CN1043046A - 波形绕组的有相位移的多相电动发电机 - Google Patents

Abstract

一种AC发电机用的电枢包含若干多相绕组。多相绕相的每相绕组是基本上环绕通过电枢整个周边的波形绕组。在一个实施例中，四组三相绕组在电枢中采用波形绕法。通过设置在四个平行平面中的四个扇形连接器构成每相和每组三相绕组的中线的外部连接。通过另外的与首先提及的扇形连接器分享相应平面的扇形连接器构成到其余九条相线和三条中线的连接。

Description

本发明是与美国海军签订合同在政府支持下制成的。政府对本发明拥有一定的权利。

本发明涉及电动发动机，更具体地说，涉及具有许多个彼此有相位移的多相绕组的大型交流（AC）电动发电机。就发电机来说，在整流时由于相数多，故能产生纹波系数低的直流。

通常的多相发电机使用一个具有围绕其圆周按相带间隔开的若干组叠绕组的电枢。叠绕组可以看作具有轴向段的、设置在面对旋转磁场构件即转子的电枢内圆周槽中的线圈的导线线圈。各叠绕组借助于端匝连接到一起，按需要构成电枢的闭合绕组。每相一个的若干连接滑环排列在发电机的一端，以便把所有叠绕组连向外部设备。在Y型连接电枢中，还有零线即另外一个或三个附加的连接滑环、把它的中线连接到外部装备。

通常，这些连接滑环是用重型铜条制的几乎全整的圆。在一台三相电机中，举例来说，在电枢的所述端间隔开三个、四个或六个连接滑环，用来把电枢中产生的AC功率连接到外部电路。这些连接滑环需要在发电机的所述端占有相当的空间。这样的间隔要求增大电机的整体尺寸，从而，与通常可装入有限空间的紧凑机械的要求相抵触。

波形绕组和叠绕组正相反。叠绕组主要是设置在电机周边比较小区域中的一种闭合线圈。波形绕组则是一种展开的绕组，它沿着安装于其上的另件的轴构成行波式布置。将各段布置的终端按循序方式连接在一起，使得该波形绕组能够围绕它安装于其上的另件的整个周边制成一个或多个不间断的通路。波形绕组已被应用于，例如，DC发电机和电动机的绕线式转子上，以及应用于AC感应电动机的绕线式转子上，例如，用作风洞的驱动电动机。在CL    Dawes所著，Mcgraw    Hill    1937年出版的教科书“电力工程”（Eleclrical    Engineering”）第三版第一卷-直流电流部分中已给出这种类型波形绕组应用的一般说明。在它们的转子中应用波形绕组的DC发电机比它们应用叠绕组的对应物产生更高的电压和较低的电流。这正是一般DC机械装置所要求考虑到的。

波形绕组已应用于绕线式转子感应电动机的转子，以避免在叠绕组情况下必需的极间跨接线连接。这种应用构成易于平衡和易于支撑的增强的转子绕组。在Mac    Millan    Company    1924年出版的、LA    Hazeltine所著的“电力工程”（“ELec    Trical    Englneering”）一书中对这种应用已进行过研讨。

一台AC发电机，其输出准备进行整流或其输出准备进行频率变换用的，例如，一台循环换流器，面临各种特定的要求。对于这种应用来说，要求在经整流或频率变换的输出中降低脉冲谐波的振幅。

如上所提出的，波形绕组已应用于电动机和发电机的转子中。本发明者们知道波形绕组在某些水力发电机的电枢中的应用，但通常人们并不鼓励应用波形绕组。因为这种波形绕组的缺点盖过了它们可能得到的任何优点。

本发明的一个目的是提供一种AC发电机，它使容纳具有许多个相互间有相位移的多相绕组的电动发电机的绕组相的连接滑环和中线连接滑环所需要的空间减小到最低限度。

本发明的另外目的是提供一种具有包含若干组多相绕组的电枢的AC电动发电机，其中，各组多相绕组相互之间是有相位移的。

本发明的再一个目的是提供一种具有若干组多相绕组的多相AC电动发电机，其中，每组多相绕组包含许多个波形绕组。

本发明的再一个目的是提供一种具有若干多相绕组的多相AC电动发电机，其中，用于所有各组多相绕组的连接滑环是弧形滑接器，它们所占有的位置显著小于一个全圆，借此，将所有连接环设置在一个公共的平面中。

简要地说，本发明提供一种包含许多多相绕组的AC电动机的电枢。每个多相绕组都是一个基本上环绕通过电枢整个圆周的波形绕组。在一个实施例中，四组三相Y连接绕组波式缠绕在电枢中。该四个三相绕组彼此相隔15电角度，与24相脉冲整流器配合使用。通过设置在四个平行平面上中的四个扇形连接器构成通向每个相位和每三相绕组的中线的外部连接。通过与所述首次提及的扇形连接器分享相应平面的另外扇形连接器构成通向其余九相和三条中线的连接。

按照本发明的一个实施例，提供了一种AC电动发电机用的电枢，它包括：在电枢中的一个第一多相绕组，该第一多相绕组采用波形绕法，在电枢中的至少一个第二多相绕组，该至少一个第二多相绕组也采用波形绕法，该第一和至少一个第二多相绕组就相互之间而论是有相位移的，第一组多个扇形体连接器支承在最靠近电枢的第一平行平面上，至少有一个第二组多个扇形体连接器支承在邻近电枢的第二平行平面上，第一平行平面的每一个与第二平行平面之一共面，第一多相绕组的至少某些相被连接到第一组多个扇形体连接器的一个扇形体上，并且，至少第二多相绕组中至少所有其余各相被连接到第二组多个扇形体连接器上。

按照本发明的一个特证，提供了一种AC电动发电机用的电枢，它包括：在电枢中的第一、第二、第三和第四三相绕组，该第一、第二、第三和第四三相绕组采用波形绕法，该第一、第二、第三和第四三相绕组就相互之间而论是有相位移的，支架在邻近电枢的第一平行平面中的第一、第二、第三和第四若干扇形连接器中，该第一、第二、第三和第四叠扇形连接器各自包含在第一公共平面中的第一扇形体，该第一、第二、第三和第四叠扇形连接器各自包含在第二公共平面中的第二扇形体，该第一、第二、第三和第四叠扇形连接器各自包含在第三公共平面中的至少一个第三扇形体，以及至少该第一、第二、第三和第四三相绕组的某些相被分别连接到该第一、第二、第三和第四叠扇形连接器中独立的一个扇形体上。

本发明的上述的以及其他的目的、特征和优点通过下面的说明连同参考附图将一清二楚;附图中相同标号指明同样的元件。

图1是现有技术的三相发电机重要部件的简化分解示意图，图上对理解本发明所必需的元件的位置参照作出标志。

图2A-2D是按照本发明的发电机的四个三相绕组的相量图。

图3是显示三相发电机一波形绕组的一相绕组的展开电枢图。

图4是按照本发明实施例采用扇形连接器的发电机一个端头部分的特写近摄图。

图5-8是本发明发电机四个三相绕组的连接图，图中包含三相绕组与它们相应扇形连接器的连接。

本发明可应用于具有任何要求相数的多相电机。但为具体起见，以下说明均指三相电机，尤指三相发电机。然而不应认为本发明仅局限于图示实施例的这种选择。

参照图1，图上示出的现有技术三相发电机适当的部分总体上以10表示。对于说明本发明不必要的三相发电机10的通用零件图上已予以省略。

圆柱形的转子12借助于轴承（未示出）用轴16和18可旋转地支承在环形电枢14的里面。电枢14内部有许多槽20，槽内包含一根或多根按平行于电枢14纵轴的方向直线布置的导体条（未示出）。每根导体条的每一端头利用一端匝连接到选定的另一根导体条的端头上，以一种模式，即以集合体形式连接的电路组成电枢14的绕组。

根据惯例，各绕组连接构成闭合线圈，如以上做出标记为叠绕组。叠式绕法的三相发电机10每相的功率输出建立在环绕电枢14圆周间隔开的几个位置处。若干连接滑环22同轴地层迭在三相发电机10的一端，用作从三相发电机10的绕组到外部电路（未示出）之间、三相发电机10的三相输出的连接。在三相发电机10的Y连接型式中，用四个连接滑环22a、22b、22c和22n把三相功率加上所有相的中线连接到外部设备上。

因为在那里构成连接的各点是围绕槽20的周边而间隔开的，所以要求每个连接滑环都是全圆。

四个连接滑环22a、22b、22c和22n同轴地被层迭在三相发电机10的端头，通常通过和定子框架中支撑条连结而加以支撑（未示出）。

在整流时，三相发电机10的DC输出包含一显著的纹波分量，它包括较高的电噪声分量。在要求纹波系数非常低，或噪声非常低的应用中，必须配备降低纹波系数的装置。在小功率设备中，滤波用电容器和/或电感器可提供令人满意的输出纹波系数。在大功率设备中，滤波器组件的尺寸、重量和成本就使得它们的应用不具吸引力了。

由本发明者们从事的另一种形式包括提供多于一组的环绕电枢14圆周相位移的三相绕组。也就是说，在槽20中设置两组或更多组三相绕组，并将其连接供外部入口之用。

暂时先参照图2A-2D，四组分开的三相绕组24（图2A）26（图2B），28（图2C）和30（图2D）设置在槽20中，彼此间具有相位移。在图中示出的三相绕组中，相位移是15电角度。现随意地把三相绕组24的相对相位标为电角度零，三相绕组26的相对相位是15电角度，三相绕组28的相对相位是30电角度，而三相绕组30的相对相位是45电角度。当对四个三相绕组24-30的输出进行整流并求总和时，在整流后的DC输出中纹波的特性谐波，与图1的三相发电机10单个三相绕组的情况相比，频率要高得多而振幅则低得多。

现返回到图1，应用四组三相叠绕组会产生一个问题。即，每组三相绕组需要四个连接滑环。在四组三相绕组的情况下，则必须在十六个平面中设置总数为十六个的连接滑环。必须支承如此众多的连接滑环，而且必须加以相互绝缘。占据约24轴向英寸的大型悬臂体不能如三相电机的四个连接滑环22那样支撑在各端匝上。这样，必须设计和建立附加的支架装备。此外，显著的超长度将使三相发电机10的总长度显著增大。

下面参照图3，为了便于说明起见，图中电枢14以展开的形式即平面展开形式展示。波形绕组32由安置在各槽20中的各导体条34并借助于各端匝将它们连接在一起而组成。如在图中见到的，相继导体条34的连接是循序的，由此，基本上电枢14的整个圆周中的槽20都接纳导体条34。在本发明的一个实施例中，同一个绕组环绕电枢14的圆周两整圈。

图3中只画出四组三相绕组之中一组的一个相绕组。其他相绕组图上均未示出，将导体条34埋入其余各槽20中，以便用波形绕组32形成一组三相绕组的其余两个相绕组。此外，该其余的两相绕组与图上说明的相绕组，加上另外三组三相绕组的九个相绕组，波形缠绕在环绕电枢14的圆周上它们有关相位置的槽20中。

在本申请书中的波形绕法的优点在于，既然它们包围了电枢的整个圆周，那么几乎在圆周上的任何一点都能连接到任何一个波绕组上，而不象叠绕组那样只能在有限的特定几点连接，因而不必采用整圆的连接滑环就能连接到每一相和中线上。

下面参照图4，图中示出按照本发明的一个实施例的总的以标号36表示的波形绕法四绕组三相发电机。如以上现有技术的设备一样、图中对于公开本发明不必要的绕组和其他零件亦予以省略。第一叠扇形连接器38a、38b、38c和38d设置于各平行平面中，以便与电枢14中四组三相绕组之中一组的三条相线和1条中线连接。同样地，第二叠扇形连接器40a、40b、40c和40d与第一叠中具有相同后缀对应物设置于公共平面中，以便与四组三相绕组中另一组的三条相线和1条中线连接。另外，第三和第四叠扇形连接器42和44占有其余的象限位置。由于每一叠扇形连接器占有小于全象限的位置，所以每一平面允许连接波形绕组三相发电机36的所有四个三相绕组的相应相。因此，在如图1应用通用连接滑环22连接三条相线和一条中线所需要的相同空间中，可提供十二条相线和四条中线的连接。

以后会看出，不需要全象限用于一组或多组三相绕组的三条相线和一条中线的连接。这样，扇形连接器可以更准确地被称之为连接器扇形体。在某些情况下，各扇形连接器可越出环形部分形状之外。例如，一片带角度的导电金属片就足以提供至少某些相的连接。可以相信，一片成角度的片可以看作是一个扇形连接器，并且，这种关系应当列入本说明和权利要求书。

图5示出，对于三相绕组之一，导体条34经由96槽的电枢14的路径选择，以及各相线及中线连接到相应扇形连接器的情况。类似地，图6-8表示其余三组三相绕组的路径选择和接法。

熟悉本行技术的人会明白，本发明并不局限于包含四组三相绕组的设备。在本发明的一个实施例中，采用两组有相位移的三相绕组。该两绕组设备虽然在整流输出中也减少纹波，但却需要使整流输出进一步平滑化的装置，例如，需应用一个大感应线圈以便达到很低的纹波系数。这种大感应线圈的尺寸、重量和成本使所述两绕组实施例的吸引力小于另一种四绕组的。本领域的技术人员参照本发明公开的技术也可画出采用三绕组、五绕组以及其他数目的三相绕组。此外，本发明确定了一种多相***，其中，三相设备只是用来举例说明的。在不脱离本发明的精神和范围的情况下可在每个绕组中采用两相和四相或更多相。

参照各附图对本发明的最佳实施例进行了描述之后就会明白，本发明并不局限于那些明确的实施例，在不违背如附带的权利要求书中所定义的本发明的范围或精神的情况下，本领域的技术人员可以实现各种变化和修改。

Claims (3)

1、一种AC发电机用的电枢，其特征在于包括：

在该电枢中的一个第一多相绕组，

该第一多相绕组采用波形绕法，

在该电枢中的至少一个第二多相绕组，

至少一个的该第二多相绕组采用波形绕法，

该第一和至少一个第二多相绕组相互之间有相位移，

一个第一叠扇形连接器支架在邻近该电枢的第一组平行平面中，

至少一个第二叠扇形连接器支架在邻近该电枢的第二组平行平面中，

该第一组平行平面的每一个与该第二组平行平面之一是共面的，

该第一多相绕组的至少某些相被连接到该第一叠扇形连接器的各扇形体上，以及

至少一个的该第二多相绕组的至少所有其余各相被连接到该第二叠扇形连接器上。

2、按照权利要求1的电枢，其特征在于：所述第一和第二叠扇形连接器是第一和第二叠扇形体连接器。

3、一种AC发电机用的电枢，其特征在于它包括：

该电枢中的第一、第二、第三和第四三相绕组，

该第一、第二、第三和第四三相绕组采用波形绕法，

该第一、第二、第三和第四三相绕组相互之间有相位移，

第一、第二、第三和第四叠扇形连接器支架在邻近该电枢的第一组平行平面中，

所述第一、第二、第三和第四叠扇形连接器各自包含在第一公共平面中的一个第一扇形体，

所述第一、第二、第三和第四叠扇形连接器各自包含在第二公平平面中的一个第二扇形体，

所述第一、第二、第三和第四叠连接器各自包含在第三公共平面中的至少一个第三扇形体，以及

所述第一、第二、第三和第四三相绕组的至少某些相被分别连接到所述第一、第二、第三和第四叠扇形连接器的一个扇形体上。

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