带有自由链接磁通的三相旋转变压器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种带有自由联接磁通的旋转三相变压器(10)，包括第一部分(11)和第二部分(12)，两个部分可围绕轴线A彼此相对旋转运动。第一本体限定了轴线A的第一环形槽(19)，轴线A的第二环形槽(20)，轴线A的第三环形槽(21)，以及轴线A的第四环形槽(22)。第一部分(11)的线圈包括第一槽(19)内的轴线A的第一环形线圈(34)，第二槽(20)内的轴线A的第二环形线圈(35)，第二槽(20)内的轴线A的第三环形线圈(36)，第三槽(21)内的轴线A的第四环形线圈(37)，第三槽(21)内的轴线A的第五环形线圈(38)，以及第四槽(22)内的轴线A的第六环形线圈(39)。
【专利说明】带有自由链接磁通的三相旋转变压器
【技术领域】
[0001]本发明涉及变压器的一般领域。特别是，本发明涉及一种旋转三相变压器。
【背景技术】
[0002]旋转三相变压器用来在两个相对旋转的轴线之间无接触地传输能量和/或信号。
[0003]图1和图2分别示出了现有技术的旋转三相变压器I。
[0004]变压器I具有对应于相位U、V和W的三个旋转的单相变压器2。每个旋转单相变压器2具有部分(port1n) 3和部分4，两个部分围绕轴线A相对旋转。举例说明，部分3是定子，而部分4是转子，反之亦然。在另一个变化的示例中，部分3和部分4均可相对于静止参考系(图中未示)旋转移动。环形线圈5置于由部分3的铁磁材料制成的本体所形成的槽6内。环形线圈7置于由部分4的铁磁材料制成的本体所形成的槽8内。对于每个旋转的单相变压器2，线圈5和线圈7构成了初级和次级线圈(反之亦然)。
[0005]图1示出的形式称之为“U形”，其中，部分3围绕轴线A环绕部分4;而图2示出的形式称之为“E形”或“壶形(pot-shaped) ”，其中，部分3和部分4沿轴线方向彼此并排布置。
[0006]图1或图2的三相变压器的重量和体积都比较大，因此无法充分利用三个相位的磁通量，不同于采用强制磁通的静态三相变压器，其中，可以将磁通耦合在一起。此外，在图2给出的示例中，必须使用电气导体，导体截面根据旋转轴线和相位之间距离而不同，以便保持平衡电阻。
[0007]文献US 2011/0050377介绍了一种四绕组旋转三相变压器。该变压器的重量和体积都相当大。该文件还介绍了一种五绕组旋转三相变压器。该变压器的重量和体积也相当大。此外，利用径向缠绕穿过磁路的中央绕组中的槽，其中，这种线圈比图1和图2所示变压器中使用的环形线圈更难以实施。
[0008]为此，需要改进三相变压器的拓扑结构。
【发明内容】
[0009]本发明提出了一种旋转三相变压器，包括第一部分和第二部分，二者围绕轴线A彼此相对旋转，第一部分包括铁磁材料的第一本体和线圈，第二部分包括铁磁材料的第二本体和线圈；
[0010].第一本体限定了轴线A的第一环形槽，轴线A的第二环形槽，轴线A的第三环形槽，和轴线A的第四环形槽；
[0011]?第一部分的线圈包括第一槽中轴线A的第一环形线圈，第二槽中轴线A的第二环形线圈，第二槽中轴线A的第三环形线圈，第三槽中轴线A的第四环形线圈，第三槽中轴线A的第五环形线圈，和第四槽中轴线A的第六环形线圈；
[0012].第一线圈和第二线圈串联并具有各自的缠绕方向，对于在第一线圈和第二线圈中流过的电流，对应于两个彼此方向反向的磁势；
[0013].第三线圈和第四线圈串联并具有各自的缠绕方向，对于在第三线圈和第四线圈流过的电流，对应于两个彼此方向反向的磁势；以及
[0014].第五线圈和第六线圈串联并具有各自的缠绕方向，对于在第三线圈和第六线圈流过的电流，对应于两个彼此方向反向的磁势；
[0015]举例说明，第一部分可用作初级。在这种情况下，如果三相电流在初级线圈中以合适的方向流过，假定在上述缠绕方向情况下，初级线圈的磁势会引起磁通親合。这种联接可使变压器的体积和重量得以减小。此外，变压器的初级仅利用轴线A的简单环形线圈，从而使得其结构特别简单。换句话说，本发明提供了一种旋转三相变压器，借助于耦合磁通，该变压器的重量和体积得以减小。特别是相对于使用三个单项旋转变压器来说，其使用了特别简单的缠绕形式。
[0016]在一个实施方式中，第一线圈，第二线圈、第三线圈、第四线圈、第五线圈，以及第六线圈都使用了相同的匝数。
[0017]然后，对第一部分的相位进行电阻平衡。
[0018]在一个实施例中，第二本体限定了轴线A的第五环形槽，轴线A的第六环形槽，轴线A的第七环形槽，和轴线A的第八环形槽；
[0019]?第二部分的线圈包括第五槽中轴线A的第七环形线圈，第六槽中轴线A的第八环形线圈，第六槽中轴线A的第九环形线圈，第七槽中轴线A的第十环形线圈，第七槽中轴线A的第十一环形线圈，以及第八槽中轴线A的第十二环形线圈；
[0020].第七线圈和第八线圈串联并具有各自的缠绕方向，对于在第七线圈和第八线圈中流过的电流，对应于两个彼此方向反向的磁势；
[0021].第九线圈和第十线圈串联并具有各自的缠绕方向，对于在第九线圈和第十线圈中流过的电流，对应于两个彼此方向反向的磁势；以及
[0022].第十一线圈和第十二线圈串联并具有各自的缠绕方向，对于在第十一线圈和第十二线圈中流过的电流，对应于两个彼此方向反向的磁势。
[0023]在该实施例中，按照与初级相同的原则制作次级。为此，次级也有助于限制变压器的重量和体积，并可使变压器在制作的同时，仅使用轴线A的环形线圈。
[0024]第七线圈、第八线圈、第九线圈、第十线圈、第十一线圈，以及第十二线圈都采用了相同的匝数。
[0025]然后，对第二部分的相位进行电阻平衡。
[0026]在一个实施例中，第一本体包括限定了第一本体的所述各个槽的环、第一铁心柱、第二铁心柱、第三铁心柱、第四铁心柱、和第五铁心柱。
[0027]第二部分围绕轴线A而环绕两相部分，反之亦然。这相当于制作称之为“U形”的变压器。
[0028]第一部分和第二部分可以沿轴线A方向彼此并排布置。这相当于制作称之为“E形”或“壶形”的变压器。
[0029]在一个实施例中，采用铁磁材料制成的第一和第二本体完全围绕初级线圈和次级线圈。
[0030]在这种情况下，变压器为磁屏蔽的变压器。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]通过如下参照附图给出的说明，本发明的其它特性和优点会显现出来，附图所示实施方式为非限定性的。附图如下:
[0032]?图1和图2分别为现有技术旋转三相变压器的剖面图；
[0033].图3为根据本发明第一实施方式的磁屏蔽三相旋转变压器的剖面图，所示为带有自由链接磁通的变压器；
[0034]?图4为图3所示变压器磁路的分解透视图；
[0035].图5为电路图，所示为图3变压器线圈的连接情况；以及
[0036].图6为根据本发明第二实施方式的变压器磁路分解透视图。
【具体实施方式】
[0037]图3为根据本发明实施方式的旋转变压器10的剖面图。该变压器10为带有自由链接磁通(free linked fluxes)的磁屏蔽三相旋转变压器。
[0038]变压器10包括部分11和部分12，适合于围绕轴线A彼此相对旋转。举例说明，部分11为定子，部分12为转子，反之亦然。在另一种变化的方式中，部分11和部分12均可相对于静止参考系(图中未示)旋转移动。
[0039]部分11包括轴线A的环13和采用铁磁材料制成的五个铁心柱14，15，16，17和18。每个铁心柱14，15，16，17和18从环13处开始背离轴线A径向延伸。铁心柱14在环13的一端，铁心柱18在环13的另一端，铁心柱15，16和17在铁心柱14和18之间。
[0040]环13与铁心柱14和15限定了径向向外开放的轴线A的环形槽19 (即背离轴线A)。环13与铁心柱15和16限定了径向向外开放的轴线A的环形槽20。环13与铁心柱16和17限定了径向向外开放的轴线A的环形槽21。环13与铁心柱17和18限定了径向向外开放的轴线A的环形槽22。通常，环13与铁心柱14至18构成了铁磁材料本体，该本体限定了径向向外开放的四个环形槽19到22。
[0041]部分12包括轴线A的环23和采用铁磁材料制成的五个铁心柱24，25，26，27，和28。每个铁心柱24，25，26，27和28从环23处开始向轴线A径向延伸。铁心柱24在环23的一端，铁心柱28在环23的另一端，铁心柱25，26和27在铁心柱24和28之间。
[0042]环23于与铁心柱24和25限定了径向向内(即朝向轴线A)开放的轴线A的环形槽29。环23与铁心柱25和26限定了径向向内开放的轴线A的环形槽30。环23与铁心柱26和27限定了径向向内开放的轴线A的环形槽31。环23与铁心柱27和28限定了径向向内开放的轴线A的环形槽32。通常，环23与铁心柱24至28构成了铁磁材料本体，该本体限定了径向向内开放的四个环形槽29到32。
[0043]部分11的每个铁心柱14至18面向第二部分12的其中一个铁心柱24至28，在二者之间形成空气隙33。于是，变压器10就提供了五对铁心柱(铁心柱14&15，铁心柱15&25，铁心柱16&26，铁心柱17&27，以及铁心柱18&28)，每对铁心柱形成了变压器10的绕组。换句话说，变压器10由此而成为五绕组变压器。环13和23与铁心柱14至18和24至28 —起构成了变压器10的磁路。图4为变压器10的磁路的分解透视图。
[0044]变压器10的部分11具有线圈34至39，而部分12具有线圈40至45。
[0045]线圈34为轴线A的环形线圈，位于槽19内。线圈35为轴线A的环形线圈，位于槽20内，并与线圈34串联。线圈36为轴线A的环形线圈，位于槽20内。线圈37为轴线A的环形线圈，位于槽21内，并与线圈36串联。线圈38为轴线A的环形线圈，位于槽21内。最后，线圈39为轴线A的环形线圈，位于槽22内，并与线圈38串联。每个线圈34至39均采用Il1匝数。
[0046]术语“轴线A的环形线圈”用于表示其匝数围绕轴线A缠绕的线圈。术语“环形”并不是用来限定性地表示围绕轴线旋转一圈而产生的实心体。相反，特别是，正如示例所示，环形线圈的截面可以是矩形的。
[0047]相应地，线圈40为轴线A的环形线圈，位于槽29内。线圈41为轴线A的环形线圈，位于槽30内，并与线圈40串联。线圈42为轴线A的环形线圈，位于槽30内。线圈43为轴线A的环形线圈，位于槽31内，并与线圈42串联。线圈44为轴线A的环形线圈，位于槽31内。最后，线圈45为轴线A的环形线圈，位于槽32内，并与线圈44串联。每个线圈40至45均采用n2匝数。
[0048]线圈34和40围绕位于环13内的磁芯46。术语“磁芯”用于表示其中由线圈所产生的同方向磁通(same-direct1n flux)占多数的一部分磁路。为此，线圈19或线圈40内流动的电流对应于磁芯46内的磁势。相应地，线圈35，36，41，和42围绕位于环13内的磁芯47，线圈37，38，43，和44围绕位于环13内的磁芯48，以及线圈39和45围绕位于环13内的磁芯49。
[0049]如下所述，人们认为，部分11和线圈34至39对应于变压器10的初级，而部分12和线圈40至45则对应于变压器10的次级。然而，初级和次级显然是可以颠倒的。
[0050]图5为电路示意图，示出了变压器10的线圈34至39的连接情况和对应的磁势。
[0051]在图5中，使用了如下标记符号:
[0052].Ap, Bp,和(；是变压器10的初级线圈的进入点。
[0053]-1^Ibp，和I。#进入点A p，Bp，和Cp各自的输入电流。电流I ap在线圈34和35中流动，形成初级相位A。相应地，电流Ibp在线圈36和37中流动，形成初级相位B ；以及电流Icp在线圈38和39中流动，形成初级相位C。如果在次级中使用相同的对应方式，相位A，B和C，与串联线圈对之间的任何其它对应关系都是可能的。
[0054].0ap, Obp,和0。5是连接点，在电气上，联接方式与任何种类的静态三相变压器(星星形、星形三角、双三角形、三角星形、之字形等)相同。
[0055].黑点表示线圈内流动电流和对应磁势的方向之间的关系:如果黑点不在绕组右侦牝则绕组方向是这样的，即所产生的磁势与输入电流方向相同。如果黑点在绕组左侧，则绕组方向使得所产生的磁势的方向相对于输入电流为反方向。
[0056].Pa&-Pa是对应于电流Iap的磁芯46和47内的磁势，Pb&_Pb是对应于电流I _的磁芯47和48内的磁势，以及Pc&-Pc是对应于电流Iep的磁芯46和47内的磁势。
[0057]从图5中可以看出，通过图5所示绕组方向和串联的适当选择，平衡三相电流Iap，Ibp，和Iep在磁芯46内对应于磁势Pa，在磁芯47内对应于模数相等和方向相反的磁势-Pa和Pb，以及在磁芯48和49内对应于分别与Pb, -Pa,和Pa对称的磁势-Pb, -Pc,和Pc0在这种情况下，磁通实现正确链接。
[0058]在另一个变化的方式中，线圈的其它连接方式和其它绕组方向都可获得磁势的相同排列组合。
[0059]为此，在变压器10中，由图示的缠绕拓扑结构的磁路所进行的磁耦合，相对于单相变压器来说，可以具有所产生磁通的5/4的耦合系数，该系数与带有链接磁通和五绕组的静止三相变压器的耦合系数相同。为了获得最佳耦合系数，每个绕组内的磁阻(主要由于空气隙33所致)必须相等，且与环13和23的磁阻相比，这些磁阻必须是明显占优势的。为了使三相变压器趋于完全平衡，与每个绕组的磁阻相比，环13和23的磁阻必须尽可能的小。由于物理上很难实现，一个解决方案是对绕组的磁阻和两个绕组之间的环的部分的磁阻进行改进，以获得良好平衡。
[0060]如果次级线圈的匝数为112，那么正如在一个任何三相变压器中，电压比为^/叫的第一近似值，以及电流比为H1Ai2的第一近似值。旋转变压器10具有任何采用链接磁通的静态三相变压器的相同特性，包括可以使用多个次级。
[0061]变压器10具有如下几个优点。
[0062]特别是，可以看出，磁路完全围绕线圈34至39和40至45。变压器10从而实现磁屏蔽。此外，线圈34至39和40至45都是轴线A的环形线圈。变压器10因此不需要使用形状更为复杂的线圈。
[0063]此外，因为每个相位具有相同长度的相同匝数(即，初级为2*1^，次级为2*n2)，变压器10的相位可以在电阻上得以平衡，不要求使用不同截面的导体。
[0064]最后，变压器10减轻了重量，缩小了体积。具体来讲，因为磁通的耦合作用，考虑到恒定的焦耳损失，变压器10的重量和体积都小于图1和图2所示变压器。
[0065]在各种绕组的磁阻的作用下，可以接近于变压器10相位的平衡磁阻。为了改进相位平衡，可以设想采用一个自由度，即相位的安倍-匝数的数量。这样，在图中未示的另一种方式中，线圈就不必均具有完全相同的匝数1^或η 2。
[0066]图3所述的线圈位置构成了一个不例，而其它位置也适合。例如，在一个槽中，两个线圈可以沿轴线方向并排布置，围绕轴线A —个在另一个的周围，或者一个与另一个混合在一起。
[0067]变压器10可以被视为一种“U形”形式。在图中未示的实施方式中，根据本发明的变压器是一种不同于“U形”变压器10的“Ε形”或“壶形”的形式。在这个变化的形式中，按类似于图2的方式，部分11和部分12沿轴线A方向并排布置。图6是这种“Ε形”变压器磁路的分解透视图。在图6中，与图4相同的附图标记用来表示相一致的部件。
【权利要求】
1.一种旋转三相变压器(10)，包括第一部分(11)和第二部分(12)，所述两个部分围绕轴线A可彼此相对旋转运动，所述第一部分(11)包括铁磁材料的第一本体和线圈(34，35，36，37，38，39)，所述第二部分(12)包括铁磁材料的第二本体和线圈(40，41，42，43，44，45)； ?所述第一本体限定了轴线A的第一环形槽(19)，轴线A的第二环形槽(20)，轴线A的第三环形槽(21)，以及轴线A的第四环形槽(22); ?所述第一部分(11)的线圈包括位于第一槽(19)内的轴线A的第一环形线圈(34)，位于第二槽(20)内的轴线A的第二环形线圈(35)，位于第二槽(20)内的轴线A的第三环形线圈(36)，位于第三槽(21)内的轴线A的第四环形线圈(37)，位于第三槽(21)内的轴线A的第五环形线圈(38)，位于第四槽(22)内的轴线A的第六环形线圈(39); ?所述第一线圈(34)和第二线圈(35)串联并具有各自的缠绕方向，对于在第一线圈(34)和第二线圈(35)内流动的电流(Iap)其对应于两个彼此方向相反的磁势(Pa，-Pa)； ?所述第三线圈(36)和第四线圈(37)串联并具有各自的缠绕方向，对于在第三线圈(36)和第四线圈(37)内流动的电流(Ibp)其对应于两个彼此方向相反的磁势(Pb，-Pb);以及 ?所述第五线圈(38)和所述第六线圈(39)串联并具有各自的绕组方向，对于在第三线圈(38)和第六线圈(39)内流动的电流(1。5)，其对应于两个彼此方向相反的磁势(Pc，-Pc)磁势。
2.根据权利要求1所述的变压器(10)，其中，所述第一线圈(34)、第二线圈(35)、第三线圈(36)、第四线圈(37)、第五线圈(38)、和第六线圈(39)都采用相同的匝数(叫)。
3.根据权利要求1或2所述的变压器(10)，其中， ?所述第二本体限定了轴线A的第五环形槽(29)，轴线A的第六环形槽(30)，轴线A的第七环形槽(31)，和轴线A的第八环形槽(32); ?所述第二部分的线圈包括在第五槽(29)内的轴线A的第七环形线圈(40)，在第六槽(30)内的轴线A的第八环形线圈(41)，在第六槽(30)内的轴线A的第九环形线圈(42)，在第七槽(31)内的轴线A的第十环形线圈(43)，在第七槽(31)内的轴线A的第十一环形线圈(44)，以及在第八槽(32)内的轴线A的第十二环形线圈(45); ?所述第七线圈(40)和所述第八线圈(41)串联并具有各自的缠绕方向，对于在第七线圈(40)和第八线圈(41)内流动的电流，其对应于两个彼此方向相反的磁势； ?所述第九线圈(42)和所述第十线圈(43)串联并具有各自的缠绕方向，对于在第九线圈(42)和第十线圈(43)内流动的电流，其对应于两个彼此方向相反的磁势；以及 ?所述第十一线圈(44)和所述第十二线圈(45)串联并具有各自的缠绕方向，对于在第i 线圈(44)和第十二线圈(45)内流动的电流，其对应于两个彼此方向相反的磁势。
4.根据权利要求3所述的变压器(10)，其中，所述第七线圈(40)、第八线圈(41)、第九线圈(42)、第十线圈(43)、第十一线圈(44)、和第十二线圈(45)都采用相同的匝数。
5.根据权利要求1至4任一项所述的变压器，其中，所述第一本体包括限定了第一本体的所述槽(19，20，21，22)的环(13)、第一铁心柱(14)、第二铁心柱(15)、第三铁心柱(16)、第四铁心柱(17)，以及第五铁心柱(18)。
6.根据权利要求1至5任一项所述的变压器(10)，其中，所述第二部分(12)围绕轴线A环绕所述两相部分(11)，反之亦然。
7.根据权利要求1至5任一项所述的变压器，其中，所述第一部分和所述第二部分沿轴线A方向彼此并排布置。
8.根据权利要求1至7任一项所述的变压器，其中，采用铁磁材料制成的所述第一和第二本体完全围绕着所述线圈。
【文档编号】H01F30/12GK104487337SQ201380024528
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2013年5月3日 优先权日:2012年5月9日
【发明者】塞德里克·杜维尔 申请人:雷比诺电力系统