CN211089269U - 具有次级线圈的发电机 - Google Patents

Abstract

公开了具有次级线圈的发电机，该发电机包括具有磁体装置的转子，该磁体装置被配置为向初级磁场定子提供电枢线圈，所述转子可绕所述定子旋转，使得初级磁场在电枢线圈中感应出电流。发电机还包括提供在定子周围或外部的次级绕组，该次级绕组被配置为产生次级磁场，该次级磁场与初级磁场相互作用并增加或增强该初级磁场，切换装置被配置为基于转子相对于次级绕组的位置切换次级绕组的磁场的强度或极性中的至少一个。

Description

具有次级线圈的发电机

技术领域

本公开涉及电机，并且更具体地涉及一种在发电机的旋转部分中产生其磁场的发电机。

背景技术

在传统的电机中，例如在发电机中，通过向缠绕在转子上的励磁线圈提供DC电流，从而由转子产生磁场。在特定类型的发电机中，当转子旋转时，经由电刷和滑环***向励磁线圈供应电流。由于转子的旋转，励磁线圈可能会承受较大的离心力。为了固定励磁线圈，通常将它们涂覆在树脂中，并放入转子主体上的线圈槽中。

转子线圈的匝数与磁体的强度有关，而定子线圈中的感应电动势的数量又受到转子腔的尺寸的限制。总而言之，使用转子作为发电机中的磁通来源是可行的，但存在实际限制，即需要电刷和滑环***，需要固定励磁线圈以承受离心力，以及最后，转子腔内的物理空间又限制了磁体的尺寸和强度。

申请人已经注意到，已经通过包括次级线圈来努力控制或影响励磁线圈。

US4887020(自补偿无刷交流发电机)公开了次级定子线圈，其功能是产生电力，然后将其反馈给转子线圈。US9912206(具有阻尼装置的电动机)公开了次级定子线圈，其功能是通过由其流过的感应电流产生的自身磁场在转子上产生阻尼转矩。在这两种情况下，次级线圈中都感应有电流，以起到一定的作用。

US7545056(电机的饱和控制)和US20040239202(电机的体系结构)都描述了发电机，该发电机在定子中包含次级线圈，该次级线圈被供应DC电流。这些专利中描述的发电机都是永磁发电机。永磁发电机的局限性在于，它们的输出电压只能由机器的速度控制。这些专利涉及增加永磁发电机的输出的可控制性。这是通过在机器的定子内引入次级控制绕组来实现的。控制绕组产生的磁场与转子中的永磁体产生的磁场在磁力上隔离。控制绕组的磁场的作用是改变定子材料的饱和水平。改变饱和水平会改变磁路的电阻，从而影响由功率绕组感应的输出电压。该方法对永磁电机产生的输出进行了一定程度的控制，尽管效率很低，因为它需要额外的功率来使返回路径饱和，从而降低了输出功率。通常，投入机器的输入功率越多，产生的净输出功率就越少。

申请人期望一种改进的发电机。申请人建议通过提供次级线圈来实现这种改进的发电机，该次级线圈配置成与申请人所知的现有技术公开不同。

实用新型内容

因此，本公开提供一种发电机，包括：

转子，具有被配置为提供初级磁场的磁体装置；和

具有电枢线圈的定子，所述转子可绕所述定子旋转，使得所述初级磁场在所述电枢线圈中感应出电流，

其中，所述发电机还包括：

提供在所述定子周围或外部的次级绕组，所述次级绕组被配置为产生次级磁场，所述次级磁场与所述初级磁场相互作用并增加或增强所述初级磁场；和

切换装置，被配置为基于所述转子相对于所述次级绕组的位置来切换所述次级绕组的磁场的强度或极性中的至少一个。

转子的磁体装置可以是具有励磁线圈的电磁体或永磁体的形式。

因此，次级线圈可被配置成从定子周围或外部，换句话说，不是从可容纳转子的定子内部，增加或增强在电枢线圈中感应的电流。这可能导致较高的电流感应(并因此发电)，而不增加甚至减少转子的复杂性。降低的转子复杂性可能以驱动次级绕组以产生次级磁场所需的功率为代价。

发电机可被配置为向次级线圈供应电流，例如DC(直流)电流。电流可由切换装置提供或控制。

申请人认为，本公开相对于背景技术中提到的现有技术公开的技术优势在于，在现有技术公开中，在转子的磁场与在其他地方，例如在次级定子线圈中，产生的磁场之间没有磁链接。本公开旨在通过确保例如由次级线圈在转子外部产生的次级磁场(或磁通)一致且建设性地增加由转子产生的磁通来增加发电机的输出，来对此进行改进。

换句话说，本公开提出了这样的想法，即，将一部分(或甚至大部分)磁通产生量从转子移开，而是在转子外部产生磁通，例如在定子中或由定子产生，在返回路径中，甚至在机器外部。从两个不同源(励磁线圈和次级线圈)生成的场(初级场和次级场)可能具有建设性的作用。

在转子外部产生磁通可能有许多优点，例如在定子内和定子外而不是转子内，也就是说，定子是固定的，因此，可能不需要有损的电刷和滑环***，也没有离心力可抵消。定子位于转子的外部，因此，与放置在转子线圈上的空间限制不同，次级定子线圈的空间或尺寸限制可能较小。其他优点是，与作为磁场源的转子相比，冷却的要求不那么复杂，易于维修和保养。通过增加在转子外部产生的磁场，这可减小机器内部转子中所需的体积和空间。

切换装置可被配置为提供根据转子位置的切换算法。

可在以下一个或多个位置提供次级线圈：

定子的内部部分；

定子的外部部分；和/或

完全在定子外面。

当在定子外部产生磁场时，可采用高导磁率的材料将次级磁场链接并引导至定子。高导磁率材料可包括μ金属、纯铁或超合金。

附图说明

现在将参考附图通过实例进一步描述本公开。

在附图中：

图1示出了简化的传统两极发电机的示意性截面图；

图2示出了根据本公开的实例实施方式的发电机的示意性截面图；

图3示出了根据图2的发电机中转子位置的次级线圈切换的示意图；

图4示出了图2的发电机中次级线圈电流对转子位置的函数图的图形视图；

图5示出了图2的发电机中次级线圈电流对转子位置的平滑阶跃函数图的图形视图；

图6示出了根据本公开的发电机的替代实施方式的示意性截面图；

图7示出了根据图2的发电机的转子位置的次级线圈切换的示意图；

图8示出了根据本公开的发电机的另一实施方式的示意图，该发电机具有用于四极发电机的两个外部电磁体；

图9示出了根据本公开的发电机的另一实施方式的示意图，其中两个北极都连接到定子；

图10示出了根据本公开的发电机的另一实施方式的示意图，其中两个南极和中间北极连接到定子；

图11示出了根据本公开的发电机的另一实施方式的示意图，其中次级线圈包括两个北极和两个南极；

图12示出了根据本公开的发电机的另一实施方式的示意图，其中两个北极并且没有南极链接到定子；和

图13示出了根据本公开的发电机的另一实施方式的示意图，其中具有磁垒的两个北极和两个南极链接至定子，所述磁垒用于较大的外部磁体表面积覆盖。

具体实施方式

提供本公开的以下描述作为本公开的使能教导。相关领域的技术人员将认识到，可对所描述的实施方式做出许多改变，同时仍然获得本公开的有益结果。还将显而易见的是，通过选择本公开的一些特征而无需利用其他特征，可实现本公开的一些期望的益处。因此，本领域技术人员将认识到，对本公开的修改和适应是可能的，并且在某些情况下甚至是期望的，并且是本公开的一部分。因此，提供以下描述作为本公开的原理的说明，而不是对其的限制。

参照图1，可看到传统的两极电机。传统的机器由包含电枢线圈2的定子1和包含励磁线圈4的转子3组成。DC电流被供应给转子励磁线圈4。通过转子线圈4的电流方向用交叉和点索引表示，其中交叉表示进入页面的电流，点表示离开页面的电流。在转子励磁线圈4中示出的电流方向导致在机器中观察到的磁场5。

图2示出了本公开的实施方式，其中传统设计已被修改为在定子中包括次级线圈6。注意，与传统设计相比，用作机器的返回路径的定子7的外部已经径向向外挤出。这增加了定子槽8的尺寸，从而为次级线圈6提供了空间和可接近性。向外挤压返回路径也增加了定子电枢线圈9的可接近性，从而易于冷却线圈。

次级线圈6由外部DC电流激励，该电流的方向也由交叉和点键(dotkey)描绘，其中点代表页面外的电流方向，而交叉代表进入页面的方向。注意，在机器左手侧的次级线圈6a具有与在机器右手侧的线圈6b不同的电流方向。这样做是为了确保由次级线圈6产生的磁场补充由转子励磁线圈10产生的磁场。

沿着机器6c的中心线的次级线圈不被供应任何电流，因为这将破坏性地干扰机器内的磁场，因此没有交叉或点索引。为了使次级定子线圈6建设性地增加转子励磁线圈10产生的磁场，需要根据转子11的位置切换通过次级定子线圈6的电流方向。

图3示出了如何根据转子位置来切换通过次级定子线圈6的电流。参照图3上的标签A，该图突出显示了特定的次级定子线圈，可看出，随着转子从位置1移到位置2到位置3，通过该线圈的电流方向从页面外变为零，再到页面内。当转子11旋转时，这确保次级定子线圈6产生的磁场改变方向，以使其自身始终与转子励磁线圈9产生的旋转磁场对齐。

图4是施加到由标签A标记的次级线圈上的电流相对于图3中以度为单位的转子位置的实例图。图4的目的是示出了指示方向的电流符号如何随转子位置而变化。注意，本实施方式不限于图4所示的阶跃函数波形形状。

实际上，只要次级线圈的符号根据转子位置而变化，就可将许多波形形状应用于次级线圈，以确保次级线圈的磁场建设性地增加转子的磁场。在图5中示出了替代波形形状的实例。在此，对切换功能进行了调整(rounded)，以使切换过渡平稳。如果通过螺线管的电流变化率很高，则会引起较大的感应磁场，从而导致感应输出电压波形出现尖峰。平滑切换过渡有助于减轻输出电压中的这些尖峰。

图6示出了本公开的另一实施方式。在该实施方式中，代替如在前述实施方式中次级定子线圈与定子电枢线圈共享相同的槽，次级定子线圈12从发电机主体13中挤出。磁通经由磁通桥14传递到发电机主体。为了确保由次级线圈12产生的磁通实际上穿过气隙15并与转子的磁通16链接，必须在定子返回路径内引入气隙17。

该气隙17可以是包括空气的磁性流阻装置材料或非磁性材料。该气隙17确保了次级线圈12产生的磁通不会绕过转子，并且反过来迫使该磁通与电枢绕组18相交，从而导致更大的感应输出电压。

该实施方式的优点在于，次级定子线圈12具有其自己的磁性支撑结构19，该磁性支撑结构19从发电机13的结构物理上移除。这使得易于对次级线圈12进行冷却并且易于维护，因为发电机在维护次级线圈时不必关闭。为了使次级线圈建设性地增加转子16产生的磁通，必须使用与先前实施方式类似的切换算法。

图7示出了次级定子线圈12中的用点和交叉索引描述的电流方向如何从位置1到3保持相同，但是当转子16经过90°位置时，电流方向改变，如通过比较位置3和4可看到的那样。为了确保次级线圈产生的磁通与转子16产生的磁通一致，次级线圈12内电流方向的变化是必要的。由于转子16方向的改变，其磁通也改变，因此需要改变次级线圈12的磁通方向，以确保它们彼此一致。

图2-3的发电机具有围绕定子周向布置的次级绕组。定子可用作护铁(back-iron)，以为磁场/磁通提供返回路径。然而，在图6至图13中，次级绕组提供在定子的外部并且与定子间隔开。然后包括导磁材料的臂或芯，以提供从次级绕组到定子的返回路径，以便次级磁场可与转子相互作用。

当有两个北极将磁场馈入返回路径时，一些实施方式将具有在转子外部产生的更大的磁场强度，而其他实施方式将在转子中产生更大的磁场以促进磁通流向转子。如果有两个将磁场馈入返回路径的北极，则电磁体将具有两个线圈，两个线圈的电流方向不同，从而在两端形成两个北极，在中间形成一个南极，磁体内部的磁场将流过/朝各个方向指向北极。与上述情况相反，在两端有两个南极连接到返回路径中的北极，在中间有一个北极连接到返回路径中的南极，两个南极场都将流向该返回路径。

一些实施方式是具有更多极的发电机，例如8极发电机，其中外部电磁体的四个北极连接到发电机的四个南极。在机器外部产生的磁场必须是轴向的，并沿着可导磁材料进入返回路径。从机器外部产生的磁场路径必须尽可能短，以使电机达到最佳运行状态。

为了使行进的磁场路径更短，电磁线圈必须最佳地在非常靠近返回路径的位置结束，以使磁场不具有长的行进路径。为了将磁通引导到转子中并避免磁通短路，返回路径将具有多个气隙，如图7所示，在这种情况下有两个气隙。对于四极机器，将有四个气隙。极数将与气隙点数相匹配。

条款

1.一种发电机，通过电子控制使得在转子外部产生一些磁场，该电子控制将电流相对于转子位置的方向改变为次级线圈和电磁体，以改变其极性，从而通过返回路径将磁场建设性地不断地添加到磁路中。

2.根据条款1所述的发电机，其中，产生次级磁场的次级线圈位于定子的外部区域中，其中，定子是围绕转子的外部构件。

3.根据条款1所述的发电机，其中，用于产生次级磁场的次级线圈位于定子的内部区域中，其中，定子是围绕转子的内部构件。

4.根据条款1所述的发电机，其中，用于产生次级磁场的(电磁体)次级线圈位于电机外部。

5.根据条款4所述的发电机，其中当机器具有X个极数时，返回路径将具有X个包含气隙的磁阻装置，这是返回路径，对于两极机器具有两个气隙，并且对于四极机器具有四个气隙。

6.根据条款5所述的四极发电机，其中有两个外部电磁体，其两个北极端连接到电机的两个南极。

7.根据条款5所述的四极发电机，其中有两个电磁体，其四个北极端连接到电机的两个南极。

8.多极发电机，外部电磁体的北极将磁场馈入发电机的南极。

9.根据条款4所述的发电机，其中，在转子外部产生的磁场大于在转子电磁体中产生的磁场，以增强磁场流入绕组的强度。

10.根据条款4所述的发电机，其中，外部电磁体在电磁体之间具有磁垒，其中与返回路径的表面接触面积覆盖返回路径上的较大表面积。

11.根据条款4所述的发电机，其中，磁场由包括具有较大表面积的μ金属，超合金的高导磁率材料引导。

12.根据条款1所述的发电机，其中，电磁体极的末端非常靠近返回路径，并且具有包括μ金属的高导磁材料。

Claims (3)

1.一种发电机，其特征在于，包括：

转子，具有被配置为提供初级磁场的磁体装置；和

具有电枢线圈的定子，所述转子能够围绕所述定子旋转，使得所述初级磁场在所述电枢线圈中感应出电流，

其中，所述发电机还包括：

提供在所述定子周围或外部的次级绕组，所述次级绕组被配置为产生次级磁场，所述次级磁场与所述初级磁场相互作用并增加或增强所述初级磁场；和

切换装置，被配置为基于所述转子相对于所述次级绕组的位置来切换所述次级绕组的磁场的强度或极性中的至少一个。

2.根据权利要求1所述的发电机，其中，所述次级绕组被配置为从所述定子周围或外部增加或增强在所述电枢线圈中感应的电流，这在不增加转子复杂性的情况下操作性地导致较高的电流感应，并因此产生电力。

3.根据权利要求1所述的发电机，其被配置为向所述次级绕组供应电流，并且其中，所述电流由所述切换装置提供或控制。

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