CN1320568C - 变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及从固定元件向旋转元件传送电能的变压器，具有一个初级绕组和一个次级绕组。通过设置在环形槽中的环形初级和次级绕组，所说明类型的变压器可设计成较小的尺寸，和/或能够在相同尺寸下传送更多能量。

Description

变压器
技术领域
本发明涉及一种从固定元件向转动元件传送电能的变压器，其包括初级绕组和次级绕组。这样的变压器称为异步电机，其中定子绕组构成初级绕组，转子绕组构成次级绕组，或反之亦然。由于磁滞损失，在能量传送过程中产生的损耗热量相当多，以至于一方面将可传送的能量限于较少的千瓦数。另一方面，必须将所述热量散出，因而需要具有足够大表面的最小尺寸的变压器。
技术背景
从DE 199 53 583 C1中可以得知一种没有汇流环、从异步电机的转子向固定的机器元件进行无刷传送汇流能量的交流变压器。所述变压器包含一个固定的初级部件和一个装在异步电机轴上的旋转的次级部件。每个所述部件带有一个有切向绕组线圈的交流绕组。
从DE 198 42 948 A1中可以得知一种电动机和一种制造电动机定子叠片铁心的方法。
从DE 100 20 949 A1中可以得知一种非接触式变压器，其中每个片状磁心由几个扇形铁心组合构成。所述每个磁心都有至少一个同心槽和一个径向槽来容置绕组。
从EP 0 688 028 A1中可以得知一种传送能量的电磁耦合器。在初级和次级，铁心呈环形布置，设有内装环形线圈的环形槽。铁心的布置方式包含至少一个层叠的变压器元件组。
从US 5,608,771可以得知一种用于计算机断层摄影系统(CT)的变压器。定子铁心和转子铁心都是整体结构，都有至少一个容置绕组的环形槽。
从DE 42 14 376 A1中可以得知一种具有低的磁导率和低的能量损失的、用于能量传输铁心的磁性材料，其为铁氧体和塑料的同族化合物。
发明内容
本发明的目的是提供一种变压器，其中损耗热量减少，因而有较小的尺寸，或者，同样的尺寸可传送较多量的能量。
本发明的目的通过一种从固定元件向旋转元件传送电能的变压器来实现，其具有一个容置环形绕组的环形铁心，所述环形铁心具有轴向或径向开设的环形槽(16)，和设在所述环形槽(16)中的环形初级和次级绕组(18’，18”)，所述初级和次级绕组(18’，18”)相互轴向或径向相对设置，所述初级绕组设置在所述固定元件上，所述次级绕组设置在所述旋转元件上，其中，所述铁心由具有U形横截而、整体结构、环段状的元件(14)构成。
本发明的目的通过设置在环形槽中的环形初级、次级绕组，在开头所说明的变压器中得以实现，其中所述初级和次级绕组是轴向或径向彼此相对的。
本发明基于以下事实，即在已知的旋转机器如异步电机中，结构深度是主要影响热量损耗问题的因素。相反地，这意味着热量损耗问题的主要部分可通过尽可能薄的结构来解决。
在本发明的一个优选实施例中，变压器具有由环形段元件构成的旋转体，其中所述旋转体具有轴向或径向开设的槽，所述元件的材料是铁氧体。以这种方式，有可能制造一种具有较好磁性、没有气隙的旋转体，并使得能量在传送中损失量很少。
为了使作用于变压器的力离开旋转体，并因而防止旋转体的变形或损坏，设有一容置所述元件的支承结构。
在装有本发明所述变压器的风力涡轮机中，激磁能量从风力涡轮机的固定固定元件向旋转元件传送，如发电机转子。当然，也可使用多个相邻变压器进行多相传送。
经证明有利的是，在300kHz以内的频率，优选约20kHz，运转本发明变压器，使得电感的作用和能量损失最小。
附图说明
在从属权利要求中描述了本发明的有利改进。现在参照附图对本发明进行详细描述，如图：
图1为旋转体的第一实施例的侧视图；
图2为图1中旋转体的一个单个的片；
图3为图1中沿A-A线的剖视图；
图4为旋转体第二实施例的侧视图；
图5为图4中旋转体第二实施例沿B-B线的剖视图；
图6为两个旋转体布置的立体图；
图7为旋转体的局部剖视图；
图8为旋转体另一种布置方式的局部剖视图；
图9为用于图8其中一旋转体的元件的立体图；
图10为用于图8中另一个旋转体的元件的立体图。
具体实施方式
图1显示了本发明变压器10的一个环。所述环设有一个支承结构12，支承结构12中插有元件14。所述元件14完全填满支承结构12形成的内部空间，使得在各个元件14之间没有气隙。每个元件14中设有一个槽16。元件14的环形布置构成一个环形槽16，绕组可置于其中。
图2显示了一个单个的元件14的平面图。在视图中，可清楚地看到元件的环形段形状。元件14有一个上挡板15、一个下挡板17和一个介于其间的横挡19。两挡板15和17基本上垂直于横挡19，这样构成一个U形截面，其中两挡板15、17和横挡19之间形成所述槽。
可在图3中清楚见到所述U形截面，图3是图1中沿A-A线的剖视图。图中也包括其中插有元件14的支承结构12，在此同样示出U形截面。从图中也可以看到，包括挡板15、17和横挡19的元件14为整体结构。槽中设置一绕组18，槽中余下的空间用填充物20填充。所述填充物一方面用于将绕组固定在槽中，另一方面提供防腐蚀保护，防止湿气侵入槽中。
图4显示了本发明变压器10环的另一个实施例。在此，所示出的元件14也在支承结构12内。所述元件14类似于图1中显示的元件，同样形成环形段。同样地，设有一个环形槽16，绕组可置于其中。除了图4中显示的每个环形段元件14比图1中的元件跨过的弧度大，另一区别在于元件14结构不同。图5中可清楚地看到这个区别。
图5显示了图4中沿B-B线的剖视图。从图5中可以看到，同样设置了U形支承结构12，其中容置有元件14。所述元件14也有U形截面，然而上挡板15、下挡板17和横挡19设置成单独的零件，其结合在一起形成一U形。这个实施例简化了挡板15、17和横挡19的制造。在所述挡板15、17和横挡19之间，同样形成一个容纳绕组18的槽，所述槽中填充有填充物20。
图6显示了轴向相对的两个变压器10。然而，应当注意到，图中显示的所述变压器10之间的空隙尺寸只是为了举例说明，其在正常运行中应尽可能小。在本图中，也可以看到支承结构12’和12”，其中的元件14构成磁体环，在磁体环中，绕组18和填充物20装设于一个槽中。两个变压器环10中，其中一个连接到一个装置的固定固定部件，如风力涡轮机的发电机定子，另一个变压器环10连接到一个旋转部件，如环形发电机的转子。用点划线来表示旋转轴线。因为两个变压器环10正好相对设置，能量可象在变压器中那样，从初级绕组通过磁路传送到次级绕组。
在图7中对此进一步说明。图中显示通过两个对置变压器环10上部的截面图。两个变压器环10’、10”都有支承结构12’、12”，在其中通过元件14’和14”形成磁路，此处示为整体元件。重要的是，对置的元件之间的间隙和磁路中的气隙，要尽可能的小，如0.1mm-10mm。绕组18’和18”设置在元件14’和14”形成的槽中。图中左边显示的绕组18’是初级绕组，右边显示的绕组18”是次级绕组。初级绕组中，所示电流指向远离读者的方向。在元件14’、14”形成的磁路中，产生如箭头所示方向的磁场。所述磁场在次级绕组18”中感应出电动势，所述电动势产生朝向读者方向⊙的电流。这样，电能通过变压器从初级端(左边)传送到次级端(右边)。
图8同样显示了两个变压器环10。然而，它们的布置为彼此径向相对。在此也设有支承结构12’、12”来支撑整体元件14’、14”，整体元件14’、14”转而形成磁路。在图8中，较低的绕组是初级绕组，较高的绕组是次级绕组。初级绕组中的电流方向也是离开读者。从而，磁路中产生如箭头所示方向的磁场，所述磁场在次级绕组中感应出电动势，产生朝向读者的电流。在这种径向布置方式中，磁路元件14’、14”之间的间隙和因而产生的磁路中的气隙，都必须尽可能小，如1mm-3mm。
图9显示元件14的简化立体图。根据元件14的形状，多个按顺序排列的此类元件可形成具有开口向下的槽16的环。因此，这种形状的元件14被安装在图8中的上端支承结构12中，并形成具有开口向下的槽16的环。
图10同样显示了元件14的简化立体图。所述元件14装入图8中的较低的支承结构12中，从而构成具有开口向上槽的环。
通过使用如图9和10所示的元件，可制造一种根据本发明具有彼此径向相对的环的变压器。
本发明变压器的预定用途如运转发电机(如同步电机)，是将电控制能量馈入发电机转子。所述控制能量可以是在大于50kW的范围内，例如，优选在约80kW到120kW的范围内。
本发明变压器的具体优点在于不再需要至今一直使用的将电激磁能量馈入发电机转子的汇流环(slip-ring)转子，因而避免了以前在风力涡轮机中磨损的根源。因为电激磁能量是用本发明变压器来无线传送的，不会发生这样的磨损。
本发明的变压器可用于，尤其是，同步发电机/环形发电机。此类发电机在额定功率大于500kW时具有相对较大的直径，如超过4m，因而提供了足够的空间来容置本发明的变压器。

Claims (10)

1.从固定元件向旋转元件传送电能的变压器，其具有一个容置环形绕组的环形铁心，所述环形铁心具有轴向或径向开设的环形槽(16)，和设在所述环形槽(16)中的环形初级和次级绕组(18’，18”)，所述初级和次级绕组(18’，18”)相互轴向或径向相对设置，所述初级绕组设置在所述固定元件上，所述次级绕组设置在所述旋转元件上，其特征在于，所述铁心由具有U形横截面、整体结构、环段状的元件(14)构成。
2.如权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述元件(14)容置于支承结构(12)中。
3.如权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述元件(14)的材料是铁氧体。
4.如权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述元件(14)由环形带绕铁心构成。
5.具有至少一个如权利要求1-4之一所述的变压器的风力涡轮机。
6.如权利要求5所述的风力涡轮机，还具有一个同步发电机，其特征在于，使用如权利要求1至4之一所述的变压器向发电机的旋转部件传送运行所述发电机需要的激磁能量。
7.一种运行如权利要求1至4中之一所述的变压器的方法，其特征在于，其运行频率在300kHz以内。
8.如权利要求7所述的运行变压器的方法，其特征在于，其运行频率为20kHz。
9.一种风力涡轮机的发电机，其特征在于，使用如前述权利要求1至4之一所述的变压器向所述发电机的旋转部件传送运行所述发电机需要的激磁能量。
10.一种风力涡轮机的同步发电机，其特征在于，使用如前述权利要求1至4之一所述的变压器向所述发电机的旋转部件传送运行所述发电机需要的激磁能量。
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