[发明专利]DC电机

说明书

技术领域

本发明涉及dc电机，以及具体地来说涉及具有高转矩密度和高功率密度的机器，其高效且可靠，并且易于安装和投入运行。

背景技术

Dc旋转电机典型地包括被绕线定子包围的转子。使用连接换向器与扇形铜片的转子和固定的电刷装置以基于转子的角度位置来控制转子绕组中的电流换向。电刷换向的dc电机众所周知能够具有高气隙剪切应力，但是它们的实际转矩密度性能受限于电刷换向过程。固定电刷装置和旋转换向器将电机的dc端子电压转换成多相ac电压，其在电枢绕组内在一定方向上和以一定速度旋转，从而使得电枢磁动势（mmf）基本固定且与场磁极正交对齐。由此，转子mmf和定子场空间谐波谱基本同步，从而有助于平均轴转矩。这是转子与定子空间谐波之间的接近理想的关系，其允许电刷换向的dc电机的气隙圆周大部分以高气隙剪切应力工作。

但是，dc电机的电刷换向过程复杂且具有某些局限。

使用电枢线圈电压来促成电枢电流换向。这意味着电刷位置必须设为到引出的换向器片段缺口（segment break）与电刷的尾边缘接触的时间时允许有足够的时间使电流减小到低水平以避免起弧（所说的“欠换向”），并且还避免到引出的换向器片缺口与电刷的尾边缘接触的时间时的电流减小以及随后的电流逆转的时间过长，以避免起弧（所说的“过换向”）。欠换向和过换向起弧模式通常都是破坏性的。

最重要的要求是，引出的换向器片缺口与电刷的尾边缘接触后即刻的换向器片之间的电压必须足够低以避免击穿。还有最重要的要求是，电刷电流密度必须低以便于避免过多发热、功率损耗和持续性起弧击穿的风险。

在最基本电刷换向的dc电机中，电刷换向的定时是关键，并且是严重的性能局限，这是因为理想的电刷角度位置随电枢电流和速度两者而改变，即，对于电刷装置，不存在单个理想角度位置。因此，要接受的是，在此类dc电机中，某些换向器起弧是不可避免的。但是，在大的dc电机中，可以通过使用整流极（或换向极）来缓解起弧和击穿的风险，整流极（或换向极）用于响应电枢电流的变化而使场位置偏移。

由此，旋转换向器和固定电刷装置往往很大且复杂。而且，整流极占据电机内的空间，此空间本来可以以其他方式用于增加总气隙通量和转矩密度。这意味着给定的峰值气隙剪切应力的转矩密度相对较低。电刷换向的dc电机固有地为低电压机器，例如小于1 kV。

可以使用负载换向逆变器（LCI）来克服电刷换向的一些问题。在使用LCI的电机中，由通常并入无刷励磁的转子绕组产生场。电枢绕组位于定子中，并通常使用三相或六相。静态频率变流器替代电刷换向器。可以在远处设置以低切换频率工作的基本自然换向的功率变流器。此类电机具有提高的转矩密度和高效率，但是众所周知地产生非期望的转矩脉动。它们还不能采用上文描述的转子与定子空间谐波之间接近理想的关系。因此，该平均气隙剪切应力通常小于电刷换向的dc电机的平均气隙剪切应力。但是，使用LCI的电机的一个优点在于，可能具有更高的线电压额定值，例如高达11 kV。

更成熟的静态频率变流器已被使用，以允许LCI的转矩脉动被基本消除，但是这些变流器复杂且欠效率。随着线电压额定值提高，此类变流器变得越加地复杂，并且特别是对于其额定高于6.6 kV的情况下。

电子换向的无刷dc电机是众所周知的。GB 2117580公开一种无刷dc电机，其采用电子开关电路，这种电子开关电路使用电枢线圈电压来产生晶闸管的自然换向。其他无刷dc电机使用辅助功率电路，如GB 2431528中公开的那些辅助功率电路来通过晶闸管逆向恢复促成强制性换向。使用半导体功率装置已经优于这些电子换向器，半导体功率装置能够通过门控制，例如门极可关断晶闸管（GTO）来导通和关断。在授予本申请人的EP 1798847中描述了此类电子换向器。电子换向的电机的可能缺点在于，它们固有性地不适于高电压dc工作，这是因为使用串联连接半导体功率装置以及隔离高电压ac应力的电枢绕组的主壁是必要的 – 注意电枢绝缘中的主要电压应力是ac，这是因为电枢绕组中的每个端子依次连接到正和负dc端子。

EP 2403111描述了一种具有转子和定子的风力涡轮发电机。该定子具有多个定子线圈，每个线圈连接到二极管整流器。提供一种发电机-公用设施电网接口，其中将二极管整流器分配到公用设施电网的每个相。

发明内容

本发明提供一种dc电机（例如，电动机或发电机），其包括：

    具有Np个旋转场磁极的转子；