CN105164903A - 同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同步电机，该同步电机包括采用以下方式进行布置的定子(1)和转子(2)：转子可以相对于定子移动。定子(1)包括至少一个集中绕组(A、B、C)，其被布置在定子(1)的凹槽中。转子(2)具有：第一绕组系统，其被设计为激励绕组(6)；至少一个第二绕组系统，其被设计为场绕组(3)；以及整流器(4)，其连接在所述两个集中绕组系统之间。第一绕组系统和第二绕组系统均包括集中绕组。

Description

同步电机

所考虑的发明涉及具有定子和转子的同步电机。

同步电机通常包括固定的定子和可以相对于定子能够移动的转子。同步电机的定子通常被设置成容纳电绕组，该电绕组可以是多相的。例如，在三相交流电机中，与三个电相相关联的绕组相对于彼此被电相移120°。

在转子中，经常使用永久磁铁。可替选地，可以使用电磁铁，其中，这里使用直流电流，其流经缠绕在转子齿周围的线圈。直流电流可以经由电刷或者经由激励绕组和旋转整流器被传输至转子中。

同步电机指的是定子的旋转磁场与转子以相同的速度旋转。

通过定子的磁场与转子的磁场的相互作用来创建定子的轴上的电磁转矩。

一段时间内，因为具有永久磁铁的同步电机(所谓的PM电机)与高能量密度、紧凑设计、高效率以及宽转速范围相互联系，所以其一直处于上升趋势。然而，在最近几年中，永久磁铁材料的价格已经大幅上涨。此外，存在某些应用情况例如短路情况，其限制了PM电机在一些应用中的使用。

因此，电流激励同步交流电机是未来令人关注的替选。

据此，使用直流电流，以便产生定子的恒定磁场。如上已经指示的，用于创建磁场所需的直流电流首先从定子传输至转子。为此，在定子中通常使用附加的绕组。附加能量经由空气间隙传输至转子的激励绕组中进而借助于整流器进行整流，然后被供给给一个或者多个场绕组，所述场绕组利用由此获得的直流电流产生转子的恒定磁场。这个原理通常被表示为自激励。

这样的自激励电机被用于例如风力发电机中。

定子中的辅助绕组(其磁场使能量能够传输到转子中)通常被称为激励场绕组，并且经常采用直流电流的方式操作。

为此，在定子中通常还需要整流器。除此之外，在定子中需要附加的绕组，该附加绕组也被称为定子辅助绕组。这导致了较大的定子体积。辅助绕组相对于其它绕组必须充分地绝缘。

所描述的电机类型的另一个缺点在于：使用具有彼此重叠并且经常分布在定子中的q>1的绕组，其中q是每个相和每个极的线圈的数目。对于转子中的激励绕组，每个绕组需要大量的线圈。此外，较高的发动机惯性导致了电机的受损的动态特性。在一些已知的电机中，在转子中需要附加的狭槽，以便能够将转子的场绕组和激励绕组引入到相同的转子铁芯中。采用这种方式也造成了复杂的生产过程。

在对空气间隙中的谐波的分析中，明显的是，定子中的辅助绕组产生了空气间隙中的形成恒定磁场的高次谐波。由定子的多相主绕组所产生的高次谐波适时地但以不同的速度旋转。因此，存在以不同转速出现的不同谐波，其导致了转子激励绕组中的感应电压的波动。这导致了对同步电机的操作特性的负面影响。

因此，所考虑的发明的目的在于提供具有改进特性的同步电机。

根据本发明，通过具有独立专利权利要求的特征的同步电机来达到目标。发展和改进在从属权利要求中被指出。

在一个实施方式中，同步电机包括定子和转子，该转子被定位成其可以相对于定子移动。定子包括至少一个集中绕组，该集中绕组位于定子的狭槽中。在定子中没有单独设置辅助绕组。在转子中，设置有第一绕组系统，该第一绕组系统被设置为激励绕组，并且可以从空气间隙中的磁场吸收能量。此外，设置有至少一个第二绕组系统，其被设置为场绕组，也就是说，所述至少一个第二绕组系统能够产生恒定磁场。此外，在转子中设置有整流器，该整流器连接在第一集中绕组系统与第二集中绕组系统之间，以便得到用于产生转子的磁场的直流电流。转子的第一绕组系统和第二绕组系统包括同心绕组。

因为定子不具有辅助绕组，所以在定子中也省略了用于此的整流桥。利用定子的通常被设计为多相的至少一个集中绕组，产生了用于同步电机的工作谐波，并且有目的地产生了用于经由转子的激励绕组供给转子的高次谐波。

因此，所提出的原理允许同步电机的简化的结构，该简化的结构可以省掉转子的永久磁铁。

在一个改进中，定子的至少一个集中绕组被设计为多相集中绕组，特别是三相集中绕组。与经由多个齿制成并且在相中重叠的分布绕组相比，可以以特别低的成本来生产集中绕组。此外，多相设计允许谐波磁场分布，并且还允许电机简单连接至多相电气系统。

可替选地或者附加地，转子的第一绕组系统即激励绕组也被设计为多相集中绕组。

对于工作谐波，不使用定子绕组所产生的磁动势的基本谐波，而是使用该磁动势的高次谐波。例如，在其中定子具有十二个狭槽而转子具有十个极并且定子具有齿集中绕组的电机中，可以使用五次谐波作为工作谐波。

额外优选地，使用定子电动势的与工作谐波不同的高次谐波作为用于供给激励绕组的激励谐波。在针对具有十二个狭槽和十个极的集中绕组的所提及的示例中，可以有利地使用七次谐波作为激励谐波。

在该示例中可以清楚地看出，在定子中具有集中绕组的电机的高次谐波(实际上，所述高次谐波是不期望的)可以有利地和有意地用于该目的，以便向转子中的激励绕组提供电能。

有利地，定子的至少一个集中绕组产生工作谐波和激励谐波二者。

在一个实施方式中，转子中的场绕组包括：围绕转子的齿缠绕并且彼此串联连接的若干线圈。因此，将场绕组的串联连接以如下方式进行设计：当直流电流流经串联连接时，沿着转子的圆周产生磁北极和磁南极。

激励绕组优选地具有高绕组系数。

激励绕组和场绕组优选地围绕转子的相同齿而缠绕。

在一个改进中，场绕组和激励绕组具有不同的线圈宽度，并且在这个范围内关于各自所使用谐波而适应于空气间隙中的不同状况。例如，因为场绕组适应于五次谐波而激励绕组适应于七次谐波，所以场绕组的线圈宽度可以大于激励绕组的线圈宽度。例如，不同的线圈宽度可以在凸极转子中实现，其中场绕组被缠绕在凸极的齿颈周围，而激励绕组被缠绕在具有较小线圈宽度的齿顶。

可替选地或者附加地，可以在转子中例如在腿极中引入永久磁铁。

因为所提出的同步电机使转子经由电机的空气间隙磁场而自激励，所以用于电流的直流传输的滑环和电刷被省略。另外，在定子中不需要辅助绕组和整流器。

优选地，转子绕组即第一绕组系统和第二绕组系统被专门制作成集中齿线圈绕组；即，绕组的所有线圈都围绕一个齿缠绕。

优选地，针对激励绕组和场绕组设置有单独的齿线圈绕组。

整流优选地被实现为全桥式整流器电路。

优选地，在转子中感应电流的两个线圈或多个线圈在其连接至全桥式整流器之前被串联连接。因此，激励绕组总是包括串联连接的至少两个线圈。

以下借助于附图以几个实施方式示例对本发明进行更详细地说明。

附图示出如下：

图1根据所提出的原理的同步电机的框图的实施方式示例；

图2根据所提出的原理的借助于框图的转子的示例性实现；

图3根据所提出的原理的关于具有十二个狭槽和十个极的电机的示例的自激励构思；

图4转子的场绕组的实施方式示例；

图5转子的激励绕组的实施方式示例；

图6转子的绕组系统的改进的实施方式示例；

图7关于示例的转子的绕组系统的另一改进；

图8以横截面表示的具有定子和转子的同步电机的实施方式示例；

图9以横截面表示的具有定子和转子的同步电机的另一实施方式示例；

图10以横截面表示的具有定子和转子的同步电机的另一实施方式示例；以及

图11根据所提出的原理的关于具有18个狭槽和十个极的电机的示例的自激励构思。

图1借助于实施方式示例示出了根据所提出的原理的同步电机的框图。同步电机包括定子1和转子2。定子包括在这里被设计成三相并且被引入至定子的狭槽中的电绕组。相对于彼此被电相移120°的绕组的三条电绞线被标明成：A用于第一相，B用于第二相以及C用于第三相。

转子2相对于这个进行定位。转子包括被设计作为激励绕组的第一绕组系统3。在所考虑的示例中，激励绕组被设计成具有五条包括串联连接的两个线圈的绞线E1至E5。由此，示例中的基础是十极转子，其中，后面将借助于图5来示出该示例的确切的绕组拓朴。

激励绕组3经由五个端子X1至X5与整流器4连接；此处，整流器4被设计成全桥式二极管整流器。二极管整流器使直流电流可以去往出口端子U1、U2。直流电压使用包括电容器C的电容5进行平滑。电容器C也可以被省略。场绕组6并联连接至电容器C；存在直流电流流过场绕组6，其产生恒定转子磁场，并且因此可以使转子中的永久磁铁变得多余。

值得注意的是，定子1不包括整流器或辅助绕组。而用于转子2激励的能量是由传统的定子激励绕组创建的。由此，该效果被利用，使得定子的激励绕组创建了以下二者：用于同步电机的工作谐波；以及用于供给转子的激励绕组的至少一个高次谐波，即磁动势的谐波。

在图1的示例中，定子具有十二个狭槽，三相绕组被引入至十二个狭槽中作为齿集中绕组。

下面将借助于图3来对示例性的动作模式进行说明。

设置电流供给单元7以供给定子绕组；电流供给单元7配备三相供给信号并且由控制单元8来控制。电机可以以电动机或发电机的方式进行操作。

图2示出了转子的整流器4的实施方式示例，这里，整流器4被设计为二极管桥式整流器。激励绕组的五个端子X1至X5连接至串联连接的两个二极管之间的中心抽头，激励绕组的上述五条绞线连接至激励绕组的五个端子X1至X5，而激励绕组的上述五条绞线的另一端转而以星点方式结合。沿相同方向布置的两个二极管的这些串联连接彼此并联连接，并且向外被放置在两个端子U1、U2上，以便使直流电流可用于供给场绕组6。

如上所述，全桥式整流器用于将供给至激励绕组的磁场转换成直流电流，以供给场绕组。场绕组转而创建转子的恒定磁场。

关于实施方式示例，图3以平面绘图的方式示出了集中定子绕组和转子的两个绕组系统。在集中定子绕组与转子的两个绕组系统之间，存在空气间隙中的磁通的示例性特征谐波。

详细地，该示例中的定子1具有十二个狭槽，其中引入有三相电集中绕组。图3中的图像的上半部分示出了定子。与电相相关的三条绕组绞线用三个字母A、B、C来标明。集中绕组意指线圈被缠绕于在两个相邻狭槽之间所形成的每个齿。从而，通过符号+和-来代表缠绕的方向，每种情况代表朝向齿的一侧。

在图3的图像的下半部分中，也以平面表示的方式示出了转子2。转子被设计成凸极转子。这意指相邻狭槽之间所形成的齿在齿顶区域(即沿径向方向向外)比其在齿颈区域宽。集中激励绕组的线圈处于转子的下部区域中，即在面向转子轴线的一侧。集中场绕组的线圈位于转子的上方，即沿径向方向且面向定子。激励绕组用附图标记3来标记；场绕组用附图标记6来标记。

在所考虑的示例中，根据图3，磁动势的五次谐波被用作工作谐波。因此，转子2被设计成具有十个极(即具有十个齿)的凸极转子。转子的场绕组包括线圈，其以创建十极转子的合适磁场的方式缠绕于转子的各个齿。这将在下面借助于图4来更详细地进一步考虑。

图3的图像的中间部分示出了空气间隙中的磁动势的五次谐波和七次谐波，该磁动势是由定子绕组创建的。用作工作谐波的五次谐波以转子速度逆时针地旋转。五次谐波用附图标记9来指示并被表示为实线。相比之下，在所示的具有十二个狭槽和十个极以及集中绕组的电机中存在另一特征谐波，也就是空气间隙中的磁动势的七次谐波。七次谐波以转子速度的5/7顺时针地旋转。因此，可以看出，五次谐波和七次谐波以不同方向进行传播并且具有不同的速度。七次谐波被描绘成图3中的图像的中间部分中的虚线，并且附图标记10来标记。

转子的激励绕组由七次谐波来供给。因此，通过定子绕组所产生的磁动势的七次谐波用于向转子的场绕组供给能量。

图3还示出了用于所提出的自激励同步电机的定子绕组和转子绕组是缠绕在齿周围的简单集中绕组。

图4示出了被引入作为图3中的场绕组6的转子绕组的实施方式示例。转子具有十个转子狭槽，在十个转子狭槽之间形成有转子的齿，场绕组根据图4所示的缠绕方案来对转子的齿进行缠绕。端子U1、U2对应于图1和图2中的端子。为了交替地产生北极和南极，转子的相邻齿以相反的缠绕方向进行缠绕。所有的绕组串联连接并且在端子U1、U2上被引出，以便向那里供给整流器4的激励直流电流。

在图3的示例中，激励绕组被放置在转子中场绕组的下方；激励绕组还被实现为集中绕组，并且由图5中的示例示出。再一次，转子存在十个狭槽，在十个狭槽之间总共形成有十个转子齿。在图5的图像的左半部分中示出的相邻的五个齿具有突出的连接端子X1至X5，其上连接有绕组线圈E1至E5。以下是具有线圈E1至E5的五个附加齿；线圈E1至E5与之前提到的交错围绕五个齿的五个线圈E1至E5成对地串联连接。在右侧所得到的五个线圈的自由端在星点上结合。如在图2中通过示例的方式所示出的，这产生激励绕组的互连。

在所描述的实施方式示例中，用于定子绕组或者其磁动势的五次谐波和七次谐波的绕组系数相同，并且约为0.933。因此，空气间隙中来自这些谐波的磁通密度也相同。反过来，以这种方式，由于七次谐波的相对高的部分并且因为转子绕组关于七次谐波的高绕组系数，所以仅需要较小的绕组系数，以便接受该谐波并且产生足够的电压，以借助于旋转的整流器桥来向转子供给场绕组。所提出的转子中的激励原理，由于对集中定子绕组的在任何情况下都存在的谐波的有计划利用，因而有利地导致电机的动态特性和转子结构实际上不受所提出的自激励原理的影响。

图6示出两个转子绕组的实施方式示例，其中场绕组6的线圈宽度大于激励绕组3的线圈宽度。如借助于附图明显的是，激励绕组3的线圈宽度与七次谐波的极距相同。因此，相对于七次谐波，激励宽度的绕组系数可以提高到1。反过来，在图6中五次谐波被描绘为实线并且用附图标记9来引用，而七次谐波被描绘为虚线并用用附图标记10来指示。在图3中，场绕组被设计成处于凸极转子的齿颈区域中，其中，线圈被集中缠绕于齿。一个特点在于激励绕组位于顶部区域(更准确地位于凸极转子的面向定子的一侧)作为每齿集中线圈。

在替选实施方式中，当然可以改变转子的激励的线圈宽度，以这样的方式使得关于所感应的电压，对转子的激励绕组作用(即较高部分的谐波例如17次谐波和19次谐波)被减少。

图7示出了从图3着手的转子的绕组的实施方式的另一改进，其中，除了激励绕组3和场绕组6以外，还在转子齿的面对定子的表面上发现在相邻的转子齿顶部中具有交替极性的永久磁铁S，N。永久磁铁被表示成北极为N或者南极为S。

附加永久磁铁具有以下作用：在低速度下改善了电机的特征属性。

图8示出下述横截面：关于定子1具有十二个狭槽并且凸极转子2具有十个极的同步电机的示例的、借助于前面附图所描述的本原理的示例性实现的横截面。如所说明的，针对所考虑的十极转子的情况，将由集中定子绕组所产生的磁动势的五次谐波被用作工作谐波。将集中定子绕组所产生磁动势的七次谐波用于在转子的激励绕组E1至E5中感应磁动势，以用于转子的场绕组F的自激励。如在图3至5中所描述的，引入集中定子绕组和转子的集中绕组。

相比之下，图9示出了同步电机的另一实施方式示例，其中所提出的原理被应用在其中定子具有十二个狭槽并且转子具有14个极的实施方式中。根据图9的这个实施方式在很大程度上对应于图8的实施方式。特别地，定子的配置和集中三相绕组不变。在相应地被设计成凸极转子的转子中，沿圆周不是存在十个狭槽和齿，而是存在14个狭槽和齿。在图9中，激励绕组E1至E5的尺寸以及场绕组F的尺寸适应于改变后的条件。由此，从图4和图5中所描述的原理着手，这些绕组从十个齿扩展至14个齿或者从五个齿扩展至七个齿。

图10示出了同步电机的另一实施方式示例，其中所提出的原理被应用于定子具有18个狭槽和转子具有10个极的实施方式。根据图10的这个实施方式在很大程度上对应于图8的实施方式。特别地，转子的配置和绕组不变。然而，在定子中，沿圆周不是存在十个狭槽和齿，而是存在18个狭槽和齿。在图10中，定子绕组的尺寸适应于改变后的条件。由此，从上述原理着手，定子的绕组适应于具有18个狭槽的定子。

关于实施方式示例，图11以平面表示的方式示出了用于图10的示例的集中定子绕组和转子的两个绕组系统。在集中定子绕组与转子的两个绕组系统之间，示出了空气间隙中的磁通的示例性特征谐波。

详细地，在该示例中，定子1示出了在其中引入有三相电集中绕组的18个狭槽。在图11中的图像的上半部分示出了定子。与电相相关的三条绕组绞线用三个字母A、B、C来标明。集中绕组意指线圈被缠绕于两个相邻狭槽之间所形成的每个齿。从而，通过符号+和-来表示缠绕的方向，所述符号+和-各自朝着齿的一侧。

在图11的图像的下半部分中，同样地以平面表示的方式示出了转子2。转子被设计成凸极转子。这意指相邻狭槽之间所形成的齿在齿顶区域(即沿径向方向向外)比其在齿颈区域宽。集中激励绕组的线圈处于转子的下部区域中，即在面向转子轴线的一侧。集中场绕组的线圈位于转子的上方，即沿径向方向面向定子。激励绕组用附图标记3来标记；场绕组用附图标记6来标记。

在所考虑的示例中，根据图11，磁动势的五次谐波被用作工作谐波。因此，转子2被设计成具有十个极(即具有十个齿)的凸极转子。转子的场绕组包括线圈，其以产生十极转子的合适磁场的方式缠绕于转子的各个齿。

在图11的图像的中间部分示出了空气间隙中的磁动势的五次谐波和13次谐波；该磁动势由定子绕组产生。用作工作谐波的五次谐波以转子速度逆时针地旋转。五次谐波用附图标记9来标记，并且被描绘成实线。相比之下，在所示出的具有18个狭槽和十个极以及集中绕组的电机中存在另一特征谐波，即空气间隙中的磁动势的13次谐波。13次谐波以转子速度的5/13顺时针旋转。

因此，可以看出，五次谐波和13次谐波以不同方向进行传播，并且具有不同速度。13次谐波被描绘成图11中的图像的中间部分中的虚线，并且用附图标记11来标记。

转子的激励绕组由13次谐波来供给。因此，由定子绕组所产生的磁动势的13次谐波用于向转子的场绕组供给能量。

图11还示出了针对所提出的自激励同步电机、定子绕组和转子绕组为缠绕在齿周围的简单集中绕组。

下面两个表以举例的方式示出：在用于根据所提出的原理的自激励同步电机的集中绕组中的定子狭槽Z的数目和转子的极对p的数目的可能的附加组合。如上所述，一个谐波被用作工作谐波，而另一个谐波被用于转子绕组的激励。取决于定子狭槽的数目和转子极的数目的组合，指出了用于转子场绕组的激励的可用谐波。

表1示出了用于双层绕组的可用谐波。

表1

下面的表2示出了用于单层绕组的可用谐波。

表2

当然，取决于专家的技术判断力来将本文所提出的原理应用于同步电机的其它实施方式。

附图标记列表

1定子

2转子

3激励绕组

4整流器

5电容器

6场绕组

7电流供给

8控制单元

9五次谐波

10七次谐波

11十三次谐波

ω_R转子速度

A、B、C电相

E1至E5激励绕组

F场绕组

N北极

S南极

U1、U2用于场绕组的端子

X1至X5用于激励绕组的端子

Claims (13)

1.一种同步电机，所述同步电机具有定子(1)和转子(2)，所述转子(2)被定位成其可以相对于所述定子(1)移动；

所述定子(1)包括至少一个集中绕组，其位于所述定子(1)的狭槽中；

所述转子(2)包括：

-第一绕组系统，其被设置为激励绕组；

-至少一个第二绕组系统，其被设置为场绕组；以及

-整流器(4)，其连接在第一集中绕组系统与第二集中绕组系统之间，

-其中，所述第一绕组系统和所述第二绕组系统包括集中绕组。

2.根据权利要求1所述的同步电机，其中，所述定子的至少一个集中绕组和/或所述转子的第一绕组系统被设计为多相集中绕组，特别是三相集中绕组。

3.根据权利要求1或2所述的同步电机，其中，所述定子(1)的电动势的高次谐波被用作工作谐波。

4.根据权利要求1至3所述的同步电机，其中，所述定子(1)的电动势的与所述工作谐波不同的谐波被用作用于供给激励绕组(3)的激励谐波。

5.根据权利要求3和4所述的同步电机，其中，所述定子(1)的至少一个集中绕组产生所述工作谐波和所述激励谐波二者。

6.根据权利要求1至5中的一项所述的同步电机，其中，所述场绕组(6)包括若干线圈，其围绕所述转子的齿缠绕并且彼此串联连接。

7.根据权利要求1至6中的一项所述的同步电机，其中，所述激励绕组(3)和所述场绕组(6)围绕所述转子(2)的相同齿缠绕。

8.根据权利要求1至7中的一项所述的同步电机，其中，所述场绕组(6)和所述激励绕组(3)具有不同的线圈宽度。

9.根据权利要求1至8中的一项所述的同步电机，其中，所述转子(2)被设计为凸极转子。

10.根据权利要求1至9中的一项所述的同步电机，其中，在所述转子(2)中引入了附加的永久磁铁(S，N)。

11.根据权利要求5所述的同步电机，其中，在所述定子(1)中设置有12个狭槽并且在所述转子(2)中设置有10个极，并且其中，5次谐波被用作所述工作谐波而7次谐波被用作所述激励谐波，或者所述5次谐波被用作所述激励谐波而所述7次谐波被用作所述工作谐波。

12.根据权利要求1至11中的一项所述的同步电机，其中，所述定子(1)不含整流器。

13.根据权利要求1至12中的一项所述的同步电机，所述同步电机被设计成不具有电刷。