专利名称：包括定子和两个转子的旋转电动机械的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电动机械，特别涉及一种带有定子、外转子和固定到外转子上的内转子的电动机械。
背景技术：
带有两个同心转子的电动机械在WO 91/06147号国际申请中给予了描述。该电动机械的定子在其端部带有定子齿，端部有极靴。定子线圈带有顶部，一种热传输液体如油喷洒到线圈顶部，从而将绕组热量带走。这种电动机械的制造比较复杂。
另外，WO 91/06147号国际申请中所介绍的电动机械在轴向上较长，这主要是由于线圈顶部和冷却线圈顶部的装置所致。
发明内容
需要一种结构简单且使用可靠的电动机械，不需要通过喷洒传热液体来对线圈进行冷却。
另外，还需要一种紧凑型电动机械，它能够在高扭矩和/或高速情况下使用。
按照其中一个方面，本发明的目的旨在提供一种电动机械，它包括包括大量定子齿的定子，每个定子齿支持至少一个单独的线圈；外转子，径向设置在定子的外部，并且它包括永磁铁；内转子，径向设置在定子的内部，包括永磁铁，并且与外转子固定。
由于使用了与定子齿相关的独立的线圈，而不是采用分布绕组，电动机械的结构得到了简化，因而，电动机械的可靠性也提高了。
与只使用一个转子的电动机械相比较，该电动机械由于使用了外转子和内转子，从而使该电动机械实际上能够加倍相同体积下的扭矩。
同样，定子并没有设置固定磁轭铁，后者仅起到电封闭磁通路的作用，是造成铁耗很大的原因。因而，不使用固定磁轭铁，就可以排除这些铁耗问题，而且在效率上，尤其是高速的效率上得到大大改进。
优选地，外转子和内转子中至少一个转子是磁通同心转子(flux-concentratingrotor)，而且最好两个转子都是磁通同心转子(flux-concentrating rotor)，这就是说，转子的两个连续磁铁都有设置的相同极性的面，以面对设置在所述磁铁之间的共同的相邻极片。这样，所使用的磁铁数就减少了，而电动机械的性能却并没有降低。另外，电动机械还可以高速运转，如果需要时，内转子的磁铁还可以被极片固定住。
两个转子的极片数相同，两个转子可以(也可以不)成角度地偏置。
在转子被成角度偏置的实施方式中，当相位数m为偶数时，两个转子最好偏置大约π/s，例如10％内的角度，式中S＝mp，S是定子齿数，而P是转子的成对极片数。而当m是奇数时，两个转子最好偏置大约π/2S的角度α，例如10％内。
外转子可以有极片，每个极片在径向外侧上具有至少一个凹槽。这样，转子的重量就可以减轻，而同时又不会过分地降低电动机械的效率，磁通线就会特别地集中在外转子极片的径向内侧。例如，外转子的极片可以沿圆周方向在一半长度穿过最小横截面。
内转子和外转子中至少一个转子的磁铁从电动机械的旋转轴线观察，可以具有楔形，其宽度随着离开定子而加大。在转子高速运转时，这种形状的磁铁就可以被极片卡住，这样就不必胶结磁铁。
在一个特别的实施方式中，内转子的极片通过形状互补原理连接到电动机械的轴上。例如，内转子的极片可以带有槽并可以通过这些槽与轴的肋部相接合。这种设置可以更容易地制造转子，而且特别是可以避免必须产生带有孔口的极片，以将独立于电动机械轴的杆接合到它们中。
还有，按照一个特定的实施方式，至少其中一个转子的极片是设置在永磁铁之间，并且每个极片在其转向定子的一侧上都有凸起的穹拱面，该穹拱面转向定子。这种形状的极片可以最小化差异Ld-Lq，因此避免了为产生原动力而必须使用磁阻，从而可以降低转矩脉动。
在一个特定实施方式中，定子带有nteeth齿，转子各带有npair对极片和电流带有nphases相位，并且定子的齿数nteeth可以按照下述关系式选择nteeth＝npai×nphases。满足这种关系时，定子就可以不承受倾向于使其变成椭圆形的应力了。
在另一个特定的实施方式中，定子可以带有6n定子齿，而每个转子都可以有6n±2个极片，n大于或等于2。这样，就可以具有高绕组系数，反映了使用绕组的效率，从而使得电动机械更有效率，而且更紧凑。
在一个特别的实施方式中，每个定子齿都有面向其中一个转子的自由第一端。定子齿通过第二端固定到非磁性支架上，该第二端与第一端相对。该支架可以是用非磁性钢或铝或甚至绝缘材料制成。
定子的每个定子齿作为绕组芯子用来支撑各个独立线圈时，这种设置非常适合。这种设置称之为“同心绕组”。
作为另一种变化形式，定子的每个定子齿可以带有分别面向内转子和外转子的两个相对的自由端。
例如，定子齿可以通过非磁性支架固定到大约中间位置。这种支架一般可以呈管状。当定子的每个定子齿有两个独立线圈时，而这两个线圈又不是电连接在一起时，这种设置则最适合，从而需要时可以具有带有两个独立电路的定子。
作为另一种变化形式，定子可以具有与定子齿制成单件的轭铁。该轭铁可以用磁性材料制成。
优选地，定子齿无极靴，这样各个线圈就可以与定子齿接合而得到固定，单独形成线圈。
作为一种变化形式，定子的齿也可以带有极靴。
定子齿在面向其中一个转子的自由端附近设有凹槽。通过接合在这些凹槽中的非磁性块，线圈可以固定在定子齿上。
外转子的周围可以安装壳体，例如可以用非磁性钢或铝制成该壳体，例如用铝制成的该壳体可以固定到电动机械轴上。
对于轴尺寸较大的电动机械来讲，证明期望加倍这种结构，以减少定子和转子的悬臂长度。
这样，定子就有一个双重结构，内转子或外转子也可以采用这样的双重结构。
电动机械可以构成一个同步电机或发电机或甚至二者兼备，接连使用，并且，例如，可以在电动车辆上使用它，用来驱动轮子并在制动时用来恢复能量。
可以通过阅读下面非限制性示例实施例的详细说明及参考附图，更清楚地理解本发明。
图1为本发明电动机械的一个示例的剖面示意图；图2为图1所示电动机械轴向截面的部分示意图；图3至图6为本本发明可替代实施方式的类似于图1的部分示意图；图7为定子的一个实施方式的部分断面示意图；图8单独表示图7所示定子齿的支撑件；图9为定子的可替代实施方式的类似于图7的示意图；图10为电路图，示出了定子带有两个独立电路，可以很方便地形成一个中性点的可能性；图11和图12示出了本发明可替代实施方式的两个实施例；图13和图14为定子可替代的实施方式的类似于图7的示意图。
具体实施例方式
如图1和图2所示，电动机械1包括定子10、内转子20和外转子30，通过内外转子两者之间的一个机械连接机构将内转子和外转子固定在一起。
定子10有许多个定子齿11，定子齿11由一堆电气上彼此绝缘磁叠层片形成，这些定子齿固定到支撑件12上，而这个支撑件采用非磁材料制成，如非磁性钢或铝或绝缘材料制成。
如图2所示，在所述实施例中，支撑件12固定到电动机械的框架3上。
在所述实施例中，定子齿11经由径向最内端固定到支撑件12上，而支撑件12通常呈管状。定子齿11也可以通过其它任何方式固定到支撑件12上，例如通过焊接来固定。
每个定子齿11都带有独立的线圈13，该线圈可以包括一个或多个电导体，电导体绕在相应的定子齿的轴上。
线圈13连接到电导体(图中未示)上。当机器用作电机使用时，一般普通装置就可以产生旋转磁场，而当机器作为发电机使用时，可以收集感应电流。
如EP-A-1 251 623号专利申请所述，例如线圈13可以接到部分剥离的电缆上。
如图所示，定子齿11可以在其径向外端不设极靴，这样就可以将预先制造的线圈13安装到位。
定子齿11可以带有平行的或非平行的侧面，特别是在其移动离开外转子30时分开的面，这样就可以封闭定子齿上一定数量的线圈13，如上面EP-A-1 251 623号专利申请所述。
每个定子齿也可以在其自由端附近具有两个小的凹槽14，从而使线圈固定块15固定到定子齿上。这些固定块15可以采用绝缘材料，如塑料等制成。
内转子20带有一个非磁性轴21，该轴可以用铝或这种金属的合金材料制成，也可以用非磁性钢或复合材料制成。
轴21上带有肋部22，用来捕捉极片23，每个肋部22由一堆叠加的相同磁叠层片组成。磁叠层片的使用有助于降低感应电流的损失。每个肋部22都有个横断面，一般呈T形状。极片23并不是磁性连接在一起，这是由于该轴使用了非磁性材料制成。
在所述实施例，极片23有凸起的穹拱面24，转向定子10。
永磁铁25径向设置在极片23之间。沿电动机械的旋转轴线X观察，每个永磁铁25都有稍微锥形的面，该锥形面的宽度朝向定子10减小。
每个永磁铁25都有横向磁化部分，并且它可以是一块磁铁或由几个独立的磁铁首尾相连组成。
两个相邻永磁铁25的相同极性的磁极定向于位于这两个磁铁之间的极片23，如图1所示。在所示实施例中，永磁铁25实际上在极片23侧面的整个径向尺寸上延伸并与这些极片相接触。
当内转子20以大于预定速度的速度转动时，极片23之间形成的凹部(永磁铁25安装在其中)在离心力的作用下趋于加宽，这是由于所使用材料的弹性所致。这种加宽随着转速的降低则逐渐减小。
一般来讲，内转子20可以类似于EP-A-1 249 919号专利申请中所描述的转子。
外转子30的永磁铁31设置在极片32之间，转子周围装有非磁性壳体33，如EP-A-1 251 023号专利申请中所述。
在所述实施例中，沿电动机器的旋转轴线X观察，磁铁31呈楔形面，其宽度会随着远离定子而加大。
在所述实施例中，两个转子的极片没有成角度地偏置。外转子30和内转子20的两个连续磁铁25和31都有设置成相同极性的面，以面向位于所述磁铁之间的共同相邻极片23和32。内转子20和外转子30中每个转子的两个极片23和32位于任何一个半径上，具有相反的N，S极性。
在图1和图2所示的实施例中，定子10共有12个定子齿11和12个线圈13，而每个转子则有8个极片，但是定子齿数或者极片数可以不同，但都属于本发明的权利要求范围之内。
另外，在这些视图所示的实施例中，外转子30的极片32带有径向内端面32a和径向外端面32b，这些端面都呈圆柱形。
如果极片呈不同形状，也应认为属于本发明的权利要求范围之内。
例如，外转子的极片可以具有转向定子的凸形、穹拱形、径向内端面，如图3所示。
外转子30可以带有极片，每个极片在其径向外侧至少有一个凹槽。
作为一个实施例，图3示出了一种外转子，该转子在每个极片32和非磁性壳体33之间有凹槽34。在这个实施例中，外转子30的每个极片32沿圆周方向在中间长度经过最小横截面。
当然，外转子30也可以不带凹槽34，极片32也可以不带转向定子的凸起穹拱端面32a，而这些都属于没有超出本发明的权利要求范围。
在图1到图3的所示实施例中，内转子20和外转子30的永磁铁25和31一般都是呈梯形。如果磁铁的形状不同，也属于没有超出本发明的权利要求范围。
作为一个示例，图4示出了具有平行六面体普通形状的永磁铁的电动机械的部分。如果两个转子中只有一个转子的磁铁呈梯形，而另一个转子的磁铁呈平行六面体形，也同样属于没有超出本发明的权利要求范围。那么，内转子20的极片23可以带有肩部26，用来卡住两个连续极片之间的磁铁。
上面结合图1至图3介绍的内转子20的极片23是通过形状互补形式固定到轴21的肋部22上。如果极片23以另外一种方式固定到轴21上，也属于没有超出本发明的权利要求范围。
图4所示的极片23通过杆27固定，该杆27穿过极片，每个杆的端部连接到固定法兰上(图中未示)。轴21在本实施例中呈一般的圆柱形状。
在刚刚介绍的实施例中，内转子和外转子的极片没有成角度地偏置。
如果两个转子的极片成角度地偏置，如图5实施例中所示，也属于没有超出本发明的权利要求范围。在这个示图中，极片偏置了一个角度α，为了清晰起见，该图对该角度有意识地夸大了。
当相位数m为偶数时，两个转子可以偏置大约π/s的一个角度α，式中S＝mp，S是定子齿数，而P是转子的成对极片数；而当相位数m为奇数时，两个转子可以偏置大约π/2S的一个角度α。这种偏置可以减小或者甚至消除转矩波动。
在上面所介绍的实施例中，定子的齿数nteeth等于12，每个转子的极片数等于8，成对极片数npairs等于4和相位数等于3，这样就满足了以下关系要求nteeth＝nphases×npair。
如果定子的齿数或每个转子的极片数不同，也属于没有超出本发明的权利要求范围。
作为实施例，图6示出了带有12个定子齿和每个转子上10个极片的电动机械。这样，定子有6n定子齿，每个转子有6n±2极片，在该示例中，n等于2，但是如果n大于2，也同样属于本发明的权利要求范围之内。
在上面所介绍的实施例中，每个定子齿都带有一个独立的线圈，但是如果每个定子齿所携带的独立线圈超过一个，尤其是两个独立线圈时，也属于没有超出本发明的权利要求范围。
作为一个示例，图7部分示出了定子40，其定子齿41实际上是通过非磁性支架43或用绝缘材料制成的支架或所述两种组合，沿其径向边缘42固定在中间长度位置，所述支架有在一侧或两侧封闭的环形。作为另一种变化形式，支架43可以是磁性的。
定子齿41带有自由端44和45，分别面向内转子20和外转子30，每个定子齿都可以没有极片。
为了分别在内转子和外转子内建立旋转磁场，或者为了恢复由内转子和外转子感应的电流，在每个定子齿41的支架43的每一侧分别设置了线圈46和47。
在图7所示的实施例中，每个定子齿41的边缘42都是并行的，当在必要时，定子齿41也可以带有非并行边缘42，定子齿41朝向支架43的加宽，这样线圈46和47就可以在定子齿41上连接，并稍微夹紧。
另外，定子齿41也可以在其每个自由端44和45处带有两个小凹槽，用来将定子齿上的线圈固定块固定到定子齿上，其方式与图1和图2所述方式相似。
在上面介绍的实施例中，定子齿是没有极片，但如果定子齿带有极片70，使其可以将线圈固定块71固定到定子齿上，如图13所示，也属于没有超出本发明的权利要求范围。
图8示出了支架43。该支架有一个普通的环形部分，带有孔口48，用来安装定子齿41。
定子齿41可以通过任何一种方式，例如压入配合、焊接或粘接等固定到支架43上。
如果定子采用不同的方式生产，也应属于没有超出本发明的权利要求范围。
例如，定子可以具有安装在轭铁73上的线圈46和47，该轭铁与定子齿制成单件，采用磁性材料制成单件，如图14所示。图14所示的定子可以采用模压或通过叠层片堆积的方式产生。
定子也可以采用不同的方式生产制造。
作为一个示例，图9示出了一种带有定子齿41的定子，该定子齿在其边缘42的中部包括了可安装元件53端部52的凹槽50，元件53将定子齿连接在一起。
每个元件53都有普通的曲线形状，其端部带有突出特点，设计该特点用来与凹槽50相配合，从而使两个相邻的定子齿41能够紧紧地安装到位。
元件53可以是非磁性的，或者作为另外一种形式，采用磁性材料制成。
任何定子齿所带有的线圈可以电连接在一起，但是如果任何一个定子齿上的两个线圈没有在电连接在一起，也属于没有超出本发明的权利要求范围。
在这种情况下，如图10所示，定子的内线圈和外线圈可以构成连接的两个独立的三相电路61和62，在电动机械1的输出端分别接到整流电路63和64，然后再接到上升沿和下降沿电压断路器65和66上，并形成一个中性点67。
两个电路61和62可以有(也可以没有)公共中性点69，如图中虚线所示，可以(也可以不)接到两个上升沿和下降沿电压断路器65和66的中性点67上。
图11和图12示出了其它可能采用的配置形式。
特别是，如图11所示，内转子20可以经由机械连杆2’连接到外转子30上，该连杆在定子10的两个部件10a和10b之间径向延伸，后者采用一个双重结构。
按照上述方式，每个部件10a或10b都有定子齿，而每个定子齿又带有一个或两个独立线圈，内转子和外转子又各有双重结构，分别有设计的第一部件20a和30a，用来与定子的部件10a相配合，和分别有设计的第二部件20b和30b，用来与定子的部件10b相结合。
在图12中所示可替代的实施方式中，定子10也有双重结构，带有两个部件10a和10b，与内转子和外转子一样。
定子的部件10a和10b通过一个机械连接机构70连接到框架3上，机械连接机构连接到定子部件10a和10b的相对端部。内转子的部件20a通过与图2所示的机械连接机构相似的机械连接机构2”接到外转子的部件30a，同样，内转子的另一个部件20b则通过械连接机构2”连接到外转子30的另一个部件30b，在图11和图12所示的实施例中，定子与内转子和外转子一般都是与中平面M对称，而中平面则垂直于旋转X轴线，但是，不一定必须如此，如果产生采用非对称部件的双重结构，也属于没有超出本发明的权利要求范围。
当然，本发明并不限于上面所介绍的实施例。特别是，所介绍的各种实施例的特性也可以彼此结合在一起。
在整个上述介绍中，包括权利要求书，除非另有说明，“(具)有一个/一种”的表述都必须理解为与“至少(具)有一个/一种”同义。
权利要求
1.一种电动机械，其包括-定子(10，40)，该定子包括大量定子齿(11，41)，每个定子齿支持至少一个独立线圈(13，46，47)；-外转子(30)，径向安装在定子的外侧，并且包括永磁铁；-内转子(20)，径向安装在定子的内侧，包括永磁铁，并固定到外转子(30)上，外转子(30)和内转子(20)中至少一个转子是磁通同心转子。
2.根据权利要求1所述的电动机械，其特征在于定子(10，40)的定子齿(11，41)无极靴。
3.根据权利要求1或2中任一权利要求所述的电动机械，其特征在于外转子(30)和内转子(20)中至少一个转子的两个相邻的磁铁(25，31)具有设置的相同极性的端面，以面向位于所述磁铁(23，32)之间的共同的相邻极片。
4.根据前面任一项权利要求所述的电动机械，其特征在于两个转子(20，30)都有相同数量的极片(25，31)。
5.根据权利要求4所述的电动机械，其特征在于两个转子(20，30)的极片(25，31)不成角度地偏置。
6.根据权利要求4所述的电动机械，其特征在于两个转子(20，30)的极片(25，31)成角度地偏置。
7.根据权利要求6所述的电动机械，其特征在于当相位数m为偶数时，两个转子(20，30)可以偏置大约π/s的一个角度，其中S＝mp，S是定子(10，40)的齿数(11，41)，而P是转子的成对极片数；而当相位数m为奇数时，两个转子(20，30)可以偏置大约π/2S的一个角度α。
8.根据前面任一项权利要求所述的电动机械，其特征在于外转子(30)带有极片(32)，每个极片在径向外侧有至少一个凹槽(34)。
9.根据权利要求8所述的电动机械，其特征在于外转子(30)的每个极片(32)都沿圆周方向在中间长度穿过最小横截面。
10.根据前面任一项权利要求所述的电动机械，其特征在于在沿电动机械转动轴线观察时，内转子(20)和外转子(30)中至少一个转子的磁铁(25，31)有楔面形状，其宽度会随着远离定子而增加。
11.根据前面任一项权利要求所述的电动机械，其特征在于内转子(20)带有极片(25)，该极片通过形状互补方式与电动机械轴(21)相连接。
12.根据权利要求11所述的电动机械，其特征在于内转子(20)的极片(25)带有凹槽，极片通过这些凹槽与轴(21)上的肋部(22)接合。
13.根据前面任一项权利要求所述的电动机械，其特征在于，至少其中一个转子(20，30)具有位于磁铁(25，31)之间极片(23，32)，每个极片在转向定子的一侧上都有转向定子的凸起穹拱面(24)。
14.根据前面任一项权利要求所述的电动机械，定子带有nteeth齿数(11，41)，每个转子都有npairs对极片(25，31)，和电流带有nphases相位数，其特征在于，定子(10，40)的定子齿数nteeth根据nteeth＝nphases×npair关系式选择。
15.根据权利要求1至13中任一项所述的电动机械，其特征在于，定子(10)带有6n定子齿(11，41)，每个转子(20，30)都有6n±2极片(25，31)，n大于或等于2。
16.根据前面任一项权利要求所述的电动机械，其特征在于定子(10)的每个定子齿(11)都有位于面向其中一个转子(20，30)的自由第一端。
17.根据权利要求16所述的电动机械，其特征在于定子齿(11)通过与第一端相对的第二端固定到非磁性支架(12)上。
18.根据权利要求17所述的电动机械，其特征在于定子(10)的每个定子齿(11)支持着一个单独的线圈(13)。
19.根据权利要求1至15中任一项权利要求所述的电动机械，其特征在于定子(40)的每个定子齿(41)都有两个相对的自由端(44，45)，分别面向内转子和外转子。
20.根据权利要求19所述的电动机械，其特征在于定子齿(41)通过非磁性支架(43，53)固定在大约中间长度位置。
21.根据前面两项权利要求中任一项所述的电动机械，其特征在于，定子(40)的每个定子齿(41)都有两个独立的线圈(46，47)。
22.根据权利要求21所述的电动机械，其特征在于，任何一个定子齿(41)所带的两个线圈(46，47)不电连接在一起。
23.根据权利要求1至15中任一项所述的电动机械，其特征在于定子有轭铁(73)，其与定子齿(41)制成单件。
24.根据权利要求23所述的电动机械，其特征在于用磁性材料制成轭铁(73)。
25.根据前面任一项权利要求所述的电动机械，其特征在于，定子齿(11，41)在面向其中一个转子(20，30)的自由端附近设有凹槽(14)。
26.根据权利要求1所述的电动机械，其特征在于，定子的定子齿带有极靴(70)。
27.根据前面任一项权利要求所述的电动机械，其特征在于它具有双重结构(10a，10b；20a，20b；30a，30b)。
28.根据前面任一项权利要求所述的电动机械，其特征在于它构成同步电机。
29.根据前面任一项权利要求所述的电动机械，其特征在于它构成了一个发电机。
30.一种电动机械，包括-定子(10，40)，该定子包括大量无极靴的定子齿(11，41)，每个定子齿支持至少一个独立线圈(13，46，47)；-外转子(30)，径向安装在定子的外侧，并且包括永磁铁；-内转子(20)，径向安装在定子的内侧，包括永磁铁，并且固定到外转子(30)上。
全文摘要
本发明涉及一种电动机械，其包括定子(10，40)，该定子包括大量定子齿(11，41)，每个定子齿支持至少一个独立线圈(13，46，47)；外转子(30)，径向安装在定子的外侧，并且包括永磁铁；内转子(20)，径向安装在定子的内侧，包括永磁铁，并固定到外转子(30)上，外转子(30)和内转子(20)中至少一个转子是磁通同心转子。
文档编号H02K16/00GK1757151SQ200480006118
公开日2006年4月5日 申请日期2004年3月5日 优先权日2003年3月6日
发明者阿戴夫·阿鲍·阿凯, 埃里克·考帕特, 杰魁斯·圣-米歇尔 申请人:勒鲁瓦-索梅尔发动机公司