專利名稱：同步電機(jī)的制作方法
同步電機(jī)本發(fā)明涉及一種同步電機(jī)，其包括一定子繞組和一凸極轉(zhuǎn)子電感，并具 有一用于控制和監(jiān)測(cè)按權(quán)利要求1的前序部分所述的凸極轉(zhuǎn)子電感的勵(lì)磁裝 置。對(duì)于用作發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)的同步電機(jī)要設(shè)置特殊的勵(lì)磁裝置。就象例如 在本申請(qǐng)人的具有相同優(yōu)先權(quán)的一些同族申請(qǐng)中所記載的那樣，尤其是在帶有超導(dǎo)勵(lì)磁繞組(該繞組中的電流必須有針對(duì)性地增大和降低)的電機(jī)中，勵(lì) 磁裝置由換流器、變壓器和同步整流器組成。這種勵(lì)磁裝置的安裝位置必須盡可能地靠近凸極轉(zhuǎn)子電感，以便使輸送損耗最小。尤其是在這種以HTS(高溫超導(dǎo))技術(shù)構(gòu)建的超導(dǎo)繞組中，必須為 超導(dǎo)的凸極轉(zhuǎn)子電感設(shè)置保護(hù)層，該保護(hù)層應(yīng)盡可能近地靠近超導(dǎo)電感設(shè) 置，以便排除電纜破裂及與此相關(guān)的超導(dǎo)凸極轉(zhuǎn)子電感被損壞的可能性，或 盡可能使其有很小的發(fā)生概率。這后一種勵(lì)磁裝置的問題是， 一方面是由于電流在繞組端部產(chǎn)生磁場(chǎng)， 另一方面是從空隙中流出的定子漏^f茲場(chǎng)和轉(zhuǎn)子漏磁場(chǎng)。這些不希望的磁場(chǎng)會(huì) 干擾在此的電子器件，以及尤其是使變壓器的鐵磁材料飽和并從而失效。從最新的現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，將定子繞組端 部下面可用的空間用作非接觸式的能量傳輸和數(shù)據(jù)傳輸部件的安裝位置，并 且不產(chǎn)生干擾。在此，尤其應(yīng)同樣可以為在凸極轉(zhuǎn)子上有利地應(yīng)用HTS-線 圈使用專門的保護(hù)方案。該技術(shù)問題按本發(fā)明通過權(quán)利要求1的特征解決。各從屬權(quán)利要求給出 了各種有利的進(jìn)一步發(fā)展。通過本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了 一種(相對(duì)于電機(jī)結(jié)構(gòu)而言)靠?jī)?nèi)的電機(jī)勵(lì)磁裝置，該 裝置帶有非接觸式的能量傳輸元件和磁屏蔽罩。本發(fā)明優(yōu)選可在帶有超導(dǎo)繞組、尤其是由HTS-材料制成的超導(dǎo)繞組的 電機(jī)中實(shí)現(xiàn)。但本發(fā)明也可以應(yīng)用在所有公知的同步電4幾中。場(chǎng)，從而使得利用與磁芯材料尤其是其中的鐵氧體電感耦合所進(jìn)行的無接觸式電能傳輸方法首次得以完全使用。這是因?yàn)椋涩F(xiàn)有技術(shù)已知，在勵(lì)磁裝置的安裝位置處的磁流密度為幾十個(gè)mT(毫特斯拉)。但包含在勵(lì)磁裝置內(nèi)的磁性成份(例如尤其是鐵氧體) 卻會(huì)這樣地改變石茲場(chǎng)分布，即，使得這些》茲性成分》茲飽和并從而常常如前所 述那樣不再正常工作。與此相比，通過本發(fā)明可以預(yù)先給出有針對(duì)性需求的磁場(chǎng)分布，并且尤 其使得帶有敏感電子器件的勵(lì)磁裝置區(qū)域免受外加干擾性磁場(chǎng)的影響，這些 外加磁場(chǎng)會(huì)損害電子器件各個(gè)元件的功能性。在本發(fā)明的適宜的進(jìn)一步發(fā)展中，同樣作為外殼的屏蔽罩可有各種不同 的變型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其中，也可以組合各種變型方案。勵(lì)磁裝置的整個(gè)外殼可以有利地由磁性的鋼制成，由此最大程度地屏蔽 夕卜力a場(chǎng)。一個(gè)固定的金屬薄板制的屏蔽罩也可以由磁性的鋼制成，該固定的屏蔽 罩至少部分圍繞所述勵(lì)磁裝置的旋轉(zhuǎn)外殼。本發(fā)明其它的細(xì)節(jié)和優(yōu)點(diǎn)可由接下來對(duì)于附圖所示各種實(shí)施形式的說明并結(jié)合權(quán)利要求書得出。附圖中

圖1表示帶有定子繞組、凸極轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁裝置以及變壓器的同步電機(jī)的剖切示意圖；圖2表示圖1所示電機(jī)的前視圖；圖3表示圖1所示電機(jī)沿線III-m前視剖切視圖；圖4表示作為圖1所示屏蔽罩的替代性結(jié)構(gòu)的部分剖視圖和圖5表示帶有附加元件的屏蔽罩的局部剖視圖。各附圖接下來被部分一同說明。相同或相同作用的部件具有相同的附圖 標(biāo)記。在圖中示出了一電機(jī)，該電機(jī)要么作為發(fā)電機(jī)，要么作為電動(dòng)機(jī)工作。 對(duì)于這種電機(jī)必不可少的是轉(zhuǎn)動(dòng)的軸2，該軸支承在至少兩個(gè)軸承3， 3、上。由圖l所示的示意圖可知，在軸2上設(shè)置有一個(gè)凸極轉(zhuǎn)子5，位于該凸 極轉(zhuǎn)子上的是繞組，尤其是由HTS-材料制成的超導(dǎo)繞組，該繞組將根據(jù)圖2 和3進(jìn)一步"i兌明。由圖l還可知，與作為轉(zhuǎn)子的凸極轉(zhuǎn)子5對(duì)置的是帶有繞組端部11， 11、 的定子繞組10。在圖1中尤其示出一勵(lì)磁裝置20，該裝置基本上由一個(gè)固定的部分21 和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分22組成。兩部分21和22具有用于變壓的繞組，其中， 基本上將較高的電壓轉(zhuǎn)換為較低的電壓，并通過在運(yùn)動(dòng)部分上、也就是說在 軸2上的較低電壓驅(qū)動(dòng)所述勵(lì)磁裝置20。在圖l中，勵(lì)磁裝置20作為緊湊的單元位于轉(zhuǎn)動(dòng)的軸2上，并且通過 一個(gè)變壓器25激活，該變壓器用于從固定部分21向軸2上的轉(zhuǎn)動(dòng)部分22 傳輸電功率。勵(lì)磁裝置20包括帶有電子部件的開關(guān)結(jié)構(gòu)，對(duì)于電子部件在 上下文中沒有進(jìn)一步詳細(xì)說明。因?yàn)殡娮硬考?duì)于外加場(chǎng)敏感，所以必需采 用屏蔽罩30，接下來將詳細(xì)說明屏蔽罩。屏蔽罩30可由一個(gè)完整的中空?qǐng)A柱體組成，該圓柱體作為外殼推套在 整個(gè)勵(lì)磁裝置20以及變壓器25上。但由接下來的圖2可知，該屏蔽罩30 也可以由各單個(gè)元件組成，如由各個(gè)鐵氧體環(huán)31組成。外殼或屏蔽罩30有利地由導(dǎo)磁性好的材料制成，如尤其是鋼。但是， 它們也可以由SMC(軟磁性復(fù)合材料)材料制成，這種材料通過磁存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)所 要求的磁特性，盡管其導(dǎo)電性能很差。這種特性也可以通過外殼30壁上的 涂層實(shí)現(xiàn)，外殼可有利地由非鐵材料，例如碳纖維或類似的材料制成。對(duì)此 將進(jìn)一步逐一說明。屏蔽罩30可以設(shè)計(jì)為不隨軸2轉(zhuǎn)動(dòng)或隨其轉(zhuǎn)動(dòng)。第一種可選方案，也 就是不隨同轉(zhuǎn)動(dòng)的屏蔽罩的優(yōu)點(diǎn)尤其存在于力學(xué)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)中。在這種結(jié)構(gòu) 中，不會(huì)由于轉(zhuǎn)動(dòng)的屏蔽罩產(chǎn)生增大的離心力。與之相反，在屏蔽罩隨同轉(zhuǎn)動(dòng)的第二種可選的方案中，不會(huì)由于同步電 機(jī)的同步轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生干擾性渦流。在實(shí)際應(yīng)用中，是選擇屏蔽罩不隨同轉(zhuǎn)動(dòng)還是隨同轉(zhuǎn)動(dòng)的布置時(shí)要考慮 勵(lì)磁裝置20相對(duì)定子繞組IO的布置。尤其是當(dāng)勵(lì)磁裝置直接設(shè)置在繞組端 部ll下面時(shí)，優(yōu)選隨同轉(zhuǎn)動(dòng)的布置。否則有利地選擇屏蔽罩固定的布置。在按圖4的對(duì)于圖l所示結(jié)構(gòu)的變型布置中，在軸4中的末端區(qū)域41 設(shè)置一中空空間44，因此形成一個(gè)靠里的、已經(jīng)被磁屏蔽的、用于磁敏感的 勵(lì)石茲元件的自由空間。上述方案尤其在大功率的電機(jī)中是合理的，在大功率電機(jī)中，電機(jī)軸具 有足夠大的直徑。圖1所示的軸2在直徑較小時(shí)可以在其末端區(qū)域擴(kuò)展，并 且設(shè)計(jì)為具有內(nèi)部自由空間44的中空?qǐng)A柱體41。對(duì)于這種情況必須改變軸承3、，同時(shí)保持帶有變壓器25繞組的勵(lì)磁裝置20的固定部分基本上相同。 可以在軸4的擴(kuò)展部分41的自由空間44內(nèi)設(shè)置一個(gè)用于帶有附屬的電 子器件的整個(gè)勵(lì)磁裝置20的支座。在此尤其有利的是，在軸由磁材料制成 的情況下，其同樣地用作磁屏蔽件，并由此保持明顯更小的離心力，因?yàn)樵?勵(lì)磁電子部件靠近軸線布置的情況下，可使勵(lì)磁裝置與圖l相比獲得總體上 更小的直徑。
由圖2和圖3可知上述電機(jī)的外部結(jié)構(gòu)。尤其是在按圖3的剖視圖中可 知位于轉(zhuǎn)動(dòng)的軸2上的凸極轉(zhuǎn)子5，轉(zhuǎn)子繞組，尤其是由HTS-材料制成的超 導(dǎo)線圈6位于所述凸極轉(zhuǎn)子5上。
在圖2中，勵(lì)磁電子部件僅籠統(tǒng)地標(biāo)出，通過所述勵(lì)磁電子部件一方面 保證能量輸入或能量輸出的傳輸，另一方面在冷的區(qū)域保證對(duì)于超導(dǎo)線圈6 的控制。
重要的是，在對(duì)那些在電機(jī)軸外面或必要時(shí)在其內(nèi)部的屬于勵(lì)磁裝置的 部件進(jìn)行裝配時(shí)，要實(shí)現(xiàn)一個(gè)包圍所有部件的屏蔽外殼。特別是在圖l中， 這種外殼可容易地更換，并由此相比一些分離的外殼(如在現(xiàn)有技術(shù)中可交 替地在冷區(qū)域內(nèi)，熱區(qū)域內(nèi)和整個(gè)電機(jī)外殼外面存在的外殼)更可靠并更節(jié) 約空間。在此，通過緊湊的布置尤其可以減少引線。
在上面已經(jīng)說明的、按圖4的可選方案中，電機(jī)的結(jié)構(gòu)直至勵(lì)磁區(qū)域基 本上與圖l相同。在此， 一個(gè)分離的外殼也是多余的。更重要的是，電機(jī)軸 在其朝向勵(lì)磁器的區(qū)域擴(kuò)展，并且在其自由空間內(nèi)容納勵(lì)磁裝置。
如果中空?qǐng)A柱形的軸零件如軸一樣由導(dǎo)磁材料制成，那么該軸零件也可 以在圖4中，除了用作勵(lì)^磁裝置的容納腔外同樣形成用于勵(lì)磁電子元件的屏 蔽罩。因此，實(shí)現(xiàn)了一種尤其緊湊的電機(jī)結(jié)構(gòu)。
在圖5中，在一用作屏蔽罩的中空?qǐng)A柱體3(T中設(shè)置有用于沿徑向引導(dǎo) 磁力線(Flussfiihrung)的元件31,31、，...。這些元件31,31、,...通過由具有良好導(dǎo) 磁性的金屬制成的隔板或圓盤片實(shí)現(xiàn)，并且相隔地且以最小徑向空隙地設(shè)置 在中空?qǐng)A柱體3(T內(nèi)。
通過這種布置使得磁場(chǎng)以合適的方式被屏蔽在中空?qǐng)A柱體的內(nèi)腔之外， 帶有對(duì)磁場(chǎng)敏感的元件的勵(lì)磁電子部件位于該內(nèi)腔中。尤其是當(dāng)徑向場(chǎng)是主 要磁場(chǎng)時(shí)，可以減小外屏蔽罩30、的厚度。
在將平面圓盤用作場(chǎng)導(dǎo)向元件(Feldfiihrungselement)時(shí)，可有利地在圓柱體內(nèi)部設(shè)置供勵(lì)磁電子元器件用的導(dǎo)線套管。
在圖5中示出了各根磁力線。按圖5的專門裝置因此用作磁通聚集器 (Flusskonzentrator),通過該/磁通聚集器可以以希望的方式影響》茲場(chǎng)的場(chǎng)分 布。
在圖1至5中，屏蔽罩30的材料分別是導(dǎo)磁的鋼。 一種可選的、具有 高導(dǎo)磁性和小的各向異性導(dǎo)電能力的材料例如也通過所謂的"軟磁性復(fù)合材 料，，(SMC)給出。這種復(fù)合材料是尤其可燒結(jié)的，并因此易于獲得希望的形 狀。
可選的，屏蔽罩可包含一個(gè)外部殼套，該外殼套由不導(dǎo)磁的材料制成，， 通過涂覆在該外殼套上的高導(dǎo)^f茲性材料涂層來形成真正的磁屏蔽。在這種情 況下，外部殼套可以由耐腐蝕的材料制成，例如不銹鋼，其中，由高導(dǎo)石茲性 的材料制成的涂層尤其位于該外殼套的內(nèi)側(cè)。
最后也可能的是，對(duì)于屏蔽罩使用由不導(dǎo)磁的材料制成的外部殼套，其 中，通過由高導(dǎo)磁性的材料、例如軟磁合金制成的一些環(huán)來形成真正的磁屏 蔽。
權(quán)利要求
1.一種同步電機(jī)，其包括一定子繞組和一凸極轉(zhuǎn)子電感，并具有一用于控制和監(jiān)測(cè)所述凸極轉(zhuǎn)子電感的勵(lì)磁裝置，該勵(lì)磁裝置由用于向所述凸極轉(zhuǎn)子電感、尤其是一個(gè)超導(dǎo)電感雙向傳輸能量的變壓器組成，其特征在于，為減弱在勵(lì)磁裝置(20)中的外加場(chǎng)，設(shè)有屏蔽罩(30，30`)，用于減弱由于在所述定子繞組(10)的繞組端部(11)中的電流以及所述凸極轉(zhuǎn)子(5)電感所產(chǎn)生的磁場(chǎng)和電場(chǎng)。
2. 按權(quán)利要求1所述的同步電機(jī)，其中，有兩個(gè)用于所述電機(jī)的凸極轉(zhuǎn) 子電感(5)的軸承，其特征在于，所述勵(lì)磁裝置(20)設(shè)置在所述兩個(gè)軸承(3,3、) 之間。
3. 按權(quán)利要求1或2所述的同步電機(jī)，其特征在于，所述屏蔽罩(30,3(T) 設(shè)計(jì)為隨同轉(zhuǎn)動(dòng)。
4. 按權(quán)利要求1或2所述的同步電機(jī)，其特征在于，所述屏蔽罩(30，3(T) 設(shè)計(jì)為不隨同轉(zhuǎn)動(dòng)的。
5. 按權(quán)利要求1至4之一所述的同步電機(jī)，其特征在于，所述屏蔽罩 (30,30、)的材料是高導(dǎo)磁性的材料，例如可導(dǎo)磁的鋼。
6. 按權(quán)利要求3或4所述的同步電機(jī)，其特征在于，所述屏蔽罩(30，3(T) 的材料是高導(dǎo)磁性并且低導(dǎo)電性的材料，例如所謂的"軟磁性復(fù)合材料" (SMC)。
7. 按權(quán)利要求1所述的同步電機(jī)，其特征在于，所述屏蔽罩設(shè)計(jì)為中空 圓柱體(30，30、)，其中，該中空?qǐng)A柱體(30,30、)作為殼套形成所述勵(lì)磁裝置(20)的部分或整個(gè)外殼。
8. 按權(quán)利要求7所述的同步電機(jī)，其特征在于，所述整個(gè)外殼(30,3(T) 由良好導(dǎo)^f茲性的鋼，例如St37制成。
9. 按權(quán)利要求3或4所述的同步電機(jī)，其特征在于， 一第一固定的屏蔽 罩由高導(dǎo)磁性的鋼制成，其中，該固定的屏蔽罩包圍所述勵(lì)磁裝置(20)轉(zhuǎn)動(dòng) 的整個(gè)外殼。
10. 按權(quán)利要求3或4所述的同步電機(jī)，其特征在于，有一固定的、由 磁性鋼制成的薄板狀屏蔽罩，該屏蔽罩包圍所述勵(lì)磁裝置(20)(的整個(gè)外殼)。
11. 按權(quán)利要求3所述的同步電機(jī)，其特征在于，所述隨同轉(zhuǎn)動(dòng)的屏蔽罩(30,3(T )形成或包圍所述勵(lì)磁裝置(20)的轉(zhuǎn)動(dòng)的整個(gè)外殼。
12. 按權(quán)利要求1至11之一所述的同步電機(jī)，其特征在于，所述屏蔽罩 (30,30、)包括一個(gè)由不導(dǎo)磁的材料制成的外部殼套，并且通過涂覆在該外部殼 套上的由高導(dǎo)磁性材料制成的涂層來形成真正的磁屏蔽。
13. 按權(quán)利要求12所述的同步電機(jī)，其特征在于，所述外部殼套由耐腐 蝕的材料，例如不^t秀鋼制成，并且所述由高導(dǎo)^f茲材料制成的涂層位于所述外 部殼套的內(nèi)側(cè)。
14. 按權(quán)利要求1至12之一所述的同步電機(jī)，其特征在于，所述屏蔽罩 (30，30、)包括一個(gè)由不導(dǎo)磁的材料制成的外部殼套，并且通過由高導(dǎo)磁性的材 料、例如軟磁合金制成的一些環(huán)來形成真正的磁屏蔽(30)。
15. 按權(quán)利要求1至14之一所述的同步電機(jī)，其特征在于，所述外殼 (30,3(T)設(shè)計(jì)為可整個(gè)或部分更換的。
16. 按權(quán)利要求1至15之一所屬的同步電機(jī)，其特征在于，所述勵(lì)磁裝 置(20)由一轉(zhuǎn)動(dòng)的部分和一固定的部分組成，所述兩部分為不接觸地傳輸能 量借助于變壓器(25)相耦連。
17. 按權(quán)利要求1至16之一所述的同步電機(jī)，其特征在于，所述變壓器 (25)包括鐵氧體環(huán)(26).
18. 按權(quán)利要求16所述的同步電機(jī)，其包括一根直徑較大的軸(4)，其 特征在于，所述勵(lì)^磁裝置(20)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分連同勵(lì)^磁電子部件設(shè)置在該軸(4,41) 內(nèi)的一個(gè)自由腔(42)中。
19. 按權(quán)利要求1至18之一所述的同步電機(jī)，其特征在于，在所述中空 圓柱形的屏蔽罩(30、)中設(shè)有至少一個(gè)由良好導(dǎo)磁性材料制成的元件 (31，......)，該元件起磁場(chǎng)聚集器的作用。
20. 按權(quán)利要求19所述的同步電機(jī)，其特征在于，所述至少一個(gè)元件 (31,......)由沿徑向具有良好導(dǎo)磁性的材料制成，并且具有用于分布在該元件(31，......)兩側(cè)的勵(lì)磁電子部件的導(dǎo)線套管。
全文摘要
一種具有凸極轉(zhuǎn)子和定子繞組的同步電機(jī)通常需要一個(gè)勵(lì)磁裝置。尤其應(yīng)通過勵(lì)磁裝置向凸極轉(zhuǎn)子電感、優(yōu)選一個(gè)超導(dǎo)線圈傳輸能量。在此，需要一用于屏蔽由繞組端部?jī)?nèi)的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的屏蔽罩(30，30`)。按本發(fā)明，該屏蔽罩(30，30`)作為用于減弱定子繞組和凸極轉(zhuǎn)子繞組(6，10)的外加干擾場(chǎng)的專門裝置存在。
文檔編號(hào)H02K11/00GK101278464SQ200680036366
公開日2008年10月1日 申請(qǐng)日期2006年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月30日
發(fā)明者拉爾夫·科德斯, 簡(jiǎn)·韋格爾, 馬庫斯·威爾克 申請(qǐng)人:西門子公司