CN1323460A - 一种电机及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种旋转电机包含一个定子(2)和一个转子(1)。定子包含一个磁性材料铁芯和一个绕组(8)。转子相对定子以一个自由度旋转。定子包含一个围绕转子的杯形空腔(9)。此空腔是由一个旋转表面界定的,而旋转表面是由一条线绕一条轴线旋转而形成的,且这条线有一部分被弯成弓形。

Description

一种电机及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种旋转电机，它由一个固定部件(定子)和一个旋转部件(转子)组成，后者通过轴承固定在定子上。更精确地说，本发明涉及的旋转电机的定子内部限制表面不是一个圆柱面。该旋转电机将能用于很宽的功率范围，同时对低电压和高电压都能用。最好是将这种电机连到一个电网上，特别适用于大功率高电压的场合。在下文中，旋转电机这个词是指将电能转换成机械能或反过来这样一种旋转的电力机械。因而，旋转电机既可以是发电机，也可以是电动机。

技术现状

现有的大多数旋转电机是由一个圆柱形转子绕着一个圆柱形内表面定子旋转构成。要获得大的力矩就要选择直径大的转子，而为了获得大的加速度就要选择直径较小的长转子。转子的直径往往受到旋转速度和转子外层材料的强度的限制。定子做成圆柱形的原因主要是加工简单。转子旋转这一事实隐含着只有旋转对称形的定子内表面是合理的。同样，转子的电极是可能接触同一个包在定子内的圆柱体。定子内面与包在其中的这个圆柱体之间的空间称为空气隙。普通旋转电机的典型外观是由一些历史原因决定的。转子和定子一般是分别制造的。为了以后将两者连在一起并获得均匀的空气隙，只有两种形状可供选择：柱形和锥形。锥形结构与柱形结构相比有一些缺点，因而除了做掣动马达以外在商业上没有找到什么应用。因此目前最常用的旋转电机是圆柱形的。当今的绕线工艺要求把绕成的圆安置在定子或转子的槽中。当加工一个高压马达时，首先将线圈绕在卡具上，上面再涂上一层绝缘体。然后常将线圈放在高压缸内处理以排除气泡并使绝缘体固化。将这样加工好的线圈入槽中并用楔块固定。最好将线圈端子彼此相连形成完整的绕组。

根据现有的大型旋转电机制造工艺，定子的芯子(转子也往往一样)是由迭片状钢带构成的。将磁性能可能有一定取向的迭片状钢带沿轴向方向堆迭起来，以降低电涡流引起的损耗。因而将这种旋转电机的定子堆迭起来就是将定子在边缘上组合在一起。每一层包含许多冲制的钢片，它们构成圆弧段的一部分，加在一起就形成一轴向空心圆柱层。钢片上带有冲出的口子，当定子装成后就形成一些槽，用以接纳绕组。各槽之间形成齿状凸起，其顶端部分构成定子的内限制面。

然而，根据对马克斯韦方程的计算表明，如果转子和定子的形状不是圆柱形能使感生力得到更有效的利用。因此，为把旋转电机转子较短的两端做成圆形，并使对着转子圆形部分的定子尺寸缩小，就能提高电机的效率。由此可见，这将使旋转电机的制造采用一种全新的方法，固而肯定是一种全新的工作模式。

在专业文献和一些专利文件中对一种称为“球形电机”的电动机有过描述。这个名称表示，这种电机的转子为球形且绕着一条轴线旋转。然而，对于一个希望能围绕同一点作三个自由度运动的工业机器人或类似的东西，则要求另一种运转装置。在专利文件US 5,410,232中对这种运转装置有所说明。其中所示的运转装置中，固定在转子上的轴主要不是作旋转之用，而是要按一种可控方式运动，使它能“指向”不同的方向。另一种此类运转装置在专利文件US 5,413,010中作了描述。该电机的主要任务不是旋转，而是构成一种将工作臂指向不同方向的一种运转装置。因此在所示的例子中，旋转电机的转子不是以一个自由度旋转，而是能使电机的轴围绕一个公共点在不同的方向按一种可控的方式转动。

另一些所谓“球形电机”的例子在专利文件US 4,739,241和US4,661,737中作了说明。在这些场合中，电机的转轴是固定在一个悬浮系统上。这种悬浮系统允许转轴围绕一个中心在各个方向按一种可控方式旋转。

另一种转子不是圆柱形的旋转电机的例子是泵用电动机。在这类应用中，转子往往几乎是球形。它的一半罩着叶轮，后者将动能提供给流过的液体。另一半则包住转子本身，后者由类似的半球形定子产生的磁力而引起旋转。转子和定子之间的磁场是不平衡的，因而产生一个不希望有的轴向力作用在轴承上。通常这类泵用电动机的转子不是围绕一条固定的轴而旋转，而是支承在一个球上，因此就不需要一个必须密封的轴承，所以转子可以围绕一个中心在一定范围内“摆动”。这类泵用电动机的例子在诸如US 4,580,335和US 4,352,646等专利文件中能看到。

人们早就从E.R.Laithwaite发表在1960年6月9日的《电气时代》上的一篇文章“球形电机的设计”中知道有一种旋转电机，其转子是从一个球上切出的厚片形状。该文所讨论的电机有一个关联的定子，它以一个均匀厚度的空气隙与转子相连。这种定子是由一些带冲压槽的沿径向安置的板构成的，这些槽就形成定子绕组的槽。定子可以围绕一条与转子轴正交的轴线转动，以使定子的零件可以在转子外面转动。定子绕组相对与其轴线相交的平面成一个角度。定子转动时感应力就减小，且转子和定子绕组彼此成一个角度。这种电机的任务是通过转动定子来实现调节速度和力矩。

从专利文件US 5,204,570中人们知道有一种电机，它的转子不是圆柱形。该电机的目的是制造一种用于要求空间体积最小的地方和小型电动机。用于风扇的电机和用于光盘和录音机的电机就是这种应用的例子。据说这种电机既便宜且效率奇高，即使把它们微型化也是如此。该电机的转子为球体形，由一块或几块永久磁体组成。定子由蛔旋式缠绕的线圈组成，线圈的轴线与电机轴相交。线圈不带铁芯且略呈曲线状。该文件指出，就重量而言，采用空气缠绕的线圈是有利的。据说迭片状铁芯的加工很昂贵，因为所用的工具贵，且有涡流损耗。

为了收集定子外面的磁场，将一个拱形铁磁材料壳体与转子相连。由于拱顶与转子一起旋转，因而不会产生涡流。然而，实际上拱顶也有缺点，因为这样的马达外部受到限制。

至少在高功率时定子绕组将产生大量的热，需要冷却下来。对于空气缠绕线圈，热量只能通过对流到周围的空气中去来耗散。但为了更有效地冷却，周围的空气必须循环，以使冷空气永远环绕着线圈。这使得安排在外面的拱顶妨碍冷空气的循环。因而冷却变得极其低效，可能使绕组绝缘材料熔化，造成短路。为了高效地冷却，一般需要一个热的载体，它与绕组有热接触，通过冷却媒质的冷却有效地将热量带走。金属就是这样一种热载体。

发明概要

本发明的目的是推荐制造旋转电机的方法，以比往常更有效的方式利用转子和定子之间的感应力。这种旋转电机(可以是电动机或发电机)具有较高的性能价格比，并能在较宽的功率范围内对低电压和高电压都适用。与相同功率范围的普通电机相比，这种电机可以节省大量的材料，不论是绕组材料还是定子和转子芯的材料。与相同尺寸的普通电机比较，该电机的制造效率也要高。它还能有效地将电机内产生的热量带走。

这种旋转电机对高功率和低功率都一样适用。高电压范围的应用领域主要是水轮和涡轮发电机，它们可以直接连到36KV或更高的高压电网上去。在这类应用中，电机的制造功率可在10千瓦以上。也可以把机器做成与电网相连。在低电压范围内的应用例子就更多，此时按本发明制造的节能电机既可用作电动机，也可用作发电机。例如，机器可用作由内燃机驱动的运输工具的发电机。也可以用作运输工具的驱动手段。在这儿运输工具的概念可以作很广的理解。运输工具这个词包括道路或铁路等地面交通工具，也包括在空中或水中运行的飞行器或船舶。在小功率范围内的另一个应用领域是作为家用电器(如电冰箱，冻柜，真空吸尘器，厨房机具等)的原动机。

上面以及其它的一些目的可以通过一台旋转电机来实现，该电机的特性在后面的独立的权利要求1,17和19中的特征部分作了描述，而使用方法的特点在独立权利要求12和16的特征部分作了描述。一些优选具体实施方案则在从属权利要求的特征部分加以描述。

所说的旋转电机在下文中称作电动机，发电机或机器，它有一个电磁化材料铁芯构成的定子，定子的内限制表面为旋转对称形状，且至少有些部分是杯形。所谓磁化材料是指相对磁导率大于1的材料。定子的内边界可以是一个由曲线旋转而成的实心旋转体界定的空腔。该曲线具有一个连续变化的曲率，且至少在端部曲率不为零。同样，转子也不是一个圆柱体，且可以是与定子内边界面相同的形状，这样就能在转子和定子之间形成一个厚度基本均匀的空气隙。对所说的机器而言下面一点是最重要的，即有效磁场的方向相对转子中心是三维的。这种有效磁场基本上与定子绕组正交，并按杯形围绕着转子或至少是转子的一部分。

传统的圆柱形马达的有效磁场为楔形，而这里所说的马达的磁场为锥形或金字塔形。杯形磁场能使定子和转子之间的感应力增强。本发明的磁场可以看成是包含着许多磁向量，它有一个平行于转子轴并指向转子中心的有效分量。当磁场处在平衡状态时，平行于轴的分量之和为零。看起来效率最高的一种实施装置是定子内边界面为球形(球形转子在其中旋转)的机器。但是由于设计靠近机器轴的定子绕组有困难，倒不如采用其它的实心旋转体。

对转子和定子两者都适合的形状是所谓的椭球体。椭球体是椭圆绕它的一条对称线旋转而形成的表面。因此，它可以是扁平的形状或是拉长的形状。由于椭圆包括圆在内，椭球也包括球。但常见的旋转形状不限于椭球体，而可以是由几个实心旋转体组成的。因此，本发明也包括每端连着半个椭球体的圆柱体。在某些应用中，形状可以由定子绕组的实际排列来决定。

本发明的电机的绕组可以按不同的方式缠绕，对转子和定子都是这样。用于普通电机中的每一种绕线方式也可以用到本发明的电机中。因而转子也可以是鼠笼式绕组，而定子和转子两者都可以是叠层绕组和波状绕组。电机也可以绕成与电网相连。这对交流电来说包括单相和多相的转子和定子绕组，与普通电机中通常采用的绕组一样。从这个意义上说，一个普通电机就是其转子和定子为圆柱形且有一个相应的圆柱形内边界面的电机。

在我们所说的电机中，接收绕组的槽是以与普通电机中同样的方式安置的转子和(或)定子内。在普通电机中由于绕组的槽是直的，这很容易做到。但在这儿所说的电机中，槽是曲线形的，因此不能简单地采用一般的绕线工艺。所以绕组不宜先绕在一个夹具上然后再放入槽中。在所说的电机中，绕组最好能“现场”绕制。为此绕组最好用电缆来做。这儿所谓的电缆是指一根柔性的绝缘电导体，它可能包含几股导线。

为了直接连到高压电网上，本发明的电机配上一个高压电缆的绕组。因而功率可以达到10兆瓦或更高。此电缆一般由一个均匀半导体层绕在导体上而构成，导体可以分成几股。半导体层是用来使电场强度分散，以免使场集中而引起跳火。此电缆也可能包含一个围绕绝缘体的半导体层，以将电场限制在电缆中。通常把外半导体层接地。专利文件WO 97/45919描述了一种合适的电缆和一种适合于用来制造这种绕组的方法。

在圆柱形转子在圆柱形定子中旋转的普通电机中，两个端壁变成无用的表面。那儿不产生有效磁场而是出现泄漏场，这使得效率下降。采用普通绕线工艺来将线圈相连要求定子端部且有很大的体积。由于线圈端部要求很大的空间，转子轴的轴承将处在远离转子中心的地方。这增加了转子产生不平衡的风险，因而必须选用大的轴承。所以传统电机的端部不但使效率降低，而且使电机总体积的利用率较低。因而看起来把转子端部做成圆形并以杯形的方式围绕定子是有益的。这样整个转子就被一个集中磁场包围着，电机的效率可以随之增加。

可以证明，按本发明制造的旋转电机，相对于只带圆柱形转子和相应的定子的普通电机而言具有一些优点。按照普通电机中转子的体积计算，本发明的电机的重量在给出相同功率的条件下可以降低大约30％。若本发明的电机具有与普通电机相同的重量，则所给出的功率可以高出约50％。

如果导体环路所环绕的磁力线是随时间变化的，则在环路中将感应一个电压或电动势。这个感应电压可用环路的匝数与磁通时间变化率之积来表示。磁通量与磁场及其包含在定子绕组内的面积之乘积有关。由于磁场与材料有关，因此面积是唯一的变量。当相对周长要对面积进行优化时，我们得到一个圆，或者一个球，因为体积是由环路旋转而形成的。这意味着，转子应为球形，而定子的内表面也是一个球。

对一个传统电机来说，线圈的端部是一个难以处理的区域。而对于本发明的电机，实际上没有线圈端部。因此这种电机端部区域的损耗要比普通电机的相应损耗低得多。

附图简介

本发明将通过结合附图对一个具体实施方案的描述来详细说明，附图中：

图1是按本发明的旋转电机的半边截面图；

图2是说明这种电机的一种实施装置原理的纵剖面图；

图3是从本发明的电机切出的一个定子单元；

图4是从定子单元切出的一部分；

图5是与本发明的旋转电机有关的转子的三种不同形状(a,b和c)。

优选实施方案的说明

图1所示的旋转电机有一个转子1和一个定子2。转子以一个自由度相对定子旋转。定子可由许多迭片组成，它们相对于围绕转子的铁芯有一定的磁取向。定子中包含一些齿3和相同数量的定子槽4。一些经绝缘的导体5(可以是多股导线)安放在定子槽中。在本例中，绕组由电缆组成，且此电机是打算用于变压状态的。各导线合在一起形成一个或几个主绕组。在半径方向的远端安放了一些较小的经过绝缘的导体6，它在本例中用来构成一个辅助功率(或别的电压)的绕组，比如在一种与多个电压相连的所谓多电压电机中的情形。

图2是一个用来说明本发明的旋转电机原理的具体例子。转子1固定在转子轴F上并绕轴旋转。转子被定子2所包围，定子由可磁化的材料组成，例如可以有一定磁化取向的软铁。定子有一个内腔9环绕着转子1，空腔的外表面构成定子的内表面。在所示的例子中，空腔是一个球。定子的外表面是一个椭球。在此例中，外表面是由一个椭圆绕其短对称线(与转子轴线重合)旋转而成。但定子的外表面可以是任意形状。转子是一个实心旋转体，在本例中也是一个椭球体。在本例中定子和转子都是一个旋转表面，它们的对称轴相重合。但对称轴也可以是彼此相交的。

图2也示意地画出了穿过定子铁芯的四个定子绕线8。其中有三条在转子端部离开定子铁芯，另一条则在定子内闭合。定子绕线按螺线形穿过定子铁芯的槽。比较在垂直于转子轴线平面内通过定子的横截面可知，最大的横截面直径处于垂直于转子轴线中心的平面内。然后此直径向着定子两端减小。在所示的例子中，定子的横截面积也朝着其两端方向减小。但是，绕线的面积在整个横截面为常数，因而铁芯面积所占比例朝着两端减小。所以在离中心垂直面某个距离处，绕线之间就不存在铁芯了。在离中心垂直面的这个距离处，绕线可能安置在相同的槽内或者彼此交叉地排放。在离对称面更远一些的地方，只存在绕线，因此绕线从这儿离开定子铁芯进入无铁芯区。在转子轴的另一边，绕线又以同样的方式穿入定子铁芯。为了更精确地说明绕线的方法，可以把它比做绕制一个仅在一个自由度旋转的球。这意味着绕线匝是处在一个与转子轴线相交的平面内。

图3表示从定子中切出的一个字子单元10，这个定子单元组成的实体处于通过空心球体的两个互相相交的平面内，相交线与通过空心球体的一条对称线相重合。为了更好地描述该实体的外观，可将它想象成例如从一个西瓜切出的一片。这个定子单元是由一个内杯形表面11(就是空腔9)和一个凸出的外表面12(看不见)所限定。在横向该实体是由一个平面的第一面13和一个也是平面的第二面14(看不见)所限定。定子单元最长伸到一个与转子轴线相重合的平面内。为了给转子轴提供空间，在定子单元第一面和第二面之间的边缘线内安排了一个第一凹陷室15和一个第二凹陷室16。图中还画出了一个与该实体做在一起的另件17的轮廓，在图4将令对它作详细说明。

图4是从一个例如属于低压电机的定子单元切出的一块铁芯17。为清楚起见，这块切出的铁芯可以想象是从图3的定子单元切下的，如图中虚线所示。此铁芯块在横向是由交汇于同一点的四个平面段所限定的，好象是包含在一个截头金字塔内。这四个平面段只构成切出的铁芯块的想象的限制平面，且仅画出了三维形状。在铁芯块中开出了一个连续的开孔以接纳一个绕组(未示出)。孔的一面与开口19相连，后者将第一齿20，第二齿21，以及位于其间的后部25分开。铁芯体被第一齿面22和第二齿面23(这两齿面都是凹陷形)，且在后部的外侧被外凸的外壳面24(看不见)向内限制着。

当激励一个穿过孔18的环路时，所产生通过铁芯块的磁场。磁场从一个紧贴齿前方的转子(未示)垂直地指向第一凹形齿面22。在铁芯块中，磁场在半径方向沿着齿，在切线方向沿着后部，然后沿着定子的外部。当磁场到达第二凹形齿面时，它就沿着从第二齿面垂直向外的方向进入转子并在那儿闭合。

场穿透的磁化材料的面积在每个截面内应该一样大。对于由图4中铁芯块所代表的三维曲线定子，后部较大的宽度补偿了边缘和孔之间的较小距离。图中虚线切出的表面就是用来说明这一事实的。从图可见，第一齿面26的大小和在通孔18最大宽度层面上的第一切割面26相同。最后可看出，这个面积也相当于第二切割面27的面积，27位于后部且处在第一齿面的相反方向。因此，采用三维曲线可以节省材料，特别在定子的后部，同时定子可以做得较小。

电机的转子可以有许多不同的形状。图5示出电机中转子的三种例子。图5a是球形转子，图5c是一个椭球状转子。在所示的例中，椭球体是长形的。最后，图5b是一个复合型转子，中间部分的圆柱体与两端的半椭球体相接。

为了带走电机中产生的热量，可在定子铁芯中做出一个冷却剂的冷却通道(未示)。本例中的所示的电机是用多股高压电缆绕制的。这种电缆是完全绝缘的，因而在绝缘体内包含着全部电压。这在对电机进行冷却时是很有利的，因为定子与地电位相连。因此，冷却剂也可以维持在地电位。采用绕制电缆的另一大优点是，绕线可以任意地相交，甚至可在电机端部区域彼此相接触。

本发明并不只局限于这些具体实施装置所示的电机。转子和定子的形状可以在很宽的范围内变化。但所有这些都有一个共同点，就是定子铁芯的凹陷形的方式包围转子，以围绕转子形成三维方向的磁场。本发明也不局限于绕线只能安放在定子槽中。也可以做成所谓的空气隙绕组。本发明的电机也不一定要将绕线安放得与马达或定子轴同一个方向。绕线可以沿曲线定子的任何形状安放，直线槽或与转子轴线相交的槽都可以。此外，转子和定子的轴不一定要重合，也可以将本发明的电机做成两轴相交。

本发明的电机中，转子或定子也可以用永磁体来做。

Claims (20)

1．一旋转电机由一定子(2)和一转子(1)组成，定子包括一磁化材料的铁芯和一绕组(8)，转子相对于定子以一个自由度旋转，且与定子(2)隔开一个空气隙，其特征在于定子(2)包括一成圆形的空腔(9)，该空腔在所有侧面环绕该转子(1)。

2．按照权利要求1的旋转电机，其特征在于空腔(a)是由一回转实体界定的，其直径至少在端部是减小的。

3．按权利要求1或2的旋转电机，其特征在于空腔(9)是由一椭球体界定的。

4．按权利要求1或2的旋转电机，其特征在于空腔(9)是由一球体界定的。

5．按权利要求1至4中任一项的旋转电机，其特征在于空气隙在垂直于空腔限制表面的方向上的厚度朝着定子端部增加。

6．按权利要求1至4中任一项的旋转电机，其特征在于空气隙在垂直于空腔限制表面的方向上有一均匀的厚度。

7．按权利要求1至6中任一项的旋转电机用来与一电网相连。

8．按权利要求1至6中任一项的旋转电机用来与36KV或更高的一高压电网直接相连。

9．按权利要求1至6中任一项的旋转电机用作由内燃机供能的运输工具中的发电机。

10．按权利要求1至6中任一项的旋转电机用作运输工具的原动机。

11．按权利要求1至6中任一项的旋转电机用作家用电器中的原动机。

12．一种制造旋转电机的方法，该电机包括一带磁性材料铁芯和绕组(8)的定子(2)，和一相对定子以一个自由度旋转的转子(1)，且转子(1)与定子(2)由一空气隙隔开，其特征在于在定子(2)内设置一成圆形的空腔(9)，且使空腔在所有侧面环绕转子(1)。

13．按权利要求12的方法，其特征在于形成空腔(9)以与镜像对称的回转实体的形状相适配，其直径至少在端部是减小的。

14．按照权利要求12的方法，其特征在于形成一由一椭球体限定的空腔(9)。

15．按权利要求12的方法的特征在于形成一由一球体限定的空腔(9)。

16．一种制造旋转电机的方法，该电机包括一带磁性材料铁芯和一绕组(8)的定子(2)，和一相对定子以一个自由度旋转的转子(1)，其特征在于转子(1)适于由一回转实体所限制，定子(2)适于以一成圆形的空腔包围转子，此后在定子上装上绕组(8)。

17．一种旋转电机，包括一具有一磁性材料铁芯和一绕组(8)的定子(2)，以及一相对定子以一个自由度绕轴旋转的转子(1)，其特征在于当供能时在定子(2)和转子(1)之间产生一平衡的三维指向的磁场，该磁场包括磁向量，每个向量具有一平行于转子轴线的有效分量。

18．按权利要求18的旋转电机，其特征在于平行于转子轴线的全部有效分量之和为0。

19．一种旋转电机，包括一带一磁性材料铁芯和一绕组(8)的定子(2)，以及一相对定子以一个自由度旋转的转子(1)，其特征在于定子(2)在所有侧面包围转子(1)，且绕组(8)包括一电缆(5)。

20．按权利要求17的旋转电机，其特征在于电缆(5)是一高压电缆。

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