CN101517863B - 轴向磁通电机 - Google Patents

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Abstract

一种轴向磁通电机(10)，包括定子(14)和转子(16)。该转子能围绕转子旋转轴线(18)旋转，定子的至少一部分在定子与转子之间的轴向边界区(20)上可面对转子的至少一部分。该转子可包括转子体(23)和包括多个安装在转子体上的永久磁体(36)的永久磁体组(32)。该永久磁体组可使得磁通流过永久磁体组与定子之间的轴向边界区。永久磁体组的多个永久磁体可包括形成第一轴向永久磁体层(46)的一个或多个永久磁体和形成设置在第一轴向永久磁体层与轴向边界区之间的第二轴向永久磁体层(48)的一个或多个永久磁体。

Description

轴向磁通电机
技术领域
本发明涉及一种具有定子和转子的电机，特别涉及一种具有定子和转子的轴向磁通电机。
背景技术
许多电机如电动机和发电机包括定子和邻近定子的、围绕转子旋转轴线旋转的转子。这类电机可利用磁通在定子与转子之间传递功率。某些电机的转子包括形成转子北磁极的永久磁体和形成转子南磁极的永久磁体。磁通可从形成转子北磁极的永久磁体穿过定子流到形成转子南磁极的永久磁体。对于轴向磁通电机，磁通在转子与定子之间流动时可流过转子旋转轴线方向上的轴向间隙。
不幸的是，轴向磁通电机的所有永久磁体通常例如利用粘合剂安装在转子的外表面上。这样，永久磁体与转子之间的连接较弱，这在永久磁体受力很大的情形和/或情况下可能阻止电机运行。例如，将永久磁体安装在轴向磁通电机的转子外表面可能阻止转子在高速下旋转，因为很大的离心力会迫使永久磁体从转子上脱落。
Van Tichelen等人的、公开的美国专利申请No.2005/0029886A1(“’886申请”)提出了一种具有夹紧在转子中的永久磁体的轴向磁通电机。’886申请提出的轴向磁通电机包括沿转子旋转所围绕的轴线邻近布置的转子和定子。’886申请的各永久磁体都设置在一通道中，该通道平行于转子旋转所围绕的轴线延伸穿过转子。螺栓连接在转子的与定子相邻一侧/侧面/侧边上的板盖住通道的与定子相邻的端部，螺栓连接在转子另一侧上的材料环盖住通道的与定子相反的端部。’886申请所公开的轴向磁通电机中，各永久磁体分别形成转子的磁极。
尽管’886申请提出了带有夹入转子中的永久磁体的轴向磁通电机，但仍存在若干缺点。例如，由于单个永久磁体可产生的磁场较弱，所以分别使用单个永久磁体形成轴向磁通电机的转子的各磁极会限制轴向磁通电机的功率。此外，分别使用单个永久磁体形成轴向磁通电机的转子的各磁极会限制轴向磁通电机在轴向磁通电机用作电动机时的恒定功率速度范围。
本发明的轴向磁通电机和方法解决了上述一个或多个问题。
发明内容
(本发明的)一种公开的实施形式涉及包括定子和转子的轴向磁通电机。该转子可围绕转子旋转轴线旋转，定子的至少一部分可在定子与转子之间的轴向边界区上面对转子的至少一部分。该转子可包括转子体和包括多个安装在转子体上的永久磁体的永久磁体组/永久磁团(permanent-magnet cluster)。该永久磁体组可使得磁通流过永久磁体组与定子之间的轴向边界区。永久磁体组的多个永久磁体可包括形成第一轴向永久磁体层的一个或多个永久磁体和形成设置在第一轴向永久磁体层与轴向边界区之间的第二轴向永久磁体层的一个或多个永久磁体。
另一种实施形式涉及一种运行包括定子和转子的轴向磁通电机的方法，该转子包括一转子体。该方法可包括选择性地使得转子围绕转子旋转轴线旋转，定子的至少一部分在定子与转子之间的轴向边界区上面对转子的至少一部分。此外，该方法可包括使得磁通流过定子与安装在转子体上的多个永久磁体之间的轴向边界区。这可包括使得磁通流过定子与形成永久磁体组的第一轴向永久磁体层的一个或多个永久磁体之间的轴向边界区。这也可包括使得磁通流过定子与形成永久磁体组的第二轴向永久磁体层的一个或多个永久磁体之间的轴向边界区，该第二轴向永久磁体层设置在第一轴向永久磁体层与轴向边界区之间。
另一种实施形式涉及包括定子和转子的轴向磁通电机。该转子可围绕转子旋转轴线旋转，定子的至少一部分在转子与定子之间的轴向边界区上面对转子的至少一部分。该转子可包括转子体，该转子体包括转子芯。该转子还可包括一永久磁体组，该永久磁体组包括安装在转子体上的多个永久磁体。该永久磁体组可使得磁通流过永久磁体组与定子之间的轴向边界区。永久磁体组的多个永久磁体可包括形成第一轴向永久磁体层的多个永久磁体，该第一轴向永久磁体层使转子体的设置在永久磁体组内的部分与转子体的设置在永久磁体组外的部分基本上磁隔离。
附图说明
图1为根据本发明的轴向磁通电机一个实施例的示意图；
图2为根据本发明一个实施例的轴向磁通电机的转子与定子的放大图；以及
图3为根据本发明另一个实施例的轴向磁通电机的转子与定子的放大图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的轴向磁通电机10。轴向磁通电机10可构造成作为电动机和/或发电机运行。轴向磁通电机10可包括一壳体12、一定子14和一转子16。
壳体12可支撑定子14与转子16。壳体12能以允许转子16围绕一转子旋转轴线18旋转的方式支撑转子16。壳体12可将定子14支撑在一固定位置上，从而在定子14与转子16之间形成一轴向边界区/边缘区域。当在本文中使用时，术语“轴向边界区”是指在该处转子16的基本上面向转子旋转轴线18方向的部分与定子14的基本上面向相反方向的部分面对的边界区。如图1所示，在某些实施例中，转子16和定子14在轴向边界区20处、在转子旋转轴线18的方向上可邻接一间隙。此外，在某些实施例中，轴向磁通电机10在转子16与定子14之间的轴向边界区20中可包括一个或多个结构。
定子14可包括电导体如电线的绕组(未示出)。在某些实施例中，这种电导体绕组可构造成接收来自电源的电流并产生旋转磁场。此外，在某些实施例中，这种电导体线圈可构造成当暴露于通过旋转转子16而产生的旋转磁场中时产生电流。定子14的芯可用各种不同的材料组成，包括但不限于软磁材料和非晶钢。在由非晶钢形成定子14的芯的实施例中，芯可具有各种厚度的迭片。
转子16可包括一转子轴22和一转子体23。转子体23可包括一转子毂(未示出)、一转子芯24和加强件26、28。转子毂可围绕转子轴22延伸并连接到该转子轴上。转子芯24可围绕转子毂延伸并连接在该转子毂上。转子芯24可具有一面向轴向边界区20的外表面30。加强件26可邻接外表面30，加强件28可邻接转子芯24的另一表面。转子芯24的导磁率较高，而转子轮毂和加强件26的导磁率可较低。转子芯24可由各种材料形成，包括但不限于软磁材料和非晶钢。在由非晶钢形成转子芯24的实施例中，转子芯24可具有各种厚度的迭片。
转子16还可包括永久磁体，这些永久磁体中的某些或全部可形成永久磁体组32、34。当在本文中使用时，术语永久磁体组是指布置成一组的两个或多个永久磁体。如图1所示，永久磁体组32和永久磁体组34可占据围绕转子旋转轴线18的交替位置。如下文更详细地说明的，每一永久磁体组32可形成转子16的一北磁极，每一永久磁体组34可形成转子16的一南磁极。
图2为一对永久磁体组32、34的放大图，其中示出了由这些永久磁体组32、34形成的磁通(虚线)。永久磁体组32可包括永久磁体36-39、永久磁体组34可包括永久磁体62-65。永久磁体36-39、62-65可为任何类型的永久磁体，包括但不限于粘结磁体(bonded magnet)、NdFeB磁体和SmC磁体。
转子体23可包围各永久磁体36-39。转子芯24可包围各永久磁体36-38、62-64。可将各永久磁体39、65插入转子芯24中，其中(永久磁体39、65的)表面40、66设置在转子芯24外部并面对轴向边界区20。加强件26可与转子芯24共同作用以包围永久磁体39、65。
永久磁体36-39可相对于轴向边界区20形成多个层。永久磁体36、37、38可形成一轴向永久磁体层46，永久磁体39可形成一设置在轴向永久磁体层46与轴向边界区20之间的轴向永久磁体层48。永久磁体36、38的端部50、51可形成轴向永久磁体层46的与外表面30相邻的端部。从端部50、51起，永久磁体36、38可随着其延伸远离轴向边界区20而收拢/相互靠近。永久磁体36、38可终止于与永久磁体37的端部54、55相邻的端部52、53。如图2所示，各永久磁体36-38的周界可基本上由平直侧构成，因此轴向永久磁体层46在端部50、51之间的周界可基本上由平直侧构成。
如上所述，永久磁体组32可形成转子16的北磁极。永久磁体39的北磁极可在表面40上从转子芯24的外侧面对轴向边界区20。这可确保永久磁体39的北磁极产生的磁通主要在转子旋转轴线18的方向上穿过加强件26和轴向边界区20流入定子14。永久磁体36-38的北磁极可面对转子芯24的设置在永久磁体组32内的部分70而基本朝向轴向边界区20。
永久磁体组32的构型可迫使由永久磁体36-38的北磁极产生的磁通也主要在转子旋转轴线18的方向上穿过加强件26和轴向边界区20流入定子14。轴向永久磁体层46可使转子芯24的部分70与转子芯24的设置在永久磁体组32外的部分基本上磁隔离。永久磁体36-38对磁通的导通率低，从而基本上防止磁通通过流过永久磁体36-38而流入或流出转子芯24的部分70。此外，来自永久磁体36-38的磁通可使转子芯24的与永久磁体36-38的端部50-55相邻的部分56、57、58、59饱和。这可基本上防止磁通经过转子芯24的部分56-59流入或流出转子芯24的部分70。因此，轴向永久磁体层46的构型可通过使由永久磁体36-38的北磁极产生的磁通的大部分主要在转子旋转轴线18的方向上穿过加强件26和轴向边界区20流入定子14，从而迫使所述磁通的大部分离开永久磁体组32。
永久磁体组34和永久磁体62-65可在形式和功能上与永久磁体组32和永久磁体36-39相同，只是永久磁体组34可形成转子16的南磁极。永久磁体62-64可形成一使转子芯24的设置在永久磁体组34内的部分74与转子芯24的设置在永久磁体组34外的部分基本上磁隔离的轴向永久磁体层72。永久磁体65可形成一设置在轴向永久磁体层72与轴向边界区20之间的轴向永久磁体层76。永久磁体62-65的南磁极而不是北磁极面对轴向边界区20。因此，永久磁体组34可使得磁通主要在转子旋转轴线18的方向上穿过轴向边界区20和加强件26流向永久磁体62-65的南磁极。
因此。由永久磁体组32、34形成的北、南磁极、定子14和转子芯24的设置在永久磁体组32、34外的部分可形成完整的磁路。磁通可从永久磁体组32的永久磁体36-39的北磁极穿过加强件26和轴向边界区20流入定子14、经过定子14、穿过轴向边界区20和加强件26流到永久磁体组34的永久磁体62-65的南磁极。同时，来自永久磁体组34的永久磁体62-65的北磁极的磁通可流经转子芯24的设置在永久磁体组32、34外的部分流到永久磁体组32的永久磁体36-39的南磁极。
除了形成转子16的北、南磁极，永久磁体组32、34还限定转子16的“d”轴线78、80的位置，所述“d”轴线是沿其转子16具有最高磁阻的轴线。永久磁体36-39、62-65可在很大程度上防止由定子14产生的磁通与转子旋转轴线18平行地流过转子芯24的被永久磁体组32、34占据的部分。来自定子14的磁通在经过永久磁体组32的中央流过转子16时会遇到特别高的阻力，其中所述磁通必须穿过永久磁体39和永久磁体37。因此，“d”轴线78可穿过永久磁体37、39延伸。由于相同的理由，“d”轴线80可穿过永久磁体63、65延伸。相反，由定子14产生的磁通在经过转子芯24的位于永久磁体组32、34之间的部分82时遇到特别低的阻力。因此，转子16的“q”轴线84可穿过转子芯24的部分82延伸，所述“q”轴线是沿其转子16具有最低磁阻的轴线。
图3示出根据本发明的永久磁体组32、34的另一实施例。图3所示的永久磁体组32、34的实施例与图2所示实施例的不同之处仅在于：永久磁体39和65设置在转子芯24内，在外表面30内侧。因此，在图3所示实施例中，转子芯24包围各个永久磁体36-39、62-65。
轴向磁通电机10不限于图1-3所示以及上文所述的示例构型。例如，轴向磁通电机10除了转子16和定子14外可还包括其它转子和/或定子。此外，永久磁体组32、34中的一个或多个可具有数量和/或布置结构不同的永久磁体。每一轴向永久磁体层46、48、72、76可包括多于或少于图1-3所示情况的永久磁体。例如，替代永久磁体39可由多个永久磁体形成轴向永久磁体层48，和/或替代永久磁体65可由多个永久磁体形成轴向永久磁体层76。此外，在某些实施例中，轴向永久磁体层46、72可分别由单个永久磁体形成。此外，永久磁体组32、34可省略轴向永久磁体层48、76。或者，除了永久磁体36-39、62-65和轴向永久磁体层46、48、72、76外，永久磁体组32、34还可包括其它永久磁体和/或轴向永久磁体层。此外，在某些实施例中，轴向永久磁体层46、48、72、76的形状可与图1-3所示不同。例如，轴向永久磁体层48和/或轴向永久磁体层48和/或轴向永久磁体层76在其端部之间可伸入转子芯24中而不是以直线延伸。此外，与图2所示实施例中的永久磁体39、65相似，轴向永久磁体层46、72中的一个或多个永久磁体的表面可设置在转子芯24外。
此外，永久磁体36-39、62-65的构造可与上述情况不同。例如，永久磁体中的一个或多个可具圆形侧和/或圆角而不是平直侧和方角。此外，永久磁体36-39、62-65的大小可与图1-3所示的情况不同。此外，永久磁体36-39、62-65中的一个或多个的磁体类型可不是粘结磁体、NdFeB磁体或SmC磁体。另外，转子16可省去加强件26和/或加强件28。
工业实用性
轴向磁通电机10可应用于任何需要电动机和/或发电机的系统中。当一电源以使定子14产生旋转磁场的方式向定子14供电时，从永久磁体组32经过定子14流到永久磁体组34的磁通会与该旋转磁场相互作用从而向转子16施加转矩。这可造成转子16围绕转子旋转轴线18旋转，从而驱动与转子连接的任何负载。当一机械动力源使得转子16围绕转子旋转轴线18旋转时，从永久磁体组32经过定子14流到永久磁体组34的磁通会跟随转子16的旋转，从而在定子14的电导体绕组中感应出电流。
不管是用作电动机还是发电机，所公开的轴向磁通电机10的实施例都可具有高功率。使用多个永久磁体36-39、62-65形成转子16的磁极可有助于该磁极产生大量磁通。此外，将永久磁体组32、34的永久磁体36-39、62-65布置成多个轴向永久磁体层46、48、72、76可实现将所述永久磁体嵌入转子16的较小圆周段中。这可使永久磁体组32、34形成的北、南磁极具有较高的磁通密度。此外，如上所述，所公开的永久磁体组32、34的构型可确保从永久磁体36-39的北磁极流出的磁通和流到永久磁体62-65的南磁极的磁通主要流过定子14。此外，将永久磁体39、65的外表面置于转子芯24外可使得磁通能够在永久磁体39、65与定子14之间流动而不流经转子芯24，这会减小磁通的强度。
所公开的轴向磁通电机10的实施例在作为电动机运行时还可具有较大的恒定功率速度范围。将永久磁体36-39、62-65布置成永久磁体组32、34可使转子16沿“d”轴线78、80具有较高的磁阻。对齐永久磁体37、39使得“d”轴线78穿过两永久磁体37、39以及对齐永久磁体63、65使得“d”轴线80横穿两永久磁体63、65，可使得转子16沿“d”轴线78、80具有特别高的磁阻。此外，通过提供转子芯24的可被磁通容易地流过的部分82，将永久磁体36-39、62-65插入转子芯24中可使得转子16沿“q”轴线84具有较低的磁阻。因此，转子16沿“d”轴线78、80的磁阻与沿“q”轴线84的磁阻之比较高，这又使得轴向磁通电机10在作为电动机运行时具有较大的恒定功率速度范围。
此外，所公开的转子16的实施例可组合有高结构整体性和低成本。以转子体23包围永久磁体36-39、62、65可将永久磁体36-39、62-65牢固保持在转子16上。此外，转子体23通过包围永久磁体36-39、62-65可帮助保持永久磁体36-39、62-65的形状，从而减小永久磁体36-39、62-65中的内应力，帮助防止所述永久磁体变形和破裂。这样便能够由强度较低的材料如低成本粘结磁性材料构造出永久磁体36-39，同时保持希望的程度的结构整体性。加强件26、28也有助于在较低成本下(实现)转子16的结构整体性。此外，以平直侧边周界构造永久磁体36-39、62-65、从而构造轴向永久磁体层46、48、72、76，可使形成永久磁体36-39、62-65和形成转子芯24中相应凹穴的成本保持得很低。
本领域的技术人员显而易见，在不背离本发明范围的情况下可对该轴向磁通电机和方法做出各种修改和变型。通过考虑本说明书和对本文所公开的轴向磁通电机和方法的实践，所公开的轴向磁通电机和方法的其它实施例是本领域技术人员显而易见的。本说明书和各例子只应看成是示例性的，本发明的真正范围由后附权利要求及其等效方案给出。

Claims (10)

1.一种轴向磁通电机(10)，包括：
定子(14)；
能围绕转子旋转轴线(18)旋转的转子(16)，其中，定子的至少一部分在定子与转子之间的轴向边界区(20)上面对转子的至少一部分；其中该转子包括：
包括一转子芯的转子体(23)，以及
包括多个安装在所述转子体上的永久磁体(36)的永久磁体组(32)，其中，该永久磁体组使得磁通流过永久磁体组与定子之间的轴向边界区；其中所述多个永久磁体包括：
形成第一轴向永久磁体层(46)的一个或多个永久磁体(36)，以及
形成设置在第一轴向永久磁体层与轴向边界区之间的第二轴向永久磁体层(48)的一个或多个永久磁体(39)，其中所述转子芯的一部分位于所述第一轴向永久磁体层和所述第二轴向永久磁体层之间。
2.按权利要求1所述的轴向磁通电机，其特征在于，所述转子体包围所述多个永久磁体中的至少一个。
3.按权利要求1所述的轴向磁通电机，其特征在于，所述多个永久磁体中的至少一个由粘结磁性材料构成并被转子体包围。
4.按权利要求1所述的轴向磁通电机，其特征在于，所述转子体包围所述多个永久磁体中的每一个。
5.按权利要求1所述的轴向磁通电机，其特征在于，
所述形成第一轴向永久磁体层的一个或多个永久磁体安装在该转子芯上；
转子芯的位于所述第一轴向永久磁体层和所述第二轴向永久磁体层之间的所述部分设置在该永久磁体组内；以及
所述第一轴向永久磁体层使转子芯的设置在该永久磁体组内的所述部 分(70)与转子芯的设置在该永久磁体组外的部分基本上磁隔离。
6.按权利要求5所述的轴向磁通电机，其特征在于，所述转子体还包括由非导磁性材料构成、抵靠转子芯的面对轴向边界区的外表面(30)设置的加强件(26)。
7.一种轴向磁通电机(10)，包括：
定子(14)；
能围绕转子旋转轴线(18)旋转的转子(16)，其中，定子的至少一部分在定子与转子界面之间的轴向边界区(20)上面对转子的至少一部分；其中该转子包括：
包括转子芯(24)的转子体(23)；
包括多个安装在转子体上的永久磁体(36)的永久磁体组(32)，其中该永久磁体组使得磁通流过永久磁体组与定子之间的轴向边界区；其中所述多个永久磁体包括：
形成第一轴向永久磁体层(46)的多个永久磁体(36)，该第一轴向永久磁体层使转子芯的设置在该永久磁体组内的部分(70)与转子芯的设置在该永久磁体组外的部分基本上磁隔离。
8.按权利要求7所述的轴向磁通电机，其特征在于，
所述第一轴向永久磁体层包括第一端(50)和第二端(51)，所述第一端和第二端设置成邻近转子芯的面对轴向边界区的外表面(30)；以及
从所述第一端和第二端起，随着所述第一轴向永久磁体层合拢，该第一轴向永久磁体层远离轴向边界区延伸。
9.按权利要求8所述的轴向磁通电机，其特征在于，第一轴向永久磁体层的在第一端与第二端之间延伸的周界基本上由平直侧构成。
10.按权利要求8所述的轴向磁通电机，其特征在于，该转子体还包括由非导磁性材料构成的、抵靠转子芯的面对轴向边界区的外表面设置的加强件(26)。 
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