CN103155357B

CN103155357B - 电机

Info

Publication number: CN103155357B
Application number: CN201180015599.0A
Authority: CN
Inventors: 萨卡里·塞佩伦
Original assignee: Switch Drive Systems Oy
Current assignee: Switch Drive Systems Oy
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2011-03-14
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2031-03-14
Also published as: FI20105288A0; CN103155357A; WO2011117466A2; EP2550720A2; WO2011117466A3

Abstract

电机的转子的气隙直径被布置成具有凹形轴向轮廓或者定子的孔口直径被布置成具有凸形轴向轮廓，从而即使定子铁心（130）被由与电机的额定使用相对应的磁通引起的磁力弯曲，电机的气隙（107）沿着轴向方向（z）也是大致恒定的。具有凹形转子气隙直径轮廓和凸形定子孔口直径轮廓这两者也是可能的。由于凹形转子气隙直径轮廓和/或凸形定子孔口直径轮廓，能够允许在大直径电机中用于支撑由切向片段组装而成的定子铁心而需要的支撑结构（105）是更加柔性的，并且因此能够实现支撑结构的重量降低。

Description

电机

技术领域

本发明总体上涉及一种旋转电机。更加具体地，本发明涉及一种电机的转子和一种电机的定子。

背景技术

在设计大直径电机例如直驱式风力发电机时的挑战之一与定子结构的刚度有关。在上述种类的电机中，定子结构典型地包括由层压的切向片段组装而成的定子铁心和被布置成以机械方式支撑分段的定子铁心的支撑结构。在转子和定子铁心之间的气隙中的磁场产生作用于定子铁心的气隙表面并且因此趋向于弯曲定子铁心并且结果改变气隙的作用力。当设计上述种类的电机时，通过为电机提供如此之大的气隙使得能够容忍气隙的变化和/或通过使支撑结构如此刚硬使得气隙的变化保持足够地小而能够将磁力对于气隙的效果加以考虑。特别地在永磁体电机中，并且还在感应电机中，气隙应该是足够小的从而实现最佳操作。与其中气隙直径能够甚至大于2000mm的大直径电机相结合地，保持气隙处于允许范围内可能是特别地挑战性的，这是因为相对于电机的其它尺寸，气隙的额定宽度是小的。因此，支撑定子铁心的支撑结构的尺寸确定主要地由与保持气隙处于允许范围内的需要有关的刚度要求决定，而非由与疲劳强度有关的要求决定。与主要地基于与疲劳强度有关的要求确定尺寸的相应的支撑结构相比，主要地基于上述刚度要求确定尺寸的支撑结构显著地更重。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种新的、用于电机的转子。根据本发明的转子包括：

-轴，和

-围绕轴并且在它的第一端及其第二端之间具有轴向长度L的电磁有效部(active part)，当转子被用作电机的一部分时，该有效部沿着径向方向面向定子铁心，

其中能够从有效部的第一端朝向有效部的第二端在轴向距离z处环绕有效部的最小圆的直径为D_R(z)，D_R(z)在从0到L的范围上是z的正凹函数并且其最小值为：

D_R(z_c)＝min{D_R(z＝0),D_R(z＝L)}-B，

其中参数B为至少0.25mm并且D_R(z)在此处达到它的最小值的z_c优选地处于有效部的轴向长度中间，即z_c＝L/2，但是，然而容许z_c稍微从L/2偏离从而z_c属于从L/2-L/20到L/2+L/20的范围。

因为能够环绕电磁有效部的最小圆的直径朝向有效部的轴向长度的中间区域降低，所以能够允许定子铁心被磁力弯曲。通过适当地成形代表转子的气隙直径的轴向轮廓的凹函数D_R(z)，实现其中当定子铁心被磁力弯曲时在距有效部的第一端不同的轴向距离处气隙的宽度具有大致相同的值的情况是可能的。因为能够允许定子铁心弯曲，所以能够允许例如在大直径电机中用于支撑由切向片段组装的定子铁心而需要的支撑结构是更加柔性的并且因此支撑结构的重量和价格的消减能够得以实现。换言之，不必如同关于在本文献中前述根据现有技术的、相应的电机的情形那样主要地基于刚度要求确定上述支撑结构的尺寸。

根据本发明的第二方面，提供一种新的、用于电机的定子。根据本发明的定子包括：

-定子铁心，该定子铁心在它的第一端及其第二端之间具有轴向长度L，

-绕组，该绕组部分地位于定子铁心的狭槽中，和

-支撑结构，该支撑结构被布置成以机械方式支撑定子铁心，

其中能够从定子铁心的第一端朝向定子铁心的第二端在轴向距离z处被定子铁心的孔口环绕的最大圆的直径为D_s(z)，D_s(z)在从0到L的范围上是z的正凹函数并且其最大值为：

D_s(z_c)＝max{D_s(z＝0),D_s(z＝L)}+B，

其中参数B为至少0.25mm并且D_s(z)在此处达到它的最大值的z_c优选地处于定子铁心的轴向长度的中间，即z_c＝L/2，但是，然而容许z_c稍微从L/2偏离从而z_c属于从L/2-L/20到L/2+L/20的范围。

因此，根据本发明的定子具有孔口，该孔口被预成形从而允许定子铁心被磁力弯曲。

根据本发明的第三方面，提供一种新的电机。该电机包括根据本发明的转子和/或根据本发明的定子，其中代表转子的气隙直径的轴向轮廓的D_R(z)的形状和/或代表定子的气隙直径的轴向轮廓的D_s(z)的形状被以如此方式选择，使得当定子铁心被由与电机的额定使用相对应的磁通引起的磁力弯曲时，在从z＝0到z＝L的轴向范围中，在转子和定子之间的气隙的宽度是大致恒定的。

总之，本发明提供了一种电机，所述电机包括转子和定子，所述定子包括由切向层压的片段组装而成的定子铁心以及被布置成以机械方式支撑所述定子铁心的支撑结构，并且所述转子包括：

-轴，和

-电磁有效部，所述电磁有效部在所述电磁有效部的第一端和所述电磁有效部的第二端之间具有轴向长度L并且在所述电磁有效部的第一端和第二端之间的整个轴向范围上围绕所述轴，当所述转子被用作所述电机的一部分时，所述电磁有效部在径向方向上面向定子铁心，

其中，能够从所述电磁有效部的第一端朝向所述电磁有效部的第二端在轴向距离z处环绕所述电磁有效部的最小圆的直径是D_R(z)，所述D_R(z)在从z＝0到z＝L的范围上是z的正凹函数并且所述D_R(z)的最小值是：

D_R(z_c)＝min{D_R(z＝0)，D_R(z＝L)}-B，

其中，B是至少0.25mm，并且D_R(z)达到D_R(z)的最小值处的z_c属于从L/2-L/20到L/2+L/20的范围，其特征在于，D_R(z)的凹度能够补偿由与所述电机的额定使用相对应的磁通引起的磁力引起的定子铁心的弯曲，从而当由于所述支撑结构的有限刚度而所述定子铁心被所述磁力弯曲时，所述转子和所述定子之间的气隙的宽度在从z＝0到z＝L的范围上是大致恒定的。

优选地，B是至少0.5mm。

优选地，B是至少2.0mm。

优选地，D_R(z＝0)和D_R(z＝L)大于或者等于2米，并且L大于等于1米。

优选地，D_R(z＝0)与D_R(z＝L)大致相同。

优选地，所述电机包括永磁体，所述永磁体中的每一个永磁体均具有径向的磁化方向。

优选地，所述电机包括激励绕组，所述激励绕组中的每一个激励绕组均具有径向的磁轴。

本发明还提供了一种电机，所述电机包括转子和定子，所述定子包括：

-定子铁心，所述定子铁心由切向层压的片段组装而成，并且所述定子铁心在所述定子铁心的第一端和所述定子铁心的第二端之间具有轴向长度L，

-绕组，所述绕组部分地位于所述定子铁心的狭槽中，和

-支撑结构，所述支撑结构布置成以机械方式支撑所述定子铁心，

其中，能够从所述定子铁心的第一端朝向所述定子铁心的第二端在轴向距离z处被所述定子铁心的孔口环绕的最大圆的直径是D_s(z)，所述D_s(z)在从z＝0到z＝L的范围上是z的正凸函数并且所述D_s(z)的最大值是：

D_s(z_c)＝max{D_s(z＝0)，D_s(z＝L)}+B，

其中，B是至少0.25mm，并且D_s(z)达到D_s(z)的最大值处的z_c属于从L/2-L/20到L/2+L/20的范围，其特征在于，D_s(z)的凸度能够补偿由与所述电机的额定使用相对应的磁通引起的磁力引起的所述定子铁心的弯曲，从而当由于所述支撑结构的有限刚度而所述定子铁心被所述磁力弯曲时，所述转子和所述定子之间的气隙的宽度在从z＝0到z＝L的范围上是大致恒定的。

优选地，B是至少0.5mm。

优选地，B是至少2.0mm。

优选地，D_s(z＝0)和D_s(z＝L)大于或者等于2米，并且L大于等于1米。

优选地，D_s(z＝0)与D_s(z＝L)大致相同。

当结合附图阅读时，根据具体例示实施例的以下说明，与它的另外的目的和优点一起地，关于构造和操作方法这两者的、本发明的各种例示实施例将得到最好的理解。

在本文献中作为开放限制使用了动词“包括”，该动词既不排除也不要求存在未予叙述的特征。

附图说明

在下面在实例的意义上并且参考附图更加详细地解释了本发明的例示实施例和它们的优点，其中：

图1a示出根据本发明的一个实施例的转子的概略侧视图；

图1b示出能够与在图1a中示意的转子一起地使用的定子的概略截面视图；

图1c示意其中在图1a中示意的转子已经被与在图1b中示意的定子放在一起并且磁力作用于转子和定子上的情况；

图1d示出沿着轴向方向观察的、根据本发明的一个实施例的转子；

图2a示出根据本发明的一个实施例的转子的气隙直径的轴向轮廓；

图2b示出根据本发明的另一个实施例的转子的气隙直径的轴向轮廓；

图3a示出根据本发明的一个实施例的定子的概略截面视图；

图3b示出能够与在图3a中示意的定子一起地使用的转子的概略侧视图；

图3c示意其中在图3a中示意的定子已经被与在图3b中示意的转子放在一起并且磁力作用于转子和定子上的情况；

图4a示出根据本发明的一个实施例的定子的气隙直径的轴向轮廓；并且

图4b示出根据本发明的另一个实施例的定子的气隙直径的轴向轮廓。

具体实施方式

图1a示出根据本发明的一个实施例的转子的概略侧视图。该转子包括轴101和电磁有效部102。有效部围绕该轴并且在它的第一端110及其第二端111之间具有轴向长度L。图1a所示z坐标示意从有效部的第一端110朝向有效部第二端111的轴向距离。当转子被用作电机的一部分时，有效部102沿着径向方向面向定子铁心。如在图1a中所示意地，有效部具有如此形状，使得能够环绕有效部的最小圆的直径D_R(z)是z的正凹函数。D_R(z)在此处达到它的最小值的点z_c优选地处于有效部的轴向长度的中间，即z_c＝L/2，但是，然而例如容许z_c稍微从L/2偏离，从而z_c属于从L/2-L/20到L/2+L/20的范围。函数D_R(z)的形状代表转子的气隙直径的轴向轮廓。

图1b示出能够与在图1a中示意的转子一起地使用的定子的概略截面视图。在图1b中的点划线140是旋转对称轴线。该定子包括可以已经由切向层压的片段组装而成的定子铁心103、部分地位于定子铁心的狭槽中的绕组104，和被布置成以机械方式支撑定子铁心的支撑结构105。支撑结构105被连接到端罩106。

图1c示意其中在图1a中示意的转子已经被与在图1b中示意的定子放在一起并且磁力作用于转子和定子上的情况。如图1c所示箭头130所示意地，定子铁心103和支撑结构105被磁力弯曲。如能够从图1c看到地，在从z＝0到z＝L的轴向范围上，在转子和定子之间的气隙107的宽度是大致恒定的，这是因为转子的气隙直径的轴向轮廓的形状被选择为是与定子铁心103和支撑结构105的弯曲相称的。因为能够允许定子铁心被弯曲，所以能够允许支撑结构是更加柔性的并且因此支撑结构的重量和价格的消减能够得以实现。在图1a和1c中，为了示意性的意图，转子的气隙直径的轴向轮廓的凹度，还有定子铁心和支撑结构的弯曲被强烈地夸大。在实际应用中，转子的气隙直径的轴向轮廓的适当的凹度使得D_R(z)的最小值，见图1a，为：

D_R(z_c)＝min{D_R(z＝0)，D_R(z＝L)}-B，(1)

其中参数B为至少0.25mm。在根据本发明的某些具体实施例的转子中，参数B为至少0.5mm。在根据本发明的某些具体实施例的转子中，参数B为至少2mm。例如，在具有D_R(z＝0)＝D_R(z＝L)≥2000mm且L≥1000mm的转子中，D_R(z_c)小于或者等于1999.75mm。

在有效部102的第一端110处的气隙直径D_R(z＝0)通常与在有效部的第二端110处的气隙直径D_R(z＝L)相同，即D_R(z＝0)＝D_R(z＝L)，但是还能够与其中D_R(z＝0)并不等于D_R(z＝L)的锥形转子相结合地应用以上示意的原理。以上提出的等式(1)对于锥形转子和非锥形转子这两者都是有效的。

应该指出，根据本发明的一个实施例的转子的横截面不必是圆。这在图1d中示意，图1d示出沿着轴向方向，即沿着坐标系统190的负z方向观察的、根据本发明的一个实施例的转子。该转子包括轴101和围绕该轴的有效部。该有效部包括被附接到该轴的中心部102a和被附接到该中心部的永磁体模块102b、102c、102d和102e。该永磁体模块包括每一个均具有径向磁化方向的永磁体。虚线圆108a代表能够在有效部的端部处环绕有效部的最小圆并且虚线圆108b代表能够在位置z_c处环绕有效部的最小圆，在该位置z_c处，转子的气隙直径的轴向轮廓达到它的最小值。

根据本发明的一个实施例的转子包括每一个均具有径向磁轴的激励绕组。转子能够或者是凸极转子或者是隐极转子(cylindrical rotor)。

图2a示出根据本发明的一个实施例的转子的气隙直径的轴向轮廓。曲线220示意能够在距有效部的第一端不同的轴向距离z处环绕转子的有效部的最小圆的直径。曲线220代表气隙直径的轴向轮廓的光滑、凹形形式。如果曲线220代表关于z至少两次可微的函数，则凹度由以下事实表明，即，二阶导数d²D_R(z)/dz²非负，即d²D_R(z)/dz²≥0。

然而，应该指出，气隙直径的轴向轮廓并不是必要地必须是光滑的。图2b示出根据本发明的另一个实施例的转子的气隙直径的轴向轮廓。曲线221示意能够在距有效部的第一端不同的轴向距离z处环绕转子的有效部的最小圆的直径。在此情形中，气隙直径的轴向轮廓不是光滑的，而是它存在阶梯状的变化。然而，如果它们是足够小的，则该阶梯状的变化是容许的。

根据本发明的一个实施例的电机包括转子，其中D_R(z)的形状被以如此方式选择，使得当定子铁心103被由与电机的额定使用相对应的磁通引起的磁力弯曲时，电机的转子和定子之间的、图1c所示的气隙107在从z＝0到z＝L的轴向范围上是大致恒定的。

图3a示出根据本发明的一个实施例的定子的概略截面视图。点划线340是旋转对称轴线。该定子包括可以已经由切向层压的片段组装的定子铁心303。定子铁心在它的第一端312及其第二端313之间具有轴向长度L。该定子包括部分地位于定子铁心的狭槽中的绕组304。该定子包括被布置成以机械方式支撑定子铁心的支撑结构305。支撑结构305被连接到端罩306。

图3a所示z坐标示意从定子铁心的第一端312朝向定子铁心的第二端313的轴向距离。当定子被用作电机的一部分时，定子铁心303沿着径向方向面向转子的电磁有效部。如在图3a中所示意地，定子铁心的孔口具有如此形状，使得能够被定子铁心的孔口环绕的最大圆的直径D_s(z)是z的正凸函数。D_s(z)在此处达到它的最大值的点z_c优选地处于定子铁心的轴向长度的中间，即z_c＝L/2，但是，然而例如容许z_c稍微从L/2偏离，从而z_c属于从L/2-L/20到L/2+L/20的范围。函数D_s(z)的形状代表定子的气隙直径的轴向轮廓。

图3b示出能够与在图3a中示意的定子一起地使用的转子的概略截面视图。该转子包括轴301和围绕该轴的电磁有效部302。图3c示意其中在图3a中示意的定子已经被与在图3b中示意的转子放在一起并且磁力作用于转子和定子上的情况。定子铁心303和支撑结构305被如利用图3c所示箭头330示意的磁力弯曲。如能够从图3c看到地，在转子和定子之间的气隙307的宽度在从z＝0到z＝L的轴向范围上是大致恒定的，这是因为定子的气隙直径的轴向轮廓的形状被选择为是与定子铁心303和支撑结构305的弯曲相称的。因为能够允许定子铁心被弯曲，所以能够允许支撑结构是更加柔性的并且因此支撑结构的重量和价格的消减能够得以实现。在图3a和3c中，为了示意性的意图，定子的气隙直径的轴向轮廓的凸度，还有定子铁心和支撑结构的弯曲被强烈地夸大。在实际应用中，定子的气隙直径的轴向轮廓的适当的凸度使得D_s(z)的最大值，见图3a，为：

D_s(zc)＝max{D_s(z＝0)，D_s(z＝L)}+B， (2)

其中参数B为至少0.25mm。在根据本发明的某些具体实施例的定子中，参数B为至少0.5mm。在根据本发明的某些具体实施例的定子中，参数B为至少2mm。例如，在具有D_s(z＝0)＝D_R(z＝L)≥2000mm且L≥1000mm的定子中，D_s(z_c)大于或者等于D_s(z＝0)+0.25mm。

在定子铁心303的第一端312处的气隙直径D_s(z＝0)通常与在定子铁心的第二端313处的气隙直径D_s(z＝L)相同，即D_s(z＝0)＝D_s(z＝L)，但是还能够与具有其中D_s(z＝0)并不等于D_s(z＝L)的锥形孔口的定子相结合地应用以上示意的原理。以上提出的等式(2)对于定子铁心的锥形和非锥形孔口这两者都是成立的。

图4a示出根据本发明的一个实施例的定子的气隙直径的轴向轮廓。曲线422示意在距定子铁心的第一端不同的轴向距离z处能够被定子铁心的孔口环绕的最大圆的直径。曲线422代表气隙直径的轴向轮廓的光滑、凸形形式。如果曲线422代表关于z至少两次可微的函数，则凸度由以下事实表明，即，二阶导数d²D_R(z)/dz²非正，即d²D_s(z)/dz²≤0。

然而，应该指出，气隙直径的轴向轮廓并不是必要地必须是光滑的。图4b示出根据本发明的另一个实施例的定子的气隙直径的轴向轮廓。曲线423示意能够在距定子铁心的第一端不同的轴向距离z处被定子铁心的孔口环绕的最大圆的直径。在此情形中，气隙直径的轴向轮廓不是光滑的，而是它存在阶梯状的变化。然而，如果它们是足够小的，则该阶梯状的变化是容许的。

根据本发明的一个实施例的电机包括定子，其中D_s(z)的形状被以如此方式选择，使得当定子铁心303被由与电机的额定使用相对应的磁通引起的磁力弯曲时，在电机的转子和定子之间的、图3c所示的气隙307在从z＝0到z＝L的轴向范围上是大致恒定的。

为电机提供具有气隙直径的凸形轴向轮廓的定子和具有气隙直径的凹形轴向轮廓的转子也是可能的，其中定子和转子的气隙直径的轴向轮廓被以如此方式选择，使得当定子铁心被由与电机的额定使用相对应的磁通引起的磁力弯曲时，在转子和定子之间的气隙的宽度在其轴向范围上是大致恒定的。

在以上给出的说明中提供的具体实例不应该被理解成是限制性的。因此，本发明并不仅仅限制于上述实施例。

Claims

1.一种电机，所述电机包括转子和定子，所述定子包括由切向层压的片段组装而成的定子铁心以及被布置成以机械方式支撑所述定子铁心的支撑结构，并且所述转子包括：

-轴(101)，和

-电磁有效部(102)，所述电磁有效部(102)在所述电磁有效部(102)的第一端(110)和所述电磁有效部(102)的第二端(111)之间具有轴向长度L并且在所述电磁有效部(102)的第一端和第二端之间的整个轴向范围上围绕所述轴，当所述转子被用作所述电机的一部分时，所述电磁有效部在径向方向上面向定子铁心，

其中，能够从所述电磁有效部的第一端(110)朝向所述电磁有效部的第二端(111)在轴向距离z处环绕所述电磁有效部的最小圆的直径是D_R(z)，所述D_R(z)在从z＝0到z＝L的范围上是z的正凹函数并且所述D_R(z)的最小值是：

D_R(z_c)＝min{D_R(z＝0)，D_R(z＝L)}-B，

其中，B是至少0.25mm，并且D_R(z)达到D_R(z)的最小值处的z_c属于从L/2-L/20到L/2+L/20的范围，其特征在于，D_R(z)的凹度能够补偿由与所述电机的额定使用相对应的磁通引起的磁力引起的定子铁心(103)的弯曲，从而当由于所述支撑结构的有限刚度而所述定子铁心被所述磁力弯曲时，所述转子和所述定子之间的气隙(107)的宽度在从z＝0到z＝L的范围上是大致恒定的。

2.根据权利要求1所述的电机，其中，B是至少0.5mm。

3.根据权利要求1所述的电机，其中，B是至少2.0mm。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的电机，其中，D_R(z＝0)和D_R(z＝L)大于或者等于2米，并且L大于等于1米。

5.根据权利要求1-3中的任一项所述的电机，其中，D_R(z＝0)与D_R(z＝L)大致相同。

6.根据权利要求1-3中的任一项所述的电机，包括永磁体，所述永磁体中的每一个永磁体均具有径向的磁化方向。

7.根据权利要求1-3中的任一项所述的电机，包括激励绕组，所述激励绕组中的每一个激励绕组均具有径向的磁轴。

8.一种电机，所述电机包括转子和定子，所述定子包括：

-定子铁心(303)，所述定子铁心(303)由切向层压的片段组装而成，并且所述定子铁心(303)在所述定子铁心(303)的第一端(312)和所述定子铁心(303)的第二端(313)之间具有轴向长度L，

-绕组(304)，所述绕组(304)部分地位于所述定子铁心的狭槽中，和

-支撑结构(305)，所述支撑结构(305)布置成以机械方式支撑所述定子铁心，

其中，能够从所述定子铁心的第一端(312)朝向所述定子铁心的第二端(313)在轴向距离z处被所述定子铁心的孔口环绕的最大圆的直径是D_s(z)，所述D_s(z)在从z＝0到z＝L的范围上是z的正凸函数并且所述D_s(z)的最大值是：

D_s(z_c)＝max{D_s(z＝0)，D_s(z＝L)}+B，

其中，B是至少0.25mm，并且D_s(z)达到D_s(z)的最大值处的z_c属于从L/2-L/20到L/2+L/20的范围，其特征在于，D_s(z)的凸度能够补偿由与所述电机的额定使用相对应的磁通引起的磁力引起的所述定子铁心(303)的弯曲，从而当由于所述支撑结构的有限刚度而所述定子铁心被所述磁力弯曲时，所述转子和所述定子之间的气隙(307)的宽度在从z＝0到z＝L的范围上是大致恒定的。

9.根据权利要求8所述的电机，其中，B是至少0.5mm。

10.根据权利要求8所述的电机，其中，B是至少2.0mm。

11.根据权利要求8-10中的任一项所述的电机，其中，D_s(z＝0)和D_s(z＝L)大于或者等于2米，并且L大于等于1米。

12.根据权利要求8-10中的任一项所述的电机，其中，D_s(z＝0)与D_s(z＝L)大致相同。