包括至少一个定子和至少两个转子的旋转电机

摘要

本发明涉及一种旋转电机(10)，其包括至少一个定子(20)和至少两个转子(40)，所述至少两个转子(40)沿电机的旋转轴线(X)布置在定子(20)的两侧，所述至少一个定子(20)包括齿(21)和布置在齿上的绕组(22)，并且所述至少两个转子(40)中的每个转子包括两个相互同轴的转子电枢(42a、42b)，所述两个相互同轴的转子电枢(42a、42b)各自支承爪极，爪极布置成与定子的齿(21)以磁性方式相互作用，一个电枢的爪极与另一电枢的爪极在周向方向上交替地布置。

说明书

技术领域

本发明涉及旋转电机的领域，并且更特别地涉及具有轴向通量的旋转电机的领域。

背景技术

相比于通量在转子与定子之间沿与电机的旋转轴线成直角的方向循环的所谓的径向通量电机，“轴向通量”应当理解为意味着通量在形成于转子与定子之间的气隙中沿与电机的旋转轴线平行的方向定向。

径向通量爪极电机例如从专利US7791244、US7608972、US7466057中已知。

发明内容

本发明同样涉及交流发电机和马达。

本发明更特别地涉及包括励磁绕组的旋转电机，该旋转电机的磁场绕组通量可以根据需要经由对其供电的可调节的直流电来进行调节。

因此，本发明的主题是包括至少一个定子和至少两个转子的旋转电机，其中，所述至少两个转子沿电机的旋转轴线布置在定子的两侧，

-所述至少一个定子包括齿和布置在齿上的绕组，以及

-所述至少两个转子中的每个转子包括两个筒形的且相互同轴的转子电枢，所述两个转子电枢各自支承爪极，该爪极布置成与定子的齿——特别是借助于沿着与电机的旋转轴线平行的方向通过的磁通量——磁性地相互作用，一个电枢的爪极与另一电枢的爪极在周向方向上交替地布置。

爪极优选地根据电机的旋转轴线而面向定子的齿。因此，磁通量在形成于转子与定子之间的气隙中沿基本上平行于电机的旋转轴线的方向定向。

“沿周向方向交替地布置”意味着当绕电机的旋转轴线周向地移动时，相继地遇到(encounter)与转子的筒形转子电枢附接的爪极、然后是与同一转子的与第一电枢同轴的另一筒形转子电枢附接的爪极。

定子

定子的绕组优选地各自围绕与电机的旋转轴线平行的绕组轴线缠绕。

定子的齿可以各自大体上呈大致棱柱体的形式，例如在以相对于电机的旋转轴线成直角的方式截取的截面中，定子的齿包括由两个辐状部连接的两个同心圆部分。定子的绕组可以呈相应的形式。定子的齿具有面向每个转子的爪极的前表面。所述面优选地是平面状的并且相对于电机的旋转轴线成直角地延伸。定子可以包括至少六个齿，例如包括6个、8个或12个齿，甚至更多齿。

定子的齿可以附接至环形定子电枢。齿可以与该环形定子电枢单件式地制成，或作为变型通过任意方式保持，所述方式诸如例如粘接、焊接、螺纹接合、例如通过楔形榫头进行连接，该列举不是详尽的。

齿可以由一叠板构成，所述一叠板通过任意方式——诸如例如粘接、卡扣配合、铆接——保持紧固在一起并且例如通过螺纹接合而附接至环形定子电枢。所述板可以堆叠在与电机的旋转轴线成直角的堆叠轴线上。可以以减少材料损失的方式设计如何由一叠板切削出齿。这例如可以通过将齿定向成首尾交接来执行，以避免废料。在成本相同的情况下，能够使用例如具有更好的质量以及更高的效率的更昂贵的磁性材料来制造齿。

该齿也可以由各向同性材料——比如说例如通过印刷或粘结而聚结的磁性粉末——构成，或者根据所谓的3D打印方法通过添加金属而制成。

环形定子电枢优选地是无磁性(amagnetic)的。其例如由铝构成。因此，定子不需要具有任何磁轭，从而降低成本。作为变型，环形定子电枢不是无磁性的。

齿构造成使得其可以在环形定子电枢的仅一侧或两侧延伸距离d，该距离d可以为齿的沿电机的半径测得的高度h的10％至200％。

定子的齿可以各自对设置在位于环形定子电枢的两侧的对应的齿上的两个绕组进行支承，其中，所述两个绕组中的每个绕组均面向两个转子中的一个转子。特别地，定子的齿可以通过其中部附接至所述环形定子电枢。所产生的两个半齿的尺寸可以与它们所支承的绕组的尺寸相同。

定子可以相对于与电机的旋转轴线垂直的平面对称。

绕组可以缠绕在支撑件上，该支撑件本身螺纹连接在对应的齿上。该支撑件优选地由电气绝缘材料——例如塑料材料——制成。

定子优选地具有集中式绕组、也就是说缠绕在齿上的绕组。定子的绕组是多相的。相的数量可以是至少3，例如等于3或大于3，例如为5、7、11、13或17甚至更多。

定子的绕组的电导体可以在对应的绕组中“随意地”布置，或者相反地，“有计划地”布置。绕组可以通过任意偶数个层以分布式绕组的形式制造，例如以多个级分布。这种构型可以有利地减小与绕组的分布相关的空间谐波——如经常在具有常规拓扑结构的电机中实践的那样。

定子的绕组的电导体可以由具有圆形或椭圆形横截面的电线制成，该导体则被称为“扁线”。所使用的电线可以在被涂漆、甚至被涂漆且被覆盖的情况下在低电压下绝缘，或者可以在通过例如云母纸绝缘的情况下在中电压下绝缘，或者甚至在例如由高压电线制成的情况下在非常高的电压下绝缘。

可以利用包含在电机中的气体——例如空气——通过强制对流或者非对流来实现绕组的冷却，或者作为变型，通过在适当地包含在绕组中的盘管中、甚至在绕组的电线自身——因此该电线可以由中空的电导体制成——中的液体循环来实现绕组的冷却。

不同于转子，所述至少一个定子不需要具有爪极。视情况而定，电机的所有定子都可以是这种情况。

转子

每个转子均可以包括在两个筒形的同轴转子电枢之间布置的环状励磁线圈。该励磁线圈使得能够在筒形的同轴转子电枢中以及在面向定子的爪极中产生磁通量。此励磁线圈与电机的旋转轴线同轴。此构型的优点在于单个线圈足以对具有相同极性的所有电极供电，因此为减小了用于电机的成本。

另外，具有所谓的全局激励——也就是说包括用于所有极的单个励磁线圈——的电机与具有分布式励磁的电机——诸如具有突出的极或具有平滑转子的电机——相比具有使用较少的导电材料的优点。

因此，根据本发明的电机使得能够集合具有所谓的全局激励的电机的优点与轴向通量电机的优点。根据本发明的电机既紧凑功率又大。

励磁线圈可以相对于定子固定。换句话说，当驱使筒形转子电枢和爪极旋转时，励磁线圈不被驱动为旋转。因此，有利于转子的供电。不需要旋转电力供给系统。在本发明中，固定的励磁线圈的存在使得更容易对它们供电，这可以直接通过外部电源执行，诸如电池、辅助网络、或从电机的终端获得，以上列举不是详尽的。励磁电流可以通过适当的固定电子装置来调节。

每个转子还包括固定的铁磁环，该固定的铁磁环布置成供磁场绕组磁通量径向地穿过。励磁线圈紧固至该铁磁环。

每个转子可以包括两个辅助转子气隙，每个辅助转子气隙分别地形成在筒形转子电枢中的一个筒形转子电枢与所述转子的铁磁环之间。在所述转子中循环的磁通量径向地穿过两个辅助转子气隙。所述两个辅助转子气隙各自呈筒形形式并且相互同轴。

作为变型，励磁线圈可以被驱动旋转。在此情况下，去除辅助转子气隙，并且将线圈紧固至筒形转子电枢。由此，电机的性能水平得以提高。然而，有必要使用例如电刷或励磁旋转电机来对励磁线圈供电。

转子的筒形电枢中的每个电枢可以包括多个爪极，爪极的数量等于电机的极数的一半。“电机的极数”应当理解成意味着在围绕电机的轴线周向地移动时遇到的转子的面向定子的爪极的总数。该极数可以大于或等于4。特别地，该极数可以是4、6或8甚至更大。在变型实施方式中，电机的极数是4。

附接至同一筒形转子电枢的爪极可以具有相同的极性。转子的具有相同极性的所有爪极可以附接至同一筒形转子电枢。转子的所有具有北极极性的爪极可以附接至第一筒形转子电枢。转子的所有具有南极极性的爪极可以附接至第二筒形转子电枢。

围绕定子的两个转子可以相对于彼此成角度地偏置。这种构型能够减小扭矩波动并且能够消除空间谐波或使所选择的一组空间谐波最小化。

电机的至少一个转子、或者更优地两个转子中的每个转子、甚至所有转子不需要具有永磁体。电机的一个或更多个转子、甚至所有转子是绕线型的。“绕线型转子”描述的是包括至少一个线圈的转子，电流可以在所述至少一个线圈中循环，从而有可能在转子旋转时产生磁场。该磁场在转子的铁磁环中、在筒形的同轴转子电枢中以及在转子的爪极中循环。

如以上所解释的，根据本发明的电机不需要具有永磁体。然而，在本发明的变型实施方式中，电机包括永磁体、尤其是在转子的爪极之间布置的永磁体，以便能够使磁通量的泄漏最小化。这些磁体具有相对于旋转轴线沿周向的磁化方向。

转子的同轴筒形电枢的结构使得能够实现高旋转速度。例如，能够在不采取任何特定防范措施的情况下达到转子的150m/s的等级的圆周速度。

电机还包括被驱动为绕着电机的旋转轴线旋转的轴，该轴支撑转子的筒形的同轴转子电枢及由该筒形的同轴转子电枢支承的爪极。

该轴紧固至转子并且通过至少一个轴承——例如一个或两个轴承——安置在电机的壳体上，特别是安置在电机的一个或两个端部凸缘上。

两个转子可以关于与电机的旋转轴线成直角的平面相对于彼此完全对称或基本对称。例如，对电机的轴进行支承的轴承的数量可能引起稍微的不对称。特别地，转子可以关于磁性部分——即筒形的同轴转子电枢、爪极、环状励磁线圈以及铁磁环——相对于彼此对称，而不存在任何角度上的偏置。

为了加强电机的结构，转子也可以各自包括两个同轴框架，从而使得能够改进机械传动以及在轴上定中心。一个框架可以布置在两个筒形转子电枢之间，而另一个框架可以布置在最内部的筒形转子电枢的内侧，也就是说布置在电机的内部筒形转子电枢与轴之间。这些框架可以是非磁性的，例如由铝制成，从而不扰乱磁通量的循环。最外面的框架——即布置在两个筒形转子电枢之间的框架——可以实现电机的更好的结合，因此使电机被强化。

转子元件中的选自爪极、筒形转子电枢、铁磁环中的至少一个或更多个转子元件可以完全地或部分地由一种或更多种固体磁性材料制成，所述一种或更多种固体磁性材例如选自：灰口铸铁、球墨铸铁、又称为SMC的软磁复合材料、铸钢、锻钢，以上列举并不是详尽的。

作为变型、或附加地，转子的选自爪极、筒形转子电枢、铁磁环中的一个或更多个元件可以完全地或部分地是叠片的，即由一叠磁板制成。特别地，转子的爪极可以是叠片的，即由一叠磁板制成。

转子的励磁线圈的冷却可以以与定子的绕组的冷却相同的方式实现，因为转子的励磁线圈是固定的并且因此可以通过流体、液体或气体的循环而有利地被冷却。因而，可以利用包含在电机中的气体——例如空气——通过强制对流或者非对流来实现绕组的冷却，或者作为变型，通过在适当地包含在线圈中的盘管中、甚至在线圈的电线自身中——因此该电线可以由中空的导体制成——的液体循环来实现绕组的冷却。

电机

根据本发明的电机可以形成马达。在形成马达的情况下，电机的极数可以是至少8，例如是8或12。这种电机的益处之一在于其紧凑性。

作为变型，电机也可以形成发电机。在此情形下，其可以包括例如4个或6个极。在变型的实施方式中，电机包括例如4个极和6个齿。

电机可以制成为是气密的。可以在其中形成局部真空，例如小于0.3bar，或者甚至可以将轻气体——例如氢气或氦气——引入其中。这使得能够使气压流(aeraulic)损失最小化，并且因此使得能够以较高的速度操作，例如以高于转子的圆周速度150m/s的速度操作。

可以通过将空气吸入电机来迫使电机通风。假设电机的结构具有布置在定子的两侧的两个转子，则该吸入可以通过电机的中间部分实现。

本发明的另一主题是包括多个如上所述的电机的旋转电机，每个电机均包括布置在共同的旋转轴线上的定子和两个转子。这种电机根据所需的电力或机械动力包括例如两个各自包括定子和两个转子的组件，甚至是更多个该组件，例如三个或四个该组件甚至更多。

本发明的显著主题是包括三个根据本发明的电机的电机，其中，所述三个电机各自包括布置在共同的旋转轴线上的定子和两个转子，其中，定子的绕组是三相的，每个定子为一相。

附图说明

通过阅读本发明的非限制的示例性实施方式的以下详细描述以及通过对附图的查看将更好地理解本发明，在附图中：

–图1是根据本发明制造的电机的立体图，

–图2和图3是图1的电机的分解立体图，

–图4是更详细的视图，

–图5和图6是图1至图4的电机分别处于紧凑组装状态和分解状态的纵向截面图，

–图7和图8是图1至图6的电机的旋转部分分别处于组装状态和分解状态的视图，

–图9是图8的旋转部分的纵向剖切的分解图，

–图10和图11是图1至图9的电机的固定部分分别处于组装状态和分解状态的纵向截面图，

–图12是图1至图11的电机的定子的立体图，

–图13是图1至图11的电机的定子的分解视图，

–图14示出了用于制造定子的齿的方法，

–图15是具有两个轴承的变型实施方式的立体图，

–图16是处于组装状态的纵向截面视图，

–图17是图15和图16的电机的分解立体图，

–图18是图15和图16的电机的更详细视图，

–图19是具有两个轴承并具有中央吸入部的变型实施方式的立体图，

–图20是图19的变型实施方式的纵向截面图，

–图21是图19和图20的电机的分解立体图，

–图22是具有两个轴承、具有中央吸入部并具有增强的结合性的变型实施方式的立体图，

–图23是图22的变形实施方式的纵向截面图，以及

–图24是图22的变形实施方式的详细视图。

具体实施方式

图1至图13示出了根据本发明的旋转电机10，该旋转电机10包括定子20和沿电机的旋转轴线X分别设置在定子20的两侧的两个转子40。

图7至图9示出了电机的旋转部分，并且图10和图13示出了固定部分。

定子包括齿21和布置在齿21上的绕组22。如可以在图11中明显看出的，绕组22各自围绕与电机的旋转轴线X平行的绕组轴线Y而缠绕。

定子20的齿21各自包括两个半齿。每个半齿支承绕组22。所述两个半齿布置在环形定子电枢24的两侧，所述两个绕组中的每个绕组面向两个转子40中的一个转子。半齿例如通过它们的中部、例如经由螺纹接合而附接至电枢24。图13示出了径向定向的供螺钉穿过的孔。两个半齿具有与它们所支承的绕组的尺寸相同的尺寸。因此，定子相对于定子的与电机的旋转轴线X成直角的中心面是对称的。每个绕组缠绕在布置在对应的半齿上的支撑件25上。此支撑件25优选地由电绝缘材料——例如塑料材料——制成。在描述的示例中，环形定子电枢24是磁性的。

齿21构造成使得它们在环形定子电枢24的一侧延伸距离d，该距离d在图13中示出的示例中等于沿电机的半径测得的齿的高度h的100％。该距离d可以为齿的高度h的10％至200％。作为变型，可以使齿在环形定子电枢的两侧径向地延伸而不偏离本发明的范围。

当沿轴线X观察时，齿21通过由两个辐状部21c连接的两个同心圆部分21a和21b限定。绕组22呈相应的形式。齿21具有各自面向转子40的两个主面21d。面21d是平面的并且相对于电机的旋转轴线X成直角地延伸。在描述的示例中，定子包括六个齿，但也可以包括8或12个齿，甚至更多。

齿21可以形成为通过任意方式保持紧固在一起的一叠板。该板可以沿相对于电机的旋转轴线X成直角的堆叠轴线Z而堆叠。齿21在所述一叠板中的切削可以以避免损失或使损失最小化的方式执行。这可以执行为以首尾交接(head-to-tail)的方式获得齿，从而不产生任何废料或产生很少的废料，如在图14中所示。

两个转子40中的每个转子包括两个筒形的相互同轴的转子电枢42a和42b，所述转子电枢42a和42b各自支承爪极44，爪极44布置成轴向地面向定子20的齿21，如在图5中明显观察到的。转子的爪极44面向齿21。第一电枢42a的爪极44与第二电枢42b的爪极44在周向方向上交替地布置。换句话说，当围绕电机的旋转轴线X周向地移动时，相继地遇到附接至转子的第一筒形转子电枢42a的爪极44、然后是附接至同一转子的第二筒形转子电枢42b的爪极44。

如在图6和图10中明显观察到的，转子40中的每个转子还包括布置在两个筒形的同轴转子电枢42a与42b之间的环状励磁线圈50。此励磁线圈50使得能够在筒形的同轴转子电枢42a和42b中以及在面向定子20的爪极44中产生磁通量。此励磁线圈50与电机的旋转轴线X同轴。

在描述的示例中，励磁线圈50相对于定子20固定。当以此方式驱动筒形转子电枢42a和42b以及爪极44时，不驱动励磁线圈旋转。

转子40中的每个转子还包括铁磁环52，铁磁环52也被固定并且布置成供磁场绕组磁通量径向地穿过。励磁线圈50紧固至该铁磁环52。

两个辅助转子气隙48分别地形成在筒形转子电枢42a或42b中的一者与转子的铁磁环52之间。在转子中循环的磁通量径向地穿过两个辅助转子气隙48。两个辅助转子气隙48是同轴的。

在描述的示例中，转子40的每个筒形电枢均包括两个爪极，即转子具有四个极。爪极的数量等于电机的极数的一半。作为变型，极数可以大于4。极数可以特别地为6或8，甚至更多。

如在图8中明显观察到的，为了强化电机的结构，转子还有利地各自包括两个同轴框架49a和49b，使得能够改进机械传动以及在轴15上定中心。一个框架49a布置在两个筒形转子电枢42a和42b之间、与励磁线圈50相邻，并且采取由辐状部的部分连接的两个同轴轮的形式。另一个框架49b设置在内部筒形转子电枢42b内侧，也就是说设置在内部筒形转子电枢42b与电机的轴15之间，并且采取并排布置的两个盘的形式，所述两个盘各自包括通过辐状部连接的两个同轴轮，两个相邻的盘通过在轴15上保持在该两个相邻的盘之间的中央套管49c连接。

为了不扰乱磁通量的循环，这些框架49a和49b可以是非磁性的，例如由铝制成。最外部的——即布置在两个筒形转子电枢之间的——框架49a可以实现电机的更优的结合。

围绕定子的两个转子在所描述的示例中面对面地布置，其中，这两个转子相对于彼此没有成角度地偏置。转子也可以相对于彼此成角度地偏置。

电机10包括紧固至转子40的轴15，轴15通过轴承16安置在电机的壳体17上，特别地安置在电机10的端部凸缘18上，这可以在图6中观察到。

电机还包括在轴15上布置成与端部凸缘18相对的风扇19，该风扇19容置在套圈12中并由轴15驱动。套圈12包括允许空气离开的开口13，其中，空气可以通过形成在端部凸缘18中的格栅14进入电机。

在图15至图18中示出的变型实施方式中，并且如更特别地可以在图16中观察到的，轴15通过滚动轴承16安置在电机的壳体17上，并且更特别地安置在电机10的两个端部凸缘18上。

在此特别情况下，容置风扇19的套圈12在与转子和定子相反的一侧上由第二端部凸缘18封闭。因此，电机是略微不对称的，此不对称是由于在电机的一侧上存在风扇19而引起的。

在图19至21中示出的另一变型实施方式中，壳体17包括布置在电机的两端中的每一端处的两个风扇19，该两个风扇19位于各自由端部凸缘18封闭的套圈12中。另外，壳体17包括开口17a，从而允许空气通过其中心进入电机，之后空气在电机内侧循环以对电机进行冷却，并且在电机的两侧通过套圈12的开口13对称地离开。

在图22至图24中示出的另一变型实施方式中，每个转子40包括贯穿两个筒形转子电枢42a和42b以及两个同轴的框架49a和49b的钻孔43，以接纳无磁性紧固螺钉，从而能够增强转子40的结合。

现在将描述电机的操作，在转子40的励磁线圈50中循环的电流以及这些转子的爪极44的旋转产生了磁通量，该磁通量在转子中的一个转子中循环，之后在定子中循环，即在定子的齿21中沿与电机的旋转轴线基本上平行的轴线循环，然后磁通量在位于定子的另一侧的第二转子中循环。在转子中，该通量从附接至同轴转子电枢42a中的一个同轴转子电枢的具有给定极性的爪极循环到该同轴转子电枢42a中、进入铁磁环52中，之后通量返回至另一同轴转子电枢42b，然后循环至附接至该另一个同轴转子电枢42b的具有另一极性的爪极中。

明显地，本发明不限于已经描述的示例性实施方式。

特别地，可以增加定子的数量。

措辞“包括一个”应该被理解为与“包括至少一个”同义。