CN106059224A - 具有横向磁化的透镜形磁体的旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有外定子(2)、内定子(10)、转子(7)和内部的气隙(13)的旋转电机(1)，其中，内定子相对于外定子(2)同心地布置在外定子(2)的内部，转子相对于外定子(2)和内定子(10)同心地布置在外定子(2)和内定子(10)之间并且能够相对于外定子(2)和内定子(10)运动，气隙布置在转子(7)和内定子(10)之间，其中，内定子(10)具有多个永磁体(12)。为了与现有技术相比以更少的质量和更低的成本实现更高的效率，提出每个单个的永磁体(12)在朝向内部的气隙(13)的一侧上具有北极(N)和南极(S)，其中，内定子(10)的永磁体(12)包括铁‑钕‑硼。

Description

具有横向磁化的透镜形磁体的旋转电机

技术领域

本发明涉及一种具有外定子、内定子、转子和内部的气隙的旋转电机，其中内定子相对于外定子同心地布置在外定子的内部，转子相对于外定子和内定子同心地布置在外定子和内定子之间并且相对于外定子和内定子能运动，气隙布置在转子和内定子之间，其中内定子具有多个永磁体。

此外，本发明还涉及一种具有发电机的风力发电设备，其中该发电机具有这种类型的旋转电机。

本发明还涉及一种用于具有这种类型的旋转电机的电动飞行器或电动车辆或电力的牵引车辆的驱动器。

背景技术

电机例如设计为同步电机特别是三相同步电机。这种三相同步电机能够例如作为马达或也作为发电机运行并且例如在风力发电设备和飞机驱动器中出现，其例如设计为永磁激励的三相同步电机。此外已知一种电机，其具有外定子和内定子，在外定子和内定子之间布置有转子。这种双定子机器需要在内定子中的磁回路，其由软磁性的铁制成。由此，内定子具有更大的质量，并附加地需要材料铁，因而具有相比于铝和铜对磁体的更差的导热率。

从EP 2 528 207 A1中已知一种电机，其包括具有一系列磁性元件的第一定子和连接的第二定子，磁性元件设置用于形成预设数量的磁极对，其与第一定子通过气隙隔开并且其电枢绕组具有一个或多个相，该相形成预设数量的磁极对。

在在先申请EP 1416 3031.9中提出一种具有外定子、内定子和转子的电机，内定子相对于外定子同心地布置在外定子的内部，转子相对于外定子和内定子同心地布置在外定子和内定子之间并且能够相对于外定子和内定子运动，其中外定子具有多个线圈，内定子具有多个永磁体，并且转子包括承载件，该承载件由非磁的材料构成并且具有多个凹陷部，在凹陷部中分别布置有软磁的区段。

在同样没有公开的申请EP 14183004.2中提出一种具有定子和能围绕轴线旋转的转子的永磁激励的机电机器，其中定子具有绕组系统，其嵌入到形成了磁回路(Rueckschluss)的材料的凹槽中并且与转子的永磁体经由在定子和转子之间的气隙电磁地交替作用，其中永磁体布置在转子上，其中每个单个的永磁体在朝向气隙的一侧上具有北极和南极。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种开头所述类型的电机，其与现有技术相比在更少的质量的情况中具有更高的功率，并且成本低廉。

根据本发明，该目的通过具有外定子、内定子、转子和内部的气隙的旋转电机实现，其中内定子相对于外定子同心地布置在外定子的内部，转子相对于外定子和内定子同心地布置在外定子和内定子之间并且能够相对于外定子和内定子运动，内部的气隙布置在转子和内定子之间，其中内定子具有多个永磁体，其中每个单个的永磁体在朝向内部气隙的一侧上具有南极和北极。

此外，该目的通过具有发电机的风力发电设备实现，其中发电机具有这种类型的旋转电机。

本发明还通过具有该种类型的旋转电机的电力牵引车辆或电动飞行器或电动车辆的驱动器实现。

旋转电机具有外定子、与外定子同心布置的内定子和相对于外定子和内定子同心地在内定子和外定子之间布置的转子，该旋转电机也称为双转子机器。特定的永磁体在朝向内部的气隙的一侧上具有北极和南极，该永磁体还具有横向的磁化部。在此单个的永磁体的一侧具有两个极，即北极和南极。有利地，在此即磁性材料减少到永磁体的由场线贯穿过的材料上并且不需要如在经典的永磁体的情况中经由铁片组的磁回路。

通过提供以下永磁激励的三相同步电机，在该电机中布置有在内定子上的永磁体，旋转电机的永磁体不必移动。因此在电机运行中产生的热量能够比在在转子中设有永磁体的旋转电机中更简单地从永磁体中排出。

在优选的实施方式中外定子具有多个线圈。为此目的，外定子具有相应的凹槽，在凹槽中布置有线圈。

在另外的有利的设计方案中，内定子具有叠片组，该叠片组由轻金属特别是铝制成。通过在内定子内的轻金属减小内定子的质量。因此马达整体上变得更轻并且提高了转矩质量比。

在特别有利的方式中，永磁体直接与内定子的叠片组连接。这是可行的，因为横向的磁化永磁体不需要在内定子内的铁回路。优选由铝制成的叠片组随后保持、固定和定位永磁体。因此，直接与内定子连接的永磁体的冷却是特别有效的，因为非磁的铝具有比铁更大的导热率并且去除具有更差导热性的铁。

在优选的实施方式中，内定子的永磁体在周向上几乎无间隙地布置并且几乎完全地覆盖内定子的朝向内部的气隙的表面。这是特别有利的，因为通过在周向上对永磁体的几乎完全的级覆盖在同时优化磁体积时实现转矩提高。这减小了制造成本并实现了制造具有大的直径和设计具有更小的惯性的转子。

在另外的有利的设计方案中，永磁体实施为透镜形、梯形或壳形。通过该成型可行的是，在内定子和转子之间产生几乎恒定的气隙。永磁体的形状取决于需要的转矩构造、几何尺寸和需要的或追求的气隙感应。

永磁体以特别有利的方式如下地实施，即永磁体的背离内部的气隙的部段基本上跟随从优磁化方向。在此决定的是，通过这样成型的永磁体的横向的磁化不必设置在转子内部附加的回路材料，因为既实现了磁性的极形成也实现了在永磁体中的磁场引导。

在优选的实施方式中，转子包括承载件，其由非磁的材料制成并具有多个凹陷部，在凹陷部中分别布置软磁的区段。非磁的材料通常不受磁场的影响。在承载件中嵌入多个软磁的区段。因为旋转电机的内定子还具有多个永磁体，所以能够提供永磁激励的三相同步电机，在该电机中永磁体在旋转电机的运行中不运动。因此在电机运行中旋转地产生的热量能够比在转子中布置有永磁体的旋转电机中更简单地从永磁体中排出。

在另外的有利的设计方案中，内定子的永磁体由铁氧体制成。铁氧体是导电性差或不导电的铁磁的陶瓷材料。普通的材料例如是锶铁氧体、钡铁氧体和钴铁氧体。这种永磁体与稀土磁体相比成本更加低廉。

有利地，内定子的永磁体包括钕-铁-硼。钕-铁-硼是由钕、铁、硼制成的合金，由钕、铁、硼制造出目前最坚硬的永磁体。此外，材料钕-铁-硼属于稀土磁体。内定子的这种具有铁、钕和/或硼的永磁体的特征还在于更高的耐热性。

旋转电机以有利的方式具有用于冷却内定子的永磁体的第一冷却装置。因此，在电机运行的过程中产生的热量可靠地从内定子的永磁体中排出。以该种方式能够避免永磁体被消磁。因此能够安装具有更小的矫顽磁场强度的磁体。这还意味着，能够使用具有更小的份额的稀土的永磁体。通过这种方法能够提高剩磁并降低成本。

电机优选具有用于冷却外定子的第二冷却装置。通过第二冷却装置能够避免，外定子的线圈在电机的运行过程中温度过高并因此可能的损害。通过这种方式实现了电机可靠的运行。

此外有利的是，第一冷却装置和/或第二冷却装置具有多个冷却管，其由冷却剂通流。水或水-乙二醇混合液例如能够作为冷却剂使用。相应的冷却管能够简单地和成本低廉地制造。在一个设计方案中，冷却管布置在内定子的叠片组和/或外定子的铁片组中。例如第一冷却装置和/或第二冷却装置的冷却管通过相应的安装到相应的铁片组中的管提供。这种冷却管能够简单地和成本低廉地制造。

附图说明

接下来依据在附图中示出的实施例详细描述和说明本发明。

图中示出：

图1示出根据本发明的旋转电机的实施方式的横截面，

图2示出根据图1的旋转电机的实施方式的纵截面，

图3示出具有透镜形的横向磁化的永磁体的内定子的部分透视图，

图4示出具有梯形的横向磁化的永磁体的内定子的部分横截面，

图5示出具有壳形的横向磁化的永磁体的内定子的部分透视图，

图6示出风力发电设备的吊舱的纵截面，和

图7示出电动车辆的纵截面。

具体实施方式

图1示出根据本发明的旋转电机1的实施方式的横截面。旋转电机1具有外定子2。外定子2具有铁片组4，其具有多个带有置于其间的凹槽6的齿部5。相应的线圈3安装到凹槽6中。线圈3通常与在此没有示出的三相电网电连接。在外定子2的内部布置转子7。转子7在此相对于外定子2同心地围绕其旋转轴线18布置。在转子7和外定子2之间有第二气隙14。转子7具有承载件8，其由非磁的材料制成。承载件8具有多个凹陷部，软磁的区段9分别嵌入到凹陷部中。此外，旋转电机1具有内定子10。内定子10同心地围绕转子7的旋转轴线18布置在转子7的内部。在转子7和内定子10之间布置有第一气隙13。内定子10包括叠片组11，其具有多个凹陷部，在凹陷部中分别布置永磁体12，其中永磁体12直接与内定子10的叠片组11连接。每个单个的永磁体12是横向磁化的，即能够与此相关地提出以下棒形磁体，其端部、即朝向彼此的极，在极端情况下几乎被折叠，并且每个单个的永磁体在朝向内部的气隙13的一侧上具有北极N和南极S。这具有以下优点，即磁性材料减少到永磁体的由场线贯穿过的材料上并且不需要如在经典的永磁体的情况中经由铁片组的磁回路。因此内定子10的叠片组11能够由铝或其他的、也可以是非磁的轻金属制成。此外，内定子10的横向磁化的永磁体12在内定子10的周向上沿着内部的气隙13几乎无间隙地布置并且几乎完全地覆盖内定子10的朝向内部的气隙13的表面。具有外定子2、相对于外定子2同心地布置的内定子10和相对于外定子2和内定子10同心地布置在外定子2和内定子10之间的转子7的旋转电机1也称为双转子机器。

图1中旋转电机1的横向磁化的永磁体12实施为壳形，但其例如能够实施为透镜形或梯形。

内定子7的磁极N或S通过两个彼此并排放置的永磁体12的极N、N或S、S形成。永磁体12此外如下地实施，即永磁体12的背离内部气隙13的部段基本上跟随从优磁化方向。永磁体12例如能够由铁氧体制成和/或例如包括钕-铁-硼。

在当前的实施例中，外定子2或者说其线圈3具有极对数pw＝5。内定子10或者说其永磁体12具有极对数pm＝12。转子7当前具有17个软磁性的区段9。因此转子的极对数pr＝17。在此向外作用的极对数等于转子的极对数。一般来说，旋转电机1的极对数能够依据下面的公式推断：

pr＝|pm+/-pw|.

在图1中的旋转电机1具有用于冷却内定子10的第一冷却装置20。第一冷却装置20包括多个冷却管21，其布置在内定子10的叠片组11的内部。通过内定子10的叠片组11例如由铝制成的可行性，特别高效地实现直接连接内定子10的叠片组11的永磁体12的冷却，因为铝具有比例如通常用于制造叠片组11的铁更大的导热性。

冷却管21在内定子10的周向上均匀分布地布置并且沿着旋转电机1的轴向方向延伸。第一冷却装置20设置用于冷却永磁体12。

此外，电机1还包括第二冷却装置22。第二冷却装置还包括多个冷却管23，其沿着电机的轴向方向延伸。第二冷却装置22的冷却管23沿着外定子2的周向均匀分布地布置。冷却管21、23能够由冷却介质、特别是冷却剂通流。外定子2的线圈3能够利用第二冷却装置冷却。通过第一冷却装置20能够将在电机1的运行中产生的热量从内定子10中排出。通过这种方式能够防止永磁体9过热和由此的消磁。

此外，旋转电机1还包括第二冷却装置22。第二冷却装置22还具有多个沿着电机的轴向方向延伸的冷却管23。第二冷却装置22的冷却管23沿着外定子2的周向均匀分布地布置。冷却管21、23能够由冷却介质、特别是冷却剂通流。外定子2的线圈3能够利用第二冷却装置冷却。通过第一冷却装置20能够将在电机1的运行中产生的热量从内定子10中排出。通过这种方式能够避免永磁体9过热和由此的消磁。

图2示出了根据图1的旋转电机1的实施方式的纵截面。除了上面描述的部件，在图2中示出了旋转电机1的壳体24。壳体24具有第一法兰15和第二法兰16，第一法兰也称为AS法兰，第二法兰也称为BS法兰。在第一法兰15和转子7之间布置第一轴承17，其例如设计为滚珠轴承。在第二法兰16和转子7之间布置第二轴承件19，其同样能够设计为滚珠轴承。在转子7处连接有没有示出的轴。

图3示出具有透镜形横向磁化的永磁体12的内定子10的部分透视图。符合双凸透镜形的透镜形状由如下事实得到，即朝向气隙13的部段25的成型和朝向叠片组11的部段的成型是圆形的，其中朝向叠片组11和背离内部的气隙13的部段25跟随从优磁化方向。内定子10的透镜形的横向磁化的永磁体12在周向方向上几乎无间隙地布置并且几乎完全覆盖内定子10的外切面，该外切面符合由透镜形的横向磁化的永磁体12和叠片组11形成的空心圆柱的外表面。在透镜形横向磁化永磁体12的脉冲区域(Stossbereich)处布置内定子10相应的北极N和南极S。内定子10的磁性的北极N和南极S通过永磁体12的两个并排放置的同名极N、N或S、S形成。磁极的、在转子7的轴向长度上观察的倾斜和/或阶梯化是可行的。

图4示出了具有梯形横向磁化的永磁体12的内定子10的部分横截面。梯形由如下事实得出，即朝向叠片组11和背离内部的气隙13的部段的成型例如基于制造方法的原因是梯形的。对此决定性的是，通过梯形永磁体12的横向磁化不需要在内定子10内部的附加的回路材料，因为磁极形成和磁场导向在永磁体12中是自行实现的。内定子10的磁性的北极N或南极S在此也通过永磁体12的两个并排放置的同名的极N、N或S、S形成。磁极的在转子7的轴向的长度上观察的倾斜和/或阶梯化在此也是可行的。

图5示出了具有壳形的横向磁化的永磁体12的内定子10的部分透视图。横向磁化的永磁体12的另外的实施方式与在图3中示出的透镜形的区别在于，附加地在朝向内部的气隙13的部段25处有凹进的凹陷部，由此形成横向磁化的永磁体12的壳形。在此，在凹陷部的左侧和右侧的部段形成内定子10的圆形的形状。内定子10的磁性的北极N或南极S也在此通过永磁体12的两个并排放置的同名的极N、N或S、S形成。磁极的在转子7的轴向长度上观察的倾斜和/或阶梯化在此也是可行的。

图6示出风力发电设备27的吊舱的纵截面，其中在风力发电设备27中应用根据本发明的旋转电机1的实施方式。在此作为发电机应用的旋转电机1直接(作为直接驱动器)被驱动或经由驱动器驱动。这种类型的旋转电机优选具有高级数，其特别地对于直接驱动的发电机是重要的并且优选具有相对高的气隙感应，这又提高了风力发电设备27的能效。

图7示出了电动车辆28的纵截面，其中在车辆28中应用根据本发明的旋转电机1的实施方式。在此能够将作为的马达使用的旋转电机与内燃机一同应用，特别是在混合动力车辆中应用。

综上所述，本发明涉及一种具有外定子2、内定子10、转子7和内部的气隙13的旋转电机1，其中内定子相对于外定子2同心地布置在外定子2的内部，转子相对于外定子2和内定子10同心地布置在外定子2和内定子10之间并且能够相对于外定子2和内定子10运动，气隙布置在转子7和内定子10之间，其中内定子10具有多个永磁体12。为了与现有技术相比以更少的质量和更低的成本实现更高的效率，提出，每个单个的永磁体12在朝向内部的气隙13侧具有北极N和南极S，其中内定子10的永磁体12包括铁-钕-硼。

Claims (15)

1.一种旋转电机(1)，具有

外定子(2)，

内定子(10)，所述内定子相对于所述外定子(2)同心地布置在所述外定子(2)的内部，

转子(7)，所述转子相对于所述外定子(2)和所述内定子(10)同心地布置在所述外定子(2)和所述内定子(10)之间并且能够相对于所述外定子(2)和所述内定子(10)运动，和

内部的气隙(13)，所述内部的气隙布置在所述转子(7)和所述内定子(10)之间，

其中，所述内定子(10)具有多个永磁体(12)，其特征在于，每个单个的所述永磁体(12)在朝向所述内部的气隙(13)的一侧上具有北极(N)和南极(S)，其中，所述内定子(10)的所述永磁体(12)包括铁-钕-硼。

2.根据权利要求1所述的旋转电机(1)，其特征在于，所述外定子(2)具有多个线圈(3)。

3.根据权利要求1或2所述的旋转电机(1)，其特征在于，所述内定子(10)具有叠片组(11)，所述叠片组由轻金属制成。

4.根据权利要求3所述的旋转电机(1)，其特征在于，所述叠片组由铝制成。

5.根据权利要求4所述的旋转电机(1)，其特征在于，所述永磁体(12)直接地与所述内定子(10)的所述叠片组(11)连接。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的旋转电机(1)，其特征在于，所述内定子的所述永磁体(12)在周向上几乎无间隙地布置并且几乎完全地覆盖所述内定子(10)的朝向所述内部的气隙(13)的表面。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的旋转电机(1)，其特征在于，所述永磁体(12)实施为透镜形、梯形或壳形。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的旋转电机(1)，其特征在于，所述永磁体(12)实施成，使得所述永磁体(12)的背离所述内部的气隙(13)的部段基本上跟随从优磁化方向。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的旋转电机(1)，其特征在于，所述转子(7)包括承载件(8)，所述承载件由非磁的材料制成并且具有多个凹陷部，在所述凹陷部中分别布置软磁的区段(9)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的旋转电机(1)，其特征在于，所述内定子(10)的所述永磁体(12)由铁氧体制成。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的旋转电机(1)，其特征在于，所述旋转电机(1)具有用于冷却所述内定子(10)的所述永磁体(12)的第一冷却装置(20)。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的旋转电机(1)，其特征在于，所述旋转电机(1)具有用于冷却所述外定子(2)的第二冷却装置(22)。

13.根据权利要求11或12所述的旋转电机(1)，其特征在于，所述第一冷却装置(20)和/或所述第二冷却装置(22)具有多个冷却管(21，23)，所述冷却管由冷却剂通流。

14.一种具有发电机的风力发电设备(27)，其中，所述发电机具有根据权利要求1至13中任一项所述的旋转电机(1)。

15.一种用于电动飞行器或电动车辆(28)或电力的牵引车辆的具有根据权利要求1至13中任一项所述的旋转电机(1)的驱动器。