CN100367637C - 单极横向磁流电机 - Google Patents

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Abstract

对于一种单极横向磁流电机为了实现工艺合理的有利的模块化结构，定子(11)和转子(12)分别具有相同数量的全等的定子模块(14)和转子模块(15)。每个定子模块(14)包括一个与转子轴(13)同轴设置的环线圈(23)和搭接这个环线圈的U形定子磁轭(24)。为了实现大的静力学转矩每个转子模块(15)由两个具有外齿的转子环(16，17)组成，这些转子环包围两个径向反向磁化的永久磁铁环(26，27)，这些永久磁铁环又位于一个公共的导流部件(29)上，该导流部件例如由一个由铁磁材料制成的转子轴(13)构成。

Description

单极横向磁流电机
技术领域
本发明涉及一种单极横向磁流电机。
背景技术
对于已知的单极横向磁流电机(EP 0 544 200 A1)，在该专利中称为具有横向磁流的混合同步电机，每个转子环的齿轮具有一个在背离转子轴线的转子环外圆周上延伸的齿列和一个在向着转子轴线的转子环内圆周上延伸的齿列，它们具有相同的齿距。其中在每个转子环上的齿列相互以一个齿距推移。定子上的轭距对应于内齿列或外齿列的齿距，使得一个转子环的外齿与另一转子环的内齿总是同时位于一个定子磁轭下面。两个分别由两个转子环和一个用于在转子环中产生反向径向磁流的永久磁铁元件组成的转子模块夹紧在转子轴向上相互背离的转子体端侧，转子体通过旋转轴承支承在外壳上。在此永久磁铁元件分别由夹紧在转子环之间的永久磁铁环构成，它在转子轴线方向上单极磁化。每个定子模块的被外壳固定的定子磁轭U形地构成并通过其平行于转子轴线的轭腿搭接转子模块的两个转子环的内齿列和外齿列。与转子轴同心设置的圆形环线圈在各定子模块中穿过磁轭基体中的定子磁轭，即位于背离转子体的外转子环的环面与定子磁轭的横臂之间。
由文献“Michael，Bork，Entwicklung und Optimierung einerfertigungsgerechten Transversalflussmachine，Diss.82，RWTH，Aachen，Shaker出版社，Aachen，1997，第8页及下页”中已知具有永久磁铁调节的横向磁流电机。圆形缠绕的定子绕组被由软铁制成的U形磁轭包围，磁轭在旋转方向上以两倍极距设置。这个U形磁轭的敞开端指向定子与转子之间的气隙并构成定子极。其相互面对的永久磁铁小片这样设置，使两个位于定子磁轭极对面的小片具有相反的极性。为了使在转子旋转时有时位于定子极之间且没有铁磁接地的永久磁铁短接，在定子中设置接地部件。它们防止，永久磁铁磁流通过轭腿和环线圈杂散并减小由于定子磁流弱化而造成的定子磁流耦联的有效性。因此接地部件使电机的功率明显提高。
对于上述形式的单极横向磁流电机(DE 100 39 466)已经建议，转子环的齿仅在背离转子轴线的转子环外圆周上并在定子模块中这样配置定子磁轭，使定子磁轭的一个轭腿分别以径向缝隙间距位于一个转子环对面而定子磁轭的另一轭腿位于另一转子环对面。在转子旋转方向上相互衔接的定子磁轭之间分别设置一个接地部件，它在两个转子环上轴向延伸并且两个转子环以相同的径向缝隙间距对置。用于在转子环里产生反向径向延伸磁流的永久磁铁元件由一个永久磁铁环构成，它夹紧在两个转子环之间并在转子轴线方向上单极磁化。这种单极横向磁流电机具有简单的模块化设计的优点，由此可以通过添加或去除全等构成的定子和转子模块、即模块化地装配实现所期望的电机分支性。通过增加由各定子模块和转子模块组装而成的模块单元改善电机的回转并使电机开始时类似步进接通的特性过渡到在转矩曲线中没有波动的连续回转。因为电机的总转矩是模块单元转矩分量的总和，因此电机的总转矩能够以简单的方式适配于所提出的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单极横向磁流电机。
这种单极横向磁流电机具有一个围绕一个转子轴线旋转的转子，它具有至少一个转子模块，该转子模块由两个同轴的有齿的铁磁转子环和一个用于在转子环中产生反向径向流动磁流的永久磁铁元件组成，该电机还具有一个与转子轴线同轴的定子，它具有至少一个对应于转子模块的定子模块，该定子模块由一个与转子轴线同轴设置的环线圈和搭接这个环线圈的U形定子磁轭组成，其中仅在背离转子轴线的转子环的外圆周上配有转子环的齿，在定子模块中这样设置定子磁轭，使其轭腿分别位于转子环对面并且与转子环之间具有径向缝隙间距，所述永久磁铁元件由两个径向反向磁化的永久磁铁环构成，它们分别被转子环抗扭转地包围并安置在一个公共的导流部件上。
按照本发明的单极横向磁流电机在相同的永久磁铁元件磁体积情况下具有提高静力学转矩的优点。因此在不改变结构尺寸和相同的单极横向磁流电机布置情况下与上述已知的单极横向磁流电机相比提高中心转矩。
在本发明的一个有利实施形式中，使两个永久磁铁相互连接的导流部件由一个铁磁材料制成的空心圆柱体构成，它抗扭转地位于转子轴上并抗扭转地固定两个永久磁铁环。在此转子轴由不导磁的材料制成。
按照本发明的一个优选实施形式，所述导流部件直接由转子轴本身构成，在转子轴上固定两个永久磁铁环。通过去掉单独的导流部件减少结构部件费用，但是其中转子轴必需由铁磁材料制成。
按照本发明的一个有利实施形式，对于多分支的单极横向磁流电机的实施形式，即对于在铁磁转子轴上具有多个转子模块的实施形式，所述转子轴被分成在转子模块上延伸的轴段，在轴段之间设置由不导磁材料制成的实心板。由轴段和实心板得到一个扭转刚性的轴。通过这个隔磁实心板使各模块单元的转子模块或单极横向磁流电机的分支去掉磁耦联，使得不会产生相反的磁反作用。
在一个多分支的具有铁磁转子轴的单极横向磁流电机实施例中，如果按照本发明的一个可选择的实施形式转子模块之间的轴向间距大于转子模块的轴向宽度，则实现相同的功能。在此当转子模块之间的磁影响小到可以忽略时，则实现轴向间距的最佳化。
附图说明
下面借助于在附图中所示的实施例详细描述本发明。附图中：
图1以局部剖视的立体图示出一个双分支的、32极单极横向磁流电机，
图2以局部立体图示出相对图1作出修改的单极横向磁流电机，
图3以图1或2中的单极横向磁流电机与已知电机相比的转矩曲线图。
具体实施方式
在图1中以局部剖视立体图示出的单极横向磁流电机具有一个电机外壳10，在其上固定定子11，以及一个在定子11中旋转的转子12，该转子抗扭转地位于支承在电机外壳10里面的转子轴13上。所述转子12具有多个转子模块15而定子11具有相同数量的定子模块14。所述转子模块15在轴向上前后抗扭转地直接安置在转子轴13上，而定子模块14相互间在轴向上前后在对应的转子模块径向方向上固定在电机外壳10上。分别包括一个定子模块14和一个转子模块15的模块单元的数量通过所选择的单极横向磁流电机的分支来确定，在图1所示的实施例中为两个分支并因此具有两个模块单元。但是也可以是单分支、三分支或多分支地构成横流电机。所述定子模块14和转子模块15和由此构成的各模块单元在结构上是全等的，因此单极横向磁流电机具有一个模块化的结构形式并可以通过添加或减少模块单元毫无问题地适配于对功率和转矩所提出的要求。
如图1中立体图所示的那样，在双分支的单极横向磁流电机结构中两个模块单元的两个轴向相邻地位于转子轴13上的转子模块15相互对中地定位并且两个模块单元的两个在电机外壳10里轴向相邻设置的定子模块14在电流的相移上相互旋转90°，这对应于半个极距，即对于32极的电机实施例对应于在旋转方向上5.625°的空间错位角。也可以选择，两个定子模块14在轴向上相互对中地定位而位于转子轴13上的转子模块15在电流的相移上相互旋转上述的90°角。
如果单极横向磁流电机具有多于两个的分支，通常具有m个分支，m大于2，则相互间在轴向上设置在定子11上的定子模块14在电流的相移上相互错移一个360°/m的角度，即，对于一个具有三个模块的三分支电机在电流的相移上旋转120°。
每个转子模块15具有两个同轴的有齿的铁磁转子环16，17和一个永久磁铁元件18，该永久磁铁元件产生磁流，磁流在转子环16，17中反向地径向流动，如同在图2中通过箭头19，20所示的那样。所述永久磁铁元件18由两个永久磁铁环26，27和一个导流部件29所组成，永久磁铁环分别从外部被转子环16或17所包围，而导流部件使两个永久磁铁环26，27相互连接。所述导流部件29在图1的实施例中由一个由铁磁材料制成的转子轴13构成，在转子轴上轴向相互间隔地固定两个永久磁铁环26，27。每个永久磁铁环26，27径向磁化，其中磁化方向在两个永久磁铁环26，27中是反向的，如同在图2中两个永久磁铁环26，27的北极N和南极S所表示的那样。如果在转子轴13上具有多个转子模块15，即如图1所示的双分支单极横向磁流电机或多分支单极横向磁流电机，则各转子模块15通过设置在转子轴13上的由不导磁材料制成的实心板去耦联是有利的。在图1中在各支承转子模块15的转子轴13轴段之间使用一个这样的隔磁实心板30。也可以选择使位于一体转子轴13上的转子模块15之间的间距加大到可以忽略各分支相互间的磁影响。
每个转子环16，17在其背离转子轴13的外圆周上形成具有恒定齿距的齿，使得分别得到的齿列由相互分开的齿槽21构成的齿22相互间具有相同的转角间距。转子环17与转子环17上的齿22相互间在轴向对齐。具有在其上一体成形的齿的转子环16，17是层状的并且优选由相同的在轴向上相互顶靠的冲裁薄板组成。
以径向间距同心包围转子模块15的定子模块14具有一个与转子轴13同轴设置的环线圈23以及搭接环线圈23的U形定子磁轭24和位于环线圈23下面的接地部件25。同样层状的、由冲裁薄板组装成薄板叠摞的定子磁轭24和接地部件25通过对应于转子模块15上的齿距的磁轭或接地部件齿距固定在径向外壳10上，使得相互间具有相同的转角间距，与转子环16，17的齿22一样。所述定子磁轭24在这里这样设置，使一个轭腿与一个转子环16径向对中而另一轭腿与对应的转子模块15的另一转子环17径向对中，其中构成极面的轭腿的两个自由端面以径向缝隙间距位于转子环16，17对面。在本实施例中轭腿的端面具有与转子环16，17相同的轴向宽度。但是在转子环16，17上一个一端或两端轴向搭接的轭腿端面也是有利的。接地部件25在转子12的旋转方向上分别设置在两个定子磁轭24之间并且相对于定子磁轭24以半个磁轭或接地部件齿距或极距错开地设置。所述接地部件25平行于转子轴13一直在两个转子环16，17上延伸并以与定子磁轭24相比相同的径向缝隙间距竖立。
在按照图1的实施例中接地部件25例如C形地具有两个分别在径向上与转子环16，17对置的短腿和使短腿相互连接的横臂，它在面对转子轴13的圆形构成的环线圈23的内侧上平行于转子轴13延伸。为了节省材料或赢得缝隙空间也可以选择这样接地部件25的形状，例如矩形或梯形。通过接地部件25和定子磁轭24的这种结构圆形环线圈23穿过轭腿基体上的定子磁轭24并在其间在各接地部件25上穿过。接地部件25侧腿端面的轴向宽度在这里等于转子环16，17的轴向宽度。但是接地部件25的侧腿也可以在轴向上超出转子环16，17。
在图3中示例性地示出在180°电角度上的四个转矩曲线图。在此曲线a表示图1中的单极横向磁流电机的静力学转矩曲线，而曲线b表示与DE 100 39 466中所述的单极横向磁流电机一样的单极横向磁流电机的静力学转矩曲线，其中在相同的结构布置条件下，永久磁铁元件18不是由两个径向上反向磁化的永久磁铁环26，27构成而是由一个设置在转子环16，17之间的、在转子12轴向上磁化的永久磁铁环构成。明显看出，在这里所述的电机具有更大的中心转矩。
曲线c和d表示按照图1中的单极横向磁流电机(曲线c)和按照上述已知单极横向磁流电机(曲线d)的制动转矩曲线。在这里也可以看出制动转矩的加大。
对于在图2中仅局部示出的变化的32极单极横向磁流电机，两个永久磁铁环26，27不是直接安置在转子轴13上，而是相互间以相同的轴向间距抗扭转地安置在一个由铁磁材料制成的空心圆柱体28上，该圆柱体本身抗扭转地固定在转子轴13上。通过这种在两个径向反向的磁化永久磁铁环26，27之间构成永久磁铁元件18的导流部件29的空心圆柱体可以放弃转子轴13的导磁结构。对于多分支的单极横向磁流电机分别位于由不导磁材料制成的一体转子轴13上的转子模块15良好地去除磁耦联并可以紧密相邻地设置，以实现单极横向磁流电机的更小轴向结构深度。

Claims (13)

1.一种单极横向磁流电机，该电机具有一个围绕一个转子轴线旋转的转子(12)，它具有至少一个转子模块(15)，该转子模块由两个同轴的有齿的铁磁转子环(16，17)和一个用于在转子环(16，17)中产生反向径向流动磁流的永久磁铁元件(18)组成，该电机还具有一个与转子轴线同轴的定子(11)，它具有至少一个对应于转子模块(15)的定子模块(14)，该定子模块由一个与转子轴线同轴设置的环线圈(23)和搭接这个环线圈的U形定子磁轭(24)组成，其特征在于，仅在背离转子轴线的转子环(16，17)的外圆周上配有转子环(16，17)的齿，在定子模块(14)中这样设置定子磁轭(24)，使其轭腿分别位于转子环(16)对面并且与转子环之间具有径向缝隙间距，所述永久磁铁元件(18)由两个径向反向磁化的永久磁铁环(26，27)构成，它们分别被转子环(16，17)抗扭转地包围并安置在一个公共的导流部件(29)上。
2.如权利要求1所述的电机，其特征在于，在转子(12)旋转方向上相互衔接的定子磁轭(24)之间分别设置一个接地部件(25)，它在两个转子环(16，17)上轴向延伸并与转子环相对置并且与转子环之间具有径向缝隙间距。
3.如权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述转子环(16，17)的齿具有恒定的齿距，各轭腿固定在外壳上并且各轭腿之间的距离对应于所述齿距。
4.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述导流部件(29)由一个由铁磁材料制成的转子轴(13)构成，在转子轴上抗扭转地固定两个永久磁铁环(26，27)。
5.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述导流部件(29)由一个由铁磁材料制成的空心圆柱体(28)构成，该圆柱体抗扭转地固定两个永久磁铁环(26，27)并且圆柱体本身抗扭转地位于一个转子轴(13)上。
6.如权利要求4或5所述的电机，其特征在于，所述转子(12)具有两个相同的转子模块(15)而所述定子(11)具有两个相同的定子模块(14)，并且所述定子模块(14)在相互对应关系上轴向相邻地在一个外壳(10)里面和所述转子模块(15)在相互对应关系上轴向相邻地在转子轴(13)上分别这样固定，使定子模块(14)或者转子模块(15)在电流的相移上相互间旋转90°。
7.如权利要求4或5所述的电机，其特征在于，所述转子(12)具有m个转子模块(15)而定子(11)具有m个定子模块(14)，并且所述定子模块(14)在相互对应关系上轴向相邻地在一个外壳(10)里面和所述转子模块(15)在相互对应关系上轴向相邻地在转子轴(13)上分别这样固定，使定子模块(14)或转子模块(15)在电流的相移上相互间旋转360°/m，其中m是一个整数并大于2。
8.如权利要求4所述的电机，其特征在于，所述转子轴(13)被分成分别在转子模块(15)上延伸的轴段并且在轴段之间设置一个由不导磁材料制成的实心板(30)。
9.如权利要求4所述的电机，其特征在于，所述转子模块之间的轴向间距这样大，使得可以忽略转子模块(15)之间的磁影响。
10.如权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述接地部件(25)相对于定子磁轭(24)以一个极距的距离错开地设置。
11.如权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述定子磁轭(24)与转子环(16，17)之间的径向缝隙间距和接地部件(25)与转子环(16，17)之间的径向缝隙间距具有相同的尺寸。
12.如权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述定子磁轭(24)轭腿的所有自由端面具有至少与转子环(16，17)相同的轴向宽度。
13.如权利要求12所述的电机，其特征在于，所述定子磁轭(24)的轭腿在一端或两端超出转子环。
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