同步电机的制作方法
【专利说明】同步电机
[0001] 所考虑的发明涉及具有定子和转子的同步电机。
[0002] 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°。
[0003] 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。
[0004]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。
[0005] 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。
[0006] -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。
[0007] 因此，电流激励同步交流电机是未来令人关注的替选。
[0008] 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。
[0009] 这样的自激励电机被用于例如风力发电机中。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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>l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。
[0013] 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。
[0014]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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 激励绕组优选地具有高绕组系数。
[0027] 激励绕组和场绕组优选地围绕转子的相同齿而缠绕。
[0028] 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。
[0029] 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。
[0030] 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。
[0031] 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。
[0032] 优选地，针对激励绕组和场绕组设置有单独的齿线圈绕组。
[0033] 整流优选地被实现为全桥式整流器电路。
[0034] 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。
[0035] 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。
[0036] 附图示出如下：
[0037] 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；
[0038] 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；
[0039] 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；
[0040] 图4转子的场绕组的实施方式示例；
[0041] 图5转子的激励绕组的实施方式示例；
[0042] 图6转子的绕组系统的改进的实施方式示例；
[0043] 图7关于示例的转子的绕组系统的另一改进；
[0044] 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；
[0045] 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；
[0046] 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
[0047