CN1983765A - 具有三维定子叠片的电机装置 - Google Patents

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Abstract

在某些实施例中，电机装置包括具有旋转轴(26)的转子(54)，和布置在转子(54)周围的定子(10)。定子(10)可包括周向叠片部分(14)，它包括多个接连地布置在相对于旋转轴(26)成圆周方向的周向段(28，30)。定子(10)也可包括径向叠片部分(16)，它包括多个接连地布置在相对于旋转轴(26)成径向方向的径向段(40)。此外，定子(10)可包括轴向叠片部分(12)，它包括多个接连地布置在相对于旋转轴(26)成轴向方向的轴向段(18，20)。

Description

具有三维定子叠片的电机装置
背景技术
这部分是为了向读者介绍现有技术的各个方面，其与下面描述和/或要求的本发明各个方面相关。这个论述相信有助于向读者提供有益于更好地理解本发明各个方面的背景技术信息。因此，应当理解到这些论述应当据此而被阅读，而不是引入现有技术。
各种系统包括电机装置，例如发电机或电动机，它包括转子和定子。在某些应用中，转子和定子的结构和构造可以显著地影响到通量携带能力、铁心消耗、能量密度、机械完整生、和电机装置的热学性能。例如，这些问题尤其与具有固定高温超导体(HTS)线圈和高能量密度定子的单极感应体发电机(HIA)的结构和构造相关。由于高频率能量电子流入负荷，如果定子的段没有以最佳的方式设置，由于通量完全冲击段的一边定子的铁心消耗是显著的。定子的铁心也用作力矩变送器，这样，优选地是机械上合理的结构。
因此，需要一种技术来以最佳的方式输送通量，以使电流损失和重量减到最小，而同时保持结构和装配的简单。
发明内容
与最初要求的发明范围相当的某些方面在下面阐述。应当理解到介绍这些方面仅仅是提供给读者本发明可能采用的某些形式的简要概述，这些方面不被用作限制本发明的范围。实际上，本发明包括下面不进行阐述的多个方面。
在某些实施例中，电机装置包括具有旋转轴的转子和配置在转子周围的定子。定子可包括周向的叠片部分，它包括多个接连地布置在与旋转轴成圆周方向的周向段。定子也可包括径向的叠片部分，它包括多个接连地布置在与旋转轴成径向方向的径向段。此外，定子可包括轴向的叠片部分，它包括多个接连地布置在与旋转轴成轴向的轴向段。
涉及本发明的不同方面，上面提到的特征存在各种改进。更多的特征也被包括在这些各种方面。这些改进和另外的特征可以单独或以任何组合的方式存在。例如，下面讨论的涉及一个或多个阐述实施例的各种特征可以单独或以任何组合的方式被包括在本发明上面描述的任何方式内。再次，上面提出的简要概述仅仅用于使读者熟悉本发明的某些方面和上下文，而不限制所要求包括主题的范围。
附图说明
当根据附图阅读下面详细的描述，本发明这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中，全部附图中相同的标号代表相同的部件，其中：
图1是根据本技术实施例的示例性的三维叠片定子的透视图，该定子具有轴向叠片部分、周向叠片部分和径向叠片部分；
图2是根据本技术某些实施例的示例性的电机装置的横截面图，该电机装置具有如图1所示的三维叠片定子；
图3是如图2所示的电机装置部分横截面的侧视图；
图4是如图2所示的电机装置的横截面端视图，进一步显示了根据本技术某些实施例的轴向叠片部分和周向叠片部分的叠片段；
图5是如图2所示的电机装置中心部分的横截面端视图，进一步显示了根据本技术某些实施例的径向叠片部分的叠片段；和
图6是根据本技术某些实施例的通过如图1和2所示的三维叠片定子的示例性三维流动通道的透视概略图。
具体实施方式
下面将描述本发明的一个或多个特殊实施例。为了试图提供这些实施例的简明描述，在说明书不描述实际实施的全部特征。应当理解，任何这样实际实施的开发，正如在任何工程或设计项目中，必须作出大量实施一特殊决定以实现开发者特殊目标，例如服从与系统相关和商业相关的限制，而它随着一次实施到另一次实施而改变。此外，应当理解到这样的开发努力可能是复杂并耗时的，但是对于那些得益于本公开的本领域技术人员而言仍然是设计、加工和制造的例行工作。
图1是根据本技术某些实施例的示例性的三维叠片定子10的透视图。如图所示的，三维叠片定子10包括一个或多个轴向叠片部分12，一个或多个周向叠片部分14，和一个或多个径向叠片部分16。在显示的实施例中，一个或多个轴向叠片部分12包括第一多个轴向叠片段18和第二多个轴向叠片段20，其中第一和第二多个轴向叠片段18和20轴向上相互补偿，并布置在径向叠片部分16的相对的边22和24。例如，第一和第二多个轴向叠片段18和20可包括多个沿着三维叠片定子10的中心的纵向轴26在轴向上彼此层叠在一起的环形或垫圈形结构。而且，这可以是多个组成环的少于360°的段。
一个或多个周向叠片部分14可包括第一多个周向叠片段28和第二多个周向叠片段30，其中第一和第二多个周向叠片段28和30轴向上互相偏置，并布置在径向叠片部分16的相对的边22和24上。此外，第一多个周向叠片段28可与第一多个轴向叠片段18同轴，而第二多个周向叠片段30可与第二多个轴向叠片段20同轴。例如，显示的第一和第二多个周向叠片段28和30被分别沿着和围绕第一和第二多个轴向叠片段18和20的外圆周或表面32布置。通过这种方式，第一和第二多个周向叠片段28和30在径向叠片部分16的相对的边22和24上具有射线形状或太阳光线类型的结构。
如图1所示，周向叠片段28被沿着围绕三维叠片定子10周围的圆周方向彼此布置。此外，每一个周向叠片段28都包括多个周向上并行的层，它们沿着圆周方向相互叠在一起。换句话说，每个单个的段28和每个单个的段30都由多个周向叠片结构构成，如分解的段28所示。周向叠片段30具有相似的结构。此外，显示的段28和30的几何形状具有大体上的三角形或楔形结构，如分解的段28所示。更具体地说，显示的段28具有楔形或三角形部分34和外凸缘部分36。楔形或三角形部分34沿着第一多个轴向叠片段18的表面32的外围被纵向布置，而外凸缘部分36部分越过段18的端部表面38延伸。显示的第二多个周向叠片段30具有相似的楔形或三角形部分34和外凸缘部分36，它沿着第二多个轴向叠片段20的外围或表面32延伸并越过端部表面38。
在显示的实施例中，一个或多个径向叠片部分16包括在第一和第二多个轴向叠片段18和20之间及第一和第二多个周向叠片段28和30之间的轴向位置上的单一的多个径向叠片段40。多个径向叠片段40可包括彼此同轴布置在相对于轴26成径向的圆柱状或管状结构。然而，径向叠片部分16的某些实施例包括单一连续的材料，该材料在轴26的周围连续地缠绕以构成相应于多个径向叠片段40的多个同心管状层。
三维叠片定子10可包括多种传导/磁性材料、叠片粘合剂、电绝缘涂层等等。例如，轴向叠片段18和20可包括多种材料，例如硅钢、钴钢、镍钢、非晶铁、铝铁合金。相似地，周向叠片段28和30可包括多种材料，例如硅钢、钴钢、镍钢、非晶铁、铝铁合金。最后，径向叠片段40可包括多种材料，例如硅钢、钴钢、镍钢、非晶铁、铝铁合金。在某些实施例中，不同的段都可以包括相同的材料、或交替类型的材料、或其它合适的结构。
三维叠片定子10的不同段通过一层或多层粘结材料和电绝缘材料耦合或粘附在一起，例如通过环氧层和氧化层，或通过机械方式连接，例如夹具、销子等。例如，一个或多个轴向叠片部分12可包括第一和第二多个轴向叠片段18和20每一个之间的环氧或其它粘结材料。此外，一个或多个轴向叠片部分12可包括第一和第二多个轴向叠片段18和20每一段之间的氧化涂层或其它电绝缘材料。相似地，一个或多个周向叠片部分14可包括第一和第二多个周向叠片段28和30各自段之间的环氧和氧化涂层。径向叠片部分16也可包括多个径向叠片段40各自段之间的环氧和氧化涂层。此外，轴向叠片部分12、周向叠片部分14和径向叠片部分16相邻段的每一段可包括一种或多种粘结材料和/或绝缘材料以制成三维叠片定子。例如，粘结材料可包括高热传导性能的环氧树脂。正如下面更加详细讨论的，三维叠片定子10的轴向叠片部分12、周向叠片部分14、和径向叠片部分16充分地增加了通量运载能力并基本上减少了定子10的涡电流损失。
图2是根据本技术某些实施例的示例性的电机装置50的横截面图，该电机装置具有如图1所示的三维叠片定子10。在显示的实施例中，三维叠片定子10沿着外壳或外罩52的内部被凹进去或通常被设置，该外壳或外罩还包括沿着轴26纵向设置的转子54。三维叠片定子10还包括沿着在部分12、14和16及转子54之间的外罩52内部布置的多个定子线圈56。例如，定子线圈56可被布置在沿着外罩52相对端部58和60之间的外罩52内部纵向延伸的通常轴向的槽内。在另一个实施例中，定子线圈可穿过轴向叠片部分12的缝。三维叠片定子10也可包括布置在冷却室66内的冷却液64中的激励线圈62，其中激励线圈62被布置在第一和第二多个轴向叠片段18和20之间和第一和第二多个周向叠片段28和30之间的轴向位置。此外，激励线圈62和冷却室66在径向叠片部分16内被同轴地布置。在某些实施例中，激励线圈62可以是高温超导体(HTS)线圈，而冷却室66包括连续供应的低温流体64，例如氖和氮。激励线圈62可以具有通常圆柱形或管状的几何形状，而冷却室66可以具有通常空心的环形形状。
正如在图2中进一步阐述的，转子54包括可旋转地耦合到相对的端部58和60的外壳或外罩52上的轴68。具体地说，图示的轴68分别穿过并可旋转地被密封在相对的端部58和60的开口70和72内。此外，图示的轴68包括第一组磁极元件74和第二组磁极元件76，其中第一和第二组磁极元件74和76通过气隙78彼此轴向上互相补偿。如下面将要进一步详细讨论的，第一和第二组磁极元件74和76也可通过合适的角节距彼此周向上互相补偿，例如大约一个极距。在显示的实施例中，第一组磁极元件74被同轴地布置在第一多个轴向叠片段18内和第一多个周向叠片段28内，而第二组磁极元件76被同轴地布置在第二多个轴向叠片段20内和第二多个周向叠片段30内。此外，气隙78被同轴地布置在多个径向叠片段40内，而激励线圈26布置在冷却室66内。
第一和第二组磁极元件74和76可包括任何合适的数量、结构、或传导性/磁性元件的几何形状，它从轴68分别向着定子线圈56和第一段18和28和第二段20和30径向上向外突出。在显示的实施例中，第一和第二组磁极元件74和76的每一个包括围绕轴68对称布置的四个磁极元件，其中，第二组磁极元件76根据第一组磁极元件74由一个磁极元件补偿。例如，第一组74的四个磁极元件可以围绕轴68以0度、90度、180度和270度布置，而第二组76的四个磁极元件可以围绕轴68以45度、135度、225度和315度布置。通过这种方式，第一和第二组磁极元件74和76的周向补偿充分地减少了或消除了当转子54在电机装置50内旋转时定子线圈56内的反作用电流。在显示的实施例中，转子54可以是固体磁性结构，其中，第一组74的磁极元件中的每一个具有相同的磁极，第二组76的磁极元件中的每一个具有相同的磁极，第一组74的磁极与第二组76的磁极相反。例如，第一组磁极元件74的全部可与第一多个一致，例如北极，而第二组磁极元件76的全部可与不同的第二多个一致，例如南极。
在某些实施例中，图2显示的电机装置50可以是电动机或发电机，例如高温超导体(HTS)单极感应体交流(HIA)发电机。此外，电机装置50的一些实施例可包括布置在动力系统、车辆、工业工厂或其它合适应用的电动机或发电机。例如，电机装置50可以配置在汽车、火车、飞机、船只、公共汽车或其它合适的车辆上。通过另外的实施例，显示的电机装置50或仅仅三维叠片定子10可以被结合在同步调相机、调速轮、频率转换器等内。
例如，如果电机装置50作为发电机运行，那么，激励线圈62(例如高温超导体线圈)一旦被供应电流，就产生围绕激励线圈62的磁场。随着转子54沿着轴线26围绕轴68旋转，激励线圈62产生的磁场与第一组磁极元件74和第二组磁极元件76的不同磁极交互作用产生了旋转的磁场。第一和第二组磁极元件74和76的通量的磁力线穿过定子线圈56和三维叠片定子10，如图3所示。显示的三维叠片定子10可以被描绘成五部分叠片结构，该叠片结构具有圆柱坐标内所有三种可能的刨机式流动路径的组合。这三种刨机式流动路径包括径向-外围、径向-轴向、和外围-轴向。随着激励通量穿过转子54进入定子10，并越过气隙78和电枢或定子线圈56，通量遇到可以与电枢反应通量共用的径向-外围路径。电枢或定子线圈56上的叠片深度可以被设计，以便在材料的饱和极限内，它能运载基本上全部的电枢反应通量和激励通量。
如图3所示，磁通量从转子54的第一组磁极元件74通过进入定子线圈56，然后进入如箭头80和82所示的第一多个轴向叠片段18。通量沿着径向-外围路径穿过轴向叠片段18，例如箭头82所示。从第一多个轴向叠片段18径向向外，磁通量穿过第一多个周向叠片段28，如箭头84所示。具有第一多个周向叠片段28的周向叠片部分14在外围或圆周方向上提供了对磁通量相对高的磁阻，这样把磁通量充分地强制或集中在朝向径向叠片部分16的径向和轴向方向(也就是径向-轴向路径)。
径向叠片部分16内的多个径向叠片段40被配置成把磁通量运载或集中到外围-轴向平面。例如，径向叠片部分16可接收从一边(例如，第一组磁极元件74)轴向上越过磁极的磁通量，接着把磁通量在外围上分成两半，并把磁通量传输到另一边(例如，第二组磁极元件76)相对的磁极的两半。穿过径向叠片部分16的磁通量沿外围-轴向路径如图3中箭头86所示，并参照图6在下面进行更加详细的讨论。
接着磁通量沿着轴向-径向路径穿过周向叠片部分14的周向叠片段30，如箭头88所示。依次地，磁通量沿着外围-径向路径穿过轴向叠片部分12的轴向叠片段20，如箭头90所示。最后，磁通量返回转子54穿过定子线圈56进入第二组磁极元件76，如箭头92所示。在第一和第二组磁极元件74和76之间穿过转子54的磁路完成了，其中，转子54沿着轴26在轴向上运载了磁通量。
正如上面讨论的，三维叠片定子10有利于五种不同的磁通量路径，包括分别穿过段18、段28、段40、段30和段20的径向-外围路径、径向-轴向路径、外围-轴向路径、轴向-径向路径和外围-径向路径。通过这种方式，三维叠片定子10充分地改进了通量运载能力，并使通过电机装置50的涡流损失降到最小。
图4是图2和3显示的电机装置50的横截面端部视图，进一步显示了根据本技术某些实施例穿过三维叠片定子10的第一多个轴向叠片段18和第一多个周向叠片段28的磁通量路径。如图所示，磁通量沿着径向-外围路径82穿过第一多个轴向叠片段18，紧随着沿着径向-轴向路径84穿过第一多个周向叠片段28。此外，相邻段之间的粘结材料和/或电绝缘材料充分地增加了穿过相邻段的磁通量的磁阻。例如，第一多个周向叠片段28在外围或周向方向上对磁通量具有相对高的磁阻，而在径向和轴向上有利于磁通量向着中心的径向叠片部分16通过。
在通过第一多个周向叠片段28之后，磁通量沿着外围-轴向路径86穿过径向叠片部分16的多个径向叠片段40，如图5进一步显示的。正如上面显示的和提到的，相应于第一组磁极元件74和76中一个的磁通量分成穿过多个径向叠片段40的两个相对的外围或圆周方向86，这样把磁通量引导到第二组76的一对相邻的磁极元件。如上面详细讨论的，磁通量随后穿过第二组周向叠片段30和第二组轴向叠片段20。
图6是示例性三维通量路径100的透视概略图，该路径可以由上面参照图1-5详细讨论的三维叠片定子10实现。如图6所示，从第一组磁极元件74到第二组磁极元件76的三维通量路径100如上面详细讨论的包括径向-外围路径82、径向-轴向路径84、外围-轴向路径86、轴向-径向路径88和外围-径向路径90。尽管三维通量路径100被显示成没有相应的三维叠片定子10，路径82、84、86、88和90分别相应于第一多个轴向叠片段18、第一多个周向叠片段28、多个径向叠片段40、第二多个周向叠片段30、和第二多个轴向叠片段20。显示的三维通量路径100有利地改进了定子10的通量运载能力，这样使涡流损失和定子10及整个电机装置50的重量降到最小。
虽然本发明可以进行各种改变和替换形式，通过图中例子的形式已经显示了具体的实施例，并已经在这里详细描述了。然而，应当认识到本发明并不局限于公开的具体形式。相反地，本发明覆盖所有落入由下面所附的权利要求限定的本发明的精神和范围内的改变、等同物和替换。
具有三维定子叠片的电机装置
部件列表
10蒸汽轮机
12间隙测量系统
14旋转部件
16静止部件
20没有托架的蒸汽轮机
22蒸汽轮机的行程
24旋转叶片
26旋转方向
30发电机
32框架装置
34旋转装置
36转子轴
38转子芯
40转子叠片
42定子装置
44旋转方向
46定子线圈
50蒸汽轮机
52转子
54轴
56旋转叶片
58蒸汽
60旋转的轴
62外壳/构架
64传感器
70蒸汽轮机-定子/转子结构
72密封齿
74定子槽
76详细视图
78径向间隙
80轴向间隙
82具有槽口的转子
84转子的连续表面
86槽口
88容量/间隙测量与时间
90容量/间隙
92时间
94来自表面的信号
96来自槽口的信号
98槽口的深度
100具有多层槽口的转子
102多层槽口
104容量/间隙测量与时间
106来自表面的信号
108来自槽口的信号
110来自槽口的信号
112槽口的第一深度
114槽口的第二深度
120具有多个槽口的转子
122-130槽口
132传感器
134-140探针尖端
142间隙测量系统
146-152探针尖端
154航向控制振荡器
156-162开关
164-170放大器
172-180电容器
190-196方向耦合器
174-186相位探测器
198处理链
200频率跟踪
202间隙控制单元
204传感器输出与轴间隙
206传感器输出
208轴向间隙
210尖端1的输出
212尖端3的输出
214尖端4的输出
216尖端2的输出
218-224传感器尖端1的输出
216增加的径向间隙

Claims (10)

1、一种电机装置，包括：
具有旋转轴(26)的转子(54)；和
布置在转子(54)周围的定子(10)，其中定子(10)包括：
周向叠片部分(14)，它包括多个接连地布置在相对于旋转轴(26)成圆周方向的周向段(28，30)；
径向叠片部分(16)，它包括多个接连地布置在相对于旋转轴(26)成径向方向的径向段(40)；和
轴向叠片部分(12)，它包括多个接连地布置在相对于旋转轴(26)成轴向方向的轴向段(18，20)。
2、一种如权利要求1所述的电机装置，其中多个周向段(28，30)的每一个具有基本上三角形的横截面。
3、一种如权利要求1所述的电机装置，其中多个径向段(40)的每一个具有基本上管状的几何形状。
4、一种如权利要求1所述的电机装置，其中多个轴向段(18，20)的每一个具有基本上环形的几何形状。
5、一种如权利要求1所述的电机装置，其中周向叠片部分(14)和轴向叠片部分(12)彼此同轴。
6、一种如权利要求1所述的电机装置，其中周向叠片部分(14)和径向叠片部分(16)轴向上相邻。
7、一种如权利要求1所述的电机装置，其中多个周向段(28，30)包括第一和第二组周向段(28，30)，第一和第二组周向段(28，30)中每一个的周向段(28，30)围绕着转子(54)接连地布置，第一和第二组周向段(28，30)被布置在径向叠片部分(16)的轴向上相对的两边。
8、一种如权利要求7所述的电机装置，其中多个轴向段(18，20)包括与第一组周向段(28)基本上同轴的第一组轴向段(18)，和与第二组周向段(30)基本上同轴的第二组轴向段(20)。
9、一种方法，包括：
把磁通量沿着径向-外围路径通过定子(10)的第一多个轴向叠片定子段(18)从转子(54)径向-外围地引导进入定子(10)；
把磁通量沿着径向-轴向路径从第一多个轴向叠片定子段(18)径向-轴向地引导通过定子(10)的第一多个周向叠片定子段(28)；和
把磁通量沿着外围-轴向路径从第一多个周向叠片定子段(28)外围-轴向地引导通过定子(10)的多个径向叠片定子段(40)。
10、一种如权利要求9所述的方法，包括：
把磁通量沿着轴向-径向路径从多个径向叠片定子段(40)轴向-径向地引导通过定子(10)的第二多个周向叠片定子段(30)；和
把磁通量沿着外围-径向路径从第二多个周向叠片定子段(30)外围-径向地引导通过定子(10)的第二多个轴向叠片定子段(20)。
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