CN101253669B - 电机组件 - Google Patents

Abstract

根据本发明，一种旋转电机可包括基本为圆形并包括多个齿的第一定子铁心部分、基本为圆形并包括多个齿的第二定子铁心部分、设置在所述第一和第二圆形定子铁心部分之间的线圈、以及包括多个永磁体的转子。第一定子铁心部分、第二定子铁心部分、线圈和转子环绕共同的几何轴线，第一定子铁心部分和第二定子铁心部分的多个齿设置成朝向转子突出。此外，第二定子铁心部分的齿相对于第一定子铁心部分的齿沿周向错位，并且转子中的永磁体沿周向通过软磁性材料制成的沿轴向延伸的磁极部分相互分隔。

Description

电机组件

技术领域

本发明总体涉及一种旋转机械。更具体地，本发明涉及一种旋转电机，其包括包含多个齿且基本为圆形的第一定子铁心部分、包含多个齿且基本为圆形的第二定子铁心部分、设置在第一和第二定子铁心部分之间的线圈、以及包含多个永磁体的转子。此外，第一定子铁心部分、第二定子铁心部分、线圈和转子环绕共同的几何轴线，第一定子铁心部分和第二定子铁心部分的多个齿设置成朝向转子突出。

背景技术

近年来，由调制极电机、爪极电机、伦德尔式(Lundell)电机和横向磁通电机(TFM)逐步发展起来的电机的设计越来越引起人们的兴趣。早在大约1910年，Alexandersson和Fessenden就公开了使用这些机械原理的电机。

人们兴趣增长的一个最重要的原因在于，相对于例如感应式电机、交换磁阻电机甚至永磁体无刷电机，这种设计使得转矩输出非常高。另外，这种电机的优点在于线圈通常易于制造。但是，这种设计的一个不足在于它们的制造通常较为昂贵，并且其磁通量泄漏很高，这降低了电机的性能和效率。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供一种性能改进的旋转电机。

通过根据权利要求1所述的旋转电机和根据权利要求12所述的旋转电机实现本发明的目的。本发明的实施例在从属权利要求中进行公开。

特别地，根据本发明的一方面，旋转电机包括：基本为圆形且包括多个齿的第一定子铁心部分、基本为圆形且包括多个齿的第二定子铁心部分、设置在所述第一和第二圆形定子铁心部分之间的线圈以及包括多个永磁体的转子。第一定子铁心部分、第二定子铁心部分、线圈和转子环绕共同的几何轴线，并且第一定子铁心部分和第二定子铁心部分的多个齿设置成朝向转子突出。此外，第二定子铁心部分的齿相对于第一定子铁心部分的齿沿周向错位，并且转子中的永磁体沿周向通过软磁性材料制成的沿轴向延伸的磁极部分彼此分隔。

这种设置的一个优点在于可更有效地使用来自永磁体和线圈的磁通量。例如，可使磁通泄漏路径的数量最小，并且，与已知的调制极电机相比，可更大程度地利用来自永磁体的磁通量。相对于其他电机而言，上述电机可产生更大转矩。另一优点在于，每个磁极都可得到线圈的全部磁动势(MMF)，在给定尺寸和/或成本时将造成高的电负载和高的输出。

根据本发明的另一方面，旋转电机包括多个相位部分，每个相位部分包括上述电机的特征。

除上述优点外，其优点还在于，可使这种电机提供基本恒定的转矩，这在某些应用中是有利的。

在一实施例中，磁极部分由软磁粉制成。用软磁粉制造磁极部分可简化转子的制造，并且利用有效的三维磁通路径的优点，可更有效地使磁通量集中。

在另一实施例中，在两定子铁心部分之间设置磁通桥，所述磁通桥是与第一和第二圆形定子铁心部分同轴设置的定子磁轭部分。通过设置这种定子铁心部分，可使定子组件的部件的制造过程和定子组件的组装过程更方便、更成本有效。

从下面的详细说明中将可以显见本发明的其它应用范围。但是，应理解到，所述详细说明和具体示例尽管表明了本发明的优选实施例，却仅以示例说明的方式给出，因为本领域的技术人员从下面的详细说明中将可以显见在本发明的实质和范围内的各种变化和改变。

附图说明

从下面参照附图对本发明的优选实施例的详细说明中将可以显见本发明的其它特征和优点，在附图中：

图1是根据本发明一方面的一个实施例的径向旋转电机的示意性的分解透视图；

图2是图1中旋转电机的示意性透视图；

图3是图2中旋转电机的断面视图；

图4是图1-3中旋转电机的定子铁心部分的示意图；

图5是图1-3中旋转电机的转子的示意性透视图；

图6是图1-3中旋转电机沿轴向的示意性平面图，该视图还示意性地示出了磁通路径；

图7是根据本发明一方面的一个实施例的轴向旋转电机的示意性的分解透视图；

图8是图7中旋转电机的示意性透视图；

图9是图7中旋转电机的定子组件的示意性透视图；

图10是图7中旋转电机的转子的示意性透视图；

图11是根据本发明第二方面的一个实施例的三相旋转电机的示意性透视图；

图12是图11的三相旋转电机的断面透视图；

图13是图11中三相旋转电机各相位的第一定子铁心部分的示意图，该图描述了不同相位之间可能的空间差异；

图14是根据本发明的一个实施例的两相轴向旋转电机的示意性的分解透视图；

图15是图14中的两相旋转电机的示意性透视图；

图16是根据本发明的一个实施例的三相旋转电机的示意性的分解透视图；

图17是图16中的三相旋转电机的示意性透视图；

图18是根据本发明的一个实施例的旋转电机的示意性透视图，

图19是图18的旋转电机的定子部分的示意性透视图。

具体实施方式

图1-3示出根据本发明的旋转电机的一个实施例。该实施例包括定子组件10和转子12。

所述定子组件包括第一定子铁心部分14、第二定子铁心部分16、定子磁轭部分18和线圈20。

所述转子包括永磁体22和磁极部分24。

定子的定子磁轭部分18设置用于在第一定子铁心部分14和第二定子铁心部分16之间提供磁通路径，因此用作“磁通桥”。定子磁轭部分18所用的材料可以是软磁粉，以方便定子的组装，并在两定子铁心部分14、16之间提供较低的磁阻变换。

在图4中示出在图1-3的实施例中所用的定子铁心部分14、16的实施例。该图仅示出一个定子铁心部分。但是，根据一实施例，所述两个定子铁心部分14、16基本相同。每个定子铁心部分的形状基本上都是圆形的并包括多个沿径向延伸的齿26。齿26设置成朝向转子12延伸，以与转子12形成闭合的磁通环路。在图4中，所述齿示出为朝向内部的转子向内延伸。但是，在一未示出的实施例中，可将转子设置成位于定子铁心部分14、16外部，并从而将所述齿设置成沿径向向外延伸。

在图1和图4所示的实施例中，定子铁心部分14、16是叠片式的，即，由通过薄的电绝缘体进行分隔的叠置的软磁性材料薄板制成。叠压定子铁心的一般技术对本领域的技术人员而言是公知的。根据一实施例，叠片式定子铁心部分14、16可由软磁性材料的条片或细长薄片制成，并例如通过冲压去除齿间区域中的材料而在其中形成齿。然后，将每个成形薄片或多个成形薄片沿与平面平行的方向弯曲成圆形。H

gans AB的WO2004/093291A1中描述了一种相应的轴向通量电机的制造方法。该叠片式铁心背面部分与WO2004/093291A1的铁心背面部分的区别在于，与WO2004/093291A1的薄片不同——该薄片包含各自设置用于接纳单独制造的齿的开口，本铁心背面部分的薄片同时形成铁心背面部分的齿。这样制造铁心背面部分使得废料更少，从而使软磁性材料的使用更有效。

在图5中示出图1-3的实施例中所用的转子12的实施例。转子12包括由软磁性材料制成的永磁体部分22和磁极部分24。磁极部分24设置在永磁体22之间，从而使永磁体22彼此分开。

在图5所示的实施例中，永磁体22和磁极部分24沿转子的轴向方向延伸基本相同的距离。

永磁体设置成使永磁体的磁化方向基本沿周向，即，北磁极和南磁极分别朝向基本沿圆周的方向。

另外，沿周向数每隔一个永磁体22设置成其磁化方向与其它永磁体的(磁化)方向相反。因此，一永磁体22的北磁极N将与一相邻的永磁体22的北磁极N相对。同样，一永磁体22的南磁极S将与相邻的永磁体22的南磁极S相对。

转子12的这种设计的优点在于使来自永磁体22的磁通量集中，从而使转子12的与定子10的齿26相对的表面具有从两个相邻的永磁体22到相对的齿26的表面的总磁通量。磁通量集中度可视作永磁体22的与各磁极部分24相对的面积用与齿相对的面积来除的函数。每个磁极部分24的这些磁通量集中的特性使得可能用(磁性)弱的廉价永磁体作为转子中的永磁体22，并能实现极高的空隙磁通密度。由软磁粉制成磁极部分有助于磁通量集中，从而能够实现有效的三维磁通路径。另外，这种设计也使得比相应类型的电机能更有效地使用磁体。此外，这种设计的另一优点在于，不管转子位置如何，磁体都具有基本相同的磁阻，从而减轻了脉动磁通量的问题。

根据上述实施例，参见图1和图6，第一和第二定子铁心部分14、16相对于彼此轴向错位，并围绕共同的轴线设置。线圈20设置在两定子铁心部分14、16之间。这样设置线圈的好处在于，每个磁极都能具有全部磁动势(MMF)，从而在给定尺寸和/或成本时具有高的电负载和高的输出。定子磁轭部分18与两定子部分14、16设置成同心。定子磁轭部分18沿轴的长度基本等于两定子铁心部分14、16与线圈20的组件的长度，以设置成两定子铁心部分14、16之间的磁通桥。通过由软磁粉制成定子磁轭部分18，与由叠片制成定子磁轭部分的实施例相比，提高了从定子铁心部分14、16到定子磁轭部分18的三维磁通路径的效率。

另外，两定子铁心部分之一相对于另一定子铁心部分转动错位。这种错位使得一定子铁心部分的齿26定位成位于与另一定子铁心部分的齿的周向位置不同的周向位置上。这在图6中示出，由此可见，第一定子铁心部分14位于线圈2的前方，而第二定子铁心部分16位于线圈后方。第二定子铁心部分16的隐藏部分用虚线表示。在图6所示的实施例中，定子铁心部分14、16之一的每个齿都沿周向定位在另一定子部分的两齿间间隔的中间。

定子组件10的上述设置的优点在于易于组装，且部件易于制造。

然后，将转子12设置在未示出的轴50上，并定位成位于定子组件10中央，或者，如果所述转子是外转子类型的，则定位成围绕定子组件。

使一定子铁心部分的齿相对于另一定子铁心部分的齿错位有利于有效使用上述转子设计，并使转子设计最有效。下面参照图6说明系统的磁通路径，从永磁体22开始：

I)磁通路径起初沿周向从永磁体22出来进入相邻的磁极部分24，在该处出发生磁通量集中；在磁极部分24中，磁通路径可沿周向并部分地沿轴向，以使来自永磁体22的相对区域的磁通量集中到第一定子铁心部分14的齿26的位置，

II)然后，磁通路径变成沿径向方向从磁极部分24中出来，穿过空隙28，通过第一定子铁心部分14的齿，并沿径向和部分沿周向进入磁通桥(这里指定子磁轭部分18)，

III)然后，磁通路径变成沿轴向和周向方向，通过磁通桥，朝向第二定子铁心部分16的相邻的齿，

IV)然后，磁通路径变成沿径向方向，通过第二定子铁心部分16的齿，穿过该齿与转子之间的空隙28，并进入位于永磁体22另一侧的磁极部分24，

V)然后，磁通路径变成沿周向方向，并返回永磁体22。

可描述和绘制出每个永磁体的相应路径，但是，为便于理解，这里仅示出了一个。

根据本发明的一实施例，一定子铁心部分14的齿26与另一定子铁心部分16的齿26通过沿周向延伸的间隔沿轴向分隔。所述间隔沿周向延伸，且不被第一定子铁心部分14的沿轴向延伸进入第二定子铁心部分16的齿26间空间内的齿26中断。换句话说，所述间隔是一完整的环。

设置在两个定子铁心部分14、16之间的线圈20可被供给不同的操作电压，如正弦波或矩形波。

根据本发明的另一方面，根据图1-6所述的径向旋转电机的总体设计可用于轴向旋转电机中。轴向旋转电机的一般特性和优点与径向旋转电机相同。但是，轴向旋转电机可具备将在下文中说明的其它优点。

在图7-10中示出根据本发明一方面和实施例的轴向旋转电机及其部件。所述轴向旋转电机与径向旋转电机一样包括定子组件60和转子62。径向旋转电机与该轴向旋转电机的主要区别在于，轴向旋转电机的第一和第二定子铁心部分64、66包括沿轴向突出的齿76。另外，第一定子铁心部分64环绕第二定子铁心部分66，两者均设置在基本相同的轴向位置上，从图8和图9中可清楚地看出。在第一和第二定子铁心部分64、66之间设置与径向旋转电机的线圈基本相同的线圈70，即，该线圈围绕第二定子铁心部分66的周界并被第一定子铁心部分64包围。第一和第二定子铁心部分64、66均从轴向方向且在不面向转子62的一端设置磁通桥或定子磁轭部分68。

从图7和图9中可清楚地看出，第一定子铁心部分64和第二定子铁心部分66的径向宽度可不同。定子铁心部分64、66具有不同的径向宽度，以使穿过这些磁通路径的磁通量所经过的断面区域的面积基本相同，从而使定子组件60的磁通路径最优。因此，与第二定子铁心部分的齿相比，第一定子铁心部分64的齿在周向方向上较长，而在径向方向上较短。

与径向旋转电机一样，第二定子铁心部分66的齿76相对于第一定子铁心部分64的齿76沿周向错位，参见图9。因此，当第一定子铁心部分64的齿76与转子62的某一磁极部分74相对时，第二定子铁心部分66的齿76均不与同一磁极部分74相对。

定子组件60的材料和组成的选择可与结合径向旋转电机所述的任何实施例中的相同。但是，定子铁心部分64、66的叠压方向的不同之处在于，层叠的薄片沿轴向延伸。因此，定子铁心部分64、66可由细长薄片制成，其沿与薄片平面的法向相同的方向弯曲成环形或螺旋形，并组装成环形的定子铁心部分。

转子62也包括永磁体72和磁极部分74，并与径向旋转电机的转子的设置方式类似，参见图5和图10。因此，永磁体的磁极沿周向引导。转子所用的材料可与径向旋转电机的实施例中所述的材料相同。

本实施例的转子62设置成穿过和接收磁通量，所述磁通量从两个沿轴向引导的表面中与定子铁心部分64、66的齿相对的一个表面经由空隙78到达定子铁心部分64、66的齿，以及从定子铁心部分64、66的齿经由空隙78到达两个沿轴向引导的表面中与定子铁心部分64、66的齿相对的一个表面，参见图1、8和10。这样，轴向旋转电机的转子62设置成沿轴向分配和接收磁通量，而径向旋转电机的转子12设置成沿径向分配和接收磁通量。这将造成轴向旋转电机的转子62在径向方向上比径向旋转电机的宽，以提供足够的与齿相对的相互作用区域。但是，这可能会使转子62沿轴向方向(尺寸)较小，从而得到扁平的电动机设计。因此，甚至可能使这种电动机需要较小的轴向空间，从而使其可被装配在汽车车轮中。

根据本发明的一个实施例，一定子铁心部分64的齿76与另一定子铁心部分66的齿76通过沿周向延伸的间隔沿径向分隔。所述间隔沿周向延伸，并不被第一定子铁心部分64的沿轴向延伸进入第二定子铁心部分66的齿76间空间内的齿76中断。换句话说，所述间隔是一完整的环。

任一径向或轴向旋转电机的定子铁心部分的其它实施例也是可能的，而且在某些情况下很有利。例如，定子铁心部分14、16；64、66中的每一个都可由软磁粉制成。如果定子铁心部分用软磁粉制成，则可去除定子磁轭部分18；68，而在定子铁心部分14、16；64、66中并入磁通量桥接功能。这可通过使定子铁心部分14、16；64、66形成为在每个定子铁心部分14、16；64、66中都包括沿周向且基本连续设置的突起来实现。所述突起设置成朝向另一定子铁心部分14、16；64、66突出。这种设计的有利之处在于，使得定子组件的组装过程更方便。

但是，在某些应用中，由叠片制成定子铁心部分14、16；64、66和用软磁粉制成定子磁轭部分18；68是有利的。这样做的一个优点在于，在当前情形下，在二维磁通路径中，叠片比软磁粉具有更好的透过性，而对于需要三维磁通路径的部件而言，软磁粉具有更好的特性。因此，叠片和软磁粉两种材料的组合使得可以提供有效的磁通路径。这样，由此制得的电机将具有增大的动力密度——即所产生的力与电动机的空间体积的比率。此外，在结合有上述两种材料的电机中，电阻损失将减少，这是因为产生预期转矩所需的电流较小。通过在定子铁心部分14、16；64、66中使用叠片，将获得能够比软磁粉结构经受更大扭转力的结构。

通过设置在由软磁粉制成的两磁通连接部之间的叠压部形成定子磁轭部分18；68，可进一步提高电机的效率。各磁通连接部可设置在各定子铁心部分上，以利用三维磁通传导特性将磁通量耦合到叠压部上。

根据本发明的又一实施例，整个磁轭部分18、68都由叠片制成。所述叠片设置成使得叠压的薄片沿径向和轴向延伸，即垂直于薄片平面、沿大致周向的方向延伸。所述叠压的薄片可以是楔形的，或者可在薄片之间设有狭槽。

根据一实施例，根据所用软磁性材料的不同，软磁粉元件或部件可压制或烧结成预期的形状。制成的元件或部件应具有至少为1μΩm的电阻。另外，根据另一实施例，定子部件的密度可至少为6500kg/m³。可用于通过压制制作定子部件的软磁粉的一些示例包括瑞典H

gan

s AB、S-263 83H

gan

s的Somaloy 500、Somaloy 550和Permite75。

根据本发明的又一实施例，在定子铁心部分14、16的多个齿26中设置有狭槽30，参见图18、19。狭槽30设置成在所述多个齿26的每一个中沿轴向和径向延伸。通过设置这种狭槽30，减少了从永磁体到齿的不期望表面的泄漏。所述不期望表面可以是从定子铁心部分的背部延伸到齿顶的表面，即不是与转子相对的表面。

图1-3和6-8所示的均为在某些应用中非常有用的单相电机。这种电机会以(1+cos2ωt)的形式产生单向、脉动的转矩。通过使两台或多台单相电机相组合，并通过恰当的空间和时间相位角进行分隔，所得到的电机将能产生基本恒定的转矩。可被组合的相位的数目仅由实践因素限定。

在图11-12中示出根据本发明的多相径向电机的示例，此处是三相电机。附图标记与单相径向电机的附图标记相对应，区别在于，′代表第一相的特征，″代表第二相的特征，代表第三相的特征。在这些图中示出有转子安装其上的轴50。每个相位部分、即上文所述的单相电机示出为包括一属于自身的转子，即，每个相位部分完全对应于上文所述的单相电机。但是，单个转子可设置成与所有的三个相位部分相互作用，即，前面结合径向单相电机所述的转子沿轴向延伸，以与所有的三个相位部分相互作用。此外，尽管这些图仅示出由径向电机得到的变型，但是，各径向相位部分可替换成轴向相位部分。

在图13中示出相间空间分隔的示例。在该图中示出各相位的第一定子铁心部分14′、14″、14

。该示例中的空间分隔涉及一个相位的定子铁心部分的齿相对于另一相位的定子铁心部分的齿沿周向错位。

在图14-15中示出了使用轴向相位部分、即参照图7-10所述的轴向电机的两相电机的实施例。附图标记与单相轴向电机的附图标记相对应，区别在于，′代表第一相的特征，″代表第二相的特征。在本实施例中，定子组件60′和60″设置成使它们的齿76′、76″与另一定子组件相对。两定子组件60′和60″设置成共用同一转子62。该实施例的优点在于其非常紧凑——至少沿轴向非常紧凑，包括较少部件，即易于组装，并仍然具有前面所述的优点。

在图16-17中示出了根据本发明的三相电机的另一实施例。该实施例包括两个轴向相位部分和一个径向相位部分以及一个转子，该转子设置成使磁通量能够同时沿轴向和径向发送和接收到根据本发明的定子组件。在这些图中，附图标记与单相轴向电机和单相径向电机的附图标记相对应，区别在于，′代表第一轴向相位部分的特征，″代表第二轴向相位部分的特征。通过这样设计电机，将能制造出易于组装并仍然具有根据本发明的旋转电机的有利特性的非常紧凑的三相电机。

本发明可视作涉及调制极电机的更有效的设计。所给出的说明描述了实现本发明的示例性实施例。上述说明不应该理解成有所限制。本领域的技术人员将可以显见不偏离本发明的范围和实质的变化和修改。

Claims (11)

1.一种旋转电机，所述旋转电机包括：

基本为圆形并包括多个齿的第一定子铁心部分，

基本为圆形并包括多个齿的第二定子铁心部分，

设置在所述第一和第二圆形定子铁心部分之间的线圈，以及

包括多个永磁体的转子，

其中，所述第一定子铁心部分、第二定子铁心部分、线圈和转子环绕共同的几何轴线，并且第一定子铁心部分和第二定子铁心部分的多个齿设置成朝向转子突出，

其特征在于，

所述第二定子铁心部分的齿相对于第一定子铁心部分的齿沿周向错位，

所述转子中的永磁体沿周向通过软磁性材料制成的沿轴向延伸的磁极部分相互分隔，

所述转子的永磁体的磁化方向基本为周向，

每隔一个永磁体的磁化方向与位于其间的永磁体的磁化方向相反，以及

磁通路径起初沿周向从永磁体出来进入相邻的磁极部分，在该处发生磁通量集中，在该磁极部分中，该磁通路径沿周向并部分地沿轴向延伸，以使来自相邻的永磁体的相对区域的磁通量集中到第一定子铁心部分的齿的位置，

其中，第一定子铁心部分和第二定子铁心部分的齿以及转子的磁极部分尺寸设计并布置成使得当第一定子铁心部分的齿与转子的第一转子磁极部分相对时，第二定子铁心部分的齿均不与所述第一转子磁极部分相对。

2.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，所述磁极部分由软磁粉制成。

3.根据权利要求1或2所述的旋转电机，其特征在于，在所述第一和第二圆形定子铁心部分之间设有磁通桥，以用于在所述圆形定子铁心部分之间提供磁通路径。

4.根据权利要求3所述的旋转电机，其特征在于，所述磁通桥是设置成环绕所述共同的几何轴线的定子磁轭部分。

5.根据权利要求4所述的旋转电机，其特征在于，所述定子磁轭部分由软磁粉制成。

6.根据权利要求1或2所述的旋转电机，其特征在于，所述定子铁心部分由软磁性材料的叠压薄片和电绝缘的薄片制成。

7.根据权利要求1或2所述的旋转电机，其特征在于，所述定子铁心部分由软磁粉制成。

8.根据权利要求1或2所述的旋转电机，其特征在于，所述第一定子铁心部分和第二定子铁心部分的齿沿径向突出，以及所述第一定子铁心部分和第二定子铁心部分相对于彼此沿轴向错位。

9.根据权利要求1或2所述的旋转电机，其特征在于，所述定子铁心部分由软磁粉制成，并在定子铁心部分中并入磁通量桥接功能，以用于在第一和第二定子铁心部分之间产生磁通路径。

10.根据权利要求9所述的旋转电机，其特征在于，所述各定子铁心部分包括沿周向且基本连续设置的突起，所述突起朝向对应的另一定子铁心部分突出。

11.一种旋转电机，所述旋转电机包括：

多个相位部分，每个相位部分对应于根据权利要求1-10中任一项所述的旋转电机。

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