具体实施方式

图1至图2示出了根据本发明的电力发电机(仅简称为“发电机”)100。发电机100具有在其径向内中心处限定中心轴线的中心轮轴102和在其径向外表面处的背铁104。发电机100还具有通常为发电机所共有的许多特征，如轴承、轮轴、框、输入驱动器、输出布线等，这些特征未示出，但是本领域技术人员将理解它们可以形成本发明的一部分。

发电机100具有内定子110、中间转子120和外定子130。这些可以被认为是发电机100的三个同心“层”。转子120和定子110、130围绕中心轴线同轴。内定子110设置在转子120的径向内侧，内定子110和转子120通过内气隙112间隔开。外定子130设置在转子120的径向外侧，外定子130和转子120通过外气隙132间隔开。

内定子110和外定子130中的每一个具有相应绕组114、134，所述相应绕组114、134被配置成在其中感应电流。相应地，转子120包括多个磁极结构122、124，所述磁极结构122、124被配置成提供或产生具有多个磁极的磁场，所述磁场在使用中被配置成在绕组114、134中感应电流。每个磁极可以包括磁性体122和嵌入的场绕组124，因此在该示例中磁极结构122、124是电磁的(尽管在其他示例中，磁极结构122、124可以是永磁体)。转子120包括中间支承结构126以在磁极结构122、124之间提供结构支承。

转子120通常为环形，但不是均匀环形；更具体地，转子120的截面厚度不均匀。这在示出发电机100的放大部分的图2中可以更清楚。转子120的内表面在磁极结构122、124处径向向内突出，因此内气隙112是不均匀的，因为它在磁极结构122、124处径向较短(由箭头112.1指示)。内气隙112在磁极结构122、124之间，即在中间结构126处径向较长(由箭头112.2指示)——或与中间结构126径向对齐。

外气隙132具有类似的配置，尽管它比内气隙112平均较宽/径向较长。更具体地，转子120的外表面在磁极结构122、124处径向向外突出，因此外气隙132是不均匀的，因为它在磁极结构122、124处径向较短(由箭头132.1指示)而在磁极结构122、124之间在中间结构126处径向较长(由箭头132.2指示)。

距离可以在表1所指示的以下范围内：

表1

磁性体122的形状在示出磁通量密度的图3中也是清楚的。磁性体122具有平坦的内表面(该内表面被认为是相对于更常规的弧形弯曲的内表面的向内突出，所述更常规的弧形弯曲的内表面将与中心轴线同心并且等距地间隔开)。换言之，在使用中，磁性体122的内表面具有小于内表面所描述的位移弧。

类似地，磁性体122的外表面比更常规的恒定弯曲的外表面更弯曲(或者具有更小的曲率半径)；这被认为是向外突出，因为曲率比磁性体122的外表面所描述的位移弧更紧。

发明人已经进行了发电机100的模拟和测试。在图3至图11中概述了模拟的结果。在表2中提供了模拟的具体参数：

表2

发电机100的优点之一是在不需要任何校正、调节或整流电路系统的情况下产生具有低的总谐波失真(THD)的电气输出(即，输出的电压特性和电流特性)。

图3至图4示出了使用中的发电机100的磁通量密度热图202、204。图5至图11示出了发电机100的特性的各种曲线图206至224：

曲线图206示出了内定子110与转子120之间的通量密度；

曲线图208示出了外定子130与转子120之间的通量密度；

曲线图210示出了内定子110的相电压；

曲线图212示出了外定子130的相电压；

曲线图214示出了内定子110的相电流；

曲线图216示出了外定子130的相电流；

曲线图220示出了内定子110的扭矩；

曲线图222示出了转子120的扭矩；以及

曲线图224示出了外定子130的扭矩。

虽然曲线图206至224的具体值可能不直接相关，但是曲线图206至224的形状是相关的，示出了各种输出特性的相对平滑度。

发明人注意到，本公开内容可以具有其他优点和特征。利用转子120的内表面和外表面二者的磁场。内气隙112中FFT之后的磁通量读数可以在0.3T与0.99T之间，并且对于外气隙132，可以在0.2T与0.95T之间。

在常规发电机设计中，谐波随着电流的增加而增加；然而，在本发电机100的设计中，产生了良好的结果，因为在谐波方面产生的电力的质量是良好的。在该实施方式中，当内定子110上的电流保持恒定时，当外定子130(具体地，外定子130中的绕组134)的电流增加高达至某一点时，谐波减少(与常规发电机设计相比)，在该点处，内气隙112在其最短距离处的范围为从15mm至55mm并且在其最长距离处的范围为从55mm至95mm，并且外气隙132在其最短距离处的范围为从25mm至55mm，并且在其最长距离处的范围为从60mm至120mm，并且当升高外定子130的电流并保持内定子110的电流恒定时，改进之处在于外定子上的电压的谐波和总谐波失真降低到至少0.44％。

从该点开始，谐波开始随着外定子130上的电流的增加而增加。当内定子110和外定子130二者的电流增加时，内定子110和外定子130二者中的谐波和总谐波失真百分比减小。在外定子130中谐波的减少更显著。另一方面，当外定子130上的电流减小时，外定子130上的谐波增加，这与常规设计相反。当内定子110中的电流保持在恒定值(额定电流)时，所有这些都会发生。在外定子上的额定电流为一半时，谐波高于额定电流时的谐波。当内定子110和外定子130二者的电流增加时，内定子110和外定子130二者中的谐波和总谐波失真百分比减小，其中，内气隙112在其最短距离处的范围为从25mm至65mm并且在其最长距离处的范围为从45mm至110mm，并且外气隙132在其最短距离处的范围为从65mm至110mm并且在其最长距离处的范围为从94mm至140mm，并且当升高内定子110和外定子130二者的电流时，内定子110和外定子132二者的谐波和总谐波失真降低至少4％。

另一个有益的实施方式是外定子130可以在比常规设计的电力发电机的电流高得多的电流下操作，而不损害电力的质量。电流可以增加到相对常规设计值的100％以上，并且这增加了输出而不损害对消费者的电力供应的质量。当电流增加50％时，外定子130上的总谐波增加高达0.88％。外定子130中的电流仍可以增加高达100％，这将改进发电机100的性能而不损害电力发电机的电压谐波方面的质量，在电流增加100％时，谐波接近外定子上的总谐波的3％THD限值，并且作为关于谐波的国际可接受标准的IEEE519标准是3％。外定子130可以在不改变配置的情况下以正确的质量水平产生更多的电力。

谐波标准不是对外定子130的直接挑战，而是内定子110与外定子130相比以相反的方式作出反应。在该水平下，内定子110的谐波可以随着电流的增加而增加，而外定子130的谐波可以随着外定子130电流的增加而减少。这是直到内定子110和外定子130二者的电流增加之前的情况，这是完全出乎意料的，其中，内气隙112在其最短距离处的范围为从25mm至85mm并且在其最长距离处的范围为从65mm至100mm，并且外气隙132在其最短距离处的范围为从35mm至55mm并且在其最长距离处的范围为从63mm至120mm，并且当内定子110上的电流减小时，内定子110和外定子130二者中的谐波和总谐波失真降低至少3％。

内定子110以与常规发电机相同的方式作出反应，因为当电流增加时，谐波也增加。内定子110可以被设计成用于低电压，并且外定子130可以同时且对于相同的配置被设计成用于更高电流下的更高电压。在这种操作配置下，内定子110可以贡献低至发电机总输出的13％，而外定子可以贡献电力输出的87％。当外定子130的电流增加到高于某一点时，内定子110上的谐波减少；也就是说，当外定子130的电流增加+100％时，内定子110上的谐波减少10％，因此这可以表明使谐波处于可接受标准内的最佳操作点是在更高电流下操作外定子130。这种操作要求将外定子130制造得更大，使得可以在外定子130上使用更大的导体来承载更多的电流。也可以将内定子110制造得更大以容纳更大的导体。令人惊奇的结果是，当内定子110脱机并且外定子130加载时，外定子谐波不会改变。

存在两个气隙112、132的事实意指可以使用磁极的两个分散层。因此，这种布置使得转子120的两个表面都能够被用来产生电力。利用磁极结构122、124的两个表面上的磁场可以是本公开内容的优点。该先前未使用的磁场在常规设计中处于附接至转子表面轴的表面上，该磁场在技术上具有与被利用的另一表面相同的尺寸和相同的特性。在常规设计中，发电机具有一个转子和一个定子，这导致如下情况：磁极的另一表面，即使它具有被利用的表面的所有特性，该另一表面也永不会被利用。

气隙112、132和磁通量可以起重要作用，因为它们影响性能和由发电机100产生的电力的质量。内气隙112可以在磁极的中心处在5mm与50mm之间并且在磁极的端部处增加到10mm与90mm之间，并且外气隙132可以在磁极的中心处在20mm与100mm之间并且在磁极的端部处增加到35mm与165mm之间。在内定子与转子上的磁极之间的内气隙112的中点处的FFTBr值(磁通量)读数可以为0.3T和0.99T，并且对于外气隙132，可以在0.2T与0.95T之间。因为外气隙132的增加，磁通量读数与内气隙112的磁通量读数相比可能非常低。低通量读数导致低电压产生。

为了解决这种低电压产生，可以增加外定子130的直径/尺寸，这增大了由更多绕组134产生的电压，以及还通过增加外定子槽尺寸(深度)，并且使用更大尺寸的导体或使用更多绕组134。即使磁场行进长距离到达外气隙132，外定子130的整体尺寸也弥补了低磁通量密度。内定子112可以产生低电压，而外定子130可以产生较高电压，这改善了该发电机100的性能和灵活性。发电机100可以在内定子110和外定子130二者上产生较高电压，并且两个定子110、130也可以产生低电压，当与定子上的较高电压相比时，该低电压类似于几乎使发电机退化。(低电压通常被认为是低于1000V的电压，并且高电压被认为是高于1000V的电压)。将低电压与高电压进行比较，在不改变配置的情况下，较高电压与低电压相比可以产生更多的电力。这种设计可能更适用于特别是使用可再生能源如风能、水能和地热能的低燃料成本的应用。

发电机100可以基于其低电压谐波而具有用于商业成功的许多特性，这使得发电机100能够产生更高水平的电流，并因此根据其尺寸产生大量电力。长期以来，一直需要负担得起的且质量更好的电力。该实施方式提供了针对那个未满足的市场需求的解决方案。这种水平的电力质量随之为电能的用户以及还为电力的传输和分配带来了许多经济益处和安全益处。它还为谐波敏感的电气设备带来了益处。与现有技术的发电机相比，高水平的电力输出驱动更高的电力/质量(kW/kg)比。发电机100的这种能力降低了以美分/千瓦为单位的资本支出成本。在存在两个定子110、130和单个转子120协同一起工作以实现低电压谐波的产生的情况下，低谐波成为出乎意料的优越效果。

与常规发电机相比之下，当外定子130上的电流增加时，内定子110和外定子130的谐波减少，在常规发电机中，当单个定子的电流增加时，谐波也增加。另一个对比优越效果是，当内定子110被加载然后外定子130被装载时，进入发电机100的输入电力存在显著减小。当内定子110和外定子130二者上的电流增加时，两个定子110、130的电压谐波继续减少。

条款

1.一种三层电力发电机，其转子在两个定子之间，其中，内定子与磁极转子的内表面之间的气隙在磁极的中心处在5mm与50mm之间并且在磁极的端部处增加到10mm与90mm之间，并且转子的外表面与外定子的内表面之间的外定子气隙在磁极的中心处在20mm与100mm之间并且在磁极的端部处增加到35mm与130mm之间，并且内定子与转子上的磁极之间的内气隙的中点处的FFT Br值(磁通量)读数为0.3T和0.7T读数，并且对于在转子上的磁极的外表面与外定子的内表面之间的外气隙，在0.2T与0.6T之间。

2.根据条款1所述的电力发电机，其中，改进之处在于，针对可比较的电力输出，转子比常规转子小。

3.根据条款1所述的电力发电机，其中，改进之处在于，定子的尺寸比常规定子的尺寸大。

4.根据条款1所述的电力发电机，其中，内气隙在磁极的中心处在5mm与50mm之间并且在磁极的端部处增加到10mm与90mm之间，并且外定子气隙在磁极的中心处在20mm与100mm之间并且在磁极的端部处增加到35mm与130mm之间，其中改进之处在于，外定子上的谐波仅随着外定子中的电流增加而减少。

5.根据条款1所述的电力发电机，其中，内气隙在磁极的中心处在5mm与50mm之间并且在磁极的端部处增加到10mm与90mm之间，并且外定子气隙在磁极的中心处在20mm与100mm之间并且在磁极的端部处增加到35mm与130mm之间，并且其中改进之处在于，仅从外定子中的额定电流点开始，内定子上的谐波就随电流增加而减少。

6.根据条款2所述的电力发电机，其中，改进之处在于，定子绕组以螺旋形式一个接一个地缠绕。

7.根据条款1所述的三层电力发电机，其特征在于，以更高的电流操作外定子，并且仍保持正确的谐波水平。

8.根据条款1所述的三层电力发电机，其特征在于，内定子可以产生低电压并且外定子可以产生较高电压，或者内定子和外定子可以产生高电压。

9.根据条款1所述的三层电力发电机，其中，根据权利要求1所述的电力发电机，其中，内气隙在其最短距离处的范围为从5mm至50mm并且在其最长距离处的范围为从10mm至95mm；并且外气隙在其最短距离处的范围为从20mm至140mm并且在其最长距离处的范围为从30mm至165mm。