CN101064443A - 圆筒型电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于圆筒型电机的定子，所述定子具有基本上为圆柱形的内表面，该内表面包含一系列用于接纳定子绕组线圈的轴向间隔开的槽。所述定子包括轴向连续的层压制品(2)的层，每层由沿周向堆叠在一起的多个弯曲层压制品形成。

Description

圆筒型电机

技术领域

本发明涉及圆筒型电机，特别是涉及物理尺寸较大的圆筒型电动机和适于用作将波能转换为电能的直接驱动式发电机的发电机。

背景技术

众所周知的是，使用直线电机作为将波能机捕获的往复运动转换成电能的发电机。

圆筒型电机类似于直线电机，只是用圆筒型定子代替了平面定子，在该圆筒型定子的圆柱形内表面上形成用于接纳定子绕组线圈的槽。用空心或者实心的圆筒型动子代替平面动子，在一个实施例中，该动子具有围绕其圆柱形外表面安装的多排永磁体。在另一个实施例中，该动子具有以类似于定子的方式安装在槽中的实心线圈，以使该电机可以作为感应式电机。

因为圆筒型电机中定子的圆筒型结构所固有的坚固性，所以与直线电机相比，圆筒型电机具有相当大的优势。但是，其在较大物理尺寸场合应用的主要缺点和局限性是需要控制定子芯体中的涡电流。如果认为通量沿纵向流过直线电机的定子，那么为了方便制造，理想的是定子由一系列沿横向彼此紧靠堆叠的层压制品形成，其中所述横向平行于接纳定子绕组线圈的槽。但是，以这种方式堆叠的普通层压制品会允许涡流通过而且阻碍圆筒型电机的运行。至今为止，由于无法控制涡流，已经阻碍了如下圆筒型电机的发展，即，其物理尺寸和额定功率使其可以用作大型波能机的直接驱动式发电机。

例如，对于诸如用于打开滑动门等间歇运行的小型圆筒型电机，涡流问题可以通过使用无定型定子芯体来克服。相对于在直线电机的平面定子中所使用的常规层压制品，这种无定型定子芯体的磁导率和热导率较低，并且只能制造成较小的物理尺寸。

美国专利5382860提出一种解决圆筒型电机的涡流问题的方案，即，由多组沿周向相邻接的层压制品形成定子芯体，所述层压制品共同界定限定定子核心芯体的孔和周界。在相邻的一对层压制品组之间设置楔形件，以便围绕周界提供连续的路径。尽管层压制品安装在减小涡流的恰当平面上，但因为需要将层压制品组和楔形件机械地连接在一起，所以该方法使得定子的构建非常困难。

另一种方案是完全消除定子芯体并且使用空芯定子。但是，这导致了非常高的磁化要求，并且对于大多数实用目的显然不够经济。

发明内容

本发明通过提供用于圆筒型电机的定子来克服涡流的问题，该定子具有基本上为圆柱形的内表面，该内表面上包括一系列用于接纳定子绕组线圈的轴向间隔开的槽，其中定子包括轴向连续的层压制品层，每层都由在周向上堆叠在一起的多个弯曲层压制品形成。

定子的圆筒型构造比直线型构造具备一些优势。首先，制成的定子具有其圆筒形状所产生的固有的机械强度和刚度，当圆筒型电机运行时，定子可以更好地承受施加于其上的力。圆筒型电机的定子的长度可以比同等额定功率的直线型电机的平面定子小得多。这是因为圆筒型电机的定子绕组的线圈是环形的，并且没有端部绕组。更具体地说，圆筒型构造意味着定子绕组的有效长度更长(近似为定子芯体的内径乘以π)，所以可以充分地减小定子的轴向长度，同时还提供与直线型电机相同的气隙区域。

因为定子是沿周向层压而成的，而层压制品并排堆叠在一起，它们的弯曲面彼此接触，因此涡流可以保持在正常的限度内。每个层压制品的邻近定子内表面的部分优选地与定子的半径对齐。换句话说，层压制品优选地以这样的方式堆叠，即：其在定子的内表面处是沿径向的，然后随着定子芯体的直径增大而逐渐弯曲远离定子的半径。

层压制品可以具有不同的径向长度，使得可以沿定子的基本上为圆柱形的内表面以轴向间隔形成一系列环形槽。换句话说，定子可以由下列部件形成：一个或多个具有第一径向长度的堆叠的层压制品层，其径向内边缘共同限定定子的基本上为圆柱形的内表面；以及一个或多个具有小于第一径向长度的第二径向长度的堆叠的层压制品层，其径向内边缘限定用于接纳定子绕组线圈的轴向间隔开的槽的径向内表面。

但是，通常优选的是，在沿周向观察时，层压制品具有L形或者阶梯形构造，以使每个层压制品的第一径向内边缘限定定子的基本上为圆柱形的内表面，每个层压制品的第二径向内边缘限定槽的端面。因此，单层堆叠的层压制品将限定定子的内表面和用于接纳定子绕组线圈的槽的一部分。

定子的外表面优选地也基本上为圆柱形。但是，定子的内表面和外表面，以及轴向间隔开的槽的端面，都可以是合理地接近圆柱形的封闭多边形，在权利要求书中应作相应的解释。定子的外表面优选地由每个层压制品的径向外边缘限定。

可以使选择出来的层压制品具有减小的轴向尺寸以限定径向延伸的通道，该通道允许定子绕组的线圈接线通过，以到达定子的外侧，在该定子的外侧，线圈接线可以连接到例如终端设备或者电源转换器。也可以在特定层中的相邻层压制品之间或者轴向相邻的层之间设置径向延伸的通道。

可以使选择出来的层压制品具有减小的径向尺寸，以在定子的外表面上限定至少一个用于接纳线圈接线的轴向延伸的通道。也可以在每个轴向连续的层压制品层的相邻层压制品之间形成轴向延伸的通道。轴向延伸的通道的数量可以取决于圆筒型电机的相数。例如，如果圆筒型电机设计成三相运行，那么定子的外表面可以包括三个分开的轴向延伸的通道，以接收与各相相关联的线圈接线。或者，所有的线圈接线都可以由单个通道接纳。在实际应用中，定子可以由保护罩或者外壳包围，因此通道设置于定子的外表面和该保护罩的内表面之间。也可以完全不采用轴向延伸的通道，而将线圈接线容纳于接线盒中，该接线盒形成于包围定子芯体的定子保护罩或者框架中。

保护罩可以具有良好的导热性，以使定子可以通过将热量经由保护罩传导出去而冷却。在一个将本发明用作波能机的直接驱动式发电机的实际的实施例中，保护罩可以由海水包围，这样定子芯体和绕组中所产生的热量可以经由保护罩直接传导至作为无穷大的散热器的海水之中。

每个单独的层压制品由常规旋转电机中所熟知的适合类型的层压钢形成，并且涂覆有适合的绝缘涂层或者薄膜。可以用常规的制造技术从平面的层压钢上冲压出层压制品。层压制品的厚度一般在大约0.5mm至大约4mm，但在实际应用中，这要取决于圆筒型电机的尺寸和运行参数，以及所选择的制造方法。随后压制平面坯体以提供预定的弯曲量。也可以使用诸如机械加工等其它制造方法。

层压制品优选地具有一定的弯曲度数，使得在将层压制品沿周向堆叠在一起时，其侧面与相邻的层压制品接触。层压制品可以沿具有预定直径的圆的圆弧延伸。在这种情况下，相邻堆叠的层压制品的侧面的径向内侧区域和径向外侧区域将彼此接触，但在实际应用中，在相邻堆叠的层压制品的侧面的径向中间区域之间可能有微小的间隙(一般在0.1mm至0.01mm的级别)。该间隙不影响层压制品或定子的性能。

如果层压制品沿圆的圆弧延伸，那么每个层压制品的径向内边缘优选地与该圆的半径对齐。每个层压制品的径向外边缘可以与该圆的半径对齐或者相对于该圆的半径倾斜，这取决于所期望的定子外表面构造。对于层压制品具有L形或者阶梯形构造的情况，每个层压制品的第一径向内边缘优选地与圆的半径对齐，以限定定子的基本上为圆柱形的内表面，每个层压制品的第二径向内边缘优选地相对于圆的半径倾斜，以限定槽的基本上为圆柱形的端面。

本发明还提供一种圆筒型电机，其包括：上述定子；定子绕组，其具有一系列线圈，一系列包含于定子的基本上为圆柱形的内表面中的轴向间隔的槽接纳所述线圈；以及动子，其设置于定子内部，并且通过气隙与定子的基本上为圆柱形的内表面间隔开。

本发明还提供一种制造圆筒型电机的定子的方法，其包括下列步骤：制造弯曲层压制品；以及形成轴向连续的层压制品层，通过将多个弯曲层压制品环绕中心轴沿周向堆叠在一起而形成每个层，以形成具有基本上为圆柱形的内表面的定子芯体，该内表面包含一系列用于接纳定子绕组线圈的轴向间隔开的槽，由此，弯曲层压制品的径向内边缘限定槽和定子的内表面。

当形成了轴向连续的层压制品层之后，定子绕组的每个线圈优选地插入相应一个轴向间隔开的槽内。线圈优选地为简单的圆形截面，并且两个螺旋绕线层并排安装于环形槽上。其中一个螺旋绕线层沿一个旋转方向缠绕，另一个螺旋绕线层沿相反的旋转方向缠绕，这样当这两个螺旋绕线层并排放置并且连接在一起时，它们可以输送同一方向的电流。因此可以简单地制作和装配线圈。在定子的基本上为圆柱形的表面中的轴向间隔开的槽的数量取决于圆筒型电机的极数和每个极上的线圈数。

层压制品的伸出槽之外的径向内边缘可以由非磁性绝缘材料的环形圈支撑，该环形圈紧挨着相应的线圈设置于每个槽中。绝缘材料优选地设置于相应线圈的径向内侧。也可以将绝缘环形圈在每个槽中放置于相应线圈的径向外侧，位于线圈和堆叠的层压制品之间。

夹板可以放置于已装配的定子的两端，以挤压夹板之间的连续的堆叠层压制品层，并且为机械载荷提供刚性支撑。然后优选地将被夹住的定子放置于密封箱中，在该密封箱中对定子进行真空压力浸渍(VPI)处理。更具体地说，在树脂被吸入组件中之前对定子进行真空处理。然后定子在高温(一般在大约180℃)下固化一段时间以固化树脂。在进行VPI处理之后，定子实质上为整体结构，其中连续的周向堆叠的层压制品层结合在一起，并且通过固化的树脂绝缘。因此定子具有较高的结构刚度，并且可以承受其在圆筒型电机在正常运行中所要承受到机械力。

每层可以包括至少一个非层压区段。每层中的所述一个或多个区段优选地彼此对齐，以形成沿定子的轴向长度延伸的一个或多个实心区域。这些非层压区段可以用于提供线圈接线的通道。

圆筒型电机的定子中的通量通过连续的堆叠层压制品层沿轴向流动。但是，因为层压制品沿周向并排堆叠在一起，所以涡流无法自由循环，损耗降至最小。涡流损耗与频率的平方成正比。这意味着也可以通过降低圆筒型电机的工作频率(例如，使用较少的极)来降低涡流损耗。

层压制品在周向上的厚度应这样选择，即使得定子芯体的径向内侧区域中产生的任何热量都可以容易地直接传导至上述的保护罩或者外壳。

本发明还提供了一种用于形成圆筒型电机的定子的弯曲层压制品，该层压制品具有的阶梯形构造使得当多个层压制品沿周向堆叠在一起时，层压制品的第一径向内边缘限定定子的内表面的一部分，层压制品的第二内边缘限定槽的端面的一部分。

附图说明

图1是用于形成根据本发明的定子的弯曲层压制品的透视图；

图2是图1中弯曲层压制品的平面图；

图3是多个图1所示弯曲层压制品的平面图，这些弯曲层压制品沿周向堆叠在一起以形成定子的一部分；

图4A、图4B和图4C是图3平面图的放大图；

图5是定子的一部分的透视图；

图6是定子的包括夹板的三个轴向层的透视图；

图7是图6中定子的一部分的放大透视图；以及

图8是定子的一部分的放大透视图，其示出线圈接线如何通过轴向延伸通道和径向延伸通道伸出定子。

具体实施方式

参考图1和图2，用于形成圆筒型电机的定子的层压制品2由铁心硅钢坯中冲压出来，并且随后进行机械压制以获得弯曲的形状。铁心硅钢的厚度可以是通常的铁心硅钢的最大厚度值(目前大约1mm)但也可以使用更厚或者更薄的钢。层压制品可以在成形之后用绝缘材料薄膜进行预绝缘或者涂覆。层压制品2具有L形或者阶梯状构造，并且包括：第一径向内边缘4，其形成定子的圆柱形内表面的一部分；第二径向内边缘6，其形成接纳定子绕组(图6至图8)线圈C的槽的圆柱形端面的一部分；以及径向外边缘8，其形成定子的外表面的一部分。层压制品2弯曲为沿预定直径圆的圆弧延伸。层压制品2所延伸的圆弧角度α为定子的内外表面的直径的比值的函数。层压制品2的第一径向内边缘4和径向外边缘8与圆的半径Rc对齐。但是，第二径向内边缘6相对于圆的半径Rc倾斜。其原因将在以下参考图4A、图4B和图4C更详细地解释。

定子由轴向连续的层压制品层形成。图3示出了层的一部分，该部分包括在周向并排堆叠在一起的多个同样的层压制品2。通常，优选的是，层压制品2具有一定的弯曲度，以使相邻堆叠的层压制品的侧面10沿其整个范围彼此接触。但是，在图示情况中，当层压制品2沿圆的圆弧延伸时，相邻堆叠的层压制品的侧面10在中间区域以很小的间距(一般在0.1mm至0.01mm的范围内)间隔开。因为每个层压制品2都具有L形或者阶梯形构造，所以每个槽只需要一层。更具体地，槽的环形下表面12(如图5和图7所示)由层压制品2的表面14构成，并且槽的圆柱形端面16由层压制品的第二径向内边缘6构成，槽的环形上表面18(如图7所示)由轴向相邻层的层压制品2的表面20的突出的径向内侧部分构成。定子的圆柱形内表面22由层压制品2的第一径向内边缘4构成。每层的层压制品数量N可以参考下面的方程确定：

$N=\frac{2\mathrm{\πR}}{(L+I)}$

其中R为定子的圆柱形内表面的半径，L为每个层压制品的厚度，I为与每个层压制品相关联的任意绝缘层的厚度。

层压制品2这样布置，即：每个层压制品的径向内侧部分24与定子的半径Rs对齐，并且每个层压制品的径向外侧部分26的切线T与定子的半径相交成预定的角度β。在图4A、4B和4C和图5中更清楚地示出了相邻层压制品2的布置，图4A、4B和4C为图3中框A、B和C中的区域的放大图。图4A示出了层压制品2的径向内侧部分24如何与定子的半径Rs对齐，以及第一径向内边缘4如何与每个层压制品沿其延伸的圆的半径Rc对齐。图4B示出了层压制品2的第二径向内边缘6如何相对于每个层压制品沿其延伸的圆的半径Rc倾斜，以限定槽的圆柱形端面16。换句话说，每个层压制品2的第二径向内边缘6与如下圆的切线对齐，该圆的半径与圆柱形端面16的半径相等。图4C示出了每个层压制品2的径向外边缘8如何都与每个层压制品沿其延伸的圆的半径Rc对齐。这就造成了接近大致圆柱形表面的“交错”的外表面。这种“交错”的外表面会在沿层压制品向包围并且容纳定子的保护罩(未示出)传递热量时导致问题。因此每个层压制品2的径向外边缘8可以相对于圆的半径倾斜，以使定子的外表面基本上“平滑”。换句话说，每个层压制品2的径向外边缘8可以与如下圆的切线对齐，该圆的半径与期望的定子外表面的半径相等。

作为实例，对于具有大约600mm内径和大约800mm外径的定子，层压制品2的第一径向内边缘4的轴向高度可以为大约13mm，径向外边缘8的轴向高度可以为大约28mm。层压制品2可以沿着具有大约280mm直径的圆的大约35度的圆弧延伸，径向外侧部分26可以与定子的半径相交成大约40度角。换句话说，图2中所示的预定角度α和β分别为大约35度和大约40度。

参考图6至图8，为了装配定子，设置第一不锈钢夹板(未示出，但与第二夹板28类似)以形成定子芯体的一端。通过将多个层压制品2围绕中心轴(未示出)沿周向堆叠在一起而形成层压制品层。当轴向连续的层压制品层围绕中心轴堆叠在一起时，在每个槽中设置定子绕组的线圈C。使用非磁性绝缘材料的环形圈30密封每个槽的开口，并且为线圈C提供机械支撑。在线圈C和每个槽的圆柱形端面16之间设置非磁性材料的第二环形圈32。

与线圈C关联的电接线34(如图8所示)通过设置于同一层中的单个层压制品之间的空隙或者通道36伸出。通道也可以设置于轴向相邻层中的层压制品之间。通道36与径向尺寸缩小的选定层压制品(即，其径向外边缘从定子的外表面向内形成阶梯的层压制品)对齐，并且使三相中各相的线圈接线都可以以熟知的方式连接在一起。

一旦所有的层压制品2的层环绕中心轴堆叠从而限定具有一系列轴向间隔开的槽的定子(每个槽都容纳定子绕组的线圈C)，则第二不锈钢夹板28就可以放置在定子的顶部，以完成绕组的芯体部分。随后将夹板夹在一起以将层压制品层机械地压在一起。将装配好的定子放置于密封箱(未示出)之内，在该密封箱中对定子进行真空压力浸渍(VPI)处理，在该处理中，在密封箱中产生真空，并且将树脂吸入各层压制品之间的空隙中。随后将定子在180℃温度固化一段时间，以固化树脂并且将层压制品结合在一起。

将装配好的定子放置于具有良好导热性的保护罩(未示出)内。

图6和图7示出了三个分开的层压制品层。底部的两层(标示为L1和L2)由L形或者阶梯形层压制品构成，该层压制品具有：第一径向内边缘4，其形成定子的圆柱形内表面22的一部分；第二径向内边缘6，其形成用于接纳定子绕组线圈C的槽的圆柱形端面16的一部分；以及径向外边缘8，其形成定子的外表面的一部分。可以容易地认识到，在图7中，是沿定子的半径而不是沿堆叠的层压制品2沿其延伸的圆的圆弧将定子切开。因此，沿定子的切开面延伸的竖线表示八个相邻的弯曲层压制品2(因为这些层压制品弯曲越过定子的半径)。与夹板28相邻的第三层由简单的矩形弯曲层压制品2’构成，该层压制品具有：径向内边缘4’，其形成定子的圆柱形内表面22的一部分；以及径向外边缘8’，其形成定子的外表面的一部分。

该圆筒型电机可以用作波能机的直接驱动式发电机。在这种情况下，安装为在定子内部运动并且通过气隙与内表面分隔开的动子(未示出)可以与波能机的进行往复运动的部分连接，定子可以与静止部分连接，使得波能机的两部分之间的相对运动将在定子绕组中感应出电流。圆筒型电机的保护罩可以被海水包围，并且保护罩的环绕定子的部分具有良好的导热性，从而弯曲层压制品中所产生的任何热量都可以通过保护罩直接传导至海水。这样就不需要在定子本身内部使用其它的冷却源，因为海水实质上起到无穷大的散热器的作用。

因为定子是堆叠而成的，所以涡流不会沿周向循环。尽管完成大体积圆筒型电机的定子需要大量层压制品，但是因为这些层压制品是相同的，因此它们可以用常规的冲压工具低成本地生产，并且可以用自动的方式装配。一旦将层压制品夹住并且结合在一起，层压制品将为冷却提供优良的导热性，以及提供良好的机械刚度。

对于小体积的圆筒型电机，定子的内外表面的直径之比将会相对较高，并且需要更大的弯曲度以使层压制品以适度紧密的方式堆叠在一起。但是，对于大体积的圆筒型电机，定子的内外表面的直径之比将会相对较小，并且所需的弯曲度也较小。这意味着可以使用较厚的层压制品，从而直接导致大体积的圆筒型电机的构造和装配更加容易。

Claims (20)

1.一种用于圆筒型电机的定子，所述定子具有基本上为圆柱形的内表面，所述内表面包含一系列用于接纳定子绕组线圈的轴向间隔开的槽，其中，

所述定子包括轴向连续的层压制品层，每个层压制品层由沿周向堆叠在一起的多个弯曲层压制品形成。

2.根据权利要求1所述的定子，其中，

所述层压制品的径向内边缘限定所述槽和所述定子的内表面。

3.根据权利要求1或2所述的定子，其中，

所述层压制品具有阶梯形构造，使得每个层压制品的第一径向内边缘限定所述定子的内表面，每个层压制品的第二径向内边缘限定所述槽的端面。

4.根据前述权利要求中任一项所述的定子，其中，

所述定子包括基本上为圆柱形的外表面。

5.根据权利要求4所述的定子，其中，

所述定子的外表面由每个层压制品的径向外边缘限定。

6.根据前述权利要求中任一项所述的定子，其中，

选定的层压制品具有减小的轴向尺寸，以限定用于所述定子绕组的接线的径向延伸通道。

7.根据前述权利要求中任一项所述的定子，其中，

选定的层压制品具有减小的径向尺寸，以在所述定子的外表面中限定至少一个轴向延伸通道。

8.根据前述权利要求中任一项所述的定子，其中，

每个层压制品的与所述定子的内表面邻近的部分与所述定子的半径对齐。

9.根据前述权利要求中任一项所述的定子，其中，

所述层压制品由平面坯体形成，所述平面坯体被压制成具有预定的弯曲量。

10.根据前述权利要求中任一项所述的定子，其中，

所述层压制品沿圆的圆弧延伸。

11.根据权利要求10所述的定子，其中，

每个层压制品的径向内边缘与所述圆的半径对齐。

12.根据权利要求10或11所述的定子，其中，

每个层压制品的径向外边缘与所述圆的半径对齐。

13.根据权利要求10或11所述的定子，其中，

每个层压制品的径向外边缘相对于所述圆的半径倾斜。

14.根据权利要求10所述的定子，其中，

所述层压制品具有阶梯形构造，使得每个层压制品的第一径向内边缘与所述圆的半径对齐，以限定所述定子的内表面，每个层压制品的第二径向内边缘相对于所述圆的半径倾斜，以限定所述槽的基本上为圆柱形的端面。

15.根据前述权利要求中任一项所述的定子，其中，

每个层压制品层包括至少一个非层压区段。

16.一种圆筒型电机，包括：

根据前述权利要求中任一项所述的定子；

定子绕组，其具有一系列线圈，一系列包含于所述定子的基本上为圆柱形的内表面中的轴向间隔的槽接纳所述线圈；以及

动子，其设置于所述定子内部，并且通过气隙与所述定子的基本上为圆柱形的内表面间隔开。

17.一种制造用于圆筒型电机的定子的方法，其包括下列步骤：

制造弯曲层压制品；以及

形成轴向连续的层压制品层，每个层压制品层通过如下方式形成：将多个弯曲层压制品环绕中心轴沿周向堆叠在一起，以形成具有基本上为圆柱形的内表面的定子芯体，所述内表面包含一系列用于接纳定子绕组线圈的轴向间隔开的槽，由此，所述弯曲层压制品的径向内边缘限定所述槽和所述定子的内表面。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，

当形成了轴向连续的层压制品层之后，将定子绕组的每个线圈插入相应一个轴向间隔开的槽中。

19.一种弯曲层压制品，其用于形成圆筒形电机的定子，并且具有阶梯形构造，使得当多个层压制品沿周向堆叠在一起时，每个层压制品的第一径向内边缘限定所述定子的内表面的一部分，每个层压制品的第二径向内边缘限定槽的端面的一部分。

20.根据权利要求19所述的弯曲层压制品，其中，

当多个层压制品沿周向堆叠在一起时，所述层压制品的径向外边缘限定所述定子的外表面的一部分。

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