CN100502206C - 定子磁极铁心数量大于转子极靴数量的电动机/发电机 - Google Patents

定子磁极铁心数量大于转子极靴数量的电动机/发电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有轴向磁通的多极电动机/发电机或电机，其中所述电机的定子磁极铁心的数量大于转子极靴的数量。因此，提供了一种电动机/发电机或电机，其中所述电机包括固定到具有旋转轴线的轴的转子，其中所述转子包括用于产生磁场的磁体或装置以及数量设置成N的极靴。所述电机进一步包括第一定子，在所述转子与所述第一定子之间形成有空气间隙，其中所述第一定子包括数量设置成M的单独磁极铁心或极腿，所述磁极铁心或极腿缠绕和围绕有相应的单独线圈或绕组，其中N和M大于1且M大于N。N可以是一个等数，并且M可以等于2N，或者M可以等于3N，或者M可以等于4N。根据本发明的一个实施例，所述电机可以进一步包括第二定子，在所述转子与所述第二定子之间形成有空气间隙，其中所述第二定子包括数量设置成P的单独磁极铁心，所述磁极铁心缠绕或围绕有相应的单独线圈或绕组，其中P大于1。P可以大于N，并且P可以等于2N，或者P可以等于3N，或者P可以等于4N。因此，根据本发明的一个实施例，P可以等于M。

Description

定子磁极铁心数量大于转子极靴数量的电动机/发电机
技术领域
本发明涉及作为电动机或发电机的电机，具体地说，涉及定子磁极铁心数量大于转子极靴数量的同步电机。本发明进一步涉及具有轴向磁通的电机。所述电机可以作为电动机或发电机运行，并且以下将只称作发电机。
背景技术
发电机可以在许多不同的领域中使用。当发电机例如用在风轮机中时，就制定风轮机的尺寸而言，多个重要的经济参数中的一个参数是机壳的尺寸。因此，能够使风轮机的直径最小化具有重要的意义。为了使机壳最小化，必须最小化连接翼部和发电机的齿轮箱/大齿轮。这可以通过提供每次旋转具有相对较大作用的发电机来实现。
实现上述目的一种方法是使发电机具有尽可能小的径向宽度，因为发电机在风轮机的机壳中占据了相对较大的空间。
在风轮机中安装发电机时要考虑的另一个方面是发电机必须在低转数和高转数时都有效。
基于传统的径向磁通发电机(参见图1)的电机最为常用。在某些情况下，此类发电机的主要问题是，由于径向地构造的定子结构，对于给定的功率输出，直径相对较大。进一步的缺点是定子围绕/包围转子，从而增大了发电机的直径。
另一个缺点是在凹进部分7和凹进部分2自身之间，由材料的单独布置造成的空气间隙中的感应相对较低，因为只有材料7承载磁通，并且只覆盖面向间隙的自由空间的大约50％。
有许多类似种类的发电机，这些发电机在一个方面或另一个方面进行了最优化，但是它们都具有径向磁通，因此涉及同样的问题，即，与上述发电机相似，具有相对较大的直径。
WO 00/48247中提出了一种具有轴向磁通的电动机或发电机(参见图2)，其在此引入作为参考。这里，提供了一种电动机或发电机，其具有穿过一个或多个由电流绕组16围绕的磁极铁心15并沿轴向延伸的磁通路径。这允许高密度的磁通通过磁极铁心15，与例如可能需要较大定子直径以便引导较高的磁通的电机相比，结果是磁极铁心的材料消耗较低。通过使磁极铁心15布置成与转子10的轴平行，可以减小电动机或发电机的总体直径，从而提供对某些上述问题的解决方案。
对于WO 00/48247中描述的电动机或发电机，定子中布置的磁极铁心或极腿(pole leg)15的数量等于转子中布置的磁体的数量，并且根据图2中示出的实施例，所述电动机或发电机包括一个转子10和一个定子。转子10具有多个放置在磁体12之间的极靴13。定子包括多个磁极铁心或极腿15，其中极腿15的数量等于磁体12的数量，磁体12的数量又等于极靴13的数量。对于每个给定的磁极铁心15，有两个相邻的本地磁路。这些磁路中的两个磁路由第一和第二回路18a、18b图形地示出。可以看到，当极靴13面对极腿15时，磁通路径18a包括第一极腿、第一极靴、磁体、第二极靴以及第二极腿。
在图2中，磁通路径18a或18b中的磁通的密度相对较高，导致转子10与定子的极腿15之间较高的结果轴向磁力。当转子10旋转以使每个磁体12现在面向极腿15时，第三磁通路径将只包括一个极腿15、第一极靴、磁体以及第二极靴(图3中示出了这种情况)。第三磁通路径的磁通密度低于第一和第二磁通路径18a、18b的磁通密度，当与图2所示的转子位置相比时，导致转子10与极腿15之间较低的结果轴向磁力。因此，当转子10在使用期间旋转时，转子10与定子的极腿15之间的结果轴向力将在相对较高和相对较低的力之间变化。这种较高且不断变化的轴向力可能导致若干缺点，其中包括转子10及其轴向连接上的较高磨损。
根据WO 00/48247中描述的电动机或发电机的另一个实施例(具有轴向磁通并在图3中示出)，所述电动机或发电机包括一个转子301和两个布置在转子301的相对侧上的定子302、303。转子301具有极靴304、305以及位于每两个相继极靴之间的磁体306、307、308。极靴304、305横穿过转子301，由此在转子301的每一侧上提供有极靴。第一定子302具有面向转子301的极靴304、305的磁极铁心或极腿309、310，而第二定子303具有面向转子301的磁体306、307、308的磁极铁心或极腿311、312、313。这里，与第二定子303的极腿311、312、313相比，第一定子302的极腿309、310被移位。
对于图3的发电机，转子301和第一定子302的第一磁通路径314包括极腿309、310、极靴304、磁体307以及极靴305。但是，对应于磁通路径314，存在第二磁通路径315。该第二磁通路径315只包括一个极腿312、极靴304、磁体307以及极靴305。应当理解，因为定子302、303中的极腿的数量等于转子301中的磁体的数量，对于其余的定子极腿和转子极靴以及磁体，存在类似的相应磁通路径。
这里，磁通路径314中的磁通的密度远高于磁通路径315中的磁通的密度。因此，转子301与第一定子302之间的结果轴向磁力远高于转子301与第二定子303之间的反向的结果轴向磁力。然而，当转子301旋转以使极靴304、305现在分别面向第二定子303的极腿312、313，同时磁体307面向极腿310时，转子301与两个定子302、303之间的反向轴向磁力的大小发生改变，以使转子301与第一定子302之间的力低于转子301与第二定子303之间的力。
因此，当转子301在使用期间旋转时，在转子301上的最大轴向力很高，但是在旋转期间改变了方向。这种较高且不断变化的轴向力可能导致若干缺点，其中包括转子301及其轴向连接上的较高磨损。
因此，需要设计一种电动机或发电机，其具有轴向磁通，但是转子上的不断变化的轴向力只有相对较小的变化，从而减小转动部分的磨损。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供有一种电机，所述电机包括：
转子，所述转子固定到具有旋转轴线的轴，所述转子包括用于产生磁场的磁体或装置以及数量设置成N的极靴，
第一定子，在所述转子与所述第一定子之间形成有空气间隙，所述第一定子包括数量设置成M的单独的磁极铁心或极腿，所述磁极铁心或极腿缠绕和围绕有相应的单独的线圈或绕组，其中N和M大于1且M大于N。
优选地，所述用于产生磁场的转子磁体或装置被布置在所述极靴之间。根据本发明的一个优选实施例，所述用于产生磁场的转子磁体或装置与所述极靴交替。因此，所述转子极靴的数量N可以等于布置在所述转子中的所述用于产生磁场的磁体或装置的数量。
优选地，M等于A乘以N，M＝AN，其中A是大于1的整数。因此，优选地，M可以等于2N，或者M可以等于3N，或者M可以等于4N。
但是，本发明还覆盖了其中M不同于A乘以N的实施例。这里，根据本发明的一个实施例，M可以等于N加2乘以C，M＝N+2C，其中C是大于或等于1的整数。
根据本发明的一个优选实施例，本发明的所述电机可以进一步包括第二定子，所述第一定子和所述第二定子布置在所述转子的相对侧，在所述转子与所述第二定子之间形成有空气间隙，所述第二定子包括数量设置成P的单独的磁极铁心，所述磁极铁心缠绕和围绕有相应的单独的线圈或绕组，其中P大于1。
根据本发明的一个实施例，P可以小于或等于N。但是，优选地，P大于N，并且P可以等于B乘以N，其中B是大于1的整数。因此，优选地，P可以等于2N，或者P可以等于3N，或者P可以等于4N。同样，在一个优选实施例中，P等于M。
这里，本发明还覆盖了其中P不同于B乘以N的实施例，根据本发明的一个实施例，P可以等于N加2乘以D，P＝N+2D，其中D是大于或等于1的整数。
在本发明的一个优选实施例中，每个单独的磁极铁心都具有相应的单独的线圈或绕组。同样，在一个优选实施例中，所述转子的布置使得所述转子与所述旋转轴线基本上垂直。
根据本发明的诸实施例，相对于所述旋转轴线，所述磁极铁心或极腿可以具有不同的方向。但是，在一个优选实施例中，所述第一和/或第二定子的一个或多个所述磁极铁心或极腿被布置成与所述旋转轴线成某一角度，所述角度等于或大于0度且小于90度。这里，所述磁极铁心或极腿与所述旋转轴线之间的角度可以等于或小于45度，诸如等于或小于30度。优选地，一个或多个所述磁极铁心或极腿可以与所述旋转轴线基本上平行，同样，在一个优选实施例中，所有所述磁极铁心或极腿与所述旋转轴线基本上平行。当一个或多个所述磁极铁心或极腿与所述旋转轴线基本上平行时，则一个或多个绕组或线圈可以使其轴线与所述旋转轴线基本上平行。
对于本发明的所述电机，优选地，所述第一定子可以被布置成相对并面向所述转子的第一侧。对于本发明的具有两个定子的实施例，优选地，所述第二定子被布置成相对并面向所述转子的第二侧。
当布置所述用于产生磁场的磁体或装置以及所述磁极铁心或极腿时，优选地，将它们布置成使得定子的磁极铁心提供一个或多个磁通路径的一个或多个部分。这里，磁通路径可以包括穿过两个磁极铁心的磁通路径，所述两个磁极铁心之间具有零个、一个或两个磁极铁心，并且所述磁通路径可以进一步包括在所述两个磁极铁心与所述转子之间的两个空气间隙。优选地，磁通路径包括两个且仅包括两个相邻磁极铁心，并且所述磁通路径可以进一步包括两个且仅包括两个在所述两个相邻磁极铁心与所述转子之间的空气间隙。
对于本发明的所述电机，优选地，所述转子基本上为圆形。同样，优选地，所述第一和/或第二定子进一步包括连接到所述磁极铁心的导磁端板(end plate)，其中(多个)所述端板可以布置成基本上平行于和相对于所述转子。
优选地，所述用于产生磁场的磁体或装置成对布置，使相似极性的磁极彼此相对。当布置所述用于产生磁场的磁体或装置时，可以使用不同的布置。因此，所述用于产生磁场的磁体或装置可以在所述转子中径向且等距地放置。它们也可以放置在所述转子的所述第一侧，该第一侧面对所述第一定子的所述磁极铁心的端部。对于具有两个定子的实施例，所述用于产生磁场的磁体或装置可以放置在所述转子的所述第二侧，该第二侧面对所述第二定子的所述磁极铁心的端部。但是，优选地，所述用于产生磁场的磁体或装置放置在所述转子的外圆周上。
对于布置在定子中的所述磁极铁心或极腿，可以使用不同的外部尺寸。但是，根据本发明的一个实施例，优选地，磁极铁心或极腿的宽度基本上等于两个相继的磁极铁心或极腿之间的距离。同样，优选地，极靴的宽度基本上等于所述第一和/或第二定子的两个相继磁极铁心或极腿之间的距离的2倍。
应当理解，根据本发明，所述用于产生磁场的磁体或装置可以是永磁体或电磁铁。
当制造或形成本发明的所述电机的所述绕组或线圈时，优选地使用扁平集中线圈。当制造所述磁极铁心时，优选地使用导磁材料制造和装配所述磁极铁心，所述导磁材料可以是磁场定向的软磁叠片(Soft magneticlamination)。
优选地，根据本发明的诸实施例的所述电机的形式可以为同步单相电机。所述电机可以采取发电机的形式，可以通过所述轴为所述发电机提供机械力/功率，以便通过所述绕组产生电功率，或者所述电机可以采取电动机的形式，可以通过所述绕组从电源为所述电动机提供电力，以便通过所述轴产生机械力/功率。
应当理解，根据本发明的一个实施例的发电机可以非常适合在风轮机中使用。
本发明的进一步的目的是提供一种电机或发电机/电动机，其可以提供多相输出而不增大所述发电机的直径。根据上述诸实施例中的任意一个实施例，所述多个相可以通过串联地布置对应数量的单相电机来实现。
根据本发明的一个优选实施例，所述极腿或磁极铁心可以由基本上为U形的部件来形成。这里，所述U形部件可以被布置在所述定子中，使得一个极腿由两个U形部件的两个相邻腿来形成。优选地，所述U形极腿或磁极铁心由导磁材料制成，并且所述极腿被布置在由低磁导率材料制成的定子片上。
附图说明
下面将结合某些优选实施例并参考附图对本发明进行更全面的说明，这些附图是：
图1示出了具有径向磁通的现有技术发电机的一部分的截面图，
图2示出了具有轴向磁通且具有一个转子和一个定子的现有技术发电机的示意图，
图3示出了具有轴向磁通且具有一个转子和两个定子的现有技术发电机的透视图，
图4示出了图3的发电机的一部分的截面图，
图5a和5b示出了根据本发明的具有一个转子和一个定子的发电机/电动机的第一实施例的截面图，
图6示出了根据本发明的具有一个转子和两个定子的发电机/电动机的第二实施例的截面图，
图7示出了根据本发明的具有一个转子和一个定子的发电机/电动机的第三实施例的截面图，以及
图8示出了根据本发明的具有一个转子和两个定子的发电机/电动机的第四实施例的截面图。
具体实施方式
图1示出了根据现有技术的发电机的一部分的截面图。该图示出了定子1，其具有凹进部分2，同时线圈3以传统方式缠绕，即，从给定凹进部分到另一个凹进部分，具体取决于产生的电流的各相。还示出了转子4，同时磁体5在转子4的边界上间隔放置。转子4上的磁体5与定子1之间是空气间隙。
当转子4通过轴(未示出)相对于定子1运动时，磁体5便会经过线圈3，从而在这些线圈中感应出电流。
如果向线圈3提供电流，磁场将使转子4和所述轴运动，所述电机用作电动机。
根据现有技术的构造具有背景技术中已提到的缺点。
图2示出了具有轴向磁通且在WO 00/48247中进行了描述的现有技术发电机的实施例的示意图。该图示出了极轮(pole wheel)10，其用作转子并被固定到轴11。多个磁体12以这样的方式径向地放置：所述磁体使相似极性(N)的磁极彼此相对并且使相似极性(S)的磁极彼此相对。磁体12优选地为永磁体，但也可以是电磁铁或其他类似的材料。
多个极靴13(优选地由层叠的钢片或块状铁制成)置于磁体12之间，极靴13集中磁通并具有相对较小的剩磁，即，它们是良好的磁导体。极靴13和磁体12与轴11磁隔离。
与转子10间隔一段距离，提供有磁终端片(termination plate)/端盖17，同时以这样的方式将多个极腿/磁极铁心15固定到片17：在转子10与极靴13之间仅存在空气间隙14。片17与磁极铁心15用作定子15、17。优选地，片17为使用非磁场定向的层叠铁(使用齐长的铁卷绕成圆形)的圆形铁心。
片17起磁“短路”的作用，并在给定磁路中的相关磁极铁心15之间传导磁通。因此，在本实施例中，闭合的本地磁路包括：磁体12、极靴13、空气间隙14(其放大磁通)、磁极铁心15、磁终端片17、相邻的磁极铁心、相邻的空气间隙、相邻的极靴。
对于每个给定的磁极铁心15，存在两个相邻的本地磁路。这些磁路中的两个磁路由回路18a、18b图形地示出，并且已在背景技术中进行了讨论。
绕组16，例如线圈，优选地围绕每个极腿15。优选地，线圈16紧密缠绕在极腿15上。就绕组/线圈16中的感应而言，这种布置非常有效，因为在这种布置中，磁通在磁极铁心15中高度地集中/一致。绕组16优选地由扁平集中线圈(其具有较高的填充系数)形成。与图1中示出的发电机相反，通过使绕组16集中在磁极铁心15上，几乎所有线圈材料都受到影响，因为磁通流会影响几乎所有线圈材料(当然，将电流导离发电机的材料除外)。
当转子10相对于定子15、17运动时，给定磁极铁心15中的磁通将改变方向，因为在空气间隙14处的极性会改变(从N到S或相反)，从而在绕组16中感应出电流。如上所述，这种感应非常有效，因为磁通在由绕组16围绕的区域(即，磁极铁心15)内高度地集中/一致。
对于独立的发电机，轴11优选地可旋转地安装在片17中的轴承或类似装置(未示出)中，以便为轴11提供额外的支承，并稳定转子10相对于定子15、17的旋转。对于风轮机中使用的发电机，转子10优选地固定在风轮机的轴上，并且定子15、17优选地固定到支撑风轮机的轴的轴承。
在图2中，磁体12径向地布置，但是作为一种替代，可以以这样的方式将它们布置在转子10的侧面上：所述磁体使相似极性(N)的磁极彼此相对并且使相似极性(S)的磁极彼此相对，并且在这样的方式中，磁体12面向极腿15。同样，极靴13可以被放置在磁体12之间。
图3示出了现有技术电动机/发电机的透视图，其对应于WO 00/48247中所述的具有轴向磁通以及具有一个转子和两个定子的电动机/发电机的另一个实施例。所述电动机/发电机包括一个转子301和两个布置在转子301的相对侧上的定子302、303。转子301具有极靴304、305以及在每两个相继的极靴之间的磁体306、307、308。极靴304、305穿过转子301，由此在转子301的每一侧上提供有极靴。
第一定子302具有面向转子301的极靴304、305的磁极铁心或极腿309、310，而第二定子303具有面向转子301的磁体306、307、308的磁极铁心或极腿311、312、313。这里，与第二定子303的极腿311、312、313的位置相比，第一定子302的极腿309、310被移位。第一定子302的磁极铁心309、310被固定到第一磁终端片/端盖，而第二定子303的磁极铁心311、312、313被固定到第二磁终端片/端盖。每个终端片优选地为使用非磁场定向的层叠铁(使用齐长的铁卷绕成圆形)的圆形铁心。
与图2的极腿15类似，对于第一定子的极腿309、310和第二定子的极腿311、312、313，绕组(未示出)，例如线圈，围绕每个极腿。优选地，线圈紧密缠绕在极腿上。
图3的电动机/发电机的磁通路径314、315已在背景技术中进行了讨论。
应当理解，图3的电动机/发电机所使用的材料可以对应于图2的电动机/发电机所使用的材料。
图4中示出了图3的电动机/发电机的一部分的截面图，并且标号与图3的标号相同。图4给出了两个定子302、303的极腿309-313相对于转子301的极靴304、305和磁体306、307、308的更为详细的布置视图。还可看到，第一磁通路径314如何包括极腿309、310、极靴304、磁体307以及极靴305，第二磁通路径315如何包括极腿312、极靴304、磁体307以及极靴305。因为极腿312没有面向极靴304或305中的任何一个，磁通路径315的磁通密度远低于磁通路径314的磁通密度。
但是，根据本发明，通过使定子的磁极铁心的数量大于转子中布置的磁体或极靴的数量，可以减小上述现有技术电动机/发电机的较高且不断变化的结果轴向力。这在下面的图中示出，其中图5示出了根据本发明的具有一个转子501和一个定子502的发电机/电动机的第一实施例的截面图。
图5的电动机/发电机对应于图2的电动机/发电机的设计，并且可以具有相同的外部尺寸。图5的电动机/发电机具有转子501，转子501具有极靴503和在每两个相继极靴503之间的磁体504。所以，磁体504的数量等于极靴503的数量，该数量被设置成等于N。定子502包括数量为M的磁极铁心或极腿505，同时每个磁极铁心或极腿505都具有对应的线圈506，但是与图2的电动机/发电机相比，M是N的2倍，由此磁极铁心或极腿505的数量是转子501中布置的极靴503或磁体504的数量的2倍。定子的磁极铁心505被固定到磁终端片/端盖507并且转子501可以被固定到轴(未示出)。优选地，极靴503和磁体504与所述轴磁隔离。还优选地，磁体504是永磁体。
在一个优选实施例中，图5的电动机/发电机使用的材料对应于图2的电动机/发电机使用的材料。但是，对于图5的电动机/发电机，优选地，极靴503的宽度基本上等于磁体504的宽度，并且定子磁极铁心或极腿505的宽度可以仅为转子极靴503或转子磁体504的宽度的一半。
在图5a中，转子501处于这样的位置：每个极靴503和每个磁体直接面向极腿505。图中示出了磁通路径508，可以看到，路径508包括第一极腿505a，第一极靴503a、磁体504a、第二极靴503b以及第二极腿505b。还可以看到，第一与第二极腿505a、b之间的第三极腿505c并非磁通路径508的一部分。
当比较图5a的磁通路径508与图2的磁通路径18a时，面向转子502的两个极腿505a、505b的总面积小于图2中面向转子10并作为磁通路径18a的一部分的两个极腿15的总面积。因此，磁通路径508中的总磁通小于磁通路径18a中通过的总磁通，结果是图5a中的转子501与定子502之间的最大结果轴向力小于图2中的转子10与定子之间的最大结果轴向力。
但是，当图5的电机为发电机时，则由于极腿505a、505b中较低的磁通，所以线圈506a、506b产生的电输出小于从线圈16(围绕图2中的磁通路径18a的极腿)产生的输出。通过使线圈506a、506b中具有较高数量的绕组(当与图2中的线圈16的绕组相比时)，可以对此进行补偿。由于图5中的极腿505的周长小于图2中的极腿15的周长，对于相同的线圈材料(诸如铜)的消耗，图5中的线圈506比图2中的线圈16可以实现更大数量的绕组。
在图5b中，转子501已经转动(当与图5a相比时)并且处于这样的位置：每个极腿505直接面向极靴503与磁体504之间的通道。图中示出了磁通路径509，可以看到，磁通路径509包括极腿505d，极靴503c、磁体504b、另一个极靴503d以及另一个极腿505e。还可以看到，此位置中两个相邻的极腿505d、505e现在是磁通路径509的一部分。可以进一步看到，当忽略漏磁或杂散磁通的作用时，磁通路径508使用极腿505a和505b的一半，磁通路径509使用极腿505d和505e的一半。因此，图5b的磁通路径509中通过的总磁通基本上等于图5a的磁通路径508中通过的磁通。
在图5a中，有两个通过极腿505a和505b的磁通路径，但是没有使用极腿505c的磁通路径。因此，图5a中的一半极腿由两个磁通路径填充，而另一半极腿没有磁通路径。在图5b中，磁通路径通过每个极腿，但是磁通路径只占据每个极腿的一半。所以，图5a中的定子502与转子501之间的总磁通基本上等于图5b中的定子502与转子501之间的总磁通。因此，当旋转图5的电动机/发电机的转子501时，结果轴向力的变化将非常小，并且远小于图2的电动机/发电机的结果轴向力的变化。
图6示出了根据本发明的具有一个转子601和两个定子602a、602b的发电机/电动机的第二实施例的截面图。
图6的电动机/发电机对应于图3的电动机/发电机的设计，并且可以具有相同的外部尺寸。图6的电动机/发电机具有转子601，转子601具有极靴603和在每两个相继极靴603之间的磁体604。所以，磁体604的数量等于极靴603的数量，该数量被设置成等于N。第一定子602a和第二定子602b都包括数量为M的磁极铁心或极腿605a、605b，同时每个磁极铁心或极腿605a、605b都具有对应的线圈606a、606b，但是与图3的电动机/发电机相比，M是N的2倍，由此磁极铁心或极腿605a和605b的数量是转子601中布置的极靴603或磁体604的数量的2倍。同样，定子602a和602b的磁极铁心605a和605b被固定到对应的磁终端片/端盖607a、607b，转子601可以被固定到轴(未示出)。此外，优选地，极靴603和磁体604与所述轴磁隔离。还优选地，磁体604是永磁体。
在一个优选实施例中，图6的电动机/发电机使用的材料对应于图3的电动机/发电机使用的材料。但是，对于图6的电动机/发电机，优选地，极靴603的宽度基本上等于磁体604的宽度，并且定子磁极铁心或极腿605的宽度可以仅为转子极靴603或转子磁体604的宽度的一半。
在图6中，转子601处于这样的位置：每个极靴603和每个磁体604直接面向第一定子602a的极腿605a。图中示出了磁通路径608，可以看到，磁通路径608包括第一极腿605aa，第一极靴603a、磁体604a、第二极靴603b以及第二极腿605ab。还可以看到，所述第一和第二极腿之间的第三极腿605ac并非磁通路径608的一部分。对于第二定子的极腿605b，每个极腿605b直接面向极靴503与磁体504之间的通道。图中示出了磁通路径609，可以看到，磁通路径609包括极腿605ba，所述第一极靴603a、所述磁体604a、第二极靴603b以及另一个极腿605bb。
对于磁通路径608和609，上述结合图5a和5b给出的讨论是有效的，结果是对于转子601、定子602a和602b的所示位置，定子602a与转子601之间的总磁通基本上等于定子602b与转子601之间的总磁通。所以，转子601与第一定子602a之间的结果轴向力小于图3的转子301与第一定子302之间的结果轴向力，而转子601与第二定子602b之间的结果轴向力大于图3的转子301与第二定子303之间的结果轴向力。
因此，当旋转图6的电动机/发电机的转子601时，结果轴向力的变化将非常小，并且远小于图3的电动机/发电机的结果轴向力的变化。
上面结合图5讨论的线圈506的绕组数量对于图6的线圈606a和606b也有效。
本发明中还提供了一种发电机，其中定子磁极铁心的数量M是极靴数量N的4倍。这在图7中示出，图7示出了根据本发明的第三实施例的截面图。图7的电动机/发电机对应于图5的电动机/发电机的设计，并且可以具有相同的外部尺寸，但是图7中的M是N的4倍，而图5中的M是N的2倍。图7的电动机/发电机具有转子701，转子701具有极靴703以及在每两个相继极靴703之间的磁体704。同样在这里，磁体704的数量等于极靴703的数量，该数量被设置成等于N。定子702包括数量为M的磁极铁心或极腿705，同时每个磁极铁心或极腿705都具有对应的线圈706。定子的磁极铁心705可以被固定到磁终端片/端盖707，并且转子701可以被固定到轴(未示出)。优选地，极靴703和磁体704与所述轴磁隔离。还优选地，磁体704是永磁体。
在一个优选实施例中，图7的电动机/发电机使用的材料对应于图5的电动机/发电机使用的材料。因此，对于图7的电动机/发电机，极靴703的宽度优选地基本上等于磁体704的宽度，并且定子磁极铁心或极腿705的宽度可以仅为转子极靴703或转子磁体704的宽度的四分之一。
在图7中，转子701处于这样的位置：每个极靴703和每个磁体直接面向两个极腿705。图中示出了磁通路径708，可以看到，路径708包括第一极腿705a、第一极靴703a、磁体704a、第二极靴703b以及第二极腿705b。还可以看到，第一和第二极腿705a、b之间的两个极腿并非磁通路径708的一部分。
从图7可以看到，磁通路径708完全占据了极腿705a和705b，而同样面向极靴的相邻极腿被另一个磁通路径占据。对于面向磁体的极腿的其余一半，作为一种良好近似，没有磁通路径通过这些极腿。将图7的实施例与图5a的实施例进行比较时，对于相同的尺寸并且对于相同数量N的磁体704、504以及极靴703、503而言，转子701、501与定子702、502之间通过的总磁通将相同。
当旋转图7的转子701时，顺时针方向极腿705的宽度与图7中示出的情形相同，即，对于每个极靴703，两个极腿705将面向该极靴703，并且对于每个磁体704，两个极腿705将面向该磁体704。所以，面向一个极靴的总的极腿面积将与图7中示出的相同，结果是定子702与转子之间通过的总磁通将基本上与图7中示出的相同。因此，可以使用与结合图5给出的讨论相同的讨论，并且旋转图7的电动机/发电机的转子701时，产生的轴向力的变化将非常小。
图8示出了根据本发明的具有一个转子801以及两个定子802a和802b的第四实施例的截面图。图8的电动机/发电机对应于图6的电动机/发电机的设计，并且可以具有相同的外部尺寸。图8的电动机/发电机具有转子801，转子801具有极靴803和在每两个相继极靴803之间的磁体804。所以，磁体804的数量等于极靴803的数量，该数量被设置成等于N。第一定子802a和第二定子802b都包括数量为M的磁极铁心或极腿805a、805b，同时每个磁极铁心或极腿805a、805b都具有对应的线圈806a、806b，但是与图6的电动机/发电机相比，M是N的4倍，由此磁极铁心或极腿805a和805b的数量是布置在转子801中的极靴803或磁体804的数量的4倍。同样在这里，定子802a和802b的磁极铁心805a和805b可以被固定到相应的磁终端片/端盖807a、807b，并且转子801可以被固定到轴(未示出)。此外，优选地，极靴803和磁体804与所述轴磁隔离。还优选地，磁体804是永磁体。
在一个优选实施例中，图8的电动机/发电机使用的材料对应于图6的电动机/发电机使用的材料。但是，对于图8的电动机/发电机，极靴803的宽度优选地基本上等于磁体804的宽度，并且定子磁极铁心或极腿805的宽度可以仅为转子极靴803或转子磁体804的宽度的四分之一。
在图8中，转子801相对于定子802a和802b处于与图7的转子701和定子702的位置相似的位置。所以，转子801处于这样的位置：每个极靴803和每个磁体804直接面向每个定子802a、802b的两个极腿805a和805b。图中示出了两个磁通路径808和809，可以看到，每个磁通路径808和809包括两个极腿、两个极靴以及一个磁体。还可以看到，两个极腿(其布置在作为磁通路径808、809的一部分的两个极腿之间)并非磁通路径的一部分。
所以，在图8中，对于定子802a的极腿805a和定子802b的极腿805b，面向一个极靴的总的极腿面积将相同，结果是定子802a与转子801之间通过的总磁通将基本上与定子802b与转子801之间通过的总磁通相同。因此，可以使用与结合图5-7给出的讨论相同的讨论，并且旋转图8的电动机/发电机的转子801时，产生的轴向力的变化将非常小。
应当理解，对于本发明的电机，大多数情况下，定子可以包括相对较大数量的单独的磁极铁心或极腿(例如40个磁极铁心)以及相应数量的单独的或不连续的线圈或绕组。
如此大量的不连续和电隔离的(galvanic separated)线圈给出了形成非常多数量的电压和电流组合的机会。
几个实例：
一个定子的所有线圈可以串联布置以产生较高的电压；
一个定子的所有线圈可以并联布置以获得与一个线圈相同的电压，但获得更高的电流；
并联布置的一个、两个、三个或更多个线圈可以与并联布置的一个、两个、三个或更多个线圈串联布置，所有线圈均为同一定子的一部分。
虽然已参考特定实施例特别示出和说明了本发明，但本领域的技术人员将理解，可以在其中作出形式和细节上的各种更改，而不偏离本发明的精神和范围，并且此类更改进入下列权利要求的范围之内。

Claims (54)

1.一种轴向磁通电机，所述电机包括：
转子(501、601、701、801)，所述转子固定到具有旋转轴线的轴，所述转子包括用于产生磁场的磁体或装置(504、604、704、804)和数量设置成N的极靴(503、603、703、803)，以及
第一定子(502、602a、702、802a)，在所述转子与所述第一定子之间形成有空气间隙，
其特征在于
所述第一定子包括数量设置成M的单独的磁极铁心(505、605a、705、805a)，所述磁极铁心缠绕和围绕有相应的单独的线圈或绕组(506、606a、706、806a)，其中N和M大于1且M大于N。
2.根据权利要求1的轴向磁通电机，其中所述用于产生磁场的转子磁体或装置(504、604、704、804)被布置在所述极靴(503、603、703、803)之间。
3.根据权利要求1或2的轴向磁通电机，其中所述用于产生磁场的转子磁体或装置(504、604、704、804)与所述极靴(503、603、703、803)交替。
4.根据权利要求1的轴向磁通电机，其中M等于A乘以N，其中A是大于1的整数。
5.根据权利要求4的轴向磁通电机，其中M等于2N。
6.根据权利要求4的轴向磁通电机，其中M等于3N。
7.根据权利要求4的轴向磁通电机，其中M等于4N。
8.根据权利要求1的轴向磁通电机，其中M等于N加2乘以C，M＝N+2C，其中C是大于或等于1的整数。
9.根据权利要求1的轴向磁通电机，所述电机进一步包括第二定子(602b、802b)，所述第一定子和所述第二定子布置在所述转子的相对侧，在所述转子(501、601、701、801)与所述第二定子之间形成有空气间隙，所述第二定子包括数量设置成P的单独的磁极铁心(605b、805b)，所述磁极铁心缠绕和围绕有相应的单独的线圈或绕组(606b、806b)，其中P大于1。
10.根据权利要求9的轴向磁通电机，其中P小于或等于N。
11.根据权利要求9的轴向磁通电机，其中P大于N。
12.根据权利要求11的轴向磁通电机，其中P等于B乘以N，其中B是大于1的整数。
13.根据权利要求12的轴向磁通电机，其中P等于2N。
14.根据权利要求12的轴向磁通电机，其中P等于3N。
15.根据权利要求12的轴向磁通电机，其中P等于4N。
16.根据权利要求9的轴向磁通电机，其中P等于M。
17.根据权利要求9的轴向磁通电机，其中P等于N加2乘以D，P＝N+2D，其中D是大于或等于1的整数。
18.根据权利要求9的轴向磁通电机，其中所述第一和/或第二定子(502、602a、602b、702、802a、802b)的一个或多个所述磁极铁心(405、505、605a、605b、705、805a、805b)被布置成与所述旋转轴线成某一角度，所述角度等于或大于0度且小于90度。
19.根据权利要求1或9的轴向磁通电机，其中每个单独的磁极铁心(505、605a、605b、705、805a、805b)都具有相应的单独的线圈或绕组(506、606a、606b、706、806a、806b)。
20.根据权利要求1或9的轴向磁通电机，其中所述转子(501、601、701、801)的布置使得所述转子基本上与所述旋转轴线垂直。
21.根据权利要求18的轴向磁通电机，其中所述磁极铁心与所述旋转轴线之间的角度等于或小于45度。
22.根据权利要求21的轴向磁通电机，其中所述磁极铁心(405、505、605a、605b、705、805a、805b)与所述旋转轴线之间的角度等于或小于30度。
23.根据权利要求18的轴向磁通电机，其中一个或多个所述磁极铁心(405、505、605a、605b、705、805a、805b)基本上与所述旋转轴线平行。
24.根据权利要求23的轴向磁通电机，其中所有所述磁极铁心(405、505、605a、605b、705、805a、805b)基本上与所述旋转轴线平行。
25.根据权利要求23的轴向磁通电机，其中一个或多个绕组或线圈(506、606a、606b、706、806a、806b)使其轴线基本上与所述旋转轴线平行。
26.根据权利要求9的轴向磁通电机，其中所述第一定子(502、602a、702、802a)被布置成相对并面向所述转子(501、601、701、801)的第一侧。
27.根据权利要求26的轴向磁通电机，其中所述第二定子(602b、802b)被布置成相对并面向所述转子(501、601、701、801)的第二侧。
28.根据权利要求9的轴向磁通电机，其中定子(502、602a、602b、702、802a、802b)的所述磁极铁心(405、505、605a、605b、705、805a、805b)提供一个或多个磁通路径的一个或多个部分。
29.根据权利要求28的轴向磁通电机，其中磁通路径包括穿过两个磁极铁心(405、505、605a、605b、705、805a、805b)的磁通路径，所述两个磁极铁心之间具有零个、一个或两个磁极铁心。
30.根据权利要求29的轴向磁通电机，其中所述磁通路径进一步包括在所述两个磁极铁心与所述转子之间的两个空气间隙。
31.根据权利要求29或30的轴向磁通电机，其中磁通路径包括两个且仅包括两个相邻磁极铁心(405、505、605a、605b、705、805a、805b)。
32.根据权利要求31的轴向磁通电机，其中所述磁通路径进一步包括两个且仅包括两个在所述两个相邻磁极铁心与所述转子之间的空气间隙。
33.根据权利要求1的轴向磁通电机，其中所述转子(501、601、701、801)基本上为圆形。
34.根据权利要求9的轴向磁通电机，其中所述第一和/或第二定子(502、602a、602b、702、802a、802b)进一步包括连接到所述磁极铁心(405、505、605a、605b、705、805a、805b)的导磁端板(507、607a、607b、707、807a、807b)。
35.根据权利要求34的轴向磁通电机，其中一个或多个所述端板(507、607a、607b、707、807a、807b)布置成与所述转子基本上平行和相对。
36.根据权利要求1的轴向磁通电机，其中所述用于产生磁场的磁体或装置(504、604、704、804)成对布置，使相似极性的磁极彼此相对。
37.根据权利要求1的轴向磁通电机，其中所述用于产生磁场的磁体或装置(504、604、704、804)在所述转子(501、601、701、801)中径向且等距地放置。
38.根据权利要求26的轴向磁通电机，其中所述用于产生磁场的磁体或装置(504、604、704、804)放置在所述转子(501、601、701、801)的所述第一侧，该第一侧面对所述第一定子(502、602a、702、802a)的所述磁极铁心的端部。
39.根据权利要求27的轴向磁通电机，其中所述用于产生磁场的磁体或装置(604、804)放置在所述转子的所述第二侧，该第二侧面对所述第二定子(602b、802b)的所述磁极铁心(605b、805b)的端部。
40.根据权利要求1的轴向磁通电机，其中所述用于产生磁场的磁体或装置(504、604、704、804)放置在所述转子(501、601、701、801)的外圆周上。
41.根据权利要求1的轴向磁通电机，其中磁极铁心(505、605a、605b、705、805a、805b)的宽度基本上等于两个相继磁极铁心之间的距离。
42.根据权利要求9的轴向磁通电机，其中极靴(503、603、703、803)的宽度基本上等于所述第一和/或第二定子(502、602a、602b、702、802b)的两个相继磁极铁心之间的距离的2倍。
43.根据权利要求1或9的轴向磁通电机，其中所述电机是同步单相电机。
44.根据权利要求1或9的轴向磁通电机，其中所述磁体是永磁体。
45.根据权利要求1或9的轴向磁通电机，其中所述用于产生磁场的装置是电磁铁。
46.根据权利要求1或9的轴向磁通电机，其中绕组或线圈由扁平集中线圈形成。
47.根据权利要求1或9的轴向磁通电机，其中所述磁极铁心(505、605a、605b、705、805a、805b)由导磁材料装配而成。
48.根据权利要求47的轴向磁通电机，其中所述导磁材料是磁场定向的软磁叠片。
49.根据权利要求1或9的轴向磁通电机，其中所述电机是发电机，可以通过所述轴为所述发电机提供机械力/功率以便通过所述绕组产生电功率。
50.根据权利要求1或9的轴向磁通电机，其中所述电机是电动机，可以通过所述绕组从电源为所述电动机提供电力以便通过所述轴产生机械力/功率。
51.根据权利要求49的轴向磁通电机，其中所述电机用在风轮机中。
52.根据权利要求1或9的轴向磁通电机，其中极腿或磁极铁心(505、605a、605b、605aa、605ab、705、805a、805b)由U形部件形成，所述部件被布置在所述定子中，使得一个极腿由两个U形部件的两个相邻极腿来形成。
53.根据权利要求52的轴向磁通电机，其中所述极腿或磁极铁心(505、605a、605b、605aa、605ab、705、805a、805b)由导磁材料制成，并且其中所述极腿被布置在由低磁导率材料制成的定子片上。
54.一种多相电机，其中多个相通过串联地布置相应数量的根据权利要求43的同步单相电机来得到。
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