CN104737418A - 电机 - Google Patents

Abstract

一种电机，其包括定子和被布置来相对于所述定子移动的构件。所述定子包括：第一定子结构，其并有沿相对运动方向安置且在垂直于所述运动方向的第一方向上从所述可移动构件移位的第一多个绕组；和第二定子结构，其并有在第二方向上从所述可移动构件移位的第二多个绕组，使得所述可移动构件铺设在所述两个定子结构之间。所述可移动构件被布置成与所述绕组电耦合。所述第一多个绕组包括连接到第一单相交流(ac)电源的单相绕组，且所述第二多个绕组包括相同极距的单相绕组，所述第二多个绕组是在所述相对运动方向上从第一多个绕组移位且连接到第二单相ac电源，所述第二单相ac电源的相位从所述第一电源的相位移位。

Description

电机

技术领域

本发明涉及一种电机。

发明背景

在许多类型的电机中，定子中的电流产生行波磁场，其与一组电流、一组永久磁铁或电机的移动部分上的一组铁磁特征部(即，旋转电机的情况中的转子或直线电机的情况中的中继器)相互作用。产生行波磁场的常见方法是使用三个分量绕组，其一起容置在叠层铁定子中的均匀插槽阵列中且馈有来自三相电源的三种交流电。每一分量绕组具有循环分布的线圈且三个分量绕组被放置使得其磁轴沿定子相隔1/3波长的间隔。被馈送到绕组的交流具有120度的相对相差。结果，组合磁通量逼近恒定振幅的正弦波，其以等于交流的一个循环期间的循环分布的一个波长的速度行进。其它多相绕组是可能的但很少使用，因为普遍形式的电源是三相类型。

最常见类型的电力驱动机构(许多工业应用中使用的类型的三相感应电动机)采用此方法来产生旋转场。参考图1(a)，转子12承载其中引发电流且与旋转场相互作用以在输出轴件上产生扭力的一组导电条(没有展示)。

在国内和轻工业应用中，当三相电源不可用时，使用替代布置，藉此两个分量绕组被供应相位不同的交流。第一电流是直接由可用单相电源提供，且第二电流是通常经由引入相移的电容器而从相同电源获得。相移在只有一个负载的条件下具有准确程度，因此在大部分条件下，此类电动机的操作并不理想。此类电机被称作单相电动机，因为其从单相电源操作，但是绕组更准确地被描述为两相绕组。如果提供相移90度的两个电流的平衡两相电源可用，那么此类型的电机(分量绕组移位¹/₄波长)将产生恒定振幅的旋转场且可刚好具有与标准的三相电机一样的效率。

近年来，直线电动机吸引了包括导向式地面运输的多种应用和航母上的电磁发射系统的兴趣。此外，直线发电机已在依赖于往复移动的某些波浪发电装置中使用。直线电机可被认为是如图1(a)..1(c)中所示的已剪开且展开的标准旋转电机。当这样做时，由定子10与中继器14之间的力线16指示的磁引力由于如定子10与转子12的情况中的相等且相反力而不再保持平衡。

用于克服此问题的常见方法是使用如图2中所示般放置在单个中继器14的相对侧上的两个定子10'、10”。在大部分情况下，磁通量18从第一定子10'行进穿过中继器14、穿过第二定子10”且第二次穿过中继器以完成其电路。

双定子直线电机可绕原始轴卷起(示为图1(b)中的A)以形成旋转电机，其中两个同轴定子围封中空圆柱形定子且磁通量从内部定子径向地行进穿过内部间隙、圆柱形定子和外部间隙而到外部定子。此配置的电机应用于其中需要极低惯性的驱动机构的伺服控制系统。

替代地，直线电机可以绕正交于原始轴的轴卷起(示为图2中的B)以产生旋转电机，其中通量跨两个平坦气隙轴向行进，而非径向行进穿过圆柱形气隙。此类型的轴向通量旋转电机已尤其用作用于可再生能源应用的永磁发电机(显然是小型风力涡轮机)。在此类情况下，所述两个定子中的每一者通常承载包括如上所述的三个分量绕组的三相绕组。

本发明的目的是为了提供改善的电机。

概述

根据本发明，提供一种如权利要求1所述的电机。

在本发明的实施方案中，双定子电机具有两相绕组，其中每一定子中容置一个分量绕组且所述两个分量绕组与其移位近似90电角度的磁轴对准。

所述两个绕组的磁轴之间的移位理论上是90°且绕组理论上被供应相位相差90°的交流。本发明适用于呈直线或径向或轴向通量旋转形式的电动机或发电机。每一定子承载单个绕组且此消除了每个绕组必须共享共同的插槽阵列而引起的约束。结果：

1.绕组分布可被布置成严格逼近正弦图案，因为插槽不再需要均匀分布且可根据插槽中刚好容置一个绕组的要求来分布。

2.绕组布局得以简化，因为绕组无需与其它绕组重叠且因此在直线电机或轴向通量旋转电机的情况下，其可以是简单直接的一组平坦线圈。

3.绝缘更简单，因为绕组只需要与接地隔离且无需与其它绕组隔离。

4.由于2和3，由连续长度的绝缘电缆形成每一绕组变得可行。对于水下应用，此由于简化了定子带电体的防水性而尤为有利，因为单个密封单元内可轻易进行全部绕组连接。

可移动构件(无论是转子或中继器)可以包括导电体，使得所述电机充当感应电动机或发电机。此感应发电机容忍由于无轴件转子在图3到5中所示的类型的涡轮机内的移动产生的内圆滚线运动。转子或中继器还可以包括铁磁部分以帮助所述两个定子结构之间的磁通量通过。

替代地，转子或中继器可以包括永久磁铁或电磁铁的阵列，使得所述电机充当同步电机。由于适当地控制馈电，此电机将形成所谓的无电刷直流电机。

另一替代是使用包括铁磁特征部的阵列的转子或中继器，所述铁磁特征部与定子的磁场相互作用以在旋转电机的情况中产生扭力或在直线电机的情况中产生推力。由于适当地控制馈电，此电机可形成同步磁阻电机、开关磁阻电机或步进电动机。

所述两个绕组可以由两相电源馈送，或在发电机的情况下，其可以馈送到两相负载中。两相电源可以由以下项提供：

专用两相交流发电机；

具有两相输出的电力电子转换器，诸如可以使用利用IGBT的两个H电桥布置且连接到共同的直流链路；

三相电源，其中一组变压器被连接来在三相系统与两相系统之间转换，诸如Scott-T连接式变压器；或

单相电源，其具有如单相电动机中使用的相移阻抗。

发电机的两相负载可以采用以逆功率流操作的上述布置之一或其可以仅仅包括电阻式负载组。在长直线电机或大直径旋转电机的情况下，优选地将定子分为多个可管理分段。对于旋转电机，分段可以是绕电机安置的一组弧线，或替代地如果使用大量分段，那么在轴向通量电机的情况下，使分段直立且切线安置可以又方便且又更具成本效益。如果分段被分隔开，那么其绕组中的电磁场(emf)的相位不同。如果分段之间的距离是1/3波长，那么相差是120度，且如果定子已被分为3的倍数，那么可使用三相电源来供应一个定子的分段。如果距离是1/6波长，那么可以使用交替块翻转的绕组的三相电源。在任一情况下，可使用第二个三相电源(其三个输出与第一个三相电源的输出相位正交)来供应第二定子的分段。如果第一定子的分段的绕组是以星型连接，那么可通过以三角形连接第二定子的绕组且将所述绕组连接到相同三相电源来提供所需第二个三相电源。以此方式，可使用标准的三相电源。注意，施加于以三角形连接的绕组的电压高于施加于以星型连接的绕组的电压且电流更小。所述两个定子的绕组因此被优选地布置来在不同电压和电流下通过指定不同横截面的成比例不同圈数的导体而操作。

附图简述

现在将通过实例方式参考附图描述本发明的实施方案，其中：

图1(a)到1(c)示意地展示旋转和直线电机的组件；

图2展示双定子直线电机；

图3以正面展示中心敞开式水轮机的外壳，所述水轮机包括根据本发明的实施方案的发电机；

图4展示图3的外壳的透视图；

图5是穿过图3和4中指示的线V-V和平面V-V的横截面图；

图6展示图3到5的涡轮机的定子上的绕组的示例性布局；

图7(a)和7(b)详细地展示图6的定子的电极的绕组的布局；

图8展示用于容纳图6和7的绕组的示例性叠层的横截面；

图9展示用于容纳定子的绕组的替代叠层的横截面；

图10展示被配置来以标准的三相电气系统操作的两个定子的绕组的电连接；

图11展示搭配图10的系统使用的双电桥转换器；且

图12展示提供用于本发明的替代实施方式的两相输出的转换器。

具体实施方式

本发明的一个特定应用是用于中心敞开式无轴件潮汐流涡轮机的轴向通量、低速、直接耦合旋转发电机。现在参考图3和4，展示包括根据本发明的实施方案的电动机/发电机的此涡轮机30。涡轮机包括转轮，所述转轮包括固定在内环34与外环36之间的容置在护罩38中的一组叶片32。通常，涡轮机外壳还包括允许涡轮机固定到诸如重力基座的水下结构的底座-但是此细节并未在当前案例中加以展示。

现在参考图5，其以横截面展示涡轮机的部分。外环36在由前部环形支撑件40、外部圆柱形支撑件42和后部环形支撑件44界定的通道内运转-前部和后部是相对于流体通过涡轮机的方向(由箭头F指示)而定义。然而，应明白，涡轮机可为双向的且因此响应于任一方向上的流体流动。每一支撑件40、42、44是由相应轴承40'、42'、44'与环36分离。在所述实施方案中，此类组件均无需具有磁性且纯粹是根据机械传输效率的观点而设计。

在此实施方案中，电动机/发电机组合件被安置成轴向远离涡轮机组合件。电动机/发电机组合件还包括前部环形支撑件46、圆柱形外部支撑件48和后部环形支撑件50。前部环形支撑件46可固定到后部环形支撑件44且实际上此类支撑件可作为整体组件而生产。第一圆形定子包括如下文更详细描述般缠绕圆形叠层53的一组线圈52且叠层53固定到前部支撑件46。第二圆形定子包括还如下文更详细描述般缠绕圆形叠层55的一组线圈54且叠层55固定到后部支撑件50。环形转子56安置在所述两个定子52、54之间，且此电动机/发电机转子56是经由传输环60直接耦合到转轮的外环36。因此，当电动机/发电机52、54、56被驱动来启动涡轮机时，旋转是经由环60传输到转轮，且一旦运转，叶轮便经由环60驱动电动机/发电机。然而，应明白，在恰好潮汐条件下，潮汐流可用来启动涡轮机而无需以电力脚踏启动涡轮机。然而，脚踏启动涡轮机的可能性意指其可跨包括低流条件的更大条件范围(与此选项不可用相比)操作。

图6更详细地展示图5的定子52、54的结构。在一些应用中，定子可具有9m的平均直径，且在此情况下，电极数量是48，即，每一定子52、54上的绕组53、55是单相48-极布置。应明白，虽然第二定子54相似于且面向第一定子52，但是在48极布置中，第二定子54从第一定子52周向移位3.75°的角度(是极距的一半)。

在一个实施方案中，每一定子的绕组是由铺设在864个插槽中的长度12的绝缘电缆形成。图7a说明一个电极60的电缆布局的第一阶段60(1)，其中每个电极的插槽数量已从18减小到10以简化说明。电缆铺设以螺旋方式从外部进行到内部以形成单层9圈平坦线圈。电缆铺设然后如图7(a)中的点线所示般进行，且第二层60(2)以图7(b)中所示的图案形成于相同插槽中(第二层外层于外部)。当完成第二层时，电缆铺设可以进行到在相同插槽中形成两个其它层。替代地，电缆铺设可以进行到在相邻电极上形成两层。在本实例中，长度12的电缆中的每一者用来形成总共16层对，且此类层对可以布置为16个电极中的每一者上具有2层、8个电极中的每一者上具有4层或4个电极中的每一者上具有8层。将观察到，每一电缆长度的两端位于绕组外部，且因此方便提供足够多备用长度来实现其中电缆端可以行进穿过防水压盖的电设备围封(没有展示)。此布置有利于水下使用，因为其避免任何电缆接头或拼接，电缆接头或拼接的形成是昂贵的且具有其中发生电故障的弱点。长度12的电缆可以平行连接到共同的单相ac电源或其可以隔离且连接到单独的独立单相电源使得在电缆故障或电源故障时，所述系统可继续操作。

定子核心53、55中的每一者理论上是可由连续螺旋的电钢片形成的连续叠层环。然而，所需尺寸的连续环可能是不实用，且在一些应用中，优选地将核心分为组装形成多边形的多个弧线或短直线长度。在本实例中，优选布置具有12个弧线或直线长度，且电缆绕组形成为8层的每一者上具有四个电极。绕组可以因此形成于组装核心分段以形成完整的定子环(或多边形)之前。

在一个实施方案中，插槽80如图8中所示般分布，其中位置被选择来给出远离极轴的越来越高的圈数集中度，从而给出良好地逼近正弦电流分布。图8展示来自面向彼此且移位一半极距的两个定子的分段。

在替代布置中，插槽可以布置成均匀插槽阵列，但是每一插槽包括不同圈数。此可通过省略绕前面少数几层的每一电极的电缆的一些内环路而实现。在此情况下，插槽深度可以根据所分配的圈数而不同，或插槽的深度可以全部相同且包括更少圈数的插槽可以包括惰性填料。图9中的说明展示与最远离可包括8个电缆层的极轴的深插槽90的叠层。每一电极的绕组的前两层将具有2个环路。越靠近极轴，越浅插槽允许相邻两层具有3个环路且最后四层具有4个环路。

还可采用图8和9中所示的用于实现正弦分布的方法的组合。实现严格逼近正弦波的优点是减小与电流分布的空间谐波分量相关的损耗。谐波分量产生通量分量，其以不同于基本分量的速度的速度旋转且引起转子内的非想要电流，从而造成额外损耗。

图10是展示用于发电机的示例性电气系统的示意图。在一个实施方式中，三个绕组a、b和c以星型连接到电源/电网100且以一个定子容置；而第二组绕组A、B和C是以三角形连接到电源/电网且以另一定子容置。每一定子结构被划分为分段，其中分段被布置使得电机内的行波磁场引发分段中相移120电角度的单相交变emf。因此，每一绕组a、b、c、A、B、C连接到每一定子的相应分段。三角形连接的绕组A、B、C具有的圈数应近似为星型连接的绕组的圈数的√3倍，因为其以相同磁通量但以√3倍更高电压操作。然而，其只携带多达1√3的电流来传递相同电力，且因此其绕组可以具有相应更小横截面。

PCT/EP2012/065701(代理人档案号:P101404pc00/OHG41-PCT)中描述包括电压-电源逆变器的示例性电力转换电路100。图11尤其展示双电桥转换器，其中第一级转换器110和第二级转换器120两者均包括经由DC电路140连接的3相电压电源逆变器。第一级110的相位端口连接到电源/电网，而第二级120的相位端口P1、P2、P3如图10中所示般连接到定子块。

现在参考图12，在其它实施方式中，每一定子的单相绕组可连接到电力转换器110、140、125，其包括将dc电源140转换为单相ac电源的相应H电桥、相位A和相位B，所述两个H电桥125的dc端口连接到共同的dc电源140且其ac端口被布置来提供相位不同的电压相位A和相位B。

转子56是如图5中说明般在两个定子之间的间隙中旋转的电导体的环形薄板或板。环状物可以由几个弧线或梯形薄板制成。最好避免使用等于定子分段的数量的多个薄板使得由接头产生的任何扭力脉动趋向于相互消除。

Claims (21)

1.一种电机，其包括定子和被布置来相对于所述定子移动的构件，所述定子包括：第一定子结构，所述第一定子结构并有沿相对运动方向安置且在垂直于所述运动方向的第一方向上从所述可移动构件移位的第一多个绕组；和第二定子结构，其并有在第二方向上从所述可移动构件移位的第二多个绕组，使得所述可移动构件铺设在所述两个定子结构之间，所述可移动构件被配置来与所述绕组电耦合，其中所述第一多个绕组包括连接到第一单相ac电源的单相绕组，所述第二多个绕组包括相同极距的单相绕组，所述第二多个绕组是在所述相对运动方向上从第一多个绕组移位且连接到第二单相ac电源，所述第二单相ac电源的相位从所述第一电源的相位移位。

2.根据权利要求1所述的电机，其中所述第二多个绕组相对于所述第一多个绕组的移位是所述可移动构件的所述移动方向上的一个极距的一半，且所述第二ac电源的所述相位与所述第一电源相差90电角度的相位。

3.根据权利要求1或2所述的电机，其中所述定子结构被分为沿所述运动方向的分段。

4.根据权利要求1或2所述的电机，其中所述电机包括旋转电机，其中所述定子和所述可移动构件绕旋转轴弯曲，所述可移动构件包括转子。

5.根据权利要求4所述的电机，其中所述定子结构从所述转子轴向移位，且所述转子与定子结构之间的每一区域中的磁场以实质上轴向方向行进。

6.根据权利要求5所述的电机，其中所述定子结构是由被配置来绕所述旋转轴形成至少部分圆形阵列的多组弧线段形成。

7.根据权利要求5所述的电机，其中所述定子结构是由被配置来切向定位以绕所述旋转轴形成至少部分圆形阵列的多组实质上矩形的块形成。

8.根据权利要求1、2、3、5、6或7所述的电机，其中所述电机包括感应电机，其中所述可移动构件包括导电材料薄板。

9.根据权利要求1、2、3、5、6或7所述的电机，其中所述电机包括永磁同步电机或无电刷直流(dc)电机中的一者，其中所述可移动构件包括永久磁铁的阵列。

10.根据权利要求4所述的电机，其中所述定子结构是从所述转子径向移位，且所述转子与定子结构之间的每一区域中的磁场以实质上径向方向行进。

11.根据权利要求10所述的电机，其中所述定子结构是由被配置来绕所述旋转轴形成至少部分圆形阵列的多组弧线段形成。

12.根据权利要求10或11所述的电机，其中所述电机包括感应电机，其中所述转子包括具有导电材料的中空圆柱体。

13.根据权利要求10或11所述的电机，其中所述电机包括永磁同步电机或无电刷直流电机中的一者，其中所述转子包括永久磁铁的圆柱形阵列。

14.根据任何前述权利要求所述的电机，其中每一定子结构包括容置电导体的多组同心线圈的插槽叠层。

15.根据权利要求14所述的电机，其中每一单相绕组内的每一组线圈是由连续绝缘电缆形成。

16.根据权利要求14或15所述的电机，其中所述多组线圈各自具有相等圈数，插槽的间隔被配置使得电流分布逼近正弦波。

17.根据权利要求14或15所述的电机，其中每一定子结构包括容置多组同心线圈的插槽叠层，所述插槽是均匀地分布且所述线圈的所述圈数被配置使得所述电流分布逼近正弦波。

18.根据权利要求14或15所述的电机，其中每一定子结构包括容置多组同心线圈的插槽叠层，所述插槽的所述间隔和所述线圈的所述圈数被配置使得所述电流分布逼近正弦波。

19.根据权利要求1所述的电机，其中每一单相绕组连接到包括将dc电源转换为单相ac电源的H电桥的电力转换器，所述两个H电桥的dc端口连接到共同的dc电源且其ac端口被配置来提供相位不同的电压。

20.根据权利要求3、6或7所述的电机，其中每一定子结构的所述多个绕组被划分为分段，其中所述分段之间的间隙被配置使得所述电机内的行波磁场在所述分段中引起相移120电角度的单相交变电磁场(emf)，所述绕组分段连接到以下项中的一者：三相ac-dc电力转换器或电压源。

21.根据权利要求20所述的电机，其中所述第一定子结构的所述绕组的圈数比所述第二定子结构的绕组的圈数多近似3的平方根的因子，所述第一定子结构的所述绕组是以三角形连接到三相电力转换器或电压源，且所述第二定子结构的所述绕组是以星型连接到所述相同三相转换器或电压源。