CN101098099B - 具有改进绕组的电机 - Google Patents

Abstract

本发明尤其讨论了在由股77、79、93或95形成的绕组或线圈48、51之间具有交叉的定子30。线圈没有交叉以增大定子狭槽的填充因数。在内线圈75B与外线圈75A之间的末端连接处的交叉提供减小环流损耗的交叉。增大的填充因数减小了额外的电流损耗。这种定子30使用在例如压缩机泵、风轮机变速箱和风轮机转子中的双转子永磁电机20中。

Description

具有改进绕组的电机

关于联邦赞助的研究或开发的陈述

本发明是用能源部(DOE)给予的美国政府支持而做出的，授权No.DE-AC36-99-GO10337。美国政府拥有本发明中的某些权利。

背景技术

诸如大型发电机的电机包括转子和定子。定子典型地包括位于磁芯中的狭槽中的多相绕组。转子绕轴线的运动移动与转子相关联的磁场，由此感应出电流以流过各相绕组中的每个。然而，来自转子和来自绕组本身的磁通量会在绕组中产生额外的感应电压和涡流。为了克服该缺点，绕组包括多股导线以使涡流损耗最小化。发电机中的通量是不均匀的。因此，感应电压从股到股变化，由此造成过度损耗和发热。如Roebel所发现的，例如见于美国专利No.1,114,252(通过参考包含于此)，股的交叉使该效应最小化并减小了环流和产生的发热。更具体地，沿在定子中的狭槽中的股的轴向长度通过360度交叉每股减小了环流。而这又牺牲了狭槽中的空间。然而，绕组中股的交叉制造很费时并且昂贵。而且，交叉导致狭槽中较少的绕组材料，而这又需要较大的狭槽和定子磁芯。当发电机用于风轮机应用时，并不总是可以增大发电机的尺寸和重量。

发明内容

此简要说明意在提供本发明应用的主题的概述。而不是意在提供本发明的排他的或穷举的说明。包括了详细说明以提供关于本发明应用的主题的进一步的信息。

本发明的实施例包括在绕组或线圈之间具有交叉的永磁电机。在一实施例中，绕组没有内部交叉。在一实施例中，交叉出现在内绕组与外绕组之间的连接处。

本发明的实施例包括永磁电机，该永磁电机包括永磁转子和至少一个定子，该永磁转子包括内转子部件和外转子部件，该至少一个定子位于内转子部件与外转子部件之间，并且永磁电机包括用于减小定子中的环流的装置。

本发明的实施例包括用于电机的定子。该定子包括具有大体空心圆筒形的磁芯(该磁芯具有中心内开口)、邻近该中心内开口的多个内绕组和在内绕组径向外部的多个外绕组。内绕组包括第一股和堆叠在第一股上的第二股。第一股定位成在内绕组的最内匝处比第二股更接近内开口。外绕组包括第三股和堆叠在第三股上的第四股。第四股在外绕组的最外匝处位于第三股的外部。第四股在第一连接处连接到第二股。第三股在第二连接处连接到第一股。在一实施例中，第一连接和第二连接提供该连接的内绕组与外绕组之间的交叉。

本发明的实施例还包括在本文献中说明的子系统和方法。

附图说明

在不必按比例绘制的附图中，相同的数字标记在所有视图中都指示基本相同的部件。具有不同字母后缀的相同数字标记代表基本相同的部件的不同的实例。附图通过示例而不是通过限制基本示出了本发明中讨论的各种实施例。

图1示出根据本发明的实施例的电机；

图2示出根据本发明的实施例的电机；

图3示出根据本发明的实施例的双线圈定子的示意图；

图4示出根据本发明的实施例的双线圈定子的另一个视图；

图5示出根据本发明的实施例的相邻线圈定子的视图；

图6示出根据本发明的实施例的线圈连接的视图；

图7示出根据本发明的实施例的线圈连接的视图；

图8示出根据本发明的实施例的线圈连接的视图。

具体实施方式

以下详细说明包括对附图的参考，附图形成详细说明的一部分。附图通过举例说明示出可实施本发明的特定实施例。充分详细地说明在此也称为“示例”的这些实施例，以使本领域的技术人员能实施本发明。实施例可组合，可利用其它实施例，并且可做出结构、逻辑和电的修改而不背离本发明的范围。因此，以下详细说明是非限制性的，并且本发明的范围由所附权利要求书及其等效物限定。

在此文献中，如在专利文献中所常见的，使用“一”以包括一个或多于一个。在此文献中，术语“或”用于指非独占性的或，除非特别指示。而且，在此文献中参考的所有出版物、专利和专利文献都通过参考将其全部包含于此，如同通过参考单独包含。如果在此文献与通过参考包含的文献之间出现不一致的使用，则应认为所包含的参考文献中的使用是本文献的使用的补充；对于不可调和的矛盾，本文献中的使用占主导地位。

图1示出具有转子-定子-转子构造的双转子永磁电机20。也就是说，电机20具有定子30和永磁转子35，该永磁转子具有内转子部件36和外转子部件37，定子30位于内转子部件36与外转子部件37之间。定子具有由内表面38和外表面42限定的大体空心圆筒形状。内转子部件36位于定子内表面38的空心中心空间内部，并且通过内气隙44与其隔开。外转子部件37位于定子外表面42的外侧，并且通过外气隙46与其隔开。定子30还包括邻近内气隙44定位的多个内绕组48和邻近外气隙46定位的多个外绕组51。绕组48、51在实施例中是背靠背绕组。在实施例中，定子30的主体由连接在一起的多个堆叠的叠片形成。在实施例中，定子30的主体由任何软磁或铁磁材料制成，诸如压缩在一起以形成整体结构的磁粉材料。

转子35具有内转子部件36和外转子部件37。内转子部件36包括内表面53和外表面55。转子内表面53限定出穿过其延伸的中心孔，轴57固定在该中心孔中。在实施例中，轴57固定到诸如风轮机变速箱或转子、油或气动涡轮或液力源的转动源。轴57也可以连接到另一个转动机械负载，例如船推进器、发电机或压缩机泵。外表面55上安装有多个径向极化的永磁体59。外转子部件37位于内转子部件36的径向外部。外转子部件也位于定子30的径向外部。外转子部件37包括内表面61和外表面63。多个径向极化的永磁体65固定到内表面61上，并且邻近外气隙46。内部第一气隙44形成在内转子部件36的内转子磁体59的径向外部和定子30的内绕组48的径向内部。外部第二气隙46形成在外转子65的径向内部和定子60的绕组51的径向外部。在实施例中，内转子部件36和外转子部件37是使内转子部件36和外转子部件37在操作中以相同速度转动的单个整体转子。在操作中，两个转子部件36、37与定子30相互磁作用。这使得磁体65、59驱动定子60内的磁场，使得在缠绕定子的绕组48、51中感应出反电磁力。由于定子的内外表面都用作工作表面，本发明在电机20的单位尺寸下提供提高的发电能力或转矩。结果，较高的绕组使用将导致较高效率的发电或较高的转矩密度。

双转子径向通量永磁电机20如同两个串联的传统电机工作。磁体59、65被径向地磁化，但可使用阻塞(blocked)、磁罐(magneticcan)、锥形、平行或交错的方法被磁化。另外，永磁体可包括铁氧体磁体或稀土磁体。

图2示出双转子、径向通量、带狭槽、表面安装的永磁电机20A的实施例。电机20A包括带狭槽的定子30A和具有内外转子部件36、37的转子35。电机20A具有类似于上述结构的转子-定子-转子结构。定子30A具有大体圆筒形状，并且位于两个转子部件36、37中间。定子30A具有径向内表面38A和径向外表面42A。定子30A的主体69的径向外部和内部都具有齿67。在一实施例中，定子30A的主体69包括连接在一起的多个堆叠的叠片。定子30A的主体69包括由粉末材料或磁性材料形成的压缩结构。这些齿限定出内狭槽71和外狭槽73。在狭槽71、73中围绕齿定位有多个多相绕组。内狭槽71中的绕组视为内绕组。外狭槽中的绕组视为外绕组。在一实施例中，绕组是非交叉且相互电绝缘的多个扁平导线服。

图3示出定子30的横截面局部示意图，该定子包括定子元体69、径向向外延伸的齿67A和径向向内延伸的齿67B。齿67A和齿67B都从定子元体69沿相反径向方向伸出。定子元体包括其中的孔73，在一实施例中，该孔可辅助定子的冷却或制造。外齿67A与内齿67B径向地对准。围绕外齿67A定位有外线圈75A。外线圈75A包括直接邻近外转子定位的第一股77和位于第一股77下方的第二股79。这些股继而交替堆叠在彼此上以产生堆叠的绕组。股77、79相互电绝缘。股77、79一起形成线圈75A的一匝(turn)。第一股77的端部连接有第一端子81。第二股79的端部连接有第二端子83。端子81、83提供从外线圈到定子的其它绕组或到诸如配电系统的其它电系统的电连接。外线圈75A形成为以便使顶股77在外线圈的向内端部处保持在底股79的顶部上。在一实施例中，外线圈在狭槽内没有任何交叉。这可以将股77、79选择成基本等于狭槽的宽度，所述股将在该狭槽的整个高度上被置于该狭槽中。也就是说，在狭槽中没有由交叉股产生的任何气隙。如果股将共用一狭槽，则股77、79具有等于狭槽宽度一半的宽度。在一实施例中，股为具有矩形横截面的铜条。这些条的高度小于所述宽度，如图3所示。在一实施例中，堆叠在彼此上的股不等于狭槽的深度。股的宽度可以不等于狭槽的宽度。在一实施例中，股的宽度可以小于狭槽宽度的一半。因而狭槽中的空间可改善电机的冷却。股77、79终止于沿线圈的路径远离端子81、83并且邻近定子元体定位的端子85、87。

内线圈75B位于内齿67B周围。内线圈75B包括直接邻近内转子定位的第一股93和位于第一股93上方的第二股95。股93、95缠绕以形成交替堆叠，第二股95在各对股上保持在第一股上方。股93、95相互电绝缘。第一股93的内端连接有第一内端子89。第二股95的端部连接有第二内端子91。端子89、91提供从内线圈到定子30的其它绕组的电连接。内线圈75B形成为以便使底股93在内线圈的内端处保持在配对的顶股95的下方。在一实施例中，内线圈75B在狭槽内没有任何交叉。这可以将股93、95选择成基本等于狭槽的宽度，所述股将在该狭槽的整个高度上被置于该狭槽中。也就是说，在狭槽中没有由交叉股93、95产生的任何气隙。如果股将与其它绕组共用一狭槽，则股93、95具有基本等于狭槽宽度一半的宽度。在一实施例中，堆叠在彼此上的股不等于狭槽的深度。股的宽度可以不等于狭槽的宽度。在一实施例中，股的宽度可以小于狭槽宽度的一半。在一实施例中，股93、95为具有矩形横截面的铜条。这些条的高度小于所述宽度，如图3所示。

作为最接近外转子的股的外线圈股77的端子85连接到作为相对于股93和内转子远离的股的内线圈股95的端子91。作为相对于外转子和股77远离的股的外线圈股79的端子87连接到作为相对于内转子最近的股的内线圈股93的端子89。如图3所示，最顶部的外股77连接到最顶部的内股95。最底部的外股79连接到最底部的内股93。该连接提供该对径向对准的外、内线圈75A、75B之间的股的一种类型的交叉。因此，内线圈75B的两股93、95与外线圈75A的股77、79之间的连接提供交叉以减小环流。而且，在各线圈或绕组中多股的使用减小了涡流。这将提高电机20的效率。

图3中示出的是定子30的一部分。多个这些对准的内外线圈并排定位，以限定圆筒形定子30。在一实施例中，在电机20中有用于总共192个线圈的96个如图3所示的内外线圈对。

图4示出定子30的一部分的另一个示意图。由相同的标号指示与图3所示相同的元件。与最顶部的上线圈股77相联的端子85和与最顶部的下线圈股95相联的端子91通过跨接器103连接。跨接器103是刚性金属U形条。跨接器103具有在端子85上方延伸并连接到端子85的上腿、在端子91上方延伸并连接到端子91的下腿和连接上腿和下腿的径向延伸(相对于定子)的腹板。在一实施例中，跨接器103的腿分别焊接到端子85、91上。与下部上线圈股79相联的端子87和与下部下线圈股93相联的端子89通过跨接器101连接。跨接器101是刚性金属U形条。跨接器101具有在端子87下方延伸并连接到端子87的上腿、在端子89下方延伸并连接到端子89的下腿和连接上腿和下腿的径向延伸(相对于定子)的腹板。在一实施例中，跨接器101的腿分别焊接到端子87、89上。当内绕组75B连接到外绕组75A时，这些跨接器101、103提供绕组的交叉。

图5示出在外定子或内定子中的一个上的两个线圈的实施例的透视图。将作为外定子的一部分说明两个线圈，应理解，在内定子上的两个邻近的线圈以相同的方式连接并且具有相似的结构。在一实施例中，线圈75A位于定子元体中的邻近狭槽73中。在另一个实施例中，线圈不位于定子元体中的邻近狭槽中。线圈75A形成在卷绕定子的齿的堆叠的条状股77、79上。股77、79相互电绝缘。虽然作为堆叠的或股在股上(strand-over-strand)的线圈构造说明该实施例，应理解，线圈可做成并排的构造以填充定子中的狭槽。为了产生多相电力，绕组必须连接到一起。刚性连接器106和107分别连接并排的绕组75A的顶股77和底股79。

图6-7示出根据本发明的实施例的三相电机。在图6-8中示出多对线圈601A和601B、602A和602B、603A和603B、...636A和636B，也就是说，如此所述，每个数字标记601-636都包括用后缀“A”指示的内线圈和用后缀“B”指示的外线圈。每个线圈包括多个缠绕的股。在一实施例中，有两股，该两股可以是条类型的股，以如此所述用导电材料基本填充各狭槽。在三相电机的实施例中，线圈对601、602、607、608、613、614、619、620、625、626、631和632形成用于第一相的电路。线圈对603、604、609、610、615、616、621、622、627、628、633和634形成用于第二相的电路。线圈对605、606、611、612、617、618、623、624、629、630、635和636形成用于一相的电路。图6示出一实施例，其中交叉是当电机20的内线圈和外线圈连接成以便使最接近外部的外线圈的顶股连接到不是最接近内转子的内线圈的顶股时出现的自然交叉。因此，从内线圈到外线圈的所有连接都是股到股的连接。这些股必须相互绝缘。内线圈相互的连接是匝到匝的连接。在一实施例中，这些连接焊接在一起并且不需要绝缘。外线圈相互的连接是匝到匝的连接。在一实施例中，这些连接焊接在一起并且不需要绝缘。

图7示出另一个实施例，在每个相电路中出现交叉701、703或705。也就是说，在线圈的中间第三个中的线圈对之间的连接中，用于各相的相应连接是交叉的。在一示例中，在连接处内的股物理地编织在一起，以交叉连接处。在一实施例中，连接交叉出现在用于各相的绕组的中间处。交叉701、703或705在各相中的六个线圈对后出现。在该实施例中，每个线圈有两股，因此仅需要一个交叉。在一实施例中，交叉701在邻近的线圈对之间，例如，在内线圈64A和内线圈620A之间。在一实施例中，交叉703在邻近的线圈对之间，例如，在内线圈616A与内线圈622A之间。在一实施例中，交叉705在邻近的线圈对之间，例如，在内线圈618A与内线圈624A之间。在一实施例中，构成线圈的股是股之间绝缘的多股线圈绕组。

图8示出连接交叉801、803、805、811、813和815的另一个实施例。在一三相电机中，交叉801、811在第一相电路中。交叉803、813在第二相电路中。交叉805、815在第三相电路中。第一组交叉801、803、805分隔第一组三个线圈对和第二组三个线圈对。第二组交叉811、813、815分隔第二组三个线圈对和最后三个线圈对。图8的实施例中的线圈中的股包括每线圈三股，并且因此需要两个交叉。三股线圈要求交叉彼此不同。对于内线圈和外线圈都有顶部、中间和底部股。线圈之间的连接在内线圈或外线圈之间。连接部801、803、805是相同的并且如下所述。左线圈的顶股连接到右线圈的中间股。左线圈的中间股连接到右线圈的底股。左线圈的底股连接到右线圈的顶股。在一替换实施例中，交叉股连接是左顶股到右底股、左中间股到右顶股和左底股到右中间股。这里使用的连接交叉出现在线圈之间，并且不在狭槽内，以保证定子的狭槽中的线圈材料的量的最大化。在该实施例中，构成线圈的股是股之间绝缘的多股绕组。

在此说明的实施例的结构和方法提供一种改进的绕组，该绕组导致环流损耗的减小。环流损耗由于线圈中的各股中的电压的差别而产生。这种损耗降低了电机效率，例如发电机电输出效率，并且增大热应力。因此，能量产生的损耗增大，或者能耗增大。在与风轮机一起使用的发电机中希望减小这些损耗。交叉设置在线圈之间，例如内外线圈对之间，以减小环流。而且，从绕组或线圈内去除交叉减小了制造线圈的成本。另一个改进是通过不具有线圈中的交叉几乎完全填满定子狭槽。这减小了电机中的直流(DC)铜耗。也就是说，在线圈交叉电机结构中，例如铜的绕组材料的质量在本发明的实施例中比传统的较大。因此，对于相同的输出功率，根据本发明的电机的质量将小于传统电机。当发电机位于塔的顶部附近或在塔的顶部处的毂中时，质量在永磁风轮机中是重要的设计标准。

应理解，以上说明意在是说明性的，而不是限制性的。例如，上述实施例(和/或其方面)可相互结合使用。当仔细阅读以上说明时，许多其它实施例对于本领域的技术人员是显而易见的。因此，应该参照所附权利要求书和这些权利要求书的等效物的全部范围一起限定本发明的范围。在所附权利要求书中，术语“包括(including)”和“其中(in which)”作为各术语“包括(comprising)”和“其中(wherein)”的简单英文等效物使用。而且，在以下权利要求书中，术语“包括(including)”和“包括(comprising)”是开放式的，也就是说，在权利要求中包括除了在这种术语之后列出的元件外的元件的系统、设备、物品或过程仍认为落在该权利要求的范围中。而且，在以下权利要求书中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅作为标记使用，而不是意在在其目标上强加数字要求。

提供本公开的摘要以符合37 C.F.R.§1.72(b)，其需要使读者可以迅速确定技术公开的实质的摘要。应理解，它将不被用于解释或限制权利要求书的范围或含义。另外，在以上详细说明中，各种特征可分组在一起以简化公开。该公开的方法不应理解为反映出要求保护的实施例需要比在每个权利要求中清楚地引用的更多的特征的意图。而是，如以下权利要求书所反映的，发明主题可在于少于单个公开的实施例的所有特征。因此以下权利要求由此包含在详细说明中，每个权利要求独立作为单独的实施例。

附图标记说明

双转子永磁电机20、20A

定子30、30A

永磁转子35

内转子部件36

外转子部件37

内表面38、38A

外表面42、42A

内气隙44

外气隙46

内绕组48

外绕组51

内表面53

外表面55

轴57

磁体59

内表面61

外表面63

磁体65

齿67、67A、67B

定子元体69

狭槽71

孔73

线圈75A、75B

股77

股79

端子81、83

端子85、87

股93、95

端子89、91

跨接器101

跨接器103

连接器106、107

线圈601-636

交叉701、703、705

交叉801、803、805、811、813、815

Claims (14)

1.一种永磁电机，包括：

包括内转子部件和外转子部件的至少一个永磁转子；

位于所述内转子部件和所述外转子部件之间的至少一个定子，该定子包括邻近所述内转子部件的内狭槽和邻近所述外转子部件的外狭槽；

与所述内狭槽相关联的多个多相内绕组，其中至少一个内绕组包括第一内股和第二内股，并且所述第一内股比所述第二内股更接近所述内转子部件；

与所述外狭槽相关联的多个多相外绕组，其中至少一个外绕组包括第一外股和第二外股，并且所述第一外股比所述第二外股更接近所述外转子部件；

其中所述第一内股在第一连接处连接到所述第二外股，并且

所述第二内股在第二连接处连接到所述第一外股，并且

所述第一和第二连接提供所述至少一个内绕组和所述至少一个外绕组之间的交叉。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述第一外股和所述第二外股每个都是径向向外堆叠在彼此上的扁平条。

3.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述第一内股和所述第二内股每个都是径向向外堆叠在彼此上的扁平条。

4.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述第一内股、所述第二内股、所述第一外股和所述第二外股中的至少一个包括铜。

5.一种永磁电机，包括：

包括内转子部件和外转子部件的至少一个永磁转子；

位于所述内转子部件和所述外转子部件之间的至少一个定子，该定子包括磁芯、多个内绕组和多个外绕组，其中至少一个内绕组包括邻近所述内转子部件的第一内股和邻近所述第一内股的第二内股，并且至少一个外绕组包括邻近所述外转子部件的第一外股和邻近所述第一外股的第二外股，并且所述第一内股在第一连接处连接到所述第二外股，而所述第二内股在第二连接处连接到所述第一外股，并且所述第一连接和所述第二连接提供交叉以减小所述定子中的环流。

6.根据权利要求5所述的电机，其特征在于，所述内绕组和所述外绕组都是堆叠的条。

7.根据权利要求6所述的电机，其特征在于，所述定子包括完全由所述内部堆叠的条绕组填充的内狭槽，并且所述定子包括完全由所述外部堆叠的条绕组填充的外狭槽。

8.一种用于永磁发电机的定子，包括：

具有大体空心圆筒形状的磁芯，该磁芯具有中心内开口；

邻近所述中心内开口的多个内绕组，所述内绕组中的至少一个包括第一股和堆叠在所述第一股上的第二股，所述第一股在所述内绕组的最内匝处比所述第二股更接近所述内开口；

在所述内绕组径向外部的多个外绕组，所述外绕组中的至少一个包括第三股和堆叠在所述第三股上的第四股，所述第四股在所述外绕组的最外匝处在所述第三股的外部，所述第四股在第一连接处连接到所述第二股，并且所述第三股在第二连接处连接到所述第一股，

所述第一连接和所述第二连接提供所述内绕组和所述外绕组之间的交叉。

9.根据权利要求8所述的定子，其特征在于，所述第三股和所述第四股每个都是径向向外堆叠在彼此上的扁平条。

10.根据权利要求8所述的定子，其特征在于，所述第一股和所述第二股每个都是径向向外堆叠在彼此上的扁平条。

11.根据权利要求8所述的定子，其特征在于，所述第一股、所述第二股、所述第三股和所述第四股中的至少一个包括铜。

12.根据权利要求8所述的定子，其特征在于，所述内绕组还包括连接在一起的第一相的内绕组。

13.根据权利要求12所述的定子，其特征在于，所述外绕组还包括连接在一起的第一相的外绕组。

14.根据权利要求8所述的定子，其特征在于，所述第一线圈包括第一股和第二股，所述第一股最接近转子，并且所述第二股远离转子，并且所述第二线圈包括第三股和第四股，所述第三股最接近转子并且连接到所述第二股，以及所述第四股远离转子并且连接到所述第一股。

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