[发明专利]具有电容电力传输的绕线磁场式旋转电机

说明书

技术领域

本发明涉及绕线磁场式同步电机（例如电动马达和发电机）并且特别地涉及一种使用电容耦合来将电力传输至转子的绕线磁场式同步电机。

背景技术

电动马达和发电机共用相似结构的磁感应定子和转子并且可以统称为“旋转电机”。采用永磁体转子的旋转电机称为永磁体同步电机（PMSM）并且在大容量牵引应用中非常普遍（例如用于混合动力车辆的马达驱动器），以及由于其高扭矩密度和效率而用于紧凑型发电设备（例如用于涡轮机中的发电机）。

PMSM中的永磁体通常采用提取和精炼会对环境造成有害影响的有限供应的稀土材料。出于该原因，通过在转子上使用电线圈代替永磁体的绕线磁场式同步电机（WFSM）已经再次受到关注。与PMSM相比，WFSM具有低转矩密度，并且通过允许直接控制转子磁场而允许更复杂的马达控制，例如在不同运行速度和扭矩的整个电机运行范围内允许高功率因数。控制转子磁场的能力还允许通过允许控制反向EMF（通过去除励磁电流）来改进对故障的处理。

WFSM的显著缺点是难以将大量电力耦合至旋转的转子线圈。这种耦合可以通过使用电“滑环”来完成，其中，通常为碳复合材料的电刷在连续或半连续金属环上机械地滑动。该机械方法的问题在于电刷和环的磨损以及由磨损产生的可能污染马达的环境的碎屑的问题。

机电耦合的替代方法是通过旋转变换器的线圈之间的互感来传递电能。在这种变换器中，固定的初级线圈可以通过磁场与安装成随着转子旋转的次级线圈连通。通常用于汇聚磁通量的旋转变换器的导电线圈和铁磁部件基本上会增加马达的重量和成本。

电容耦合已知用于低功率电数据传输，例如用于传输来自旋转装置的数字数据。对于实际的马达运行而言，例如通过使用邻近的旋转电容器极板和固定电容器极板来在马达应用中使用电容耦合受到通过实际公差得到的相对小的电容和对显著地更大功率的需要的阻碍。

发明内容

本发明提供一种绕线磁场式同步电机，其中，电力通过电容耦合传输至转子。在一个实施方式中，通过允许一个极板以空气轴承的方式浮在通过极板的相对运动产生的流动空气的缓冲层上而在旋转电容器极板与固定电容器极板之间获得电容耦合。随着浮动极板构型的极板分离中的小的变化可以提供转子的速度的测量并且在极板中的一个上包括电容变化特征也可以提供关于转子位置的信息。

特别地，本发明提供一种绕线磁场式旋转电机，该旋转电机具有安装为围绕轴线旋转的转子并且包括具有线圈轴线的至少一个电线圈，该电线圈具有垂直于轴线的部件，电线圈包括具有第一导体端部和第二导体端部的导体。电子整流器单元附接至转子以随着转子旋转，并且与第一导体端部和第二导体端部电连接，并且第一电容器极板和第二电容器极板附接成随着转子旋转并且与电子整流器单元电连接。第三电容器极板和第四电容器极板安装至框架以便不随着转子旋转并且定位成与相应的第一电容器极板和第二电容器极板耦合，其中，第一电容器极板、第二电容器极板、第三电容器极板和第四电容器极板可以在转子围绕轴线的角位置的范围内在电线圈与第三电容器极板和第四电容器极板之间传输电力。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征是提供用于绕线磁场式旋转电机的电力耦合系统，该电力耦合系统在没有增加旋转变换器的费用成本和重量的情况下避免了滑环和电刷的机械磨损问题。

第一电容器极板和第二电容器极板可以是分离的极板，分离的极板附接至转子轴以在垂直于轴线并且沿轴线分离的平面中延伸，并且其中，第三电容器极板和第四电容器极板交插在第一电容器极板与第二电容器极板之间。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征在于通过交插构型为给定极板间隔公差提供任意电容器面积。

绕线磁场式旋转电机还可以包括电源产生电路，该电源产生电路相对于框架基本固定以便不随着转子旋转并且与第三电容器极板和第四电容器极板连接以向至少一个电线圈提供具有超过50kHz的频率的交流电。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征是允许有限面积的电容器通过采用高频电流为马达操作提供足够的电力，在高频电流下，这种电容器具有低阻抗。

电源产生电路向电线圈提供至少一瓦特的电功率。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征是使用电容耦合提供实际有用的马达或发电机应用。

电源产生电路可以提供用于将输出至第三电容器极板和第四电容器极板的电流调节至预定值。