[发明专利]电枢绕组

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于直流电机的电枢绕组，尤其涉及采用电子换向的且每极对具有相对少数量的线圈的电枢绕组。该电枢绕组尤其适用于大直径多极数的旋转电机，例如，可与风力涡轮的涡轮叶片组件直接耦合的旋转电极。

背景技术

直流旋转电机通常包括一安装在转子上的电枢绕组，该电枢绕组被安装在定子上的励磁系统环绕。使用转子连接的带铜或铜合金组件以及静态电刷装置的换向器根据转子的角位置控制转子绕组中的电流换向。在直流旋转电机的进一步的改进中，该电枢绕组安装于定子上，而励磁系统安装于转子上。使用一电子开关电路根据转子的角位置对电枢绕组中电流换向进行控制。以下的说明就是基于一具有该结构的直流旋转电机进行的。

该电枢绕组可包括多个设置在形成于该电枢组件的一表面上的绕组槽中的线圈。该转子提供一旋转磁场，该旋转磁场可由永磁铁、具有适当励磁电源的超导绕组或具有集电环或无刷励磁电源的传统绕组产生。相比传统有刷电机而言，采用电子换向的电机可在更高的电压(可能达到几千伏)和对应比例的更低的电流下运行。

采用电子换向的直流旋转电机可以在风力涡轮应用中被用作发电机。一涡轮叶片组件可以直接或者借助一齿轮箱驱动发电机的转子。如果转子与涡轮叶片组件直接相连，则发电机将以非常低的速度运行并且为了使线圈中的末级绕组的无效铜的数量最小化，以及使得所需的磁钢的数量最小化并简化结构，发电机通常具有数量非常多的极数(通常针对大型发电机的极数为50或更多)以及数量非常少的每极对的槽数。

在电枢以及一个极对的励磁系统间的相对运动所用的时间内，一每极对具有n个线圈的电枢绕组可能仅需要n个换向事件。为简化起见，这被称为每极对的换向事件数。一传统直流旋转电机中的每极对的换向事件数等于每极对的线圈数，且n并不必须是整数。

本发明的目的是提供一种改进的电枢绕组，该电枢绕组可允许比每极对的线圈数更大的每极对的换向事件数。

发明内容

本发明提供了一种直流电机，该直流电机包括：用于提供磁场的励磁装置，该励磁装置具有至少一个极对；一电枢，该电枢具有每极对非整数个绕组槽，各绕组槽具有表示各自相对该磁场的基波的位置的相位角；以及一直流电枢绕组，使用中的直流电枢绕组与该磁场相互作用，该电枢绕组包括一个或者多个电路，各电路包括复数个线圈；其中，该电枢绕组的每个线圈均容置于一对绕组槽中；该电枢绕组的各线圈的相位角等于用于容置各线圈的绕组槽对的相位角的平均值，且各电路中的在任何时刻具有不同相位角的线圈形成该电枢绕组的不同的相位，该电枢绕组的不同的相位的数量至少为每极对的线圈数的二倍；以及，各电路中的线圈按照他们的相位角顺序串联在一起，并通过一定数量的绕组槽将同一电路中的相邻的线圈分隔开，该一定数量至少为每极对的绕组槽数的二倍。

“相位”不是通常用于直流绕组的术语，在此是以通常用于交流绕组的方式使用“相位”。一绕组槽的相位角表示该绕组槽相对该磁场的基波的位置，并通常以电度或电弧度表示。该电枢绕组的各线圈设置于分别相对应的绕组槽对中，因此，各线圈的相位角等于容置相对应线圈的两个绕组槽的相位角的平均值。根据此处的应用，在任何时刻具有不同相位角的线圈形成了各自的相位。当转子上的磁场运动经过一线圈时，该线圈的电相位将发生改变，且电子换向将使该线圈中的电流在一规定的时刻反向，这即被称为一“换向事件”。

该电枢绕组的相位数至少为每极对的线圈数的二倍，但在实际应用中，该相位数可能明显更多。确定的是，对于任何给定的电枢绕组，可获得的相位数的最大值是线圈总数的一半。因此，一具有144个线圈的电枢绕组最多可具有72个相位。如果同一电枢绕组具有每极对3个线圈，则易于想到的是，每极对的相位数是每极对的线圈数的24倍。

此种电枢根据半导体功率开关装置与绕组的连接方式可被称为“分布连接”电枢绕组。该电枢绕组提供了每极对一定数量的换向事件，该一定数量明显多于每极对的线圈数。

该电枢绕组的各电路均包括复数个串联在一起的线圈。易于想到的是，在电枢绕组具有多于一个的电路的情况下，电枢绕组中线圈的总数等于所有单独电路的线圈数的和。在一些排列方式中，不同电路中的线圈例如可通过交叉连接件并联在一起。

该电枢绕组的各线圈优选定义了复数个相位角。电枢绕组的各电路中的顺序排列的线圈的相位角间隔k×360电度，且可以为等电度间隔或者非等电度间隔，其中，k为大于0的整数。这意味着，各电路中的线圈可间隔(等电度或非等电度)360电度，720电度，1080电度等。