多相橫向磁通電機的製作方法
2023-07-22 17:25:21
專利名稱：多相橫向磁通電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及多相橫向磁通直流電機，並且尤其是指，但不僅限於，「內定子外轉子」式電機，其中轉子在定子的外部旋轉。
現有技術「多相」直流電機是指一臺具有數個繞組或數套繞組的電機，這些繞組當被一個直流電源順序勵磁時，將產生一個旋轉磁通。電機的換相通常通過使用橋式電子開關裝置來實現，其中開關順序由一個微處理器進行控制。
橫向磁通電機的優點已廣為人知。橫向磁通電機能夠產生比傳統電機大若干倍的功率密度。其原因在於橫向磁通電機的幾何結構，這種幾何結構允許採用較多的磁極數目，同時能夠使每個磁極保持與傳統電機相同的磁動勢(MMF)。
過去，橫向磁通電機難以實現，這是因為標準的鐵芯疊壓技術很難實現橫向磁通電機中所需的三維磁通流。通過使用粉末燒結鐵芯，這種困難正在被克服。該粉末燒結鐵芯可通過一種壓縮模製技術被加工而成。
迄今公開的大多數橫向磁通電機的結構都是單相電機。美國專利5,773,910(Lange)就公開了其中一個例子。多相電機的建議方案通常包括複雜的幾何結構，這就帶來了加工上的困難。例如美國專利5,117,142(Von Zueygbergk)、5,633,551(Weh)和5,854,521(Nolle)。
因此本發明的一個目的是提供一種便於加工的多相橫向磁通直流電機。
對本發明的公開相應地，一方面本發明主要在於一種多相橫向磁通直流電機，其包括一個轉子，該轉子在其周圍具有交替的磁極極性；和一個定子，該定子與所述轉子共軸線安裝，以便在其間提供至少一個氣隙，所述定子包括一個第一定子件，它具有數個沿周向布置並相互隔開的爪形磁極，這些磁極沿一個軸向伸出，一個與所述第一定子件互補的第二定子件，所述第二定子件與所述第一定子件共軸線安裝並相互面對，從而使二者之間存在一個軸向間隙，同時它們繞公共軸線的取向使第二磁極件的爪形磁極沿周向與第一磁極件的爪形磁極相互交錯；數個導磁的橋接芯，它們位於定子軸線周圍並靠近所述爪形磁極，同時位於所述第一和第二定子件之間，以便在二者之間提供磁通路徑，至少一個所述定子件在所述橋接芯的位置之間設置有高磁阻的區域，和被置於每個橋接芯周圍的定子繞組，每個繞組當通有一個激勵電流時都將產生流過所述第一和第二磁極件中的定子爪形磁極的磁通，這些磁極靠近相應的橋接芯，從而在與這些爪形磁極相鄰的所述氣隙中產生磁通，每個繞組或一組選定的繞組構成了數個電機相之一的繞組，在使用中，這些相在電子控制下被轉換，從而在所述氣隙中產生一個繞定子軸線旋轉的磁通。
在另一方面，本發明主要在於一種多相橫向磁通直流電機，其包括一個轉子，該轉子具有數個沿周向布置並且被導磁材料隔開的永磁體，以便在其周圍提供交替的磁極極性，所述磁體被沿周向磁化；和一個定子，該定子與所述轉子共軸線安裝，以便在其間提供至少一個氣隙，所述定子包括一個第一定子件，它具有數個沿周向布置並相互隔開的爪形磁極，這些磁極沿一個軸向伸出，一個與所述第一定子件互補的第二定子件，所述第二定子件與所述第一定子件共軸線安裝並相互面對，從而使二者之間存在一個軸向間隙，同時它們繞公共軸線的取向使第二磁極件的爪形磁極沿周向與第一磁極件的爪形磁極相互交錯，數個導磁的橋接芯，它們位於定子軸線周圍並靠近所述爪形磁極，同時位於所述第一和第二定子件之間，以便在二者之間提供磁通路徑，至少一個所述定子件在所述橋接芯的位置之間設置有高磁阻的區域，和被置於每個橋接芯周圍的定子繞組，每個繞組當通有一個激勵電流時都將產生流過所述第一和第二磁極件中的定子爪形磁極的磁通，這些磁極靠近相應的橋接芯，從而在與這些爪形磁極相鄰的所述至少一個氣隙中產生磁通，每個繞組或一組選定的繞組構成了數個電機相之一的繞組，在使用中，這些相在電子控制下被轉換，從而在所述氣隙中產生一個繞定子軸線旋轉的磁通。
在另一方面，本發明主要在於一種用於加工多相橫向磁通直流電機的定子的方法，該方法包括以下步驟加工一個第一定子件，該第一定子件具有數個沿周向布置並相互隔開的爪形磁極，這些磁極沿一個軸向伸出，加工一個與所述第一定子件類似且互補的第二定子件，設置數個導磁的橋接芯，所述橋接芯圍繞定子軸線布置並靠近所述爪形磁極，同時位於所述第一和第二定子件之間，以便在二者之間提供磁通路徑，在所述第一和第二定子件之一或二者中，在所述橋接芯的位置之間設置高磁阻的區域，將定子繞組置於每個橋接芯周圍，以共軸線安裝並相互面對的關係組裝所述第一和第二定子件，同時所述第一和第二定子件被所述橋接芯沿軸向隔開，並且所述第二定子件繞公共軸線的取向能使所述第二磁極件的爪形磁極沿周向與所述第一磁極件的爪形磁極相互交錯；每個所述繞組或一組選定的所述繞組構成了數個電機相之一的繞組，從而在使用中，當通有一個激勵電流時，所述繞組將產生磁通，所述磁通將流過所述第一和第二磁極件中的靠近相應橋接芯的爪形磁極。
在另一方面，本發明主要在於一種轉子，該轉子具有數個沿周向布置並且被高導磁材料段隔開的永磁體，以便形成轉子磁極，一個定子，該定子與所述轉子共軸線安裝，以便在其間提供至少一個氣隙，所述定子具有數個沿周向布置並相互隔開的磁極，每相至少具有一個定子繞組，當通有一個激勵電流時，所述繞組將產生磁通，所述磁通將流過靠近該繞組的定子磁極，從而在靠近所述磁極的所述氣隙中產生一個磁通，所述繞組在使用中在電子控制下被轉換，從而在所述氣隙中產生一個繞定子軸線旋轉的磁通，改進之處表現為下述關係，即如果電機相數(P)選取2，3，...，N，每相的繞組數(W)選取1，2，...，M，與每個繞組相關聯的磁極數(PW)選取2，4，...，L；則定子磁極數(SP)等於乘積P×W×PW且轉子磁極數等於SP±W。
對附圖的簡要說明
圖1表示了一臺根據本發明的電機的沿直徑方向的橫剖示意圖，圖2表示了圖1中的電機定子的零件分解圖，其中圖2A表示了一個第一定子件，圖2B表示了一個第二互補定子件，圖2C表示了6個定子繞組中的4個，圖3表示了定子的外圍的局部視圖，示出了一條由單一繞組產生的典型磁通路徑，圖4表示了一個安裝有一塊電子線路板的定子件，圖5表示了具有優選結構的轉子的一個局部視圖，同時表示了穿過該轉子的磁通流，圖6表示了另一種轉子結構，圖7示意性地表示了該電機的一個三相整流電路，圖8表示了用於加工電機的一個定子件的兩件體鑄模中的一件，和圖9是一個定子件的局部視圖，表示了另一種磁極結構。
本發明的優選實施方式在本發明的一個優選實施例中，轉子2被置於定子7的外部，如圖1所示。如下文所述，也可以採用各種現有的轉子結構。圖中所示的轉子2包含一個由沿軸向取向的磁性材料件3A構成的圓環，該圓環中交錯布置有結構類似的永磁體3B(圖1中未示出)。永磁體3B沿圓周方向被磁化，並且相鄰的磁體被磁化帶有相反的極性。該磁性元件的圓環由一個圓柱形非磁性支持壁4進行支撐，推薦支持壁4由一種塑料材料製成，並與一個底座5和一個承載著轉子軸6的轂加工為一體。該轉子軸由一個軸承進行支撐，該軸承被以傳統方式安裝在一個支撐定子的殼體中，或者被安裝在該電機所驅動的設備中。美國專利5,150,589公開了後一種安裝方式的一個例子，其中軸承被安裝在了一個洗衣機中。
圖6表示了另一種轉子結構。在該結構中，轉子200包含一個可磁化和可導磁材料的圓環，該圓環在定子外部旋轉。在該結構的一個實施例中，數個沿軸向取向的磁體202被置於轉子內周的周圍。永磁體202沿徑向被磁化，極性相互交替，並且緊靠一個圓形軟磁材料返回通路204，從而形成完整的磁路。磁性元件的圓環由一個圓柱形支持壁206進行支撐，推薦支持壁206由一種塑料材料製成，並與一個底座208和一個承載著轉子軸的轂加工為一體。
電機定子7(同樣見圖2)由兩個相互面對的互補件8和9構成，互補件8和9由高磁導率的材料製成，並且被同樣由高磁導率材料製成的橋接芯10沿軸向隔開。每個定子件8和9分別在周圍處包括數個相互隔開並沿軸向取向的磁極12和13。該定子磁極是爪形磁極。
橋接芯10關於定子的軸線對稱布置並且位於定子磁極附近，圖中所示的實施例具有6個橋接芯10。這些芯的作用是允許磁通從一個定子件流向另一個。每個橋接芯還方便地構成了相應定子繞組11的芯。
圖中所示的定子是一個三「相」、60極的定子，並且每相兩個繞組。在所示的實施例中，兩個主定子件8和9的結構類似，並且被面對面地組裝在一起，其中它們各自的軸向磁極12和13面對相對的定子件，同時每個定子件的相對旋轉方向滿足下述條件，即允許上定子件的磁極12被置於下定子件的磁極13的間隙內。在該優選實施例中，磁極間的距離大於每個磁極的寬度，並且每個磁極的軸向延伸長度能夠使兩個定子件上相對的磁極互搭在一起。這在圖3中可以看出。
每個定子件可被分別視為一個在其周邊處承載有相互隔開的爪形磁極12和13的圓盤15。一個空洞16被設在每個盤的中心，以便節省材料並且允許轉子軸穿過。每個磁極沿軸向取向，並且在該優選實施例中，每個磁極的周向寬度小於磁極間距。每個磁極凸出於「盤」15之上，並且磁極頂端被切去一部分，從而形成一個小面積頂端17，該頂端17的作用是減少相鄰磁極尖端之間和/或與其它定子件之間的磁通洩漏。其它的磁極結構也可以被採用，以儘量減小磁通洩漏。例如，該爪形磁極可以以一種或多種方式變尖。在圖9中，一個磁極沿兩個方向變尖。第一，側表面211和212可以從磁極根部向其外徑向表面逐漸變窄。第二，內表面213可以從它與定子件「盤」15的連接處向頂端17逐漸變窄。另外，在圖2所示的階梯磁極實施例中，該階梯可以是一個斜面削去部分，從而取代圖中所採用的直角削去部分。
為了確保每個繞組產生的磁通的至少絕大部分流過距離該繞組最近的磁極，而不通過該盤材料流向其它繞組，必須在至少一個盤15中在橋接芯之間設置高磁阻區域。就磁學而言，這些區域表現為「槽隙」，並且在該優選實施例中，適當的槽隙30被設置在下定子件盤中，如圖2B所示。從理論上講，槽隙30可以是氣隙，但為了保持每個定子件的單體結構，採用了一種工程強度低磁導率材料。推薦該材料被模塑在該定子件中並且同樣加工出如圖8中所示的定子轂。
定子必須被加工為雙體件，以允許多個內部繞組在加工過程中被置入其中。這兩個零件必須在磁性上相互連接，以便在二者之間提供磁通路徑，並且通過在一個或兩個定子盤15的內表面上設置凸起的「島狀部分」10而加工出了用於此目的的橋接芯，當這兩個零件組裝在一起時，每個「島狀部分」10緊靠對面零件上對應的「島狀部分」，從而構成一個可用於纏繞繞組的磁芯。該橋接芯可與定子件之一加工為一體。或者可以使某些橋接芯與其中一個零件加工為一體，而使其它的橋接芯與第二個零件加工為一體。作為另一種替代方案，「半高度」橋接芯可以被加工在每個定子件上，在定子的組裝過程中，這些橋接芯可順次被機械連接在一起，從而形成完整的磁環路。該替代結構如圖2所示。在該實施例中，兩個定子件相似但不完全相同，這是因為橋接芯10必須相互對準，同時需要允許每個零件上的磁極相互交錯。在另一種替代方案中，該橋接芯可被單獨加工，並且在組裝時被置入盤15。
這種定子幾何結構允許一個繞組產生穿過多個磁極的磁通。每個繞組根據傳統的繞線技術被獨立地纏繞在一個繞線管14上(見圖2C)。推薦繞線管14由一種塑料材料製成，並且被加工成一定形狀，以便配合套裝在每個橋接芯10上。
在所述的三相定子中，兩個沿直徑相對的繞組通過並聯或串聯被連接在一起，並且在轉換時與其它相的繞組順次被激勵，從而使磁通在定子中流通在受激繞組附近。一條如此產生的磁通路徑被表示在了圖3和5中。該實施例中的每個繞組產生的磁通將流過每個定子件中的五個磁極。對於所示的路徑，磁通經過橋接芯10(磁通段a)進入上定子件的盤(磁通段b)，然後進入上定子件的一個磁極(段c)，離開該磁極後穿過電機氣隙(段d)，沿徑向進入轉子2上相距最近的軟磁材料件3A中(如圖5所示)，沿周向進入並穿過相鄰的永磁體3B接著進入該磁體的相對側上的軟磁材料件3A(段e，如圖5所示)，沿軸向經過該軟磁材料件並且離開該軟磁材料件，接著沿徑向穿過氣隙(段f)進入下定子件上最近的磁極，穿過該磁極(段g)到達下定子盤，磁通在此處沿徑向前進(段h)，以返回橋接芯10，從而形成完整的磁迴路。
對於圖6所示的替代轉子結構而言，穿過該轉子的磁通路徑有些不同。磁通離開該磁極並穿過電機氣隙(段d，圖3)沿徑向進入距離最近的永磁體(202，圖6)沿周向穿過軟磁材料返回通路(204，圖6)並且向後沿徑向穿過一個相鄰的永磁體，從而沿徑向穿過氣隙(段f，圖3)抵達該下定子件上的距離最近的磁極。
為了清楚起見，圖中只示出了兩個磁極的一條磁通路徑。事實上，磁通沿三維方向穿過由繞組11激勵的上定子件中的全部五個磁極以及下定子件中的全部五個磁極。
在一個兩相激勵實施例中(參看圖7)，當流過相A和相B繞組的電機電流被換向之後，電機電流被轉換為流過相A和相C繞組，從而使產生在定子周圍的徑向磁通沿理想的方向繞該定子的周邊移動。轉子2中被交替布置在軟磁材料件3A之間的永磁體被該定子磁通吸引或排斥，從而使該轉子與旋轉的定子磁通同步轉動。繞組電流的供應以及繞組的轉換可通過一種現有方法來實施，即在直流幹線間的橋式電路中，每相(「推拉輸出電路」)使用兩個半導體開關裝置，其中該裝置的開關切換由一個微處理器(未示出)進行控制，該微處理器儲存有開關切換模式的順序，該開關切換模式被循環執行，從而產生一個沿選定方向繞定子旋轉的磁通。這種定子繞組轉換控制在美國專利4,540,921(Boyd)、4,857,814(Duncan)和WO98/35429(Boyd等)中有所描述，尤其是參照後者的圖1(對應於本發明中的圖7)和圖2。
本發明提供了一種多相橫向磁通直流電機，其具有相對便於加工的簡單幾何結構。與現有技術中推薦的定子結構相比，該定子的幾何結構允許電機只具有一個氣隙。
在根據本發明的電機中，存在以下關係如果相數P＝2，3，...，N；每相的繞組數W＝1，2，...，M；且每個繞組的磁極數PW＝2，4，...，L；則定子磁極數SP可表示為SP＝P×W×PW；和轉子磁極數RP＝SP±W每相。
有利的方案是，每相的繞組數取為偶數，以便平衡當該相被激勵時產生的徑向力，並且在某些情況下，當選用相對成對的爪形磁極幾何結構時，我們希望每個繞組的磁極數為偶數。然而，每個繞組的磁極數也可以為奇數，例如取為9。
當每相的繞組數等於或大於2時，這些繞組可通過串聯或並聯被連接在一起。然而並聯連接可能較為有利，這是因為它可以減輕氣隙不平衡存在時的徑向力不平衡。
在所示和所述的該實施例中，選擇了三相，每相兩個繞組並且每個繞組10個磁極。由此形成了一個具有60個磁極的定子，並且與該定子配合使用的轉子必須具有62或58個磁極。
為了便於加工，電機換相電控設備最好被機械連接在該電機上。如圖4所示，其中該電控設備被置於一塊印刷電路板20上，而印刷電路板20被固定在了定子件8上。
定子件可以通過將一種軟磁材料粉末，例如鐵粉末，壓入一個專用模子40中(見圖8)而被製成。對於兩個定子件之一而言，推薦使用一個由低磁導率材料加工而成的框架，以便在定子件中設置高磁阻槽隙30。當從模子中取出該定子件時，該框架保持為該定子件的一個整體部分。該框架還可以被用作一個軸承保持架。將該軟磁材料粉末壓擠在該框架的周圍能夠在軸承和氣隙之間獲得十分精確的同心度。在該優選實施例中，另一個定子件不需要槽隙，同時不需要任何框架。
權利要求
1.一種多相橫向磁通直流電機，其包括一個轉子，該轉子具有數個沿周向布置並且被高導磁材料段隔開的永磁體，以便形成轉子磁極，一個定子，該定子與所述轉子共軸線安裝，以便在其間提供至少一個氣隙，所述定子具有數個沿周向布置並相互隔開的磁極，每相至少具有一個定子繞組，當通有一個激勵電流時，所述繞組將產生磁通，所述磁通將流過靠近該繞組的定子磁極，從而在靠近所述磁極的所述氣隙中產生一個磁通，所述繞組在使用中在電子控制下被轉換，從而在所述氣隙中產生一個繞定子軸線旋轉的磁通，改進之處表現為下述關係，即電機相數(P)從2，3，...，N系列中選取，每相的繞組數(W)從1，2，...，M系列中選取，與每個繞組相關聯的磁極數(PW)從2，4，...，L中選取；則定子磁極數(SP)等於乘積P×W×PW且轉子磁極數等於SP±W。
全文摘要
一種橫向磁通電機，它具有多個定子相繞組，這些繞組通過電子控制被轉換，從而產生一個旋轉磁通，以驅動一個位於定子(7)外部的永磁轉子(2)。定子(7)由兩個互補的面對件(8，9)構成，每個件(8，9)帶有定子磁極(12，13)的一半，推薦後者具有爪形磁極結構。定子繞組(11)被夾在定子件(8，9)之間並纏繞在芯(10)周圍，芯(10)將兩個定子件相互導磁連接。推薦電機相數(P)選取2，3，...，N，每相的繞組數(W)選取1，2，...，M，每個繞組的磁極數(PW)選取2，4，...，L；則定子磁極數(SP)等於乘積P×W×PW且轉子磁極數等於SP+或－W。
文檔編號H02K29/00GK1610223SQ20041008574
公開日2005年4月27日 申請日期2000年10月25日 優先權日1999年10月26日
發明者克裡斯蒂安·約翰·韋德·詹尼, 小約翰·H·博伊德 申請人:菲舍爾和佩克爾應用有限公司