CN110868032A - 多转子电机 - Google Patents

Abstract

公开了一种多转子电机，其具有定子、磁耦合到所述定子的第一转子和磁耦合到所述定子的第二转子。一种操作所述电机的方法包括使用所述第一转子通过齿轮的第一面来驱动所述齿轮，并且使用所述第二转子通过所述齿轮的第二面来驱动所述齿轮。

Description

多转子电机

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年8月28日提交的美国临时专利申请号62/723,515的优先权，其全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本申请总体上涉及电机，并且更具体而言，涉及诸如马达和发电机之类的多转子电机。

背景技术

具有多个转子的电机是已知的，并且与常规的电机相比可提供增强的功率。然而，多转子电机可能比必要或期望的更重且没有必要或期望的那么强大，并且可能不如期望的那么高效。

因此，需要更高效地利用材料的更轻和更强大的电机。

发明内容

根据一个方面，提供了一种多转子电机，其包括：定子；第一转子，其磁耦合到所述定子，并且相对于所述定子可旋转地安装；第二转子，其磁耦合到所述定子，并且相对于所述定子可旋转地安装；以及传动地耦接到所述第一转子和所述第二转子二者的齿轮，所述第一转子传动地耦接到所述齿轮的第一面，并且所述第二转子传动地耦接到所述齿轮的第二面。

根据另一个方面，提供了一种电机，其包括：绕所述电机的中心轴线周向分布的多个定子；布置成三元组的多个转子，转子的每个三元组与所述定子中相应的一个共用共同的磁路，转子的每个三元组相对于所述中心轴线包括一对相邻的径向外部转子和一个径向内部转子；以及公共齿轮，其可绕所述中心轴线旋转并且传动地耦接到多个磁转子，所述径向外部转子传动地耦接到所述公共齿轮的径向外部面，并且所述径向内部转子传动地耦接到所述公共齿轮的径向内部面。

根据另一个方面，提供了一种操作电机的方法，所述电机具有定子、磁耦合到所述定子的第一转子和磁耦合到所述定子的第二转子，所述方法包括：使用所述第一转子通过齿轮的第一面来驱动所述齿轮；以及当使用所述第一转子驱动所述齿轮时，使用所述第二转子通过所述齿轮的第二面来驱动所述齿轮。

由附图结合下面的描述，其他特征将变得显而易见。

附图说明

在图示示例性实施例的附图中，

图1是多转子电机的一个实施例的多个部分的示意性透视图；

图2是图1的电机的多个部分的示意性前向剖视图；

图3是多转子电机的一个实施例的一部分的剖面的示意性侧视图；

图4是图1的电机的一部分的示意性前向局部剖视图；

图5是图4的电机的部分的示意性前向局部剖视图，其示出了与该电机相关联的磁路的表示；

图6是根据一个实施例的示出了转子定向的电机的一部分的示意性前向局部剖视图；以及

图7A至图7E是贯穿半周期操作的图6中所描绘的电机的部分的示意性前向局部剖视图。

具体实施方式

本文参照附图来描述根据本公开的电机的优选实施例的各个方面。

电机可具有多于一个转子。美国专利号8,232,700 B2中提供了多转子电机的一个示例，该美国专利的内容通过引用整体地结合。

图1是电机的一个实施例的示意性透视图。如所描绘的，电机100包括连接到公共主齿轮150的中心轴104。例如，中心轴104可经由一个或多个径向延伸的臂或周向连续的表面传动地耦接到主齿轮150。为清楚起见，图1示出了单个径向延伸的臂，以提供对电机100的内部部件的可见性。

主齿轮150与多个（例如，小）齿轮118、119啮合，该多个齿轮118、119布置成与主（例如，环形）齿轮150的外部面和主齿轮150的内部面上的齿啮合。每个齿轮118、119都经由转子轴116连接到相应的转子102、103。一个或多个绕组108（参见图2）缠绕在定子122周围，以产生磁场（当电流被施加于绕组108时），或者具有在其中产生的磁场（当主齿轮150旋转，从而使转子102、103旋转，并且因此使齿轮118、119旋转）。

图2是图1中所描绘的示例性电机的示意性前视图。如图所示，电机100包括多个外部磁转子102、多个内部磁转子103、绕组108、定子122、主齿轮150和轴104。如图2和图3中所描绘的，电机100包括：多个外部磁转子102，其各自构造成与单独的转子轴116一起旋转；以及多个内部磁转子103，其各自构造成与单独的转子轴116一起旋转。在一些实施例中，内部转子103的数量可以是电机100中的外部转子102的数量的一半。

如图2和图3中所描绘的，每个转子轴116构造成借助于与中央主（例如，环形）齿轮150相互作用的外部（例如，小）齿轮118和内部（例如，小）齿轮119来驱动轴104。通过相应的磁转子102、103使转子轴116旋转。在一些实施例中，电机100可作为马达操作，并且电流被施加于绕组108以使齿轮118、119驱动主齿轮150。在一些实施例中，电机100可作为发电机操作，使得当转矩被施加于轴104时，主齿轮150经由齿轮118、119使转子102、103旋转，并且因此，在绕组108中引起电流流动。

请注意，在某些图中，为清楚起见，齿轮被示出为没有齿。如本文所述，齿轮可设置成任何合适的形式，包括设置成通过摩擦接合的无齿轮的形式，以及具有与其他齿轮啮合的齿的齿轮。

图3是电机100的一个实施例的一部分的剖面的示意性侧视图。如所描绘的，利用合适的轴承，每个转子轴116都通过前板134和后板136可旋转地支撑。转子轴116可与齿轮（例如，外部齿轮118或内部齿轮119）一体地形成，或者以其他方式连接到或耦接到齿轮（例如，外部齿轮118或内部齿轮119）。外部齿轮118被构造成啮合主齿轮150的外部面。内部齿轮119被构造成啮合主齿轮150的内部面。

主齿轮150被连接到轴104，使得一个或多个外部转子102和/或内部转子103的旋转使外部齿轮118和/或内部齿轮119驱动主齿轮150旋转，并且因此，驱动轴104旋转，或者反之亦然，这取决于操作模式（马达对发电机）。在马达操作模式期间，外部转子102和内部转子103可同时用于驱动主齿轮150。可替代地，在发电机操作模式期间，当在绕组108中产生电时，主齿轮150的旋转可驱动外部转子102和内部转子103。

在一些实施例中，外部转子102和内部转子103被构造成在电磁独立的三元组（triplet）160中操作。也就是说，转子102、103可被磁性地分成三元组160，使得不设置将转子102、103的任何两个三元组160联接在一起的磁性材料，并且分开的三元组160之间的唯一联接是机械的（例如，支撑结构、齿轮118、119或其他机械耦接件）。

在一些实施例中，每个三元组160包括两个径向外部转子102和一个径向内部转子103。给定三元组160的外部转子102和内部转子103可受益于设置共同的磁路部件，例如定子122和/或绕组108，例如，如图4和图5中所示。这样的共用构造可显著地减少转子操作所需的磁性材料的量，而相应地节省成本并减轻重量。这样的布置结构还可促进空间和功率密度的高效利用。相对于其他多转子电机构造，使用具有共用的磁性部件的外部转子102和内部转子103二者以在内部面和外部面二者上接合主齿轮150可将功率输出增加多达50%，而不会显著增加电机100的重量。因此，相对于未采用所公开的外部转子102与内部转子103组合的构造的电机，电机100的功率重量比可大幅增加。

例如，由于三元组160中的两个外部转子102和内部转子103的磁路被设置成是共同的（例如，参见图5，其图示了给定的转子三元组160的磁路内的磁通路径），磁能源（绕组108）也可以是三元组160中的三个转子所共有的，并且因此，被三元组160中的三个转子102a、102b、103共用。这意味着如果期望，则三元组160中的三个转子102a、102b、103可由单个绕组108供能，这导致整个电机的重量的大幅重量减轻。尽管附图描绘了每个定子122存在一个绕组108的构造，但可以设想的是，对于转子102、103的每个三元组160，其他实施例可包括每个定子122多于一个绕组108。

参照图4，每个转子102a、102b、103包括一个或多个磁体128，该磁体128安装在轴116上并且特别是在旋转时通过容纳护套126来保持。磁体128包括北极和南极（相应地表示为“N”和“S”）。在一些实施例中，转子102、103包括单对的北极和南极，并且可被称为双极转子102、103。此外，转子被设置成三元组160，每个三元组160都包括一对外部转子102（表示为第一外部转子102a和第二外部转子102b）和内部转子103。这些转子被转位（index）成使得磁体128被安装，并且（a）随着相对于它们的三元组匹配件（102a、102b、103）处于期望的相位的分立的转子；以及（b）通过相对于其他三元组160a和绕组108a处于期望的三元组相位（triplet phase）的三元组160来旋转。

当使用如本文所述转位的双极转子的三元组160的集合时，可通过定相每个三元组160内的转子来获得特别的优势。这样的构造可高效地利用围绕转子102、103的磁通路径132（在图5中标示），并且因此，在转子102、103和绕组108之间提供更好的相互作用效率，从而导致从电机100产生更大的功率。

应当注意的是，在操作期间，内部转子103的旋转方向与外部转子102a、102b的旋转方向相反。这图示在图4中，其示出了沿方向A旋转的第一和第二外部转子102a、102b，而内部转子103沿方向B（其与主齿轮150的旋转方向相同）旋转。尽管图4示出了沿逆时针方向旋转的外部转子102a、102b以及沿顺时针方向旋转的内部转子103和主齿轮150，但应注意的是，反过来也是可能的（即，外部转子102a、102b可顺时针旋转，并且内部转子103和主齿轮150可逆时针旋转）。

还应注意的是，在一些实施例中，在电机100的操作期间，每个三元组160中的每个转子102a、102b和103的旋转速度都是相同的大小。也就是说，转子102a和102b在给定的旋转方向上以给定的速度旋转，并且内部转子103以与外部转子102a、102b基本上相同的速度旋转，但是沿相反的方向。如上所述，转子102a、102b和103的旋转引起外部齿轮118和内部齿轮119的旋转，这又引起主齿轮150的旋转。要理解的是，主齿轮150在其外部面151处的周长大于主齿轮在其内部面152处的周长。因此，对于给定的角速度，外部面151的线性（切向）速度在大小上将大于内部面152的线性（切向）速度。因此，要理解的是，主齿轮150的径向外部齿轮118、径向内部齿轮119和面151、152可尺寸设定和构造成适应与公共主齿轮150啮合的径向外部齿轮118和径向内部齿轮119的共同旋转速度。例如，内部齿轮119的直径可被选择成短于一个转子三元组160中的外部齿轮118a、118b的直径。

已经发现，与为每个转子分配一个磁路的电机相比，由于这种（例如，三角形）三元组构造引起的磁路径效用的增加可允许显著减小重量和体积。例如，相对于仅包括共用磁路的转子对而没有第三转子的构造，添加第三转子（例如，内部转子103）可使功率输出增加高达50%。如相关领域的技术人员将会理解的，单个转子磁体128的直径以及该磁体128的表面区域的相应强度和该磁体与其相应绕组108的电磁相互作用的相应强度的增加可被用于增加电机100提供的功率。然而，为了优化所提供的功率，可增加相应定子122的剖面，以便维持期望的通量密度。通过在转子三元组160中将磁体128分组并采用共用的定子122，可以最小的重量惩罚（weight penalty）维持通量密度，这在诸如航空航天和运输活动之类的重量关键的应用中可能是特别重要的。

绕组108可设置成适合用于实现本文所述的目的的任何构造。已知多种这样的构造，对于给定的应用，其可使电机100的效率最大化。例如，单个绞合线（Litz）或多股绕组108可用于构造电机100、分立的转子102、103、转子三元组160或其他转子的集合。可采用在电机100中使用多个绕组108，例如结合转子102、103的适当机械转位（mechanicalindexing）使用，以完全或部分地提供由转子102、103对主齿轮150和轴104施加的转矩的期望定相。在一些实施例中，可采用三相绕组。

如图5中所描绘的，在一些实施例中，电机100对于每个定子122包括一个绕组108。也就是说，为转子102a、102b、103的每个三元组160设置一个绕组108。与使用多个绕组的电机相比，每个转子三元组160使用单个绕组108可为电机100提供改善的效率。

如先前所述，通过转子102、103相对于彼此以及相对于绕组108的适当定相（即，转位），可提高电机100的效率。特别地，电机100的操作可通过将外部转子102a、102b和内部转子103相对于彼此以及相对于三元组中的绕组108定相来控制。例如，这可通过外部转子102a、102b和内部转子103相对于彼此以及相对于马达轴104的适当传动（gearing）来实现。

在图3和图4中所示的示例性实施例中，由外部转子102驱动的每个齿轮118接合主齿轮150的外部面151，并且由内部转子103驱动的每个齿轮119接合主齿轮150的内部面152，使得施加于主齿轮150的总转矩是由内部和外部齿轮118、119所施加的转矩的和。如果绕组108绕轴104的轴线200并且因此绕电机100基本上周向地构造，则可在各个磁体128的赤道（equator）202（将磁体分成北半部和南半部的理论线）和从轴线200延伸到相应的转子102、103的半径204之间限定转位角（index angle）112。通过转子102、103和/或齿轮118、119的适当布置，对于各个转子及其三元组集合，转位角112可被设置在期望值，结果是在马达操作的情况下，可施加由每个转子三元组160施加的定相的转矩输出，以经由主齿轮150向轴104提供平滑、连续和强大的转矩。在发电机操作的情况下，可通过对轴104施加转矩从绕组108获得平滑且连续的电流输出。

图6是根据一个实施例的示出了转子定向的电机的一部分的示意性前向局部剖视图。半径204a从轴线200延伸通过外部转子102a的中心。半径204b延伸通过外部转子102b的中心。半径204c延伸通过内部转子103的中心。如所描绘的，外部转子102a的赤道202a垂直于半径204a。外部转子102b的赤道202b垂直于半径204b，而外部转子102b中的磁体的极性相对于外部转子102a中的磁体逆转。内部转子103的赤道202c平行于半径204c。本领域技术人员将会理解的是，图6是在某一时刻的内部转子103和外部转子102a、102b的示例性描绘，并且这些转子将在整个操作中旋转。三元组中的每个转子102a、102b、103的转位角之间的差异可在整个操作中基本上维持，但是取决于驱动电流、电机100上的负载和相位超前可能存在几度的变化。

图7A至图7E是贯穿半周期操作（也就是说，整个180度旋转中）的图6中所描绘的电机的部分的示意性前向局部剖视图。图7A图示了与图6相同的初始构造，以及指示沿方向A移动的外部转子102a、102b和沿方向B移动的内部转子的箭头，以及与定子122中的磁路相关联的通量线。

图7B描绘了在45度旋转之后的图7A的电机。如可以看到的，外部转子102a、102b中的每一个已沿方向A（在该示例中，方向A是逆时针方向）旋转了大致45度，并且内部转子已沿方向B（在该示例中，方向B是顺时针方向）旋转了大致45度。还描绘了磁通路径。

图7C描绘了相对于图7A中的初始构造旋转90度之后的图7A的电机。如可以看到的，外部转子102a、102b中的每一个已沿方向A旋转了大致90度，并且内部转子103已沿方向B旋转了大致90度。可以看到，在该时刻，磁通路径在这三个转子102a、102b、103之间暂时断开。

图7D描绘了相对于图7A中的初始构造旋转135度之后的图7A的电机。如可以看到的，外部转子102a、102b中的每一个已沿方向A旋转了大致135度，并且内部转子102已沿方向B旋转了大致135度。还描绘了磁通路径，并且该磁通路径再次行进通过三元组中的每个转子，但是相对于图7A中的初始逆时针磁通路径，磁通现在沿循顺时针路径。

图7E描绘了相对于图7A的初始构造旋转180度之后的图7A的电机。如可以看到的，外部转子102a、102b中的每一个已旋转了大致180度，并且内部转子103已旋转了大致180度。如此，转子102a、102b和103中的每一个现在相对于图7A的初始构造处于相反的极性，并且所描绘的磁通路径在方向上与图7A中所描绘的磁通路径基本上相反。

将会理解的是，在图4和图5中，内部转子角度与图6和图7A-7E中所示的实施例不同。应当理解的是，内部转子103相对于外部转子102a、102b的转位可与图7中所描绘的相差几度，这是因为构造可根据电机是否针对转矩、速度等进行优化而变化。

在图1和图2中所示的实施例中，示出了18转子（12外部、6内部）、6相系统。如本领域技术人员将会理解的，本公开还适用于9转子（6外部、3内部）、3相系统、36转子（24外部、12内部）、12相系统以及其他组合。

在图2中所描绘的18转子、6相系统的情况下、12个外部转子和6个内部转子中的每一个可被分组成六个三元组160，每个三元组具有2个外部转子102a、102b和一个内部转子103。

此外，6个转子三元组160a中的每一个可相对于其相邻的两个转子三元组160b、160c定相。例如，第一和第四三元组160a、160d的赤道202可与来自轴线200的它们相应的半径204对准（但是外部转子102a和102b可彼此180度异相），而第二和第五三元组160b、160e的赤道202相对于第一和第四三元组160a、160d转位60度，并且第三和第六三元组160c、160f的赤道202可相对于第二和第五三元组160b、160e转位60度，并相对于第一和第四三元组160a、160d转位120度。

在9转子（6外部、3内部）、3相系统中，每个相邻的转子三元组160可相对于其相邻的三元组转位120度（这可被实现为单通道、3相系统）。在36转子（24外部、12内部）系统中，每个相邻的转子三元组160可相对于其相邻的三元组转位30度（这可被实现为双通道6相系统、3通道4相系统或者4通道3相系统）。在18转子（12外部、6内部）系统中，每个相邻的转子三元组160可相对于其相邻的三元组转位60度（这可被实现为单通道、6相系统或者双通道、3相系统）。

如对于相关领域的技术人员来说将显而易见的，取决于电机100的期望的输入和输出特性和几何结构，可选择转位和定相的各种组合和几何结构。例如，相邻的转子三元组160可相对于彼此转位，使得当电流通过磁耦合到相应的定子的一个或多个绕组时，转子三元组160向公共主齿轮150提供定相的旋转功率。

如对于相关领域的技术人员来说将进一步显而易见的，相邻的转子三元组的期望转位可机械地、电气地或者以其任何合适的或期望的组合来实现。

如先前所述，在各种实施例中，本公开提供了具有在转子的三元组之间限定的多个磁通路径（即，磁路）的电机，转子的每个三元组都与共用的定子122相关联。转子的相应三元组还可与该三元组共用的单个绕组108相关联。

适用于实现本文所述的目的的任何材料可被用于制造电机100的各种部件，包括例如用于制造已知电机的类似部件的那些材料。合适材料的选择将在本领域技术人员的知识范围内。

如已经指出的，电机100可通过在绕组108上施加合适的AC或换向DC电压而作为马达操作，或者通过对轴104施加机械转矩并且从适当地连接到绕组108的引线分接电流而作为发电机操作。

根据本公开的电机可使用直流或交流输入利用适当的整流器、固态开关、电容器和其他电子部件来操作，以根据电气或机械输入是相应地施加于绕组108还是轴104，来提供直流或交流输出。

上面的描述仅意在是示例性的，并且本领域技术人员将认识到，在不脱离所描述的主题的范围的情况下，可对本文所描述的实施例作出改变。落入所描述的主题的范围内的再其他的修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的，并且这些修改意在落入所附权利要求的范围内。

当然，上述实施例仅意在是说明性的而决不是限制性的。所描述的实施例易于受到对形式、部件的布置结构、细节和操作顺序的许多修改。本发明意在涵盖由权利要求限定的本发明的范围内的所有这些修改。

Claims (20)

1.一种多转子电机，包括：

定子；

第一转子，其磁耦合到所述定子，并且相对于所述定子可旋转地安装；

第二转子，其磁耦合到所述定子，并且相对于所述定子可旋转地安装；以及

传动地耦接到所述第一转子和所述第二转子二者的齿轮，所述第一转子传动地耦接到所述齿轮的第一面，并且所述第二转子传动地耦接到所述齿轮的第二面。

2.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述齿轮的所述第一面是径向外部面，并且所述齿轮的所述第二面是径向内部面。

3.如权利要求1所述的电机，还包括第三转子，所述第三转子磁耦合到所述定子并且相对于所述定子可旋转地安装，所述第三转子传动地耦接到所述齿轮。

4.如权利要求3所述的电机，其特征在于，所述第一转子、所述第二转子和所述第三转子在共用共同的磁路的三元组中磁性地转位。

5.如权利要求3所述的电机，其特征在于，所述第三转子被传动地耦接到所述齿轮的所述第一面。

6.如权利要求5所述的电机，包括第一转子、第二转子和第三转子的多个三元组，所述齿轮的所述第一面是径向外部面，并且所述齿轮的所述第二面是径向内部面。

7.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述第一转子和所述第二转子被构造成沿相反的方向旋转。

8.一种电机，包括：

绕所述电机的中心轴线周向分布的多个定子；

布置成三元组的多个转子，转子的每个三元组与所述定子中相应的一个共用共同的磁路，转子的每个三元组相对于所述中心轴线包括一对相邻的径向外部转子和一个径向内部转子；以及

公共齿轮，其可绕所述中心轴线旋转并且传动地耦接到多个磁转子，所述径向外部转子传动地耦接到所述公共齿轮的径向外部面，并且所述径向内部转子传动地耦接到所述公共齿轮的径向内部面。

9.如权利要求8所述的电机，其特征在于，转子的每个三元组被构造成通过各自共用的共同的磁路来单独地控制。

10.如权利要求8所述的电机，其特征在于，转子的相邻三元组相对于彼此转位，使得当电流通过磁耦合到相应定子的一个或多个绕组时，所述定子的转子的三元组为所述公共齿轮提供定相的旋转功率。

11.如权利要求8所述的电机，其特征在于，转子的所述三元组中的一个或多个的所述径向外部转子和所述径向内部转子被构造成当被传动地耦接到所述公共齿轮时以基本上相同的旋转速度旋转。

12.如权利要求8所述的电机，其特征在于，转子的所述三元组中的一个或多个的所述径向外部转子和所述径向内部转子被构造成当被传动地耦接到所述公共齿轮时沿相反的方向旋转。

13.如权利要求12所述的电机，其特征在于，转子的所述三元组中的一个或多个的所述径向外部转子和所述径向内部转子被构造成当被传动地耦接到所述公共齿轮时以基本上相同的旋转速度旋转。

14.如权利要求8所述的电机，其特征在于，转子的每个三元组由单个绕组供能。

15. 一种操作电机的方法，所述电机具有定子、磁耦合到所述定子的第一转子和磁耦合到所述定子的第二转子，所述方法包括：

使用所述第一转子通过齿轮的第一面来驱动所述齿轮；以及

当使用所述第一转子驱动所述齿轮时，使用所述第二转子通过所述齿轮的第二面来驱动所述齿轮。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第一面是所述齿轮的径向外部面，并且所述第二面是所述齿轮的径向内部面。

17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第一转子和所述第二转子沿相反的方向旋转。

18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第一转子和所述第二转子以基本上相同的旋转速度操作。

19.如权利要求16所述的方法，包括在使用所述第一转子和所述第二转子驱动所述齿轮时，使用第三转子通过所述齿轮的所述径向外部面来驱动所述齿轮，所述第三转子磁耦合到所述定子。

20. 如权利要求19所述的方法，其特征在于：

所述第一转子和所述第三转子沿第一方向旋转；以及

所述第二转子沿与所述第一方向相反的第二方向旋转。

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