專利名稱:低溫激勵器的制作方法
參考政府合同在由能源部授予的合同號DE-FC36-02GO011100之下，美國政府可能對本發(fā)明具有某些權(quán)利。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，用于同步機的激勵器被安裝在該同步機的定子附近，其電連接到通常位于轉(zhuǎn)子上的場繞組。激勵器的功能是給場繞組提供電流，從而產(chǎn)生機器操作所需的磁場。這些場激勵器可以被認為是直流(DC)控制的放大器，其具有相對高的額定電流和帶寬，并且其任務(wù)是控制機器輸出電壓。除了其他功率電子裝置外，這些放大器可以使用可控硅(thyristor)橋，所述可控硅橋直接從連接到電網(wǎng)的三相變壓器饋電或者直接從機器端子饋電，以便產(chǎn)生DC電壓，該DC電壓向機器的激勵器繞組饋電。當使用所述場激勵器給用于發(fā)電的機器供電時，所述場激勵器通常在尺寸和重量上很大，這部分地是由于其磁性組件的重量造成的。例如，具有大功率需求的飛機直接受到發(fā)電機及其伴隨的場激勵器的尺寸、輸出功率和重量的影響。如果飛機持續(xù)具有大功率需求，則同步發(fā)電機的尺寸和重量將成為一個日益突出的問題。
過去，解決同步機的尺寸和重量問題的嘗試已經(jīng)在某些方面獲得了成功，而在另一些方面卻失敗了。一個相對較近的想法是，低溫冷卻同步機的包括場激勵器的部件，并且各部分可以被制成超導(dǎo)的。通常接受低溫冷卻是在100K(開氏溫標)附近以及更低。在低溫下，許多半導(dǎo)體設(shè)備的電流控制能力和開關(guān)速度提高了，并且線圈和導(dǎo)體的電阻被減小，超導(dǎo)體在DC下獲得零電阻；因此，這些組件的尺寸和重量被減小。盡管這種方法減小了組件的尺寸和重量并且改善了性能，但是可以證明其并不經(jīng)濟，因為冷卻可能在減小某些組件的尺寸和重量方面作用很小，或者所述冷卻太昂貴。

發(fā)明內(nèi)容所公開的技術(shù)是低溫靜態(tài)激勵器。該低溫靜態(tài)激勵器連接到同步電機的場繞組。所述同步電機也可以通過冷凍劑或制冷作用而被低溫冷卻。所述靜態(tài)激勵器電連接到場繞組，并且它的一些部分可以在環(huán)境溫度下操作。所述靜態(tài)激勵器的所選擇的區(qū)域從制冷機或冷凍源接受冷卻，該制冷機或冷凍源也可以為低溫同步機服務(wù)，并且所述冷卻選擇性地降低該靜態(tài)激勵器的操作溫度。
上述特征和其他特征將通過下面的附圖和詳細描述來舉例說明。
現(xiàn)在參考附圖，其中類似的元件被給予類似的標號圖1舉例說明了靜態(tài)低溫激勵器的一個示例性實施例的頂層框圖；圖2舉例說明了用于同步機的場激勵器的示意圖；圖3舉例說明了圖2的一個替換實旋例的示意圖；圖4舉例說明了圖2的第二替換實施例的示意圖。
具體實施方式所公開的技術(shù)是一種用于同步電機11的被冷卻的靜態(tài)激勵器10，見圖1。如果希望的話，電機11可以具有繞組場或者同極轉(zhuǎn)子；也就是說，場繞組12可以被安裝在電機11的轉(zhuǎn)子或定子上。如果希望的話，電機11可以是低溫的，其中各部分可以被冷卻到100K(開氏溫標)或更低。這樣做的一個例子是，通過把場繞組包含在液態(tài)冷凍劑中，把電機11冷卻到77K。液態(tài)冷凍劑的一個例子是液態(tài)氮。如果希望的話，電機11的定子繞組和場繞組可以用銅、鋁或超導(dǎo)材料制造。
在圖1中，靜態(tài)激勵器10被放置得緊鄰電機11。靜態(tài)激勵器10是直流(DC)控制的放大器，其具有相對高的額定電流。該放大器可以使用可控硅橋，所述可控硅橋直接從連接到電網(wǎng)的三相變壓器饋電，以便產(chǎn)生給電機11的場繞組饋電的DC電壓。當電機11被用來發(fā)電時，由于其電磁組件和結(jié)構(gòu)組件的重量，它們通常在尺寸和重量上很大。為了減小電機11的尺寸和重量，其可以通過冷凍源13被低溫冷卻。
在圖1中，經(jīng)冷卻的電機11也可以為靜態(tài)激勵器10提供冷卻，或者靜態(tài)激勵器10可以直接從冷凍源13和/或制冷源63接受冷卻。靜態(tài)激勵器10選擇性地把所述冷卻13和/或63導(dǎo)向靜態(tài)激勵器10的電子電路。對于所述冷卻13和/或63的選擇性應(yīng)用使得靜態(tài)激勵器10能夠以節(jié)儉而經(jīng)濟的方式減小所述激勵器的尺寸和重量。冷卻靜態(tài)激勵器10的一些區(qū)域可能比冷卻其他區(qū)域更經(jīng)濟。要被冷卻的區(qū)域可以包括半導(dǎo)體、電導(dǎo)體、濾波器、電容器、電感器或電力變壓器。
半導(dǎo)體設(shè)備眾所周知，當操作在低溫下時，對于諸如功率MOSFET和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的半導(dǎo)體開關(guān)可以實現(xiàn)由于導(dǎo)通電阻而造成的損耗的顯著降低。主要的收獲可以在電阻性損耗的降低中看出，該電阻性損耗是從場激勵所需的相對高的電流產(chǎn)生的。冷卻時，所述設(shè)備還能夠以更高的速度開關(guān)，從而允許通過開關(guān)損耗的降低而獲得更高的速度和更緊湊的電路。
電導(dǎo)體靜態(tài)激勵器10所需的布線必須載送大量電流，其對系統(tǒng)總功率損耗和重量的影響很顯著。用高溫超導(dǎo)材料制作所述布線可以降低所述布線的損耗和尺寸/重量。然而，如果使用高溫超導(dǎo)材料是不切實際的，那么冷卻傳統(tǒng)的銅或鋁布線也將提高其導(dǎo)電率和性能。
濾波器大電流及其控制將需要使用高頻開關(guān)的半導(dǎo)體。為了減少由電纜、變壓器和其他組件發(fā)出的電磁干擾量，這些設(shè)備的輸出將必須不僅被屏蔽，而且還必須使用電感器對其進行濾波，由此減小其損耗、重量和尺寸，其中所述電感器可以用高溫超導(dǎo)繞組或者經(jīng)冷卻的傳統(tǒng)導(dǎo)體制成。此外，電磁干擾屏蔽材料可以用高溫超導(dǎo)或者經(jīng)冷卻的導(dǎo)體制成，以便進一步減小尺寸并且提高導(dǎo)電率，從而進一步提高屏蔽能力。還可以使用濾波器來幫助平滑激勵器的DC輸出。濾波器通常包括電容器和二極管，它們也可以從冷卻中獲益。
電力變壓器場繞組15的高電感值連同電機11的緊密電壓調(diào)節(jié)所需的控制帶寬要求使用具有高電壓輸出(高達～1kV)的電流放大器。在一些應(yīng)用中(比如飛行器)，該電壓電平可以被限制到較低的值(最大270V)，這是由于在高海拔時可能出現(xiàn)的電暈效應(yīng)。這些電壓需要使用電力變壓器，所述電力變壓器可以從使用高溫超導(dǎo)或經(jīng)冷卻的傳統(tǒng)繞組中獲益，以便減小尺寸、重量和功率損耗。
一個例子是圖2的靜態(tài)激勵器14。靜態(tài)激勵器14控制流入電機(即電動機或發(fā)電機)的場繞組線圈15的電流。靜態(tài)激勵器14包括作為冷卻的候選的所選數(shù)量的上述組件。對于所選擇的組件，靜態(tài)激勵器14的冷卻是從它的操作環(huán)境溫度約340K冷卻到對應(yīng)于冷凍劑冷卻的100K以下以及對應(yīng)于制冷作用冷卻的100K以上。靜態(tài)激勵器14包括升壓轉(zhuǎn)換器16和降壓轉(zhuǎn)換器17。升壓轉(zhuǎn)換器16被配置成將低DC電壓轉(zhuǎn)換到高DC電壓。該低電壓DC功率被提供在低電壓DC總線18上，而該高電壓DC功率被輸出在高電壓DC總線61上。
在圖2中，升壓轉(zhuǎn)換器16包括電感器19和IGBT開關(guān)20。IGBT開關(guān)20被耦合成跨越DC總線并且可以被開關(guān)，如下所述，其例如可以以脈寬調(diào)制方式被開關(guān)，以便把來自低電壓總線18的電功率轉(zhuǎn)換到被施加到高電壓DC總線61的更高電壓。電容器21與IGBT開關(guān)20并聯(lián)電耦合，并且儲存該更高的電壓。二極管22防止電流從高電壓DC總線61流回到升壓轉(zhuǎn)換器16。
在圖2中，降壓轉(zhuǎn)換器17包括第一降壓轉(zhuǎn)換器IGBT開關(guān)23、第二降壓轉(zhuǎn)換器IGBT開關(guān)24和一對反馳二極管25、26，所述反馳二極管25、26耦合在IGBT開關(guān)23、24的周圍。根據(jù)第一和第二降壓轉(zhuǎn)換器IGBT開關(guān)23、24的開關(guān)，線圈被充電或放電。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解的那樣，在舉例說明的該實施例中，所述降壓轉(zhuǎn)換器是一個兩象限轉(zhuǎn)換器，這意味著第一和第二降壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)以非電流反向而是極性反向的方式被開關(guān)。
在正常操作期間，在圖2中，升壓轉(zhuǎn)換器16耦合到DC電源27。在圖中DC電源27被示為電池，但是其也可以是任何低壓電源。如圖所示，控制器28被電連接來提供控制信號給升壓轉(zhuǎn)換器16的IGBT開關(guān)20以及降壓轉(zhuǎn)換器17的IGBT開關(guān)23和24的柵極，以便提供激勵場繞組線圈15所需的電壓。特別地，控制器28對升壓IGBT開關(guān)20的脈寬調(diào)制(PWM)在電容器21中建立所期望的高電壓以用于高電壓DC總線61。當給場繞組線圈15充電時，電容器21放電以便給降壓轉(zhuǎn)換器17提供電壓。
在圖2中，如果希望的話，升壓轉(zhuǎn)換器16和降壓轉(zhuǎn)換器17可以整體被冷卻。電容器21也可以被冷卻，但是只能獲得有限的益處?？赡苄枰紤]冷卻升壓轉(zhuǎn)換器16和降壓轉(zhuǎn)換器17的經(jīng)濟價值。取決于冷卻的成本，可以只冷卻所選數(shù)量的組件而不是整個升壓轉(zhuǎn)換器16和降壓轉(zhuǎn)換器17。例如，只冷卻升壓轉(zhuǎn)換器16和降壓轉(zhuǎn)換器17的IGBT開關(guān)20、23、24和26而非全部組件。當從350K冷卻到77K時，IGBT開關(guān)20、23、24和26的電流操作性能提高超過一倍。IGBT開關(guān)20、23、24和26通過冷卻使靜態(tài)激勵器14的任何非線圈組件獲益最多。
另一個例子是圖3的多級靜態(tài)激勵器29，其使用DC/DC轉(zhuǎn)換器30把低電壓轉(zhuǎn)換到高電壓。DC/DC轉(zhuǎn)換器30耦合在低電壓總線31和高電壓總線32之間。疊層式橋是降壓轉(zhuǎn)換器，即高電壓總線轉(zhuǎn)換器33和低電壓總線轉(zhuǎn)換器34，其分別具有一對IGBT開關(guān)35、36和44、37。這些開關(guān)的柵極連接到控制器60。為了清楚起見，去除了把控制器60連接到各柵極的線路。如前所述，這些開關(guān)由控制器60進行PWM開關(guān)，以便給場繞組線圈15提供必需的電壓。例如，為了從高電壓總線給場繞組線圈15提供完全高電壓，控制器60把所有的IGBT開關(guān)置于導(dǎo)通狀態(tài)。為了使電容器38放電，控制器60把第一高電壓總線IGBT開關(guān)36和第二高電壓總線IGBT開關(guān)35置于非導(dǎo)通狀態(tài)，同時將第一低電壓總線IGBT開關(guān)44和第二低電壓IGBT開關(guān)37置于導(dǎo)通狀態(tài)。從場繞組線圈15流出的電流通過兩個低電壓總線轉(zhuǎn)換器開關(guān)、低電壓總線反馳二極管43以及第一高電壓總線反馳二極管39流到DC鏈接電容器38。
這種結(jié)構(gòu)提供許多與前述電路相同的優(yōu)勢。例如，如果DC/DC轉(zhuǎn)換器30是雙向的，則它可以被用來重寫系統(tǒng)總線。此外，可以從低壓電源/總線獲得高電壓，并且同時可以根據(jù)需要給線圈提供一個電壓范圍。
如果希望的話，圖3的降壓轉(zhuǎn)換器33、34可以整個被冷卻。電容器38和二極管39、41、42和43也可以被冷卻，但是通過冷卻只能獲得有限的益處。如上面討論的那樣，冷卻降壓轉(zhuǎn)換器33和34是可能的，但是冷卻多級靜態(tài)激勵器29的所選擇的區(qū)域可能是更經(jīng)濟的做法。例如，DC/DC轉(zhuǎn)換器30是一個直接從冷卻獲益的電力變壓器。如果DC/DC轉(zhuǎn)換器30的溫度從350K降低到77K(即降低到五分之一)，則該DC/DC轉(zhuǎn)換器的電阻也被減小到大約五分之一。
另一個例子是圖4的靜態(tài)激勵器45。靜態(tài)激勵器45具有電力變壓器46，其給連接到電容器48的三相二極管整流器橋62饋電。這部分電路把AC轉(zhuǎn)換到DC電壓，然后饋電給DC/DC轉(zhuǎn)換器49，并且由低通濾波器50濾波。濾波器50連接到電機(即電動機或發(fā)電機)的場繞組線圈15。在各電路組件之間的連接是通過用于高電流傳輸?shù)膮R流線。作為冷卻這種類型的靜態(tài)激勵器時的主要受益者的組件是濾波器50的線圈、電力變壓器46以及它們之間的匯流線連接。如上面討論的那樣，所述電力變壓器，濾波器線圈和匯流線從冷卻直接受益。如果上述組件的溫度從350K降低到77K(即降低到五分之一)，則上述組件的電阻也減小到五分之一。這些組件占靜態(tài)激勵器45的尺寸和重量的最大百分比。因此，通過冷卻而在尺寸和重量減小方面受益最大的是所述電力變壓器、濾波器線圈和匯流線。
在圖4中，有靜態(tài)激勵器45的其他組件從冷卻獲益。它們是二極管47、轉(zhuǎn)換器49中的半導(dǎo)體開關(guān)和二極管以及電容器48，但是其經(jīng)濟效益可能受到限制，也就是說其經(jīng)濟效益可能不像電力變壓器、線圈和匯流線那樣顯著。冷卻到100K以上可能使冷卻所選組件的經(jīng)濟效益最大化。所述經(jīng)濟問題是優(yōu)化冷卻到特定溫度的效益以及該冷卻的成本。如果希望的話，冷卻到100K以上可以通過制冷源63實現(xiàn)，更低溫度的冷卻也可以這樣實現(xiàn)。例如，當通過制冷源63把二極管47和電容器48冷卻到170K的溫度時，經(jīng)濟效益最大化，并且沒有招致進一步冷卻的附加費用。如果希望的話，可以在同一個靜態(tài)激勵器上使用各冷卻溫度的組合。例如，靜態(tài)激勵器45可以具有應(yīng)用于電力變壓器、線圈、匯流線的更低溫度的冷卻，以及應(yīng)用于二極管、開關(guān)和電容器的更高溫度的冷卻。
已經(jīng)參考示例性實施例描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在不脫離所公開的技術(shù)范圍的情況下，可以進行各種變化以及用等價物來代替其元件。另外，在不脫離所公開的技術(shù)的實質(zhì)范圍的情況下，可以根據(jù)所公開技術(shù)的教導(dǎo)為適應(yīng)特定情況或材料而進行許多修改。因此，所公開的技術(shù)不限于作為實施本發(fā)明的最佳預(yù)期方式而公開的特定實施例，本發(fā)明將包括落在所附權(quán)利要求
書的范圍內(nèi)的所有實施例。
部件列表 39反馳二極管10靜態(tài)激勵器 41二極管11同步電機 42二極管12場繞組 43二極管13冷凍源 35 44IGBT開關(guān)14靜態(tài)激勵器 45靜態(tài)激勵器15場繞組 46電力變壓器16升壓轉(zhuǎn)換器 47二極管17降壓轉(zhuǎn)換器 48電容器18DC總線 40 49轉(zhuǎn)換器19電感器 50低通濾波器20IGBT開關(guān) 60控制器21電容器 61高電壓DC總線22二極管 62二極管整流器橋23 IGBT開關(guān) 45 63制冷源24IGBT開關(guān)25反馳二極管26反馳二極管27電源28控制器29靜態(tài)激勵器30DC/DC轉(zhuǎn)換器31低電壓總線32高電壓總線33高電壓總線轉(zhuǎn)換器34低電壓總線轉(zhuǎn)換器35IGBT開關(guān)36IGBT開關(guān)37IGBT開關(guān)38電容器
權(quán)利要求
1.一種用于低溫靜態(tài)激勵器(10)的設(shè)備，包括具有場繞組(12)的同步電機(11)；與所述場繞組(12)聯(lián)系的靜態(tài)激勵器(10)；所述靜態(tài)激勵器(10)在環(huán)境溫度下操作；所述靜態(tài)激勵器(10)對所選擇的區(qū)域接受冷卻；以及所述冷卻降低所述靜態(tài)激勵器(10)選擇性地冷卻的區(qū)域的所述操作溫度。
2.如權(quán)利要求
1所述的用于低溫靜態(tài)激勵器(10)的設(shè)備，其中，所述場繞組(12)是靜態(tài)的。
3.如權(quán)利要求
1所述的用于低溫靜態(tài)激勵器(10)的設(shè)備，其中，所述場繞組(12)是旋轉(zhuǎn)的。
4.如權(quán)利要求
1所述的用于低溫靜態(tài)激勵器(10)的設(shè)備，其中，所述冷卻是通過液態(tài)冷凍劑。
5.如權(quán)利要求
1所述的用于低溫靜態(tài)激勵器(10)的設(shè)備，其中，所述冷卻是通過制冷作用。
6.如權(quán)利要求
1所述的用于低溫靜態(tài)激勵器(10)的設(shè)備，其中，所述激勵器的操作溫度對于所選擇的組件是大約340K。
7.如權(quán)利要求
1所述的用于低溫靜態(tài)激勵器(10)的設(shè)備，其中，所述同步電機(11)是經(jīng)過冷卻的。
專利摘要
本發(fā)明所公開的技術(shù)是一種低溫靜態(tài)激勵器(10)。低溫靜態(tài)激勵器(10)連接到具有場繞組(12)的同步電機(11)。同步電機(11)通過制冷機或者比如液態(tài)氮的冷凍劑而被冷卻。靜態(tài)激勵器(10)與場繞組(12)相聯(lián)系，并且在環(huán)境溫度下操作。靜態(tài)激勵器(10)從制冷機或冷凍源對該靜態(tài)激勵器(10)的所選擇的區(qū)域接受冷卻，所述制冷機或冷凍源也可以為該同步電機服務(wù)，并且所述冷卻選擇性地降低該靜態(tài)激勵器(10)的所選擇的區(qū)域的操作溫度。
文檔編號H02K55/02GK1996728SQ200610064057
公開日2007年7月11日 申請日期2006年9月29日
發(fā)明者J·W·布雷, L·J·加爾塞斯 申請人:通用電氣公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan