帶有諧振場勵磁機的繞線磁極式同步機的製作方法

2023-05-11 19:29:52 1

本發明涉及繞線磁極式同步機及有效操作它們的方法。

背景技術：

電動機和發電機是由來已久。目前，高效率大型電機(即那些功率額定值大於10馬力(HP)甚至往往大於100馬力的電機)使用帶有昂貴控制機構的繞線磁極式同步設備，而小型電機(即那些功率額定值在10HP或更低的電機)則使用稀土轉子磁鐵設備或感應轉子磁場設備。稀土轉子磁鐵設備的價格預計在未來幾年將上漲，而感應轉子磁場設備節能效率低。

預計能源成本在經濟上和環境上都會增加，產生了對成本低且能源效率高的發動機和發電機的需求。

技術實現要素：

本發明提供了一種允許高效繞線磁極式同步發動機或發電機相比於在應用中當前所使用的永久磁鐵或感應發動機以更低的成本或更高的能效在這些應用中運行的設備，從而解決了這一需求。其需要三個方面：一臺機器、一種包含轉子繞組的設備和一種能夠連接到轉子繞組的設備。第一方面是一種包含五個元件的裝置。第一元件是具有轉子繞組但不具有用於產生扭矩的轉子磁鐵的繞線磁極式同步機。第二元件是至少一個具有電壓和驅動頻率的方波交流電電壓發生器。第三元件是至少一個與所述方波交流電電壓發生器通信的諧振場勵磁機，所述諧振場勵磁機具有(1)旋轉參考框架、(2)靜態參考框架和(3)諧振電路，其串聯包含諧振電容器和帶有可變漏電感的旋轉變壓器。所述諧振場勵磁機被配置為以至少50千赫的諧振頻率在諧振模式下運行。第四元件是與所述方波交流電電壓發生器和所述諧振場勵磁機通信的控制器設備，其被配置為(1)測量進入所述諧振場勵磁機的電壓和電流，(2)跟蹤所述諧振頻率，並且(3)調整所述驅動頻率以基本上與所述諧振頻率相匹配，以使交流電電流轉移最大化。第五元件是與所述諧振場勵磁機和所述繞線磁極式同步機通信的整流器，其被配置為在交流電電流進入所述繞線磁極式同步機的轉子繞組之前將所述交流電電流轉換為直流電電流。

第二方面是一種也包含五個元件的裝置。第一元件是用於繞線磁極式同步機的轉子繞組。第二元件是至少一個具有電壓和驅動頻率的方波交流電電壓發生器。第三元件是至少一個與所述方波交流電電壓發生器通信的諧振場勵磁機，所述諧振場勵磁機具有(1)旋轉參考框架、(2)靜態參考框架和(3)諧振電路，其串聯包含諧振電容器和帶有可變漏電感的旋轉變壓器。所述諧振場勵磁機被配置為以至少50千赫的諧振頻率在諧振模式下運行。第四元件是與所述方波交流電電壓發生器和所述諧振場勵磁機通信的控制器設備，其被配置為(1)測量進入所述諧振場勵磁機的電壓和電流，(2)跟蹤所述諧振頻率，並且(3)調整所述驅動頻率以基本上與所述諧振頻率相匹配，以使交流電電流轉移最大化。第五元件是與所述諧振場勵磁機和所述繞線磁極式同步機的轉子繞組通信的整流器，其被配置為在交流電電流進入所述轉子繞組之前將所述交流電電流轉換為直流電電流。

第三方面是一種包含四個元件的裝置。第一元件是至少一個具有電壓和驅動頻率的方波交流電電壓發生器。第二元件是至少一個與所述方波交流電電壓發生器通信的諧振場勵磁機，所述諧振場勵磁機具有(1)旋轉參考框架、(2)靜態參考框架和(3)諧振電路，其串聯包含諧振電容器和帶有可變漏電感的旋轉變壓器。所述諧振場勵磁機被配置為以至少50千赫的諧振頻率在諧振模式下運行。第三元件是與所述方波交流電電壓發生器和所述諧振場勵磁機通信的控制器設備，其被配置為(1)測量進入所述諧振場勵磁機的電壓和電流，(2)跟蹤所述諧振頻率，並且(3)調整所述驅動頻率以基本上與所述諧振頻率相匹配，以使交流電電流轉移最大化。第四元件是與所述諧振場勵磁機通信的整流器，其被配置為在交流電電流進入繞線磁極式同步機的轉子繞組之前將所述交流電電流轉換為直流電電流。

本發明的各個方面允許在變速情況下製造和使用諸如發動機或發電機等繞線磁極式同步機(之前是不可能實現的)，該繞線磁極式同步機比感應電機效率更高，而且在永磁電機中並沒有昂貴的稀土轉子磁體存在。所述方面可用作發動機或發電機、包含轉子繞組的、適合用於易於嵌入或改裝成現有永久磁鐵或感應電機的設備或適合在構造繞線磁極式同步機過程中使用的設備。所述方面可在從諸如汽車等大馬力機器到諸如割草機、泵和壓縮機等小馬力機器中使用。本發明的機器以及在機器中使用的本發明的設備在現有機械技術上提供至少五大改進之處。首先，它們將同步繞線磁極式發動機和發電機的實用和經濟功率極限限制擴展到分數馬力應用領域，省去了目前在此功率範圍內的高效率發動機中使用的永久磁鐵。第二，它們使得高效率繞線磁極式同步發動機在更廣功率水平內取代低效率感應發動機，有助於實現國家能源效率目標。第三，它們在各功率水平內減少同步繞線磁極式發動機的總體大小和重量。第四，它們提供諸如弱化、直接磁場控制和監測等功能，這些功能目前在永磁發動機和發電機技術中不可獲得。第五，在不使用永久磁鐵的情況下，它們提供了與永磁同步發動機幾乎一樣的高效率。

附圖說明

圖1是連接到繞線磁極式同步機的本發明所述設備的元件的框圖。

圖2A是所述諧振場勵磁機的一個實施例的示意圖，示出了在所述旋轉參考框架上的所述電容器。

圖2B是所述諧振場勵磁機的一個實施例的示意圖，示出了在所述固定參考框架上的所述電容器。

圖3A是說明使用罐形磁芯軸向旋轉變壓器的諧振場勵磁機的一個實施例的側視圖。

圖3B是圖3A中所述實施例的端視圖。

圖4A是說明使用徑向旋轉變壓器的諧振場勵磁機的一個實施例的側視圖。

圖4B是圖4A中所述實施例的端視圖。

圖5A是連接到繞線磁極式同步轉子的本發明所述設備的元件的框圖。

圖5B是連接到在圖5中所示的發明所述設備的通用電動運動系統的框圖。

圖6是能夠連接到繞線磁極式同步轉子的本發明所述設備的元件的框圖。

雖然本發明可具有多種修改形式和替代形式，其具體特點已在圖中以實例的方式示出，並將詳盡描述。然而，應理解其意圖並非將本發明限制在所描述的具體實施例上。相反，本發明希望覆蓋在由所附權利要求書限定的本發明範圍內的全部修改、等同物和替代方案。

具體實施方式

本發明是已知發動機技術、電源技術以及數字和軟體技術的獨特組合，從而產生新型的繞線磁極式同步發動機或繞線磁極式同步機。這些機器和設備用於使所述機器相比於當前的繞線磁極式同步機以更廉價的控制在大於10馬力的功率水平下並以可變的速度運行或能夠運行。這些機器和設備用於使所述機器在沒有稀土轉子磁鐵的情況下以10馬力或更少的功率水平同樣運行或能夠運行。這些機器和設備用於使所述機器取代在所有功率水平下使用的低能量效率的感應發動機和發電機。本發明所述的機器和由本發明所述的設備製造的機器的效率至少為95％，相比於感應電機只有低於70％的效率。

本發明所述的繞線磁極式同步機以及本發明所述的用於製造繞線磁極式同步機的設備代表匯聚了150年的發動機技術、50年的電力供應技術和30年的軟體工程，從而製造一種新穎的、非顯而易見而有益的新裝置。現在，將討論每一個領域，以提供發明的背景。

發動機技術

在2006年的一份研究中，美國的電氣電子工程師協會(IEEE)報告顯示，美國60％的電能由發動機消耗，而且這些發動機中的絕大多數是以70％或更少的效率運行的感應發動機。2008年立法通過並於2010年實施的法規在法律上提高了對發動機效率的管制，有效地將最沒有效率的和最便宜的感應發動機非法化。正是同一項立法在有關提高的照明效率標準上在新聞界引起些許騷動。在此項立法之前，發動機因其收購價格最低並且效率低而最具吸引力。此項立法之後，發動機所有權的總成本更受關注。對於運行24/7的發動機而言，在發動機的使用壽命期間的能源成本可能是所述發動機初始成本的10至20倍。

在汽車行業中，對不同效率的發動機進行了不同的分類。效率最高級別的超優質發動機以包含永久磁鐵的發動機為主導。部分原因是效率立法在世界各地盛行，部分原因是這些發動機的市場不斷擴大，此類發動機市場預計將在2011年至2017年間增加9倍。

這導致了大量發展困難。最顯眼的雖然不是最嚴重的是中國對稀土材料市場的國際關注。通過降低原材料的成本，中國有實際上停止了所有競爭的採礦作業。然後，提高礦物原料的價格或限制其使用，使其加工產品(磁鐵等)的成本更具競爭力，有效地將其客戶移動到食物鏈。然而，這只是臨時轉移。與其名字「稀土」不符，稀土元素其實並非如此稀有。大量稀土元素礦床存在於各大洲(除西歐之外)，這些稀土元素原本就是從中分離出來(因此是「稀有」的外延)。

更嚴重的問題是，將稀土元素加工成磁鐵是有毒且複雜的過程，並且地球甚至不能承受稀土磁鐵生產的驟增。從長遠來看，這將使稀土磁鐵持續溢價，使永磁發動機和發電機固然比其磁鐵較少的類似物更加昂貴。

近年來，高效率感應發動機早已為人們所知曉。這些發動機實現了從普通感應發動機的70％提升到81％的效率。銅取代鋁可用於所述轉子，並且所述發動機中的轉子的大小增加，以通過減少撓曲密度降低渦流損耗。然而，這會導致相比於那些具有相同額定功率和成本的普通效率感應發動機的結構更重的結構，其接近那些具有類似額定功率的永磁發動機的結構。

但也有其它方式來製造發動機。開關磁阻發動機追溯到1830年。自1830年以來，串激直流電發動機也已經存在。自1885年以來，感應發動機已經存在。自十九世紀七十年代以來，繞線磁極式同步發電機(最初被稱為直流電發電機)已經存在。其同類機器，繞線磁極式同步發動機幾乎同一時期已經存在。所有這些發動機類型依賴於一個或多個基本電磁結構，其中電流在所述發動機的轉子中產生磁場。只有永磁發動機不需要能量以維持轉子中的磁場；然而，這需要付出超出磁鐵本身成本的代價。

在任何永磁發動機中，磁鐵本身的場強固定。這是優點，也是缺點。對於需要速度為零的極大轉矩的應用領域，轉子中有磁場的存在，使其容易並且高效地滿足這一需求。然而，轉子上的固定磁場意味著旋轉速度受高速條件下的源電壓的限制。此外，對於需要發動機轉速可變的應用領域，對發動機的全功率必須加以控制，與這種控制相關聯的損失隨之而來。

在所有非永磁發動機結構中，轉子磁場的場強是可調節的，允許用於優化發動機運行。在所述串激直流電發動機中，這涉及讓電流通過機械滑環，產生不良機械與維護影響。在所述開關磁阻發動機中，所述轉子中的磁場是不斷變化，導致渦流損耗、鐵損失和大量徑向力，從而產生噪音。同樣地，所述感應發動機依靠略慢於定子磁場旋轉的轉子，也在所述轉子中感應不斷變化的磁場並造成渦流和鐵損失。而所述繞線磁極式同步發動機在所述轉子中不存在變化的磁場，所以沒有渦流或鐵損失。此外，沒有任何磁鐵的本發明的所述繞線磁極式同步發動機接近永磁發動機的效率性能。

繞線磁極式同步發動機目前僅限於功率水平10馬力及以上，主要以與供電網同步的速度被驅動，並且在固定式應用中以及大型固定式和可攜式發電機應用中使用。這是因為必須向移動中的轉子提供電力以便激發磁場。目前用於此項的技術涉及滑環、低頻感應或固定頻率感應技術，所有這些技術都涉及維護問題、極大規模或機械精度限制，且只有在較高的軸輸出級別上才是經濟上合理的。

電力牽引應用在汽車和工業應用中的出現導致了高馬力永磁與感應發動機/發電機的發展。至於所述永磁發動機/發電機，可能的故障條件存在之處磁轉子可以由外部機械能驅動繼續旋轉。這會產生危險情況。至於所述感應發動機/發電機，由於轉子中的高交流鐵和渦流電流損失，低轉速高扭矩運行的效率特別低。由於供電到上述轉子繞組的電流限制，繞線磁極式同步發動機當前未在這些應用中使用。

一種經濟地提供場功率到繞線磁極式同步機的所述轉子的方法一般會允許更小的更具成本效益的用於所有應用領域的此類發動機和發電機。此外，一種在10馬力或更小的功率水平下經濟地提供場功率到繞線磁極式同步發動機的所述轉子的方法會允許此類發動機與永久磁鐵發動機競爭。所述永磁發動機和所述高效率發動機的成本軌跡一直上升，而所述繞線磁極式同步發動機的成本軌跡一直下降。

電源技術

過去50多年來，電源技術集中於將常規電網電源、電池電源或發電機電源轉換為隔離低電壓以運行固態電路。從毫瓦到千瓦的功率水平以及發展目標具有更低的成本、更小的尺寸和高效率。

所有隔離電源供應器依靠變壓器電磁地將能量從源功率轉移到隔離負荷。變壓器的大小隨功率水平的增加而增加，隨著工作頻率的增加而減小。五十多年來源源不斷的研究、材料的改進和生產技術的改進驅動電力變壓器設計在頻率超過1兆赫和功率密度超過100瓦/立方英寸下工作。

隨著變壓器技術的改進，其它功率處理組件、電晶體、二極體以及被動組件，在損失、尺寸、速度和成本上也顯著提升以保持步伐。

隨著像諧振轉換(通過簡單地避免產生它們的運行條件來進一步消除損耗因子)之類的概念的發展，電路拓撲結構也在發生變化。

數字和軟體技術

相對於功率控制，數字和軟體技術出現較晚，其興起於二十世紀八十年代初期，為高精度但低供電的諸如舵機等應用領域提供改進的性能。到二十世紀八十年代末，數字控制的電源適用於所有發動機技術。如今，諸如磁場矢量控制的技術在所有功率範圍內提供高度的速度和轉矩控制，但由於效率低，不得不嚴格控制所有流向發動機的功率。

發明

如前所述，美國具有降低電力消耗的強烈需求，美國至少60％的電能是由發動機消耗。目前，各方通過增加電驅動器、對感應發動機進行成本改善或通過切換到永磁發動機來齊心協力提高這些發動機的效率。在汽車行業中從燃氣驅動的發動機向電力驅動的發動機發展的趨勢下，比永磁電動機便宜卻比感應發動機具有更高的功率效率的電動機成為一種需求。這些特性可以在本發明所述的繞線磁極式同步發動機中找到。而且，由於眾多發動機的功率水平在10馬力及以下運行，需要拋棄相對低效的感應發動機或昂貴的基於磁鐵的發動機。

本發明要求三個方面：一臺機器、一種包含轉子繞組能易於嵌入機器的設備和一種能夠連接到轉子繞組的設備。

第一方面

第一方面是一種包含五個元件的裝置。第一元件是具有轉子繞組但不具有用於產生扭矩的轉子磁鐵的繞線磁極式同步機。在一些實施例中，繞線磁極式同步機包含選自由以下組成的群組的機器：發動機、交流電發電機和直流電發電機。在一些實施例中，繞線磁極式同步機是配置為在10馬力或更小的額定功率運行。在一些實施例中，繞線磁極式同步機被配置為以大於10馬力的額定功率運行，一些以大於50馬力的功率水平運行，一些以大於100馬力的功率水平運行。還有一些以大於150馬力的功率水平運行。在一些實施例中，繞線磁極式同步機在諸如牽引電動機的離線變轉速應用中運行。在一些實施例中，繞線磁極式同步機在諸如泵或壓縮機的在線或離線應用中運行。

第二元件是至少一個具有電壓和驅動頻率的方波交流電電壓發生器。發電機可能提供其它形狀的電壓，如正弦波或三角形，但方波是為能量輸送而產生的最簡單和最有效的電壓形狀。

第三元件是至少一個與所述方波交流電發生器通信的諧振場勵磁機。所述諧振場勵磁機具有(1)旋轉參考框架、(2)靜態參考框架和(3)諧振電路，其串聯包含諧振電容器和帶有可變漏電感的旋轉變壓器。所述諧振場勵磁機被配置為以至少50千赫的諧振頻率在諧振模式下運行。在一些實施例中，所述裝置包括只有一個方波交流電電壓發生器和一個諧振場勵磁機。在一些實施例中，所述諧振場勵磁機的旋轉部件可安裝在圓形印製線路組件(PWA)上。對於那些實施例，必須小心確保所述組件保持均衡，因為其與電動機/發電機軸一起旋轉。在一些實施例中，諧振場勵磁機將包括旋轉變壓器，其中的漏電感與電容器形成諧振迴路。

第四元件是與所述方波交流電發生器和所述諧振場勵磁機通信的控制器設備。所述控制器設備被配置為(1)測量進入所述諧振場勵磁機的電壓和電流，(2)跟蹤所述諧振頻率，並且(3)調整所述驅動頻率以基本上與所述諧振頻率相匹配，以使交流電電流轉移最大化。所述控制器設備是配置為執行如文所述的功能的任何設備。例如，其包括微控制器、專用集成電路以及可編程邏輯設備。在帶有微控制器和旋轉變壓器實施例中，所述設備監視流向旋轉變壓器初級繞組的電壓和電流並在處於或接近傳遞到功率驅動器以驅動所述旋轉變壓器初級繞組的諧振處產生可變頻率方波信號。

第五元件是與所述諧振場勵磁機和所述繞線磁極式同步機通信的整流器，其被配置為在交流電電流進入所述繞線磁極式同步機的轉子繞組之前將所述交流電電流轉換為直流電電流。

本發明所述裝置的效率大於配置為以相近功率水平運行的感應電機的效率。一些實施例被配置為擁有接近配置為以相近功率水平運行的優質磁鐵發動機的功率效率。本發明的一些實施例被配置為擁有至少90％效率，一些擁有至少92％效率，一些擁有至少94％效率以及一些擁有至少95％效率。

在本發明的一些實施例中，所述諧振場勵磁機還具有一些特徵。所述旋轉變壓器具有固定初級繞組和旋轉次級繞組，被配置為形成產生可變漏電感的間隙。所述諧振電容器與所述旋轉變壓器通信，並且被配置為以50千赫以上的頻率與所述可變漏電感諧振。這些實施例中的所述控制器設備進一步被配置為產生可變頻率方波交流電電壓信號以驅動所述旋轉變壓器初級繞組。

在上述實施例中，保持有以下配置。所述旋轉變壓器的初級繞組被附加到所述機器的固定參考框架。所述旋轉變壓器的次級繞組以如下方式被附加到所述旋轉參考框架：當所述旋轉參考框架移動時，變壓器鐵芯周圍的磁通量通路不發生變化。所述旋轉變壓器的初級繞組與次級繞組之間的間隙允許所述次級繞組獨立旋轉，其有助於確定所述旋轉變壓器的漏電感，並且將能量以磁力的方式從所述固定參考框架轉移到所述旋轉參考框架。所述諧振電容器與所述旋轉變壓器的初級或次級繞組串聯連接。因此，所述諧振電路可以在所述旋轉參考框架或靜態參考框架中。此電容器的值選擇用於以50千赫以上的頻率與所述旋轉變壓器的漏電感諧振。在二次側上，一個或多個二極體相連在整流配置中，其輸出連接到所述轉子勵磁繞組。在一些實施例中，第二電容器與所述勵磁繞組平行連接以形成低通濾波器。

在永磁同步和繞線磁極式同步發動機中，所述轉子上的旋轉磁場都產生與源相對的、與磁場強度和轉子速度的乘積成正比的反電動勢(EMF)電壓。在永磁同步發動機中，這不僅限制某一給定的源上發動機的最大速度，還需要進入所述發動機定子的功率不斷受到控制。這通過脈寬將進入所述發動機定子繞組的電壓調製至20千赫或更高的頻率類實現，並導致驅動電子設備中的額外損失、極大電磁幹擾(EMI)問題以及諸如軸承點蝕的靜電效應。

在本發明所述第一方面的一個實施例鍾，所述轉子磁場以及由此而來的反電動勢的電壓可以經調整，以近似匹配源電壓，從而消除調節所述定子繞組的需要。定子繞組可以切換或換向至等於頻率高達幾百赫茲的發動機的轉速數倍的極數的頻率。這消除了脈衝寬度調製(PWM)開關損耗，並成幾個數量級地減少電磁幹擾(EMI)足跡和靜電效應。

第二方面

第二方面是一種也包含五個元件的裝置。第一元件是用於繞線磁極式同步機的轉子繞組。第二元件是至少一個具有電壓和驅動頻率的方波交流電電壓發生器。第三元件是至少一個與所述方波交流電電壓發生器通信的諧振場勵磁機，所述諧振場勵磁機具有(1)旋轉參考框架、(2)靜態參考框架和(3)諧振電路，其串聯包含諧振電容器和帶有可變漏電感的旋轉變壓器。所述諧振場勵磁機被配置為以至少50千赫的諧振頻率在諧振模式下運行。第四元件是與所述方波交流電電壓發生器和所述諧振場勵磁機通信的控制器設備，其被配置為(1)測量進入所述諧振場勵磁機的電壓和電流，(2)跟蹤所述諧振頻率，並且(3)調整所述驅動頻率以基本上與所述諧振頻率相匹配，以使交流電電流轉移最大化。第五元件是與所述諧振場勵磁機和用於繞線磁極式同步機的所述轉子繞組通信的整流器，其被配置為在其貼附到繞線磁極式同步機時並在交流電電流進入所述轉子繞組之前將所述交流電電流轉換為直流電電流。在一些實施例中，所述轉子繞組可以改造的方式用於代替同步永磁機的永磁轉子或感應電機的鼠籠繞組。這一方面的一些實施例適合於改造為現有的繞線磁極式同步機。這一方面的元件類似於前文所討論的。

第三方面

所述第三方面是一種包含四個元件的裝置。第一元件是至少一個具有電壓和驅動頻率的方波交流電電壓發生器。第二元件是至少一個與所述方波交流電發生器通信的諧振場勵磁機，所述諧振場勵磁機具有(1)旋轉參考框架、(2)靜態參考框架和(3)諧振電路，其串聯包含諧振電容器和帶有可變漏電感的旋轉變壓器。所述諧振場勵磁機被配置為以至少50千赫的諧振頻率在諧振模式下運行。第三元件是與所述方波交流電發生器和所述諧振場勵磁機通信的控制器設備，其被配置為(1)測量進入所述諧振場勵磁機的電壓和電流，(2)跟蹤所述諧振頻率，並且(3)調整所述驅動頻率以基本上與所述諧振頻率相匹配，以使交流電電流轉移最大化。第四元件是與所述諧振場勵磁機通信的整流器，其被配置為在交流電電流進入繞線磁極式同步機的轉子繞組之前將所述交流電電流轉換為直流電電流。這將替換當前的技術如，例如，更換滑環和現在使用的低或固定頻率感應裝置。這一方面的一些實施例適合於在製造時安裝在繞線磁極式同步機中。這一方面的元件類似於前文所討論的。

在所述三個方面的每一方面，進入本發明的功率都根據功率水平採用本領域公知的各種手段(比如降壓變換器、半橋變換器或全橋變換器等)進行調節或調整。來自幾乎任何電源技術的其它已知技術也可以調節和調整進入繞線磁極式同步機轉子的功率。

一個此類實例是採用通用運動系統，其使用降壓變換器提供與交流電力線同步的整流後的正弦形電壓以調製本發明所述高頻方波發生器的振幅。從而在所述繞線磁極式同步發動機的轉子上產生同步電力線的交流和整流後的正弦形磁場。所述繞線磁極式同步發動機的定子通過三相電子換向器和橋式整流器連接所述交流電力線。進入電子換向器的電壓也是與電力線同步的整流後的正弦波，因為橋式整流器後沒有濾波電容器。根據轉子的角位置，所述電子換向器將適當的定子繞組連接到此整流後的正弦波電壓以在所需方向上產生轉矩。由於轉子場和定子場都具有相同的形狀並且同步，進入這種裝置的電力線電流將與電力線電壓同相位，以單位功率因數運行。來自幾乎任何電源技術的其它已知技術也可以調節和調整進入轉子的電壓。

本發明的一個實施例提供更換為已停止使用的現有類型通用發動機的電壓降。目前通用發動機使用電刷。用於此類發動機的高端工作功率約為1千瓦。在此級別下，功率效率約為40％，而且可靠性較差。越來越多的廠商正在試圖停止生產1千瓦通用電刷發動機，而傾向於永磁無電刷發動機。以上討論的組合允許目前的1千瓦通用電刷發動機由本發明以引入的方式取代，本發明結合通用運動系統以形成成本極具競爭力、可靠和效率高的無刷通用發動機。單一的控制電子設備以及稀土磁體的缺乏使得此類帶有停止使用的電刷發動機的發動機比使用永磁無刷發動機的替代物更具成本競爭力。本發明成果的結合產生一種功率效率達到90％以上的通用發動機。

本發明的同一實施例還提供一種低效率單相感應發動機的替代。低效率單相感應發動機也正在逐步被淘汰，取而代之的是帶有電驅動器的感應發動機或帶有電驅動器的永磁無刷發動機。然而，由於這些驅動器必須使用脈衝寬度調製(PWM)技術以控制進入所述發動機的整個功率，所以其經受高功率線諧波、強電磁幹擾和弱功率因數，所有這些都必須通過添加昂貴又笨重的功率因數補償電路和篩選器來減輕。如上文所述，使用本發明的通用無刷發動機直接為所述電力線提供了整功率因數，省去了功率因數補償電路。因為只有3％的進入所述發動機的功率經受脈寬調製技術，所以所述通用無刷發動機的電磁足跡小得多，大大減少了或甚至省去了笨重的幹磁幹擾(EMI)濾波器的必要性。

本發明的各個方面將通過以下說明本發明的一些實施例的附圖得到更好的理解。相同的數字將用於指代相同的元件。圖1是連接到繞線磁極式同步機的本發明所述設備的元件的框圖。一種裝置(100)包含具有電壓和驅動頻率的方波交流電電壓發生器(110)。方波交流電電壓發生器110與具有固定框架和旋轉框架的諧振場勵磁機(120)通信，並與整流器(130)通信。控制器設備(140)與方波交流發生器110和諧振場勵磁機120通信。整流器130也與具有繞線磁極式轉子(154)和定子(158)的繞線磁極式同步機(150)通信。與繞線磁極式同步機150的通信是與繞線磁極式轉子154的通信。

圖2A是所述諧振場勵磁機的一個實施例的示意圖，示出了在所述旋轉參考框架上的所述電容器。諧振場勵磁機120包含帶有固定初級繞組(122)、旋轉次級繞組(124)和間隙(126)的旋轉變壓器。所述旋轉變壓器具有可變漏電感(127)，並且與諧振電容器(128)串聯。

圖2B是所述諧振場勵磁機的一個實施例的示意圖，示出了在所述固定參考框架上的所述電容器。諧振場勵磁機120包含帶有固定初級繞組122、旋轉次級繞組124和間隙126的旋轉變壓器。諧振場勵磁機120的靜態參考框架還包含帶有可變漏電感127、與諧振電容器128串聯的旋轉變壓器。

圖3A是說明使用罐形磁芯軸向旋轉變壓器配置的諧振場勵磁機的一個實施例的側視圖。諧振場勵磁機設備(200)的實施例採用繞線磁極式轉子(210)示出，該繞線磁極式轉子具有從中貫穿的繞線磁極式同步機軸(220)。用於帶有未示出的旋轉變壓器次級繞組的次級繞組(230)的罐形磁芯、用於帶有未示出的旋轉變壓器初級繞組的初級繞組(240)的罐形磁芯以及帶有整流器和諧振電容器(250)的印製線路組件(PWA)與繞線磁極式同步機物理通信並與繞線磁極式轉子210電氣通信。除所述固定初級繞組及相關聯的磁芯(240)之外，所有元件都旋轉。

圖3B是圖3A中的實施例沿著線260通過用於次級繞組230的罐形磁芯中的旋轉變壓器次級繞組的端視圖。繞線磁極式轉子軸220示為由罐形磁芯中的旋轉變壓器次級繞組230所環繞。用於次級繞組230的罐形磁芯圍繞次級繞組(270)。所述旋轉變壓器初級繞組的橫截面表現出相同的構造。

圖4A是說明使用徑向旋轉變壓器的諧振場勵磁機的一個實施例的側視圖。諧振場勵磁機設備(300)的另一實施例採用繞線磁極式轉子(310)示出，該繞線磁極式轉子具有從中貫穿的繞線磁極式同步機軸(320)。用於帶有旋轉變壓器次級繞組(370)的次級繞組(330)的磁芯、用於帶有旋轉變壓器初級繞組(380)的初級繞組(340)以及帶有整流器和諧振電容器(350)的印製線路組件(PWA)與繞線磁極式同步機軸320物理通信並與繞線磁極式轉子310電氣通信。次級繞組(370)和初級繞組(380)被示出環繞繞線磁極式同步機軸320並被間隙(390)隔開。除了旋轉變壓器初級繞組340之外，所有元件都旋轉。

圖4B是圖4A中的實施例沿著線360通過磁芯330中的旋轉變壓器次級繞組和磁芯340中的旋轉變壓器初級繞組的端視圖。繞線磁極式轉子軸320示為由磁芯330中的旋轉變壓器次級繞組370和磁芯340中的旋轉變壓器初級繞組380所環繞。次級繞組(370)和初級繞組(380)被間隙390隔開。

圖5A是連接到繞線磁極式轉子的本發明所述設備的元件的框圖。此圖類似於圖1，除了繞線磁極式轉子(154)取代繞線磁極式同步機150之外。繞線磁極式轉子154旨在取代永久磁鐵或感應發動機或發電機中的轉子。

圖5B是連接到在圖5A中所示的發明所述設備的通用電動運動系統的框圖。所述組合(400)包括進入橋式整流器(410)中的交流線路功率。橋式整流器410連接到電子換向器(420)，該電子換向器接著連接到繞線磁極式同步發動機定子(430)。橋式整流器410還連接到降壓變換器(440)，該降壓變換器440連接到圖5A中所示的裝置100的方波發生器110。

圖6是能夠連接到繞線磁極式轉子的本發明所述設備的元件的框圖。此圖類似於圖1，除了繞線磁極式同步機150未示出之外。此實施例旨在被附接到現有同步機(比如繞線磁極式同步發電機)的現有繞線磁極式轉子。

接下來描述本發明第三方面的一個實施例的工作機構。如上文所述，特定元件可以與執行類似功能的其它元件互換。所述諧振場勵磁機使用電諧振來將能量從發動機定子的固定參考框架轉移到轉子的旋轉參考框架，以便提供可調直流電電流到所述勵磁繞組。微控制器(1)監視通過電流傳感器或電流變壓器的旋轉變壓器初級電流波形和進入旋轉變壓器初級繞組的電壓，並且(2)調整驅動所述旋轉變壓器初級繞組處於或略低於諧振的方波頻率。這不僅將主驅動電路中的開關損耗減少到最小，而且也致使到旋轉變壓器次級繞組的能量傳輸最有效。整流二極體將所述次級繞組中的諧振交流電電流轉換成直流以供應勵磁繞組。在一些實施例中，微控制器也控制方波交流電發電機的輸出電壓，以維持轉子磁場中所需的電流。其它實施例以類似的方式運行。

特定運行要求和環境所進行的其它修改和變化對本領域的普通技術人員將是顯而易見的。因此，本發明不被認為是限於為公開目的所選擇的實例，並且涵蓋對本發明實質精神和範圍不構成背離的所有的變化和修改。