СИНХРОННАЯ МАШИНА С ОБЩЕЙ СТУПЕНЬЮ УСТРОЙСТВА ВОЗБУЖДЕНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ/ГЕНЕРАТОРА
SYNCHRONOUS MACHINE WITH COMMON STAGE OF EXCITATION DEVICE FOR MOTOR/GENERATOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0001] Синхронная машина является электрической машиной, которая может работать в качестве синхронного двигателя (режим синхронного двигателя) или синхронного генератора (режим синхронного генератора). Традиционно синхронная машина имеет две отдельные и независимые обмотки подмагничивания устройства возбуждения. Кроме того, традиционно используют два отдельных и независимых блока управления - один блок управления для обмотки подмагничивания устройства возбуждения для режима синхронного двигателя, а другой блок управления для обмотки подмагничивания устройства возбуждения для режима синхронного генератора. Использование двух обмоток подмагничивания устройства возбуждения и двух блоков управления приводит к усложнению, утяжелению и меньшей надежности синхронной машины и системы, в которой она используется. Двойные компоненты возбуждения обычной синхронной машины могут занимать от 20 до 30% общего объема и веса синхронной машины. Некоторые обычные системы используют только одну перенастраиваемую обмотку подмагничивания, но продолжают использовать два отдельных и независимых блока управления, которые, в свою очередь, используют выключатели или контакторы для соединения соответствующего блока управления с обмоткой подмагничивания. Двойные обмотки подмагничивания, двойные блоки управления и/или выключатели, и/или контакторы приводят к увеличению затрат, веса, объема и усложнению системы и негативно влияют на ее общую надежность. В патенте США 5770909 на имя Розен (Rosen) и др. раскрыта система синхронного двигателя-генератора, в которой используется вращающийся трансформатор.
[0002] В обычных синхронных машинах также используется низкочастотный ток возбуждения, и используются крупные обмотки подмагничивания, чтобы избежать потерь энергии. Эти крупные обмотки подмагничивания существенно увеличивают количество и вес дорогой меди, используемой в обмотках. Кроме того, когда используют обычный низкочастотный ток возбуждения, на противоэлектродвижущую силу, генерируемую в обмотках подмагничивания, значительно влияет скорость ротора, и это может вызвать проблемы со стабильностью во время процесса пуска.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] Раскрыта синхронная машина, которая выполнена с возможностью работы в качестве синхронного двигателя или синхронного генератора. Синхронная машина имеет корпус, вал, основную секцию и секцию устройства возбуждения. Основная секция имеет статор (неподвижную обмотку, которая может быть обмоткой якоря), который установлен на корпусе, и ротор (вращающуюся обмотку, которая может быть обмоткой подмагничивания), который установлен на валу, при этом статор и ротор магнитно соединены друг с другом. Секция возбуждения имеет трансформатор и выпрямитель. Трансформатор имеет первичную обмотку, прикрепленную к корпусу, и вторичную обмотку, прикрепленную к валу. Первичная и вторичная обмотки выполнены на расстоянии друг от друга и магнитно соединены друг с другом. Выпрямитель электрически соединен с вторичной обмоткой, механически соединен с ротором и выпрямляет выходной сигнал вторичной обмотки для обеспечения подачи выпрямленного выходного сигнала на ротор. Каждая из первичной и вторичной обмоток трансформатора выполнена в форме диска.
[0004] Блок управления обеспечивает подачу сигнала управления на первичную обмотку для управления работой синхронной машины.
[0005] В одном варианте реализации изобретения первичная обмотка имеет внутренний радиус, а диск задает плоскость, которая перпендикулярна валу, и вторичная обмотка имеет внешний радиус, который меньше, чем внутренний радиус, так что вторичная обмотка размещена внутри первичной обмотки.
[0006] Еще в одном варианте реализации изобретения первичная обмотка установлена на корпусе на конце вала, при этом диск первичной обмотки задает первую плоскость, которая перпендикулярна валу, и вторичная обмотка прикреплена к валу возле конца вала, при этом диск вторичной обмотки задает вторую плоскость, которая перпендикулярна валу, вторая плоскость параллельна первой плоскости и выполнена на расстоянии от нее, вал не проникает в первую плоскость, и вал имеет канал, в котором размещены электрические проводники для соединения выпрямителя по меньшей мере с вторичной обмоткой или ротором.
[0007] Также раскрыт способ изготовления синхронной машины, выполненной с возможностью работы в качестве синхронного двигателя или синхронного генератора. Согласно способу обеспечивают корпус, устанавливают на корпусе статор, обеспечивают вал, который проходит по меньшей мере от одного конца корпуса, устанавливают на валу ротор, устанавливают на корпусе первичную обмотку трансформатора, устанавливают вторичную обмотку трансформатора на валу на расстоянии от первичной обмотки, но с магнитным соединением с ней, прикрепляют к валу выпрямитель и электрически соединяют вход выпрямителя с вторичной обмоткой и вывод выпрямителя с ротором. Либо вторичная обмотка установлена внутри первичной обмотки таким образом, что они находятся в той же самой плоскости, либо вторичная обмотка установлена обращенной к первичной обмотке, так что они находятся в различных плоскостях. В вале выполнен канал, так что обеспечена возможность прохода электрических проводников от выпрямителя к вторичной обмотке и/или ротору.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0008] На ФИГ. 1 показана схема приведенной в качестве примера синхронной машины.
[0009] На ФИГ. 2 показана схема, иллюстрирующая один примерный вариант реализации синхронной машины.
[00010] На ФИГ. 3 показана схема, иллюстрирующая еще один примерный вариант реализации синхронной машины.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[00011] На ФИГ. 1 показана схема приведенной в качестве примера синхронной машины 100. Синхронная машина 100 имеет корпус 110, вал 115, основную секцию 120 и секцию 125 возбуждения. Основная секция 120 имеет статор 130 (неподвижную обмотку, которая может быть обмоткой якоря), установленный на корпусе, и ротор 135 (вращающуюся обмотку, которая может быть обмоткой подмагничивания), установленный на валу 115. Часть корпуса или весь корпус 110 может быть частью, или может быть выполнен отделено, от оболочки, которая охватывает синхронную машину 100.
[00012] Секция 125 возбуждения имеет трансформатор 140 и выпрямитель 145. Трансформатор 140 имеет первичную обмотку 140А, установленную на корпусе 110, и вторичную обмотку 140В, установленную на валу 115. Вторичная обмотка 140В выполнена на расстоянии от первичной обмотки 140А и магнитно соединена с первичной обмоткой 140А. Выпрямитель 145 электрически соединен посредством множества электрических проводников 137 с вторичной обмоткой 140В, электрически соединен посредством множества электрических проводников 142 с ротором 135 и выпрямляет выходной сигнал вторичной обмотки 140В для обеспечения подачи выпрямленного выходного сигнала на ротор 135. Для удобства и краткости выражения "электрические проводники" и "множество электрических проводников" иногда называются в настоящем документе просто как "проводники". Выпрямитель 145 прикреплен к валу 115 либо посредством установки на валу 115, либо посредством другого соответствующего и желательного способа, например, включая выпрямитель 115 с вторичной обмоткой трансформатора 140. При необходимости выходной сигнал вторичной обмотки 140В и/или выпрямителя 145 может быть отфильтрован или сглажен перед подачей на ротор 135.
[00013] Синхронная машина 100 также может рассматриваться как имеющая стационарную секцию 150 и вращающуюся секцию 155, при этом стационарная секция 150 содержит корпус 110, первичную обмотку 140А и статор 130, а вращающаяся секция 155 содержит вал 115, ротор 135, вторичную обмотку 140В и выпрямитель 145.
[00014] Электрические линии 165, соединенные со статором 130, служат в качестве входных линий для обеспечения подачи электрического входного напряжения и мощности на синхронную машину 100, когда работа осуществляется в режиме синхронного двигателя, и служат в качестве выходных линий для выдачи электрического выходного напряжения и мощности от синхронной машины 100, когда работа осуществляется в режиме синхронного генератора.
[00015] Блок 170 управления контролирует один или более параметров электрических линий 165 и обеспечивает вывод сигнала управления по проводникам 180 на первичную обмотку 140А. Блок 170 управления может контролировать, помимо прочего, такие параметры, как напряжение, ток, частота и/или фаза в электрических линиях 165. Контролируемые параметры могут зависеть частично от того, работает ли машина 100 в качестве двигателя или в качестве генератора. Эти входные параметры могут быть отфильтрованы при необходимости для снижения шума перед их подачей на блок 170 управления.
[00016] Сигнал управления является волновым сигналом переменного напряжения (переменным напряжением) таким как, но не ограничиваясь этим, сигнал переменного тока с широтно-импульсным управлением (PWM). Сигнал управления предпочтительно имеет вид прямоугольного волнового сигнала, такого как обеспечиваемый системой коммутации с широтно-импульсной модуляцией, но может быть синусоидальным волновым сигналом или волновым сигналом другой требуемой формы. Блок 170 управления управляет по меньшей мере одним из следующего: шириной импульса, напряжением (которое может являться импульсным напряжением) или частотой (которая может являться импульсной частотой) сигнала управления. Сигнал управления может представлять собой множество импульсов или множество циклов сигнала переменного тока, один импульс или цикл сигнала переменного тока, часть цикла сигнала переменного тока или комбинацию перечисленного. Например, в зависимости от контролируемых входных параметров, сигнал управления может представлять собой два импульса или два цикла сигнала переменного тока, может представлять собой 6-1/2 импульсов или 6-1/2 циклов сигнала переменного тока, или может быть меньше чем полный цикл сигнала переменного тока. Импульсы могут быть в совокупностях, с переменными длинами, с различным количеством в различных совокупностях и/или переменным расстоянием между совокупностями. Сигнал управления может быть при необходимости отфильтрован до подачи на первичную обмотку 140А.
[00017] Сигнал управления является "высокочастотным" сигналом управления; то есть он имеет частоту, которая выше, чем входная частота (режим двигателя), то есть частота входного сигнала на электрических линиях 165, и выше, чем выходная частота (режим генератора), то есть частота выходного сигнала на электрических линиях 165. Более предпочтительно частота сигнала управления по меньшей мере в несколько раз выше, чем частота напряжения в электрических линиях 165. Еще более предпочтительно частота сигнала управления превышает по меньшей мере в десять раз частоту напряжения в электрических линиях 165 для того, чтобы свести к минимуму воздействия на возбуждение, вызываемые скоростью вращения ротора 135. Также могут быть использованы более высокие частоты. Более низкие частоты также могут быть использованы, но размер, вес и стоимость обмоток 140А, 140В могут повышаться по мере понижения частоты, и на связь между первичной и вторичной обмотками может влиять скорость вращения вала. В одном варианте реализации изобретения частота сигнала управления, подаваемая на трансформатор 140, составляет 10 кГц, если частота напряжения в электрических линиях 165 равна 400 Гц. Кроме того, использование такой повышенной частоты для сигнала управления обеспечивает возможность использования для трансформатора 140 меньше обмоток и меньше железа, чем в обмотках якоря устройства возбуждения обычных систем.
[00018] Блок 170 управления может также отслеживать другие параметры или аспекты работы синхронной машины 100, такие как, в качестве примера, а не ограничения, скорость вращения, угловое положение вала, изменения указанного и т.п. Например, с валом может быть соединен кодовый датчик положения вала (не показан) для обеспечения выдачи углового положения вала. Блок 170 управления может затем регулировать сигнал управления на проводниках 180 соответственно. Например, если машина работает в качестве двигателя и нагрузка является такой, что изменения в угловом положении вала показывают, что двигатель не способен поддерживать работу в синхронном режиме, то мощность, подаваемая на первичную обмотку 140А, а следовательно на ротор 135, может быть увеличена. В качестве еще одного примера, если машина работает в качестве генератора и выходное напряжение в линиях 165 повышается, то мощность, подаваемая на первичную обмотку 140А, может быть уменьшена. Блок 170 управления может изменять мощность путем регулировки, например, ширины импульса, частоты повторения импульсов, амплитуды сигнала управления в проводниках 180 и/или структуры импульсной последовательности (например, сколько импульсов подано в совокупности импульсов, временем между каждой совокупностью импульсов и т.п.).
[00019] Эта конструкция синхронной машины обеспечивает использование одной компактной ступени 125 высокочастотного устройства возбуждения для режима синхронного двигателя и режима синхронного генератора. Как уже упомянуто, первичная обмотка 140А и вторичная обмотка 140В выполнены на расстоянии друг от друга; то есть они не контактируют друг с другом, и вторичная обмотка 140В перемещается по мере вращения вала 115, в то время как первичная обмотка 140А, установленная на корпусе 110, не двигается. Блок 170 управления обеспечивает подачу высокочастотного сигнала управления (входное напряжение) на первичную обмотку 140А, которая индуцирует высокочастотное переменное выходное напряжение во вторичной обмотке 140В. Это высокочастотное переменное выходное напряжение выпрямляют выпрямителем 145 для обеспечения подачи постоянного тока (DC) на ротор 135. Выпрямитель 145 может быть в качестве примера, а не ограничения двухполупериодным выпрямителем или мостовым выпрямителем.
[00020] Высокочастотный выходной сигнал из блока 170 управления обеспечивает возможность использования меньшего трансформатора 140, благодаря чему уменьшается размер секции 145 возбуждения, а также уменьшаются потери меди и железа. Высокая частота также обеспечивает возможность использования более широкого диапазона регулирования, благодаря чему достигается большая стабильность скорости машины и лучшее управление крутящим моментом. Эта одна секция 145 возбуждения также обеспечивает упрощение архитектуры машины, меньший вес меди и/или железа в ней, меньший объем и меньшее количества источников возбуждения (меньше число компонентов). Вследствие указанного, эта одна высокочастотная секция 145 возбуждения обеспечивает повышение эффективности и надежности по сравнению с обычными системами, упомянутыми выше.
[00021] Как видно из ФИГ. 1, только один ротор 135 и только один блок 170 управления используют для работы как в качестве синхронного двигателя, так и в качестве синхронного генератора. Исключение дублирования роторов и блоков управления, используемых в обычных конструкциях, уменьшает объем, вес и количество компонентов синхронной машины 100.
[00022] Кроме того, посредством использования высокочастотного переменного входного напряжения на трансформаторе 140, напряжение, подаваемое на ротор 135, оказывается более стабильным, чем в обычных синхронных машинах. Более стабильное напряжение на роторе 135 улучшает стабильность и управление процессом пуска синхронной машины 100.
[00023] На ФИГ. 2 показана схема, иллюстрирующая один примерный вариант реализации синхронной машины 100, иллюстрирующая корпус 110, вал 115, статор 130, ротор 135, трансформаторные обмотки 140А, 140В, выпрямителя 145 и подшипники 160А, 160В. Также показаны проводники 180, которые соединены с первичной обмоткой 140А через отверстие, прокладку или другое отверстие 110А, предпочтительно, но не обязательно с уплотнением, в корпусе 110. Также показаны проводники 137 и 142. Для удобства и ясности иллюстрации эти проводники 137 и 142 показаны выполненными отдельно от вала 115. На практике, однако, эти проводники предпочтительно могут быть установлены непосредственно на валу 115 таким образом, чтобы свести к минимуму центробежные силы на этих проводниках. Они могут также быть размещены в канавке (не показано) в вале. Канавка может быть выполнена максимально неглубокой, чтобы минимально влиять на прочность и целостность вала 115. При необходимости проводники 137 и 142 могут быть размещены в канале в вале 115 так, как показано на ФИГ. 3.
[00024] В варианте реализации изобретения по ФИГ. 2 каждая трансформаторная обмотка 140А, 140В предпочтительно выполнена в форме диска, который может иметь ширину, длину, глубину, размер проводов и количество витков, которые удобны и подходят для конкретной реализации. Первичная обмотка 140А может считаться "внешней" обмоткой, а вторичная обмотка 140В может считаться "внутренней" обмоткой. Первичная обмотка 140А имеет внутренний радиус 140А1 относительно осевой линии 115А вала 115, и вторичная обмотка 140В имеет внешний радиус 140В1 относительно осевой линии 115А вала 115. Внешний радиус 140В1 меньше чем внутренний радиус 140А1, так что обмотка 140В находится внутри обмотки 140А и является внутренней по отношению к ней. Расстояние между обмотками 140А, 140В является достаточно малым для обеспечения магнитного соединения обмоток 140А, 140В друг с другом. В предпочтительном варианте реализации изобретения обмотки 140А и 140В находятся по существу в той же самой плоскости 175. Обмотки 140А и 140В не обязательно должны находиться точно в одной и той же плоскости 175, они могут быть слегка смещены относительно друг друга. Обмотки 140А и 140В могут считаться лежащими по существу в одной и той же плоскости, даже если они смещены друг от друга, если магнитная связь между ними является достаточной для обеспечения подходящей мощности и управления для ротора 135. Обмотки 140А и 140В выполнены в емкости, такой как 140А2 и 140В2, соответственно, для защиты обмоток и удержания обмоток на месте. Емкости предпочтительно выполнены из феррита или другого материала, который служит для обеспечения замкнутого контура для магнитных линий силы от обмоток и для улучшения магнитной связи между обмотками. Вал 115 также может служить для концентрации магнитного потока и улучшения связи, если вал 115 выполнен из ферромагнитного материала или содержит его, особенно если емкости не выполнены из материала, который улучшает связь.
[00025] Хотя корпус 110 показан выполненным ступенчатым, где одна часть корпуса имеет радиус, отличающийся от радиуса другой части корпуса, это не является обязательным требованием; корпус может иметь отличающуюся форму, такую как имеющая один и тот же радиус по все его длине, как показано на ФИГ. 3. Также, хотя корпус 110 показан выполненным с одним концом, то есть конец 110В является открытым, а конец 110С является закрытым, так что вал 115 проходит только от конца 110В корпуса, это не является обязательным требованием. Конец 110С также может быть открытым концом, так что вал 115 может проходить от конца 110 В и конца 110С. Кроме того, хотя секция 125 возбуждения показана выполненной на закрытом конце 110С корпуса 110, она может быть выполнена на открытом конце 110В корпуса 110.
[00026] На ФИГ. 3 показана схема, иллюстрирующая еще один примерный вариант реализации синхронной машины 100. В этом варианте реализации изобретения трансформаторные обмотки 140А, 140В не являются ни "внутренними", ни "внешними" обмотками, они являются параллельными или обращенными друг к другу, но они не находятся в одной и той же плоскости. Наоборот, обмотка 140А выполнена в плоскости 175А, а обмотка 140В выполнена в плоскости 175В, так что они обращены друг к другу. И в этом случае они предпочтительно выполнены в форме диска. В этом варианте реализации изобретения проводники 137 от вторичной обмотки 140В к выпрямителю 145 по меньшей мере частично находятся внутри канала или полой секции 115В в вале 115, так что проводники 137 не мешают подшипнику 160В.
[00027] В альтернативном варианте реализации изобретения выпрямитель 145 может быть при необходимости размещен снаружи подшипника 160В, то есть между подшипником 160В и концом 110С. В этом альтернативном варианте реализации изобретения проводники 137 могут или не могут быть выполнены в канале 115В, а проводники 142 от выпрямителя 145 к роторной обмотке 135 будут находиться по меньшей мере частично внутри канала 115В в вале 115, так что проводники 142 не мешают подшипнику 160В.
[00028] Хотя выпрямитель 145 показан на ФИГ. 2 и 3 как выполненный отдельно от вторичной обмотки 140В, это не является обязательным требованием. Например, выпрямитель 145 может быть встроен в емкость 140В2 или находиться внутри емкости 140В2.
[00029] Также, конструкция канала 115В может быть использована с вариантом реализации изобретения по ФИГ. 2, если, например, желательно, чтобы секция 125 возбуждения находилась между подшипником 160В и концом 110С.
[00030] Вариант реализации изобретения по ФИГ. 2, в дополнение к преимуществам и положительным результатам, описанным выше также предпочтителен и в другом аспекте. Если синхронная машина 100 используется, например, с винтовым приводом, то силы сжатия и растяжения на валу 115 могут заставлять вал 115 слегка смещаться вдоль его длины, то есть по направлению к концу или от конца 110В или 110С, но сдвиг будет иметь незначительное влияние на магнитную связь между обмотками 140А и 140В.
[00031] Вариант реализации изобретения по ФИГ. 3, в дополнение к преимуществам и положительным результатам, описанным выше также предпочтителен и в другом аспекте: уменьшение центробежных сил, воздействующих на обмотки 140А и 140В. Поскольку обмотки 140А и 140В выполнены ближе к оси 115А, центробежные силы, воздействующие на них, будут меньше, чем силы, действующие в варианте реализации изобретения по ФИГ. 2. Это уменьшение центробежных сил может быть значительным для синхронной машины 100, которая предназначена для работы с очень большими оборотами в минуту, что может иметь место для некоторых небольших синхронных машин.
[00032] Таким образом, использование трансформатора 140 одной ступени устройства возбуждения, вместо использования двух отдельных трансформаторов ступени возбуждения или перенастраиваемых обмоток, уменьшает вес меди и железа в машине и уменьшает количество переключателей и контакторов, необходимых, когда используют два трансформатора. Кроме того, используется только один источник возбуждения, блок 170 управления, а не два или более источников возбуждения. Один блок 170 управления управляет синхронной машиной 100 при работе, как в режиме двигателя, так и в режиме генератора, упрощает конструкцию средств управления и сокращает количество компонентов. Высокочастотный сигнал управления вместо низкочастотного сигнала управления обеспечивает улучшение управления.
[00033] Согласно способу эксплуатации синхронной машины в качестве синхронного двигателя или синхронного генератора (1) подают первое переменное напряжение на первичную обмотку и подают второе переменное напряжение на статор, чтобы заставить синхронную машину работать в качестве синхронного двигателя с обеспечением выходного крутящего момента, или (2) подают первое переменное напряжение на первичную обмотку и подают входной момент на вал, чтобы заставить синхронную машину работать в качестве синхронного генератора для обеспечения подачи выходного напряжения. По меньшей мере одно из напряжения, частоты или рабочего цикла первого переменного напряжения регулируют для управления выходным крутящим моментом при работе синхронной машины в качестве синхронного двигателя или выходного напряжения при работе синхронной машины в качестве синхронного генератора.
[00034] "Примерно", "приблизительно", "по существу" и подобные термины, которые могут быть использованы в настоящем документе, являются относительными терминами и показывают, что, хотя два значения могут не быть идентичными, их различие является таким, что устройство или способ продолжает обеспечивать указанный или необходимый результат, или что работа устройства или способа не испытывает отрицательного влияния до такой степени, что оно или он не может выполнять свое предназначение.
[00035] Объект, описанный выше, приведен только в качестве иллюстративного примера для целей обучения представления идеи, ее предложения и описания и не имеет ограничительного характера. Следует рассматривать комбинации и альтернативы показанных вариантов реализации изобретения, описанных в настоящем документе и изложенных в формуле изобретения. Могут быть выполнены различные модификации и изменения объекта, описанного в настоящем документе без строгого следования вариантам реализации и применения, показанным и описанным в настоящем документе, и без выхода за пределы объема следующей формулы изобретения.
[00036] Объект, описанный выше, приведен только в качестве иллюстративного примера и не должен рассматриваться в качестве ограничения. Могут быть выполнены различные модификации и изменения объекта, описанного в настоящем документе без следования примерным вариантам реализации и применения, показанным и описанным в настоящем документе. Хотя объект, представленный в настоящем документе, описан на языке, применительном к компонентам, признакам и операциям, следует понимать, что прилагаемая формула изобретения не обязательно ограничена конкретными компонентами, признаками и операциями, описанными в настоящем документе. Напротив, конкретные компоненты, признаки и операции раскрыты в качестве примера форм реализации формулы изобретения.