CN101657955B - 电机 - Google Patents

Abstract

用于将电能转换成机械能和反向转换的电机，包括一个活动部分(k，k′，f，fr，fr′)和一个固定部分(S，M，L，W)，在横向的磁通引导情况下，活动部分(k，k′，f，fr，fr′)构造成内部运转的、无绕组的转子(k，k′，f，fr，fr′)，其中为了磁通引导，所述转子(k，k′，f，fr，fr′)包括至少两个轴向相互间隔开的磁导体(f)和所述固定部分(S，M，L，W)具有在机器的周向上的一些磁性作用的隔片(S，M)，它们与转子(k，k′f，fr，fr′)的磁导体(f)作用连接。固定部分(S，M，L，W)具有至少一个第一绕组结构(W，L)和一个第二绕组结构(L)，第二绕组结构布置在转子的轴向相间隔的磁导体(f)之间。

Description

电机

技术领域

本发明涉及电机领域。它涉及一种用于将电能转换成机械能和反向转换的这样的电机，其包括一个活动部分和一个固定部分，在横向的磁通引导情况下活动部分构造成内部运转的无绕组的转子，为了磁通引导，转子包括至少两个在轴向上相互间隔开的磁导体，从而形成一个第一和一个第二叶轮，和固定部分在机器的周向上包括一些磁性作用的隔片，其与转子的磁导体作用连接，该固定部分具有至少一个第一绕组结构，其与转子的轴向相间隔的磁导体也处于作用连接。

用于将电能转换成机械能和反向转换的机器，包括一个活动部分和一个固定部分，其中在横向的磁通引导情况下活动部分构造成内部运转的无绕组的转子。

虽然这种所谓的横向磁通机由于其具有极好的扭矩质量比而受到不断的关注，但是相对地它们被认为是复杂和因而对制造是一种挑战。

背景技术

对于电机来说，横向的磁通引导的技术自几十年以来就是已知的。但是横向磁通机被认为在制造上是复杂的并且与常规电动旋转机相比，已知的横向磁通机如今实际上具有大量的不同的部件，其组装费时和由此成本高。

另一方面，驱动技术的常规电机例如在机械方面需要专门的针对力传递的匹配，如减速器，以便能够将相应的大的扭矩例如引导到风能电站的叶轮轮毂上。这种减速器不仅涉及到附加的费用，而且需要空间，维护和产生摩擦损失。这些不利之处只有在驱动装置能够无减速器地设计情况下才能够避免。为此需要大的扭矩，该扭矩可以由在比扭矩和效率上具有突出特性的横向磁通机实现。因此横向磁通机似乎特别适合用作直接驱动机。

尽管其具有好的特性，但是由于制造复杂，横向磁通机至今没有得到大规模的制造。

由DE3536538A1已知在一种横向磁通机中相应于极对的数目在固定的机器部分中安装了U形成型件式的软铁元件，其闭合磁回路。活动的机器部分在此处构造成内部运转的盘形转子；它具有在它的与转子轴线垂直布置的盘面上按照交替顺序设置的用于激励的永久磁铁。这些永久磁铁受到对应于机器的转速的离心力，该离心力对这种永久磁铁和转子之间的粘接连接可以形成大的负载。

DE19547159A1公开一种横向磁通机，其作用为具有旋转的软铁元件的外转子机。虽然它的结构在形成的离心力方面相对于DE3536538A1显示出一种有利的结构变型，但是它的结构比较复杂，因为环绕运行的转子元件是每个相借助于环形结构保持的。

WO2006126552公开一种用于将电能转换成机械能和反向转换的电机，包括一个活动部分和一个固定部分，在横向的磁通引导情况下，活动部分构造成内部运转的，无绕组的转子，转子为了磁通引导包含至少两个轴向相互间隔开的磁导体，从而形成一个第一和一个第二叶轮，和固定部分包括在机器的周向上的一些磁性作用的隔片，它们与转子的磁导体作用连接，该固定部分具有至少一个第一绕组结构，其也与轴向间隔开的转子的磁导体作用连接。

发明内容

从现有技术出发，本发明的任务是提出一种电机，该电机在具有好的离心力耐抗性情况下显示出改进的扭矩/机器体积比。

本发明的该任务由权利要求1所述的电机解决。该机器的有利的实施例是从属权利要求的主题或可以在以下的说明书和实施例中获取。

用于将电能转换成机械能和反向转换的电机包括一个活动部分和一个固定部分，其中在横向的磁通引导情况下活动部分构造成内部运转的，无绕组的转子和转子为了磁通引导在此处所谓的叶轮上具有至少两个轴向相互间隔开的磁导体，在它们之间固定部分在机器的周向上具有一些磁性作用的隔片，它们与转子的磁导体作用连接和该固定部分具有至少一个第一绕组结构，其与轴向间隔开的转子的磁导体也作用连接。附加地，按照本发明的机器具有在隔片上的一个第二绕组结构，其中或者第一绕组结构起作电枢绕组的作用和第二绕组结构起作激励绕组的作用或者相反地起作用和其中至少一个第一和一个第二叶轮用一个另外的磁导体沿着径向向内磁作用地连接起来。

磁通由此从固定部分的磁性作用的隔片出发经转子的第一磁导体继续延伸到转子的轴向相邻的第二磁导体和返回到磁性作用的隔片。该磁回路此时包围本发明的电机的第一绕组结构的固定部分。

很显然，限定此回路的该机器部分对于单相机器是足够的；当然相应于希望的相数目可以轴向并列地设置多个单元。

按照本发明的机器的结构基本上显示的是转子元件，它们设计成具有单个的磁导体的叶轮和机器的固定部分(以下也称为定子)的环形构造的结构，如例如第一绕组结构。由此可以盘形地(转子)或环形地(定子)沿轴向构造整个机器。称为在本发明的机器中旋转的基本上是叶轮和相邻的属于一个相的叶轮的与轴靠近的磁性作用的连接部分。新的电机的一个关键的优点在于，在尽可能好的抗离心力性下和由此机器的稳固性下可以提供比现有技术的机器明显更高的扭矩，亦即在与一种机器相同的结构尺寸下新的机器产生更大的扭矩，或者如果机器是按照扭矩设计的，那么新的机器具有明显较小的体积。

该所谓的磁回路结构具有特别有效的动力流，因为第一绕组结构可以特别靠近轴布置在定子中和磁通从径向看与轴远离地经叶轮和隔片在定子中闭合。由于第一绕组结构靠近轴的绕组布置，一方面使用了较少的导线铜，其中该第一绕组布置可以非常稳固地建立，和另一方面由于相对于现有技术的较少的铜消耗，导致具有已提及的改进的比扭矩的机器的高效率。

电机的一个有利的实施例规定，轴向相邻的叶轮通过磁导体连接；叶轮为此可以在一个径向剖面中看具有L形或T形结构或备选地通过导磁的环间隔开。另一个实施例变型规定，并列布置的叶轮可以通过永久磁铁环间隔开。

有利的是，机器在定子中在位于径向内部的第一绕组结构和径向外部的隔片末端之间具有一个附件的第二绕组结构。规定，或者第一或者第二绕组结构作用为激励绕组或作用为电枢绕组。

称为有利地，由第二绕组结构包围的隔片分别是永久磁铁。

第二绕组结构可以是单个的独立的线圈绕组，其中每个单独的线圈绕组作为短路绕组布置在位于径向内部的第一绕组结构和径向外部的隔片末端之间。

第二绕组结构也可以有利地在机器的周向上波形或环线形布置在第一绕组结构和径向外部的隔片末端之间。在波形的第二绕组结构情况下，一个机器极的每个隔片在两侧在周向上具有径向延伸的线匝部分和相邻的隔片交替地仅仅具有一个切向地外部绕组部分或一个切向地内部绕组部分。在机器的周向上在第一绕组结构和径向外部的隔片末端之间的环线形的第二绕组结构情况下，一个机器极的每个隔片沿着它的径向和切向隔片侧面被一个具有一定数量的线匝圈的线圈包围，在径向隔片侧面上具有相同线匝的相邻的线圈放置在一起和在切向外部的和切向内部的隔片侧面上分别仅仅出现一个线圈的简单数目的线匝；由此该环线形的第二绕组结构允许本发明的机器具有紧凑的结构形式和补偿该第二绕组结构的轴向磁通分量。

该机器的另一个有利的实施形式规定，第二绕组结构布置在第一绕组结构和一个界定该机器的外壳之间，其中该第二绕组结构构造成一种嵌入的绕组结构和该第二绕组结构的每个部分绕组布置在各两个在周向上相邻的隔片之间。该第二绕组结构此时可以构造成短路绕组，波形绕组或环线绕组。

其它的有利的实施例规定，两相地或多相地建造该电机。可选择地，轴向相邻的两相或多相可以在固定部分中实现，这些相仅仅由机器的旋转部分的两个叶轮限界作为一个联合体，或者该两相或多相中的每个相分别设置在直接相关联的叶轮之间。在周向上两相或多相相互间以希望的相位移错开地安装。

新电机的特征此外还在于其可以实现为异步电机或同步电机。此时具有异步启动能力的同步电机也是一种感兴趣的实施例。

它的应用可能性从发电机运行延伸到电动机运行。举例而言，在此可以提及的是风力发电站或用于汽车的直接驱动装置。还可以设想，由于其上述的稳固结构，该新型电机通过其叶轮直接地作为发电机透平和/或泵使用，例如在泵蓄能发电站中，此时转子的叶轮和定子的隔片具有相应匹配的、流动技术上优化的几何形状。当然可以考虑在这种流动机器中使用各种流体介质，例如液体或气体；也可以设想作为风机来使用。

附图说明

附图中简化示出了本发明的多个实施例，并且其中所示：

图1a，b是本发明的电机在具有短路环形式的激励的三相异步电机或具有环线绕组形式的三相同步电机的实施形式下的纵剖图以及横剖图；

图2a，b是本发明的电机在具有波形绕组结构形式的激励的三相同步电机的实施形式下的纵剖图以及横剖图；

图3a，b是本发明的电机在具有短路环形式的激励的或具有相应的环线绕组形式的激励的三相异步电机的实施形式下的纵剖图以及横剖图，其中该短路环分别在机器的周向上相邻的隔片之间构造成嵌入的短路环，和

图4a，b是图3的机器的另一种实施形式。

具体实施方式

图1a，b依据一个三相交流电机显示按照本发明的电机的一种实施形式的纵剖图(图1a)或横剖图(图1b)。此处涉及一种具有相P1，P2和P3的三相异步电机或同步电机。该电机包括旋转对称的外壳G，该外壳上安装机器的一个固定部分S，M，L，W，在外壳G的内壁上布置三个在轴向相互间隔开的具有数个隔片S，M的隔片圈。在周向上隔片S，M的数目例如在该实施形式情况下为32，其对应于机器的极数。

在该三相实施例中，第二相P2的隔片S，M相对于第一相P1的隔片S，M旋转三分之一的极节距。在第三相P3下为相对于第一相P1旋转三分之二的极节距。在该隔片S，M内部布置一个同心的绕组作为第一绕组结构。

机器的一个活动部分k，k′，f布置在转子轴a上，其上每相P1，P2，P3分别安装两个具有导磁叶片f的叶轮fr，fr’。叶片f在该实施形式中相互齐平地定向，该叶片f沿径向和从转子轴a方向看至少在隔片S，M区域中构造成在机器的周向上相互间隔开的叶片f；它们也可以相互连接起来。在隔片S，M区域中，对应于极对数，一些叶片f，在本示例中为16个叶片f，分布在圆周上。对应的相P1，P2，P3的相邻的叶轮fr，fr’借助于导磁铁芯k或永久磁铁k′连接。

机器此外具有第二绕组结构L，Lk，Ls。该第二绕组结构L，Lk，Ls以单个的短路绕组Lk的形式或环线绕组Ls的形式构造在隔片S，M上。此时短路绕组Lk，或环线绕组Ls以其对应的线圈轴平行于转子轴a地布置在隔片S，M上。该短路绕组Lk，或环线绕组Ls在本示例中在位于径向内部的隔片末端Si和径向外部的隔片末端Sa之间延伸和由此完全包围隔片S，M。该机器具有32个极，亦即16个极对和在叶轮fr，fr′上的16个叶片f。所有相邻的相P1，P2，P3的叶轮fr，fr′在该实施形式中相互齐平地定向，而该相的隔片S，M具有相位移。这明显地示于图1a中，其中对应于相位移的相P1，P2，P3以不同剖面地示出。在相P1中该剖面径向通过短路绕组Lk，或环线绕组Ls，相P2，P3在内部的隔片末端Si和外部的隔片末端Sa上具有通过隔片S，M和短路绕组Lk，或环线绕组Ls的剖面。本机器通过其用于激励的短路绕组Lk和用于电枢绕组的第一绕组结构W，作为异步电机使用；通过作为激励的环线绕组Ls，本发明的电机作用为同步电机或无刷的异步电机。

通过在第一绕组结构W中的电流形成一种磁化力，其可以导致在磁回路中形成磁通φ。磁回路由铁芯k，k′，两个轴向相邻的叶片f，在叶片f之间的两个空气隙和所属的隔片S，M组成。依据叶片f的磁化和它们相对于隔片S，M的位置，在轴向和切向上在叶片f和隔片S，M之间形成一种吸引力(麦克斯韦尔力(Maxwellkraft))。该力在轴向上对部件只产生一个机械负荷，但是没有明显的移动，因为叶片f和隔片S，M在该方向上不能够超过其弹性度地移动。切向力引起叶片f运动，因为该叶片可以与转子轴a一起旋转。通过相P1，P2和P3的上述的相位移，在周向上形成一种大致恒定的力，其取决于在控制中的相序，和由此产生一种扭矩。

在图2a，b(纵剖图和横剖图)示出的本发明的机器的实施形式除了第一绕组结构W以外还具有一个第二绕组结构L，Lw，其以波形绕组Lw布置在隔片S，M上。该波形绕组Lw的特征在于，全部的隔片S，M在其径向侧面上配设有波形绕组Lw，而周向上直接相邻的隔片S，M在径向内侧的隔片末端Si上或在径向外侧的隔片末端Sa上分别交替地仅仅具有波形绕组Lw的一个绕组部分。如果波形绕组Lw用作激励绕组，那么相邻的隔片S，M具有相反的磁极性和在隔片S，M上存在例如也是16个极对和在叶轮fr，fr′上有16各叶片。通过将第一绕组结构W作为电枢绕组，该机器作用为同步电机。并且此时各单个相P1，P2，P3的隔片S，M相互间以一定的相位移布置；图2a在波形绕组Lw的不同的剖面上显示了这种情况，即在相P1中通过该波形绕组Lw的极性剖面和通过相P2和P3的隔片S，M的剖面和外部的隔片末端Sa上或内部的隔片末端Si上的波形绕组Lw的剖面。

在图3a，b中也示出了一种按照本发明的异步电机的纵剖图(图3a)，或横剖图(图3b)，其类似于图1a，b中所示。区别在于第二绕组结构L，Lk的布置，其在本情况下构造成嵌入的绕组结构，其中每个单个的短路绕组Lk分别布置在两个在周向上相邻的隔片之间。相对于图1a，b的视图，在图3a，b中短路绕组Lk被旋转90°和因此具有通过它们的切向磁通方向。为了闭合在本情况下通过轴向空气隙引导的磁通φ，在本发明的机器的该实施形式中，由于切向流过短路绕组Lk，每个相的叶轮fr，fr′被转动一个极节距地定向。

在图3a，b中所示的机器也可以配置一个环线绕组Ls代替上述短路绕组Lk；由此该机器也可以作为同步电机使用或者作为无滑环的滑环异步电机使用。

图4a，b显示了图3a，b中所示异步电机的另一种实施例。主要区别在于，空气隙不是轴向的而是径向指向的，其中隔片S，M和在两个隔片S之间嵌入的短路绕组Lk在机器径向向外方向上在两个相邻的叶轮fr，fr’的整个宽度上延伸。此处自然也可以布置环线绕组Ls来代替短路绕组Lk，如上已述的那样。

在不脱离本发明的构思情况下，可以考虑在图3a，b和图4a，b中示出的机器中不设置短路绕组而是设置嵌入的波形绕组Lw作为第二绕组结构。

此外在本发明的意义下，可以想象，叶轮fr，fr′构造成具有径向向内铰接的法兰附件的盘；，亦即叶轮fr，fr′在一个轴向剖面中具有L形结构。在双侧构造法兰的情况下，叶轮fr，fr′在轴向剖面中将是T形的；这两种变型不是附图中图示的主题。

Claims (6)

1.电机，其用于将电能转换成机械能和将机械能转换成电能，所述电机包括一个活动部分和一个固定部分；

所述活动部分包括无绕组的内部转子，所述转子包括至少两个轴向相互间隔开的磁导体，从而形成有一个第一叶轮和一个第二叶轮，并且

所述固定部分具有在机器周向上的一些磁性作用的隔片，它们与转子的磁导体作用连接，该固定部分具有至少一个第一绕组结构，该第一绕组结构也与转子的轴向间隔开的磁导体作用连接，该固定部分还在隔片上设有第二绕组结构，其中或者所述第一绕组结构作为电枢绕组进行作用和所述第二绕组结构作为激励绕组进行作用或者所述第一绕组结构作为激励绕组进行作用和所述第二绕组结构作为电枢绕组进行作用；

所述第一叶轮和所述第二叶轮通过另一个磁导体径向向内磁性作用地连接起来；

所述固定部分具有与机器的极数对应的数目的隔片，该隔片具有各一个位于径向内部的隔片末端和具有各一个位于径向外部的隔片末端，其中第一绕组结构构造成环形绕组，且第二绕组结构从径向看在位于内部的和位于外部的隔片末端之间延伸，并且第一绕组结构构造成与一个转子轴同轴的环形绕组；

其特征在于：

第二绕组结构构造成在位于径向内部的第一绕组结构和位于径向外部的隔片末端之间的与机器的极数对应的数目的短路绕组；或者

第二绕组结构在第一绕组结构和径向外部的隔片末端之间在周向上波形地构造，其中一个机器极的每个隔片由径向延伸的线匝圈部分限界，且相邻的隔片交替地仅仅具有第二绕组结构的一个切向上位于外部的绕组部分或一个切向上位于内部的绕组部分；或者

第二绕组结构在第一绕组结构和径向外部的隔片末端之间在机器的周向上环线形地布置，其中一个机器极的每个隔片在周向上和沿着它的径向的和切向的隔片侧面被具有一些线匝圈的线圈包围，其中分别具有相同数目的线匝圈的相邻的线圈一起设置在径向的隔片侧面上和以交替的绕组方向实施；或者

第二绕组结构布置在第一绕组结构和一个限制机器的外壳之间，该第二绕组结构构造成一种嵌入的绕组结构，且该第二绕组结构的每个部分绕组布置在各两个在周向上相邻的隔片之间。

2.按照权利要求1所述的电机，其特征在于，该机器是两相的或三相的，其中每个相各设有一个固定部分，且该至少两个固定部分在机器的轴向上相互并列地布置。

3.按照权利要求2所述的电机，其特征在于，该至少两个固定部分在周向上相互间旋转一个相位移地布置。

4.按照权利要求2所述的电机，其特征在于，该至少两个固定部分布置在转子的两个轴向相互间隔开的磁导体之间，或该至少两个固定部分是相互轴向间隔开的和分别布置在转子的两个轴向相互间隔开的磁导体之间。

5.按照权利要求1所述的电机，其特征在于，无绕组的转子的磁导体是永久磁铁。

6.按照权利要求1所述的电机，其特征在于，由第二绕组结构包围的隔片分别是永久磁铁。

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