要使用电刷和集电环，并且不需要逐级励磁，系统结构简单。

根据本发明的励磁装置是一种无刷励磁方式，相对现有励磁方式，其结构系统更简单，更容易实现，并且损耗小效率高，电磁噪音低，不增加大轴的阻力矩，消耗极少的机械能。控制方便，维护方便。

至此，已参考附图描述了根据本发明的各个实施例的变压器、励磁装置、同步发电机以及同步电动机。然而，本领域技术人员应该明白，还可以对这些实施例做出各种修改和变更，这些修改和变更同样在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围不受说明书中描述的具体细节的限制，而是由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种变压器，其特征在于，包括：

铁芯，具有第一部分、第二部分和第三部分，第一部分垂直于第三部分，第一部分的一端连接到第二部分，第二部分连接到第三部分，第一部分的另一端与第三部分之间存在间隙，并且第三部分正对第一部分中心位置处具有开孔；

转轴，穿过所述第三部分的开孔；

筒状支架，具有筒状部和筒底部，所述筒状部套在第一部分上，所述筒底部位于所述间隙中，所述转轴固定连接到所述筒底部的中心位置处；

第一线圈，缠绕在所述铁芯上；

第二线圈，缠绕在所述筒状支架的筒状部上。

2.根据权利要求1的变压器，其特征在于，

所述铁芯的第二部分具有底部和一个或多个从所述底部延伸的臂部，

所述底部与第一部分连接，所述臂部与第三部分连接。

3.根据权利要求1的变压器，其特征在于，

所述铁芯的第二部分具有底部和筒状壁，

所述底部和所述第三部分呈圆盘状，

所述底部与第一部分连接，所述筒状壁与第三部分连接，所述第一部分从所述底部的中心位置处沿轴线方向延伸。

4.根据权利要求1的变压器，其特征在于，还包括：

旋转轨道，设置在所述第一部分和所述筒状部之间，用于支撑所述筒状部，并且便于所述筒状部旋转。

5.根据权利要求1的变压器，其特征在于，

所述筒底部由软磁性材料制成。

6.根据权利要求1的变压器，其特征在于，

所述筒状部由非磁性耐磨材料制成。

7.根据权利要求1的变压器，其特征在于，还包括：

轴套，套在所述第三部分的开孔中，所述转轴穿过所述轴套。

8.根据权利要求1的变压器，其特征在于，

所述转轴外侧设置有沿着轴线方向的槽，所述第二线圈的引线沿着所述槽穿过所述开孔；或者

所述转轴是中空的，所述第二线圈的引线从所述转轴内部穿过所述开孔。

9.一种用于同步发电机或同步电动机的转子的励磁装置，其特征在于，包括：

励磁电路；以及

根据权利要求1至8中任何一项所述的变压器，所述第二线圈的引线连接到所述励磁电路，用于向所述励磁电路提供电流，

所述变压器的转轴适于与所述转子的转轴对接。

10.一种同步发电机或同步电动机，其特征在于，包括：

转子；

根据权利要求9的励磁装置，其中所述励磁电路设置在所述转子上，

所述变压器的转轴与所述转子的转轴对接，从而同步旋转。