[发明专利]同步电机

说明书

所考虑的发明涉及具有定子和转子的同步电机。

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°。

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。

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。

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。

一段时间内，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。

因此，电流激励同步交流电机是未来令人关注的替选。

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。

这样的自激励电机被用于例如风力发电机中。

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。

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。

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>1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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。