CN104604108A - 具有磁体布型的转子 - Google Patents

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CN104604108A CN201380045853.0A CN201380045853A CN104604108A CN 104604108 A CN104604108 A CN 104604108A CN 201380045853 A CN201380045853 A CN 201380045853A CN 104604108 A CN104604108 A CN 104604108A
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亚历山大·什罗姆
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Abstract

提供了用于轴向气隙式电机的平面转子设计。一些实施例包括转子，其每个磁极都包括一对分别以相对于转子轴的方向成45°的取向磁化的永磁体。在一些实施例中，每对磁体的磁化的轴向分量是同向的，并且每对磁体的磁化的切向分量是反向的。

Description

具有磁体布型的转子
相关专利申请的交叉引用
本申请根据35 USC 119(e)要求2013年3月6日提交的美国临时专利申请61/773,295和2012年8月27日提交的美国临时专利申请61/693,375的优先权和优惠，在此通过引用合并这两个美国临时专利申请的公开内容。
技术领域
本发明在其一些实施例中涉及诸如电动机或者发电机的电机的转子，并且更特别地涉及但并不仅仅涉及轴向气隙式电机的平面转子的磁性元件的布型。
背景技术
为了帮助理解本发明，为了进行比较，在附图中，示出了已知设计的轴向气隙式电机的平面转子的几个例子，并且在此进行讨论。在讨论中可以看出，与在此公开的本发明的一些实施例相比，所示的这些设计中的一些设计在平面转子的可用空间使用方面效率低。此外，与在此公开的本发明的一些实施例相比，这些已知设计中的一些设计更昂贵或者更难以制造。
请注意本技术领域内描述本发明的如下文献：
授予Richard F.Post的标题为“Self Adjusting Magnetic Bearing Systems”的美国专利No.5,783,885。
授予Christopher W.Gabrys的标题为“Low Cost High Speed ElectricalMachine”的美国专利No.7.084,548。
Hugo H.van den Bergh等人提交的标题为“Rotary Disk Energy Storage andPulse Power Supply”的美国专利申请公开No.US2005/0236918。
Koji Miyata等人提交的标题为“Axial Gap Type Coreless Rotating Machine”的美国专利申请公开No.US2010/0253173。
Mark Blackwelder等人提交的标题为“Electrical Power Generation Apparatusfor Contra-Rotating Open-Rotor Aircraft Propulsion System”的美国专利申请公开No.US2011/0024567。
发明内容
本发明的一些实施例涉及其转子是平面单元的诸如电动机或者发电机的电机。与以前已知的设计相比，下面提供的设计可以在使用组成转子的磁体材料方面改善优化。该设计具有的优点还在于比一些现有技术的设计简单，因为一些实施例仅需要两种磁性件，而一些可比效率的现有技术设计需要制造和组装许多种磁性件，这样使得这些已知设计制造起来较困难并且昂贵。
根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一种用于轴向气隙式电机的转子，该转子包括交替的北磁极和南磁极，每个磁极都由一对永磁体产生。
根据本发明的一些实施例，对于每个永磁体对，磁体磁化的轴向分量是同向的，并且成对磁体磁化的切向分量互相反向。
根据本发明的一些实施例，该制造包括第一组和第二组磁体对，第一组磁体对具有互相相向的切向磁化分量，第二组磁体具有方向互相离开的切向磁化分量，并且其中围绕转子，第一组对与第二组对交替。
根据本发明的一些实施例，以相对于转子的转轴成约45°的取向磁化磁体对。
根据本发明的一些实施例，以相对于转子的转轴成30°与60°之间的取向磁化磁体对。
根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一种用于具有转轴的轴向气隙式电机的转子，该转子包括交替的北磁极和南磁极，每个北极和南极都由一对永磁体产生，其中成对磁体磁化的轴向分量是同向的，并且成对磁体磁化的切向分量是反向的。
根据本发明的一些实施例，该转子包括第一组和第二组磁体对，第一组磁体对具有互相相向的切向磁化分量，第二组磁体对具有方向互相离开的切向磁化分量，并且其中围绕转子，第一组对与第二组对交替。
根据本发明的一些实施例，以相对于转子的转轴成约45°的取向磁化磁体对。
根据本发明的一些实施例，以相对于转子的转轴成30°与60°之间的取向磁化磁体对。
根据本发明的一些实施例，以相对于转子的转轴成15°与75°之间的取向磁化磁体对。
根据本发明的一些实施例，具有切向磁化分量的附加磁体元件插在南极与北极之间。
根据本发明的一些实施例，确定附加磁体元件的取向，使得其切向磁化分量从产生南极的磁体对射出，并且射向产生北极的磁体对。
根据本发明的一些实施例，插在南极与北极之间的附加磁性元件在在第一方向上，即，顺时针和逆时针中的一个上具有切向磁性取向的第一组附加磁性元件与在与第一方向相反的第二方向上具有切向磁性取向的第二组附加磁性元件之间交替。
根据本发明的一些实施例，确定每个附加磁性元件的取向，使得每个附加磁性元件的切向磁性取向离开南极而射向北极。
根据本发明的一些实施例，该转子被成型为圆盘。
根据本发明的一些实施例，至少一些磁体对是对接的。
根据本发明的一些实施例，至少一些磁体对与相邻磁体对隔开。
根据本发明的一些实施例，该转子包括位于每个磁体对之间的空间。
根据本发明的一些实施例，该磁体对包括互相对接的永磁体。
根据本发明的一些实施例，至少一些磁体对包括隔开的永磁体，使得其不互相接触。
根据本发明的一些实施例，全部磁体对都是对接的，并且全部永磁体元件都具有相同尺寸和相同形状。
根据本发明的一些实施例，至少一些磁体对是对接的，并且包括相同尺寸和相同形状的永磁体元件。
根据本发明的一些实施例，该转子还包括软磁性磁轭。
根据本发明的一些实施例，磁轭包括使每个磁体对与相邻磁体对分离的肋。
根据本发明的一些实施例，磁轭包括使每个永磁体与相邻永磁体分离的肋。
根据本发明的一些实施例，磁轭包括径向槽形开口。
根据本发明的一些实施例，至少一些磁体具有由磁轭支承并且通过开口中的一个还至少局部暴露在空气中的面。
根据本发明的一些实施例，该转子包括第一层，其中交替的北磁极和南磁极分别由一对永磁体产生，其中所述成对磁体的磁化的轴向分量是同向的，并且所述成对磁体的磁化的切向分量是反向的，并且该转子还包括与第一层相邻的第二层，该第二层包括轴向磁化的永磁体。
根据本发明的一些实施例，第二层的每个轴向磁化永磁体都具有与第二层上与其相邻的轴向磁化永磁体相反的磁性取向。
根据本发明的一些实施例，每个磁体对的磁体互相对接并且与轴向磁化磁体件中的一个对接。
根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一种包括具有转轴的转子的轴向气隙式电机，该转子包括交替的北磁极和南磁极，每个北极和南极都由一对永磁体产生，其中成对磁体磁化的轴向分量是同向的，并且成对磁体磁化的切向分量是反向的。
根据本发明的一些实施例，该电机包括转子总成，该转子总成包括两个隔开转子，每个隔开转子分别包括交替的北磁极和南磁极，每个所述北极和所述南极都由一对永磁体产生，其中所述成对磁体磁化的轴向分量是同向的，并且所述成对磁体磁化的切向分量是反向的，隔开转子在其间产生通过相邻磁极部使反向轴向磁通闭合的磁通。
根据本发明的一些实施例，该电机包括位于转子之间的定子。
根据本发明的一些实施例，该电机还包括至少一个盘形转子，该盘形转子包括形成其磁极数量等于每个隔开转子的磁极数量的异极磁性系统的轴向磁化永磁体。
根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一种用于轴向气隙式电机的转子，该转子提供比可比尺寸和可比重量的哈尔巴赫系统可用的90°磁通量大的磁通量并且仅包括两种永磁体部件。
根据本发明的一些实施例，两种永磁体部件是相同形状的但是其磁性取向不同。
根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一种构造用于轴向气隙式电机的方法，包括：
a)构造第一组和第二组永磁体对；以及
b)构造磁体对的盘形总成，使得围绕盘形总成，第一组磁体对与第二组磁体对交替，其中：
i)定位并且确定第一组的和第二组的磁体对的取向，使得每对的轴向磁化分量同向；
ii)定位并且确定第一组的磁体对，使得其磁化的切向分量互相相向；以及
iii)定位并且确定第二组的磁体对，使得其磁化的切向分量互相离开。
除非另外说明，在此使用的所有技术术语和/或者科学术语具有本发明所属技术领域内的普通技术人员通常理解的意义。下面描述了示例性方法和/或者材料，但是在实施或者测试本发明的实施例中能够使用与在此描述的方法和材料相同或者等同的方法和材料。如果矛盾，则由包括定义的专利说明书限定。此外，材料、方法和例子仅是说明性的并且无意是必然限制。
附图说明
在此，仅作为例子，参考附图描述本发明的一些实施例。关于现在具体详细参考附图，强调所示的细节仅作为例子并且为了说明性地讨论本发明实施例。在这方面，在此利用附图所做的描述使得本技术领域内的技术人员对于可以如何实施本发明的实施例显而易见。
附图中：
图1示出根据现有技术的方法，具有通过厚度磁化的并且粘附到磁轭盘面上的分离永久磁性件的转子的等角图并且还示出了采用该等角图所示转子的电机的截面图；
图2示出根据现有技术的方法，具有通过厚度磁化的并且固定到盘状磁轭上的层叠永久磁性件的转子的截面图和俯视图；
图3是根据现有技术的方法，包括示出传统设计的哈尔巴赫(Halbach)设计的细部的转子的等角图；
图4是根据现有技术的方法，机械连接的并且互相面对的两个转子、哈尔巴赫设计的等角图；
图5示出根据现有技术的方法，互相面对的两个哈尔巴赫转子的附加视图并且进一步示出采用这种转子的电机的截面图；
图6示出根据现有技术的方法，具有轴向磁化永久磁性扇区和插入软磁性扇区的无磁轭的侧视图和俯视图；
图7示出了根据现有技术的方法，具有轴向和切向交错磁化的永久磁性扇区的无磁轭转子的俯视图和等角图的详部；
图8A是根据本发明的一些实施例，具有平面磁轭的转子的分解等角图；
图8B是根据本发明的一些实施例，图8A的转子的等角图，并且包括示出该转子的一部分的更详图的插图；
图9是根据本发明的一些实施例，具有平面磁轭的转子的详细局部的等角图，其中每个磁极都由2个对接磁性件制成，以相对于轴成约45度磁化每个对接磁性件，并且磁极互相隔开；
图10A是根据本发明的一些实施例，具有肋型磁轭的转子的分解等角图，其中每个磁极都由2个对接磁性件制成，以相对于轴成约45度磁化每个对接磁性件，并且磁极互相隔开；
图10B是根据本发明的一些实施例，图10A的转子的等角图，并且包括示出该转子的一部分的更详图的插图；
图11A是根据本发明的一些实施例，具有肋型磁轭的转子的分解等角图，其中根据本发明的一些实施例，每个磁极都由2个隔开的磁性件制成，相对于轴成约45度磁化每个磁性件，并且磁极互相隔开。
图11B是根据本发明的一些实施例，图11A公开的转子的等角图，并且包括示出该转子的一部分的更详图的插图；
图12A是根据本发明的一些实施例，没有磁轭的转子的分解等角图，其中每个磁极都由2个对接磁性件制成，相对于轴成约45度磁化每个磁性件，磁极互相公开，并且切向磁化扇区插在磁极之间；
图12B是根据本发明的一些实施例，图12A公开的转子的详细局部的等角图；
图13A是根据本发明的一些实施例，具有平面磁轭的转子的分解等角图，其中每个磁极都由两层制成，公开于图6A中的第一层和包括对接的交替轴向磁化磁性件的第二层；
图13B是根据本发明的一些实施例，图13A公开的转子的等角图，并且包括示出该转子的一部分的更详图的插图；
图14是根据本发明的一些实施例，在轴向磁场型电动机中可用的转子总成的等角图；
图15是采用根据本发明的一些实施例制成的转子总成的轴向磁场型电动机的分解图；
图16A示出近似其计算工作磁通量的几个现有技术设计的局部等角图，计算结果/估计结果示于图17中；
图16B示出近似计算其工作磁通量的根据本发明实施例的几个设计的局部等角图，计算结果/估计结果示于图17中；
图17是示出对图16A和16B所示设计近似计算/估计的该总裁论坛的表；
图18A是采用根据本发明的一些实施例的两个转子、两个传统轴向磁通永久磁性转子以及分别位于一对转子之间的三个无心定子的多级模块化轴向磁通机的等角图；
图18B是根据本发明的一些实施例，图18A公开的轴向磁通机的截面图；
图19是用于图18公开的轴向磁通机的传统轴向磁通永久磁性转子的等角图。
具体实施方式
本发明在其一些实施例中涉及诸如电动机和/或者发电机的电机的转子，并且更特别地涉及但并不仅仅涉及轴向气隙式电机的平面转子的磁性元件的布型。
本公开和下面的权利要求书中使用的术语“机”和“电机”被认为既包括电动机又包括发电机。
先前已知设计
为了更好地理解如附图中的图8－19所示的本发明的一些实施例，首先参考几个已知设计的转子的构造和运行，如图1－7所示。
首先，请注意图1和2，图1和2示出了根据现有技术的方法的轴向磁通转子的异极磁性系统。图1由Koji Miyata等人的美国专利申请2010/0253173A1改编。图2由授予Christopher W.Gabrys Grassman的美国专利7,084,548 B1改编。被看作这些类型的代表性的这些系统分别包括多个通过厚度磁化的相同永久磁性件。磁体交替固定在磁轭面上(通常由其N面装接的磁体与由其S面装接的磁体交替，交替地围绕转子)，以实现异极磁化。关于与电机内的定子相邻的转子的面(在此称为“工作面”)，每个磁性件都形成磁极，或者是产生基本上出射轴向磁通F的北极A，或者是产生基本上入射轴向磁通G的南极B，并且这些磁极围绕转子交替。这些磁性件以圆环方式不至于被形成为圆盘的软磁轭E的面上。磁轭E作为磁极A与B之间的切向磁通量J的导体。
诸如图1和2所示系统的系统采用的方式使得根据多个相同永久磁性件构造。这样可以显著简化系统的设计和构造，但是这样做的缺陷是需要非常重的磁轭，因为其用于传导相当高的换相磁通量。重磁轭在实际使用中有缺陷，并且在构造中难以处理，因为其笨重，并且可以代表丧失了效率，因为其是仅用于完成关闭磁通量磁场的无源零件，并且相反对于产生磁能无贡献。
根据现有技术的方法也已知的变型方式示于图3－5中。这些设计基于所称的“哈尔巴赫”阵列，其中每个磁极(或者是北磁极A和/或者是南磁极B)都由大约相同形状的许多扇形永久磁性件构造(图3的例子中示出8个这种磁性件)。该方法使得能够实现仅包括产生磁能的有源磁通路部件的转子构造，因为可以不需要磁轭。例如，通过以相对于转子轴0°开始(切向磁化)而以180°结束(轴向磁化)，以与相邻磁性件的磁化角不同的角度磁化每个扇形永久磁性件，正如在图3中所见，利用8个磁性件形成180°转折。例如，在该图中构成磁极A的磁性件被标记为A1－A8。
图4示出另一种哈尔巴赫实现，其中两个机械连接的哈尔巴赫转子R1和R2互相面对，正如Mark J.Blackwelder等人的美国专利申请2011/024567A1所公开的。图4示出由7个永久磁性扇区构建的每个转子的磁极部。关于该图上的转子中的一个转子：
·半个宽度的轴向磁化扇区A11产生磁通G1(F1)；
·在相对于轴向方位为～30度磁化的扇区A12产生磁通G2(F2)；
·在相对于轴向方位为～60度磁化的扇区A13产生磁通G3(F3)；
·在相对于轴向方位为～90度(与轴成切向并且垂直于该轴)磁化的扇区A14产生磁通T；
·在相对于轴向方位为～120度磁化的扇区A15产生磁通F3(G3)；
·在相对于轴向方位为～150度磁化的扇区A16产生磁通F2(G2)；以及
·半个宽度的轴向磁化扇区A17产生磁通G1(F1)。
由于扇区A11和A17相同，所以存在6个不同类型的磁性扇区件。转子R1的磁通G1－G2－G3－T－F3－F2－F1与转子R2的磁通G1－G2－G3－T－F3－F2－F1一起构造集中于转子R1－R2之间的操作间隙的工作磁通Φ。
由Hugo H.van den Bergh等人的美国专利申请2005/0236918 A1改编的图5示出相同构型。图5示出由互相面对的两个机械连接哈尔巴赫转子R11－R12形成的磁性系统的详图。该图还示出采用该转子的电机的截面图。在该构型中，北磁极A和南磁极B分别由5个以及磁性扇区构成：
·1个轴向磁化的永久磁性扇区A21(B21)，
·1个以相对于轴向顺时针～60°度磁化的永久磁性扇区A22(B22)。
·1个以逆时针～60°磁化的永久磁性扇区A23(B23)。
·2个切向磁化的永久磁性扇区T1和T2。
因此，在该构造中，采用了4个不同类型的永久磁性扇区件。
图3－5所示的基于哈尔巴赫的构造的优点在于其可以产生良好磁通水平。然而，其存在缺陷，因为其每个都要求由多个不同类型的磁体组装转子，该要求增加了数理逻辑处理和组装过程的成本和复杂性。采用多种类型的磁性件还可能导致磁性件本身的制造过程中要求的压铸加工和磁化固定的数量倍增，因为每种类型都需要在不同定向磁畴取向磁场下压制，并且因此，要求由不同定向的磁化磁场磁化。
现在，请注意图6，有意根据现有技术的方法，尝试以不复杂的设计提供整个有源磁通路(与哈尔巴赫一样)。图6由授予Richard F.Post的美国专利5,783,885改编，并且示出了轴向磁化扇区(N和S，在该图中被标记为A和B)与切向磁化扇区T2交替的无磁轭异极磁性系统。产生基本上轴向磁通F的北极扇区A和产生基本上轴向磁通G的南极扇区B之间插入了产生切向磁通K的极间磁性扇区T2。该设计较简单，但是与哈尔巴赫设计的情况相同，没有提供完全集中于圆盘的工作面附近的磁场。图6所示的设计可以仅提供工作面上方约80％磁通，而不是如哈尔巴赫设计通常产生的那样，使磁通分布在工作面上方(在该图中，被标记磁通F和G的一侧)。申请人估计大约20％的磁场泄漏到圆盘的错误一侧。换句话说，图6所示的设计比哈尔巴赫设计的效率显著低下。
现在，请注意图7，图7示出了根据现有技术的方法的另一种无磁轭异极磁性系统。图7是由Mark J.Blackwelder等人的美国专利申请2011/024567A1改编的。图7示出软磁性扇区H插在北极扇区A与南极扇区B之间的无磁轭系统。扇区A和B实际上产生轴向磁通。软磁性扇区H提供使这些磁通闭合的通路。该设计也不能提供完全集中在圆盘的工作面附近的磁场。相反，申请人估计图7的设计使得很大一部分磁场(或许大至约30％)超出圆盘并且靠近其外部非工作面。因此，该现有技术设计尽管因为可以仅利用一种轴向磁化的简单棱形磁体构造而较简单，但是效率较低。
如上所做的简要描述，与图1和2所示系统相同的现有技术的系统在使用转子可用的空间体积方面的效率低下，可能导致降低的电效率。与图3－5所示的系统相同的现有技术的系统可以具有较高的效率，但是与诸如图1和2所示系统的系统相比，较复杂，并且具有诸如构造成本较高的伴生缺陷。诸如图6和7所示系统的系统不复杂，并且比较容易构造，但是效率非常低。
一些实施例的描述
与现有技术中已知的一些电机设计相比，在使用电机的平面转子的可用空间方面，在此描述的一些实施例可以提供较高的效率。与现有技术已知的空间高效设计相比，在此描述的一些实施例构建起来较简单、较容易并且/或者较不昂贵。
在一些实施例中，具有转轴的轴向气隙式电机包括至少一个具有交替北磁极和南磁极的盘形转子。任选地，每个磁极由一对其磁化取向相对于转轴的取向倾斜15°与75°之间和/或者30°与60°之间和/或者任选地约45°度的磁体构成。
对于每对，组成磁体的磁化的轴向分量同向，而其切向分量反向。
在第一组对中，取向该对的两个磁体的磁化，使得其轴向分量(任选地，相等强度)的取向向着转子的工作面，并且其切向分量的取向互相向着。该第一组的对产生转子的北极。
在第二组对中，取向该对的两个磁体的磁化，使得其轴向分量(任选地，相等强度)的取向离开转子的工作面，并且其切向分量的取向互相离开。该第二组的对产生转子的南极。
在一些实施例中，第一组中的对与第二组中的对围绕转子交替，围绕转子产生交替的北极和南极。
在一些实施例中，磁体在物理型式方面，基本上相同，而在磁性取向方面不同。在一些实施例中，磁体是对接的，如图8A所示。
在一些实施例中，一些或者全部组成磁体互相稍许隔开，如下所述。在一些实施例中，具有顺时针方向定向的切向磁化分量的磁体与具有逆时针方向定向的切向磁化分量的磁体交替，并且二者插在南极与北极之间并且互相交替。
在一些实施例中，设置软磁性后磁轭。在一些实施例中，磁轭设置有肋。在一些实施例中，磁轭未设置肋。在一些实施例中，磁轭设置有开口，任选地，是径向槽形开口，其用于冷却。在一些实施例中，未设置磁轭开口。
利用各种磁性材料并且利用不同尺寸的磁性元件能够构造本发明的实施例。通常，请注意，在在此提供的图中，所示的实施例一般地具有通常对称样式的构型，例如，具有径向对称布置的相同尺寸和形状的磁性件，并且该磁性件具有均匀隔开的相同尺寸的磁极。然而，请注意，尺寸和形状以及位置和间隔的这种相同性和对称性不被看作实施本发明的限制，并且利用可以是相同和/或者不同尺寸和形状并且可以对称和/或者非对称、在径向和/或者非径向定位的、具有相同和/或者非相同的磁极尺寸和间隔以及磁性取向的磁性部件和非磁性部件，可以构造实施例，并且所有这些变型被看作本发明的实施例。
还请注意，参考在此描述的各种实施例，参考磁性部件并且参考具有特定取向和方向的磁通。例如，提到其磁性取向具有“轴向”分量和“切向”分量的各种元件。请注意，该部件还具有既非轴向又非切向的附加分量，并且如此取向的部件也包括在所描述的本发明的范围内。
一些实施例仅包括两种永久磁性件，并且在仅包括两种永久磁性件的一些实施例中，这些磁性件任选地具有相同的物理形状和不同的磁性取向。
通常，申请人已经发现，如下所述，当磁性元件的厚度接近磁性件构造的磁极的长度的一半时，实现良好效率，但是该考虑也不被看作限制，并且与示例性实施例在此所示的不同的各种厚度和/或者相对尺寸的构造也被看作本发明实施例。
在一些实施例中，电机包括根据在此描述的本发明实施例的转子，并且还包括一个或者多个传统轴向磁通永磁转子。
在本发明的一些实施例中，平面物体具有至少一个并且任选地具有两个接近几何平面、超过其表面积的至少80％或者90％或者更多的面。任选地，当处于通过该面的平坦面的5％或者10％内时，该面接近平面，该百分比是物体的算术平均厚度。在本发明的示例性实施例中，两个面基本上平行(例如，在接近该面的两个平面之间具有175度与195度之间的角度(例如，采用该面各部分的质量的RMS近似))。
在本发明的示例性实施例中，平面物体具有小于物体的最大尺寸的30％、20％、10％或者中等百分比的厚度。
在一些实施例中，采用接近(例如，在10％、5％内或者更好地是每个尺寸)其基面的尺寸小于其高度(例如，的20％、10％或者中等百分比或者更小百分比)的直棱柱的圆盘形状。
在一些实施例中，圆盘形状的物体是平面物体，例如，其直径小于其在其他方向上的最大尺度的20％、10％或者中等百分比。
在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应当明白，本发明的应用不一定局限于构造的细节和部件的布置并且/或者下面的描述中描述的和/或者附图所示的和/或者例子中描述的方法。本发明能够有其他实施例或者能够以各种方式实施或者实现本发明。
现在，请注意图8A，图8A是根据本发明的一些实施例，至少一些磁极(在该示例性图中，每个磁极)包括两侧面对的磁体的电机的转子的分解透视图。如图所示，在一些实施例中，至少一些磁极(在该示例性图中，每个磁极)由每个相对于轴成30°与60°之间的角度并且任选地成约45°(在一些实施例中，考虑15°与75°之间的磁化角)磁化的两个对接磁体制成。反向定向这些对接磁体的切向磁化分量，而其轴向磁化分量同向。结果是交替的北极和南极。在一些实施例中，对接磁体是相同形状的并且/或者磁性取向不同。
在一些实施例中，径向取向磁体。在一些实施例中，形成磁极的磁体对也互相对接。
图8A示出上面布置了20个南极1110和2个北极1210的平面框式磁轭2100。磁极1110和1210固定在磁轭2100上，并且盘芯2300并且任选地环2200使其保持在上面。
至少一些南极1110(在该示例性的非限制性实施例中)由两个基本上相同的对接磁化件1111A和1111B构成。在一些实施例中，分别如镜头1112A和1112B所示，以相对于轴约45°(在一些实施例中，以30°与60°之间的角度，在一些实施例中，以15°与75°之间的角度)磁化两个磁化件。反向定向这些径向对接磁性件的这些箭头1112A和1112B的切向分量，而向着磁轭2100，其轴向磁化分量同向。
同样，至少一些北极1210(在该示例性的非限制性实施例中，每个北极)由分别如箭头1212A和1212B所示以相对于轴约45度(在一些实施例中，以30°与60°之间，在一些实施例中，以15°与75°之间)磁化的两个基本上相同对接件1211A和1211B构成。这些箭头1212A和1212B的切向分量也反向定向，而其轴向磁化分量从磁轭2100同向出射。磁极1110和1210本身也任选地互相对接。
在一些实施例中，南极1110的相邻面1119和北极1210的相邻面1219布置于径向磁轭部2120上。极间边界侧任选地位于径向槽2110上。该图中示出20个北极和20个南极，但是应当明白，数量(在该图中和其他图中)是示例性的并且不受限制。所示的北极和南极互相成180°取向，但是该特征也是示例性的并且不受限制。
图8B示出根据本发明的一些实施例，图8A的转子的非分解图和该转子的一部分的分解详图。
图8A和8B所示的以及在此描述的其他设计的转子可以具有与理想哈尔巴赫系统接近的磁效率。一些实施例例如提供由兼容尺寸和重量的哈尔巴赫系统可用的90°以上的磁通量，然而，其仅包括两种永磁部件。然而，与相应哈尔巴赫系统相比，诸如图8A和8B所示实施例的实施例的构造和制造可以较简单，并且成本较低，因为(上面在现有技术的例子中所示的)哈尔巴赫系统(例如，图7所示的)包括多个不同磁性单元和/或者相同磁性单元的多个取向，而仅两个取向和/或者两种磁性单元部件足以构造如图8A和8B所示的实施例。
现在，请注意图9，图9是根据本发明实施例的转子的视图。转子3000与转子1000的不同之处在于转子3000包括位于南极1110与北极1210之间的间隙3101。在一些实施例中，间隙3101用于通过间隙改善通风。在该图中示出多个相同间隙，但是应当明白，该构型是示例性的并且不受限制，间隙3101可以是不同尺寸的，并且任选地，可以位于一些磁极之间而不位于其他磁极之间。
在一些实施例中，可以将间隙3101用作构造元件。例如，间隙3101可以由环氧树脂化合物填充。
现在，请注意根据本发明的一些实施例的图10A和图10B，图10A示出转子4000的分解图，图10B示出转子的透视图和详图。转子4000与转子3000的不同之处在于转子4000包括肋型磁轭4100，而转子3000包括平面磁轭。转子4000包括位于间隙槽4110之间的径向磁轭部4120上并且因此位于南极1110与北极1210之间的肋4115。肋4115由软磁性材料制成，以如图10B的箭头4310所示，传导磁通。在一些实施例中，肋4115被构造为磁轭4100的整体部分。由该图可以看出，两个对接永磁体可以位于每对肋之间或者一些肋对之间。
肋4115的优点在于，其可以改善转子的刚性。为了避免这样产生的连续永磁体之间的间隙导致的磁通降低，在一些实施例中，肋4115可以由磁通传导材料构造。
现在，请注意根据本发明的一些实施例的图11A和图11B，图11A示出也具有肋型磁轭的转子5000的分解图，图11B示出转子5000的透视图和详图。
图11A示出具有肋型磁轭5100的转子5000，在该肋型磁轭5100上(在所示的示例性实施例中)，布置20个南极1110和20个北极1210。一些或者全部磁极1110和磁极1210分别可以包括两个对接磁体。在一些实施例中，这些南极和北极固定在磁轭5100上，并且由肋盘芯2300、肋5111、5112和5210和/或者任选地由环2200保持在其上。任选地，每个南极1110都由如该图中的小箭头所示在向着磁轭5100的不同切向上以相对于轴约45°(在一些实施例中，在30°与60°之间，在一些实施例中，在15°与75°之间)磁化的两个任选相同形状的磁体1111A－1111B构成。磁体1111A和1111B由隔开间隙5101分离。同样，任选地，一些或者每个北极1210都由如该图中的小箭头所示在向着磁轭5100的不同切向上以相对于轴约45°(在一些实施例中，在30°与60°之间，在一些实施例中，在15°与75°之间)磁化的两个任选相同磁体1211A－1211B构成。磁体1211A和1211B也任选地由间隙5101分离。
任选地可以由非磁性材料制成的磁轭肋5111插在南极1110的磁性件1111A－1111B之间。同样，任选地可以由非磁性材料制成的磁轭肋5121任选地插在北极1210的磁性件1211A－1211B之间。
使北极1110与南极1120分离的磁轭肋5210任选地由软磁性材料制成。肋5210传导磁通，如箭头5310所示，并且优选地可以作为磁轭5100的一部分制成。转子5000的肋型结构显著改善转子的刚性，然而，磁体间间隙可以不降低磁通，因为该间隙可以由磁通传导材料填充。
现在，请注意图12A和12B。根据本发明的一些实施例，图12A示出无磁轭转子6000的分解图，并且图12B示出转子6000的透视图和详图。
示例性转子6000包括：20个南极1110、20个北极1210、以逆时针方向在切向上磁化的极间磁体件6110以及以顺时针方向在切向上磁化的极间磁体件6120。以南极1110的逆时针定位磁体件6110，并且使磁体件6110处于逆时针方向取向，而以北极1210的顺时针布置磁体件6120，并且使磁体件6120处于顺时针方向取向。任选地，所有磁性件1111A、1111B、1211A、1211B、6110、6120都由盘芯2300和环2200保持。每个南极1110都由以相对于转轴约45°度(在一些实施例中，在30°与60°之间，在一些实施例中，在15°与75°之间)磁化的两个(任选地具有相同形状并且/或者任选地对接的)磁性件1111A和1111B构成，使得其磁化的轴向分量从工作面射出，并且该对的两个磁体具有以不同切向取向的切向磁化分量，如箭头所示。同样，每个北极1210都由以相对于转轴约45°度(在一些实施例中，在30°与60°之间，在一些实施例中，在15°与75°之间)磁化的两个(任选地具有相同形状并且/或者任选地对接的)磁性件1211A和1211B构成，其磁化处于向着转子的工作面的取向，并且具有互相不同的切向，如箭头所示。在要求全无钢构造的环境下可以使用无磁轭转子6000。
现在，请注意图13A和13B，图13A和13B示出任选地包括平面框式磁轭2100的双磁性层转子7000，(在该非限制性示例性实施例中)20个南极7110和20个北极7210设置于平面框式磁轭2100上，并且任选地固定于磁轭2100上且由盘芯2300并且任选地由环2200保持在其上。每个南极7110都由2个磁性层构成，如图所示。
·第一层，如图8中所公开的，该第一层由以相对于轴约45°(或者任选地30°－60°，或者任选地15°－70°)磁化的两个磁性件7111A和7111B(任选地，相同形状的，任选地对接的)构成，并且互相分离并且/或者与工作面分离且向着磁轭2100(如果存在)；以及
·第二层，该第二层包括在轴向上离开工作面而向着磁轭2100(如果存在)磁化的磁性件7111。
同样，每个北极7210都包括两个磁性层，第一层如图8中所公开的并且由分别以相对于从磁轭2100出射的轴约45°(或者任选地30°－60°，或者任选地15°－70°)磁化的两个任选地相同形状并且任选地对接的磁性件7211A和7211B构成，第二层是在轴向上向着工作面而离开磁轭2100(如果存在)磁化的单个磁性件7211。
现在，请注意图14和15，图14和15示出包括如图8公开的并且在轴向磁场电机中可用的两个相同转子1000A和1000B的示例性转子总成8000。如插图中的箭头所示，在转子之间的间隙9300内出射磁通。该磁通包括反向轴向磁通8100和8200的相邻磁极部。转子1000A和1000B由磁力互相装接在一起，并且通过使磁通8100、8200具有理想值的盘芯2300A和2300B，使转子1000A和1000B保持固定物理关系。图15示出如何利用如图14公开的并且包括2个相同转子1000A和1000B并且使平坦盘式定子9100进入转子1000A和1000B之间的间隙8200构造轴向磁场电机9000。为了使该图清楚起见，放大转子与定子之间的距离。
现在，请注意图16和17。图17提供计算结果的非限制性近似表，该表提供与一些现有技术构型产生的估计磁通相比，由本发明的一些实施例产生的估计磁通的近似比较。图17的表在假定部件的尺寸和重量总体相同的情况下，将根据各种磁设计产生的估计磁通进行比较。为了有助于理解图17的表，通过以概括方式示出已经对其计算估计磁通的各种设计，提供图16A和16B。
现在，请注意图18，图18示出根据本发明的一些实施例的多级模块化轴向磁通机器9500。在图18所示的示例性实施例中，机器9500包括根据本发明实施例的两个端转子1000A和1000B以及两个传统轴向永磁转子1900－1、1900－2，所有转子都任选地具有相同数量的轴向磁化极。机器9500还包括插在转子1000A、1000B、1900－1、1900－2之间的3个无心定子9100－1、9100－2、9100－3。内部转子1900－1和1900－2通常与端转子1000A和1000B一起产生轴向磁通8500，该轴向磁通8500在端转子1000A和1000B内闭合，并且与定子9100－1、9100－2和9100－3交叉。
现在，参考图19，图19示出图18中涉及的传统轴向磁通永磁转子1900。转子1900承载基本上以轴向磁化的交替北磁极和南磁极，并且任选地包括所属磁极固定在上面的例如盘芯1920的传统元件。
预期在由该申请获得的专利的有效期内，将开放出许多相关电机，并且推测术语“电机”的范围意在包括所有这些新技术。
在此使用的术语“约”指±15％。
术语“包括”、“包含”、“含盖”、“含有”、“具有”以及它们的变形意味着“包括但并不局限于”。
术语“由……构成”意味着“包括但局限于”。
在本申请中，以范围方式描述了本发明的各种实施例。应当明白，范围方式的描述仅是为了方便和简洁，并且不应当看作是对本发明范围的刚性限制。因此，应当认为范围的描述已经具体公开了所有可能子范围和该范围内的各数值。例如，应当认为诸如从1到6的范围的描述已经具体公开了诸如从1到3、从1到4、从1到5、从2到4、从2到6、从3到6等的子范围以及该范围内的数值，例如，1、2、3、4、5和6。这均适用，而与范围的宽度无关。
每当在此指出数值范围时，就意味着包括所指范围内列举的任何数值(小数或者整数)。在此互换使用短语“在”第一指示数与第二指示数“范围内的/范围之间”内与“从”第一指示数“到”第二指示数的“范围/范围”内，并且意味着包括第一指示数和第二指示数以及其间的所有小数和整数。
应当明白，为了简洁起见根据独立实施例描述的本发明的特定特征还可以在单个实施例中以组合方式实现。相反，为了简洁起见根据单个实施例描述的本发明的各种特征还可以分别地或者以任何适当分组合方式实现或者在所描述的本发明的任何其他实施例中适当实现。根据各种实施例描述的特定特征不被看作这些实施例的实质特征，除非没有这些要素，该实施例不工作。
尽管结合本发明的特定实施例描述了本发明，但是应当明白，对于本技术领域内的技术人员，许多替换、修改和变型显而易见。因此，意在包括落入所附权利要求书的广泛实质范围内的所有这些替换、修改和变型。
通过以如同具体并且分别指出在此通过引用合并每个单独公开、专利或者专利申请书的程度引用到该说明书中，在此完整合并本说明书中提到的所有公开、专利和专利说明书。此外，在本说明书中列举并且确定任何参考文献不能被理解为认可将这些参考文献用作本发明的现有技术。就使用小节标题的范围，不应当认为其是必然限制。

Claims (37)

1.一种用于轴向气隙式电机的转子，其包括交替的北磁极和南磁极，所述磁极的每个都由一个永磁体对产生。
2.根据权利要求1所述的转子，其中，对于每个所述永磁体对，所述磁体的轴向磁化分量是同向的，并且所述成对磁体的切向磁化分量互相反向。
3.根据权利要求2所述的转子，其包括第一组和第二组磁体对；所述第一组磁体对具有彼此相向的切向磁化分量，所述第二组磁体具有方向彼此相离的切向磁化分量；并且其中围绕所述转子，所述第一组磁体对与所述第二组磁体对交替。
4.根据权利要求1所述的转子，其中所述磁体对以相对于所述转子的转轴成约45°的方向磁化。
5.根据权利要求1所述的转子，其中所述磁体对以相对于所述转子的转轴成在30°与60°之间的角度的方向磁化。
6.一种用于具有转轴的轴向气隙式电机的转子，所述转子包括交替的北磁极和南磁极，所述北磁极和南磁极的每个都由一个永磁体对产生，其中所述磁体对的轴向磁化分量是同向的，并且所述成对磁体的切向磁化分量是反向的。
7.根据权利要求6所述的转子，其包括第一组和第二组磁体对；所述第一组磁体对具有彼此相向的切向磁化分量，所述第二组磁体对具有方向彼此相离的切向磁化分量；并且其中围绕所述转子，所述第一组磁体对与所述第二组磁体对交替。
8.根据权利要求6所述的转子，其中，所述磁体对以相对于所述转子的转轴成约45°的方向磁化。
9.根据权利要求6所述的转子，其中，所述磁体对以相对于所述转子的转轴成在30°与60°之间的角度的方向磁化。
10.根据权利要求6所述的转子，其中，所述磁体对以相对于所述转子的转轴成在15°与75°之间的角度的方向磁化。
11.根据权利要求6所述的转子，其中，具有切向磁化分量的附加磁体元件插在所述南极与所述北极之间。
12.根据权利要求11所述的转子，其中，所述附加磁体元件被设置方向，使得其切向磁化分量从产生南极的磁体对发出，并且指向产生北极的磁体对。
13.根据权利要求11所述的转子，其中，插在所述南极与所述北极之间的所述附加磁性元件在第一组附加磁性元件与第二组附加磁性元件之间交替；所述第一组附加磁性元件具有从顺时针方向和逆时针方向中选择的第一方向的切向磁性方向，所述第二组附加磁性元件具有与所述第一方向相反的第二方向的切向磁性方向。
14.根据权利要求13所述的转子，其中，每个所述附加磁性元件被设置方向，使得每个所述附加磁性元件的切向磁性方向离开南极而指向北极。
15.根据权利要求6所述的转子，其形状为圆盘。
16.根据权利要求6所述的转子，其中所述磁体对中的至少一些是对接的。
17.根据权利要求6所述的转子，其中所述磁体对中的至少一些与相邻的磁体对是隔开的。
18.根据权利要求6所述的转子，其包括位于所述磁体对的每个之间的空间。
19.根据权利要求6所述的转子，其中，所述磁体对包括互相对接的永磁体。
20.根据权利要求6所述的转子，其中，所述磁体对中的至少一些包括隔开的永磁体，使得其不互相接触。
21.根据权利要求6所述的转子，其中，全部所述磁体对都是对接的，并且全部所述永磁体元件都具有相同尺寸和相同形状。
22.根据权利要求6所述的转子，其中，所述磁体对的至少一些是对接的并且包括相同尺寸和相同形状的永磁体元件。
23.根据权利要求6所述的转子，还包括软磁性磁轭。
24.根据权利要求23所述的转子，其中所述磁轭包括使每个磁体对与其相邻磁体对分离的肋。
25.根据权利要求23所述的转子，其中所述磁轭包括使每个永磁体与相邻永磁体分离的肋。
26.根据权利要求23所述的转子，其中，所述磁轭包括径向槽形开口。
27.根据权利要求26所述的转子，其中，所述磁体中至少一些具有面，该面由所述磁轭支承并且通过所述开口中的一个还至少局部暴露在空气中。
28.根据权利要求6所述的转子，其中，权利要求6中所述的磁体包括第一层，并且所述转子还包括与所述第一层相邻的第二层，所述第二层包括轴向磁化的永磁体。
29.根据权利要求28所述的转子，其中，所述第二层的每个所述轴向磁化永磁体都具有与在所述第二层上与其相邻的轴向磁化永磁体相反的磁性方向。
30.根据权利要求28所述的转子，其中，所述磁体对中每个的磁体互相对接并且与所述轴向磁化磁体件中的一个对接。
31.一种包括权利要求6所述的转子的轴向气隙式电机。
32.根据权利要求31所述的电机，其包括转子总成，该转子总成包括两个隔开转子，每个隔开转子分别如权利要求6所述，在该两个隔开转子间产生通过相邻磁极部使反向轴向磁通闭合的磁通。
33.根据权利要求32所述的电机，其包括位于所述转子之间的定子。
34.根据权利要求32所述的电机，还包括至少一个盘形转子，该盘形转子包括轴向磁化永磁体，该轴向磁化永磁体形成异极磁性系统，该异极磁性系统的磁极数量等于每个所述隔开的如权利要求6所述的转子的磁极数量。
35.一种用于轴向气隙式电机的转子，该转子提供可比尺寸和可比重量的哈尔巴赫系统可用的超过90°磁通量并且仅包括两种永磁体部件。
36.根据权利要求35所述的转子，其中所述两种永磁体部件是相同形状的但是其磁性方向不同。
37.一种构造用于轴向气隙式电机的转子的方法，其包括：
a)构造第一组和第二组永磁体对；以及
b)构造所述磁体对的盘形总成，使得围绕所述盘形总成，所述第一组磁体对与所述第二组磁体对交替，其中：
i)对所述第一组的和所述第二组的磁体对定位和设置方向，使得每个磁体对的轴向磁化分量同向；
ii)对所述第一组的磁体对定位和设置方向，使得其磁化的切向分量彼此相向；以及
iii)对所述第二组的磁体对定位和设置方向，使得其磁化的切向分量彼此相离。
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