CN108886312B - 双定子旋转电机 - Google Patents

Abstract

提供了一种多定子旋转电机，包括：内定子；外定子；转子，被径向设置在内定子与外定子之间；内间隙距离，在转子与内定子之间；以及外间隙距离，在转子与外定子之间。内间隙距离的平均值在外间隙距离的平均值的75％与80％之间。

Description

双定子旋转电机

技术领域

本发明涉及一种双定子旋转电机。更具体地，在本文所呈现的实施例中，转子与定子之间的平均间隙距离是不同的，以减少转子上的径向力。

背景技术

双定子电机是由于高功率密度和提供冗余运算的能力两者而在过去20年已经得到广泛研究的旋转电机。永磁铁通常应用于在双定子电机中提供转子励磁。

这种多定子电机例如被公开于WO 2016001495中，其提供了一种具有径向通量、尤其旨在帮助机动车辆中的助力转向的电磁发动机。该发动机包括围绕至少一个转子的至少两个定子，以及被限定在转子中的每个转子与围绕的定子之间的空气间隙。

在FEI ZHAO等人的："Dual-stator Interior Permanent Magnet VernierMachine Having Torque Density and Power Factor Improvement",ELECTRIC POWERCOMPONENTS AND SYSTEMS，vol.42,no.15,18November 2014(2014-11-18),pages 1717-1726中，呈现了一种用于低速永磁铁游标机(被称为双定子内部永磁铁游标机)的改进技术，以显著增加扭矩密度和功率因数。

在旋转电机中，当转子与定子之间的间隙(诸如空气间隙)中存在任何不对称时，力沿电机的径向方向被显著放大。不对称的原因可能是定子或转子尺寸的制造误差、或者轴承磨损。这种力对于电机可能是很大的问题，并且可能对电机造成进一步的损坏和故障、和/或导致部件的昂贵和占用空间尺寸过大。

发明内容

本发明的目的是减少由于多定子旋转电机中的不对称而产生的副作用。

根据第一方面，提供了一种多定子旋转电机，包括：内定子；外定子；转子，被径向设置在内定子与外定子之间；内间隙距离，在转子与内定子之间；以及外间隙距离，在转子与外定子之间。内间隙距离的平均值在外间隙距离的平均值的75％与80％之间。通过提供小于外间隙的内间隙，间隙的总径向力中的差异得到补偿，借此，间隙中的任何不对称都被来自两个间隙的相反的力减少或甚至基本上消除。这减少了电机上的有害力，因此会减少尺寸要求并且因此减少电机的成本。

平均内间隙距离可以满足以下等式：

(d(F_tot))/dδ_t＝0,

其中F_tot表示总径向力。

平均外间隙距离可以满足以下等式：

(d(F_tot))/dδ_o＝0,

其中F_tot表示总径向力。

通常情况下，在权利要求书中使用的所有术语将根据它们在技术领域中的普通含义来解释，除非本文另有明确限定。对于“一个(a)/一个(an)/该(the)元件，设备、部件、器件、步骤等”的所有引用都应被开放地解释为是指元件、设备、部件、器件、步骤等的至少一个实例，除非另有明确说明。本文公开的任何方法步骤不必以所公开的确切顺序执行，除非明确说明。

附图说明

现在参照附图以示例的方式来描述本发明，在附图中：

图1是图示了根据一个实施例的多定子电机的示意性剖视图；

图2是图1的剖视图的局部放大；

图3是集中于根据一个实施例的图1的多定子电机的转子的示意性剖视图；

图4是图示了在两个平均间隙距离相等和平均内间隙距离小于平均外间隙距离两者情形下的转子上的径向力的示意图；以及

图5是图示了在图4的两种不同情形下的在图1的电机的转子上的总径向力的示意图。

具体实施方式

现在将参照其中显示本发明的某些实施例的附图，在下文中更全面地描述本发明。然而，本发明可以被体现为许多不同的形式并且不应该被解释为限制本文所阐述的实施例；相反，以示例的方式提供了这些实施例，从而使本公开全面和完整，并且将本发明的范围充分地传达给本领域的技术人员。贯穿说明书，相似的附图标记指代相似的元件。

本文中所呈现的实施例涉及多定子旋转电机(诸如发动机和发电机)，其中内间隙距离小于外间隙距离。如下面所示的，这会导致更好地匹配由于内间隙距离和外间隙距离中的不对称而产生的相反的力。因此，减少了因为不对称而出现在转子上的有害径向力。

图1是图示了根据一个实施例的多定子电机1的示意性剖视图。电机1可以作为发动机和/或发电机操作。该图是沿x-y平面。电机1包括内定子10a和外定子10b两者。转子11被径向设置在内定子10a与外定子10b之间。以这种方式，存在转子11与内定子10a之间的内间隙距离δ_i以及转子11与外定子1b之间的外间隙距离δ_o。显然，内间隙距离δ_i的平均值在外间隙距离δ_o的平均值的75％与80％之间。间隙的距离在本文中作为径向距离被测量。间隙可以是空气间隙；然而，间隙可以备选地包含任何其他合适的流体。由于具有内间隙和外间隙两者，多定子电机1可以由两个电机组成。内电机使用内定子和转子而被提供，并且外电机使用外定子和转子而被提供。两个电机可以在一些方面独立地操作，这例如在一个定子出现故障的情况下提供了冗余，虽然性能下降。

发明者已经发现，为了在不对称的情况下使相反的内部和外部径向力平衡，在许多旋转电机中75与80之间的范围是最优的。如果百分比小于75％，则内部径向力可能占优势，并且如果百分比大于80％，则外部径向力可能占优势。

图2是图1的剖视图的局部放大。此处，示出了内定子10b和外定子10b两者的定子齿16，连同所产生的其中可以设置定子绕组的定子槽15。转子11包括被粘附到转子轭18的永磁铁19。

图3是集中于根据一个实施例的图1的多定子电机1的转子的示意性剖视图。该图是沿x-y平面。

转子11具有内径D_{s_i}和外径D_{s_o}。如下面更详细解释的，存在指向电机1的中心的内部径向力20a，以及在相反的方向上、背离电机1的中心的外部径向力20b。

现在将参照图1至图3更详细地阐释转子11上的力以及它们与间隙距离δ_i和δ_o之间的关系。

在常规电机中，存在沿径向方向的将定子和转子吸引在一起的力，该力由间隙距离的不对称产生。该不对称的原因主要是由于定子或转子尺寸的制造误差、或者轴承磨损。该力的值是根据[1]而被计算的：

其中，μ0是空气的磁导率，B_r和B_t分别是根据时间和径向角(和如下面解释的间隙距离)的径向和切向通量密度，D_s是最小间隙直径，l是双定子电机的有效长度，δ是间隙距离，γ是在0到2π的弧度范围内的转子角位置。在更小的间隙距离处，通量密度增加，并且因此电磁力与更大的间隙距离相比变得更强，反之亦然。

在如图1和图2所示的具有一个以上的间隙的电机1中，施加在转子主体上的电磁径向力是来自外定子和内定子的力的和。值得注意的是，来自外定子的外部径向力的方向与内定子的内部径向力相反。

等式[2]呈现了外部径向力20b f_{r_o}，并且等式[3]呈现了内部径向力20a f_{r_i}。

在图3中能够看到两个单独的径向力20a、20b的方向。考虑到D_{s_o}大于D_{s_i}这一事实，作为这两个力20a、20b的和的总力的方向与来自外定子的力相同，具有f_{r_o}(δ_o，t，γ)-f_{r_i}(δ_i，t，γ)的值。

优化函数可以从等式[2]和[3]推导出，以用于根据在[4]中呈现的外间隙距离、内间隙距离来最小化总力。

f_tot＝f_{r_o}(δ_o，t，γ)-f_{r_i}(δ_i，t，γ)＝F(δ_i，δ_o，D_{s_i}，D_{s_o}，l) [4]

最基本的约束函数是保持来自两个单独电机的力矩与参考设计相同的约束函数。

T_tot＝T_{r_o}(δ_o)+T_{r_i}(δ_i)＝T_rated [5]

通过[4]和[5]，选择内间隙距离δ_i和外间隙距离δ_o的新集合来在偏心故障期间维持输出功率恒定、同时减小径向电磁力。

内间隙距离选择的最优选择随后将满足等式[6]：

(d(F_tot))/dδ_i＝0 [6]

备选地或者另外，外间隙距离选择的最优选择随后将满足等式[7]：

(d(F_tot))/dδ_o＝0 [7]

虽然减小内间隙距离如下面所阐释的是优选的，但是可以通过调整外间隙距离来实现对力的相同效果。

具体地，外电机的平均间隙距离大于内电机中的距离。在一个实施例中，δ_o＝4mm并且δ_i＝2mm。在另一实施例中，δ_o＝6.5mm并且δ_i＝5mm。

图4是图示了在两个平均间隙距离相等以及平均内间隙距离小于平均外间隙距离两者情形下的转子上的径向力的示意图。

竖直轴表示以牛顿为单位的径向电磁力并且水平轴表示以度为单位的角位置。

直虚线29表示不存在偏心时的总径向力。

其它的线都是存在50％的偏心的非对称情形下的绘图。其中，实线30a、31a和32a涉及平均内间隙距离δ_i(基本上)等于平均外间隙距离δ_o时的情形。虚线30b、31b和31c涉及平均内间隙距离δ_i小于平均外间隙距离δ_o时的情形。

具体地，最下面的实线31a表示内径向力，中间的实线32a表示外径向力，并且上面的实线30a表示总径向力，它们全部涉及平均内间隙距离δ_i(基本上)等于平均外间隙距离δ_o时的情形。最下面的、中间的和上面的实线在指图4的力时指代正弦变化的中心轴(即每个力的平均水平)的相对位置。

此外，最下面的点线31b表示内径向力，中间的点线32b表示外径向力，并且上面的点线30b表示总径向力，它们全部涉及平均内间隙距离δ_i小于平均外间隙距离δ_o时的情形。

显然，总径向力30b的振幅对于平均内间隙距离δ_i小于平均外间隙距离δ_o时的情形而言更低。与平均内间隙距离δ_i小于平均外间隙距离δ_o时的情形相比较，这显著地减少了在电机的部件上的机械应力。

存在两种实现平均内间隙距离δ_i小于平均外间隙距离δ_o的方式。与等间隙电机相比较，可以减少内间隙距离δ_i和/或可以增加外间隙距离δ_o。一种使得容易地保持外电机尺寸相同的方式是减小内间隙距离δ_i。

与磁铁由于离心力而更容易飞离转子的外电机相比较，内电机转子结构相对更刚性。因此，设置在等间隙电机中的任何厚保护层(玻璃纤维、碳纤维等)在许多情况下都可以被去除或减少，从而减少内间隙δ_i。除了减少非对称情形下的径向力之外，该解决方案还减少了针对某个通量和产生的扭矩所需的永磁铁的量。

例如，5MW双定子电机的示例在此处用于说明。在等间隙距离设计中，针对间隙距离δ_o和δ_i两者的外间隙距离是6.5mm。

当内间隙距离被减小至5mm时，效率和功率因数与等间隙距离设计大概相同，但是仅仅要求磁铁重量是等间隙距离设计的约86％。因此，该实施例不仅提供了径向力在非对称情形下减少的情形，而且磁铁重量也减小了14％。

图5是图示了在图4的两种不同情形下的图1的电机的转子上的总径向力的示意图。水平轴表示以度为单位的角位置并且竖直轴表示以MN为单位的总径向力。

实线40表示平均内间隙距离δ_i(基本上)等于平均外间隙距离δ_o时的总径向力。虚线41表示平均内间隙距离δ_i小于平均外间隙距离δ_o时的总径向力。显然，平均内间隙距离δ_i小于平均外间隙距离δ_o时的情形会导致转子承受显著更低的总径向力的情况。

虽然本文是在双定子电机的背景下呈现了实施例，但是相同的原理同样适用于具有三个或更多个定子的电机。

上面已经主要参考几个实施例描述了本发明。然而，如本领域的技术人员容易理解的，除了上面描述的实施例之外，其它实施例在所附专利权利要求书中所定义的本发明的范围内同样是可能的。

Claims (3)

1.一种多定子旋转电机(1)，包括：

内定子(10a)；

外定子(10b)；

转子(11)，径向设置在内定子(10a)与所述外定子(10b)之间；

内间隙距离(δ_i)，在所述转子(11)与所述内定子(10a)之间；以及

外间隙距离(δ_o)，在所述转子(11)与所述外定子(10b)之间；

其中所述内间隙距离(δ_i)的平均值在所述外间隙距离(δ_o)的平均值的75％与80％之间。

2.根据权利要求1所述的多定子旋转电机(1)，其中所述内间隙距离(δ_i)的平均值满足下列等式：

(d(F_tot))/dδ_i＝0，

其中F_tot表示总径向力，并且δ_i表示所述内间隙距离的平均值。

3.根据前述权利要求中任一项所述的多定子旋转电机(1)，其中所述外间隙距离(δ_o)的平均值满足下列等式：

(d(F_tot))/dδ_o＝0，

其中F_tot表示总径向力，并且δ_o表示所述外间隙距离的平均值。

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