CN103066783A - 双定子电机 - Google Patents

Abstract

本发明介绍一种双定子电机，该电机用具有退磁趋势的磁铁并且与现有电机相比可以被容易地制造。示例的实施例的双定子电机被如下地包括，即：环形转子，连接至旋转轴并且与旋转轴整体地转动；内部定子，被径向地布置在转子内部；以及，外部定子，被径向地布置在转子外部。转子包括：多个扇形体，被环形地布置在圆周方向上、以预定的距离彼此分开；和多个永磁铁，每个被插入到沿圆周相邻的扇形体之间，该永磁体在沿圆周对立的方向上被交替地磁化。转子、内部定子以及外部定子具有相同数量的极。内部和外部定子的内部和外部定子绕组分别地连接以使它们的相彼此相反。因此通过内部和外部定子的磁通势生成的磁场被并行地施加到指定的扇形体上。

Description

双定子电机

技术领域

本发明涉及可以使用具有退磁趋势的磁铁（诸如铁氧体磁铁）的电机结构，并且具体地涉及包括环形转子的双定子电机，在该电机中沿圆周磁化的永磁铁被分别地夹在分段磁极与分别被布置在转子的径向内部和外部的内部和外部三相定子之间。

背景技术

近年主流电机是嵌入钕磁铁作为永磁铁的同步电机。对于这样的钕磁铁，重稀土金属（诸如镝）作为添加材料是不可或缺的。然而，随着重稀土金属价格飞涨，当重稀土金属磁铁被应用到大批量生产的电机时，这样的重稀土金属磁铁的将来的使用将面临不适合于大批量生产的风险。因此，为了不使用稀土电机，加速了对于使用由铁氧体（其是容易获得的材料）构成的磁铁的电机生产的研发。然而，铁氧体磁铁具有劣于钕磁铁的特性：磁通量密度和矫顽力仅是钕磁铁的一小部分。因此，目前的技术问题是如何精通地使用具有这样差的特性的磁铁。

在嵌入永磁铁的同步电机中，用铁氧体磁铁替换被嵌入电机中的钕磁铁将依照铁氧体磁铁的低磁通量密度而使输出特性退化。可以通过妥协来接受该种退化，但是可能造成问题。问题在于，不同于钕磁铁，仅具有小的矫顽力的铁氧体磁铁不能够承受定子绕组的大的磁动势。因此铁氧体磁铁被永久地退磁，从而使得电机失去其功能。为了针对铁氧体磁铁的退磁问题采取措施，寻找一种系统或结构，其允许来自定子绕组的较少的磁动势被施加到磁铁上，或其减少定子绕组的磁动势。

对于以上所阐明的问题，参照了在JP-A-H03-139156中所公开的双定子电机结构，该结构可能有利于解决该问题。具体地，通过提供将磁动势分割为两部分（即内部磁通势和外部磁通势）的结构，作为磁动势源被施加到永磁铁的定子磁动势可能被减少至一半。

然而，众所周知的双定子电机遭受如下述项（1）至（3）所陈述的问题。

（1）由于双结构（双定子），定子的组件的数量加倍。具体地，需要复杂的制造工艺的定子绕组的数量变为之前的两倍。因此难以制造双定子电机。

（2）由于双结构，几乎不能创建内部定子绕组空间与铁芯（core）横截面积之间的良好关系。换言之，因为内部定子芯（statorcore）的磁通道变窄，所以难以发挥作为双定子电机的特性。

（3）布置磁铁以使其在转子的径向方向上被磁化，然而内部和外部定子的磁动势被配置成彼此协作并且单向地作用在磁铁上。因此，不能减少磁铁的退磁。

因为这些问题，如在JP-A-H03-139156中所公开的使用系统并没有导致实际实现具有铁氧体磁铁的双定子。此外，即使照现在的样子使用该公开的系统，也不能期待减小退磁的效果。

发明内容

因此，期望这样的双定子电机，其可以使用具有退磁趋势的铁氧体磁铁，并且与JP-A-H03-139156中所公开的现有电机相比可以容易地制造。因此，作为示例性的实施例本申请提供了具有如以下所述的配置的双定子电机。具体地，双定子电机包括：环形转子，连接至旋转轴并且与旋转轴整体地转动；内部定子，被径向地布置在转子内部；以及，外部定子，被径向地布置在转子外部。转子包括：多个扇形体（segment），被环形地布置在圆周方向上并以预定的距离彼此分开；和多个永磁铁，每个永磁铁介于沿圆周相邻的扇形体之间，该永磁体在沿圆周对立的方向上被交替地磁化。

内部定子包括具有多个开在其外周的槽的内部定子芯，和通过多个槽缠绕在内部定子芯周围的三相内部定子绕组。外部定子包括具有多个开在其内周的槽的外部定子芯，和通过多个槽缠绕在外部定子芯周围的三相外部定子绕组。转子、内部定子以及外部定子具有相同数量的极（pole）。内部定子和外部定子的内部定子绕组和外部定子绕组分别连接，从而使得它们彼此互相反相。因此，通过内部和外部定子的磁动势生成的磁场被并行地施加到特定扇形体（本发明的第一部分）。

根据此配置，来自内部定子和外部定子的绕组的磁动势不会沿相同的方向共同地被施加到特定扇形体，而是相对地被施加到特定扇形体。因此，被施加到磁铁上的定子的磁动势是散布的和减少的。另外，永磁铁将具有圆周方向上被磁化的极性而不是被朝向定子极化的极性（径向方向）。因此，施加到磁铁的磁化方向上的定子的退磁场被大大地减少。基于以上提及的两种动作的协同效果，可以进一步地发挥不允许磁铁退磁的效果。因此，具有退磁趋势的铁氧体这样的磁铁可以用于双定子电机。

内部定子的内部定子芯的槽的数量可以等同于外部定子的外部定子芯的槽的数量。另外，内部和外部定子绕组可以具有被容纳在槽中的槽内导体。内部定子绕组的槽内导体的数量可以小于外部定子绕组的槽内导体的数量（本发明的第二方面）。根据此配置，当外部和内部定子芯具有相同的槽的数量时，被容纳在内部定子绕组的每个槽中的槽内导体的数量小于被容纳在外部定子绕组的每个槽中的槽内导体的数量。因此，在内部定子芯中每个槽的横截面积可以制作为小于外部定子芯中每个槽的横截面积。因此例如，当电机被期望具有小的直径时，通过允许内部定子芯具有小的横截面积的槽，将会确保作为磁通量通道的内部定子芯足够大的横截面积。因此，在内部定子与外部定子之间的直径差异的约束下，可以容易地将内部定子设计成小于外部定子。

替代第二方面，内部定子芯的槽的数量可以小于外部定子芯的槽的数量（本发明的第三方面）。根据此配置，与外部定子芯相比，内部定子芯可以具有相对大的槽间距。因此，例如，即使电机被期望具有小的直径，通过允许内部定子芯具有大的槽间距也可以有效地确保对应于磁通量通道的内部定子的横截面积。因此，在内部定子与外部定子之间直径差异的约束下，可能容易地将内部定子设计成小于外部定子。

外部定子绕组的槽内导体可以包括被容纳在所述外部定子芯的所述槽的内部槽内导体和被容纳在所述外部定子芯的所述槽的外部槽内导体（或者换言之，被容纳在内部槽内导体的外部）。另外，经由各自的桥路（bridge）连续地并且整体地提供形成U形的外部定子绕组的内部槽内导体和内部定子绕组的槽内导体，布置该桥路以使得在转子的一个轴向端侧上径向地桥接内部和外部定子（本发明的第四方面）。

根据此配置，通过桥路整体地形成外部定子绕组的内部槽内导体和内部定子绕组的槽内导体。因此，通过减少用在内部和外部定子绕组中的导体的数量可以实现降低制造电机的成本。另外，经由桥路被配置成U形的外部定子绕组的内部槽内导体和内部定子绕组的槽内导体可以从轴向方向插入到为外部定子芯和内部定子芯布置的各个槽中，从而完成装配。然后，未通过桥路连接侧的端可以被彼此连接，例如通过在六角形地（hexagonally）弯曲后在预定位置焊接。因此，外部定子绕组的内部槽内导体和内部定子绕组的槽内导体均被容易地装配到内部定子芯和外部定子芯，并且额外地发挥了改善槽的空间系数的效果。

在外部定子绕组中，可以连续地并且整体地提供被容纳在外部定子芯的两个沿圆周不同的槽中的一个外部槽内导体和另一个外部槽内导体，从而在外部定子芯的轴向端面外形成U形。另外，外部定子绕组的内部和外部槽内导体可以电气地并且机械地连接在与U形侧对立的轴向端侧（本发明的第五方面）。

在此配置中，在一个轴向端侧外部，槽内导体整体地连接至另一外部槽内导体，从而形成U形。因此，减少了用在内部和外部定子绕组中的导体的数量。因此，减少了组件的数量从而减少了制造电机的成本。在轴向端侧彼此整体地互相连接地、形成U形的一个外部槽内导体和另一外部槽内导体被在轴向方向上插入并且装配到外部定子芯以容纳在槽中。然后，在U形侧的对立侧的槽内导体的轴向端可能彼此相连（彼此连接，诸如在六角形弯曲后在预定位置焊接）。因此，槽内导体容易被装配到外部定子芯，额外地发挥了改善槽的空间系数的效果。

在内部和外部定子绕组中，槽内导体可能各自具有矩形横截面并且可能具有相同的横截面积。另外，内部定子绕组的槽内导体可能被容纳在各个槽中，从而使得每个矩形横截面的长边指向内部定子芯的径向方向，并且外部定子绕组的槽内导体可以被容纳在各个槽中，从而使得每个矩形横截面的长边指向外部定子芯的圆周方向。此外，每个桥路可以具有与各个槽内导体相同的横截面形状和横截面积，并且可以被扭转90度（本发明的第六方面）。在此配置中，内部定子绕组的槽内导体被纵向地布置，（即，布置每个导体的矩形横截面的长边指向径向方向）。因此，内部定子芯的槽可以分别以小的宽度（圆周方向上的宽度）形成。因此，作为磁通量通道，在内部定子芯沿圆周相邻的槽之间形成的每个齿，将具有垂直于轴向方向的较大的横截面积。每个齿横截面积的增加特别地发挥了增强小直径电机的性能的效果。

在内部和外部定子绕组中，槽内导体可以各自具有矩形横截面并且具有相同的横截面积。另外，外部定子绕组的外部槽内导体可以被容纳在各个槽中，使得矩形横截面的长边指向外部定子芯的圆周方向，并且外部定子绕组的内部槽内导体可以被容纳在各个槽中，使得矩形横截面的长边指向外部定子芯的径向方向。此外，内部定子绕组的槽内导体可以被容纳在各个槽中，使得矩形横截面的长边指向内部定子芯的径向方向（本发明的第七方面）。在此配置中，纵向的布置（即矩形横截面的长边指向径向方向的布置）用于经由各个桥路连接的外部定子绕组的内部槽内导体和内部定子绕组的槽内导体。因此，不必要求桥路扭转90度。换言之，发挥了类似于本发明的第六方面的效果，而不用执行将桥路扭转90度的处理。因此，减少了制造电机的步骤的数量。

在内部和外部定子绕组中，内部定子绕组的槽内导体可以经由各个桥路连接至外部定子绕组的各个内部槽内导体，从而在一个轴向端侧形成U形。另外，可以通过在另一轴向端侧形成U形而连接外部定子绕组的内部和外部槽内导体，从而形成类似与盘旋形状的串联绕组。多个串联绕组可以作为整体形成一相绕组组件（本发明的第八方面）。在此配置中，内部定子绕组的槽内导体连接至外部定子绕组的各个内部槽内导体，外部定子绕组的各个内部槽内导体进一步地连接至外部定子绕组的各个外部槽内导体，从而形成绕组组件的整体上连续的盘旋体。因此，可以使用少量的这样的绕组组件将内部和外部定子绕组施加到定子芯上。通过一个动作（one strok），可以将形成为盘旋形状的每个连续的绕组组件照原样容纳到内部和外部定子芯的槽中。这可能有助于减少用于将内部和外部定子绕组的槽内导体装配到内部和外部定子芯的步骤的数量和时间。

转子的每个扇形体可以设置有狭缝，该狭缝径向地位于转子的内周侧与外周侧之间（本发明的第九方面）。在以上陈述的本发明的第二方面中，在内部定子绕组中的槽内导体的数量（被容纳在槽中的槽内导体的数量）小于在外部定子绕组中的槽内导体的数量。因此，外部定子的绕组的磁动势强于内部定子绕组的磁动势。在这种情况下，在内部定子通道中和扇形体中形成的磁通量趋于被拉出，并且混合到在外部定子通道和扇形体中形成的磁通量中。

在如以上陈述的情况下，在外部定子中磁通量的总量增加，从而导致芯过饱和。另一方面，在内部定子中磁通量的总量减少，导致芯低于饱和。因此，在外部和内部定子之间磁通量的总量将是不平衡的。这可能留下输出不足的问题，即输出与结构和芯材料的量不匹配。在这点上，在本发明的第九方面，在每个扇形体中形成狭缝。每个狭缝具有在磁场上将扇形体分割成内周部分和外周部分的功能，其使得磁通量难以在径向方向上通过扇形体。结果，有效地防止来自内部定子的磁通量与来自外部定子的磁通量混合。因此，这抑制了内部和外部定子之间生成的磁通量的总量的不平衡。以这样的方式，电机能够提供适合于其结构和其芯材料的量的输出。

附图说明

在附图中：

图1是示出根据本发明的第一实施例的双定子电机的总体示意图；

图2是示出根据第一实施例，内部和外部定子绕组到逆变器的连接的接线图；

图3是示出具有被容纳在槽中的内部和外部定子绕组的槽内导体的双定子电机的局部横截面视图；

图4（a）是示出从轴向方向看去内部和外部定子绕组的形状的图；

图4（b）是示出内部和外部定子绕组的形状的侧视图；

图5是示出基于现有技术和本发明的电机模型A至D的基本配置的表格；

图6（a）是示出模型A的配置的横截面视图；

图6（b）是示出模型A的磁场分析的图；

图7（a）是示出模型B的配置的横截面视图；

图7（b）是示出模型B的磁场分析的图；

图8（a）是示出模型C的配置的横截面视图；

图8（b）是示出模型C的磁场分析的图；

图9（a）是示出模型D的配置的横截面视图；

图9（b）是示出模型D的磁场分析的图；

图10是示出模型A至D的仿真的表格；

图11是示出根据本发明的第二实施例，具有被容纳在槽中的内部和外部定子绕组的槽内导体的双定子电机的局部横截面视图；

图12的图12（a）是示出从轴向方向看去内部和外部定子绕组的形状的图；

图12（b）是示出内部和外部定子绕组的形状的侧视图；

图13是示出根据本发明的第三实施例，具有被容纳在槽中的内部和外部定子绕组的槽内导体的双定子电机的局部横截面视图；

图14（a）是示出从轴向方向看去内部和外部定子绕组的形状的图；

图14（b）是示出内部和外部定子绕组的形状的侧视图；

图15（a）是示出根据本发明的第四实施例，从轴向方向看去内部和外部定子绕组的形状的图；

图15（b）是示出内部和外部定子绕组的形状的侧视图；

图16的（a）至（c）示出将内部和外部定子绕组装配到定子芯的处理的示意图；以及

图17是示出根据本发明的第五实施例，具有被容纳在槽中的内部和外部定子绕组的槽内导体和在各个扇形体形成的狭缝的双定子电机的局部横截面视图。

具体实施方式

将参照附图在下文中具体地描述本发明的几个实施例。

第一实施例

参照图1至图3、图4（a）以及图4（b），描述本发明的第一实施例。图1是示出根据第一实施例的双定子电机1的总体示意图。如在图1中所示，双定子电机1包括机架（housing）3、电机壳（motor case）4、轴6、环形转子R、内部定子Si以及外部定子So。电机壳4经由螺栓2固定到机架3。轴6经由轴承5由电机管壳4转动地支撑。转子R经由转子叶轮7连接至轴6。内部定子Si被布置在转子R的径向内侧，并且固定到电机壳4。外部定子So被布置在转子R的径向外侧，并且固定到电机壳4。转子叶轮7由诸如非磁性的SUS（特殊用途不锈钢）构成。转子叶轮7包括在其径向中心的圆柱体形状的凸柱7a。凸柱7a沿轴6的外周固定到轴6，其使得栓（key）8充当制动装置。轴6设置有法兰6a和形成在轴6的末端的外部螺纹6b。螺母9附接到外部螺纹6b。凸柱7a通过法兰6a和螺帽9被轴向地固定到轴6。

图3是示出转子R以及内部和外部定子Si和So的局部横截面视图。如在图3中所示，转子R包括多个扇形体10和多个永磁体11。扇形体10经由桥路10a彼此相连。永磁体11各自插入到在沿圆周方向上相邻的扇形体10之间。转子R具有固定到转子叶轮7的轴向端面。在图3中示出了转子R以及内部和外部定子Si和So的局部横截面视图，省略了表示横截面的剖面线。例如，扇形体10各自通过堆叠电感钢板35H250（商品号）（Nippon Steel Corporation的产品）而配置。每个扇形体10具有在其径向内周侧和径向外周侧的凹槽10b。另外，如上所述，经由桥路10a在径向外周侧（或内周侧）连接在圆周方向上相邻的扇形体10。凹槽10b被形成于每个扇形体10的圆周中心处。例如，永磁体11是铁氧体磁铁FB14H（商品号）（TDK Corporation的产品）。铁氧体磁铁在沿圆周对立的方向上交替地被磁化。具体地，如在图3中通过箭头所示，沿圆周彼此对立的两个邻近的磁铁11的每个表面对应相同的磁极，即，具有相同的极性。

内部定子Si包括内部定子芯12和内部定子绕组13。内部定子芯12设置有多个槽，该槽以相同的间距在圆周方向上形成并且开口在芯的外周表面。内部定子绕组13经由多个槽缠绕在内部定子芯周围。外部定子So包括外部定子芯14和外部定子绕组15。外部定子芯14设置有多个槽，该槽以相同的间距在圆周方向上形成并且开口在芯的内周表面。外部定子绕组15经由多个槽缠绕在外部定子芯周围。通过将通过冲压获得的芯状电感钢板（例如35H250）进行堆叠配置内部定子芯12和外部定子芯14。如在图1中所示，诸如通过焊接等将内部和外部定子芯12和13的轴向端面（即，如在图中所示的轴向左端面）固定到托板16的端面。

例如，通过将2mm厚的低碳钢板压制成环形而形成托板16，从而使得内部定子芯12的轴向端面固定到其端面的径向内部部分，并且外部定子芯14的轴向端面固定到其端面的径向外部部分。槽还被形成在托板16中。槽的数量与形成在内部定子芯12和外部定子芯14中的槽的数量相同。同样地，托板16的槽的圆周位置与形成在内部和外部定子芯12和14中的槽一致。通过将内部和外部定子芯12和14固定到托板16，同轴的支撑内部和外部定子Si和So。该整体被配置为用于装配内部和外部定子绕组13和15的子装配组件。

如上所述，形成在内部定子Si的内部定子芯12中的槽的数量与形成在外部定子So的外部定子芯14中的槽的数量相同。另外，定子极的数量与转子极的数量相同。换言之，转子R、内部定子Si以及外部定子So均具有相同数量的极（在本实施例中为十二个极）。具有垂直于纵向方向的矩形横截面的扁平导体被用作内部和外部定子绕组13和15。内部和外部定子绕组的矩形横截面积相同。图2是示出内部和外部定子绕组13和15到逆变器I的连接的接线图。如在图2中所示，通过星型连接三相线圈X，Y以及Z形成内部定子绕组13。同样地，通过分别地与内部定子绕组13的X，Y以及Z串联连接U，V以及W而形成外部定子绕组15。如在图2中所示，三相线圈U，V以及W分别地具有连接至逆变器I的终端Uo，Vo以及Wo。逆变器I具有已知的配置并且包括多个开关元件17和二极管18以及开关控制器（未示出）。逆变器I连接至电池B。

内部和外部定子绕组13和15分别具有容纳在槽中的直的槽内导体13a和15a。确保定子绕组13的槽内导体13a的数量小于定子绕组15的槽内导体15a的数量。在第一实施例中，如在图3中所示，外部定子绕组15的槽内导体15a的数量是八，而内部定子绕组13的槽内导体13a的数量是四。换言之，每一相和每一极，在外部定子绕组15中的匝数是八，而在内部定子绕组13中的匝数是四。如上所述，内部和外部定子绕组13和15（或者槽内导体13a和15a）是具有垂直于纵向方向的矩形横截面的扁平导体。在槽中纵向布置内部定子绕组13。换言之，内部定子绕组13（或者槽内导体13a）被布置在槽中，以使得矩形横截面的长边侧指向内部定子芯12的径向方向。另一方面，在槽中横向布置外部定子绕组15（或者槽内导体15a），以使得矩形横截面的长边侧指向外部定子芯14的圆周方向。

通过如上所述的配置，在内部定子Si中的每个槽的垂直于轴向方向的横截面积是在外部定子So中的每个槽的类似的横截面积的一半。另外如上所述，在外部定子So的每个槽中槽内导体15a被横向地布置，占据圆周方向上的大的空间。另一方面，在内部定子Si的每个槽中，槽内导体13a被纵向地布置，从而占据圆周方向上的小的空间并且在径向方向上是细长的。图4（a）是示出从轴向方向看去内部和外部定子绕组13和15的形状的图。图4（b）是示出内部和外部定子绕组13和15的形状的侧视图。如在图4（b）中所示，在外部定子绕组15的八个槽内导体15a中，四个被容纳在槽的径向内侧（在下文中被称为内部槽内导体15a1）。经由各个桥路19将四个内部槽内导体15a1与内部定子绕组13的各个四个槽内导体13a连续地结合。

具体地，桥路19被布置成在左端侧径向地桥接内部和外部定子Si和So，如在图4（b）中所示。更具体地，成型为U形的桥路19将外部定子绕组15的各个内部槽内导体15a1连接至内部定子绕组13的各个槽内导体13a。因此，每个桥路19将对应的横向布置的内部槽内导体15a1连接至对应的纵向布置的槽内导体13a。因此，如在图4（a）中所示，每个桥路19包括扭转（twist）19a，在其中以90度扭转桥路19。在下文中，经由对应的桥路19整体地连接的每个内部槽内导体15a1和对应的槽内导体13a作为整体被称为第一U形导体。

在容纳在外部定子芯14的各个槽中的八个槽内导体中，四个被布置在内部槽内导体15a1径向外部（下文中被称为外部槽内导体15a2）。如在图4（b）中所示，四个外部槽内导体15a2以两对U形导体的形式设置（在下文中每个被称为第二U形导体）。具体地，每个第二U形导体15a2是被容纳在位于外部定子芯14的圆周方向上的两个不同槽中的外部槽内导体15a2的整合。更具体地，如在图（b）中所示，在一个槽中的一个外部槽内导体15a2连接至在另一个槽中的另一个外部槽内导体15a2，两个彼此整体地连接的槽内导体在外部定子芯14的左端面外部形成了U形。

通过对立于U形侧的端作为插入头，第一和第二U形的导体被轴向地插入并且装配到内部和外部定子芯12和14中，U形以置于槽中。与U形侧对立并且伸出槽的端被以预定的角度沿圆周扭转并且以六角的形状彼此相连。以这样的方式，连接内部和外部定子绕组13和15，使得绕组作为一个整体形成相X，Y以及Z和相U，V以及W。然而，连接内部和外部定子绕组13和15使得它们的相彼此相反。因此，如在图3中通过虚线所示，通过定子绕组13和15的磁动势分别生成的磁场

和

被并连地从扇形体10的径向内部和外部侧施加到转子R的指定的扇形体10。

在下文中，描述了双定子电机的操作。优选的是电流分布的中心位于转子R的圆周方向上轻微偏移离开相邻的扇形体10的中心一个角度。因此，AC电流以实现以上电流分布的方式从逆变器I通过内部和外部定子绕组13和15。当施加电流时，扇形体10被磁力地吸向电流分布的中心。换言之，产生磁阻转矩。同样地，因为每个扇形体10是由邻近的永磁铁（铁氧体磁铁）11磁化以形成磁极，所以扇形体10的中心被吸引到电流分布的中心。换言之，生成磁转矩。磁阻转矩和磁转矩彼此协同驱动转子R，从而旋转轴6用于电机的操作。

各个位于沿圆周相邻的扇形体10之间的永磁铁11被指向各个的扇形体10而磁化或在圆周的方向上磁化。另外，内部和外部定子Si和So的绕组的磁动势不会在相同的方向上协作。相反地，如在图3中所示，通过磁动势生成的磁场

和

并行（parallelly）地从扇形体10的径向地内部和外部侧施加到指定的扇形体10。因此，将基本上绕组Si和So的平均水平的退磁场施加到永磁体11，替代被施加以定子Si和So的绕组的磁动势的和生成的退磁场。换言之，通过将施加到永磁铁11的退磁场强度减少到低于在JP-A-H03-139356中所公开的现有技术的电机中的强度水平，电机可以发挥高的性能电机。另外，随着减少退磁场的强度，电机将不会遭受退磁化。另外，尽管双定子结构，但是第一和第二U形导体形式的内部和外部定子绕组13和15可以缠绕在定子周围。因此，例如因为绕组垂直于纵向方向的不同的横截面面积，所以不需要使用多个逆变器I而使电流并联地通过到内部和外部定子Si和So的绕组。因此，具有相同的横截面面接的绕组导体可以共同地缠绕在内部和外部定子Si和So周围，从而使与缠绕工作有关的劳动更容易。

在下文中，将描述本发明的优点。以下描述是基于电机的输出特性的仿真。特定地，在一致的分析条件下（如在以下所陈述），使用包括现有技术的单定子电机和本发明的双定子电机的模型A至D，（如同特定的示例）进行仿真。

一致的分析条件是：

转数：1000rpm

电流：140A rms

电流相位角：50deg E

磁场温度：60deg C

图5是示出仿真模型A至D的基本配置的表格。在图5中，输入磁场厚度指的是在磁场方向上的平均磁场厚度。图6的（a）和（b）、图7的（a）和（b）、图8的（a）和（b）以及图9的（a）和（b）示出了模型A至D的形状和磁场的分析。图10是列出模型A至D的仿真的表格。

图6的（a）和（b）示出了模型A的分析，模型A是嵌入永磁铁的IPM电机电机（单定子电机）的示例。在这样的电机中，一般地，钕磁铁被用作永磁铁。然而在电机模型A中，钕磁铁被铁氧体磁铁11所替代。如在图10中所示，模型A生成适当的转矩。然而，如能从图6（b）中所示的磁场图理解的，磁铁11中的磁力线十分稀疏。换言之，施加到磁铁11上的退磁场强度变强使得其消磁。因此，模型A导致了不能作为电机运行的问题。作为针对此问题的措施，通过将每个磁体11加厚以增强对于退磁化的阻力（退磁阻）而改进模型A。该改进的模型是在图7的（a）和（b）中所示的模型B。如在图10中所示，模型B是主要针对退磁化的，但是导致了仅生成小转矩的问题。

另一方面，包括在本发明的第一方面中的模型C（参见图8的（a）和（b））具有双间隙结构。在双间隙结构中，确保内部和外部定子Si和So的磁场彼此平行并且相反。另外，模型C的转子R包括具有分别被布置在其间的铁氧体磁铁11的多个扇形体10。与模型B类似，模型C不必担心磁场11的退磁化，并且此外，发挥出生成大于模型B的转矩的效果。然而，如能从图8（a）中所示的模型的形状所理解的，在模型C中外部定子So具有每个具有最小宽度3.5的齿，而内部定子Si具有每个具有非常小的宽度1的齿。因此，模型C导致增加了内部和外部定子Si和So之间磁通量通道的大小不平衡的问题。

作为针对以上问题的措施，提出了对应于第一实施例的模型D（参见图9的（a）和（b））。模型D在外部定子So中具有大数量的槽内导体，但是在内部定子Si中具有小数量的槽内导体。例如，如通过比例2：1所示，外部定子So在每个槽的槽内导体数量和横截面积上均大于内部定子Si。根据此配置，在外部定子So中的每个齿具有3mm的最小宽度，而在内部定子Si中的每个齿具有2mm的最小宽度。因此，与模型C相比，通过以系数2增加内部定子Si的每个齿的最小宽度而改善了模型D。结果，如在图10中模型C和D之间的比较中可以显见的，在模型D中增加了转矩。如到目前为止所描述的，作为大约的小直径电机，对应本发明的第一实施例的模型D与模型A（不能忍受退磁的单定子电机）相比更加增强了退磁阻并且发挥了高性能。另外，与模型B相比（可以忍受退磁的单定子电机），模型D增加了大约30Nm的转矩。

第二实施例

现在参照图11、图12的（a）以及（b），在下文中描述本发明的第二实施例。在第二实施例和随后的实施例中，为了省略不必要的说明，与在第一实施例中相同或者类似的部件被分配了相同的附图标记。图11是示出转子R以及内部和外部定子Si和So的局部横截面视图。图12（a）是示出从轴向方向看去内部和外部定子绕组13和15的形状的图。图12（b）是示出内部和外部定子绕组13和15的形状的侧视图。与第一实施例类似，扁平导体被用作内部和外部定子绕组13和15。扁平导体均具有垂直于纵向方向的矩形横截面，并且具有垂直于纵向方向的相同的横截面积。在以上所描述的第一实施例中，外部定子绕组15的内部和外部槽内导体15a1和15a2被布置在横向方向上（使得矩形横截面的长边方向指向外部定子芯14的圆周方向）。但是在第二实施例中，如在图11中所示，外部槽内导体15a2被布置在横向方向上，而内部槽内导体15a1被布置在纵向方向上（使得矩形横截面的长边指向外部定子芯14的径向方向）。在图11中示出了转子R、以及内部和外部定子Si和So的局部横截面视图，并且省略了表示横截面的剖面线。应当理解，与第一实施例类似，内部定子绕组13的槽内导体13a被布置在横向方向上。

根据以上描述的配置，纵向地布置被用于经由各个桥路19连续地连接的外部定子绕组15的内部槽内导体15a1和各自的内部定子13的槽内导体13a。因此，如在图12的（a）和（b）中所示，桥路19不需要扭转90度。换言之，实现与第一实施例中的优点类似的优点而不需以90度扭转桥路19的劳动。因此，减少了制造电机的步骤的数量。另外，由于外部定子绕组15的内部槽内导体15a1的纵向地布置，增加了外部定子So的每个齿的最小宽度。因此，增加了通过外部定子So的磁通量的量，发挥了进一步增加转矩的效果。

第三实施例

参照图13、图14的（a）以及（b），在下文中描述了本发明的第三实施例。图13、图14的（a）以及（b）分别地对应第二实施例的图11、图12的（a）以及（b）。在第三实施例中，如在图13中所示，内部和外部定子绕组13和15的导体均具有垂直于纵向方向的相同的横截面形状（基本上为正方形），并且具有垂直于纵向方向的相同的横截面积。在图13中示出了转子R、以及内部和外部定子绕组Si和So的局部横截面视图，省略了表示横截面的剖线图。如在图14的（a）和（b）中所示，不扭转被施加到连接在各自的外部定子绕组15的内部槽内导体15a1与各自的内部定子绕组13的槽内导体13a之间的桥路19。以上配置适合于具有小的匝数的内部和外部定子绕组13和15的电机。当内部和外部定子绕组13和15具有基本上为正方形的横截面时，此配置发挥了简化绕组结构的效果。

第四实施例

参考图15的（a）和（b）以及图16的（a）至（c），描述了本发明的第四实施例。图15的（a）是示出从轴向方向看去内部和外部定子绕组13和15的形状的图。图15（b）是示出内部和外部定子绕组13和15的形状的侧视图。图16的（a）至（c）示出将内部和外部定子绕组13和15装配到定子芯的处理的示意图。第四实施例示出了将连续的绕组主体配置为内部和外部定子绕组13和15的、对应于一相的绕组组件20（参见图16的（a）至（c）的示例。与第三实施例类似，内部和外部定子绕组13和15的导体均具有相同的横截面形状（基本上为正方形），并且具有相同的横截面积（参见图15的（a）和（b））。如在图15的（b）所示，外部定子绕组15的内部槽内导体15a1在一个轴向端侧（如在图15的（b）中所示的左侧）经由各自的桥路19连续地连接至内部定子绕组13的给子的槽内导体13a，从而形成U形。另外，在另一轴向端侧（如在图15的（b）中所示的右侧），内部槽内导体15a1被连续地连接至各自的外部槽内导体15a2，从而形成U形。因此，内部和外部定子绕组13和15作为整体配置具有连续盘旋形状的绕组组件20。

如在以（a）至（c）的顺序在图16的（a）至（c）中所示，每次将绕组组件20从轴向端侧（即如从在图中所示的右端侧）插入并且装配到内部和外部定子芯12和14中。以这样的方式，多个绕做组件20被装配到内部和外部定子芯12和14。以这样的方式装配的多个绕组组件20的端彼此相连，从而通过创建了定子绕组13和15的一相。在以上配置中，内部和外部定子绕组13和15的导体形成有盘旋形状的绕组组件20。因此，简化了装配内部和外部定子绕组13和15的处理。换言之，用一个动作，绕组组件20的连续的主体就被容纳在内部和外部定子芯12和14的槽中。因此，减少了装配内部和外部定子绕组13和15的步骤的数量，并且因此缩短了用于装配的时间。当绕组结构复杂时，从成本的角度使用本发明的双定子电机1是不实际的。然而，因为在第四实施例中简化了绕组结构，因此可以以等同于诸如小型电机的绕组处理中引起的花费的较低的花费实现双定子电机。因此，第四实施例的配置特别地适用于小型电机。

第五实施例

参考图17，描述了本发明的第五实施例。图17是示出根据本发明的第五实施例，示出具有在各个扇形体10中形成的狭缝21的转子R、以及内部和外部定子Si和So的局部横截面视图。在以上描述的第一至第四实施例中，在内部定子绕组13中的槽内导体的数量（容纳在槽中的槽内导体的数量）小于在外部定子绕组15中的槽内导体的数量。因此，外部定子So的绕组的磁动势变得强于内部定子Si的绕组的磁动势。在这种情况下，形成在内部定子Si通道中和扇形体10中的磁通量趋于被拉出，并且混合到形成在外部定子So通道中和扇形体10中的磁通量中。结果，在外部定子So中，总的磁通量的量增加，导致芯的过饱和。另一方面，在内部定子Si中，总的磁通量的量减少，导致芯的低饱和。因此，磁通量的总量在外部和内部定子So和Si之间将是不平衡的。这可能导致输出不足的问题，即输出与结构和芯材料的量不匹配。

为了解决这个问题，在第五实施例中，如在图17中所示，在转子R的各个扇形体10中形成狭缝21。在图17中示出了转子R、以及内部和外部定子Si和So的局部横截面视图，省略了表示横截面的剖线图。狭缝21被形成在各个扇形体10中，从而在圆周方向上形成弧形。每个狭缝21具有将扇形体10在磁场上分割为内周部分和外周部分的功能，其不允许磁通量在径向方向上通过扇形体10。结果，有效地阻止涉及内部定子Si的磁通量混合到涉及外部定子So的磁通量中。这抑制了内部和外部定子Si和So之间生成的磁通量的总量的不平衡。以这样的方式，电机能够提供适合于其结构和其芯材料的量的输出。

修改例

以上描述的第一实施例示出了在其中铁氧体磁铁被用作转子R的永磁铁11的示例。然而替选地，稀土磁铁（例如镝磁铁）可以被用作永磁铁11。替选地，铁氧体磁铁和稀土磁铁可以被交替地布置在圆周方向上。在以上描述的第二至第四实施例中，内部和外部定子绕组13和15的槽内导体的数量（即每一相和每一极的匝数）分别被设置为二和四（参见图11、13图15（a）以及图15（b））。替选地，匝数可以是与第一实施例类似的四和八。相反地，在第一实施例中，内部和外部定子绕组13和15的槽内导体的数量可以分别地是二和四。另外，内部和外部定子绕组13和15之间的槽内导体的数量的比值不必限于1：2，而且可以是3：4（例如，六匝和八匝）。

在第一实施例中所描述的双定子电机1中，内部和外部定子Si和So被配置成具有相同槽的数量。替选地，内部定子Si的槽的数量可以小于外部定子So的槽的数量。在这种情况下，与外部定子芯14相比，内部定子芯12将具有较大的槽间距。因此，例如，即使在小直径的电机中，将确保作为磁通量通道的内部定子芯12具有足够大的垂直于轴向方向的横截面积。结果，在直径差别的约束下，能够容易地将内部定子Si设计成小于外部定子So。

Claims (11)

1.一种双定子电机，包括：

环形转子，被连接至旋转轴并且与所述旋转轴整体地转动；

内部定子，被布置在所述转子的径向内部；

外部定子，被布置在所述转子的径向外部；

多个扇形体，被环形地布置在所述转子的圆周方向上，所述多个扇形体以预定的距离彼此分开；以及

多个永磁铁，每个永磁铁介于沿圆周相邻的扇形体之间，并且所述永磁铁在沿圆周对立的方向上被交替地磁化；

其中，

所述内部定子包括内部定子芯和三相内部定子绕组，所述内部定子芯具有多个开在所述内部定子芯外周上的多个槽；所述三相内部定子绕组通过所述多个槽缠绕在所述内部定子芯周围；

所述外部定子包括外部定子芯和三相外部定子绕组，所述外部定子芯具有多个开在所述外部定子芯内周上的多个槽，所述三相外部定子绕组通过所述多个槽缠绕在所述外部定子芯周围；

所述转子、所述内部定子以及所述外部定子具有相同数量的极；以及，

所述内部定子和所述外部定子的所述内部定子绕组和所述外部定子绕组互相连接，从而使得所述内部定子绕组和所述外部定子绕组的相位彼此相反，以使得通过所述内部定子和所述外部定子的磁动势生成的磁场被并行地施加到特定的扇形体上。

2.根据权利要求1所述的双定子电机，其中

所述内部定子的所述内部定子芯的所述槽的数量等于所述外部定子的所述外部定子芯的所述槽的数量；

所述内部定子绕组和所述外部定子绕组具有被容纳在所述槽中的槽内导体；以及

所述内部定子绕组的槽内导体的数量小于所述外部定子绕组的槽内导体的数量。

3.根据权利要求1所述的双定子电机，其中

所述内部定子芯的所述槽的数量小于所述外部定子芯的所述槽的数量。

4.根据权利要求2所述的双定子电机，其中

所述外部定子绕组的所述槽内导体包括在所述外部定子芯的所述槽中在所述槽的内周侧上容纳的内部槽内导体，以及在所述外部定子芯的所述槽中在所述内部槽内导体的外周侧上容纳的外部槽内导体；并且

经由桥路连续地并且整体地提供形成U形的所述外部定子绕组的所述内部槽内导体和所述内部定子绕组的所述槽内导体，所述桥路被布置以使得在所述转子的一个轴向端侧上径向地桥接所述内部定子和所述外部定子。

5.根据权利要求4所述的双定子电机，其中

在所述外部定子绕组中，通过在所述外部定子芯的轴向端面外形成U形，连续地并且整体地提供被容纳在所述外部定子芯的两个沿圆周不同的槽中的一个外部槽内导体和另一个外部槽内导体；并且

所述外部定子绕组的所述内部槽内导体和所述外部槽内导体被电气地并且机械地互相连接在对立于所述U形侧的轴向端侧上。

6.根据权利要求4或5所述的双定子电机，其中

在所述内部定子绕组和外部定子绕组中，每个槽内导体具有相同的横截面积的矩形横截面；

所述内部定子绕组的所述槽内导体被容纳在各个槽中，从而使得每个所述矩形横截面的长边指向所述内部定子芯的径向方向；

所述外部定子绕组的所述槽内导体被容纳在各个槽中，从而使得每个所述矩形横截面的长边指向所述外部定子芯的圆周方向；

每个桥路具有与各个所述槽内导体相同的横截面形状和横截面积，并且每个桥路被扭转90度。

7.根据权利要求4或5所述的双定子电机，其中

在所述内部定子绕组和外部定子绕组中，每个槽内导体具有相同的横截面积的矩形横截面；

所述外部定子绕组的所述外部槽内导体被容纳在各个槽中，从而使得所述矩形横截面的长边指向所述外部定子芯的圆周方向；

所述外部定子绕组的所述内部槽内导体被容纳在各个槽中，从而使得所述矩形横截面的长边指向所述外部定子芯的径向方向；以及

所述内部定子绕组的所述槽内导体被容纳在各个槽中，从而使得每个矩形横截面的长边指向所述内部定子芯的径向方向。

8.根据权利要求4所述的双定子电机，其中

在所述内部定子绕组和所述外部定子绕组中，通过在一个轴向端侧形成U形，所述内部定子绕组的所述槽内导体经由各个桥路被连接至所述外部定子绕组的各个内部槽内导体；

通过在另一个轴向端侧形成U形，连接所述外部定子绕组的所述内部槽内导体和所述外部槽内导体，从而形成盘旋形的串联绕组；以及

多个所述串联绕组整体上形成一相绕组组件。

9.根据权利要求2、4、5和8中的任意一项所述的双定子电机，其中所述转子的每个扇形体被设置有狭缝，所述狭缝径向地位于所述转子的内周侧和外周侧之间。

10.根据权利要求6所述的双定子电机，其中所述转子的每个扇形体被设置有狭缝，所述狭缝径向地位于所述转子的内周侧和外周侧之间。

11.根据权利要求7所述的双定子电机，其中所述转子的每个扇形体被设置有狭缝，所述狭缝径向地位于所述转子的内周侧和外周侧之间。

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