CN104335464A - 同步电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种同步电机，包括定子和转子，其中，定子包括多极定子绕组组，转子包括多极圆柱形转子设计或者凸极设计，所述多极圆柱形转子设计或者凸极设计具有在圆柱形转子上的至少二相转子绕组组，所述至少二相转子绕组组具有与所述定子相同数量的极，和，通过二次绕组以产生谐波磁通或者通过具有外部励磁源的三相绕组，所述定子绕组通过定子电流不平衡或者叠加而提供对所述转子的励磁。此外，本发明涉及一种用于操作同步电机的方法。

Description

同步电机
技术领域
本发明涉及一种同步电机。更具体地，本发明涉及一种可以用作同步发电机或者同步发动机的可控磁场式同步电机。此外，本发明涉及一种用于操作同步电机的方法。
背景技术
现有技术中已知，同步电机既可以用作发动机又可以用作发电机。尽管电动机通常根据机械术语(即，定子和转子)来描述，然而，发电机是从电学角度来描述，即，电枢和磁场。尽管存在不同的术语，然而，同步电机可以执行两种工作且在下文中被称为电机。
当前所用的大多数工业电动机是异步(感应)类型。这主要是因为，与同步直流(DC)发动机相比，异步发动机是简单的且耐用的。尽管同步发动机的效率通常高于其他工业电动机类型的发动机的效率，然而，同步发动机通常是复杂的且制造昂贵-主要涉及其对旋转励磁机改变转子磁场电流的要求。永磁同步发动机是简单的且较便宜的，但是不提供任何用于控制转子磁场励磁的部件，转子磁场励磁被转子上的永久磁铁固定。具有可变磁场励磁但是没有旋转励磁机的同步电机会具有同步电机的优点而没有附加的费用以及旋转励磁机引入的可靠性影响。
关于发电机，大多数发电机利用旋转的无刷励磁机系统来控制。该励磁机被安装在与主发电机旋转部件相同的轴/转子上，且形成在5％和30％之间的活性材料的任何部件，因此降低发电机的成本。励磁机的相对成本主要取决于发电机的尺寸或者额定功率：总之，发电机越小，励磁器的相对成本就越高。
WO 2007/003868 A1中示出了电动机的一个示例。在该文献中，描述了一种电动机，其包括具有至少两个电枢相对(phase pair)绕组的电枢和凸极转子布置，该凸极转子布置具有以选择性电子开关终止的磁场绕组，该选择性电子开关确定所述磁场绕组的电气连接。该电动机还包括控制部件，该控制部件被配置成调整磁场绕组的磁化，使得在任何给定的时刻，一个电枢相对可用于磁化磁场绕组，同时另一对用于扭矩的产生。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种同步电机，包括定子和转子，其中
-所述定子包括多极定子绕组组，
-所述转子包括多极圆柱形转子设计或者凸极设计，所述多极圆柱形转子设计或者凸极设计具有在圆柱形转子上的至少二相转子绕组组，所述至少二相转子绕组组具有与所述定子相同数量的极，和
-通过二次绕组以产生谐波磁通或者通过具有外部转子磁场励磁源的标准三相绕组，所述定子绕组通过定子电流不平衡或者叠加而提供对所述转子的励磁。
根据本发明的一个实施方式，通过外部源、优选电源，实现所述定子电流不平衡或者叠加。
根据本发明的另一个实施方式，通过将直流注入所述定子绕组或者注入中性导体，可以执行所述转子的励磁。
根据本发明的另一个实施方式，通过将交流注入所述定子绕组或者注入所述中性导体，可以执行所述转子的励磁。
根据本发明的另一个实施方式，通过在多相定子绕组组的一个或多个相中的串联的阻抗或电阻，实现所述定子电流不平衡。
根据本发明的另一个实施方式，通过关联的控制电子装置，实现所述定子电流不平衡。
根据本发明的另一个实施方式，通过在所述定子绕组组处的绕组抽头，实现所述定子电流不平衡，所述定子绕组组可以被短路或者切换以提供固有不平衡的定子绕组。
根据本发明的另一个实施方式，通过具有多个抽头的一个相的中性点，实现所述定子电流不平衡，所述多个抽头允许移动所述中性点以创建不平衡。
根据本发明的另一个实施方式，通过固有不平衡的绕组，实现所述定子电流不平衡。
根据本发明的另一个实施方式，所述多相转子的相数是2个、3个、最优选4个、或者大于4个。
根据本发明的另一个实施方式，所述圆柱形转子是非凸出的。
根据本发明的另一个实施方式，所述电机能够操作作为发动机。
根据本发明的另一个实施方式，所述电机能够操作作为发电机。
根据本发明的另一个实施方式，所述圆柱形转子是凸出的。
根据本发明的另一个实施方式，整流的转子电流通过所述转子中的主磁场绕组被循环，所述转子既包括所述交流励磁绕组又包括主磁场绕组，整流的励磁绕组电流通过所述主磁场绕组流动。
根据本发明的另一个实施方式，至少两个转子端子增添电容器，以提供滤波或者控制动作来改善所述电机的性能。
根据本发明的另一个实施方式，参照运动部件和静止部件，转子和定子互换。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于操作电机的方法，所述方法包括提供定子和转子的步骤，其中，所述定子包括多极定子绕组组，所述转子包括多极圆柱形转子设计，所述多极圆柱形转子设计具有在圆柱形转子上的至少二相转子绕组组，所述至少二相转子绕组组具有与所述定子相同数量的极，和，通过二次绕组以产生谐波磁通或者通过具有外部转子磁场励磁源的标准三相绕组，所述定子绕组通过定子电流不平衡或者叠加而提供对所述转子的励磁。
附图说明
参考下列附图，现将通过非限制性示例更具体地描述本发明，其中：
图1示出根据本发明的一个实施方式的电机的示意图；
图2示出根据本发明的另一个实施方式的电机的示意图；
图3示出根据本发明的另一个实施方式的电机的示意图；
图4示出根据本发明的另一个实施方式的电机的示意图；
图5示出根据本发明的另一个实施方式的电机的示意图；
图6示出根据本发明的另一个实施方式的电机的示意图；
图7示出根据本发明的一个实施方式的绕组电流的示意图；
图8示意性地示出在本发明的图1至图4中所用的定子绕组；
图9示出图8的定子的三维视图；
图10示出根据本发明的另一个实施方式的电机的示意图；和
图11示出根据本发明的另一个实施方式的电机的示意图。
具体实施方式
现参考附图，具体而言，其中体现的本发明包括通常用附图标记5指代的电机。除非另外指出，否则，在附图中同样的附图标记是指同样的部件。
现参考图1，本发明的第一实施方式被示出作为示意图。电机5包括转子10。转子10包括一组多相和多极的转子绕组12。如图1中所示，存在通过三个绕组121、122和123生成的三相。三个绕组中的两个绕组121和122并联连接，以及在二极管14的相反方向上的一个绕组123因此生成两个极。转子绕组12通过三个转子相的各个转子相在此处简化说明不均匀的电流分布。通过一个与绕组123关联的二极管14的电流I3将等于I1和I2的(负)的总和，这意味着，该绕组相将必须携带其他两个相携带的电流的两倍的电流。
定子20是三相多极布置，其具有两组分别具有三个用于三相的线圈221、222和223的主绕组22以及两组分别具有三个线圈241、242和243的副绕组24，以产生谐波磁通来激励转子磁场绕组12。下文将讨论其他励磁模式。在转子10和定子20之间存在气隙30。
图2示出电机的另一个实施方式。与图1不同，转子10包括具有绕组121、122、123和124的四相绕组12。在四个转子相121至124中的电流分布将相等，这允许更实用且更便宜的绕组。四相绕组12还将在主转子磁场电流中允许非常低的谐波含量，且与如上文所讨论的三相转子绕组相比，其将仅需要再多一个二极管。应该注意转子电路的简化：在电路中的各个绕组实际上由两个串联连接的极绕组12制成。
通常，转子10是非凸出的圆柱形转子设计，然而转子10也可以实施成凸出的。转子10可以被设置成在槽中或者在圆柱形转子上设置的单相、二相、三相或者任何多相绕组12。此外，圆柱形转子10的目的是允许多相转子绕组12。
相的最佳数量是4，从本文的以下部分中可以清楚其原因。相的数量越高，转子磁场电流变得越平滑，而与励磁频率无关。该方面影响电机性能。
发电机的主要实施方式是采用具有副绕组24的定子20将感生能量供给到转子磁场。根据副定子线圈24和转子磁场绕组12的特定性质，在副线圈24中可以需要非常小的能量来激励转子磁场绕组12，以生成完全励磁。应该注意，副定子线圈24和转子磁场绕组12表现为同步发电机，因此到转子磁场绕组的大部分能量可以借助轴可以提供为机械能，而不是提供为来自副定子绕组24的电能。同样，副定子绕组24本身可以非常小且具有非常小的横截面积。
图3示出用于两极四相转子10的转子绕组的细节。两极绕组12被分成两个具有绕组121至124以及绕组121'至124'的不同的槽，由此实现两极四相转子10。
图4在左手侧示出用于四极四相转子10的转子绕组的细节。四极绕组12被分成四个具有绕组121至124以及绕组121""至124""的不同的槽，由此实现两极四相转子10。在图4的右手侧，通过以侧视图示出四极四相转子10，来示出物理绕组布局。
在图5中，两极四相转子10和定子20一起被示出，定子20是三相四极定子，其具有四组分别具有用于四相的四个线圈221、222、223和224的主绕组22，以及具有四组分别具有四个线圈241、242、243和244的副绕组24。
在图6中示出对应的物理绕组布局，图6以侧视图示出了四极四相转子10。定子20包括三个标准相或者主相，其具有表示副绕组的第四相。
在图7中，示出根据相位角的绕组电流波形式41至44的图形。现有技术的单相设计会具有近似符合仅绕组电流41的正值部分的转子电流。换句话说，绕组电流会仅在0度和85度之间、169度和253度(水平坐标)之间等等流动，且在这些部分之间为零电流。四相绕组电流会符合所有四个波的顶部轮廓/包络线：波42从0度至约21度，波41从21度至65度，波43从65度至约110度，以及波44从110度至150度，然后再一次是波42。
不难理解，采用与感应转子电路相同的滤波/平滑动作，转子电流将比具有这样的四相绕组12的现有技术更加平滑。该优点是显著的，使得直流电流可以用在用于发电机的副绕组24中，而没有任何明显的谐波效应。
通常，从四相转子的转子电流波形可以看出，采用多相转子20将该电机5操作作为发电机或发动机变得更有吸引力。在关联的控制电子装置中的变速驱动固件和用以驱动发动机实施方式的设计将大幅简化，这是因为可以使用低频叠加的波形41至44，甚至可以使用定子20上的直流励磁。
不平衡的定子10的操作的重要性涉及在电机5(发电机或者发动机)设计本身中实施定子20不平衡的形式的可能性。
所考虑的实施方式是在绕组中特定点处具有抽头的定子绕组22，其可以被短路或者切换以提供固有不平衡的定子绕组。另一个实施方式可以是这样的定子绕组22，其中，一个或多个相具有比其他相或多或少的匝数。尽管该设计将不允许不平衡的变化，然而其可以允许以极简单的设计进行宽范围的实用同步励磁操作。另一个实施方式可以是这样的设计，其中，一个相的中性点具有多个抽头，其允许“移动”该中性点，使得创建不平衡。根据抽头的数量和它们在绕组中的相对位移，这可以允许宽范围的可控励磁。
因此，下列实施方式都依赖于定子电流不平衡或者叠加。这可以通过外部部件(即，电源、在一个或多个相中的串联的阻抗或电阻、或者关联的控制电子装置)或者通过内部部件(即，绕组抽头、移动中性件、固有不平衡的绕组)等来实现。
在第一实施方式中，转子10的励磁可以通过将直流(DC)注入定子绕组22中来实现。实现这一点的最简单的方式是将DC注入中性电路中。这将以大幅降低的复杂度具有与副绕组24相同的效果。
在第二实施方式中，可以通过将交流注入定子20中实现转子10的励磁。以与通过中性导体叠加在定子20上的直流可以激励转子10相同的方式，也可以使用交流(AC)。通过将电流注入中性导体，以与上文描述的相同的方式也可以实现这一点。与发电机相比，该实施方式更适用于发动机，且将大大改善在较低速度下的发动机性能。
在第二实施方式中，副绕组24可以采用AC或DC来激励。尽管对于发电机DC最好而对于发动机AC最好，然而，两者都被包括作为既用于发动机又用于发电机的实施方式。
多相或复相转子绕组12，和圆柱形转子结构允许比任何其他的单相实施方式更平滑的转子磁场电流，从而有效地允许直流用在副绕组24中，而没有明显降低发电机或发动机性能。必须注意，在转子电流中谐波的存在将不仅仅影响发电机或者发动机的扭矩或者功率。这些还将增大电机中的损耗以及因此影响额定载荷，从而必然影响效率。
已经讨论了转子绕组12的相的最佳数量且认为是4个。然而，如果AC用于副绕组12的励磁或者磁场绕组功率的叠加，则两个相将提供足够平滑的磁场电流，从而被视为最佳的。在最后一个实施方式中，由于只有两个二极管以及较少的连接，故成本较低。
圆柱形转子10结构较便宜。其较容易且较便宜地批量生产以及允许更有效地用来制造槽区域，并因此得到转子铜线。更多的转子10铜线将必然允许对于相同尺寸的电机5具有更高的效率。圆柱形转子结构也将导致没有凸起扭矩-从而仅需要对转子磁场绕组12的产生扭矩。
利用凸极转子结构当然可以实施该设计，尤其是利用与上文讨论的相同的副线圈布置24，但是对用于凸极转子结构的多相转子绕组12存在受限制的优点，因为转子线圈需要以多相布置，从而被分布在多于一个的极上-因此线圈将必须桥接极之间的中性区域。
上文讨论的构思的最重要的设计特征是圆柱形转子多相绕组12，以及三相串联连接的副绕组24。在根本上更平滑的转子磁场电流以及发动机和发电机(但尤其是关于发电机)操作的性能上的间接改善方面，已经描述了多相转子的优点。串联连接的三相副绕组24的优点是，该布置取消了在这些绕组24上的任何感生电动势或者电压，这是由于将产生主定子绕组22上的电动势的相同的发电机作用。如果没有本发明，则副绕组24的使用将几乎是不可能的，这是因为在这些绕组中将产生大的量级的电动势。取消的原理是基于三相分布绕组的简单规则：V1+V2+V3＝0，换而言之，三相电压的算术和等于0。由于相位角与电源进线无关，因此三相绕组电动势矢量全部在相同的方向上作用，以提供激励转子磁场绕组所需的关键性的电动势。
现参考图8，示出了本发明的另一个实施方式。在该实施方式中，更具体地概述了定子20绕组。如上文关于图1至图4所提到的，定子20包括多极和多相的主定子绕组22和副定子绕组24。在图8中，针对各个相，定子20的主定子绕组22分别被标记为MU、MV和MW。针对定子20的各个极，通过将相应的极号添加到MU、MV和MW来标记定子20的主定子绕组22。因此，MU1表示在主定子绕组22内的第一相、第一极绕组。MW2表示在主定子绕组22内的第三相、第二极绕组。类似的命名方案被用于定子副绕组24。AUXU1、AUXV1和AUXW1表示第一极定子副绕组24的相应的子线圈。如图8中所示，主定子绕组22和定子副绕组24被布置成规则的图案，其中，各个子线圈绕组还跨入相邻的绕组中。定子副绕组24不需要具有与主定子绕组22相同的尺寸。
图9中示出了图8的定子20的三维视图。定子20形成主定子绕组22和定子副绕组24的紧凑设计，且可以结合如前面的实施方式概述的电机使用。
现参考图10，示出了本发明的另一个实施方式。图10示出了具有三相的转子10的电机5的示意图。转子10包括主磁场绕组16和三个转子励磁绕组161、162和163。来自转子励磁绕组161、162和163的整流电流17通过转子10上的主磁场绕组16被导向。
在该实施方式中，整流的转子电流17通过转子10中的主磁场绕组16被循环。因此，转子10既包括根据前述实施方式的交流励磁绕组，又包括主磁场绕组16，整流的励磁绕组电流通过该主磁场绕组16流动。
在定子20上的励磁绕组和在转子10上的励磁绕组可具有任何彼此不同或者相同的相数，以适应性能需求。换而言之，在定子20和转子10上的励磁绕组的相数不一定相等，但是如果需要，则它们可以相等。
在定子20和转子10上的励磁绕组通常具有彼此相同数量的极，但是这些极的数量可以是不同的。
在定子20和转子10上的励磁绕组通常具有与主定子绕组或者主转子磁场绕组16不同数量的极，但是在特定实施方式中这些极的数量可以根据需要来选择。
如图11中所示，在另一个实施方式中，示出了在转子10上具有四相和四极的电机5。类似于上文的图10的实施方式，通过转子10上的主磁场绕组16导向来自转子励磁绕组的整流电流17。转子励磁包括4×4个转子励磁绕组161、162、163和164至161"'、162"'、163"'和164"'，以形成四相和四极。
应该提及，至少两个转子端子可以增添电容器(在图10或图11中未示出)，以提供滤波或者控制动作来改善电机5的性能。
此外，参照运动部件和静止部件，转子10和定子20可以互换，这在本领域中称为“反向”设计。
尽管本文仅描述了本发明的一些实施方式，然而，本领域的技术人员可以理解，本发明的其他修改、变型和可能性是可行的。这样的修改、变型和可能性因此被视为落在本发明的精神和范围内，且因此形成如本文描述和/或例证的本发明的一部分。
以本发明的优选实施方式已经描述了本发明，显而易见地，在本领域的技术人员的能力范围内可以容易地做出各种修改和实施方式而无需运用创造能力。因此，本发明的范围通过所附的权利要求书的范围来限定。

Claims (21)

1.一种同步电机，包括定子和转子，其中
-所述定子包括多极定子绕组组，
-所述转子包括多极圆柱形转子设计或者凸极设计，所述多极圆柱形转子设计或者凸极设计具有在圆柱形转子上的至少二相转子绕组组，所述至少二相转子绕组组具有与所述定子相同数量的极，和
-通过二次绕组以产生谐波磁通或者通过具有外部励磁源的三相绕组，所述定子绕组通过定子电流不平衡或者叠加而提供对所述转子的励磁。
2.根据权利要求1所述的电机，其中，通过外部源、优选电源，实现所述定子电流不平衡或者叠加。
3.根据权利要求2所述的电机，其中，通过将直流注入所述定子绕组，能够执行所述转子的励磁。
4.根据权利要求2所述的电机，其中，通过将交流注入中性导体，能够执行所述转子的励磁。
5.根据权利要求1所述的电机，其中，通过在多相定子绕组组的一个或多个相中的串联的阻抗或电阻，实现所述定子电流不平衡。
6.根据权利要求1所述的电机，其中，通过关联的控制电子装置，实现所述定子电流不平衡。
7.根据权利要求1所述的电机，其中，通过在所述定子绕组组处的绕组抽头，实现所述定子电流不平衡，所述定子绕组组能够被短路或者切换以提供固有不平衡的定子绕组。
8.根据权利要求1所述的电机，其中，通过具有多个抽头的一个相的中性点，实现所述定子电流不平衡，所述多个抽头允许移动所述中性点以创建不平衡。
9.根据权利要求1所述的电机，其中，通过固有不平衡的绕组，实现所述定子电流不平衡。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的电机，其中，所述多相转子的相数是2个、3个、优选4个或者大于4个。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的电机，其中，所述圆柱形转子是凸出的或者非凸出的。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的电机，其中，所述电机能够操作作为发电机。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的电机，其中，所述电机能够操作作为发动机。
14.根据权利要求1至11中任一项所述的电机，其中，整流的转子电流通过所述转子中的主磁场绕组被循环，所述转子既包括所述交流励磁绕组又包括主磁场绕组，整流的励磁绕组电流通过所述主磁场绕组流动。
15.根据权利要求14所述的电机，其中，至少两个转子端子增添电容器，以提供滤波或者控制动作来改善所述电机的性能。
16.根据权利要求14或15所述的电机，其中，参照运动部件和静止部件，所述转子和所述定子互换。
17.一种用于操作电机的方法，所述方法包括提供定子和转子的步骤，其中，所述定子包括多极定子绕组组，所述转子包括多极圆柱形转子设计或者凸极设计，所述多极圆柱形转子设计或者凸极设计具有在圆柱形转子上的至少二相转子绕组组，所述至少二相转子绕组组具有与所述定子相同数量的极，和，通过二次绕组以产生谐波磁通或者通过具有外部励磁源的标准三相绕组，所述定子绕组通过定子电流不平衡或者叠加而提供对所述转子的励磁。
18.一种基本上如本文所描述的新型电机。
19.一种基本上如本文参考附图中的任一附图所描述的电机。
20.一种用于操作基本上如本文所描述的电机的新方法。
21.一种用于操作基本上如本文参考附图中的任一附图所描述的电机的方法。
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