专利名称：具有多层组件结构的转子及定子构成的旋转电机和用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电机，特别是涉及一种具有多层转子永磁组件与多层定子电枢铁芯绕组组件构造的永磁式旋转电机及用途。
众所周知，常规旋转式电机的基础结构由一个转子、一个定子、转轴和通过内置或配置于电机的通常电子电路构成，永磁式电机的转子由常规磁性材料组件与永磁材料组件固连而成，永磁组件面向定子电枢铁芯，电枢铁芯面向转子的圆周表面设置有线圈绕组组件，从而构成一个由基础磁场和线圈绕组组成的电磁感应系统。其工作原理是基于法拉第电磁感应实验现象，基本内容为在一个具有N极和S极的基础磁场系统中，导线(线圈)沿磁力线截面方向运动会产生感生电流，感生电动势的大小视导线(线圈)在单位时间内所扫过面积内的磁通量变化率而定。反之，当通电导线(线圈)放置在磁场中时，磁通量的变化会使通电导线(线圈)产生定向运动，其运动方向可由右手定则判定。磁通量的变化率越大，导线(线圈)的感生电动势越大，或通电导线(线圈)的定向运动量越大。在实际应用中，运用前者原理可制作成发电机，运用后者原理可制作出电动机，两者均可表述为一种可逆的电磁能与机械能转换装置，习惯上通称电机。
常规的永磁旋转式电机工作原理如下所述，在所述的附
图1中电机转子只有一层永磁组件，电枢铁芯也只有一层绕组组件，P为电机转子中N极或S极的磁极数，T为电枢铁芯中线槽或齿的数量。
图1是P＝2及T＝12P的常规旋转式电动机的剖面图。在图1中，一个圆环形永久磁铁组件3固定在由普通磁性材料制成的转子2的外部圆周上，永久磁铁组件3与转子2一起绕旋转轴1转动。永久磁铁组件3有四个交替的N和S极，四个磁极之间均相隔90°，电枢铁芯4的齿6面对永久磁铁组件3的磁极，每个齿在两相邻的绕组槽5之间形成。转子2的旋转轴1可旋转地支撑在电枢铁芯4上。因此，在电枢铁芯4的齿6和永久磁铁组件3的磁极之间的相对位置根据转子2的旋转而变化。
图2表示所述图1常规旋转电动机内部结构的展开图，它是沿X-X’和Y-Y’线进行展开的，在特征结构分析时这些线成一行。电枢铁芯4有24个绕组槽，即T＝24，从a到x，它们以等同的15°角相隔并且24个齿设置在两相邻的绕组槽之间，重叠绕组线圈A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3和C4被卷绕在从a到x的绕组槽内。从A1绕到C4中的每个绕组线圈围绕电枢铁芯4的5个齿。也就是说，A1绕在绕组槽a和f内，A2绕在绕组槽g和l内，A3绕在绕组槽m和r内，A4绕在绕组槽s和x内。B1围绕在绕组槽e和j内，B2绕在绕组槽k和p内，B3绕在绕组槽q和v内，B4绕在绕组槽w和d内。C1绕在绕组槽i和n内，C2绕在绕组槽O和t内，C3绕在绕组槽u和b内，C4绕在绕组槽c和h内。绕组线圈A1、A2、A3和A4串联连接，从而形成第一相的绕组组A。绕组线圈B1、B2、B3和B4串联连接，从而形成第二相的绕组组B。绕组线圈C1、C2、C3和C4串联连接，从而形成第三相的绕组组C。绕组组A、B和C之间的相位差等于120°(电角度)，这里180°电角度等于永久磁铁的360/2P的1极距。在图1中，P＝2，所以180°电角度等于90°机械角度。因此，当提供三相电流给三相绕组组A、B和C时，便可获得加速转子2的扭矩。反之，当加速转子2的扭矩便可在三相绕组组A、B和C中获得三相交流电。但是，上述常规电机存在耗材多和功率比重量的指标低等缺点。
在近年的电机机术改进中如中国专利申请号01109300.5，提供一种有效提高机械能——电能转换效率及功率重量比的方案是将转子2永磁极数P提高一至两个数量级，磁极7按NS极交替排布时设计有特定的间距，使电枢铁芯线圈绕组组件9相对转子永磁组件3运动时横扫过众多NS极向交替反转的密集变化表面磁场，使绕组线圈因磁通量变化率加大而获得更大的感生电动势。为进一步加大电机内磁空间的磁通量变化率，配合这种众多磁极间隔分布的转子永磁组件3的磁路分布状态，电枢铁芯4中的线圈绕组方法相应改变为绕齿线圈，通过绕齿线圈在运行中激发的微磁极与转子密集变化的表面磁场相互作用，使定子与转子空间磁场进入磁极谐振状态，从而达到提高机械能与电能转换效率及电机功率重量比的双重目的。
在上述这种众多磁极间隔分布组成的转子永磁组件3的磁路主要集中在转子2面对电枢铁芯4的表面，即环形永磁材料组件3的圆周表面，径向占位较小。同样，当定子电枢铁芯4的线圈绕组方法改变为表面绕齿布线方案时，该线圈绕组在电枢铁芯与圆周表面的径向占位也较小。所以，上述技术改进的结果是使电机电磁能与机械能的功能转换空间区域集中在转子与定子相对的一个圆环形带，这就为在构造上改变同一个电机中只设置一个转子永磁组件和一个定子绕组组件的传统设计方法创造了可行条件。本发明提出在同一个电机中设计多层转子永磁组件及多层定子绕组组件的新结构，乃基于上述转子具有磁极密集间隔分布以及定子电枢铁芯线圈沿圆周表面布线的结构特点。
本发明的目的在于为了克服上述已有电机技术存在材耗多和功率/重量的比低的缺点；从而提供一种具有多层转子永磁组件与多层定子绕组组件结构的电机，并且结合转子永磁组件磁极密集间隔分布及电枢铁芯线圈沿线槽绕齿连续布线的结构，使该电机与通常同数量级的体积重量、同数量级转速的电机相比可以获得更大的能量，并且提高电机的电磁能与机械能转换效率。
本发明的目的之二是为市场提供一种体积小、功率/重量比大的高频发电机，通过内置或配置于电机的通常电子电路，可有效实现波形和频率的多用途变换，使电子电路控制的多用途发电机适应更广泛的应用领域。
本发明的目的之三是为市场提供一种容易通过常规电子电路控制的高频电动机，以适应电动车及更多应用领域对大功率电机的需求，从而提供一种高效实用的、具有多层转子永磁组件及多层电枢铁芯绕组组件的定子构成的永磁式旋转电机。
本发明的目的是这样实现的本发明提供的一种具有多层组件结构的转子及多层组件结构的定子构成的旋转电机，包括转子、定子、转轴和内置或配置于电机的常规电子电路；所述的永磁转子组件3由P个N磁极与P个S磁极按m间距NS极交替排布组成，或由P个常规磁性材料制作的转子齿8按m间距与同极向排布的P个永磁极7交替排布组成，P＝12-180；所述的电枢铁芯组件9由绕齿或不绕齿的线圈绕组构成，表面带齿的电枢铁芯组件9的齿数T＝2-36P，T为偶数；其特征在于所述的转子2具有K层永磁组件3结构，定子电枢铁芯4具有K层绕组组件9结构，每一层永磁转子组件3与一层电枢铁芯绕组组件9组成偶对，具有K层永磁组件的转子可环绕转轴旋转，K＝2-20的正整数。
所述的一种具有K层转子永磁组件3与K层电枢铁芯绕组组件9的电机结构，与常规电机结构的不同之处是转子永磁组件3和定子电枢铁芯绕组组件9的数量，即在同一台电机中可以有两层或两层以上，形成每一层转子永磁组件3与一层电枢铁芯绕组线圈组件9耦合为组件对的多层结构电机。该电机转子永磁组件3与电枢铁芯绕组组件9在电机中沿转轴(Z-Z’线)的结构剖面示意图，如图3a所示；图3a中有两层永磁转子组件3和两层电枢铁芯绕组组件9(最内一层及最外一层为转子永磁组件3)，中间一层环形电枢铁芯组件内外圆周两面均为绕组组件9。该两层结构的电机相当于两个大小不同的常规电机的组合，其沿X-X’线和Y-Y，线的剖面结构示意图，如图3b所示。图4a和图4b表示一种同样具有两层转子永磁组件3和两层电枢铁芯绕组组件9的电机，与图3a和图3b结构不同的是最内一层及最外一层为定子电枢铁芯绕组组件9，中间一层环形转子组件的内外圆周两面均为永磁组件3。该转子组件与定子组件的多层偶合结构可参照上述组件偶对的组合形式进一步推广至3、4……层，图5为一种4层转子永磁组件与4层定子电枢铁芯绕组组件偶合成4对组件对的结构剖面视图，图6为一种5层转子永磁组件与5层电枢铁芯绕组组件对的结构剖面视图，所表示的是该多层结构电机沿X-X’线和Y-Y’线的剖面视图。
所述的转子具有两层或两层以上的永磁组件3，其每层结构特点为由P个S磁极与P个N磁极按特定m间距NS极交替排布排布组成，或由P个同极向排布的磁极按m间距与P个常规磁性材料制作的转子齿交替排布组成，与常规电机不同的是，本发明电机转子永磁组件3中的P为12-180的大数，因此转子永磁组件3的表面磁场呈密集变化分布。以下对每一层转子永磁组件3的结构进行详细说明常规P＝2的电机转子永磁组件3在电机中的结构剖面示意图如图1所示，其表面磁通量变化分布示意图如图7所示。本发明提供的一种P个N磁极和P个S磁极交替间隔排布的转子永磁组件3的结构，既可设计为背向转轴(在只有一层转子的结构中为内转子)，如图8a所示，P＝30，其沿X-X’轴和Y-Y’轴展开的结构分布示意图如图8b所示，其表面磁通密度分布示意图如图8-c所示；也可设计为面向转轴(在只有一层转子结构中为外转子)，如图9所示。本发明提供的另一种P个同极向排列的永磁极7与P个常规磁性材料制作的转子齿8交替间隔排布的结构，同样可设计为背向转轴，如图10a和图10b所示，亦可设计为面向转轴，如图11a和图11b所示，示图中P＝30。以上转子的K层永磁组件3结构示图为突出磁极排布重点，仅列出一层的结构排布，其它各层的结构类同。
所述的一种由常规磁性材料与K层环形永磁组件3制作的转子2，其每一层环形转子永磁组件3由P个N磁极与P个S磁极按NS极交替间隔m排布而成，或由P个常规磁性材料制作的转子齿8和P个同极向排布的永磁极7交替间隔m组成(两个同极向排布磁极之间的转子齿，由于磁通量密集分布可视作两个同向磁极之间的一个反极向等效磁极，该同向磁极与转子齿相间交替密集排布的结果，静态时等效于N极和S极的交替排布)。永磁极的表面场强大于6000高斯。所述的转子齿8和永磁极7沿Z线的结构截面可以是扇性、矩形、梯形、半圆形或其它形状。转子齿8沿X线的平均宽度D1与永磁极7沿X线的平均宽度D2的关系为D1＝0.5-1.5D2。转子齿8及永磁极7的高度H(沿Y线)与电机该层组件偶对的设计功率W相关，一般选取的经验参考数据为W≤10kw时H＝0.5-5mm，W＝10～200kw时H＝1.5-15mm，W≥200kw时H＝3-50mm。所述的磁极之间或转子齿与磁极之间的m间距与P的选择数相关，该间距m在不同层的转子组件3中可以有不同的宽度，在实用设计中，一般选择间距m与转轴1轴心形成的夹角θ作为基准，θ＝0.1-2(360°/2P)机械角度。
根据本发明提供的一种多层转子永磁组件3的表面磁场结构，为更有效地适应其动态运行磁场分布，电枢铁芯绕组组件9既可以采用无齿线圈绕组结构，也可以采用更高效的绕齿线圈绕组方法。在面对转子2的电枢铁芯4圆周表面中，可设置T个线槽5间的齿6，线槽5或齿6的数量设置以电机转子2齿数或磁极数P为基准，T＝2～36P，T为偶数。例如选择P＝20，T＝120。齿6沿Z线的截面形状可以是矩形、T形或其它形状。沿电枢铁芯圆周表面X-X’线和Y-Y’线的齿向，可以是沿Y轴的直形齿，也可以是沿Y轴倾斜小于15°机械角度的斜形齿。
所述的一种与常规电机线槽绕组结构不同的绕齿线圈绕组，其特征首先是电枢铁芯4的线槽5和齿6的作用功能不同。常规电机的布线结构为线槽5的作用用于放置成组的绕组线圈，通过连接线把不同槽的线圈串联相连成同一相的绕组。本发明的一种与转子永磁组件表面磁场密集变化分布相适应的绕组结构为线槽5的作用并非用于放置成组的绕组线圈，而是作为环绕齿6布线的通道，绕组线圈的导线环绕n个齿沿电枢铁芯4的圆周表面连续布线形成线圈绕组组件9，n为小于T的正整数。在绕齿线圈与磁极7的相对运动中，有效切割磁力线的是绕齿线圈在槽中的线段。由于线圈的特点是环绕齿布线并且齿数T为大数，由此带来多种多样的绕齿布线结构，例如既可绕齿沿电枢铁芯4圆周表面布线形成绕组，亦可绕齿形成线圈后再将不同齿的若干个绕齿线圈串联形成同一相绕组。
本发明所述的一种最简单的单相绕组环绕齿沿电枢铁芯4圆周连续布线结构，如图12-a所示，表示的是该绕组沿X-X’线和Y-Y’线的展开示图。线圈导线环绕齿6连续布线的特点为绕齿1/2圈、再沿下一个齿反向绕齿1/2圈，当绕组导线环电枢铁芯4圆周绕满一周回到始点槽时，可继续绕第2、3……周，直到线槽口绕满线或已达到所设计线圈匝数为止，线圈匝数和感生电动势的正比关系与常规电机的倍增原理相同。
本发明的一种两相绕组环绕齿6沿电枢铁芯4圆周的连续布线结构展开图，如图12-b所示，特点为线圈导线绕齿3/4圈、相隔两个槽(或3个齿)再同向绕齿3/4圈沿电枢铁芯4圆周表面连续布线形成线圈绕组。
本发明提供的一种三相绕组环绕齿6沿电枢铁芯4圆周的连续布线结构展开图，如图12-c所示，特点为线圈导线绕齿3/4圈、相隔4个槽(或5个齿)再同向绕齿3/4圈沿电枢铁芯4圆周表面连续布线形成线圈绕组。如此类推组成多相电机的线圈绕组。
所述的绕组线圈结构还包括一种两根、三根或N根线绕组环绕齿沿电枢铁芯4圆周的连续布线结构，其展开图如图13、14所示。其中双线并行沿电枢铁芯4圆周表面绕齿6形成单相绕组的连续布线结构展开图，如图13所示；双线并行沿电枢铁芯4圆周表面绕齿6形成双相绕组的连续布线结构展开图，如图14所示，如此类推形成N线并行绕齿的多相线圈绕组，N一般为2-30的正整数。
本发明所述的绕组线圈还包括另一种绕齿线圈串联绕组结构如图15所示，其中导线环绕某个齿6绕L圈形成该绕齿线圈，与相隔G个齿的若干个同样绕齿线圈串联形成同一相线圈绕组。该串联线圈绕组结构与常规电机的线槽线圈串联形成绕组的原理相同，如此类推组成多相绕组。所述的L＝1-200，G为0或小于T的正整数。
本发明的优点在于由于本发明的电机采用了多层转子永磁组件与多层定子绕组线圈组件的新结构，有效地利用了常规磁性材料制作的转子及定子中潜在的能量转换空间，使其输出能量一般比同样材耗的常规电机要大得多，一般而言，采用双层组件耦合结构的电机的功率重量比一般比常规电机大60％以上，采用三对组件对以上耦合结构的电机的功率重量比一般比常规电机大100％以上。由于本电机的磁极数及等效反向磁极数(转子齿数)P远比常规电机高出一至两个数量级，因此运用本发明的发电机在同样的转子转速情况下，在线圈绕组两端输出的是频率比常规电机高出一至两个数量级的高频交流电，此输出电流频率特征与常规输出50周的发电机有所不同。例如当某层转子永磁组件3的磁极数2P＝60，电机转速为3000转/分(50转/秒)时，输出的是频率为1500周的交流电，从而有效适应很多应用领域对高频电流和特殊波形电流的需求。实用时如非应用高频交流电，可通过内置或外配的电路，通过整流、滤波、变频等常规电子电路方法变换为实用所需的直流、方波、正弦波或其它任意频率及波形的电流，降低获得非常规50周交变电流的配属仪器制作成本。
与常规50周频率的电机相比，由于本发明电机的内置转子磁极数P和电枢铁芯齿数T均高出一至两个数量级，可以通过绕组布线的不同方法形成比常规电机更丰富多彩的相位分布，为电子电路控制电机运行状态提供了更简单实用的众多控制方案，这一电机控制方向是近年电动车研制技术的热点。
下面结合实施例和附图对本发明进行详细的说明图1是P＝2、T＝12 P的常规内转子旋转式电动机的结构剖面简2表示对图1中常规电动机内部结构的展开3a和图3b表示一种两层转子永磁组件3和两层电枢铁芯绕组线圈组件9构成的旋转电机剖面结构示意图，其中图3a表示该电机沿Z-Z’线的剖面结构示图，图3b表示该电机沿X-X’线和Y-Y’线的剖面结构示图，最内一层和最外一层为转子永磁组件3。
图4a和图4b表示另一种两层转子永磁组件3和两层电枢铁芯绕组线圈组件9构成的旋转电机剖面结构示意图，其中图4a表示该电机沿Z-Z’线的剖面结构示图意，图4b表示该电机沿X-X’线和Y-Y’线的剖面结构示图，最内一层和最外一层为定子电枢铁芯绕组组件9。
图5表示一种4层转子永磁组件3与4层电枢铁芯绕组线圈组件9构成的旋转电机剖面结构示意图，重点示意该电机沿X-X’线和Y-Y’线的剖面结构，最内一层及最外一层为定子电枢铁芯绕组组件9。
图6表示一种5层转子永磁组件3与5层电枢铁芯绕组线圈组件9构成的旋转电机剖面结构示意图，重点示意该电机沿X-X’线和Y-Y’线的剖面结构，最内一层为转子永磁组件3，最外一层为定子电枢铁芯绕组组件9。
图7表示常规P＝2的电机转子永磁组件3的磁通密度分布示意图，图中纵轴表示磁通密度，横轴360°表示电机转子2旋转一周的机械角度。
图8a为本发明提供的一种由P个N磁极与P个S磁极形成环形转子永磁组件3在旋转电机中的剖面分布示意图，2P＝60。图中转子永磁组件3仅标列90°机械角度15个磁极的交替排布，其余270°机械角度的磁极排布相同，重点示意转子永磁组件3中N磁极与S磁极交替间隔排布的结构，转子永磁组件背向转轴1。
图8b为图8a方案设计的电机沿X-X’线和Y-Y’线的展开示意图，重点示意转子永磁组件3中的磁极NS交替间隔排列的特点和结构。图中转子永磁组件3仅标列磁极7在两侧的排列，示意每6°机械角度设置一个永磁极，中间空白未标列部分的磁极排布情况相同。图中N和S表示永磁极的磁极向。
图8-c为图8a方案设计的电机中转子永磁组件3表面的磁通密度分布示意图，图中纵轴表示磁通密度，横轴360°表示电机转子2旋转一周的机械角度。
图9为本发明提供的一种由P个N磁极与P个S磁极形成环形转子永磁组件3在电机中的结构剖面简图，P＝30，重点示意转子永磁组件3NS极交替间隔排布的结构特点，转子永磁组件3面向转轴1。
图10-a和图10-b为本发明提供的一种由P个同极向排列的永磁极7与P个常规磁性材料制作的转子齿8交替间隔排布在电机中的剖面结构示意图，P＝30。图中仅标列出单层转子永磁组件3背向转轴1的结构排布(当转子组件3只有一层时为通常所称的内转子结构)。
图11a和图11b为本发明提供的一种由P个同极向排列的永磁极与P个常规磁性材料制作的转子齿交替间隔排布在电机中的剖面结构示意图，P＝30。图中仅标列出单层转子永磁组件3面向转轴1的结构排布(当转子组件3只有一层时为通常所称的外转子结构)。
图12a、b、c所示的是线圈导线沿电枢铁芯4圆周表面的线槽5和齿6进行绕齿布线的一种示意结构，所表示的是该绕组沿X-X’线和Y-Y’线的展开示图，图10中A-A’为单相绕组的两端，图11中A-A’、B-B’为两相绕组的两端，图12中A-A’、B-B’、C-C’为三相绕组的两端。
图13和图14所示的是线圈导线双线并行沿电枢铁芯4圆周表面的线槽5进行绕齿6布线形成单相和双相线圈绕组的一种示意结构，所表示的是该绕组沿X-X’和Y-Y’的展开示图。
图15所示的是两个不同的绕齿线圈串联形成同一相线圈绕组的一种结构示意图。
图面说明如下1-转轴2-转子3-转子环形永磁组件4-定子电枢铁芯5-电枢铁芯线槽6-电枢铁芯表面齿7-永磁极单体 8-转子圆周表面齿9-电枢铁芯环形绕组组件A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3和C4---重叠绕组线圈实施例1按图3a和图3b制作一台具有两层转子永磁组件3和两层电枢铁芯绕组组件9的发电机，该电机最内一层和最外一层均为转子永磁组件3，设置在两层转子永磁组件3中间层的是双面电枢铁芯绕组组件9，分别形成两对组件偶对，等效于一个内转子电机和一个外转子电机的内部组合。该电机转子永磁组件3面向电枢铁芯绕组组件9的圆周上设置有30个常规磁性材料制作的转子齿8，转子齿8的齿与齿之间交替排布有30块钕铁硼单体7，转子齿8和钕铁硼磁极7之间的间距m与转轴1的交角θ＝0.5°机械角度，其宽度由该层环形转子永磁组件的半径决定，30个磁极单体7与常规磁性材料制作的30个转子齿8交替均匀分布固连在一体组成该层永磁转子组件3，永磁材料单体7的N极全部面向电枢铁芯绕组组件9。其中永磁单体7沿旋转轴1方向的长度与常规磁性材料制作的转子齿8的长度相同，其截面为矩形，厚度1mm，转子齿8宽度为永磁极7宽度的0.9，磁极单体7的表面磁场强度为7500高斯，设计电机功率为3000瓦左右。本实施例中的电枢铁芯绕组组件9表面的齿6为矩形齿，齿数T＝180，齿宽与线槽宽相同，环绕齿布线的线圈绕组方法见附图12-a。该电机当输入3000转/分的扭矩时，可在两层电枢铁芯组件的两个单相绕组两端获得输出1500周交流电，其输出电压取决于电枢铁芯绕组组件9的绕齿线圈绕组匝数，两个单相绕组可实施并联组合。用本实施例制作出的发电机，通过内置或配置于电机的常规电子电路，机械能和电能的转换效率一般可制作至88％以上，与同样材耗的常规电机相比，功率体积比和功率重量比均可达到常规电机的1.6倍以上。
实施例2本实施例提供一台同样具有两层转子永磁组件3和两层电枢铁芯绕组组件9的旋转式单相发电机，转子永磁组件3的磁极7与转子永磁组件的表面齿8的排列结构和相关基本数据，以及电枢铁芯绕组组件9的表面齿数T、电枢铁芯表面齿6形状和绕齿布线方式均与实施例1相同，只是转子环形永磁组件3设置在内外层电枢铁芯绕组组件9的中间层，中间层两面均为转子永磁组件3，分别面向最外层及最内层的电枢铁芯绕组组件9，如图4a-b所示。本实施例亦可达到实施例1所述的效果。
实施例3在另一种运用本发明的多层组件结构旋转电动机常规实施例中，以实施例1所述的两层转子永磁组件3与两层电枢铁芯绕组组件9构造的旋转电机为基础，通过电子开关线路为电枢铁芯4的两个并联单相绕组两端提供波形特征与之相适应的1500周交流电源，使具有两层永磁组件3结构的电机转子2获得扭矩。
运用本实施例制作出的高频电动机，其电能与机械能的转换效率一般可制作至88％以上，重量比功率一般可达2-5kg/kw，功率重量比和功率体积比均可达到常规电动机的1.6倍以上。
实施例4在一种常规运用本发明的多层组件结构旋转电动机实施例中，以实施例2所述的两层转子永磁组件3与两层电枢铁芯绕组组件9构造的旋转电机为基础，通过电子开关线路为电枢铁芯4的两个并联单相绕组两端提供波形特征与之相适应的1500周交流电源，使具有两层永磁组件3结构的电机转子2获得扭矩。
运用本实施例亦可达到实施例3所述的效果。
实施例5在一种运用本发明原理的多层组件结构旋转式两相发电机实施例中，采用两层转子永磁组件3与两层电枢铁芯绕组组件9组合的两对组件偶对形式，中间层两面均为电枢铁芯绕组组件9，分别面对最外层及最内层的转子永磁组件3，如图3a和图3b所示。转子永磁组件3面向电枢铁芯绕组组件9的圆周表面设置有56个磁极7，28个N磁极与28个S磁极NS交替间隔排布组成环形永磁材料组件3，电枢铁芯绕组组件9圆周表面的双相绕组方法见附图12-b。
本实施例组件层的有关数据选取设计电机功率为50Kw，电枢铁芯绕组组件9圆周表面设置有T形齿6，齿数T＝112。转子永磁组件3中的磁极7沿旋转轴1方向的截面为梯形，窄边为宽边的62％，厚度H为2.5mm。永磁极的表面磁场强度为8500高斯。永磁极7之间排布的间距m与转轴1的交角θ＝0.8°机械角度，其宽度由该层转子永磁组件3的圆周半径决定。56个永磁极沿电机转子永磁组件3圆周表面NS极交替均匀分布，面向转轴1的转子永磁组件3中的梯形永磁极7，其宽边与常规磁性材料制作的转子组件的内圈固连；背向转轴1的转子永磁组件3中的梯形永磁极7，其窄边与常规磁性材料制作的转子组件的外圈固连。
该电机当输入3000转/分的扭矩时，可在两层电枢铁芯绕组组件9的两个绕组两端分别获得两相输出1400周交流电，其相位分布由绕组在电枢铁芯的分布方位而定，其输出电压取决于电枢铁芯绕组组件9的绕齿线圈绕组匝数，用本方法制作出的发电机，机械能与电能的转换效率一般可制作至88％以上，与同样材耗的常规电机相比，功率体积比和功率重量比均可达到常规电机的1.6倍以上。
实施例6本实施例提供一台同样具有两层转子永磁组件3和两层电枢铁芯绕组组件9的旋转式两相发电机，转子永磁组件3的磁极7的排列结构和相关基本数据，以及电枢铁芯绕组组件9的表面齿数T、齿6形状均与实施例5相同，只是转子环形永磁组件3设置在内外层电枢铁芯绕组组件9的中间层，中间层两面均为转子永磁组件3，分别面向最外层及最内层的电枢铁芯绕组组件9。两相绕组选用双线并行绕齿的方法，其展开图如附图14所示。在并行绕齿的两组同相线圈绕组中，分别将A2与A1’相连，B2与B1’相连，两相绕组输出端分别为A1A2’和B1B2’。
本方法实施例亦可达到实施例5所述的效果。
实施例7在另一种常规运用本发明的多层组件结构两相旋转电动机实施例中，对实施例5所述的两层转子永磁组件3与两层电枢铁芯绕组组件9偶合的旋转电机，通过电子开关线路为电枢铁芯4的两个两相绕组提供1400周的交流电源，该两相电源的相位分布应与实施例5的电机设计特征相匹配，使具有两层永磁组件3结构的电机转子2获得扭矩。
运用本实施例的电动机，其电能与机械能的转换效率一般可制作至88％以上，重量比功率一般可达2-5kg/kw，功率体积比和功率重量比均可达到常规电动机的1.6倍以上。
实施例8在又一种运用本发明的多层组件结构两相旋转电动机常规实施例中，对实施例6所述的两层转子永磁组件3与两层电枢铁芯绕组组件9偶合的旋转电机，通过电子开关线路为电枢铁芯4的两个两相绕组提供1500周的交流电源，该两相电源的相位分布应与实施例6的电机设计特征相匹配，使具有两层永磁组件3结构的电机转子2获得扭矩。
运用本实施例的电动机，亦可达到实施例7所述的效果。
实施例9在一种常规运用本发明多层组件结构的旋转式发电机实施例中，采用图6所示具有5层转子永磁组件3与5层电枢铁芯绕组组件9偶合的基础结构，最外一层为转子永磁组件3，最内一层为电枢铁芯绕组组件9，中间相间有两层双面转子永磁组件3及两层双面电枢铁芯绕组组件9。电机转子永磁组件3的圆周表面设置有齿8，齿与齿之间相隔有永磁极7，永磁极的极向排列全部为同向，其单层组件对的结构剖面示意图见附图10和图11，绕组方法见附图15。
本实施例的有关数据选取设计电机功率为200kw左右。电枢铁芯绕组组件9设置有264个矩形齿6，齿6与线槽5的宽度相同。转子永磁组件3的转子齿8的齿数和永磁极数均为P＝44，永磁极7沿旋转轴1方向的长度与转子齿8相同，截面为扇形，扇形截面的短弧边为长弧边的0.618，厚度11mm。转子齿8的截面形状大小与永磁极7相同。永磁材料的表面磁场强度为9000高斯，转子齿8和永磁极7的间距m与转轴1的夹角θ＝0.4°机械角度，其宽度由该层环形转子永磁组件3的半径决定。44个永磁极7与44个转子齿8沿电机转子永磁组件3的圆周表面交替均匀分布，面向转轴1的转子永磁组件3中的扇形磁极7，其长弧边与普通磁性材料制作的转子齿组件的内圈固连；背向转轴1的转子永磁组件3中的扇形磁极7，其短弧边与普通磁性材料制作的转子齿组件的外圈固连。
当电机输入2400转/分的扭矩时，可在5层电枢铁芯绕齿线圈绕组中获得5组输出1760周交流电，每一层绕组的分组相位分布由该层绕齿线圈的分组串联组合方式而定，其输出电压取决于电枢铁芯绕组组件9圆周表面的绕齿线圈匝数。用本方法制作出的高频发电机，机械能和电能的转换效率一般可制作至88％以上，与同样材耗的常规电机相比，能量体积比和能量重量比均可达到常规电机的2倍以上。
实施例10在又一种运用本发明多层组件结构的旋转电动机常规实施例中，对实施例9所述的5层转子永磁组件3与5层电枢铁芯绕组组件9偶合的旋转电机，通过电子开关线路为电枢铁芯4的5层组件绕组提供1760周的交流电源，该驱动电源的相位分布应与本实施例的电机线圈绕组设计分组特征相匹配，使具有5层永磁组件3结构的电机转子2获得扭矩。
运用本原理方法制作出的电动机，电能与机械能的转换效率一般可制作至88％以上，功率体积比和功率重量比均可超过常规电机的100％以上。
权利要求
1.一种具有多层组件结构的转子及定子构成的旋转电机，包括转子(2)、定子(10)、转轴(1)和内置或配置于电机的常规电子电路；所述的永磁转子组件(3)由P个N磁极与P个S磁极按m间距NS极交替排布组成，或由P个常规磁性材料制作的转子齿(8)按m间距与同极向排布的P个永磁极(7)交替排布组成，P＝12-180；所述的电枢铁芯组件(9)由绕齿或不绕齿的线圈绕组构成，表面带齿的电枢铁芯组件(9)的齿数T＝2-36P，T为偶数；其特征在于所述的转子(2)具有K层永磁组件(3)结构，定子(10)电枢铁芯(4)具有K层绕组组件(9)结构，每一层永磁转子组件(3)与一层电枢铁芯绕组组件(9)组成偶对，具有K层永磁组件的转子(2)环绕转轴(1)，K＝2-20的正整数。
2.按权利要求1所述的一种具有多层组件结构的转子及定子构成的旋转电机，其特征在于所述的磁极按NS极交替排布或同极向磁极与转子齿交替排布的间距m，与磁极数或转子齿数P相关，m与转轴轴心形成的交角θ与P的关系为θ＝0.1-2(360°/2P)机械角度。
3.按权利要求2所述的一种具有多层组件结构的转子及定子构成的旋转电机，其特征在于所述的永磁极和转子齿，其沿转轴方向的截面形状可以是扇形、矩形、梯形、半圆形或其它形状，转子齿平均宽度D1与永磁极平均宽度D2的关系为D1＝0.5～1.5D2。
4.按权利要求2所述的一种具有多层组件结构的转子及定子构成的旋转电机，其特征在于所述的永磁极及转子齿，其沿转子组件圆周径向的高度H与该层组件偶对的设计功率W有关，当W≤10kw时H＝0.5～5mm，W＝10～200kw时H＝1.5～15mm，W＞200kw时H＝3～50mm。
5.按权利要求1所述的一种具有多层组件结构的转子及定子构成的旋转电机，其特征在于所述的具有k层电枢铁芯绕组组件的定子，其每层绕组组件由带齿或不带齿的电枢铁芯环形组件与绕齿或不绕齿的线圈绕组组成，线圈导线沿电枢铁芯环形组件的圆周表面布线形成绕组。
6.按权利要求5所述的一种具有多层组件结构的转子及定子构成的旋转电机，其特征在于所述表面带齿的电枢铁芯组件的环形圆周表面设置有T＝2～36P个相间于线槽之间的齿，T为偶数，齿沿转轴的截面形状是矩形、T型或其它形状，其齿向沿转轴平行线方向是0°机械角度，或是呈小于15°的机械角度。
7.按权利要求5或6所述的一种具有多层组件结构的转子及定子构成的旋转电机，其特征在于所述表面带齿的电枢铁芯绕组线圈是采用一根或N根导线并行同步沿线槽环绕齿连续布线，其方式为绕齿Q圈、相隔n个齿再绕齿Q圈沿电枢铁芯圆周表面连续布线形成线圈绕组，其中N为2-30根，Q＝1/2、3/4或正整数与1/2或3/4的和数，n为0或小于T的正整数，N根线圈导线并行同步绕齿布线按并联、串联或交叉组合联接。
8.按权利要求5或6所述的一种具有多层组件结构的转子及定子构成的旋转电机，其特征在于所述表面带齿的电枢铁芯绕组线圈，是线圈导线环绕齿L圈形成T个独立绕组线圈后，再将相隔G个齿的不同绕齿线圈串联形成同一相绕组或多相绕组，L为1-200，G为0或小于T的正整数。
9.按权利要求1所述的一种具有多层组件结构的转子及定子构成的旋转电机，其特征在于所述的具有K层永磁组件结构的转子与具有K层电枢铁芯绕组组件结构的定子组成的旋转电机，最外层或最内层是永磁转子组件，或是电枢铁芯绕组组件。
10.一种权利要求1所述的具有多层组件结构的转子及定子构成的旋转电机的应用，其特征在于所述的具有K层永磁组件结构的转子与具有K层电枢铁芯绕组组件结构的定子组成的旋转电机作为发电机和电动机的应用。
全文摘要
本发明涉及一种具有多层组件结构的转子及定子构成的旋转电机和用途,该电机包括:转子设置有K层永磁组件,该永磁组件由2P个磁极按NS极交替间隔排布组成,或由P个同极向磁极与P个常规磁性材料制作的转子齿交替间隔排布组成。定子设置有K层电枢铁芯绕组组件,线圈导线沿电枢铁芯面向转子永磁组件的圆周表面连续布线形成绕组,K=2－20的正整数。通过内置或配置于电机的常规电子电路,该电机可获得效率在88%以上的电能和机械能双向控制转换。
文档编号H02K1/27GK1377116SQ01110008
公开日2002年10月30日 申请日期2001年3月23日 优先权日2001年3月23日
发明者刘粤荣 申请人:刘粤荣