电机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电机、发电机或电动机，并涉及用于操作电机、发电机、电动机或交流发电机的方法。
【背景技术】
[0002]在现有技术中，具有绕线(wound)或鼠笼型(cage)转子的各种类型的电机(电动机和发电机)是已知的。这些电机分为两大类:同步电机和感应电机。感应电机在旋转速度和扭矩方面相当灵活。关于这点，改变定子极距并由此进一步增加这类感应电机的灵活性也是已知的。然而，与同步电机相比，感应电机的主要缺点在于相对低的效率。虽然同步电机更有效率，但是此效率受限于一个旋转速度，即受限于转子的与向电机提供的交流频率同步的速度。因此，同步电机不够灵活。
【发明内容】
[0003]因此，本发明的目的在于提供电机以及以不同的旋转速度高效地操作电机的方法。
[0004]通过根据权利要求1的电机和根据权利要求11的操作电机的方法来实现此目的。在从属权利要求中界定了本发明的优选实施方式的附加优点和特征。
[0005]根据本发明，提供了一种电机，该电机包括:定子和转子，其中所述转子相对于所述定子旋转，且其中所述转子包括布置在所述转子处的转子切换装置。
[0006]适当地，所述转子切换装置包括转子控制单元和至少一个开关，所述至少一个开关电连接转子线圈和/或提供或断开到电源的电连接。特别地，所述转子控制单元在预定时刻激活预选择的电开关，使得针对给定的转子线圈，发生下列事件中的一者:
[0007]一将所述转子线圈电连接至直流电源，使得极性也是可选择的；
[0008]一将所述转子线圈电连接至多相交流电源的被选择相，使得所述极性也是可选择的；
[0009]一使所述转子线圈短路；
[0010]一将所述转子线圈连接至电气负载；以及
[0011]一使所述转子线圈断开电连接。
[0012]在优选的实施方式中，所述开关是诸如继电器等机械开关或是半导体开关。如已经提到的，所述开关电连接不同的转子线圈。然而，所述开关也提供与电源的连接。在一个实施方式中，开关的数量与(转子)线圈的数量相同。优选地，由于所述开关位于所述转子切换装置中或位于所述转子切换装置处，所以它们也与所述转子切换装置一起旋转。
[0013]在一个实施方式中，所述转子包括用于提供或传导电功率的装置，特别地包括集电环或旋转变压器。集电环是被设计成将电流或信号从固定导线运送至旋转装置的电连接器。通常，集电环包括在旋转金属环的外径上摩擦的固定石墨或金属触头(电刷)。当所述金属环转动时，所述电流或信号通过所述固定电刷被传导至所述金属环，从而实现连接。如果需要一个以上的电气线路，那么沿旋转轴堆叠额外的环/刷组件。旋转(转动)变压器是专门用于在相对于彼此旋转的两个部件之间耦合电信号的变压器。优选地，普通旋转变压器比集电环提供更长的寿命。合适地，所述转子包括与电源或必须传导的电流和电压相对应的多个集电环或旋转变压器。优选地，这些装置布置在所述转子的转子轴处。优选地，所述电源为交流或直流电源。
[0014]合适地，所述转子切换装置可包括至少一个诸如直流-直流变换器、直流-交流变换器、交流-交流变换器和/或交流-直流变换器等电变换器。这同样适用于定子切换装置。
[0015]在优选的实施方式中，所述电机包括具有定子控制单元的定子切换装置，其中所述定子切换装置包括至少一个开关，所述至少一个开关电连接定子线圈和/或提供或断开与电源的电连接。优选地，这些开关的类型和设计与所述转子切换装置的开关的类型和设计相同。因此，特征和优点也相同。特别地，所述定子切换单元在预定时刻激活预选择的电开关，使得针对给定的定子线圈，发生下列事件中的一者:
[0016]一将所述定子线圈电连接至多相交流电源的被选择相，使得极性也是可选择的；
[0017]一将所述定子线圈电连接至直流电源，使得极性也是可选择的；
[0018]一使所述定子线圈短路；
[0019]一将所述定子线圈连接至电气负载；以及
[0020]一使所述定子线圈断开电连接。
[0021]合适地，所述定子包括至少一个定子极对，其中所述转子包括至少一个转子极对，其中每个极对由至少三个线圈构成。所述转子切换装置向所述转子提供直流电和/或交流电。以相同的方式，所述定子切换装置向所述定子提供直流电和/或交流电。通常，所述电机可在其所有的操作模式下作为发电机和电动机进行操作。在一个实施方式中，所述电机可作为双馈电机进行操作。双馈电机是转子也有效参与能量转换过程的电机。由所述转子产生的磁场不是静止的而是相对于所述转子本身旋转，且根据电流操作模式，电能被“抽运”至所述转子或被从所述转子中取出。在本发明中，所述转子可产生相对于所述转子本身旋转的可变极磁场。所述转子和所述定子均可(例如通过三相交流电)产生旋转的磁场。优选地，所述定子切换装置通过电连接适当的定子线圈来改变定子极对数，其中所述转子切换装置通过电连接适当的转子线圈来改变转子极对数。在一个实施方式中，所述电机可以是单馈同步电机。在此情况下，所述定子线圈被提供有交流电且所述转子线圈被提供有直流电。所述同步电机是稳态条件下的速度与其电枢中或转子中的电流的频率成正比的交流旋转电机。这也被称为“同步速度”。所述同步速度N由如下公式给出:
[0022]N = f/p.60s/min
[0023]这里，f是交流供电电流的频率(电力频率)(Hz)，且P是极对数。
[0024]每个极对包括两个极，即北极和南极。因此，最小的极对数为“I” (例如，I个北极和I个南极)。优选地，所述定子极对数与所述转子极对数相同。它们彼此对应。换句话说，可通过分别改变所述定子极对数和所述转子极对数来改变磁极数并由此改变所述同步速度N。有利地，所述电机在工作时改变极数或极角距(所述极距被定义为两个相邻极的中心之间的周边距离且所述极角距被定义为由两个相邻极的中心与所述转子的旋转轴形成的角度)。因此，所述电机能够在不同的旋转速度和给定的电力频率下以最高的效率进行操作。本发明的另一实施方式能够作为双馈电机进行操作。在这种情况下，旋转速度N为极对数与两个频率(被提供至所述转子的一个频率和被提供至所述定子的另一个频率)的乘积。由于每两个给定的电力频率至少存在两种不同的同步速度，所以本发明通过改变所述转子和所述定子的极对数还增加了双馈电机的功能性。所述电机能够以各种不同的输出频率以及给定的旋转速度作为交流电动机和作为交流发电机进行操作。所述转子根据命令产生在方向和大小方面能够相对于所述转子本身变化的可变磁场。所述转子分别包括转子或旋转轴，并被支撑在所述定子的内部。所述定子和所述转子均沿所述旋转轴延伸。所述电机的定子优选地由包括所述定子线圈的堆叠电钢芯构成。所述定子切换装置优选地连接所述定子线圈与多相系统。多相系统具有三个以上的带电导体(其运载在每个导体中的电压波之间具有确定的时间偏移的交流电)。在多相功率下，可以产生旋转磁场。优选地，三个线圈被连接成形成三相绕组或系统。有利地，此连接不是固定的。因为连接由所述定子切换装置提供，所以不同的线圈和不同数量的线圈可连接至各个和每个交流相，以改变所述定子的极数或极对数并由此改变所述电机的同步旋转速度。这同样适用于所述转子切换装置和所述转子线圈。为了进一步灵活性地提高转子旋转速度，所述转子线圈优选地通过所述转子切换装置被提供有交流电，从而将所述电机作为双馈电机进行操作。这意味着所述定子和所述转子通过使用交流电均产生旋转磁场。在一个实施方式中，所述定子和所述转子的旋转磁场在不同的方向上旋转。
[0025]优选地，所述定子包括多个定子槽且所述转子包括多个转子槽，其中每个定子线圈布置在至少两个定子槽中，且其中每个转子线圈布置在至少两个转子槽中。优选地，所述转子线圈和所述定子线圈以大体上平行于所述旋转轴的方式延伸。然而，还可能的是，所述转子线圈和/或所述定子线圈以至少部分地横切于或倾斜于所述旋转轴的方式延伸。另夕卜，所述转子线圈和/或所述定子线圈可沿所述旋转轴至少部分地具有波纹形式。
[0026]在单馈电机实施方式中，优选地存在有四个转子槽和六个定子槽。转子线圈的数目优选地为4个，且定子线圈的数目优选地为6个。每个线圈占据两个相邻的槽，因此定子线圈角距为60°且转子线圈角距为90°。合适地，所述转子通过两个集电环被提供有直流电。
[0027]在双馈电机实施方式中，优选地存在有6个转子槽和6个定子槽。转子线圈的数目优选地为6个，且定子线圈的数目优选地为6个。每个线圈占据两个相邻的槽，因此定子线圈角距为60°且转子线圈角距为60°。合适地，所述转子通过集电环被提供有交流电。
[0028]应当理解的是，具有不同数目(例如，18、24或48等)的线圈和槽的实施方式也是可能的和优选的。
[0029]合适地，所述电机(特别是所述转子)可使用直流电和/或交流电进行操作，其中交流电至少包括3相。换句话说，相的最小数目优选地为3个(相A、相