CN107660323A - 多相横向磁通电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多相横向磁通电机，其包括定子（1）和转子（2），转子（2）能够相对于定子（1）绕轴线沿圆周方向（UR）旋转。横向磁通电机对于相应的电流相包括在圆周方向（UR）上沿着多个磁轭（3,3'）延伸的电线（4），其中，线（4）和多个磁轭（3,3'）设置在定子（1）中。此外，横向磁通电机包括一对永磁体阵列（5,5'），其在圆周方向（UR）上平行延伸且每个永磁体阵列均包括大量的永磁体（6），并且设置在转子（2）中。此外，在定子（1）中设置有多个返回路径主体（7,7'），其中，每个磁轭（3,3'）均具有相关联的返回路径主体（7,7'），其在径向方向上与相关联的磁轭（3,3'）间隔开。永磁体阵列（5,5'）中的永磁体（6）的磁化方向以使得在转子（2）的旋转期间在每个磁轭（3,3'）处反复出现闭合的磁通量的方式改变。闭合的磁通量从所述一对中的一个永磁体阵列（5,5'）穿过相应的磁轭（3,3'）延伸到所述一对中的另一永磁体阵列（5,5'），且从那里穿过相关联的返回路径主体（7,7'），回到所述一对中的首先提到的永磁体阵列（5,5'）。

Description

多相横向磁通电机

本发明涉及多相横向磁通电机，其具有定子和能够相对于定子绕轴线在圆周方向上旋转的转子。横向磁通电机能够被实施为马达（例如，转矩马达或直线马达）或实施为对应的发电机。

当代转矩马达通常具有1 kW/kg的功率密度。然而，在所有使用这种马达的技术领域中，还正在努力以尤其改善该功率密度。这尤其在汽车制造工业，且尤其也在飞机制造工业中将是有利的。特别是在飞机制造工业中，需要功率密度为8 kW/kg的驱动系统。

电动驱动系统目前通常只用于模型飞机。例如，一种高极数马达作为无变速器的飞机电动马达从盖格工程公司（Geiger Engineering）已知。所述电动马达的磁极数为42，且在极限转速为2500转/分钟的情况下功率为20 kW。在开始阶段，该马达的功率重量比为3.6 kW/kg。

在横向磁通电机中，磁通量相对于旋转平面横向地（垂直地）延伸。在三相横向磁通电机中，每个相均通常具有其自己的激励。然而，在其中三个相仅由一个永磁体系统供电的横向磁通电机也是已知的。横向磁通电机能够实现高的极对数，且因此具有小的极距。因此每极的铁芯重量小，且因此获得了有利的功率重量比。绕组端部由于环形绕组而被消除。

文献WO 2013/087412 A1公开了一种多相横向磁通电机，其中，Halbach阵列布置在转子上。为了形成闭合的磁通量，另外设置I形磁芯，其邻近于定子中的对应的磁轭。由于磁轭到I形磁芯的空间接近，所以导致下述问题：出现非期望的横向磁通，其在磁轭和I形磁芯之间引起磁饱和。这导致在高的电流下转矩产生量保持不变。

因此，本发明的目的是提供一种具有改善的转矩产生量的多相横向磁通电机。

该目的借助于根据专利权利要求1所述的横向磁通电机来实现。本发明的发展在从属权利要求中限定。

根据本发明的横向磁通电机包括定子和转子，其中，转子能够相对于定子绕轴线在圆周方向上旋转。转子和定子优选地被实施为环形形状，结果圆周方向对应于轨道。对于相应的电流相，横向磁通电机包括下面解释的部件。

设置在圆周方向上沿着多个磁轭延伸的电线（尤其是环形线），其中线和多个磁轭布置在定子中。术语“线”应该被广义地理解。尤其，线能够由单独的导体或多个单独的导体构成。

设置一对永磁体阵列，其在圆周方向上平行延伸且其每个永磁体阵列均包括多个永磁体。永磁体阵列被实施在转子中。此外，在定子中设置多个返回路径主体，其中，每个磁轭均被分配有返回路径主体，该返回路径主体在径向方向上（即，在相对于横向磁通电机的轴线垂直的方向上）与相关联的磁轭（即，返回路径主体被分配到的磁轭）间隔开。这意味着当沿圆周方向的方向观察时，返回路径主体的横截面与相关联的磁轭的横截面之间不存在重叠。

在根据本发明的横向磁通电机中，永磁体阵列中的永磁体的磁化方向以使得在转子的旋转期间在每个磁轭处重复出现闭合的磁通量的方式改变，其中，闭合的磁通量从一对中的一个永磁体阵列经由相应的磁轭延伸到一对中的另一永磁体阵列，并且从那里经由被分配给相应的磁轭的返回路径主体回到一对中的首先提到的永磁体阵列。

根据本发明的横向磁通电机由以下事实限定：通过使返回路径主体与磁轭间隔开来避免横向磁通量，且这因此抵消了磁饱和。同时，通过适当地改变永磁体阵列中的磁化方向来实现磁通量经由返回路径主体的返回路径。

在一个尤其优选的实施例中，在每个永磁体阵列与每个磁轭之间提供第一间隙，该间隙通常也被称为气隙。而且，在每个返回路径主体与每个永磁体阵列之间形成第二间隙。该第二间隙与第一间隙位于不同的平面中。闭合的磁通量在此在第一间隙和第二间隙处逸出。术语“不同的平面”应被广义地理解。尤其，第一和第二间隙的两个平面不一定必须相对于彼此强制旋转，而是也能够仅相对于彼此偏置。然而，第二间隙的平面优选地相对于第一间隙的平面旋转90°。

在一个尤其优选的实施例中，相应的返回路径主体布置在所述一对中的永磁体阵列之间。结果，获得横向磁通电机的紧凑设计。

在另外的改进中，相应的返回路径主体布置在永磁体阵列的内侧上，其中，内侧面向横向磁通电机的轴线，且磁轭定位在永磁体阵列的相对的外侧上。因此，在返回路径主体和磁轭之间获得尤其大的距离。

在另外的尤其优选的实施例中，相应的返回路径主体相对于相关联的磁轭在圆周方向上偏置。这也导致在磁轭和返回路径主体之间的距离增加，并因此导致横向磁通减小。

在另外的优选实施例中，相应的永磁体阵列的永磁体在圆周方向上直接彼此相邻布置。因此能够省去磁通收集器。

在另外的尤其优选的实施例中，相应的永磁体阵列被沿着圆周方向分成重复的部分，其中，相应的永磁体阵列的永磁体的磁化方向以使得闭合的磁通量的方向从一部分到下一部分反向的方式改变，并且每个部分中的闭合的磁通量从相对于第一间隙基本上垂直的方向旋转到相对于第二间隙基本上垂直的方向或从相对于第二间隙基本上垂直的方向旋转到相对于第一间隙基本上垂直的方向。

根据本发明的横向磁通电机优选地以三相方式被构造。此外，转子优选地具有三角形的横截面，并且在每个三角形侧部上针对电流相设置一对永磁体阵列，并且在每个三角形侧部上的凹部中引导返回路径主体。尽管如此，转子为正方形或为六边形等的改进也是可能的。

在一个尤其优选的实施例中，横向磁通电机的磁轭是U形的，其中，在对应的相的U形磁轭的臂部之间布置相应的线。

在另外的优选改进中，横向磁通电机的相应的线具有圆形外径。另外，相应的线优选地被实施为中空导体，在中空导体的内部中引导冷却流体或者设置加热管。结果，因此在运行期间实现了电机的有效冷却。

下面参考附图详细描述本发明的示例性实施例，其中：

图1示出了根据本发明的横向磁通电机的实施例的细节的透视图；和

图2示出了透视图，其阐明了根据本发明的横向磁通电机的实施例的总体设计。

图1示出了根据本发明的横向磁通电机的变型的设计的细节的透视图，其中细节表示单独的相。横向磁通电机是三相横向磁通电机，其整体设计示于图2并在下面描述。

图1中的横向磁通电机包括定子1，其两个磁轭3和3'，两个返回路径主体7和7'以及环形线4被部分地表示。转子2邻近于定子设置，仅示出转子2的集成在转子中的两个永磁体阵列5和5'。转子和定子被构造成圆形形状，并且围绕横向磁通电机的轴线（未示出）在圆周方向UR上延伸，转子围绕该轴线相对于定子旋转。

在定子中沿着圆周方向UR设置一个接着一个的多个U形磁轭3和3'，其中，磁轭的数量根据横向磁通电机的极数适当地限定。磁轭以本身已知的方式由软铁构成，并且环形线4沿着磁轭在其U形形状的臂部之间被引导，为了清楚起见，所述环形线4仅在磁轭3上以阴影圆圈指示。通过传导电流通过在电机的每个单独的相中的环形线4，横向磁通电机在此能够用作马达。同样，横向磁通电机能够用作发电机，在这种情况下，通过旋转转子在各个相的线4中产生三相电流。

各个返回路径主体7和7'，定子1的一部分，在两个永磁体阵列5和5'之间在转子中的对应凹部中被引导。两个永磁体阵列因此相对于返回路径主体7和7'旋转。与磁轭3和3'一样，返回路径主体由软铁构成，并且用于闭合磁通量，其由两个永磁体阵列生成并且经由相应的磁轭延伸。每个返回路径主体均被分配到磁轭。换句话说，返回路径主体7与磁轭3相关联，并且返回路径主体7'与磁轭3'相关联。在这种情况下，返回路径主体在圆周方向UR上相对于所分配的磁轭偏置。

通常，使用I形的返回路径主体（I形磁芯）来形成闭合的磁通量，所述返回路径主体不布置在两个永磁体阵列5和5'之间，而是布置在这些阵列的上侧上。在这种情况下，永磁体阵列中的磁通量反向以便能够在磁轭和I形磁芯之间流动。然而，这种布置的缺点在于，I形的返回路径主体非常接近磁轭定位，这导致在I形磁芯和磁轭之间出现非期望的磁横向磁通的情况，该磁横向磁通引起饱和。因此，在高的电流下，转矩产生量保持不变。

利用图1中的布置克服了这个缺点。显而易见的是，返回路径主体7和7'现在布置在与相关联的磁轭5和5'相距相对较大的距离处。尤其，返回路径主体在径向方向上，即在与横向磁通电机的轴线垂直的方向上与磁轭间隔开。换句话说，在圆周方向UR的观察方向上，返回路径主体的横截面与对应的磁轭没有重叠。然而，为了生成闭合的磁通量，限定了各个永磁体阵列5和5'中的磁化方向的特定分布，如下面更详细地解释的。

两个永磁体阵列5,5'相对于磁轭3,3'和返回路径主体7,7'的布置使得在磁轭的底侧和安置在之下的相应的阵列之间形成第一间隙S1。这个间隙通常也被称为气隙。另外，对于每个返回路径主体，存在第二间隙S2，其在返回路径主体的相应外侧和永磁体阵列的相应内侧之间形成。为了清楚起见，只有一些特定的间隙由附图标记S1和S2表示。相应的永磁体阵列5和5'由多个矩形的永磁体构成，这些永磁体一个直接接着另一个布置，并且为了清楚起见，其通过附图标记6在仅两个位置处表示。各个永磁体中的磁化方向由对应的箭头指示。

各个阵列的永磁体形成在圆周方向上一个接着一个的重复部分501，其中磁化方向的分布从一个部分到下一个部分反向。在一个部分501内，各个永磁体6的磁化方向被选择成使得在给定图1所示的磁轭的位置的情况下，经由磁轭和所分配的返回路径主体形成闭合的磁通量。为此目的，相应的部分501包括由具有沿轴向方向的分量的磁化方向的三个永磁体构成的局部部分502，由具有沿圆周方向UR的磁化方向的单独的永磁体构成的局部部分503，由具有沿径向方向的分量的磁化方向的三个永磁体构成的局部部分504，及由具有沿圆周方向UR的磁化方向的单独的永磁体构成的局部部分505。

上述闭合的磁通量经由以这种方式构造的部分501发生。对于磁轭3，所述磁通量从磁轭的左手臂部经由间隙S1延伸到阵列5'的局部部分503，并从那里延伸到阵列5'的局部部分502，磁通量在此处偏转到阵列5'和返回路径主体7之间的间隙S2。磁通量穿过间隙并通过返回路径主体7流到阵列5的局部区段502，在此处磁通量被偏转到局部区段503，且从那里到局部区段504。磁通量通过局部区段504被引导到磁轭3的右手臂部下方的间隙S1，结果磁通量再次闭合。对于其他磁轭也会出现对应的磁通量。

从上述陈述明显的是，因此确保了横向磁通电机运行所需的闭合的磁通量，但同时返回路径主体与磁轭间隔开。尤其，磁通量经由磁轭与永磁体阵列之间的第一间隙以及在返回路径主体与永磁体阵列之间的第二间隙偏转，其中，两个间隙位于不同的平面中。由于永磁体阵列的对应构造，所以磁通量在此以这样的方式旋转，使得其能够经由返回路径主体在两个阵列之间闭合。

图2示出了具有图1中所示的相应的相的三相横向磁通电机的总体设计的示意图。图示在此并未按照真实比例绘制。尤其，图2中所示的返回路径主体7和7'以类似于图1的方式在圆周方向UR上相对于分配的磁轭3和3'偏置，这从图2中不明显。如图2中能够看到，转子2被构造成三角形形状，其中横向磁通电机的对应相被形成在三角形的每个侧部处。也就是说，相应的永磁体阵列5和5'在转子中在三角形的每个侧部上形成，其中，对应的定子被布置为与其相邻。依次示出了两个磁轭3,3'、返回路径主体7,7'和定子的环形线4。返回路径主体在三角形转子的对应凹部中被引导，但是这从图2中不明显。与图1相比，半圆形导体用作环形线而不是圆形导体。

代替如图2所示的以三角形布置各相，其他构造也是可能的。尤其，转子能够被构造为正方形，其中，在正方形的三个侧部上设置对应的相。同样，转子能够具有例如六边形横截面，并且在该过程中在六边形的对应边缘处形成2×3个相。另外，图示的环形线也能够被构造为在其内部具有加热管或液体冷却装置（例如水或油）的中空导体。

上面描述的本发明的实施例具有一系列优点。尤其，获得了返回路径主体相对于对应的磁轭的间隔开布置，且因此有效地消除了磁饱和。在这种情况下，通过磁化方向的适当旋转，磁通量在永磁体阵列中闭合。根据本发明的横向磁通电机的另一个优点在于，由于在永磁体阵列的上侧没有设置返回路径主体，所以磁轭的臂部能够做得更小。因此，环形导体能够向前运动远至气隙。这额外地减少了散射，因为在U形磁轭的臂部之间只形成少量的杂散磁通。

Claims (12)

1.一种多相横向磁通电机，其具有定子（1）和能够相对于所述定子（1）绕轴线在圆周方向（UR）上旋转的转子（2），其中，所述横向磁通电机对于相应的电流相包括：

- 电线（4），其在所述圆周方向（UR）上沿着多个磁轭（3,3'）延伸，其中，所述电线（4）和所述多个磁轭（3,3'）设置在所述定子（1）中；

- 一对永磁体阵列（5,5'），其在所述圆周方向（UR）上平行延伸并且其每个永磁体阵列均包括多个永磁体（6）且设置在所述转子（2）中；

- 设置在所述定子（1）中的多个返回路径主体（7,7'），其中，每个磁轭（3,3'）被分配有返回路径主体（7,7'），所述返回路径主体在径向方向上与相关联的磁轭（3,3'）间隔开；

- 其中，所述永磁体阵列（5,5'）中的所述永磁体（6）的磁化方向以使得在所述转子（2）的旋转期间在每个磁轭（3,3'）处重复出现闭合的磁通量的方式改变，其中，所述闭合的磁通量从所述一对中的一个永磁体阵列（5,5'）经由相应的磁轭（3,3'）延伸到所述一对中的另一永磁体阵列（5,5'），并从那里经由分配的返回路径主体（7,7'）回到所述一对中的首先提到的永磁体阵列（5,5'）。

2.根据权利要求1所述的横向磁通电机，其特征在于，在每个永磁体阵列（5,5'）与每个磁轭（3,3'）之间提供第一间隙（S1），并且另外在每个返回路径主体（7,7'）与每个永磁体阵列（5,5'）之间形成第二间隙（S2），其中，所述第二间隙（S2）与所述第一间隙（S1）处于不同的平面中，并且所述闭合的磁通量在所述第一间隙（S1）和所述第二间隙（S2）处逸出。

3.根据权利要求1或2所述的横向磁通电机，其特征在于，相应的返回路径主体（7,7'）布置在所述一对中的所述永磁体阵列（5,5'）之间。

4.根据前述权利要求中的一项所述的横向磁通电机，其特征在于，所述相应的返回路径主体（7,7'）布置在所述永磁体阵列（5,5'）的内侧上，其中，所述内侧面向所述横向磁通电机的轴线，并且所述磁轭（3,3'）定位在所述永磁体阵列（5,5'）的相对的外侧上。

5.根据前述权利要求中的一项所述的横向磁通电机，其特征在于，相应的返回路径主体（7,7'）在所述圆周方向（UR）上相对于相关联的磁轭（3,3'）偏置。

6.根据前述权利要求中的一项所述的横向磁通电机，其特征在于，相应的永磁体阵列（5,5'）的所述永磁体（6）在所述圆周方向（UR）上直接彼此相邻布置。

7.根据前述权利要求中的一项结合权利要求2所述的横向磁通电机，其特征在于，相应的永磁体阵列（5,5'）沿着所述圆周方向（UR）被分成重复的部分，其中，所述相应的永磁体阵列（5,5'）中的所述永磁体（6）的磁化方向以使得所述闭合的磁通量的方向从一个部分（501）到下一个部分反向的方式改变，且所述闭合的磁通量在每个部分（501）中从相对于所述第一间隙（S1）基本上垂直的方向旋转到相对于所述第二间隙（S2）基本上垂直的方向或从相对于所述第二间隙（S2）基本上垂直的方向旋转到相对于所述第一间隙（S1）基本上垂直的方向。

8.根据前述权利要求中的一项所述的横向磁通电机，其特征在于，所述横向磁通电机以三相方式被构造。

9.根据前述权利要求中的一项所述的横向磁通电机，其特征在于，所述转子（2）具有三角形的横截面，并且在每个三角形侧部上针对电流相设置一对永磁体阵列（5,5'），并且返回路径主体（7,7'）在每个三角形侧部上的凹部中被引导。

10.根据前述权利要求中的一项所述的横向磁通电机，其特征在于，所述磁轭（3,3'）是U形的，并且相应的线（4）被布置在对应的相的U形磁轭的臂部之间。

11.根据前述权利要求中的一项所述的横向磁通电机，其特征在于，相应的线（4）具有圆形的外径。

12.根据前述权利要求中的一项所述的横向磁通电机，其特征在于，相应的线（4）被实施为中空导体，在所述中空导体的内部中引导冷却流体或设置加热管。