用於同步電機的高頻旋轉變壓器的製作方法
2023-05-04 02:57:11 1
專利名稱：用於同步電機的高頻旋轉變壓器的製作方法
技術領域：
本發明大致涉及一種同步電機，更具體地涉及與繞線轉子同步電機等結合使用的變壓器。
背景技術：
現代繞線轉子同步電機典型地需要靜止的轉子磁場與定子磁場相互作用並在電機軸上產生轉矩。產生此靜止磁場的電能以DC電流的形式由馬達外部提供。因為電機轉子旋轉，需要通過旋轉接口提供電能給轉子。典型地，此旋轉接口通過使用電刷(靜止側)和滑環(旋轉側)來實現。此方法對於長期耐久性(例如，電刷的磨損)和可靠性(在不利環境下的電刷至滑環的電接觸的劣化)是不令人滿意的。 另一種方法，主要見於發電工業中的大發電機，是使用低頻旋轉變壓器。變壓器的原邊繞組通過可變電阻器或自耦變壓器連接到電網以調節輸入電能。變壓器的副邊繞組與同步發電機的轉子一起旋轉。固態或機械整流器將來自變壓器副邊的AC電能轉換為提供給發電機磁場繞組的DC電能。因為這樣的變壓器在相對低的電網頻率(例如，60Hz)下操作，這樣的裝置傾向於過大和過重。因此，需要在繞線轉子同步電機中使用的更緊湊和有效的變壓器設計。結合附圖和上述技術領域和背景技術，從後續的詳細說明和所附權利要求中，可以顯而易見到本發明的其他理想特徵和特性。
發明內容
根據本發明的一個實施例，用於電機的高頻旋轉變壓器包括具有原邊變壓器繞組的原邊變壓器部件和具有副邊變壓器繞組的副邊變壓器部件。原邊變壓器繞組構造成通過DC-AC變流器(逆變器)聯接到DC電源。副邊變壓器繞組構造成聯接到轉子的繞組(例如，間接地，通過整流器/濾波器電路)。原邊和副邊變壓器部件各機械聯接到定子或轉子。副邊變壓器部件構造成相對於原邊變壓器部件旋轉。原邊中AC電流通過原邊變壓器繞組和副邊變壓器繞組產生磁通。根據一個實施例的旋轉變壓器電源系統包括構造成接收DC輸入和轉子電流指令的逆變器模塊；其中提供有轉子繞組的轉子；旋轉變壓器，所述旋轉變壓器包括具有原邊變壓器繞組的原邊變壓器部件，所述原邊變壓器繞組構造成與逆變器模塊相聯接；具有與轉子的繞組相聯接的副邊變壓器繞組的副邊變壓器部件，其中原邊和副邊變壓器部件各機械聯接到定子或轉子；並且其中副邊變壓器部件構造成相對於原邊變壓器部件旋轉以通過原邊變壓器繞組和副邊變壓器繞組產生磁通。此外，本發明還涉及以下技術方案。I. 一種用於具有定子和轉子的電機的高頻旋轉變壓器，所述旋轉變壓器包括 具有原邊變壓器繞組的原邊變壓器部件，所述原邊變壓器繞組構造成與DC電源聯接；
以及具有副邊變壓器繞組的副邊變壓器部件，所述副邊變壓器繞組構造成與所述轉子的繞組聯接；
其中，所述原邊變壓器部件和副邊變壓器部件各機械聯接到所述定子或轉子；以及其中，所述副邊變壓器部件構造成相對於所述原邊變壓器部件旋轉以通過所述原邊變壓器繞組和所述副邊變壓器繞組產生磁通。2.根據技術方案I所述的旋轉變壓器，其特徵在於，所述副邊變壓器部件構造成相對於所述原邊變壓器部件旋轉以提供大於約60Hz的變壓器頻率。3.根據技術方案I所述的旋轉變壓器，其特徵在於，所述原邊變壓器部件和所述 副邊變壓器部件被軸向間隙分開。4.根據技術方案3所述的旋轉變壓器，其特徵在於，所述原邊變壓器部件機械聯接到所述定子，所述副邊變壓器部件機械聯接到所述轉子。5.根據技術方案I所述的旋轉變壓器，其特徵在於，所述原邊變壓器部件和所述副邊變壓器部件被徑向間隙分開。6.根據技術方案5所述的旋轉變壓器，其特徵在於，所述原邊變壓器部件機械聯接到所述定子，所述副邊變壓器部件機械聯接到所述轉子。7.根據技術方案6所述的旋轉變壓器，其特徵在於，所述副邊變壓器部件套在所述轉子的轂的內徑中。8.根據技術方案I所述的旋轉變壓器，其特徵在於，還包括設置在所述原邊變壓器部件和所述副邊變壓器部件的至少一個中的冷卻液體路徑。9.根據技術方案I所述的旋轉變壓器，其特徵在於，所述冷卻液體路徑構造成接收汽車變速器油。10. 一種旋轉變壓器電源系統，包括
構造成接收DC輸入和轉子電流指令的逆變器模塊；
其中提供有轉子繞組的轉子；
旋轉變壓器，所述旋轉變壓器包括
具有原邊變壓器繞組的原邊變壓器部件，所述原邊變壓器繞組構造成與所述逆變器模塊聯接；以及
具有與所述轉子的繞組聯接的副邊變壓器繞組的副邊變壓器部件，
其中，所述原邊變壓器部件和副邊變壓器部件各機械聯接到所述定子或所述轉子，並且其中，所述副邊變壓器部件構造成相對於所述原邊變壓器部件旋轉，以通過所述原邊變壓器繞組和所述副邊變壓器繞組產生磁通。11.根據技術方案10所述的系統，其特徵在於，還包括在所述旋轉變壓器和所述轉子繞組之間相互連接的AC-DC部件。12.根據技術方案10所述的系統，其特徵在於，所述原邊變壓器部件和所述副邊變壓器部件被軸向間隙分開。13.根據技術方案12所述的系統，其特徵在於，所述原邊變壓器部件機械聯接到所述定子，所述副邊變壓器部件機械聯接到所述轉子。14.根據技術方案10所述的系統，其特徵在於，所述原邊變壓器部件和所述副邊變壓器部件被徑向間隙分開。
15.根據技術方案14所述的系統，其特徵在於，所述原邊變壓器部件機械聯接到所述定子，所述副邊變壓器部件機械聯接到所述轉子。16.根據技術方案15所述的系統，其特徵在於，所述副邊變壓器部件套在所述轉子的轂的內徑中。17.根據技術方案10所述的系統，其特徵在於，所述原邊變壓器繞組和所述副邊變壓器繞組是環形的。18.根據技術方案10所述的系統，其特徵在於，所述副邊變壓器部件構造成相對於所述原邊變壓器部件旋轉以提供大於約60Hz的變壓器頻率。19. 一種用於提供電能給具有轉子和定子的電機的方法，包括如下步驟
在高頻旋轉變壓器接收指示轉子電流指令的AC信號；
通過相對於所述高頻旋轉部件的原邊繞組旋轉所述高頻旋轉變壓器的副邊繞組以產生磁通而通過所述高頻旋轉變壓器聯接所述AC信號；
將所述聯接的AC信號轉換為DC信號；
提供所述DC信號給所述轉子的繞組。20.根據技術方案19所述的方法，其特徵在於，所述聯接包括相對於所述原邊繞組旋轉所述副邊繞組，使得所述高頻旋轉變壓器的頻率大於約60Hz。
下面將結合以下附圖來描述本發明，其中相同的附圖標記表示相同的元件，附圖中
圖I是根據一個實施例的與同步電機相關的旋轉變壓器電源系統的概念框 圖2是根據一個實施例的軸向間隙旋轉變壓器的示意性橫截面 圖3是根據一個實施例的徑向間隙旋轉變壓器的示意性橫截面圖。
具體實施例方式總體上，本發明的實施例涉及構造成提供電能給繞線轉子同步電機的磁場繞組的緊湊的、重量輕的、高頻旋轉變壓器。為了簡單清楚地說明，附圖描繪了各種實施例的總體結構和/或構造方式。附圖中的元件沒有必要按比例繪製一些特徵的尺寸可相對於其他元件被放大以幫助理解示例性實施例。為簡明起見，本領域技術人員已知的傳統技術、結構和原理不在本文描述，包括，例如，馬達和旋轉電機的基本原理、變壓器的基本操作原理。參考圖I中顯示的概念框圖，旋轉變壓器電源組件(或簡稱為「組件」)100大致包括通過旋轉變壓器112和整流器/濾波器模塊114電聯接到同步電機轉子繞組116上的DC-AC變流器(逆變器)104 (和相關的控制處理器或「處理器」105)。因此，組件110實現DC-DC變流器，在該DC-DC變流器中靜止部件130通過旋轉變壓器112電聯接到旋轉部件140，如下文更詳細描述的。逆變器104，可為本領域已知的傳統開關電源逆變器，聯接到DC輸入102，例如，來自與混合動力電動車輛結合使用的類型的牽引母線的DC電能。逆變器104還從逆變器控制處理器106接收轉子電流指令108並發送狀態報告110到逆變器控制處理器106。處理器105接收電流指令108，控制電能轉換過程，實現監測和保護功能並提供狀態報告110返回給逆變器控制處理器106。因此，接收的轉子電流指令108施加到轉子的磁場繞組116上(通過旋轉變壓器112和模塊114)。參考圖2中顯示的概念橫截面圖，現在將描述根據本發明的一個實施例的旋轉變壓器112。如顯示的，旋轉變壓器112包括具有原邊變壓器繞組230的大致盤形的原邊部件212 (本文統稱為「原邊」)和具有副邊變壓器繞組232的相應的副邊部件214 (本文統稱為「副邊」)。因為在原邊212和副邊214之間沿軸向(S卩，沿馬達軸206的旋轉軸線205)提供間隙，在圖2中說明的實施例通常稱為「軸向間隙」旋轉變壓器。應當理解，圖2是簡化的、示意性的說明，不需要按比例繪製，並且在實際的實施例中可包括另外的傳統馬達部件。繼續參考圖2，如說明的，原邊212機械聯接到定子(未示出)。另一方面，副邊214聯接到轉子208，例如，具有相應的轉子繞組210的轉子組。在備選實施例中，原邊212可聯接到定子，而副邊214聯接到轉子208。電觸點202提供由原邊繞組230到靜止開關模式電源(即圖I中的逆變器104)的連接。傳統整流器/濾波電路216 (相應於圖I中的塊114) 還機械聯接到轉子208並電聯接在變壓器繞組232和轉子繞組210之間。在操作期間，轉子208、整流器/濾波電路216、副邊214和馬達軸206相對於原邊212和相關的定子(未示出)旋轉。結果，通過繞組230和232產生磁路204，而與轉子速度或位置無關，由此提供指令的電能給繞組210。旋轉變壓器112可用各種方式製造並使用各種已知的材料。在一個實施例中，例如，旋轉變壓器112包括鐵氧體旋轉變壓器。如顯示的，旋轉變壓器112的鐵芯的分段改善了強度，防止了如果使用易碎的材料(例如鐵氧體)時鐵芯的磁材料在振動下破裂。變壓器112的尺寸可基於轉子尺寸、定子尺寸等來選擇以實現所需的性能。現在參考圖3，將描述旋轉變壓器112的備選實施例。與圖2中顯示的實施例不同，說明的實施例包括在變壓器原邊和副邊部件之間的徑向間隙。更具體的，在這個實施例中的旋轉變壓器112包括具有原邊變壓器繞組332的原邊部件312 (本文統稱為「原邊」)和具有副邊變壓器繞組330的相應的副邊部件314(本文統稱為「副邊」)。在原邊312和副邊314之間在徑向上提供間隙(即，從旋轉軸線305徑向延伸)。圖3中說明的實施例通常稱為徑向間隙旋轉變壓器。如說明的，原邊312機械聯接到具有定子繞組310的定子308。副邊314安裝在轉子轂320中，並隨其旋轉。在備選實施例中，原邊312可聯接到轉子轂320，而副邊314聯接到定子308。電觸點302提供由原邊繞組332到靜止開關模式電源(例如，圖I中的逆變器104)的連接。合適的整流器/濾波電路包括在旋轉變壓器112中，鄰近變壓器的副邊鐵芯。在操作期間，轉子轂320、副邊314和整流器/濾波器相對於原邊312和定子308旋轉。結果，通過繞組330和332產生磁路304，由此提供指令的電能給轉子繞組。應當理解，根據圖3中顯示的實施例，將旋轉變壓器112套在馬達轉子轂320中通過減少電機的總長度節省了空間。即，旋轉變壓器112不在軸向上延伸超過轉子轂320本身。此外，因為變壓器112的外部聯接到轉子，產生的施加在轉子繞組上的離心力傾向於將繞組按壓在結構中。以這種方式，自動實現了在高轉子速度下的繞組保持。期望在旋轉變壓器112的鐵芯中的磁通304、204與變壓器靜止部分(定子或原邊)和旋轉部分(轉子、副邊)之間的角位置無關。根據圖2和圖3的實施例，當變壓器的轉子隨著馬達轉子以任何速度旋轉時，由原邊感應到其中的電壓不改變，無論原邊和副邊之間的相對速度如何。在各種實施例中，為實現高功率密度，旋轉變壓器優選地用流體冷卻，例如傳統的油。例如，從汽車變速器提供的油可引入旋轉變壓器112的移動表面之間。然後，油通道可提供到轉子和/或定子中用於繞組冷卻。如圖3中描述的，油路350可提供用於潤滑旋轉變壓器112的各個表面。根據一個實施例，為補償在馬達轉子320中的可使得變壓器112部件之間不對準的任何軸向間隙，部件中的一個優選地構造成在軸向上厚出等於最大軸向間隙值的量。用這種方式，通過變壓器112的磁通204、304將基本上在轉子的軸向間隙限度之內不變。應當理解，圖2和圖3中說明的旋轉變壓器112是通常幾十或幾百千赫茲等級或更高的高頻變壓器。這與操作在60Hz頻率等級的大的、低頻變壓器不同。 根據說明的實施例，圖2的繞組230和232和圖3的繞組330和332包括連續的環，而不是在很多現有技術的變壓器中的分段繞組。總之，已描述的是為繞線旋轉同步電機的磁場繞組供電的改進的旋轉變壓器設計。通過使用顯示的分段原邊和副邊變壓器部件，提供了很緊湊的、輕的、可製造的高頻電源。雖然已在以上對本發明的詳細描述中介紹了至少一個示例性實施例，但是應當理解的是，存在著大量的變型。還應當理解的是，示例性實施例僅僅是示例，且不旨在以任何方式限制本發明的範圍、可應用性或配置。相反，上述的詳細描述將為本領域技術人員提供用以實施本發明示例性實施例的方便的路線圖，應當理解的是，在不脫離所附權利要求及其法律等效物中所陳述的本發明範圍的情況下，可以在示例性實施例中所描述元件的功能和布置上作各種變化。
權利要求
1.一種用於具有定子和轉子的電機的高頻旋轉變壓器，所述旋轉變壓器包括 具有原邊變壓器繞組的原邊變壓器部件，所述原邊變壓器繞組構造成與DC電源聯接；以及 具有副邊變壓器繞組的副邊變壓器部件，所述副邊變壓器繞組構造成與所述轉子的繞組聯接； 其中，所述原邊變壓器部件和副邊變壓器部件各機械聯接到所述定子或轉子；以及其中，所述副邊變壓器部件構造成相對於所述原邊變壓器部件旋轉以通過所述原邊變壓器繞組和所述副邊變壓器繞組產生磁通。
2.根據權利要求I所述的旋轉變壓器，其特徵在於，所述副邊變壓器部件構造成相對於所述原邊變壓器部件旋轉以提供大於約60Hz的變壓器頻率。
3.根據權利要求I所述的旋轉變壓器，其特徵在於，所述原邊變壓器部件和所述副邊變壓器部件被軸向間隙分開。
4.根據權利要求3所述的旋轉變壓器，其特徵在幹，所述原邊變壓器部件機械聯接到所述定子，所述副邊變壓器部件機械聯接到所述轉子。
5.根據權利要求I所述的旋轉變壓器，其特徵在於，所述原邊變壓器部件和所述副邊變壓器部件被徑向間隙分開。
6.根據權利要求5所述的旋轉變壓器，其特徵在幹，所述原邊變壓器部件機械聯接到所述定子，所述副邊變壓器部件機械聯接到所述轉子。
7.根據權利要求6所述的旋轉變壓器，其特徵在幹，所述副邊變壓器部件套在所述轉子的轂的內徑中。
8.根據權利要求I所述的旋轉變壓器，其特徵在於，還包括設置在所述原邊變壓器部件和所述副邊變壓器部件的至少ー個中的冷卻液體路徑。
9.ー種旋轉變壓器電源系統，包括 構造成接收DC輸入和轉子電流指令的逆變器模塊； 其中提供有轉子繞組的轉子； 旋轉變壓器，所述旋轉變壓器包括 具有原邊變壓器繞組的原邊變壓器部件，所述原邊變壓器繞組構造成與所述逆變器模塊聯接；以及 具有與所述轉子的繞組聯接的副邊變壓器繞組的副邊變壓器部件， 其中，所述原邊變壓器部件和副邊變壓器部件各機械聯接到所述定子或所述轉子，並且其中，所述副邊變壓器部件構造成相對於所述原邊變壓器部件旋轉，以通過所述原邊變壓器繞組和所述副邊變壓器繞組產生磁通。
10.一種用於提供電能給具有轉子和定子的電機的方法，包括如下步驟 在高頻旋轉變壓器接收指示轉子電流指令的AC信號； 通過相對於所述高頻旋轉部件的原邊繞組旋轉所述高頻旋轉變壓器的副邊繞組以產生磁通而通過所述高頻旋轉變壓器聯接所述AC信號； 將所述聯接的AC信號轉換為DC信號； 提供所述DC信號給所述轉子的繞組。
全文摘要
本發明涉及用於電機的高頻旋轉變壓器，包括具有原邊變壓器繞組的原邊變壓器部件和具有副邊變壓器繞組的副邊變壓器部件。原邊變壓器繞組構造成通過DC-AC變流器聯接到DC電源。副邊變壓器繞組構造成聯接到轉子的繞組。原邊和副邊變壓器部件各機械聯接到定子或轉子。副邊變壓器部件構造成相對於原邊變壓器部件旋轉以通過原邊變壓器繞組和副邊變壓器繞組產生磁通。
文檔編號H02K19/00GK102651274SQ20121004724
公開日2012年8月29日 申請日期2012年2月28日 優先權日2011年2月28日
發明者C.C.斯坦庫, E.黑奇, K.M.拉曼, P.J.薩瓦吉安, R.T.道西 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司