電機的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電機。
[0002]發(fā)明背景
[0003]在許多類型的電機中，定子中的電流產(chǎn)生行波磁場，其與一組電流、一組永久磁鐵或電機的移動部分上的一組鐵磁特征部(即，旋轉(zhuǎn)電機的情況中的轉(zhuǎn)子或直線電機的情況中的中繼器)相互作用。產(chǎn)生行波磁場的常見方法是使用三個分量繞組，其一起容置在疊層鐵定子中的均勻插槽陣列中且饋有來自三相電源的三種交流電。每一分量繞組具有循環(huán)分布的線圈且三個分量繞組被放置使得其磁軸沿定子相隔1/3波長的間隔。被饋送到繞組的交流具有120度的相對相差。結(jié)果，組合磁通量逼近恒定振幅的正弦波，其以等于交流的一個循環(huán)期間的循環(huán)分布的一個波長的速度行進。其它多相繞組是可能的但很少使用，因為普遍形式的電源是三相類型。
[0004]最常見類型的電力驅(qū)動機構(gòu)(許多工業(yè)應(yīng)用中使用的類型的三相感應(yīng)電動機)采用此方法來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)場。參考圖1(a)，轉(zhuǎn)子12承載其中引發(fā)電流且與旋轉(zhuǎn)場相互作用以在輸出軸件上產(chǎn)生扭力的一組導(dǎo)電條(沒有展示)。
[0005]在國內(nèi)和輕工業(yè)應(yīng)用中，當(dāng)三相電源不可用時，使用替代布置，藉此兩個分量繞組被供應(yīng)相位不同的交流。第一電流是直接由可用單相電源提供，且第二電流是通常經(jīng)由引入相移的電容器而從相同電源獲得。相移在只有一個負(fù)載的條件下具有準(zhǔn)確程度，因此在大部分條件下，此類電動機的操作并不理想。此類電機被稱作單相電動機，因為其從單相電源操作，但是繞組更準(zhǔn)確地被描述為兩相繞組。如果提供相移90度的兩個電流的平衡兩相電源可用，那么此類型的電機(分量繞組移位74波長)將產(chǎn)生恒定振幅的旋轉(zhuǎn)場且可剛好具有與標(biāo)準(zhǔn)的三相電機一樣的效率。
[0006]近年來，直線電動機吸引了包括導(dǎo)向式地面運輸?shù)亩喾N應(yīng)用和航母上的電磁發(fā)射系統(tǒng)的興趣。此外，直線發(fā)電機已在依賴于往復(fù)移動的某些波浪發(fā)電裝置中使用。直線電機可被認(rèn)為是如圖1(a)..1(c)中所示的已剪開且展開的標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)電機。當(dāng)這樣做時，由定子10與中繼器14之間的力線16指示的磁引力由于如定子10與轉(zhuǎn)子12的情況中的相等且相反力而不再保持平衡。
[0007]用于克服此問題的常見方法是使用如圖2中所示般放置在單個中繼器14的相對側(cè)上的兩個定子10’、10”。在大部分情況下，磁通量18從第一定子10’行進穿過中繼器14、穿過第二定子10”且第二次穿過中繼器以完成其電路。
[0008]雙定子直線電機可繞原始軸卷起(示為圖1(b)中的A)以形成旋轉(zhuǎn)電機，其中兩個同軸定子圍封中空圓柱形定子且磁通量從內(nèi)部定子徑向地行進穿過內(nèi)部間隙、圓柱形定子和外部間隙而到外部定子。此配置的電機應(yīng)用于其中需要極低慣性的驅(qū)動機構(gòu)的伺服控制系統(tǒng)。
[0009]替代地，直線電機可以繞正交于原始軸的軸卷起(示為圖2中的B)以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電機，其中通量跨兩個平坦氣隙軸向行進，而非徑向行進穿過圓柱形氣隙。此類型的軸向通量旋轉(zhuǎn)電機已尤其用作用于可再生能源應(yīng)用的永磁發(fā)電機(顯然是小型風(fēng)力渦輪機)。在此類情況下，所述兩個定子中的每一者通常承載包括如上所述的三個分量繞組的三相繞組。
[0010]本發(fā)明的目的是為了提供改善的電機。
[0011]概述
[0012]根據(jù)本發(fā)明，提供一種如權(quán)利要求1所述的電機。
[0013]在本發(fā)明的實施方案中，雙定子電機具有兩相繞組，其中每一定子中容置一個分量繞組且所述兩個分量繞組與其移位近似90電角度的磁軸對準(zhǔn)。
[0014]所述兩個繞組的磁軸之間的移位理論上是90°且繞組理論上被供應(yīng)相位相差90°的交流。本發(fā)明適用于呈直線或徑向或軸向通量旋轉(zhuǎn)形式的電動機或發(fā)電機。每一定子承載單個繞組且此消除了每個繞組必須共享共同的插槽陣列而引起的約束。結(jié)果:
[0015]1.繞組分布可被布置成嚴(yán)格逼近正弦圖案，因為插槽不再需要均勻分布且可根據(jù)插槽中剛好容置一個繞組的要求來分布。
[0016]2.繞組布局得以簡化，因為繞組無需與其它繞組重疊且因此在直線電機或軸向通量旋轉(zhuǎn)電機的情況下，其可以是簡單直接的一組平坦線圈。
[0017]3.絕緣更簡單，因為繞組只需要與接地隔離且無需與其它繞組隔離。
[0018]4.由于2和3，由連續(xù)長度的絕緣電纜形成每一繞組變得可行。對于水下應(yīng)用，此由于簡化了定子帶電體的防水性而尤為有利，因為單個密封單元內(nèi)可輕易進行全部繞組連接。
[0019]可移動構(gòu)件(無論是轉(zhuǎn)子或中繼器)可以包括導(dǎo)電體，使得所述電機充當(dāng)感應(yīng)電動機或發(fā)電機。此感應(yīng)發(fā)電機容忍由于無軸件轉(zhuǎn)子在圖3到5中所示的類型的渦輪機內(nèi)的移動產(chǎn)生的內(nèi)圓滾線運動。轉(zhuǎn)子或中繼器還可以包括鐵磁部分以幫助所述兩個定子結(jié)構(gòu)之間的磁通量通過。
[0020]替代地，轉(zhuǎn)子或中繼器可以包括永久磁鐵或電磁鐵的陣列，使得所述電機充當(dāng)同步電機。由于適當(dāng)?shù)乜刂起侂?，此電機將形成所謂的無電刷直流電機。
[0021]另一替代是使用包括鐵磁特征部的陣列的轉(zhuǎn)子或中繼器，所述鐵磁特征部與定子的磁場相互作用以在旋轉(zhuǎn)電機的情況中產(chǎn)生扭力或在直線電機的情況中產(chǎn)生推力。由于適當(dāng)?shù)乜刂起侂?，此電機可形成同步磁阻電機、開關(guān)磁阻電機或步進電動機。
[0022]所述兩個繞組可以由兩相電源饋送，或在發(fā)電機的情況下，其可以饋送到兩相負(fù)載中。兩相電源可以由以下項提供:
[0023]專用兩相交流發(fā)電機；
[0024]具有兩相輸出的電力電子轉(zhuǎn)換器，諸如可以使用利用IGBT的兩個H電橋布置且連接到共同的直流鏈路；
[0025]三相電源，其中一組變壓器被連接來在三相系統(tǒng)與兩相系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)換，諸如Scott-T連接式變壓器；或
[0026]單相電源，其具有如單相電動機中使用的相移阻抗。
[0027]發(fā)電機的兩相負(fù)載可以采用以逆功率流操作的上述布置之一或其可以僅僅包括電阻式負(fù)載組。在長直線電機或大直徑旋轉(zhuǎn)電機的情況下，優(yōu)選地將定子分為多個可管理分段。對于旋轉(zhuǎn)電機，分段可以是繞電機安置的一組弧線，或替代地如果使用大量分段，那么在軸向通量電機的情況下，使分段直立且切線安置可以又方便且又更具成本效益。如果分段被分隔開，那么其繞組中的電磁場(emf)的相位不同。如果分段之間的距離是1/3波長，那么相差是120度，且如果定子已被分為3的倍數(shù)，那么可使用三相電源來供應(yīng)一個定子的分段。如果距離是1/6波長，那么可以使用交替塊翻轉(zhuǎn)的繞組的三相電源。在任一情況下，可使用第二個三相電源(其三個輸出與第一個三相電源的輸出相位正交)來供應(yīng)第二定子的分段。如果第一定子的分段的繞組是以星型連接，那么可通過以三角形連接第二定子的繞組且將所述繞組連接到相同三相電源來提供所需第二個三相電源。以此方式，可使用標(biāo)準(zhǔn)的三相電源。注意，施加于以三角形連接的繞組的電壓高于施加于以星型連接的繞組的電壓且電流更小。所述兩個定子的繞組因此被優(yōu)選地布置來在不同電壓和電流下通過指定不同橫截面的成比例不同圈數(shù)的導(dǎo)體而操作。
[0028]附圖簡述
[0029]現(xiàn)在將通過實例方式參考附圖描述本發(fā)明的實施方案，其中:
[0030]圖1 (a)到I (C)示意地展示旋轉(zhuǎn)和直線電機的組件；
[0031 ] 圖2展示雙定子直線電機；
[0032]圖3以正面展示中心敞開式水輪機的外殼，所述水輪機包括根據(jù)本發(fā)明的實施方案的發(fā)電機；
[0033]圖4展示圖3的外殼的透視圖；
[0034]圖5是穿過圖3和4中指示的線V-V和平面V-V的橫截面圖；
[0035]圖6展示圖3到5的渦輪機的定子上的繞組的示例性布局；
[0036]圖7 (a)和7 (b)詳細(xì)地展示圖6的定子的電極的繞組的布局；
[0037]圖8展示用于容納圖6和7的繞組的示例性疊層的橫截面；
[0038]圖9展示用于容納定子的繞組的替代疊層的橫截面；
[0039]圖10展示被配置來以標(biāo)準(zhǔn)的三相電氣系統(tǒng)操作的兩個定子的繞組的電連接；
[0040]圖11展示搭配圖10的系統(tǒng)使用的雙電橋轉(zhuǎn)換器；且
[0041]圖12展示提供用于本發(fā)明的替代實施方式的兩相輸出的轉(zhuǎn)換器。
【具體實施方式】
[0042]本發(fā)明的一個特定應(yīng)用是用于中心敞開式無軸件潮汐流渦輪機的軸向通量、低速、直接耦合旋轉(zhuǎn)發(fā)電機?，F(xiàn)在參考圖3和4，展示包括根據(jù)本發(fā)明的實施方案的電動機/發(fā)電機的此渦輪機30。渦輪機包括轉(zhuǎn)輪，所述轉(zhuǎn)輪包括固定在內(nèi)環(huán)34與外環(huán)36之間的容置在護罩38中的一組葉片32。通常，渦輪機外殼還包括允許渦輪機固定到諸如重力基座的水下結(jié)構(gòu)的底座-但是此細(xì)節(jié)并未在當(dāng)前案例中加以展示。
[0043]現(xiàn)在參考圖5，其以橫截面展示渦輪機的部分。外環(huán)36在由前部環(huán)形支撐件40、夕卜部圓柱形支撐件42和后部環(huán)形支撐件44界定的通道內(nèi)運轉(zhuǎn)-前部和后部是相對于流體通過渦輪機的方向(由箭頭F指示)而定義。然而，應(yīng)明白，渦輪機可為雙向的且因此響應(yīng)于任一方向上的流體流動。每一支撐件40、42、44是由相應(yīng)軸承40’、42’、44’與環(huán)36分離。在所述實施方案中，此類組件均無需具有磁性且純粹是根據(jù)機械傳輸效率的觀點而設(shè)計。
[0044]在此實施方案中，電動機/發(fā)電機組合件被安置成軸向遠(yuǎn)離渦輪機組合件。電動機/發(fā)電機組合件還包括前部環(huán)形支撐件46、圓柱形外部支撐件48和后部環(huán)形支撐件50。前部環(huán)形支撐件46可固定到后部環(huán)形支撐件44且實際上此類支撐件可作為整體組件而生產(chǎn)。第一圓形定子包括如下文更詳細(xì)描述般纏繞圓形疊層53的一組線圈52且疊層53固定到前部支撐件46。第二圓形定子包括還如下文更詳細(xì)描述般纏繞圓形疊層55的一組線圈54且疊層55固定到后部支撐件50。環(huán)形轉(zhuǎn)子56安置在所述兩個定子52、54之間，且此電動機/發(fā)電機轉(zhuǎn)子56是經(jīng)由傳輸環(huán)60直接耦合到轉(zhuǎn)輪的外環(huán)36。因此，當(dāng)電動機/發(fā)電機52、54、56被驅(qū)動來啟動渦輪機時，旋轉(zhuǎn)是經(jīng)由環(huán)60傳輸?shù)睫D(zhuǎn)輪，且一旦運轉(zhuǎn)，葉輪便經(jīng)由環(huán)60驅(qū)動電動機/發(fā)電機。然而，應(yīng)明白，在恰好潮汐條件下，潮汐流可用來啟動渦輪機而無需以電力腳踏啟動渦輪機。然而，腳踏啟動渦輪機的可能性意指其可跨包括低流條件的更大條件范圍(與此選項不可用相比)操作。
[0045]圖6更詳細(xì)地展示圖5的定子52、54的結(jié)構(gòu)。在一些應(yīng)用中，定子可具有9m的平均直徑，且在此情況下，電