CN107070151A - 电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电机，所述电机可包括被堆叠以形成定子的多个定子区段，所述定子区段中的每个由一个或更多个定子叠片形成。所述定子可具有布置在其中的绕组以形成磁极。所述定子可围绕转子。抗磁或顺磁定子层可被置于至少一对相邻的定子区段之间。

Description

电机

技术领域

本公开涉及磁场在电机定子中的利用。

背景技术

电机通常使用转子和定子来产生转矩。电流流过定子绕组以产生磁场。由定子产生的磁场可与转子上的永磁体配合以产生转矩。

发明内容

电机的转子可由多个堆叠的转子区段形成，每个转子区段由一个或更多个转子叠片形成。所述区段可具有偏斜磁极。抗磁或顺磁转子层可被置于具有偏斜磁极的每对相邻的区段之间。

一种电机定子可包括多个区段，每个区段由一个或更多个定子叠片形成，所述多个区段被堆叠以形成定子，所述定子具有被布置在其中以形成磁极的绕组，并且所述定子围绕转子。层可被置于相邻的成对的定子区段之间，使得与所述磁极相关联的磁场与来自所述转子的相应的磁场轴向地对齐。所述层可以是抗磁性的或顺磁性的。

被置于相邻的成对的定子区段之间的所述层和转子层中的一个可以是共面的。被置于相邻的成对的定子区段之间的所述层和转子层中的一个的厚度可以是相同的。所述层可以为聚四氟乙烯。所述层的厚度可以是所述定子和转子之间的气隙距离的至少两倍。所述厚度可小于所述气隙距离的四倍。

根据本发明，提供一种电机，所述电机包括：多个定子区段，被堆叠以形成定子；多个转子区段，每个转子区段包含以V形布置的永磁体，并且所述多个转子区段被堆叠以形成具有偏斜磁极的转子；抗磁或顺磁转子层，被置于相邻的成对的转子区段之间；以及抗磁或顺磁定子层，被置于相邻的成对的定子区段之间并且与所述转子层共面。

根据本发明的一个实施例，所述转子层将具有偏斜磁极的相邻的成对的转子区段分隔开。

根据本发明的一个实施例，每个转子层和每个定子层的厚度相同。

根据本发明的一个实施例，所述定子层的厚度是所述定子和转子之间的气隙距离的至少两倍。

根据本发明的一个实施例，所述定子层的厚度小于所述气隙距离的四倍。

根据本发明的一个实施例，所述转子层和定子层为聚四氟乙烯。

根据本发明，提供一种电机，所述电机包括：转子，包括：具有对齐的极的外区段，所述外区段将具有对齐的极的内区段夹在中间，使得所述内区段的所述对齐的极相对于所述外区段的所述对齐的极偏斜；和抗磁或顺磁转子层，被设置于每对相邻的内区段和外区段之间；以及定子，围绕所述转子，所述定子具有抗磁或顺磁定子层，所述定子层与设置在相邻的成对的内区段和外区段之间的所述抗磁或顺磁转子层共面。

根据本发明的一个实施例，每个转子层和每个定子层的厚度相同。

根据本发明的一个实施例，所述转子层和定子层为聚四氟乙烯。

根据本发明的一个实施例，每个定子层的厚度是所述定子和转子之间的气隙距离的至少两倍。

根据本发明的一个实施例，每个定子层的厚度小于所述气隙距离的四倍。

附图说明

图1A是转子叠片的平面图；

图1B是包括图1A中所示的用于电机的叠片堆的转子区段的侧视图；

图2A是具有包括多个极的转子的电机的示意图，其中，磁通线仅由一组永磁体产生；

图2B是具有包括多个激励绕组的定子的电机的示意图，其中，磁通线仅由定子绕组产生；

图3A是在两个偏斜区段之间设置有低导磁率物质层的电机转子的透视图；

图3B是一对相邻的偏斜区段的透视图，在其中一个区段上设置有低导磁率物质层；

图4是具有ABBA配置且在AB区段之间具有物质层的转子的透视图；

图5是定子区段的立体图；

图6是定子层的立体图；

图7是其中设置有定子层的定子区段堆的立体图；

图8是具有定子和转子的电机的立体图，其中，在所述定子和转子中均设置有层；

图9是具有转子和围绕所述转子的定子的电机的剖视图，其中，所述转子具有ABBA配置且在AB区段之间设置有层，所述定子在与AB转子区段相对应的定子区段之间设置有层。

具体实施方式

在此描述了本公开的实施例。然而，应当理解的是，所公开的实施例仅为示例，其它实施例可采用各种可替代形式。附图不一定按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为具有限制性，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的各种特征可以与在一个或更多个其它附图中示出的特征组合以产生未被明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的多种组合和变型可被期望用于特定的应用或实施方式。

电机的特征在于：由存在于气隙磁通和气隙磁导中的谐波引起的不期望的转矩振荡。大部分电机，尤其是永磁(PM)电机都设计有转子偏斜，即活性转子材料的叠片可沿着转子轴线偏斜或错列。偏斜可产生沿着转子轴线错列的永磁体和磁极。由于磁性元件不是成一直线的，因此偏斜区段可造成电机在所有可用的转速下的平均转矩整体下降，但如上文所讨论的，偏斜有助于使谐波最少化。

例如，就具有两个转子区段、48槽定子的八极电机而言，通常的偏斜角为3.75°。转子的偏斜意在产生比使用具有对齐的永磁体的转子可能实现的机械转矩更为平稳的机械转矩。偏斜可消除由谐波引起的不期望的转矩波动，并且可以使用许多不同的偏斜角来达到这个效果。然而，偏斜不考虑应该通过设计而对齐但是由于制造公差而未精确对齐的两个极。

在电机的所有转速下产生的平均转矩都可由于偏斜而减小，部分原因是在偏斜的永磁体之间可能出现磁场漏泄。这种漏泄可造成电机的可用转矩略微减小，并且在无偏斜的电机中不会存在这种漏泄。

此外，在不增加转矩的情况下，偏斜可为磁通从一个叠片区段到相邻的叠片区段的漏泄打开路径。由于磁场通常遵循相反极之间的最小阻力路径，所以用于减小转矩波动的永磁体的偏斜或错列结果可导致出现额外的磁通漏泄。转子的一个区段可包括一个叠片或者堆叠在一起的多个叠片。一个区段的叠片可相对于该区段中的其它叠片偏斜，或者相对于转子的其他区段整体偏斜。这意味着转子的一个区段可包括堆叠在一起的任意数量的叠片或者单个复合材料块。

为了使磁场和产生的转矩最大化，通常使活性转子材料的量最大化。活性转子材料可包括能够产生或携带磁场或电场的材料。使这种材料的量最大化理论上产生最大的转矩。选择具有最高导磁率的转子材料和定子材料。引入不具有高导磁率的材料很可能会降低电机的转矩产生，这是因为转子将具有浪费的空间(即不产生转矩的材料)。高导磁率的材料通常可被称作铁磁材料或亚铁磁材料。可以推知，由活性转子材料整体构成的转子将比由活性转子材料部分构成的转子产生更有效的磁场。

引入非活性转子材料的一个或多个磁阻转子层(magnetically reluctant rotorlayer)使转子中永磁体的利用率意外地提高并使电机的转矩输出增大。例如，引入厚度为定子与转子之间的气隙厚度的两倍的磁阻层可使比转矩增大超过0.25％。这个量尽管看起来微不足道，但却可合理地降低电机的成本，这是因为永磁体的利用率的提高可使永磁体的尺寸减小。电机的比转矩的增加可取决于磁阻层相对于气隙的厚度以及流过定子的电流。

可将低导磁率磁阻层置于具有偏斜磁极的相邻的区段之间。该磁阻层可具有固相、液相或气相。该磁阻层可将永磁体的磁场重新定向至更期望的路线并减少永磁体之间的漏泄。该磁阻层可以是抗磁性材料或顺磁性材料(例如，水、铜、铋、超导体、木头、空气、聚四氟乙烯或者真空)。许多不同类型的物质能够获得相似的结果并可落入这些指定(designation)中。低导磁率材料能够减少具有偏斜极的区段之间的磁场漏泄或将磁场重新定向至更期望的路线。恰当地定向的磁通路径可增加电机产生的转矩。

当永磁体被设置在区段上或者区段内时，永磁体可具有多个取向。例如，永磁体可以以V形姿态布置，在各个V形处提供磁极。永磁体还可被定向成使得其中一个磁极的方向径向向外。磁体的取向和位置可对电机的效率有直接的影响，任何偏斜的取向或位置都可能造成永磁体之间出现磁场漏泄。

永磁体的磁极可单独地或共同地形成转子的磁极。许多转子具有多个永磁体，所述多个永磁体被布置成与定子的磁场共同作用以产生转矩。可使用永磁体、感应场、励磁线圈或其组合来产生磁极。

叠片通常由具有高导磁率的材料制成。这种高导磁率允许磁通无强度损失地流过叠片。具有高导磁率的材料可包括铁、电工钢、铁氧体或许多其他的合金。具有叠片的转子也可支撑导电笼(electrically conductive cage)或绕组以产生感应磁场。具有四个叠片或叠片区段的转子可具有以ABBA取向配置的区段。所述ABBA取向是指“A”区段相对于“B”区段以相同的程度偏斜。转子可具有其他的叠片配置(例如，ABC或ABAB)。在ABBA配置中，“A”区段可被称作外区段。“B”区段可被称作内区段。“A”区段可以以相同的角度偏斜并且具有对齐的极。“B”区段可以以相同的角度偏斜并且具有对齐的极。

在转子上引入磁阻层使转子的偏斜磁极之间的磁漏减少。但是，该转子层可造成相应的定子材料未被充分利用。活性定子材料的量通常也被最大化以增加由定子绕组产生的通量。随着转子层的引入，未被充分利用的定子材料使电机的重量不必要地增加。可引入定子层以匹配转子的分隔层，从而确保定子的活性材料和转子的活性材料之间的对齐。意思是，转子区段可轴向地对齐并且与相应的定子区段共面。转子和定子两者的层虽然可增加电机的总的体积或容积(displacement)，但是通过去除沉重的未被充分利用的磁性材料可减小其重量。定子层可由类似于转子层的材料制成。定子层还可具有与转子层相似的材料特性。

现参照图1A，示出了用于转子的转子区段10。转子区段10可限定适于保持永磁体的多个凹腔或空腔12。转子区段10的中央可限定用于容纳驱动轴的圆形中央开口14以及可容纳驱动键(未示出)的键槽16。空腔可被定向成使得容纳在凹腔或空腔12中的永磁体(未示出)形成八个交错的磁极30和32。本领域公知的是，电机可具有各种数量的极。磁极30可被配置为N极。磁极32可被配置为S极。永磁体也可布置成不同形式。如图1A所示，用于保持永磁体的凹腔或空腔12被布置成V形34。现参照图1B，多个转子区段10可形成转子8。转子具有用于容纳驱动轴(未示出)的圆形中央开口14。

现参照图2A，示出了转子区段10的一部分位于定子40内。转子区段10限定适于保持永磁体20的凹腔或空腔12。永磁体20采用V形布置，共同形成磁极。图中示出了从永磁体20发出的磁通线24。磁通线24可穿过转子区段10和气隙22进入定子40。通常，当磁通线24更为密集时，磁通的场密度更大。对磁通线24重新定向可引起某些位置的磁场密度增加，如图2A所示。定子40具有未通电的绕组42。

参照图2B，示出了转子区段10的一部分位于定子40内。定子40可具有通电的绕组42。磁通线44可从绕组42发出。磁通线44可穿过定子40和气隙22进入转子区段10。三相电机可具有绕组A、B和C。磁通线44和磁通线24可以以已知的方式在位置46处至少部分地相互作用以产生转矩。

参照图3A和图3B，相邻的一对偏斜的转子区段10和80可具有适于保持永磁体20和82的空腔12和84。永磁体20和82可被磁化成使得N极26相对于转子面向径向向外的方向。永磁体20和82可被磁化成使得S极28面向总体上向内的方向。永磁体20和82可被布置为形成磁极30和88。磁极30和88可以是偏斜的或错列的。具有低导磁率的转子层86可被设置于转子区段10和80之间。该转子层的外径可恰好与转子区段10和80的外径相符或者该转子层的外径可小于转子区段10和80的外径。如图3B所示，永磁体20可相对于永磁体82偏移，从而形成偏斜转子。具有低导磁率的转子层86可被放置在转子区段10和80之间。

参照图4，偏斜转子8可具有多个转子区段10和80。所述多个转子区段可以以ABBA形式偏斜，其中，字母表示在转子8的堆叠中转子区段的相对偏斜和位置。转子层86可置于相邻的AB转子区段之间。

现参照图5，定子区段41大体上具有环形形状并且可通过堆叠至少一个叠片来形成。叠片可由电工钢或其他低磁阻材料制成。定子区段41可具有限定定子绕组空腔45的齿43。定子空腔可容纳绕组(如图2B所示)。定子区段可限定被构造成使紧固件能够连接定子区段堆而形成定子的紧固空腔48。

现参照图6，示出了电机的一部分。定子层47大体上具有类似于定子区段41(未示出)的环形形状。该层可由高磁阻材料制成。定子层47可包括被构造成使紧固件能够将定子层包括在定子区段堆内的紧固空腔49。定子层47的内径或外径可不同于定子区段41以进一步减小重量或者改变产生的磁场。定子层47可具有类似于转子层86的厚度。定子层47的厚度可根据期望的产生的磁场而不同。定子层47的厚度和类型可对磁场具有直接的影响。定子区段41和定子层47可被堆叠以形成定子。

现参照图7，多个定子区段41被堆叠以形成定子40。每个定子区段41具有齿43和定子绕组空腔45以支撑一组定子绕组。定子区段可如图所示地对齐。定子层47可被置于定子区段41之间以形成定子40。

现参照图8，多个定子区段41被堆叠以形成定子40。每个定子区段41具有对齐的齿43和定子绕组空腔45以支撑一组定子绕组。定子层47可被置于定子区段41之间以形成定子40。定子40可围绕具有多个转子区段10、80(10未示出)的转子8，所述转子区段具有布置在其中的永磁体20、82(20未示出)。区段中的一些未示出。转子区段10、80(10未示出)中的每个可与定子区段41中相应的一个轴向地对齐。转子层86可与相应的定子层47轴向地对齐。

现参照图9，具有转子区段10、80的转子8可以以ABBA形式堆叠。转子层86可位于具有偏斜磁极的相邻的转子区段10、80中。转子8可被定子40围绕。定子40可包括定子区段41和定子层47。每个定子区段41可轴向地对齐并且与转子区段10、80中相应的一个成对。定子层47可仅被设置在与具有偏斜磁极的转子区段10、80相对应的定子区段41之间。意思是，定子层47也可与转子层86相对应。

说明书中所使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述，可将各种实施例的特征组合以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步的实施例。尽管针对一个或更多个期望特性，各种实施例可能已经被描述为提供优点或者优于其它实施例或现有技术实施方式，但是本领域普通技术人员应该认识到，根据特定的应用和实施方式，一个或更多个特征或特性可被折衷以实现期望的整体系统属性。这些属性可包括但不限于：成本、强度、耐用性、生命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、易组装性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术实施方式满足期望的实施例并不在本公开的范围之外，并可被期望用于特定的应用。

Claims (10)

1.一种电机，包括：

多个定子区段，每个定子区段由一个或更多个定子叠片形成，所述多个定子区段被堆叠以形成定子，所述定子具有被布置在其中以形成磁极的绕组，并且所述定子围绕转子；以及

层，被置于相邻的成对的定子区段之间，使得与所述磁极相关联的磁场与来自所述转子的相应的磁场轴向地对齐。

2.如权利要求1所述的电机，其中，所述层是抗磁性的或顺磁性的。

3.如权利要求2所述的电机，其中，所述转子包括：多个转子区段，每个转子区段由一个或更多个转子叠片形成，并且所述多个转子区段被堆叠成使得所述转子具有偏斜磁极；以及抗磁或顺磁转子层，被置于具有偏斜磁极的每对相邻的转子区段之间。

4.如权利要求3所述的电机，其中，被置于相邻的成对的定子区段之间的所述层和所述转子层中的一个共面。

5.如权利要求3所述的电机，其中，被置于相邻的成对的定子区段之间的所述层中的每个的厚度和所述转子层中的一个的厚度相同。

6.如权利要求2所述的电机，其中，所述层为聚四氟乙烯。

7.如权利要求2所述的电机，其中，所述层的厚度是所述定子和转子之间的气隙距离的至少两倍。

8.如权利要求7所述的电机，其中，所述厚度小于所述气隙距离的四倍。

9.一种电机，包括：

多个定子区段，被堆叠以形成定子；

多个转子区段，每个转子区段包含以V形布置的永磁体，并且所述多个转子区段被堆叠以形成具有偏斜磁极的转子；

抗磁或顺磁转子层，被置于相邻的成对的转子区段之间；以及

抗磁或顺磁定子层，被置于相邻的成对的定子区段之间并且与所述转子层共面。

10.一种电机，包括：

转子，包括：具有对齐的极的外区段，所述外区段将具有对齐的极的内区段夹在中间，使得所述内区段的所述对齐的极相对于所述外区段的所述对齐的极偏斜；和抗磁或顺磁转子层，被设置于每对相邻的内区段和外区段之间；以及

定子，围绕所述转子，所述定子具有抗磁或顺磁定子层，所述定子层与设置在相邻的成对的内区段和外区段之间的所述抗磁或顺磁转子层共面。