CN105122614A - 磁通切换式调极电机 - Google Patents

Abstract

一种用于磁通切换式调极电机的定子，该定子包括定子芯、线圈和至少两个永磁体，定子芯包括至少四个共轴的环形定子芯部件，每个环形定子芯部件包括相应的一组径向突出的齿，各环形定子芯部件的齿沿周向分布，其中环形定子芯部件相对于彼此在轴向上移位，并且其中各环形定子芯部件的齿相对于各相邻的环形定子芯部件的齿在周向上移位；其中线圈与环形定子芯部件共轴地布置并且轴向地夹设在两组齿之间；并且其中永磁体被轴向地磁化且轴向地夹设在两个环形定子芯部件之间。

Description

磁通切换式调极电机

技术领域

本发明总体上涉及磁通切换式调极电机。

背景技术

多年来，已经提出了诸如调极电机——例如爪极电机、伦德尔式电机和横向磁通电机(TFM)——的各种电机设计。W.M.Mordey早在1890年以及Alexandersson和Fessenden在1910年左右公开了使用这些电机原理的电机。增加对此类电机的关注的原因之一是，该设计相比于其它已知的电机设计而言实现了很高的转矩输出。

WO2007/024184公开了一种旋转电机，其包括基本上圆形的并包括多个齿的第一定子芯部、基本上圆形的并包括多个齿的第二定子芯部、布置在圆形的第一和第二定子芯部之间的线圈以及包括多个永磁体的转子。所述第一定子芯部、第二定子芯部、线圈和转子环绕共同的几何轴线，并且所述第一定子芯部和所述第二定子芯部的多个齿布置成朝向转子突出。另外，所述第二定子芯部的齿相对于所述第一定子芯部的齿在周向上移位，并且转子中的永磁体通过由软磁性材料制成的沿轴向延伸的磁极部分/磁极片/磁极件而在周向上彼此分隔。

现有技术的横向磁通调极电机的缺点之一是，它们制造起来通常比较昂贵。特别地，此类电机的转子具有相对复杂的结构，其包括大量永磁体。

最近，JianhuYan等人的《利用3-DFEM对新型磁通切换横向磁通永磁体风力发电机的磁场分析(MagneticFieldAnalysisofaNovelFluxSwitchingTransverseFluxPermanentMagnetWindGeneratorwith3-DFEM)》(InternationalConferenceonPowerElectronicsandDriveSystems2009，第332-335页)记载了一种用于风力发电机中的横向磁通永磁体电机，其中永磁体位于定子中而不是转子中。特别地，这种电机已经被描述为由于其相比于常规横向磁通永磁体电机更高的空间利用率而有希望应用于大型低速风力发电。

然而，该现有技术电机的定子仍需要大量构件。

类似的电机还在Z.Q.Zhu等人的《新型直线磁通切换永磁体电机(NovelLinearFlux-SwitchingPermanentMagnetMachines)》(InternationalConferenceonelectricalmachinesandsystems2008，第2948-2953页)中被公开。

通常希望提供生产和装配相对便宜的调极电机。还希望提供具有良好性能参数的电机，所述参数例如是下述中的一个或多个：高结构稳定性，低磁阻，高效的磁通量路径导引，低重量，小尺寸，高容量特定性能，等等。还希望提供用于这种电机的构件。

发明内容

根据本文公开的第一方案，一种用于磁通切换式调极电机的定子包括n相，n为正整数，所述定子包括定子芯、n个线圈和至少n+1个磁体。定子芯包括多个共轴的环形定子芯部件，每个定子芯部件包括至少一组径向突出的齿，每组齿沿周向分布，其中环形定子芯部件相对于彼此在轴向上移位，并且其中每个环形定子芯部件的齿相对于每个相邻的环形定子芯部件的齿在周向上移位。每个线圈与环形定子芯部件共轴地布置并且轴向地夹设在两组齿之间。每个磁体被轴向地磁化并且轴向地夹设在两个环形定子芯部件之间。

因此，本文公开了用于调极电机的定子的实施例，该调极电机不需要许多构件且其构件可高效地生产。

环形芯部件限定出一轴线以及对应的径向方向和周向方向。定子芯部件、线圈和转子环绕共同的几何轴线。在旋转电机中，横向方向为电机的轴线方向，而运动方向为电机的周向方向。

每个磁体可以是永磁体或电磁体或它们的组合。至少(n+1)个磁体中的每个磁体定位成在不同的轴向位置处夹设在不同的一对齿组之间。在一些实施例中，每个磁体都是沿轴线方向被磁化且与定子芯部件共轴地布置的环形永磁体。因此，仅需数量不多的永磁体，因而还简化了电机的装配，因为大量永磁体的装配和安装会是一个繁琐的过程。例如，永磁体可由NdFeB或铁氧体制成。此外，当永磁体形成为环状件时，可实现高性能。或者，至少(n+1)个磁体中的每个磁体可由多个磁体元件装配而成。例如，代替环形永磁体，可使用多个圆弧形的永磁体，其中多个圆弧被装配以形成环。在两种情况下，定子在相应的轴向位置处包括(n+1)个环形磁体。

在一些实施例中，定子包括在轴向上层叠的2(n+1)个定子芯部件；每对定子芯部件可通过至少(n+1)个磁体中的一个磁体或通过n个线圈中的一个线圈分隔开，以使得磁体和线圈形成交替序列。特别地，在一些实施例中，磁体中的第一个磁体夹设在定子芯部件中的第一个和第二个定子芯部件之间，磁体中的第二个磁体夹设在定子芯部件中的第三个和第四个定子芯部件之间，且线圈夹设在第二个和第三个定子芯部件之间。因此，定子芯部件在轴向上层叠，且每对定子芯部件通过磁体或线圈分隔，使得磁体和线圈形成交替序列。

定子芯可由多个单独的构件制成。例如，定子芯部件中的一部分或每个定子芯部件可形成为与其它定子芯部件分离的相应定子芯构件。因而可例如通过P/M工艺方便地制造单个构件。

每个定子芯部件可包括环形定子芯背部和从定子芯背部朝向转子径向延伸的一组齿，其中定子芯背部例如经由连接两个定子芯部件的合适的轴向磁通桥接器来提供允许定子芯部件的相应齿与定子的在轴向上与该定子芯部件相邻的其它构件——尤其是磁体中的一个磁体或定子芯部件中的另一个定子芯部件——之间的磁通量的有效连通的径向和轴向磁通路径。磁体因而可与定子芯背部在径向上对齐。例如，每个定子芯背部可限定出具有内半径的内周和具有外半径的外周，并且每个永磁体可在内、外半径之间径向地延伸。

两个相邻的定子芯部件的齿构成沿周向的相应的齿排，其中所述齿排在轴向上间隔开并通过周向地延伸的间隙分隔。线圈夹设在这样的一对定子芯部件之间，所述线圈被容纳于在它们相应排的齿之间周向地延伸的间隙中。线圈绕组可具有与齿的径向尺寸对应的径向厚度。线圈绕组可从齿的根部——即从定子芯背部的外周——径向地延伸到的齿的末端部。然而，应理解的是，可能希望齿的末端部在径向上比线圈稍微更向外延伸，以便在齿的末端部与转子之间提供界限清楚的气隙并避免线圈干扰转子的运动。

在一些实施例中，定子芯包括连接其间夹设有线圈的定子芯部件的磁通桥接器。该磁通桥接器能操作成提供在所述定子芯部件之间且尤其是在相应的定子芯部件的定子芯背部之间的至少一个轴向磁通路径。

该磁通桥接器可被设置为单独的构件，例如与定子芯部件分离且夹设在定子芯部件之间的环形构件，或它可被集成在一个或两个定子芯部件中。为此，定子芯部件还可包括例如形式为从定子芯背部轴向地延伸的环形凸缘的桥接部段，其提供朝向另一定子芯部件的轴向磁通路径。芯背部和桥接部段因而可提供相应定子芯部件的齿之间的磁通路径。一个定子芯部件的桥接部段可与相邻的定子芯部件的芯背部相靠接。或者，两个相邻的定子芯部件都可包括桥接部段，使得它们的桥接部段朝向彼此突出并且彼此相靠接。再或者，两个定子芯部件以及连接它们的磁通桥接器可形成为单个一体的构件。因此，定子芯部件可成对地互相连接。

通常，在一些实施例中，轴向地层叠的定子芯部件包括两个外部定子芯部件和位于外部定子芯部件之间的2n个内部定子芯部件，所述外部定子芯部件因而构成叠层的相应端部。在一些实施例中，每个定子芯部件都形成为与其它定子芯部件、线圈和磁体一起装配以形成定子的单独构件。在其它实施例中，一部分或全部的内部定子芯部件可被成对地互相连接，使得一对定子芯部件形成为一体的构件。因此，当内部定子芯部件全都被成对地连接时，2(n+1)个定子芯部件由(n+2)个单独的构件形成。例如，每个这样的构件都可包括两个周向的齿排，其中各齿排轴向地间隔开以便形成用于容纳线圈的周向间隙。定子构件还可包括提供各齿排之间的磁通路径的磁通桥接器。这些构件然后可被层叠成使得磁体夹设在每对定子构件之间。

在一些实施例中，定子是用于具有n相(n是大于1的整数，例如n＝3)的多相电机的定子，其中定子包括n个线圈、(n+1)个磁体，并且定子芯包括2(n+1)个定子芯部件。定子的(构成)元件可轴向地布置成使得磁体或线圈夹设在每对相邻的定子芯部件之间以便形成夹设在定子芯部件之间的磁体和线圈的交替轴向序列。定子芯部件限定出包括两个外围定子芯部件和2n个内部定子芯部件的轴向序列。定子芯部件的齿可全都具有相同的形状和轴向尺寸。相邻的各组齿之间的轴向间距可分别取决于磁体和线圈的轴向尺寸。

在一些实施例中，定子用于3相电机并且包括三个线圈和四个磁体，并且其中定子芯包括八个共轴的环形定子芯部件，每个环形定子芯部件包括相应的一组N个径向突出的齿，N是大于1的整数。线圈与环形定子芯部件共轴地布置且轴向地夹设在两组齿之间；磁体被轴向地磁化且沿轴向夹设在两个环形定子芯部件之间。此时，在单相实施例中存在4个定子芯部件，而在三相定子的实施例中存在8个定子芯部件。磁体夹设在其间的定子芯部件的各组齿以120°/N的(机械)角度在周向上相对于彼此移位；并且线圈夹设在其间的定子芯部件的各组齿以180°/N的(机械)角度在周向上相对于彼此移位。因此，在单相中，两组齿成0电气角度，而其它两组在此情况下以180度的电气角度移位。

多相定子的实施例因而采用共同的磁通路径而不是三个单独的相，因为大部分定子芯部件促成两相。事实上，所有内部定子芯部件提供通向两相的磁通路径。

得到的三相电机的实施例提供连续转矩和平衡的三相感应电压。

在一些实施例中，定子包括永磁体和与定子芯部件共轴且布置在永磁体的轴向位置处的附加线圈，即各附加线圈作为永磁体之一夹设在同一对定子芯部件之间。例如，附加线圈可环绕永磁体。经这些附加线圈馈送的直流电流增强了来自永磁体的磁通量，从而增大了针对相同体积产生的转矩。可选地，当希望例如以高速度减少磁通量而不是施加电流以抵消磁通量时，附加的磁通增强线圈中的电流可被减小或甚至切断，从而提供更高效的电机。

本发明涉及不同方案，所述不同方案包括上述的定子以及下文(的转子)、对应的方法、装置和/或制造装置，每一者均产生结合首先提到的方案所描述的益处和优点中的一个或多个，并且每一者均具有与结合首先提到的方案的和/或在所附权利要求中公开的实施例对应的一个或多个实施例。特别地，本发明涉及一种包括转子和如本文公开的定子的磁通切换式调极电机。

转子的实施例不包括任何永磁体，但包括多个磁通导体或磁极。在一些实施例中，转子包括并排布置以形成管状转子的多个轴向地延伸的转子磁极部分。各转子磁极部分可以是具有沿转子的轴向方向延伸的纵向轴线的细长杆。转子磁极部分可跨所有定子芯部件轴向地延伸。该电机可以是p极电机，其中转子包括2p个轴向延伸的转子磁极部分。类似地，每个定子芯部件可包括p/2个齿。因此，转子结构简单且既不需要大量不同类型的构件，又不需要像现有技术调极电机中那样装配大量永磁体。此外，转子结构的实施例机械稳定且强固。

因此，由于转子不包括任何永磁体或线圈，所以本文描述的电机的实施例也可称为被动转子电机。

本文描述的定子芯和/或转子的实施例非常适合通过粉末冶金(P/M)制造方法来制造。相应地，在一些实施例中，定子芯部件和/或转子磁极部分由诸如紧凑的软磁性粉末的软磁性材料制成，由此简化了定子芯和/或转子构件的制造并且在软磁性材料中提供了允许例如定子芯和/或转子中的径向、轴向和周向磁通路径分量的有效三维磁通路径。

此处且在下文中，术语“软磁性”是指材料的能被磁化但在磁化磁场被消除时不会趋于保持被磁化的材料特性。通常，当材料的矫顽力/矫顽磁性不大于1kA/m时，该材料可被描述为软磁性的(参看例如“IntroductiontoMagnetismandMagneticmaterials”，DavidJiles，1991年第一版，ISBN0412386305(HB)，第74页)。

如本文中所用的术语“软磁性复合材料”(SMC)是指具有三维(3D)磁特性的经压制/压实和热处理的金属粉末成分。SMC构件通常由表面绝缘的铁粉末颗粒组成，所述铁粉末颗粒在单个工步中被压实以形成可能具有复杂形状的均匀的各向同性构件。

软磁性粉末例如可以是软磁性铁粉末，或含有钴或镍的粉末，或包含相同成分的合金。软磁性粉末可以是已经涂覆有电绝缘体/电绝缘层的基本上纯水雾化的铁粉或具有不规则形状颗粒的海绵状铁粉末。在本文中，术语“基本上纯的”是指所述粉末应当基本上不含杂质，并且杂质如O(氧)、C(碳)和N(氮)的含量应保持在最低水平。基于重量的平均颗粒尺寸通常可低于300μm并高于10μm。

然而，也可以使用任意软磁性金属粉末或金属合金粉末，只要软磁性特性充分并且粉末适合模压即可。

粉末颗粒的电绝缘体可以由无机材料制成。特别合适的是US6348265(其通过引用并入本文)中公开的绝缘体类型，其中涉及由具有绝缘的含氧和含磷的屏障的基本纯铁组成的基础粉末的颗粒。具有绝缘颗粒的粉末可以通过向瑞典的AB购买500，550或700来获得。

转子磁极部分和/或定子芯部件的成形因而可通过在合适的压实工具(如采用所谓的成形模的工具)中由软磁性粉末压实转子磁极部分或定子芯部件来有效地实施。或者，转子磁极部分可由层压件、低碳钢或另一种合适的软磁性材料制成。类似地，转子芯部件可由层压件制成。芯背部段可由任何合适的软磁性和磁充分的各向同性材料如软磁性粉末制成。

附图说明

本发明的上述和/或其它目的、特征和优点，将参照附图通过下面的本发明实施例的说明性和非限制性的详细描述来进一步阐明，在附图中：

图1示出三相磁通切换式调极电机的一个示例。具体地，图1a示出电机的磁活性构件的视图，而图1b示出三相磁通切换式调极电机的一个示例的双极部段的更详细的视图。

图2示出定子芯部件的一个示例。

图3示出定子和转子的一个示例的轴向布置结构，其中无负荷磁通交联路径的示例被示意性地示出。

图4示出本文描述的磁通切换式调极电机的转子的一个示例。

图5示出定子芯部件的另一个示例。

具体实施方式

在下面的描述中，参考附图，其中附图通过图示的形式图解了如何实施本发明。

图1示出三相磁通切换式调极电机的一个示例。具体地，图1a示出电机的磁活性构件的视图，而图1b示出三相磁通切换式调极电机的一个示例的双极部段的更详细的视图。

该电机包括定子和转子。定子包括共用一部分定子构件的定子三相部段10a、10b、10c。

该定子包括分别为101-1，...，101-8的8个环形定子芯部件，每个环形定子芯部件形成为有齿的环形盘片。定子芯部件的一个示例在图2中示出。具体地，图2a示出定子芯部件的从轴线方向看的侧视图，图2b示出定子芯部件的从径向方向看的侧视图，图2c示出定子芯部件的三维视图。该定子芯部件包括环形的定子芯背部210，多个齿102沿径向方向从所述定子芯背部中突出。在图2的示例中，定子芯部件101包括与80极电机对应的40个齿。然而，应理解的是，替换实施例可包括与不同数目的极对应的不同数目的齿。齿102规则地分布在定子芯部件101的圆周周围。在本示例中，所有齿都具有相同的形状和尺寸且与它们各自的相邻齿等距地间隔开。在图2的示例中，定子芯部件用于外转子电机，在外转子电机中转子环绕定子。相应地，齿从定子芯部件径向向外突出。然而，应理解的是，在替换实施例中，用于内转子电机的定子芯部件可具有从环形的芯背部的内周沿径向向内突出的齿。在任何情况下，每个齿102的末端部限定出界面表面211，该界面表面面向转子并且连同转子的对应界面表面一起限定出电机的将定子与转子隔开的气隙。每个定子芯部件可通过P/M工艺被压实成一体件。替换地，定子芯部件可由另一种合适的软磁性材料制成。

再参照图1，八个定子芯部件沿共同的轴线轴向地层叠。所有定子芯部件具有相同数目的齿，并且所有定子芯部件的齿具有相同形状和尺寸并与它们各自的相邻齿等距地间隔开。定子芯部件相对于彼此旋转，使得它们各自的齿从对应的其它定子芯部件的齿在周向上移位，即沿由定子芯部件限定出的圆周方向移位。因此，每个定子芯部件的齿相对于相应相邻的一个或多个定子芯部件的齿定位在预定的角位置。

定子包括分别为103-1，...，103-4的四个永磁体。每个永磁体形成为在其轴线方向上被磁化的圆盘形的环。每个永磁体与定子芯部件101-1，...101-8共轴地定位并且夹设在两个相邻的定子芯部件之间，使得每个定子芯部件通过永磁体与其相邻的定子芯部件之一分隔开。永磁体与定子芯部件的芯背部部分径向地对齐，以便允许由永磁体产生的轴向磁通量进入在其间夹设有永磁体的定子芯部件的芯背部部分。磁化方向的取向沿轴线方向在磁体之间交替。

该定子还包括分别为104-1、104-2和104-3的三个线圈，每个线圈卷绕在由定子芯部件限定的共同轴线周围。线圈夹设在定子芯部件之间，使得永磁体或线圈轴向地夹设在各对定子芯部件之间。线圈容纳于形成在一对相邻的定子芯部件的齿之间的间隙中，即线圈与齿102径向地对齐。

线圈夹设在其间的各对定子芯部件还通过环形磁通桥接器106连接，该环形磁通桥接器将相邻的定子芯部件轴向地连接并提供这些定子芯部件的芯背部部段之间的轴向磁通路径。因此，在图1的示例中，每个线圈环绕对应的磁通桥接器。然而，应了解的是，在内转子电机中，构件的径向布置结构可颠倒过来，即磁通桥接器可环绕线圈。磁通桥接器可形成为与定子芯部件分离的单独构件。或者，磁通桥接器可集成在一对定子芯部件中的与磁通桥接器连接的一个定子芯部件中，磁通桥接器例如作为从定子芯部件的芯背部部分并朝向该对定子芯部件中的另一个定子芯部件轴向地突出的环形凸缘。再或者，磁通桥接器的相应部位可集成在各定子芯部件中，使得各部位一起形成例如如结合图5所述的磁通桥接器。在这样一个实施例中，通过磁通桥接器连接的定子芯部件可具有相同形状和尺寸且因而可利用单组工具方便地制造。

因此，在图1的示例中，定子构件的轴向布置如下：定子芯部件101-1、在第一取向上被轴向地磁化的永磁体103-1、定子芯部件101-2、定子芯部件101-3、在与第一取向相对的第二取向上被轴向地磁化的永磁体103-2、定子芯部件101-4、定子芯部件101-5、在第一取向上被轴向地磁化的永磁体103-3、定子芯部件101-6、定子芯部件101-7、在第二取向上被轴向地磁化的永磁体103-4、定子芯部件101-8。

三个线圈104-1、104-2和104-3分别容纳在定子芯部件101-2和101-3的齿之间、定子芯部件101-4和101-5的齿之间以及定子芯部件101-6和101-7的齿之间。

通常，本文描述的电机的实施例仅需制造和装配较少数目的构件；特别地，永磁体的数目小。

相应定子芯部件的齿的角位置可采用电气角度描述如下：定子芯部件101-1(240度)、定子芯部件101-2(0度)、定子芯部件101-3(180度)、定子芯部件101-4(300度)、定子芯部件101-5(120度)、定子芯部件101-6(240度)、定子芯部件101-7(60度)、定子芯部件101-8(180度)。

因此，就机械度数而言，两个相邻的定子芯部件的齿相对于彼此移位120/N度或180/N度，其中N是各定子芯部件的齿数。特别地，通过永磁体分隔的定子芯部件相对于彼此旋转成使得它们各自的齿相对于彼此移位120/N度，而将线圈容纳在其间的定子芯部件相对于彼此旋转成使得它们各自的齿相对于彼此移位180/N度。

转子包括转子磁极部分105，转子磁极部分105形成为并排布置的细长杆，它们的纵向轴线彼此平行且与定子芯部件的共同轴线平行以便形成管状转子结构。转子磁极部分的尺寸设定成使得跨全部八个定子芯部件轴向地延伸。每个定子极对具有一个转子磁极部分，意味着p极电机需要p/2转子磁极部分。转子磁极部分在周向上通过合适的非磁性材料如塑料或铝分隔(未清楚地示出，因为图1仅示出磁活性部分)。例如，转子磁极部分可嵌在管状支承件中，该管状支承件在其面向定子的表面上具有轴向地延伸的通道，使得各转子磁极部分容纳在通道之一中。转子磁极部分可由任何合适的软磁性材料制成，例如通过合适的P/M工艺由软磁性粉末压制而成。

因此，图1的80极、三相形式的电机可由8个定子芯部件、3个线圈、4个磁体和40个转子磁极部分制成。为了说明构件数目的减少，有趣地注意到，在论文《新型直线磁通切换永磁体电机(NovelLinearFlux-SwitchingPermanentMagnetMachines)》(如上所述)中提出的80极形式的现有技术电机将需要480个磁体、240个定子U形部段、480个定子返回部段、3个线圈和240个转子磁极部分。

图3示出定子和转子的一个示例的轴向布置结构，其中无负荷磁通交联路径的示例被示意性地示出。具体地，图3示出三相磁通切换式调极电机的一个示例如何利用共同的磁通路径而不是三个单独的相来提供连续转矩和平衡的三相感应电压。图3示出图1的电机的部分截面，其示出了如全都已结合图1描述了的转子磁极部分101以及定子的包括定子芯部件101-1，...，101-8、永磁体103-1，...，103-4和线圈104-1，...104-3的部分。在图3中，各永磁体的磁化方向用箭头表示。

在图3a中，用于转子的第一角位置的一相的无负荷磁通用线315示意性地示出，而图3b示出与线316相同的相在转子的另一个角位置处的无负荷磁通。在两种情况下，图示的磁通环绕线圈104-1。

在图3a中，磁通路径315从永磁体103-2经定子芯部件101-3和磁通桥接器106轴向地延伸到定子芯部件101-2中，在此磁通路径315经定子芯部件101-2的齿径向向外引出。磁通然后经气隙317进入转子磁极部分105中，在此磁通轴向地移动到定子芯部件101-4的轴向位置。在定子芯部件101-4的轴向位置，磁通与气隙317相交叉地径向向内移动到定子芯部件101-4的齿中并向前移动到定子芯部件的芯背部中。从这里，磁通轴向地返回永磁体103-2中。

在图3b中，磁通路径316从永磁体103-1经定子芯部件101-2和磁通桥接器106轴向地延伸到定子芯部件101-3中，在此磁通路径316经定子芯部件101-3的齿径向向外引出。磁通然后经气隙317进入转子磁极部分105中，在此磁通轴向地移动到定子芯部件101-1的轴向位置。在定子芯部件101-1的轴向位置，磁通与气隙317相交叉地径向向内移动到定子芯部件101-1的齿中并向前移动到定子芯部件的芯背部中。从这里，磁通轴向地返回永磁体103-1中。

如可以看出的，转子磁极部分的磁极性以角位置与每个定子极交替一次。此外，转子磁极部分的角位置限定出三个线圈中的每个线圈周围的磁通交联方向。与安装有定子的永磁体的布置组合的定子齿的角位置确保电机针对3相运转平衡并且在被供给3相变频交流电时产生连续转矩。

图4示出用于本文描述的磁通切换式调极电机的转子的一个示例。具体地，图4a示出转子从轴线方向看的侧视图，图4b示出转子从径向方向看的侧视图，图4c示出转子的三维视图。总体上表示为418的转子包括转子磁极部分105，该转子磁极部分105形成为并排布置的细长杆，它们的纵向轴线彼此平行且与转子的共同轴线平行以便形成管状转子结构。转子磁极部分105的尺寸设定成使得跨整个转子结构轴向地延伸。转子磁极部分可由合适的软磁性材料制成，例如通过P/M工艺由软磁性粉末制成。转子还包括由合适的非磁性材料如塑料或铝制成的大体管状支承结构419。管状支承结构在其圆柱形表面之一上包括轴向地延伸的通道，使得各转子磁极部分容纳在通道之一中。在图4的示例中，转子用于外转子电机且容纳转子磁极部分的通道布置在管的内表面中。在用于内转子电机的转子中，转子磁极部分可布置在圆柱形结构的管状支承结构的外表面中。

图5示出定子芯部件的另一个示例。具体地，图5a示出定子芯部件从轴线方向看的侧视图，图5b示出定子芯部件从径向方向看的侧视图，图5c示出定子芯部件的三维视图。图5的定子芯部件与图2的定子芯部件的相似之处在于，它包括环形定子芯背部210，多个齿102沿径向方向从环形定子芯背部突出。在图5的示例中，定子芯部件101包括与80极电机对应的40个齿。然而，应理解的是，替换实施例可包括与不同数目的极对应的不同数目的齿。齿102规则地分布在定子芯部件101的圆周周围。在本示例中，所有齿都具有相等的形状和尺寸且与它们各自的相邻齿等距地间隔开。在图5的示例中，定子芯部件用于外转子电机，其中转子环绕定子。相应地，齿从定子芯部件径向向外突出。然而，应理解的是，在替换实施例中，用于内转子电机的定子芯部件可具有从环形的芯背部的内周沿径向向内突出的齿。在任何情况下，每个齿102的末端部限定出界面表面211，该界面表面面向转子并且连同转子的对应的界面表面一起限定出电机的将定子与转子分隔开的气隙。每个定子芯部件可通过P/M工艺被压实成一体件。定子芯部件还包括从定子芯部件的芯背部部分轴向地突出的环形凸缘531。因此，当图5所示类型的两个定子芯部件在它们各自的凸缘彼此靠接的情况下并排布置时，提供了一对有齿的环，其中所述环通过环形磁通桥接器连接，而相应的齿限定出一间隙，该间隙允许线圈卷绕在该间隙的内部，使得线圈在轴向上介于相应排的齿之间。

在上文中，已描述了三相电机的实施例。在一些实施例中，可提供单相磁通切换式调极电机。单相电机的一个示例包括与图1的电机的一相的定子芯部件、永磁体和线圈对应的四个定子芯部件、两个永磁体和单个线圈。通常，用于磁通切换式调极电机的定子可包括定子芯、线圈和至少两个磁体，定子芯包括至少四个共轴的环形定子芯部件，每个环形定子芯部件包括相应的一组径向地突出的齿，各环形定子芯部件的齿沿周向分布，其中环形定子芯部件相对于彼此在轴向上移位，并且其中各环形定子芯部件的齿相对于每个相邻的环形定子芯部件的齿在周向上移位；其中线圈布置成与环形定子芯部件共轴并且在轴向上夹设在两组齿之间；并且其中磁体被轴向地磁化且在轴向上夹设在两个环形定子芯部件之间。

虽然已经详细描述和示出了一些实施例，但是本发明并不限于这些，也可能在所附权利要求限定的主题范围内以其它方式体现。特别地，应当理解的是可以利用其它实施例，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下做出结构上和功能上的的修改。

本文所公开的本发明的实施例可用于电动自行车或其它电动车辆——特别是轻量车辆——的直接轮驱动电机。这样的应用会要求高转矩、相对低的速度和相对低成本。这些需求可通过在使用小体积的永磁体的紧凑的几何构型中具有相对高的极数量以通过增强的转子装配程序来适应和满足成本需求的电机而实现。此外，本文公开的定子和电机的实施例可用于已使用了现有技术调极电机的应用，例如大型车辆/牵引应用、风力发电、涡轮机、可再生能源发电、搅拌机、步进/定位马达等，尤其是希望低转速高转矩的应用。

在列举几个装置的设备权利要求中，这些装置中的多个可以由同一个硬件来体现。某些措施在相互不同的从属权利要求中记载或在不同的实施例中描述这一点并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。

应该强调的是，当在本说明书中使用术语“包括/包含”详细说明所述特征、构成要素、步骤或构件的存在时，并不排除一个或多个其它特征、构成要素、步骤、构件或它们的组合的存在或增加。

Claims (14)

1.一种用于包括n相的磁通切换式调极电机的定子，n为正整数，所述定子包括定子芯、n个线圈和至少(n+1)个磁体，所述定子芯包括多个共轴的环形定子芯部件，每个环形定子芯部件包括一组径向突出的齿，每组齿沿周向分布，其中，所述环形定子芯部件相对于彼此在轴向上移位，并且其中，每个环形定子芯部件的齿相对于每个相邻的环形定子芯部件的齿在周向上移位；其中，每个线圈与所述环形定子芯部件共轴地布置并且轴向地夹设在两组齿之间；并且其中，每个磁体被轴向地磁化且轴向地夹设在两个环形定子芯部件之间。

2.根据权利要求1所述的定子，其中，每个磁体是与所述定子芯部件共轴地布置的环形永磁体。

3.根据前述权利要求中任一项所述的定子，包括至少2(n+1)个定子芯部件；其中，所述磁体中的第一个夹设在所述定子芯部件中的第一个和第二个之间，所述磁体中的第二个夹设在所述定子芯部件中的第三个和第四个之间，并且所述线圈夹设在所述定子芯部件中的第二个和第三个之间。

4.根据前述权利要求中任一项所述的定子，其中，所述定子芯部件中的一个或多个定子芯部件形成为与其它定子芯部件分离的相应的定子芯构件。

5.根据前述权利要求中任一项所述的定子，包括连接其间夹设有所述线圈的所述定子芯部件的磁通桥接器，所述磁通桥接器能操作成提供所述定子芯部件之间的至少一个轴向磁通路径。

6.根据前述权利要求中任一项所述的定子，其中，所述定子是用于包括n相的多相电机的定子，n大于1；其中，所述定子包括n个线圈、(n+1)个磁体，并且其中，所述定子芯包括2(n+1)个定子芯部件。

7.根据权利要求6所述的定子，其中，磁体或芯夹设在每对相邻的定子芯部件之间，以便形成夹设在定子芯部件之间的磁体和线圈的交替轴向序列。

8.根据权利要求6或7所述的定子，其中，所述定子用于3相电机并且包括三个线圈和四个磁体；其中，所述定子芯包括八个共轴的环形定子芯部件，每个环形定子芯部件包括相应的一组N个径向突出的齿，N是大于1的整数；其中，所述线圈与所述环形定子芯部件共轴地布置且轴向地夹设在两组齿之间；并且其中，所述磁体被轴向地磁化并且轴向地夹设在两个环形定子芯部件之间；其中，其间夹设有磁体的所述定子芯部件的各组齿相对于彼此以120°/N的角度在周向上移位；并且其中，其间夹设有线圈的所述定子芯部件的各组齿相对于彼此以180°/N的角度在周向上移位。

9.根据前述权利要求中任一项所述的定子，其中，所述定子芯部件由压实的软磁性粉末制成。

10.根据前述权利要求中任一项所述的定子，包括与所述定子芯部件共轴的且布置在所述磁体的轴向位置处的附加线圈。

11.一种磁通切换式调极电机，包括转子和如前述权利要求中任一项所述的定子。

12.根据权利要求11所述的磁通切换式调极电机，其中，所述转子包括并排布置以形成管状转子的多个轴向延伸的转子磁极部分。

13.根据权利要求12所述的磁通切换式调极电机，其中，所述电机是p极电机；并且其中，所述转子包括2p个轴向延伸的转子磁极部分。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的磁通切换式调极电机，其中，所述转子磁极部分由压实的软磁性粉末制成。