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CN106463255A - 带有谐振场励磁机的绕线磁极式同步机 - Google Patents

带有谐振场励磁机的绕线磁极式同步机 Download PDF

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CN106463255A
CN106463255A CN201580022139.9A CN201580022139A CN106463255A CN 106463255 A CN106463255 A CN 106463255A CN 201580022139 A CN201580022139 A CN 201580022139A CN 106463255 A CN106463255 A CN 106463255A
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Gbox LLC
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Abstract

一种用于绕线同步机的无刷场励磁机，所述绕线同步机使用谐振场励磁机中漏电感和电容器的谐振将能量转移到旋转励磁绕组。通过以大于50千赫的频率进行谐振，该励磁机在各功率水平内减少了同步绕线磁极式发动机的总体大小和重量，并且将同步绕线磁极式机的实用和经济功率极限扩展到低积分和分数马力应用领域，省去了目前在此功率范围内的高效率发动机和发电机中使用的永久磁铁。

Description

带有谐振场励磁机的绕线磁极式同步机
技术领域
本发明涉及绕线磁极式同步机及有效操作它们的方法。
背景技术
电动机和发电机是由来已久。目前，高效率大型电机(即那些功率额定值大于10马力(HP)甚至往往大于100马力的电机)使用带有昂贵控制机构的绕线磁极式同步设备，而小型电机(即那些功率额定值在10HP或更低的电机)则使用稀土转子磁铁设备或感应转子磁场设备。稀土转子磁铁设备的价格预计在未来几年将上涨，而感应转子磁场设备节能效率低。
预计能源成本在经济上和环境上都会增加，产生了对成本低且能源效率高的发动机和发电机的需求。
发明内容
本发明提供了一种允许高效绕线磁极式同步发动机或发电机相比于在应用中当前所使用的永久磁铁或感应发动机以更低的成本或更高的能效在这些应用中运行的设备，从而解决了这一需求。其需要三个方面：一台机器、一种包含转子绕组的设备和一种能够连接到转子绕组的设备。第一方面是一种包含五个元件的装置。第一元件是具有转子绕组但不具有用于产生扭矩的转子磁铁的绕线磁极式同步机。第二元件是至少一个具有电压和驱动频率的方波交流电电压发生器。第三元件是至少一个与所述方波交流电电压发生器通信的谐振场励磁机，所述谐振场励磁机具有(1)旋转参考框架、(2)静态参考框架和(3)谐振电路，其串联包含谐振电容器和带有可变漏电感的旋转变压器。所述谐振场励磁机被配置为以至少50千赫的谐振频率在谐振模式下运行。第四元件是与所述方波交流电电压发生器和所述谐振场励磁机通信的控制器设备，其被配置为(1)测量进入所述谐振场励磁机的电压和电流，(2)跟踪所述谐振频率，并且(3)调整所述驱动频率以基本上与所述谐振频率相匹配，以使交流电电流转移最大化。第五元件是与所述谐振场励磁机和所述绕线磁极式同步机通信的整流器，其被配置为在交流电电流进入所述绕线磁极式同步机的转子绕组之前将所述交流电电流转换为直流电电流。
第二方面是一种也包含五个元件的装置。第一元件是用于绕线磁极式同步机的转子绕组。第二元件是至少一个具有电压和驱动频率的方波交流电电压发生器。第三元件是至少一个与所述方波交流电电压发生器通信的谐振场励磁机，所述谐振场励磁机具有(1)旋转参考框架、(2)静态参考框架和(3)谐振电路，其串联包含谐振电容器和带有可变漏电感的旋转变压器。所述谐振场励磁机被配置为以至少50千赫的谐振频率在谐振模式下运行。第四元件是与所述方波交流电电压发生器和所述谐振场励磁机通信的控制器设备，其被配置为(1)测量进入所述谐振场励磁机的电压和电流，(2)跟踪所述谐振频率，并且(3)调整所述驱动频率以基本上与所述谐振频率相匹配，以使交流电电流转移最大化。第五元件是与所述谐振场励磁机和所述绕线磁极式同步机的转子绕组通信的整流器，其被配置为在交流电电流进入所述转子绕组之前将所述交流电电流转换为直流电电流。
第三方面是一种包含四个元件的装置。第一元件是至少一个具有电压和驱动频率的方波交流电电压发生器。第二元件是至少一个与所述方波交流电电压发生器通信的谐振场励磁机，所述谐振场励磁机具有(1)旋转参考框架、(2)静态参考框架和(3)谐振电路，其串联包含谐振电容器和带有可变漏电感的旋转变压器。所述谐振场励磁机被配置为以至少50千赫的谐振频率在谐振模式下运行。第三元件是与所述方波交流电电压发生器和所述谐振场励磁机通信的控制器设备，其被配置为(1)测量进入所述谐振场励磁机的电压和电流，(2)跟踪所述谐振频率，并且(3)调整所述驱动频率以基本上与所述谐振频率相匹配，以使交流电电流转移最大化。第四元件是与所述谐振场励磁机通信的整流器，其被配置为在交流电电流进入绕线磁极式同步机的转子绕组之前将所述交流电电流转换为直流电电流。
本发明的各个方面允许在变速情况下制造和使用诸如发动机或发电机等绕线磁极式同步机(之前是不可能实现的)，该绕线磁极式同步机比感应电机效率更高，而且在永磁电机中并没有昂贵的稀土转子磁体存在。所述方面可用作发动机或发电机、包含转子绕组的、适合用于易于嵌入或改装成现有永久磁铁或感应电机的设备或适合在构造绕线磁极式同步机过程中使用的设备。所述方面可在从诸如汽车等大马力机器到诸如割草机、泵和压缩机等小马力机器中使用。本发明的机器以及在机器中使用的本发明的设备在现有机械技术上提供至少五大改进之处。首先，它们将同步绕线磁极式发动机和发电机的实用和经济功率极限限制扩展到分数马力应用领域，省去了目前在此功率范围内的高效率发动机中使用的永久磁铁。第二，它们使得高效率绕线磁极式同步发动机在更广功率水平内取代低效率感应发动机，有助于实现国家能源效率目标。第三，它们在各功率水平内减少同步绕线磁极式发动机的总体大小和重量。第四，它们提供诸如弱化、直接磁场控制和监测等功能，这些功能目前在永磁发动机和发电机技术中不可获得。第五，在不使用永久磁铁的情况下，它们提供了与永磁同步发动机几乎一样的高效率。
附图说明
图1是连接到绕线磁极式同步机的本发明所述设备的元件的框图。
图2A是所述谐振场励磁机的一个实施例的示意图，示出了在所述旋转参考框架上的所述电容器。
图2B是所述谐振场励磁机的一个实施例的示意图，示出了在所述固定参考框架上的所述电容器。
图3A是说明使用罐形磁芯轴向旋转变压器的谐振场励磁机的一个实施例的侧视图。
图3B是图3A中所述实施例的端视图。
图4A是说明使用径向旋转变压器的谐振场励磁机的一个实施例的侧视图。
图4B是图4A中所述实施例的端视图。
图5A是连接到绕线磁极式同步转子的本发明所述设备的元件的框图。
图5B是连接到在图5中所示的发明所述设备的通用电动运动系统的框图。
图6是能够连接到绕线磁极式同步转子的本发明所述设备的元件的框图。
虽然本发明可具有多种修改形式和替代形式，其具体特点已在图中以实例的方式示出，并将详尽描述。然而，应理解其意图并非将本发明限制在所描述的具体实施例上。相反，本发明希望覆盖在由所附权利要求书限定的本发明范围内的全部修改、等同物和替代方案。
具体实施方式
本发明是已知发动机技术、电源技术以及数字和软件技术的独特组合，从而产生新型的绕线磁极式同步发动机或绕线磁极式同步机。这些机器和设备用于使所述机器相比于当前的绕线磁极式同步机以更廉价的控制在大于10马力的功率水平下并以可变的速度运行或能够运行。这些机器和设备用于使所述机器在没有稀土转子磁铁的情况下以10马力或更少的功率水平同样运行或能够运行。这些机器和设备用于使所述机器取代在所有功率水平下使用的低能量效率的感应发动机和发电机。本发明所述的机器和由本发明所述的设备制造的机器的效率至少为95％，相比于感应电机只有低于70％的效率。
本发明所述的绕线磁极式同步机以及本发明所述的用于制造绕线磁极式同步机的设备代表汇聚了150年的发动机技术、50年的电力供应技术和30年的软件工程，从而制造一种新颖的、非显而易见而有益的新装置。现在，将讨论每一个领域，以提供发明的背景。
发动机技术
在2006年的一份研究中，美国的电气电子工程师协会(IEEE)报告显示，美国60％的电能由发动机消耗，而且这些发动机中的绝大多数是以70％或更少的效率运行的感应发动机。2008年立法通过并于2010年实施的法规在法律上提高了对发动机效率的管制，有效地将最没有效率的和最便宜的感应发动机非法化。正是同一项立法在有关提高的照明效率标准上在新闻界引起些许骚动。在此项立法之前，发动机因其收购价格最低并且效率低而最具吸引力。此项立法之后，发动机所有权的总成本更受关注。对于运行24/7的发动机而言，在发动机的使用寿命期间的能源成本可能是所述发动机初始成本的10至20倍。
在汽车行业中，对不同效率的发动机进行了不同的分类。效率最高级别的超优质发动机以包含永久磁铁的发动机为主导。部分原因是效率立法在世界各地盛行，部分原因是这些发动机的市场不断扩大，此类发动机市场预计将在2011年至2017年间增加9倍。
这导致了大量发展困难。最显眼的虽然不是最严重的是中国对稀土材料市场的国际关注。通过降低原材料的成本，中国有实际上停止了所有竞争的采矿作业。然后，提高矿物原料的价格或限制其使用，使其加工产品(磁铁等)的成本更具竞争力，有效地将其客户移动到食物链。然而，这只是临时转移。与其名字“稀土”不符，稀土元素其实并非如此稀有。大量稀土元素矿床存在于各大洲(除西欧之外)，这些稀土元素原本就是从中分离出来(因此是“稀有”的外延)。
更严重的问题是，将稀土元素加工成磁铁是有毒且复杂的过程，并且地球甚至不能承受稀土磁铁生产的骤增。从长远来看，这将使稀土磁铁持续溢价，使永磁发动机和发电机固然比其磁铁较少的类似物更加昂贵。
近年来，高效率感应发动机早已为人们所知晓。这些发动机实现了从普通感应发动机的70％提升到81％的效率。铜取代铝可用于所述转子，并且所述发动机中的转子的大小增加，以通过减少挠曲密度降低涡流损耗。然而，这会导致相比于那些具有相同额定功率和成本的普通效率感应发动机的结构更重的结构，其接近那些具有类似额定功率的永磁发动机的结构。
但也有其它方式来制造发动机。开关磁阻发动机追溯到1830年。自1830年以来，串激直流电发动机也已经存在。自1885年以来，感应发动机已经存在。自十九世纪七十年代以来，绕线磁极式同步发电机(最初被称为直流电发电机)已经存在。其同类机器，绕线磁极式同步发动机几乎同一时期已经存在。所有这些发动机类型依赖于一个或多个基本电磁结构，其中电流在所述发动机的转子中产生磁场。只有永磁发动机不需要能量以维持转子中的磁场；然而，这需要付出超出磁铁本身成本的代价。
在任何永磁发动机中，磁铁本身的场强固定。这是优点，也是缺点。对于需要速度为零的极大转矩的应用领域，转子中有磁场的存在，使其容易并且高效地满足这一需求。然而，转子上的固定磁场意味着旋转速度受高速条件下的源电压的限制。此外，对于需要发动机转速可变的应用领域，对发动机的全功率必须加以控制，与这种控制相关联的损失随之而来。
在所有非永磁发动机结构中，转子磁场的场强是可调节的，允许用于优化发动机运行。在所述串激直流电发动机中，这涉及让电流通过机械滑环，产生不良机械与维护影响。在所述开关磁阻发动机中，所述转子中的磁场是不断变化，导致涡流损耗、铁损失和大量径向力，从而产生噪音。同样地，所述感应发动机依靠略慢于定子磁场旋转的转子，也在所述转子中感应不断变化的磁场并造成涡流和铁损失。而所述绕线磁极式同步发动机在所述转子中不存在变化的磁场，所以没有涡流或铁损失。此外，没有任何磁铁的本发明的所述绕线磁极式同步发动机接近永磁发动机的效率性能。
绕线磁极式同步发动机目前仅限于功率水平10马力及以上，主要以与供电网同步的速度被驱动，并且在固定式应用中以及大型固定式和便携式发电机应用中使用。这是因为必须向移动中的转子提供电力以便激发磁场。目前用于此项的技术涉及滑环、低频感应或固定频率感应技术，所有这些技术都涉及维护问题、极大规模或机械精度限制，且只有在较高的轴输出级别上才是经济上合理的。
电力牵引应用在汽车和工业应用中的出现导致了高马力永磁与感应发动机/发电机的发展。至于所述永磁发动机/发电机，可能的故障条件存在之处磁转子可以由外部机械能驱动继续旋转。这会产生危险情况。至于所述感应发动机/发电机，由于转子中的高交流铁和涡流电流损失，低转速高扭矩运行的效率特别低。由于供电到上述转子绕组的电流限制，绕线磁极式同步发动机当前未在这些应用中使用。
一种经济地提供场功率到绕线磁极式同步机的所述转子的方法一般会允许更小的更具成本效益的用于所有应用领域的此类发动机和发电机。此外，一种在10马力或更小的功率水平下经济地提供场功率到绕线磁极式同步发动机的所述转子的方法会允许此类发动机与永久磁铁发动机竞争。所述永磁发动机和所述高效率发动机的成本轨迹一直上升，而所述绕线磁极式同步发动机的成本轨迹一直下降。
电源技术
过去50多年来，电源技术集中于将常规电网电源、电池电源或发电机电源转换为隔离低电压以运行固态电路。从毫瓦到千瓦的功率水平以及发展目标具有更低的成本、更小的尺寸和高效率。
所有隔离电源供应器依靠变压器电磁地将能量从源功率转移到隔离负荷。变压器的大小随功率水平的增加而增加，随着工作频率的增加而减小。五十多年来源源不断的研究、材料的改进和生产技术的改进驱动电力变压器设计在频率超过1兆赫和功率密度超过100瓦/立方英寸下工作。
随着变压器技术的改进，其它功率处理组件、晶体管、二极管以及被动组件，在损失、尺寸、速度和成本上也显著提升以保持步伐。
随着像谐振转换(通过简单地避免产生它们的运行条件来进一步消除损耗因子)之类的概念的发展，电路拓扑结构也在发生变化。
数字和软件技术
相对于功率控制，数字和软件技术出现较晚，其兴起于二十世纪八十年代初期，为高精度但低供电的诸如舵机等应用领域提供改进的性能。到二十世纪八十年代末，数字控制的电源适用于所有发动机技术。如今，诸如磁场矢量控制的技术在所有功率范围内提供高度的速度和转矩控制，但由于效率低，不得不严格控制所有流向发动机的功率。
发明
如前所述，美国具有降低电力消耗的强烈需求，美国至少60％的电能是由发动机消耗。目前，各方通过增加电驱动器、对感应发动机进行成本改善或通过切换到永磁发动机来齐心协力提高这些发动机的效率。在汽车行业中从燃气驱动的发动机向电力驱动的发动机发展的趋势下，比永磁电动机便宜却比感应发动机具有更高的功率效率的电动机成为一种需求。这些特性可以在本发明所述的绕线磁极式同步发动机中找到。而且，由于众多发动机的功率水平在10马力及以下运行，需要抛弃相对低效的感应发动机或昂贵的基于磁铁的发动机。
本发明要求三个方面：一台机器、一种包含转子绕组能易于嵌入机器的设备和一种能够连接到转子绕组的设备。
第一方面
第一方面是一种包含五个元件的装置。第一元件是具有转子绕组但不具有用于产生扭矩的转子磁铁的绕线磁极式同步机。在一些实施例中，绕线磁极式同步机包含选自由以下组成的群组的机器：发动机、交流电发电机和直流电发电机。在一些实施例中，绕线磁极式同步机是配置为在10马力或更小的额定功率运行。在一些实施例中，绕线磁极式同步机被配置为以大于10马力的额定功率运行，一些以大于50马力的功率水平运行，一些以大于100马力的功率水平运行。还有一些以大于150马力的功率水平运行。在一些实施例中，绕线磁极式同步机在诸如牵引电动机的离线变转速应用中运行。在一些实施例中，绕线磁极式同步机在诸如泵或压缩机的在线或离线应用中运行。
第二元件是至少一个具有电压和驱动频率的方波交流电电压发生器。发电机可能提供其它形状的电压，如正弦波或三角形，但方波是为能量输送而产生的最简单和最有效的电压形状。
第三元件是至少一个与所述方波交流电发生器通信的谐振场励磁机。所述谐振场励磁机具有(1)旋转参考框架、(2)静态参考框架和(3)谐振电路，其串联包含谐振电容器和带有可变漏电感的旋转变压器。所述谐振场励磁机被配置为以至少50千赫的谐振频率在谐振模式下运行。在一些实施例中，所述装置包括只有一个方波交流电电压发生器和一个谐振场励磁机。在一些实施例中，所述谐振场励磁机的旋转部件可安装在圆形印制线路组件(PWA)上。对于那些实施例，必须小心确保所述组件保持均衡，因为其与电动机/发电机轴一起旋转。在一些实施例中，谐振场励磁机将包括旋转变压器，其中的漏电感与电容器形成谐振回路。
第四元件是与所述方波交流电发生器和所述谐振场励磁机通信的控制器设备。所述控制器设备被配置为(1)测量进入所述谐振场励磁机的电压和电流，(2)跟踪所述谐振频率，并且(3)调整所述驱动频率以基本上与所述谐振频率相匹配，以使交流电电流转移最大化。所述控制器设备是配置为执行如文所述的功能的任何设备。例如，其包括微控制器、专用集成电路以及可编程逻辑设备。在带有微控制器和旋转变压器实施例中，所述设备监视流向旋转变压器初级绕组的电压和电流并在处于或接近传递到功率驱动器以驱动所述旋转变压器初级绕组的谐振处产生可变频率方波信号。
第五元件是与所述谐振场励磁机和所述绕线磁极式同步机通信的整流器，其被配置为在交流电电流进入所述绕线磁极式同步机的转子绕组之前将所述交流电电流转换为直流电电流。
本发明所述装置的效率大于配置为以相近功率水平运行的感应电机的效率。一些实施例被配置为拥有接近配置为以相近功率水平运行的优质磁铁发动机的功率效率。本发明的一些实施例被配置为拥有至少90％效率，一些拥有至少92％效率，一些拥有至少94％效率以及一些拥有至少95％效率。
在本发明的一些实施例中，所述谐振场励磁机还具有一些特征。所述旋转变压器具有固定初级绕组和旋转次级绕组，被配置为形成产生可变漏电感的间隙。所述谐振电容器与所述旋转变压器通信，并且被配置为以50千赫以上的频率与所述可变漏电感谐振。这些实施例中的所述控制器设备进一步被配置为产生可变频率方波交流电电压信号以驱动所述旋转变压器初级绕组。
在上述实施例中，保持有以下配置。所述旋转变压器的初级绕组被附加到所述机器的固定参考框架。所述旋转变压器的次级绕组以如下方式被附加到所述旋转参考框架：当所述旋转参考框架移动时，变压器铁芯周围的磁通量通路不发生变化。所述旋转变压器的初级绕组与次级绕组之间的间隙允许所述次级绕组独立旋转，其有助于确定所述旋转变压器的漏电感，并且将能量以磁力的方式从所述固定参考框架转移到所述旋转参考框架。所述谐振电容器与所述旋转变压器的初级或次级绕组串联连接。因此，所述谐振电路可以在所述旋转参考框架或静态参考框架中。此电容器的值选择用于以50千赫以上的频率与所述旋转变压器的漏电感谐振。在二次侧上，一个或多个二极管相连在整流配置中，其输出连接到所述转子励磁绕组。在一些实施例中，第二电容器与所述励磁绕组平行连接以形成低通滤波器。
在永磁同步和绕线磁极式同步发动机中，所述转子上的旋转磁场都产生与源相对的、与磁场强度和转子速度的乘积成正比的反电动势(EMF)电压。在永磁同步发动机中，这不仅限制某一给定的源上发动机的最大速度，还需要进入所述发动机定子的功率不断受到控制。这通过脉宽将进入所述发动机定子绕组的电压调制至20千赫或更高的频率类实现，并导致驱动电子设备中的额外损失、极大电磁干扰(EMI)问题以及诸如轴承点蚀的静电效应。
在本发明所述第一方面的一个实施例钟，所述转子磁场以及由此而来的反电动势的电压可以经调整，以近似匹配源电压，从而消除调节所述定子绕组的需要。定子绕组可以切换或换向至等于频率高达几百赫兹的发动机的转速数倍的极数的频率。这消除了脉冲宽度调制(PWM)开关损耗，并成几个数量级地减少电磁干扰(EMI)足迹和静电效应。
第二方面
第二方面是一种也包含五个元件的装置。第一元件是用于绕线磁极式同步机的转子绕组。第二元件是至少一个具有电压和驱动频率的方波交流电电压发生器。第三元件是至少一个与所述方波交流电电压发生器通信的谐振场励磁机，所述谐振场励磁机具有(1)旋转参考框架、(2)静态参考框架和(3)谐振电路，其串联包含谐振电容器和带有可变漏电感的旋转变压器。所述谐振场励磁机被配置为以至少50千赫的谐振频率在谐振模式下运行。第四元件是与所述方波交流电电压发生器和所述谐振场励磁机通信的控制器设备，其被配置为(1)测量进入所述谐振场励磁机的电压和电流，(2)跟踪所述谐振频率，并且(3)调整所述驱动频率以基本上与所述谐振频率相匹配，以使交流电电流转移最大化。第五元件是与所述谐振场励磁机和用于绕线磁极式同步机的所述转子绕组通信的整流器，其被配置为在其贴附到绕线磁极式同步机时并在交流电电流进入所述转子绕组之前将所述交流电电流转换为直流电电流。在一些实施例中，所述转子绕组可以改造的方式用于代替同步永磁机的永磁转子或感应电机的鼠笼绕组。这一方面的一些实施例适合于改造为现有的绕线磁极式同步机。这一方面的元件类似于前文所讨论的。
第三方面
所述第三方面是一种包含四个元件的装置。第一元件是至少一个具有电压和驱动频率的方波交流电电压发生器。第二元件是至少一个与所述方波交流电发生器通信的谐振场励磁机，所述谐振场励磁机具有(1)旋转参考框架、(2)静态参考框架和(3)谐振电路，其串联包含谐振电容器和带有可变漏电感的旋转变压器。所述谐振场励磁机被配置为以至少50千赫的谐振频率在谐振模式下运行。第三元件是与所述方波交流电发生器和所述谐振场励磁机通信的控制器设备，其被配置为(1)测量进入所述谐振场励磁机的电压和电流，(2)跟踪所述谐振频率，并且(3)调整所述驱动频率以基本上与所述谐振频率相匹配，以使交流电电流转移最大化。第四元件是与所述谐振场励磁机通信的整流器，其被配置为在交流电电流进入绕线磁极式同步机的转子绕组之前将所述交流电电流转换为直流电电流。这将替换当前的技术如，例如，更换滑环和现在使用的低或固定频率感应装置。这一方面的一些实施例适合于在制造时安装在绕线磁极式同步机中。这一方面的元件类似于前文所讨论的。
在所述三个方面的每一方面，进入本发明的功率都根据功率水平采用本领域公知的各种手段(比如降压变换器、半桥变换器或全桥变换器等)进行调节或调整。来自几乎任何电源技术的其它已知技术也可以调节和调整进入绕线磁极式同步机转子的功率。
一个此类实例是采用通用运动系统，其使用降压变换器提供与交流电力线同步的整流后的正弦形电压以调制本发明所述高频方波发生器的振幅。从而在所述绕线磁极式同步发动机的转子上产生同步电力线的交流和整流后的正弦形磁场。所述绕线磁极式同步发动机的定子通过三相电子换向器和桥式整流器连接所述交流电力线。进入电子换向器的电压也是与电力线同步的整流后的正弦波，因为桥式整流器后没有滤波电容器。根据转子的角位置，所述电子换向器将适当的定子绕组连接到此整流后的正弦波电压以在所需方向上产生转矩。由于转子场和定子场都具有相同的形状并且同步，进入这种装置的电力线电流将与电力线电压同相位，以单位功率因数运行。来自几乎任何电源技术的其它已知技术也可以调节和调整进入转子的电压。
本发明的一个实施例提供更换为已停止使用的现有类型通用发动机的电压降。目前通用发动机使用电刷。用于此类发动机的高端工作功率约为1千瓦。在此级别下，功率效率约为40％，而且可靠性较差。越来越多的厂商正在试图停止生产1千瓦通用电刷发动机，而倾向于永磁无电刷发动机。以上讨论的组合允许目前的1千瓦通用电刷发动机由本发明以引入的方式取代，本发明结合通用运动系统以形成成本极具竞争力、可靠和效率高的无刷通用发动机。单一的控制电子设备以及稀土磁体的缺乏使得此类带有停止使用的电刷发动机的发动机比使用永磁无刷发动机的替代物更具成本竞争力。本发明成果的结合产生一种功率效率达到90％以上的通用发动机。
本发明的同一实施例还提供一种低效率单相感应发动机的替代。低效率单相感应发动机也正在逐步被淘汰，取而代之的是带有电驱动器的感应发动机或带有电驱动器的永磁无刷发动机。然而，由于这些驱动器必须使用脉冲宽度调制(PWM)技术以控制进入所述发动机的整个功率，所以其经受高功率线谐波、强电磁干扰和弱功率因数，所有这些都必须通过添加昂贵又笨重的功率因数补偿电路和筛选器来减轻。如上文所述，使用本发明的通用无刷发动机直接为所述电力线提供了整功率因数，省去了功率因数补偿电路。因为只有3％的进入所述发动机的功率经受脉宽调制技术，所以所述通用无刷发动机的电磁足迹小得多，大大减少了或甚至省去了笨重的干磁干扰(EMI)滤波器的必要性。
本发明的各个方面将通过以下说明本发明的一些实施例的附图得到更好的理解。相同的数字将用于指代相同的元件。图1是连接到绕线磁极式同步机的本发明所述设备的元件的框图。一种装置(100)包含具有电压和驱动频率的方波交流电电压发生器(110)。方波交流电电压发生器110与具有固定框架和旋转框架的谐振场励磁机(120)通信，并与整流器(130)通信。控制器设备(140)与方波交流发生器110和谐振场励磁机120通信。整流器130也与具有绕线磁极式转子(154)和定子(158)的绕线磁极式同步机(150)通信。与绕线磁极式同步机150的通信是与绕线磁极式转子154的通信。
图2A是所述谐振场励磁机的一个实施例的示意图，示出了在所述旋转参考框架上的所述电容器。谐振场励磁机120包含带有固定初级绕组(122)、旋转次级绕组(124)和间隙(126)的旋转变压器。所述旋转变压器具有可变漏电感(127)，并且与谐振电容器(128)串联。
图2B是所述谐振场励磁机的一个实施例的示意图，示出了在所述固定参考框架上的所述电容器。谐振场励磁机120包含带有固定初级绕组122、旋转次级绕组124和间隙126的旋转变压器。谐振场励磁机120的静态参考框架还包含带有可变漏电感127、与谐振电容器128串联的旋转变压器。
图3A是说明使用罐形磁芯轴向旋转变压器配置的谐振场励磁机的一个实施例的侧视图。谐振场励磁机设备(200)的实施例采用绕线磁极式转子(210)示出，该绕线磁极式转子具有从中贯穿的绕线磁极式同步机轴(220)。用于带有未示出的旋转变压器次级绕组的次级绕组(230)的罐形磁芯、用于带有未示出的旋转变压器初级绕组的初级绕组(240)的罐形磁芯以及带有整流器和谐振电容器(250)的印制线路组件(PWA)与绕线磁极式同步机物理通信并与绕线磁极式转子210电气通信。除所述固定初级绕组及相关联的磁芯(240)之外，所有元件都旋转。
图3B是图3A中的实施例沿着线260通过用于次级绕组230的罐形磁芯中的旋转变压器次级绕组的端视图。绕线磁极式转子轴220示为由罐形磁芯中的旋转变压器次级绕组230所环绕。用于次级绕组230的罐形磁芯围绕次级绕组(270)。所述旋转变压器初级绕组的横截面表现出相同的构造。
图4A是说明使用径向旋转变压器的谐振场励磁机的一个实施例的侧视图。谐振场励磁机设备(300)的另一实施例采用绕线磁极式转子(310)示出，该绕线磁极式转子具有从中贯穿的绕线磁极式同步机轴(320)。用于带有旋转变压器次级绕组(370)的次级绕组(330)的磁芯、用于带有旋转变压器初级绕组(380)的初级绕组(340)以及带有整流器和谐振电容器(350)的印制线路组件(PWA)与绕线磁极式同步机轴320物理通信并与绕线磁极式转子310电气通信。次级绕组(370)和初级绕组(380)被示出环绕绕线磁极式同步机轴320并被间隙(390)隔开。除了旋转变压器初级绕组340之外，所有元件都旋转。
图4B是图4A中的实施例沿着线360通过磁芯330中的旋转变压器次级绕组和磁芯340中的旋转变压器初级绕组的端视图。绕线磁极式转子轴320示为由磁芯330中的旋转变压器次级绕组370和磁芯340中的旋转变压器初级绕组380所环绕。次级绕组(370)和初级绕组(380)被间隙390隔开。
图5A是连接到绕线磁极式转子的本发明所述设备的元件的框图。此图类似于图1，除了绕线磁极式转子(154)取代绕线磁极式同步机150之外。绕线磁极式转子154旨在取代永久磁铁或感应发动机或发电机中的转子。
图5B是连接到在图5A中所示的发明所述设备的通用电动运动系统的框图。所述组合(400)包括进入桥式整流器(410)中的交流线路功率。桥式整流器410连接到电子换向器(420)，该电子换向器接着连接到绕线磁极式同步发动机定子(430)。桥式整流器410还连接到降压变换器(440)，该降压变换器440连接到图5A中所示的装置100的方波发生器110。
图6是能够连接到绕线磁极式转子的本发明所述设备的元件的框图。此图类似于图1，除了绕线磁极式同步机150未示出之外。此实施例旨在被附接到现有同步机(比如绕线磁极式同步发电机)的现有绕线磁极式转子。
接下来描述本发明第三方面的一个实施例的工作机构。如上文所述，特定元件可以与执行类似功能的其它元件互换。所述谐振场励磁机使用电谐振来将能量从发动机定子的固定参考框架转移到转子的旋转参考框架，以便提供可调直流电电流到所述励磁绕组。微控制器(1)监视通过电流传感器或电流变压器的旋转变压器初级电流波形和进入旋转变压器初级绕组的电压，并且(2)调整驱动所述旋转变压器初级绕组处于或略低于谐振的方波频率。这不仅将主驱动电路中的开关损耗减少到最小，而且也致使到旋转变压器次级绕组的能量传输最有效。整流二极管将所述次级绕组中的谐振交流电电流转换成直流以供应励磁绕组。在一些实施例中，微控制器也控制方波交流电发电机的输出电压，以维持转子磁场中所需的电流。其它实施例以类似的方式运行。
特定运行要求和环境所进行的其它修改和变化对本领域的普通技术人员将是显而易见的。因此，本发明不被认为是限于为公开目的所选择的实例，并且涵盖对本发明实质精神和范围不构成背离的所有的变化和修改。

Claims (21)

1.一种装置，其包含：
绕线磁极式同步机，其具有转子绕组但不具有用于产生扭矩的转子磁铁；
至少一个方波交流电电压发生器，其具有电压和驱动频率；
至少一个谐振场励磁机，其与所述方波交流电发生器通信，所述谐振场励磁机具有旋转参考框架、静态参考框架和谐振电路，所述谐振电路串联包含谐振电容器和带有可变漏电感的旋转变压器，并且所述谐振场励磁机被配置为以至少50千赫的谐振频率在谐振模式下运行；
控制器设备，其与所述方波交流电发生器和所述谐振场励磁机通信，并且其被配置为测量进入所述谐振场励磁机的电压和电流，跟踪所述谐振频率，并调整所述驱动频率以基本上与所述谐振频率相匹配，以使交流电电流转移最大化；以及
整流器，其与所述谐振场励磁机和所述绕线磁极式同步机通信，并且其被配置为在所述交流电电流进入所述绕线磁极式同步机的所述转子绕组之前将所述交流电电流转换为直流电电流。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述绕线磁极式同步机被配置为在10马力或更小的功率水平下运行。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述绕线磁极式同步机被配置为在大于10马力的功率水平下运行。
4.如权利要求1所述的装置，其中，具有一个方波交流电电压发生器和一个谐振场励磁机。
5.如权利要求1所述的装置，其中，所述绕线磁极式同步机选自由以下组成的群组：交流电发动机、交流电发电机和直流电发电机。
6.如权利要求1所述的装置，其中，
所述旋转变压器具有固定初级绕组和旋转次级绕组，两者被配置为形成产生所述可变漏电感的间隙；
所述谐振电容器与所述旋转变压器通信，并且被配置为以50千赫以上的频率与所述可变漏电感谐振；以及
所述控制器设备进一步被配置为产生可变频率方波交流电电压信号以驱动所述旋转变压器初级绕组。
7.如权利要求1所述的装置，其中，所述绕线式励磁同步机的效率为至少90％。
8.如权利要求1所述的装置，其中，所述谐振电路可以在所述旋转参考框架或所述静态参考框架中。
9.一种装置，其包含：
转子绕组，其用于绕线磁极式同步机；
至少一个方波交流电电压发生器，其具有电压和驱动频率；
至少一个谐振场励磁机，其与所述方波交流电发生器通信，所述谐振场励磁机具有旋转参考框架、静态参考框架和谐振电路，所述谐振电路串联包含谐振电容器和带有可变漏电感的旋转变压器，并且所述谐振场励磁机被配置为以至少50千赫的谐振频率在谐振模式下运行；
控制器设备，其与所述方波交流电发生器和所述谐振场励磁机通信，并且其被配置为测量进入所述谐振场励磁机的电压和电流，跟踪所述谐振频率，并调整所述驱动频率以基本上与所述谐振频率相匹配，以使交流电电流转移最大化；以及
整流器，其与所述谐振场励磁机和用于所述绕线磁极式同步机的所述转子绕组通信，并且其被配置为在所述交流电电流进入所述转子绕组之前将所述交流电电流转换为直流电电流。
10.如权利要求9所述的装置，其中，所述绕线磁极式同步机被配置为在10马力或更小的功率水平下运行。
11.如权利要求9所述的装置，其中，所述绕线磁极式同步机被配置为在大于10马力的功率水平下运行。
12.如权利要求9所述的装置，其中，具有一个方波交流电电压发生器和一个谐振场励磁机。
13.如权利要求9所述的装置，其中，
所述旋转变压器具有固定初级绕组和旋转次级绕组，两者被配置为形成产生所述可变漏电感的间隙；
所述谐振电容器与所述旋转变压器通信，并且被配置为以50千赫以上的频率与所述可变漏电感谐振；以及
所述控制器设备进一步被配置为产生可变频率方波交流电电压信号以驱动所述旋转变压器初级绕组。
14.如权利要求9所述的装置，其中，所述谐振电路可以在所述旋转参考框架或所述静态参考框架中。
15.一种装置，其包含：
至少一个方波交流电电压发生器，其具有电压和驱动频率；
至少一个谐振场励磁机，其与所述方波交流电发生器通信，所述谐振场励磁机具有旋转参考框架、静态参考框架和谐振电路，所述谐振电路串联包含谐振电容器和带有可变漏电感的旋转变压器，并且所述谐振场励磁机被配置为以至少50千赫的谐振频率在谐振模式下运行；
控制器设备，其与所述方波交流电发生器和所述谐振场励磁机通信，并且其被配置为测量进入所述谐振场励磁机的电压和电流，跟踪所述谐振频率，并调整所述驱动频率以基本上与所述谐振频率相匹配，以使交流电电流转移最大化；以及
整流器，其与所述谐振场励磁机通信，并且其被配置为在所述交流电电流进入绕线磁极式同步机的转子绕组之前将所述交流电电流转换为直流电电流。
16.如权利要求15所述的装置，其中，所述绕线磁极式同步机被配置为在10马力或更小的功率水平下运行。
17.如权利要求15所述的装置，其中，所述绕线磁极式同步机被配置为在大于10马力的功率水平下运行。
18.如权利要求15所述的装置，其中，具有一个方波交流电电压发生器和一个谐振场励磁机。
19.如权利要求15所述的装置，其中，
所述旋转变压器具有固定初级绕组和旋转次级绕组，两者被配置为形成产生所述可变漏电感的间隙；
所述谐振电容器与所述旋转变压器通信，并且被配置为以50千赫以上的频率与所述可变漏电感谐振；以及
所述控制器设备进一步被配置为产生可变频率方波交流电电压信号以驱动所述旋转变压器初级绕组。
20.如权利要求15所述的装置，其中，所述谐振电路可以在所述旋转参考框架或所述静态参考框架中。
21.一种装置，其包含：
绕线磁极式同步机，其具有转子绕组但不具有用于产生扭矩的转子磁铁；
至少一个方波交流电电压发生器，其具有电压和驱动频率；
至少一个谐振场励磁机，其与所述方波交流电发生器通信，所述谐振场励磁机具有旋转参考框架、静态参考框架和谐振电路，所述谐振电路串联包含谐振电容器和带有可变漏电感的旋转变压器，并且所述谐振场励磁机被配置为以至少50千赫的谐振频率在谐振模式下运行；
控制器设备，其与所述方波交流电发生器和所述谐振场励磁机通信，并且其被配置为测量进入所述谐振场励磁机的电压和电流，跟踪所述谐振频率，并调整所述驱动频率以基本上与所述谐振频率相匹配，以使交流电电流转移最大化；
整流器，其与所述谐振场励磁机和所述绕线磁极式同步机通信，并且其被配置为在所述交流电电流进入所述绕线磁极式同步机的所述转子绕组之前将所述交流电电流转换为直流电电流；
桥式整流器，其与交流电电流源通信；
换向器，其与所述桥式整流器和所述方波交流电电压发生器通信；以及
所述绕线磁极式同步机的定子，其与所述换向器通信。
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