CN102714434A

CN102714434A - 永磁激励式电机

Info

Publication number: CN102714434A
Application number: CN2010800550425A
Authority: CN
Inventors: 安德里亚斯·格鲁恩德尔; 伯恩哈德·霍夫曼
Original assignee: Compact Dynamics GmbH
Current assignee: Compact Dynamics GmbH
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2010-12-06
Publication date: 2012-10-03
Also published as: EP2507894A2; WO2011066996A3; US20120242181A1; EP2507894B1; DE102009057067B4; WO2011066996A8; WO2011066996A2; DE102009057067A1

Abstract

为了提供具有高功率密度的紧凑的且高效率的电机，提供了一种包括定子和转子的永磁激励式电机。定子包括线圈排列以及转子具有永磁元件。线圈排列包括绕组并环绕磁通轭。磁通轭包括至少一个臂。在每两个臂之间设置磁通导向部件，该磁通导向部件彼此间隔开并与臂的末端排成直线。相邻的永磁元件具有相反的磁场方向，以及组合后形成磁盘。在永磁元件的背向臂的一侧设置磁通导向部件。臂和磁通导向部件面向永磁元件，以形成空气间隙。在转子相对定子的具体位置中，设置永磁元件至少部分与一些磁通导向部件排成直线，从而使得磁通从一个永磁元件开始，流过磁通导向部件，最后到达另一个臂。

Description

永磁激励式电机

技术领域

本发明涉及永磁激励式电机。该电机具有定子和转子，定子包括定子线圈以及转子上设有永磁元件，或者转子包括转子线圈以及定子上设有永磁元件。

从EP 0218522A1可知，同步激励电机具有C形磁通轭（magnetic flux yoke）以及具有磁通导向件（guide pieces），它们轴向成排设置，并至少部分与转子的永磁体排成直线。

术语定义：

术语“永磁激励式电机”既可指发动机（motor），也可指发电机（generator）。该电机是否设计为回转机械或例如设计为线性发动机并不重要。另外，本发明既可以应用于内置转子式电机，也可应用于外置转子式电机。

背景技术

通常，在现有技术中，铁轭具有两个被线圈缠绕的臂（limb）。在电动机的情况中，流过线圈的电流将在两个臂中产生磁通。该磁通从一个臂开始穿过空气间隙而与转子的永磁元件相互作用，以及从一个臂开始穿过空气间隙进入另一个臂。该电机具有有限的功率密度。

从DE 19704769A1记载了一种永磁激励式电机，以及该电机具有定子和转子。其中，定子具有线圈排列（coil arrangement）以及转子上设有多个永磁元件。线圈排列具有绕组，该绕组环绕具有两个臂的磁通轭。设置在臂之间的是第一磁通导向件，它们彼此间隔开，并与臂的末端连成一直线。彼此相邻的永磁元件之间具有相反的磁场方向，而且永磁元件组合形成磁盘。第二磁通导向件设置永磁元件的侧边，以及背向臂的末端和第一磁通导向件。臂的末端以及第一和第二磁通导向件面向永磁元件，以在每种情况下形成空气间隙。在转子相对定子的具体位置中，永磁元件至少部分与至少一些第一或第二磁通导向件排成直线以及至少与臂的末端排成直线。

发明内容

将要获得的目的

本发明中的电机和它的变形的目的在于提供一种高效率的发动机或发电机，该发动机或发电机具有紧凑的结构以及高功率密度。

该目的的获得

为了实现该目的，提供了一种包括定子和转子的永磁激励式电机。在该情况中，定子具有线圈排列以及转子上设有多个永磁元件。作为其替代方案，也有可能是转子具有线圈排列以及定子上设有永磁元件。线圈排列具有至少一个绕组并至少部分环绕磁通轭（flux yoke）。该磁通轭具有至少一个臂（limb）。在每种情况下，在两个臂之间设置有磁通导向件，该磁通导向件彼此间隔开，并与臂的末端排成直线。永磁元件彼此相邻，并具有相反的磁场方向，组合后形成磁盘。磁通导向件还设置永磁元件的侧边，该永磁元件的该侧边背向臂。臂和磁通导向件面向永磁元件，并形成空气间隙。在转子相对定子的具体位置中，永磁元件至少部分与一些磁通导向件排成直线。

上述设置产生的效果是，磁通从磁通轭的一个臂开始，交替地流过导向件和穿过与导向件对齐的永磁元件后，到达磁通轭的另一个臂。在一种设计中，从磁通轭的一个臂开始的磁通穿过空气间隙到达磁盘。从磁盘开始，磁通分解（branch）成顺向平行（parallelwise）的分量，通过各个空气间隙后进入设置在磁盘两侧的第一和第二磁通导向件。随后磁通通过各个空气间隙后在磁盘中重新组合。磁通在磁盘到第一和第二磁通导向件之间不断重复分解和重新组合变换，直到到达磁通轭的另一个臂。该设计中，各个相邻的永磁元件相对于磁盘表面的径向设置，并且面向空气间隙。

在该情况的另一个设计中，磁通从磁通轭的一个臂开始，穿过空气间隙后进入磁盘。磁通从磁盘开始，穿过空气间隙后进入设置在磁盘另一侧的第二磁通导向件。随后磁通穿过空气间隙后返回进入磁盘，并且从这里开始穿过空气间隙后进入设置磁盘这侧的第一磁通导向件。磁通从磁盘到第一和第二磁通导向件之间的来回迁移重复进行，直到到达磁通轭的另一个臂。在该设计中，相邻永磁元件分别相对于面向空气间隙的磁盘的表面横向设置。

在所有的实施例中，至少两个或多个第一和第二磁通导向件在每种情况中设置不同臂的两个末端之间，该末端彼此之间间隔开。在该情况中，第一磁通导向件设置在磁盘的一侧上，第二磁通导向件设置在磁盘的另一侧上。最基本的一点是，在该情况中，磁通导向件（至少在磁通方向上）彼此之间没有磁导连接（magnetically conductive connection），以及与臂之间也没有发生磁导连接。由此，磁通能够只从一个臂开始穿过，通过磁盘两侧上的多个空气间隙后，穿入另一个臂。这些空气间隙设置在（i）臂的末端与磁盘之间、（ii）第一磁通导向件与磁盘之间、以及（iii）第二磁通导向件与磁盘之间。

在常规电机中，磁通通常从磁通轭的一个臂开始穿过，通过空气间隙后进入永磁元件，随后再通过空气间隙，进入磁通轭的第二臂。在本实施例的情况中，另一方面，磁通轭的两个臂之间的磁通在从磁盘的永磁元件开始、通过空气间隙、到达第一和第二磁通导向件以及再次返回之间将变换多次。从而线圈排列在两个臂之间发送/接收磁通，该磁通已经至少穿过空气间隙/永磁元件/磁通导向件超过两次。

这为线圈排列提供了相对大的空间。在该装置的情况中，穿过多个空气间隙的连续通道能在电机的空间利用上获得有效的利用率。两个臂之间这种相对大的长度还使得穿过磁通轭的电动势较高。空气间隙处连续发生的磁通变换与流过线圈排列的电流相互作用后能产生力的作用（在发动机的情况中）。由于提高了空间利用率，电机的效率或功率密度也随之提高。

本发明的其它设计与发展

优选地，定子包括磁通轭和线圈排列，其中线圈排列包括磁通导向件，以及转子上设有永磁元件。这样不再需要运动（例如，转动或纵向滑动）电流转移（current transfers）到设置在转子中的线圈排列。

第一和第二磁通导向件、以及磁通轭和它的臂由包含软铁的层叠板构成，该板在方向设置上与磁盘的端面平行。磁盘的该端面是面向磁通导向件和磁通轭的磁盘的侧面。这些板的厚度主要与流过线圈排列的电流的频率有关，因为随着频率的增加，涡旋电流随之增加。

在该情况中可知，轴向磁通电机、含有粉末状铁的烧结成形的部件通常用于引导磁通，并具有容限范围内的磁损耗。相对于此，本实施例中在包含软铁的层叠板中引导磁通易于制备也易于安装。而且出乎意料的是，本实施例中电机的推力密度也随之增加，在结构类似的情况下，与常规的轴向或横向磁通电机相比增加了两倍到四倍，同时并没有增加与之相关的欧姆绕组损耗。最后，该效果能通过永磁元件和定子磁极对和它们针对单个线圈排列的分配来实现，该单个线圈排列具有相对较大的绕组横截面。一个线圈排列与充满相同磁通的多个永磁元件以及定子磁极对耦合连接，从而使得每个线圈排列产生多倍的力。

在磁盘的变形中，包含软铁的磁通控制器设置在相邻的、纵向排布的永磁元件之间。

线圈排列环绕磁通轭，该磁通轭具有间隔开的两个臂。在该情况中，在面向磁盘的臂末端区域中，臂彼此之间的间距在臂长度的（i）60%到140%之间、（ii）优选地80%到120%之间、以及（iii）具体地90%到110%之间。如果臂的（磁有效）长度与它们在面向磁盘的末端的区域中的间距近似对应的话，磁通泄露量基本上在容限范围内。

在变形的情况中，第一和第二磁通导向件在磁盘的两侧，沿着运动方向彼此相互错开设置。在另一个变化中，第一和第二磁通导向件在磁盘的两侧，沿着运动方向彼此排成直线。

磁通导向件能够是大致正方形。还可能设定其形状在宽度和/或高度上朝它们的末端逐渐减少。该设置减少了或最小化相邻磁通导向件之间的磁通泄露。在本变形中，第一和/或第二磁通导向件的横截面为梯形，各自较大的底面面向磁盘。

另外，第一和第二磁通导向件沿运动方向、在面向磁盘的底面的区域中的形状使得在每种情况下，它与磁盘中超过一个但不超过两个的相邻永磁元件相对。

线圈排列在操作中使用单相电流，或者设计为多相装置（优选为两相或超过两相）。对于后者，线圈排列具有多个绕组，设置该多个绕组彼此相邻或彼此交叠，以及在操作中彼此之间在相上有偏差。作为替代，还可沿圆周设置多个包括线圈组和磁通导向件的扇区，单个线圈排列的操作电流随相位置的不同而不同。相应地，还可设置磁通导向件在圆周方向上有偏差。

为了提高装置整体的稳定性，在相邻磁通导向件之间设置连接件，该连接件大致为磁惰性，并固定磁通导向件相对彼此的相对位置。这些连接件由反磁材料组成，例如金属、聚合塑料或类似物。如果连接件由金属制成，它们也可由构成磁通导向件的多层板构成。

永磁元件优选地为大致正方形，还可是截面为梯形或三角形或上菱形或类似的形状。为了提高磁盘的机械稳定性，将磁盘设计为环形盘，在它的外圆周和/或内圆周上设置大致磁惰性的支撑环。这尤其适用于磁盘是转子的一部分的情况。

在其它变形中，具有至少一个绕组的线圈排列在每种情况中能够设置在面向空气间隙的磁盘的两个端面上，该绕组至少部分环绕具有至少一个臂的磁通轭。从而能够在转子的两侧上实现两个绕组系统的非常紧凑的设计，用以增大扭矩。

另外，每个臂还可具有两个末端，第一和第二磁通导向件在每种情况中将设置在臂的两个彼此相对的末端之间。

附图说明

对于本领域的技术人员而言，通过以下描述并结合附图可以清楚地知晓其它特征、性质、优点以及可能变形。附图中相同的部件或具有相同功能的部件采用相应的标号进行标识，并以相似的方式示出。

图1示出了永磁激励式电机的实施例的截面示意图；

图2示出了永磁激励式电机放大的、侧面的、部分示意图；

图3示出了另一个变形的永磁激励式电机放大的、侧面的、部分示意图；

图4示出了图2中永磁激励式电机的变形；

图5示出了图3中永磁激励式电机的变形；

图6示出了磁盘具有支撑环的变形。

具体实施方式

图1示出了通过永磁激励式电机10的实施例的截面图，该永磁激励式电机10设计为外置转子式电机。该电机的原理还适用于内置转子式电机。横向磁通电机10具有定子12和转子14。在转子14和定子12之间形成空气间隙16。定子12容纳在管状壳体18内，在该管状壳体18的两个外部末端的每个处设有轴承（未示出），用于接收驱动/输出轴（未示出）。该驱动/输出轴以转动固定方式与转子14连接（未示出）。

在该变形中，定子12具有线圈排列28。转子上设有多个永磁元件20。在每种情况中，彼此相邻的永磁元件20具有相反的磁场方向。永磁元件20组合形成磁盘22。在线性运动的电机的情况中，磁盘22能够是大致矩形、板式体结构。在转动电机的情况中，磁盘22能够具有环形结构。在该情况中，根据永磁元件20的厚度，磁盘22还能呈现出短管部分的形状。永磁元件20还能由铸造或切割部件构成，该铸造或切割部件由AlNi或AlNiCo合金制成、由钡铁氧体或锶铁氧体制成、由SmCo或NdFeB合金制成、或者由其它稀土材料制成。从而即使在更高的温度范围内，从约150到约180摄氏度，也能够获得(BH)_max值在约30到约300千焦/立方米范围内的永磁能量产品。

为了提高机械稳定性，永磁元件20还能由嵌入到耐热塑性粘接剂中的粉末颗粒构成，该耐热塑性粘接剂包含例如聚酰胺、聚乙烯硫化物、热固性塑料、环氧树脂或类似物。该耐热塑性粘接剂还能够是丙烯酸酯胶粘剂、环氧树脂胶粘剂、聚氨酯胶粘剂、酚醛树脂胶粘剂、纤维加固环氧树脂、或防水环氧树脂铸膜树脂。还设有由铝或（非磁性）钢制成的金属钩或环，用于完全环绕磁盘22，从而加强机械稳定性。

此处的线圈排列28具有多个相同形状的绕组。每个绕组环绕两个相邻磁通轭的臂32a、32b。还有设置在臂32a、32b的自由末端之间的多个第一磁通导向件38a，该多个第一磁通导向件38a彼此间隔开，并与臂32a、32b的末端排成直线。第二磁通导向件38b设置在永磁元件20的一侧，该永磁元件20背向臂32a、32b的末端和背向第一磁通导向件38a。臂32a、32b的末端以及第一和第二磁通导向件38a、38b面向磁盘22的永磁元件20，并在每种情况下形成空气间隙16a、16b、16c、16d。

在转子12相对定子14的某个（certain）位置中，永磁元件20至少部分与第一和第二磁通导向件38a、38b中的至少一些以及与臂32a、32b的末端排成直线。当磁盘相对于磁通轭30、30’的臂32a、32b以及第一和第二磁通导向件38a、38b运动时，磁通从一个臂32a开始，流过永磁元件20以及穿过设置在磁盘两侧的第一和第二磁通导向件38a、38b，到达另一个臂32b。两个相邻的臂32a、32b之间设置有两个或多个第一磁通导向件38a以及两个或多个磁通导向件38b。对于本发明的变形，可能设有四个或五个第一磁通导向件38a以及四个或五个第二磁通导向件38b。

从图2-5可以清楚地看出，每种情况下，臂32a、32b的两个末端之间设置有两个或三个第一和第二磁通导向件38a、38b。磁通从一个臂32a开始，连续穿过（i）臂32a的末端与磁盘22之间、（ii）第一磁通导向件38a与磁盘22之间、以及（iii）第二磁通导向件38b与磁盘22之间的多个空气间隙16a、16b、16c、16d，到达另一个臂32b。第一和第二磁通导向件38a、38b彼此之间没有磁导连接，以及也没有与臂32a、32b磁导连接。根据磁盘的设计以及第一磁通导向件38a相对第二磁通导向件38b的排布，磁通能够以迂回曲流的方式，从一个臂32a的末端到另一个臂32b的末端，穿出磁盘22并进入磁盘22。在该情况中，彼此相邻的永磁元件20相对于磁盘表面横向设置，该磁盘面向空气间隙16a、16b、16c、16d。

另外，第一磁通导向件38a沿着运动方向，与第二磁通导向件38b相互错开设置。该变形例如在图2和4中示出。

作为替代方案，彼此相邻设置的永磁元件20相对于磁盘表面纵向设置，该磁盘面向空气间隙16a、16b、16c、16d。在该情况中，第一磁通导向件38a沿着转子相对定子的运动方向，与第二磁通导向件38b排成直线。另外，在这些变形中，包含软铁的磁通控制器（flux guide）24设置在磁盘22的相邻的、纵向交替的永磁元件20之间。该变形例如在图3和5中示出。

在图2和3中，当为转动电机的情况下，转子的转动轴既能够垂直于附图平面设置，也能够是转子的转动轴相对于附图平面平行运动。第一个这种变形还可称为磁盘转子；第二个这种变形可称为滚筒式转子。

能在所有实施例变形中采用的通用设计特征是，第一和第二磁通导向件38a、38b以及磁通轭的臂由含有软铁的薄的、层叠板构成。在该情况中，该板相对于磁盘的端面平行设置。厚度不超过0.5mm，或者在该情况中，不超过2mm的板被称为薄板。

具有两个间隔开的臂32a、32b的磁通轭被线圈排列28环绕。在它们面向磁盘的自由末端的区域中，臂32a、32b的间距是它们（磁有效）长度的60%到140%。在该情况中，此处可认为公开了这些值之间的任意距离/长度比。在示出的变形中，第一和第二磁通导向件38a、38b的每个的截面形状为梯形。在该情况中，各个更大的底面面向磁盘。在该情况中，第一和第二磁通导向件38a、38b沿着运动方向，设置在面向磁盘的底面的区域中，这样在每种情况中，磁盘中将有超过一个但不超过两个的相邻永磁元件20与磁通导向件相对。

永磁元件20的磁极距近似对应为第一和第二磁通导向件38a、38b的磁极距的一半（近似为35%到65%）。

为了提高机械稳定性，在相邻磁通导向件之间设置连接件60，该连接件60本质上为磁惰性，并固定第一和第二磁通导向件38a、38b彼此之间的相对位置。能够采用耐热塑性粘接剂实现该目的，该耐热塑性粘接剂包含例如聚酰胺、聚乙烯硫化物、热固性塑料、环氧树脂或类似物。该塑性粘接剂还能够是丙烯酸酯胶粘剂、环氧树脂胶粘剂、聚氨酯胶粘剂、酚醛树脂胶粘剂、纤维加固环氧树脂、或防水环氧树脂铸膜树脂。

图4示出的变形中，臂32a、32b中的每个具有两个末端。在该设置中，在每种情况下磁盘22、22’设置在臂的两个末端处。在电机的该设计中，在每种情况下第一和第二磁通导向件38a、38b、38a’、38b’相应地设置的臂32a、32b、32a’、32b’的相互相对的末端之间。此处，同时针对磁盘22、22’设置线圈排列。

图5示出的变形中，在每种情况中磁通轭30、30’设置磁盘22的端面的两侧，该磁盘22面向空气间隙。磁通轭30、30’分别具有彼此排成直线的两个臂32a、32b；32a’、32b’。设置在臂32a、32b；32a’、32b’之间的磁盘22的两侧的第一和第二磁通导向件38a、38b也彼此排成直线。

为了提高稳定性，将磁盘设计为环形盘，在它的外圆周上和/或它的内圆周上设有磁惰性的支撑环26（例如如图6所示）。

图中示出的单个部件和它的各个部分之间的相对比值、以及单个部件的尺寸和比例并不是对本发明的限制。相反地，单个尺寸和比例可以与示出的不同。

Claims

1. 一种永磁激励式电机（10），包括定子（12）和转子（14），其特征在于，

所述定子具有线圈排列（28）以及所述转子上设有多个永磁元件（20），或者所述转子具有线圈排列以及所述定子上设有多个永磁元件；

所述线圈排列（28）具有至少一个绕组并且至少部分环绕具有至少一个臂（32a，32b）的磁通轭（30，30’）；

所述臂（32a，32b）之间设有第一磁通导向件（38a），所述第一磁通导向件（38a）彼此之间间隔开并与所述臂（32a，32b）的末端排成直线，所述第一磁通导向件（38a）彼此之间没有磁导连接，并与所述臂（32a，32b）也没有磁导连接；

彼此相邻的永磁元件（20）彼此之间的磁场方向是相反的，所述永磁元件（20）组合形成磁盘；

第二磁通导向件（38b）设置在所述永磁元件（20）的侧边，所述永磁元件（20）的所述侧边背向所述臂（32a，32b）的末端以及背向所述第一磁通导向件（38a），所述第二磁通导向件（38b）彼此之间没有磁导连接，并与所述臂（32a，32b）也没有磁导连接；

面向所述永磁元件（20）的所述臂（32a，32b）的所述末端和所述第一和第二磁通导向件（38a，38b）在每种情况下形成空气间隙（16a，16b，16c，16d），以及

在所述转子（12）相对所述定子（14）的某个位置中，所述永磁元件（20）至少部分与所述第一和第二磁通导向件（38a，38b）的至少一些以及与所述臂（32a，32b）的所述末端排成直线。

2. 根据权利要求1所述的永磁激励式电机（10），其特征在于，

在每种情况中至少两个或多个第一和第二磁通导向件（38a，38b）设置在所述臂（32a，32b）的两个末端之间，以使得所述磁通从一个所述臂（32a）开始，连续穿过多个空气间隙（16a，16b，16c，16d）、以及另一个臂（32b），所述多个空气间隙（16a，16b，16c，16d）位于：

所述臂（32a，32b）的所述末端与所述磁盘（22）之间，

所述第一磁通导向件（38a）与所述磁盘（22）之间，以及

所述第二磁通导向件（38b）与所述磁盘（22）之间；

以使得当所述磁盘（22）相对所述磁通轭（30，30’）和所述第一和第二磁通导向件（38a，38b）运动时，所述磁通开始流过一个所述臂（32a）、流过所述永磁元件（20）以及穿过设置在所述磁盘（22）两侧的所述第一和第二磁通导向件（38a，38b）、流到另一个所述臂（32b）。

3. 根据权利要求1或2所述的永磁激励式电机（10），其特征在于，所述第一和第二磁通导向件（38a，38b）以及所述磁通轭（30）由包含软铁的层叠板组成，所述板在方向上设置与所述磁盘（22）的端面平行。

4. 根据权利要求1或2或3所述的永磁激励式电机（10），其特征在于，

相邻的永磁元件（20）在方向上相对面向所述空气间隙（16a，16b，16c，16d）的所述磁盘（22）的表面横向或纵向设置。

5. 根据以上权利要求所述的永磁激励式电机（10），其特征在于，包含软铁的磁通控制器（24）设置在所述磁盘（22）中相邻的、纵向设置的永磁元件（20）之间。

6. 根据以上任一项权利要求所述的永磁激励式电机（10），其特征在于，至少两个第一磁通导向件（38a）和至少两个第二磁通导向件（38b）设置在两个间隔开的臂（32a，32b）之间。

7. 根据以上任一项权利要求所述的永磁激励式电机（10），其特征在于，所述第一磁通导向件（38a）和所述第二磁通导向件（38b）沿运动方向以彼此相互错开的方式设置，或者彼此排成直线。

8. 根据以上任一项权利要求所述的永磁激励式电机（10），其特征在于，所述第一和/或第二磁通导向件（38a，38b）的截面为梯形，所述磁通导向件的各自较大的底面面向所述磁盘（22）。

9. 根据以上任一项权利要求所述的永磁激励式电机（10），其特征在于，所述第一和第二磁通导向件（38a，38b）沿运动方向、在面向所述磁盘的底面的区域中的形状使得在每种情况下，它与所述磁盘（22）中超过一个但不超过两个的相邻所述永磁元件（20）相对。

10. 根据以上任一项权利要求所述的永磁激励式电机（10），其特征在于，所述线圈排列（28）具有多个绕组，所述多个绕组同轴设置，并设置彼此在相上存在偏差。

11. 根据以上任一项权利要求所述的永磁激励式电机（10），其特征在于，在相邻的磁通导向件（38a，38b）之间设置连接件（60），所述连接件（60）为磁惰性，且固定所述磁通导向件（38a，38b）彼此之间的相对位置。

12. 根据以上任一项权利要求所述的永磁激励式电机（10），其特征在于，所述磁盘设计为圆盘，在它的外圆周和/或内圆周上设有磁惰性的支撑环。

13. 根据以上任一项权利要求所述的永磁激励式电机（10），其特征在于，具有至少一个绕组的线圈排列（28）在每种情况中设置在面向所述空气间隙的所述磁盘（22）的两个端面上，所述绕组至少部分环绕具有至少一个臂（32a，32b）磁通轭（30，30’）。

14. 根据以上任一项权利要求所述的永磁激励式电机（10），其特征在于，具有两个末端的臂（32a，32b）的每个、以及第一和第二磁通导向件（38a，38b）在每种情况中设置在所述臂（32a，32b）的相互相对的两个末端之间。