CN1062388C - 横向磁通机 - Google Patents

Abstract

在已知的横向磁通电机中，软磁体内的损失妨碍提高效率。虽然绕组的生产由于其简单而具有吸引力，然而制造导引磁通的叠片铁芯却要付出较高的费用。除了铁芯中的磁饱和外气隙的利用也限制了功率密度的进一步提高。按本发明沿径向在绕组(15)之外设置两个气隙(21)，以及，周期性地闭合磁路的硬磁体和/或软磁体转子部分(19，20)，沿轴向位于软磁体定子(18)端头的内部。气隙的这种设计，相对于外部尺寸和电机质量，可得到一个较大的气隙表面，并使壳体卸荷。由于U形的定子体分成段，在制造时的材料的损耗降到最低程度以及可以使用定向结晶的金属板，由于这种金属板良好的特性，可以提高效率和功率密度。结构相同的区段可以使用在尺寸和功率数据不同的电机中。按本发明的结构形式，同时降低了横向磁通电机的成本、重量和损失。

Description

横向磁通电机

本发明涉及一种具有导体环的横向磁通电机(Trans versalflupmaschine，transverse flux machine)。

横向磁通电机由于其绕组简单而具有吸引力，磁通电机具有磁环，这些磁环垂直于运动机件运动方向伸展。然而在制造软磁体时要支付很高的费用。

由于在冲压电工钢片的同时产生的下脚料提高了材料的成本，大而复杂的剖面形状提高了模具的成本，另外操纵笨重的零件又提高了装配费用。由于软磁材料的饱和磁通密度以及气隙面积的可利用性，限制了电机可达到的效率和/或功率密度。

在DE 4223831A1中介绍了一种横向磁通电机，它有四个绕组环，其中每两个绕组环有不同的直径。转子元件沿轴向插入定子的四个环形槽内，所以此电机有8个气隙，在气隙中磁通沿径向流动。

由GB-PS 1363979已知一种横向磁通电机，它的转子沿轴向设在带有导体环的定子之间，所以在每个磁路中存在两个具有不同半径的气隙。

由DE-PS 597597已知一种单相的横向磁通电机，它的围绕导体环设置的U形软磁芯由两部分组成。气隙沿径向位于导体环的内部，以及，在所有气隙中磁场力的作用有同样的径向方向。脉动的径向气隙力作用在环形的转子壳体上，并产生振动、噪声和损失。所以壳体必须设计得稳固和笨重。

在由DE 4314513 A1已知的外转子结构形式中，一个磁路中两个气隙的垂直于运动方向作用的磁力累加在一起，因此达不到最大力密度的目的。

在GB 2161992A中介绍了一种只沿一个方向工作的电动机，其中，它的U形定子铁芯由三部分组成。传导两个相的磁通的构件固定距块互相分开。在气隙中沿径向作用的磁力累加在一起。

由DE 4314513 A1已知横向磁通电机的外转子结构形式，其中，沿径向在磁性有效的转子元件内部的磁通，沿径向流过气隙。力密度应通过在绕组结构每一侧两个以上的气隙而得到提高。这种气隙结构允许转子和定子随时沿轴向相互插入。

还已知许多其它结构形式的横向磁通电机，但是它们都不能充分利用所使用的软磁材料，而且需要加工技术复杂的薄膜裁切。

因此，本发明的目的是进一步改进这种横向磁通电机，使之在尽可能低的制造成本的情况下获得高的效率和高的功率密度。

为实现上述目的，根据本发明提供一种具有导体环的横向磁通电机，导体环被U形软磁体三面包围，其中，软磁和/或硬磁部分的磁路周期性地闭合，它们通过两个沿径向安排在导体环之外的气隙分别与U形的软磁体分开，其特征为：转子或定子的磁的有效部分，局部沿轴向设在U形软磁体端头内部。

为实现上述目的，根据本发明还提供一种具有导体环的横向磁通电机，导体环被U形软磁体三面包围，其中，软磁和/或硬磁部分的磁路周期性地闭合，它们通过两个沿径向安排在导体环之外的气隙分别与U形的软磁体分开，其特征为：U形软磁体的一些部分，交替地被不同相的磁通所磁化，其中，不同相的导体环通过共同利用的软磁单元分开。

按本发明，围绕导体环设置的磁性有效体各有两个气隙，这两者沿径向设在导体环的外部，其中，磁性有效的转子部分沿轴向位于软磁定子部分端头的内部。因此，磁路内部脉动的法向磁力得到补偿，并减轻了壳体的负荷。转子和定子相互交错。或者，定子环和转子环在装配时交替地就位，或者，转子环由多个结构相同的部分组成，例如两个半部。将一个磁路的两个气隙沿径向设在导体环外部相对于旋转轴线有最大距离以及通过位于U形部分端头内部的接地部分补偿气隙力，这两个措施组合起来，导致获得令人惊异的高的功率密度和高的效率。

本发明另一个基本思想在于，通过不同相相邻导体环的磁场，多重利用一个磁路的软磁结构部分。因此达到在时间上充分利用软磁材料，这部分被相位移的磁场利用的质量所占的重量比，随着相数的增加而提高。不同相的单元有结构相同的沿轴向连续排列的圆盘。

此外，为了便于装配和为了使用定向结晶的冲压件，U形的定子铁芯最好由多个区段组成，它们导引磁通基本上沿一个方向。然而，在转子环分块时，定子铁芯也可以预制成整体式的，例如设计为晶粒定向的冲裁带铁芯。

下面借助于附图表示的最佳实施形式说明本发明。

图1表示一种按磁阻原理的24极横向磁通电机一个单相单元的装配；

图2表示图1中的局部；

图3表示具有硬磁体的不同磁路的4个截面；

图4表示三相的轮毂直接传动装置截面；

图5表示五相的电动葫芦电动机的截面；

图6表示三相的传动装置截面，具有双重利用的中央星形盘；

图7表示图6所示电机的磁通和电流变化；以及

图8表示图6中有效结构部分立体图。

图1表示一种积木式结构的横向磁通电机装配时的主要构件。导体环1由铜带或铝带卷成。围绕着它在圆周上均匀分布地排列24个软磁体。每一个这种聚合所产生的电磁场的软磁体，又由四个叠片的部分2、3、4和5组成，其中每个彼此相对的部分2和3或4和5结构相同。沿径向导引磁通的两个部分2、3粘在固定盘6、7上，固定盘用不导磁和不导电的材料制造，图中为了能看清部分3的结构形式及其排列，将它画在沿轴向固定盘7的前面。沿轴向导引磁通的部分4、5也粘在固定环8、9上。因此，除了导体环1和两种软磁部分结构形式2、3或4、5外，组成一个单相的单元10的还包括两个结构相同的固定盘6、7以及两个不同的固定环8、9。

图2中放大表示了图1中的局部。可以看出，每四个部分2、4、3、5是如何构成一个增强围绕着导体环1的磁场的回路的。部分2、3和4平放着和互相固定，而沿径向在外面的部分5则与外固定环9一起绕此结构旋转，在这种情况下，磁路的阻尼周期性地改变。

图3表示四种有利的结构形式11至14的截面图，图中仅限于分别表示导体环15a-d以及围绕着它的一个磁体。

导体环15a-d分别被U形软磁体16a-d从三面包围。后者由两个或三个彼此相连的段17a-18d’，组成，它们基本上沿一个方向导引碰通，其中，两个沿径向导引磁通的区段18a-d或18a’-d’结构相同。沿径向设在导体环15a-d外面的硬磁和/或软磁段19a-d或20a-d互不相同。

在结构形式11中，设在倾斜的气隙21a处的永久磁体20a、20a’减少了脉动损失。由于倾斜，所以通过磁体内较低的磁通密度，可以在区段18a、17、18a’、19a中达到高的磁通密度。无论硬磁材料还是软磁材料都得到最合理的利用。

为了是低成本和便于操作的永久磁体20b，在结构形式12中，此外段由两个相同的半部19b、19b’组成。包围着导体环15b的U形软磁体16b的结构与图3a中的相同。

在轴向非常狭窄的结构形式13中，取消了外部的软磁段。在两个径向段18c、18c’的端头之间只设有环形的永久磁体20c，它扇形地沿轴向反方向再磁化。

结构形式14虽然使用晶粒定向的材料，但有比较少的部分就够了。它由卷绕成矩形的冲裁带铁芯17d的三个部分18d、18d’、19b组成。为了补偿在磁阻电机内强烈脉动的法向磁力，使狭窄的气隙21d沿径向延伸。

此外，图3中表示了各种预制的导体环15a-d。例如双层的导体环15a，最好通过异形线材中段的适当变形以及两个长度相同的端头反向卷绕，能制成具有两个沿径向在外面的端头。采用由异形线材制的多层导体环15b可达到高的分层系数；轴向狭窄的电机可以是单层的导体环15c；以及，在单位长度的匝数高和偏离矩形的槽截面时，可使用圆线制成的密实的导体环15d。

图4中表示了具有永久磁体励磁器的作为轮毂直接传动装置的一台完整的三相横向磁通电机截面。磁的有效部分结构形式与图3d一致。磁环23由结合塑料的稀土元素制成，单层的导体环24由薄的导带制成，以及，U形软磁体25由用BacKlack接缝的晶粒定向的电工钢片制成。

所有三个单相单元结构相同，并通过五个固定件26a-c固定在互相错开120°的位置上。通过利用镜对称性，只需要三种不同的固定件结构形式，它们预制成铸件。无论是由固定件构成的轮毂26，还是分为五部分的转子27a-c，均交替地沿轴向从不同侧插入的螺钉28、29固定在一起。从轮辐30传来的力，经滚珠轴承31进一步传给轮毂26。在轮毂内部的空腔内装有电子控制设备。

图5表示一种互相的横向磁通电机33截面图。它设计为磁阻电机。结构相同的单元34a-e互相沿切向错开地装在静止部分内，由这些U形软磁体35横截面的差异完全可以看出这一点。只需要两种不同的静止的固定件36、37，然而旋转的电机壳体则由于倾斜的气隙38，除了五个带软磁段40的外固定环39外，还由四个定距环41和两个通过轴承43支承在轴44上的电动机护板42组成。设计作为电动葫芦电动机，在转子上套有一个涂胶的套筒45。

按另一种方案也可以将壳体设计为固定不动的，因而旋转的导体环46可通过电刷或随着一起旋转的励磁机控制。采用按本发明的积木或结构原理，同样可以实现其它的实施形式，例如具有罐状的转子。

图6表示一种三相传动装置47，其中三个导体环48直接卷绕在已经定位在轮毂49上的梳状软磁体50中。转子由两个配备有块状软磁段51的半部52组成，在沿径向组合后在它们上面沿轴向套上一个罐形件53。梳状部分由沿切向分层的具有晶粒沿径向定向的冲压件组成。公共的背部54设计得比四个齿55a-d宽，其中，中夹的齿55b、c时间错开地分别被两个由它们隔开的导体环的磁通所磁化。

在图7中上面两个曲线图56、57表示了第二和第三齿55b、c随时间的磁化过程。中央导体环的磁路与相邻相的两个磁路一起利用中央齿55b、c，在这种情况下时间错开地实现磁化，并使利用的持续时间加倍。采用这种多重利用，其结果是提高了功率密度。在这种三相的磁阻电机中，如下面的曲线图58所示电流按120°角单元整流，从而流动一个常数的电动机电流，或按＞120°角的单元整流成电流搭接，使力矩的波动得以降低。

图8表示了一种三相传动装置的磁和电有效的构件。36极定子的软磁体59由四个结构相同的星形盘60a-d和三个结构相同的环形铁芯61组成。这些预制的构件与三个结构相同的导体环62a-c一起交替地沿轴向组成成一个整体。中央导体环62b的供电，最好在槽底通过相邻的相实现，或通过环形铁芯内的孔或槽实现。不同相的块状软磁段63互相错开1/3极距排列，它们最好首先铸入结构相同的环中，这些环设有轴向齿，所以保证在装配时的相互错位。在多极的环形传动装置中，星形盘60a-d也可以用晶粒定向的电工钢板制造，在这种情况下冲压件只有小的极距。

此外，对于最大功率密度的传动装置最好增加相数，这种情况下无论是被多重利用的质量所占的比重以及电流单元的宽度都能得到提高，例如提高到周期的2/5或3/7。

Claims (9)

1．具有导体环(15a-d、24、46、48、62)的横向磁通电机(22、33)，导体环被U形软磁体(16a-d，25、35、50、59)三面包围，其中，软磁和/或硬磁部分(19a-c、20a-d、23、40、51、63)的磁路周期性地闭合，它们通过两个沿径向安排在导体环(15a-d、24、46、48、62)之外的气隙(21a-d、38)分别与U形的软磁体(16a-d、25、35、50、59)分开，其特征为：转子或定子的磁的有效部分(19a至20d)，局部沿轴向设在U形软磁体(16a-d)端头内部。

2．具有导体环(15a-d、24、46、48、62)的横向磁通电机(22、33)，导体环被U形软磁体(16a-d、25、35、50、59)三面包围，其中，软磁和/或硬磁部分(19a-c、20a-d、23、40、51、63)的磁路周期性地闭合，它们通过两个沿径向安排在导体环(15a-d、24、46、48、62)之外的气隙(21a-d、38)分别与U形的软磁体(16a-d、25、35、50、59)分开，其特征为：U形软磁体(50、59)的一些部分，交替地被不同相的磁通所磁化，其中，不同相的导体环(48、62)通过共同利用的软磁单元(50、59)分开。

3．按照权利要求1或2所述的横向磁通电机，其特征为：U形软磁体(16a-d、25、35)至少分成两部分(17a至18d’)。

4．按照权利要求3所述的横向磁通电机，其特征为：U形软磁体(16a-d、25、35)分成三段(17a至18d’)，它们主要沿一个方向导引磁通，其中，相对的区段(18a至18d’)结构相同。

5．按照权利要求4所述的横向磁通电机，其特征为：星形的扁平盘(59a-d)沿径向向外导引磁通。

6．按照权利要求1或2所述的横向磁通电机，其特征为；永久磁体(20c、23)环状地和扇形地沿相反的方向再磁化。

7．按照权利要求1或2所述的横向磁通电机，其特征为：一个磁路的相对运动的部分(18a、20a或18b、19c)之间的界面同时沿轴向和径向延伸。

8．按照权利要求7所述的横向磁通电机，其特征为：永久磁体(20a)设在一个闭合磁路的软磁段(19a)的两个倾斜端处，其中，相对于旋转轴线的倾斜角在45和70°之间。

9．按照权利要求1或2所述的横向磁通电机，其特征为：导体环(1、15a、c、d、24、46)由卷绕的矩形成形导体(15b)组成，或由一条硬阳极处理的铝带(15c)构成。

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