CN114651382A - 三相异步电机及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

公开了轴向间隙电机，其磁芯元件由缠绕的磁带制成，以提供相对轻质和小尺寸的实现方式，该实现方式能够以最小的磁损耗和电损耗在广泛的操作模式下运行。该轴向间隙电机包括：圆柱形定子组件，其具有沿圆柱形定子组件通过的中心通路；在定子组件的中心通路内与电机的旋转轴线同轴地穿过的可旋转轴；以及同心地附接到轴上并磁耦合到至少一个圆柱形定子组件的一个或两个环形转子组件。定子组件可以具有由沿其长度延伸的多个磁带层制成的多个棱镜形磁芯元件和包括安装在棱镜形磁芯元件上的多个线圈的初级绕组。每个转子组件可以具有由螺旋缠绕的磁带制成的环形磁芯元件和包括支架形导电结构的次级(短路)绕组，支架形导电结构具有在同心的内导电环和外导电环之间径向延伸的多个导电辐条，内导电环和外导电环电连接到辐条。

Description

三相异步电机及其制造方法
技术领域
本申请总体上属于轴向间隙电动机领域，且特别地属于异步三相轴向间隙电机领域。
背景
包括盘状定子和/或转子的三相轴向间隙异步电动机是已知的。通常，这种轴向间隙三相异步电动机被用于各种低功率设备中，通常通过具有恒定频率的三相电流操作。这些电动机通常具有连结到被配置成绕旋转轴线(即，电动机的轴线)旋转的转子的中心轴，并且它们的转子通过竖直气隙与电动机的定子分离，因此该电动机装置中的磁通轴向地流过气隙。
近年来，磁带(例如由非晶软磁材料制成的磁带)由于其良好的磁性能(低损耗、高磁导率)和机械性能(高强度和抗锈性)而被用于制造这类三相异步电动机的磁系统。由于高效率和低成本，在电动机芯中使用由非晶材料制成的磁带特别有利，导致磁系统中的损耗大幅降低，并相应地增加电动机的效率因数。电动机性能的这些改进对于通过交变电流操作的(例如用于电动交通工具的)重型发动机(例如，50-200kW)有利。
第6,784,588号美国专利描述了一种具有大体上多面体形状的大块非晶金属磁性部件的高效率电动机，其中多层非晶金属条粘接地层压在一起以形成大体上具有多面体形状的三维部分。该大块非晶金属磁性部件可以包括弓形表面，并且优选地包括彼此相对设置的两个弓形表面。磁性部件可在约50Hz至约20,000Hz的频率范围内操作。当电动机在激励频率“f”下运行至峰值感应水平B最大时，该部件表现出小于约“L”的芯损耗，其中L由公式L＝0.005·f(B最大)1.5+0.000012·f1.5(B最大)1.6给出，所述芯损耗、所述激励频率和所述峰值感应水平分别以每千克瓦特、赫兹和特斯拉为单位测量。
第7,144,468号和第6,803,694号美国专利建议由铁磁非晶金属条的螺旋缠绕环形圆柱体形成用于轴向磁通电机(如电动机或发电机)的单一非晶金属磁性部件。圆柱体被粘接并设有多个槽，所述多个槽形成在所述圆柱体的一个环形表面上，并从所述圆柱体的内径延伸到所述圆柱体的外径。这些部件被用于构造高效率、轴向磁通的电动机。当在激励频率“f”下操作至峰值感应水平B最大时，该单一非晶金属磁性部件具有小于“L”的芯损耗，其中L由公式L＝0.0074·f(B最大)1.3+0.000282·f1.5(B最大)2.4给出，芯损耗、激励频率和峰值感应水平分别以瓦特/千克、赫兹和特斯拉为单位测量。
第8,836,192号美国专利公开了一种轴向间隙旋转电机及用于其的转子。在轴向间隙旋转电机中，转子包括通过卷绕非晶带缠绕的环形芯而形成的转子轭，该非晶带缠绕的环形芯通过将非晶磁性金属带缠绕成环形芯来获得。具有多个磁极的磁体被周向地设置在非晶带缠绕的环形芯的面向定子的表面上。
第8,680,736号美国专利描述了一种电枢芯，其包括由多个非晶金属箔带的层压件形成的芯部分，其中电枢芯相对于层压层设有至少两个切割表面。非晶态金属被用作非晶态金属箔带的铁基。切割表面垂直于非晶箔带的层压层。此外，所述定子包括盘状的定子芯保持构件，所述定子具有多个孔或凹部，所述多个孔或凹部基本上具有与所述定子芯的横截面形状相同的形状，并且其中所述定子芯插入所述定子芯保持构件的孔或凹部中，并通过固定在所述定子芯保持构件的相应中心部分附近而被保持，所述中心部分是相对于其轴向方向。
第1139814号加拿大专利描述了一种鼠笼式感应电动机，其具有定子体和转子体，所述定子体和转子体分别由薄的非晶金属带状物的同心层线圈制成。所述带状物开槽以接纳转子和定子绕组。该电动机类似于传统的盘式电动机，不同的是副盘不是实心的铜盘或铝盘，而是有切口的非晶金属带状物的同心匝线圈，其通过减少有效气隙提高了效率。公开了一种带状物的线圈的制造方法，其中在带状物边缘形成相同的切口，切口之间的间距逐渐增大，这允许在带状物缠绕之后，切口彼此径向对齐，以在定子体或转子体的端部形成槽。
概述
本申请总体上涉及轴向间隙(也称为轴向磁通)电机，其磁芯元件由缠绕的磁带制成，所述磁带由软磁材料制成，例如但不限于非晶或纳米晶带，配置成基本上最小化芯中的磁损耗。轴向间隙电机通常是笨重的机组，由于其磁芯元件的磁损耗，在有限的操作范围内运行。本文公开的轴向间隙电机实施例提供了相对轻质和小尺寸的实现方式，其可以以最小化的磁损耗和电损耗在宽范围的操作模式中操作。
本文公开的轴向间隙电机实施例包括：至少一个圆柱形定子组件，其具有沿其通过的中心通路/通道；可旋转轴,该可旋转轴在定子组件的中心通路内通过，与电机的旋转轴线同轴；以及至少一个环形转子组件，该环形转子组件同心地附接到所述轴上并磁耦合到至少一个圆柱形定子组件。在一些实施例中，定子组件的中心通路基本上是圆柱形的。
定子组件包括多个棱镜形磁芯元件，每个棱镜形磁芯元件由安装在定子组件中的多个纵向延伸的磁带层构成，使得磁带层的长轴线基本上平行于定子的旋转轴线。如下文将详细说明的，棱镜形磁芯元件中相邻定位的磁带层之间的间隙可以用非磁性材料填充。棱镜形磁芯元件布置在定子中，使得它们的顶角指向电机的旋转轴线，并且它们的对称平面从旋转轴线径向延伸。至少一个线圈被放置在定子的每个棱镜形磁芯元件上，以在电机的运行状态下在它们的端部提供定子的磁极。
定子的棱镜形磁芯元件绕电机的旋转轴/旋转轴线均匀且周向分布在定子组件内部。这样，定子的棱镜形磁芯元件的磁带层可以相对于芯元件的环形布置基本上切向对准。在一些实施例中，定子的棱镜形磁芯元件附接在两个非导电且非磁性平行盘状支撑元件之间。然而，除了盘状支撑元件之外，或者替代盘状支撑元件，也可以使用其它附接装置，例如，使用非导电且非磁性的弧形附接肋和/或弯曲附接板，以用于在定子的每对相邻定位的棱镜形芯元件之间进行连接。
该转子组件包括环形磁芯元件，该磁芯元件由螺旋缠绕的磁带制成并具有多个轴向槽，所述多个轴向槽在磁芯元件的螺旋缠绕带的内外环之间穿过；以及导电支架结构(electrically conducing spider structure)，该导电支架结构包括多个径向辐条，该多个径向辐条至少部分地容纳在转子的环形磁芯元件的径向槽内。转子组件被安装在可旋转轴上，使得转子组件的磁芯元件和由此保持的导电支架结构面向定子的环形端侧，即面向定子的磁极，或者在具有一个以上的定子组件的电机的两个定子之间。
在一些实施例中，转子的导电支架结构包括内导电环和外导电环，且导电支架结构的辐条由多个导电板实现，该多个导电板电连接(例如，通过焊接)到内环和外环并且在内环和外环之间径向延伸，使得板位于由同心环限定的径向平面中。在一些实施例中，每个导电板的至少一些部分被接纳在转子组件的环形磁芯元件中形成的相应径向槽中。因此，支架结构的每个导电板的一些部分可以从其相应的径向槽向外突出，从而形成多个风扇叶片，该多个风扇叶片被配置成使空气向定子组件及其中心通路流动并使定子组件及其中心通路通风。导电板的几何尺寸可以被调节，以保证对于被设计用于电机操作的所有操作电源频率保持规定的效率水平，从而设置电机的期望效率因数。
在一些实施例中，转子组件包括非导电且非磁性盘状基座元件，基座元件被配置为保持转子的环形芯元件，由此保持导电支架结构。转子的盘状基座元件可以具有从其表面区域轴向突出的同心的内环形唇和外环形唇，以形成环形腔，转子的环形芯元件被接纳和(例如，通过粘附和/或螺钉)保持在该环形腔中。在一些实施例中，转子的盘状基座元件包括多个通风通道，该通风通道在具有环形腔的同一表面上径向通过。径向通道在内唇和外唇之间通过并穿过内唇和外唇，并且还穿过环形腔，从而形成通风通道，该通风通道被配置为促进空气在电机的外部体积/环境和定子组件的中心通路之间的通过。
如本文所用，术语电动机(electric motor)(或简称电动机(motor))通常指旋转电机，其附加地包括发电机以及可选地作为发电机操作的再生电动机(regenerativemotors)。本文公开的电动机实施例可用于构造这些设备中的任何一个。在本文公开的异步电动机实施例中，电动机的磁场由交流(AC)电源将交流电流提供给定子组件产生，以及转子的角速度n取决于电动机的电源的频率f。
本文使用的术语非导电材料是指本申请领域的技术人员所熟知的具有非常低电导率的材料，例如电介质和/或电绝缘材料。本文所用的术语非磁性材料是指不能磁化的材料，例如但不限于铝、铜、塑料。
因此，本发明教导三相异步电机的技术和构造，所述三相异步电机被设计成基于例如25Hz至525Hz范围内的变频电流供应操作。根据所选择的操作频率，获得以相应的扭矩和角速度(旋转速度)为特征的不同的操作模式。在这些实施例中，可以在250Hz的频率下计算电机的起动特征，在525Hz的频率下获得最大旋转速度，以及在25Hz的频率下获得最小速度。
本文公开的一个发明方面涉及一种用于轴向间隙电机的定子组件。所述定子组件包括：以棱镜形式制成的多个磁芯，每个棱镜形磁芯元件包括沿所述每个棱镜形磁芯元件的长度延伸的多个(平行)磁带层；多个线圈，所述多个线圈构成轴向间隙电机的初级绕组，每个线圈安装在棱镜形磁芯元件中的一个棱镜形磁芯元件上；以及支撑结构，该支撑结构被配置成固定地保持围绕并平行于电机的旋转轴线周向布置在其中的棱镜形磁芯元件，使得棱镜形磁芯元件的顶角指向电机的旋转轴线，并且棱镜形磁芯元件的对称平面从旋转轴线径向延伸。
可选地，但在一些实施例中优选地，棱镜形磁芯元件的横截面形状基本上是具有锐角顶角的等腰三角形。在一些实施例中，支撑结构包括两个非导电且非磁性盘状的支撑元件。棱镜形磁芯元件在定子组件中被附接在盘状支撑元件之间，基本上垂直于盘状支撑元件。磁带层可以由一种非晶或纳米晶磁性材料制成。
在一些实施例中，定子组件包括电导体，该电导体在线圈之间互连以形成三相线圈系统，并配置成一旦电连接到三相电源，就提供定子组件的确定数量的磁极。
在一些实施例中，定子组件包括周向布置在其中的十八个棱镜形磁芯元件。通过这种布置，线圈之间通过电导体的互连可以被配置成形成六个磁极。
本文公开的另一个发明方面涉及一种用于轴向间隙电机的转子组件。例如，且在不受限制的情况下，轴向间隙电机可以包括根据上文或下文公开的任何实施例的定子组件。转子组件包括由螺旋缠绕的磁带形成的环形磁芯元件，其中环形磁芯元件包括在环形磁芯元件的螺旋缠绕带的内外环/回路之间延伸的多个径向槽，以及构成轴向间隙电机的次级绕组的支架形导电结构。导电支架结构包括多个导电辐条，所述多个导电辐条在电连接到所述辐条的同心的内导电环和外导电环之间径向延伸。每个导电辐条可被配置成至少部分地接纳在环形磁芯元件的径向槽中的相应的一个径向槽中。
导电支架结构的每个导电辐条可由在同心的内导电环和外导电环之间径向延伸的导电板来实现。可选地，但在一些实施例中优选地，每个导电板的一部分从每个导电板被放置在其中的环形磁芯的相应径向槽向外突出。这样，在轴向间隙电机的运行期间，转子组件适于使空气流向定子组件。可以选择导电板的几何尺寸来设置轴向间隙电机的定义效率因数。
在一些实施例中，转子组件包括由非磁性且非导电材料制成的盘状基座元件。盘状基座元件可配置成接纳和保持转子组件的环形磁芯元件。盘状基座元件可以具有从盘状基座元件的表面轴向突出的同心的内环形唇和外环形唇。内环形唇和外环形唇可被配置成形成环形腔，所述环形腔被配置成接纳和保持转子组件的环形形状的磁芯元件。可选地，但在一些实施例中优选地，盘状基座元件包括多个径向槽，该多个径向槽在同心的内环形唇和外环形唇之间通过并穿过同心的内环形唇和外环形唇。径向槽可以被构造成便于空气通过其中，以便在轴向间隙电机的运行期间使定子组件进行通风。
本文公开的另一个发明方面涉及一种轴向间隙电机，该轴向间隙电机包括：至少一个定子组件，该定子组件具有多个磁芯元件和初级绕组，所述磁芯元件(本文也称为棱镜形磁芯元件)中的每一个磁芯元件以棱镜的形式制成，所述每一个磁芯元件由沿所述每一个磁芯元件的长度延伸的磁带层构成，所述初级绕组包括安装在棱镜形磁芯元件上的多个线圈；可旋转轴，所述可旋转轴沿定子组件的中心通路/通道通过；以及至少一个转子组件，该转子组件耦合或连接到所述可旋转轴，并包括磁芯元件(本文也称为环形磁芯元件)和次级绕组(短路转子绕组/支架件)，所述磁芯元件由磁性带状物或磁带的螺旋缠绕制成环形，所述次级绕组具有由导电材料(例如，金属，如铜)制成的两个同心环和在所述两个同心环之间径向延伸并电连接到所述两个同心环之间的导电棒或板(本文也称为辐条，例如，由导电金属(如铜)制成)。导电棒或板可以至少部分地容纳在环形磁芯元件的径向槽内。
可选地，但在一些实施例中优选地，导电棒或板放置在转子组件的环形磁(磁路)芯元件的端面中形成的径向槽内。在一些实施例中，次级绕组的径向延伸棒或板被配置为从转子组件的环形磁芯元件的表面轴向突出，并由此形成风扇叶片，该风扇叶片被设计成在电机的运行期间将冷却空气流引导到定子绕组和磁路。
通常，轴向间隙电机可以包括至少一个根据上文或下文公开的实施例中的任一实施例的定子组件、位于沿着定子组件通过的中心通路中的可旋转轴、以及至少一个根据上文或下文公开的实施例中的任一实施例的转子组件，该转子组件同心地安装在可旋转轴上，使得在转子的支架形导电结构和至少一个定子组件之间形成轴向间隙。
本文公开的又一个发明方面涉及一种构造用于轴向间隙电机的定子组件的方法。所述方法包括：由缠绕的磁性带介质制备一个或更多个矩形环形结构，从所述矩形环状结构切割一个或更多个矩形平行六面体件，从所述矩形平行六面体件中的每一个矩形平行六面体件切割一个或更多个棱镜形磁芯元件，将构成轴向间隙电机的初级绕组的一个或更多个线圈放置在所述棱镜形磁芯元件中的每一个棱镜形磁芯元件上，以及在支撑结构内围绕且平行于电机的旋转轴线周向地安装所述棱镜形磁芯元件，使得棱镜形磁芯元件的顶角指向旋转轴线，并且棱镜形磁芯元件的对称平面从旋转轴线径向地延伸。
棱镜形磁芯元件在支撑结构内的安装可以包括将棱镜形磁芯元件附接在两个非导电且非磁性盘状支撑元件之间。该方法可以包括在线圈之间互连以形成三相线圈系统，该三相线圈系统被配置为向定子组件提供确定数量的磁极。在一些应用中，定子组件包括十八个棱镜形磁芯元件。这样，线圈之间的互连可以被配置成形成六个磁极。
本文公开的又一发明方面涉及一种构造转子组件的方法。例如，且在不受限制的情况下，转子组件可用于包括上文和下文所公开的任何实施例的定子组件的轴向间隙电机中。所述方法包括：由螺旋缠绕的磁性带介质制备环形磁芯元件，在环形磁芯元件中形成在环形磁芯元件的螺旋缠绕的带介质的内环和外环之间延伸的多个径向槽，通过将多个导电辐条电连接在同心的内导电环和外导电环之间(共同构成轴向间隙电机的次级绕组)来制备支架形导电结构，将支架形导电结构附接到环形磁芯元件，使得所述支架形导电结构的每个导电辐条至少部分地接纳在所述环形磁芯元件的径向槽中的相应的一个径向槽中。
在一些实施例中，支架形导电结构的制备包括使用导电板来实现辐条。可选地，且在一些实施例中优选地，支架形导电结构的制备包括将导电板放置在环形磁芯的相应的径向槽中，使得每个导电板的一部分从相应的径向槽向外突出。在一些实施例中，该方法包括确定导电板的几何尺寸以设置轴向间隙电机的定义效率因数。
可选地，但在一些实施例中优选地，该方法可以包括制备由非磁性且非导电材料制成的盘状基座元件，以及将转子组件的环形磁芯元件附接到盘状基座元件。在一些实施例中，该方法包括在盘状基座元件中形成环形腔，以及将转子的环形磁芯元件放置在环形腔中。在一些实施例中，该方法包括在将环形磁芯元件放置在环形腔中之前在盘状基座元件中形成多个径向槽。径向槽可以有利于在轴向间隙电机的运行期间空气的通过和定子组件的通风。
本文公开的另一发明方面涉及一种构造轴向间隙电机(例如，电动机或发电机)的方法。该方法包括：制备至少一个根据上文或下文所公开的实施例中的任何一个实施例中的定子组件；将可旋转轴放置在穿过定子组件内部的中心通路中；制备至少一个根据上文或下文所公开的实施例中的任何一个实施例中的转子组件；以及将至少一个转子组件安装在可旋转轴上，使得在转子的支架形导电结构和至少一个定子组件之间形成轴向间隙。
附图简述
为了理解本发明并且为了领会本发明可以如何在实践中被实施，现在将仅通过非限制性的示例的方式，参照附图来描述实施例。除非另有暗示，否则附图中所示的特征意在仅说明本发明的一些实施例。在附图中，相似的附图标记用于表示相对应的部件，并且其中：
图1是根据一些可能的实施例的轴向间隙电机的透视图的示意图；
图2A和图2B示意性地示出了根据一些可能的实施例的轴向间隙电机的定子，其中，图2A显示了定子的透视图，并且图2B显示了定子的截面图；
图3A至图3C示意性地示出了根据一些可能的实施例的定子的磁芯元件的构造，其中，图3A和图3B例示了定子磁芯元件的可能的制造工艺，并且图3C显示了具有线圈的定子磁芯的透视图；
图4A和图4B示意性地示出了根据一些可能的实施例的定子组件，其中，图4A显示了定子组件的截面图，并且图4B显示了定子组件的透视图；
图5A至图5G示意性地示出了根据一些可能的实施例的转子组件，其中，图5A显示了安装到公共可旋转轴上的两个转子组件；图5B显示了转子的环形磁芯的前视图和截面图，图5C显示了转子的支架结构的前视图和截面图，图5D显示了转子的盘状基座元件的前视图和截面图，图5E显示了转子组件的前视图和截面图，图5F显示了其上安装有两个转子组件的可旋转轴的截面图，并且图5G显示了其上安装有两个转子组件的可旋转轴的透视图；
图6A和图6B分别显示了根据一些可能的实施例的轴向间隙电机的透视图和截面图；和
图7示意性地示出了根据一些可能的实施例的定子的线圈到三相电源的电连接。
具体实施方式
下面将参考附图描述本公开的一个或更多个具体实施例，这些实施例在所有方面都被认为仅仅是说明性的，而不是以任何方式进行限制。为了提供这些实施例的简明描述，在说明书中没有描述实际实现方式的所有特征。附图中所示的元件不一定按比例绘制，而是将重点放在清楚地说明本发明的原理上。在不脱离本文描述的基本特征的情况下，本发明可以以其他特定形式和实施例提供。
图中所示和下文所述的实施例一般旨在用于感应轴向间隙电机。这些电机通常可以包括一个或更多个定子组件，每个定子组件具有大致开放的圆柱形结构，中心(圆柱形)通道沿着该圆柱形结构穿过，以及一个或更多个盘状转子组件面向定子组件的环形端侧并与其间隔开，以在每个盘状转子组件和定子组件的相应的环形端侧之间形成轴向气隙。
定子组件和/或转子组件包括由磁带(例如，由非晶金属制成的磁带)制成的磁芯。磁芯元件的磁带缠绕或堆叠以形成布置在电机的转子和定子内部的多层结构，使得穿过磁芯元件的磁通线基本上平行于磁带层，从而基本上防止涡流损耗。可选地，并且在一些实施例中优选地，磁芯元件的相邻定位的磁带层/带状物之间的间隙用非磁性材料填充。
转子组件固定地附接到中心轴上，被配置成围绕穿过定子组件的中心通路的旋转轴线旋转。气隙位于轴向间隔开的平行平面中，这些平面基本上垂直于中心轴(即，垂直于电机的轴线)，并且基本上平行于定子组件的环形端侧。
定子组件在一些实施例中包括刚性框架，刚性框架包括由(例如，由一种塑料或玻璃纤维材料(如STEF)制成的)电绝缘非磁性材料制成的两个盘状支撑元件，以及在两个盘状支撑元件之间周向分布并固定安装的多个磁芯元件。在一些实施例中，磁芯元件由软磁性材料制成的磁带制造，软磁性材料例如但不限于非晶或纳米晶材料(例如，铁基材料(例如但不限于2605SA1、1K101)，或纳米晶合金(例如但不限于GM414))。定子组件的磁芯元件可以形成为具有各种不同的截面形状(例如，圆形、三角形、正方形、矩形、多面体或任何其他合适的多边形)。
在一些实施例中，定子组件的磁芯元件是具有三角形横截面形状的长形棱镜形元件。长形棱镜形定子芯元件布置在定子组件中，使得每个棱镜形定子芯元件的顶角径向指向定子的轴向轴(即，旋转轴线)。在可能的实施例中，定子的芯元件的横截面基本上是等腰三角形形状，并且芯元件朝向转子的旋转轴线的顶角是锐角。每个定子所用磁芯元件的数目取决于电机的磁极数目。可选地，但在一些实施例中优选地，在每个定子组件中安装18(十八)个磁芯元件。如下文将详细说明的，定子组件的磁芯元件的这种配置被设计成使在电机的轴向间隙上方的定子的磁芯元件和转子的次级绕组之间磁耦合最大化。
每个定子磁芯元件被配置成在其上接纳电机的初级绕组的至少一个电磁线圈。在一些实施例中，初级绕组的电磁线圈电互连以提供三相线圈系统，该三相线圈系统被配置为接纳/产生成电动机电机的三相电力供应。例如，且在不受限制的情况下，定子组件可以被设置为提供6(六)个磁极，其中初级绕组具有18(十八)个磁芯元件，磁芯元件承载电互连以形成三相电磁线圈系统的电磁线圈。
为了最小化磁损耗，在一些可能的实施例中，定子的磁芯元件是多层结构，其中磁带层被布置成形成沿磁芯元件的长度延伸的多个平行磁带层的棱镜状堆叠。磁芯元件安装在定子中，使得它们的平行磁带层(水平)平行于电机的旋转轴线。这样，穿过定子的每个磁芯的磁通量的方向与非晶带状层在磁芯元件内延伸的方向(即沿着磁芯的长度)一致，这从而使定子芯的磁损耗基本上最小化。
定子的磁芯元件可以附接(例如，通过强力粘合剂材料，例如环氧树脂粘合剂)到设置在定子组件的端面的电绝缘盘状支撑元件上。盘状支撑元件还可以通过由刚性材料(例如，不锈钢)制成的具有弧形横截面的间隔件相互连接，所述间隔件周向附接在定子组件的外径上。可选地，但在一些实施例中优选地，电绝缘盘状支撑元件通过精确的结构元件(例如但不限于不锈钢棒)互连。这种设计提供了电机的定子的圆形端面和盘状转子组件的环形面之间的高精度(例如约0.01毫米)的精确对准。
因此，定子的磁芯系统形成沿电机的旋转轴线通过的中心(圆柱形)通道。电机的中心轴被放置成沿着定子组件的中心通道/通路延伸，使得固定地附接到其上的一个或更多个盘状转子组件基本上平行于定子组件的环形端面，并与其间隔开以在它们之间提供约0.25mm至1.0mm的气隙。
每个转子组件可以具有由非磁性且电绝缘材料(例如，由一种塑料或玻璃纤维材料(例如STEF级玻璃纤维)制成)制成的盘状基座元件，该盘状基座元件被配置为保持转子的磁芯和其上的短路次级绕组(shorted secondary winding)。盘状基座元件固定且同心地附接到电机的轴上，以及转子组件的磁芯固定且同心地附接到其上，使得其面向定子组件的环形端侧中的相应的一个端侧，即面向定子的磁极。可选地，但在一些实施例中优选地，转子的磁芯是环形结构，其由磁带(例如非晶合金或纳米晶合金带)缠绕以形成螺旋的缠绕带层压件而制成。
转子的磁芯安装在电机的轴上，使得其磁芯的螺旋缠绕带和轴基本上同心，因此螺旋缠绕带的环的宽度基本上与缠绕螺旋相切。可选地，但在一些实施例中优选地，转子的磁芯的螺旋磁带缠绕的连续回路之间的间隙用非磁性材料(例如，空气、胶水或任何合适的非磁性填料)填充。这样，由定子的磁极产生的磁通可以容易地轴向穿过转子的磁芯的切向环/回路宽度，同时基本上防止磁通从其中径向通过，从而最小化/防止磁损失。
在一些实施例中，转子的环形磁芯结构包括在面向定子组件的环形侧中(例如，通过切割/研磨盘)形成的多个径向延伸的槽。径向延伸的槽从转子磁芯结构的内环/回路一直延伸到其外环/回路，用于在其中保持构成电机的次级绕组的导电支架结构。导电支架结构可以由同心的导电内环形元件和外环形元件通过从内环形元件径向延伸到外环形元件的多个导电辐条彼此电连接来进行组装。
特别地，在一些实施例中，支架结构的外导电环形元件位于转子的环形磁芯结构的外环/回路上，并且支架结构的内导电环形元件位于转子的环形磁芯结构的内环/回路上(或内部)。在一些实施例中，导电辐条通过窄的平坦导电板来实现。窄的平坦导电板的平滑度(consistency)和几何尺寸根据电机的功率及其运行方式而调整。
支架结构的辐条/导电板中的每一个至少部分地容纳在转子的磁芯环形结构的径向延伸的槽中的相应一个槽中。每个板在其一端电连接到内环形导电元件，并且在其另一端电连接到外环形导电元件，从而形成转子的导电支架结构。支架结构的导电内环形元件、导电外环形元件和导电板可以由任何合适的导电材料(例如，但不限于铜、银、铝)制造。
通过改变在转子的环形磁芯结构中形成的径向槽的形状，以及相应地改变由此接纳和保持的导电板的形状和/或厚度，电机的特性可以适合于提供所需的功率特性以及电机的操作频率和速度。可选地，但在一些实施例中优选地，次级元件的每个导电板被配置为将其某些部分容纳在其相应的一个径向槽中，而其另一部分从槽轴向突出以形成风扇叶片元件。在一些实施例中，导电板的从径向槽向外突出的部分的高度约为20mm至40mm，可选地约为30mm)。
通过这种转子构造，导电的支架结构还用于通过由支架结构的轴向突出板形成的离心风扇叶片结构来使电机的内部部件通风。在运行期间，转子组件和轴向轴围绕电机的轴线旋转，因此由支架结构的轴向突出的板部分形成的离心风扇叶片结构迫使气流朝向定子组件的中心通路通过且穿过定子组件的中心通路，并越过设置在定子组件的中心通路内的轴向轴。
利用磁性(例如，非晶材料)带来构造如本文所公开的电动机的定子和转子的磁芯元件的异步轴向间隙感应电动机实施例可以在驱动电动机的电流源的宽频率范围内操作。本文所公开的轴向间隙电动机实施例的磁芯由非晶磁性材料制成，其磁损耗水平很低，取决于在其绕组中通过的电流的频率，且因此它们可以在明显高于具有钢制磁芯的传统轴向间隙转子中典型使用的电频率的电频率下运行，例如，在50Hz频率下由非晶磁性材料制成的磁芯损耗是等同的钢制磁芯的损耗的1/5(五分之一)。
因此，在定子和转子的磁芯中使用这种非晶磁性材料，使能够在宽的操作频率范围内操作转子，同时保持电动机的高水平效率，例如97％。例如，且在不受限制的情况下，本文公开的轴向间隙电机实施例可设计为用于电动交通工具的三相电动机。电动机可适于由能够改变由此提供的电流的频率(例如在25Hz至525Hz之间)的电源操作，为此，磁系统的磁损耗被高精度地限制在期望的范围内。
本发明的发明人对本文所公开的电动机设计的磁芯元件进行了全尺寸测试(full-scale testing)，通过该测试确定了关于电动机的磁损耗的以下公式：
P0＝15.53×B1.93×f1.485W/kg，
其中，P0是以[W/kg]为单位的磁损耗的计算值；
B是以特斯拉[T]为单位在磁芯中感应的磁场；以及
f是以[kHz]为单位的电源频率。
为了概述本发明的几个示例特征、工艺阶段和原理，图中示意性和图示性地示出的轴向间隙感应电机的示例主要旨在用于轴向间隙电动机。这些电动机系统被示为一个示例性实现方式，其展示了用于提供轴向间隙电机的许多特征、过程和原理，但是它们对于其他应用也是有用的，并且可以以不同的变型来制造。因此，该描述将参考所示的示例进行，但是应当理解，一旦从本文的描述、解释和附图中理解了原理，在下面的权利要求中所述的本发明也可以以无数其他方式实现。所有这些变型以及对本领域普通技术人员来说明显的并且在轴向间隙电机应用中有用的任何其他修改都可以被适当地采用，并且都被认为落入本公开的范围内。
图1示意性地示出了根据一些可能的实施例的三相异步电动机10。电动机10包括圆柱形定子组件1和两个盘状转子组件2，圆柱形定子组件1具有从中穿过的同心圆柱形通道1m。转子组件2固定地附接到轴向轴5，轴向轴5同心地穿过定子组件1的圆柱形通道1m。轴向轴5和安装到其上的转子组件2构成电动机10的转子，该转子被构造成相对于定子组件1围绕电动机轴线10x旋转，定子组件1在电动机10的运行期间保持静止。在该特定和非限制性示例中，电动机10包括一个定子组件1和两个转子组件2，但是可以使用本文公开的原理和技术类似地设计其他配置(例如，具有单个转子组件、或两个或更多个定子组件和三个或更多个转子组件的电动机)。
定子组件1包括沿定子1的长度通过的多个周向分布的定子磁芯元件4。设置在定子组件1中的定子磁芯元件4的数量取决于电动机10中所需的磁极的数量。每个定子磁芯元件4沿着基本平行于电动机轴线10x的定子组件1的长度L延伸，使得其每个端侧面向转子组件2中的不同的一个转子组件。在每个转子组件2和定子组件1的相应的环形端侧1s之间形成相应的气隙3。
图2A显示了电动机10的安装在两个盘状支撑元件6之间的磁芯结构1c。盘状支撑元件6由电绝缘的非磁性材料制成，磁芯元件4牢固地固定在它们之间以形成鼠笼式结构。在一些实施例中，磁芯结构1c包括用于(例如，使用螺钉和螺母)在盘状元件之间进行圆柱形支撑的部件(未示出)。
图2B显示了电动机10的磁芯结构1c的截面图。在该特定的且非限制性的示例中，磁芯结构1c包括八个磁芯元件4，每个磁芯元件的横截面为三角形。可选地，但在一些实施例中优选地，磁芯元件4的横截面为等腰三角形形状。磁芯元件4围绕电动机的旋转轴线10x均匀地周向分布，使得它们的顶角4g(如果磁芯元件具有等腰三角形截面形状，则为锐角)朝向电动机的旋转轴线10x。磁芯元件4位于盘状元件6的内径Di和外径Do之间，并且它们布置在其中，使得它们的三角形形状的截面的对称轴4s在内径Di和外径Do之间径向延伸。
盘状元件6可以由一种塑料或玻璃纤维材料(例如CTEF)制造。要注意的是，如果用钢盘状元件代替，由磁芯元件产生的磁通的闭合涉及到气隙中感应的减少和磁损耗的增加。通常，在盘状元件6中使用导电材料(例如，铝)，会由于铝材料与磁通量的相交而产生感应损耗过程。因此，这些盘状元件6由电绝缘且非磁性材料制成，并且它们限定了靠近定子组件1的外径延伸的圆形区域。该设计保证了定子组件1的磁芯元件4的中间表面和外端表面之间的高精度平行度，相对应地确保了定子组件1的磁芯元件4(在1s处)的端表面的相同水平的精度和对准，并且从而确保了分别在转子组件2和定子组件1之间形成的气隙3的精度。
如图2B所见，每个定子磁芯元件4是由磁带层4r制成的多层结构，磁带层4r具有朝向其顶角4g的逐渐减小的宽度W。又如图2B所示，在每一个磁芯元件4上方设置有缠绕的电磁线圈11。电磁线圈11可以电互连以提供定子组件1的所需初级绕组元件。每个磁带层4r在磁芯结构1c中基本上平行于旋转轴线10x延伸，使得电磁线圈11产生的磁通平行于旋转轴线轴向地穿过磁芯元件4并与磁带层4r在磁芯元件4中延伸的方向基本对准。
图3A至图3C显示了在一些实施例中用于制造定子磁芯元件4的工艺。参照图3A，从磁带31(例如非晶材料带或纳米晶材料带)缠绕具有大致矩形形状的环形矩形磁芯件30。在一些实施例中，磁带31的宽度Ti约为70mm至100mm，可选地约为80mm至90mm，可选地约为85mm，并且其厚度约为36mm。矩形环形磁芯件30的长度Lp可以是约500至1000mm，可选地在600mm至850mm的范围内，可选地约720mm。磁芯件30的宽度Tr可以是约200mm至400mm，可选地在250mm至350mm的范围内，可选地约300mm。磁性带31对于大约1kHz的电流频率可以由铁基材料(例如，且不受限制地，2605SA1或1K101)制成，或者对于大于1kHz的频率可以由纳米晶合金(例如，且不受限制地，GM414)制成。
在磁芯件30的制造期间，通常在磁带31的相邻定位层(带状物)之间形成长形的气隙，其尺寸取决于磁带31的缠绕密度。在一些实施例中，磁带31的缠绕密度比在0.8至0.95的范围内，并且在这种情况下，磁带31的相邻定位层之间的间隙的尺寸通常在1至4微米(micrometer)之间。
在完成缠绕之后，磁带31的自由端(例如，通过粘合剂和/或焊接)牢固地附接在缠绕的磁带的最后一个回路上，并且磁芯件30经历热处理和(例如，通过树脂/清漆)浸渍以获得基本刚性的磁芯件30。例如，磁芯件30可以浸渍在胶水或清漆材料中，并且然后例如在适当的烘箱中干燥。因此，在干燥的磁芯件30中，磁带31的相邻定位的层/带状物之间的间隙用非磁性间隔物/填料(即干燥的胶水/清漆材料)填充。可选地，但在一些实施例中优选地，在磁芯元件的特性的计算/设计期间考虑缠绕密度系数。
然后，(例如，通过具有良好质量和高切割精度的研磨盘)沿着切割线Ct切割刚性磁芯件30，以获得矩形(例如，平行六面体形状的)磁芯件切割件32。在一些实施例中，磁芯件切割件32的长度(在图3B中的Ln)约为85mm至150mm，可选地在100mm至120mm的范围内，可选地约为112mm。磁芯件切割件32的宽度Wr可以是约70mm至110mm，可选地在85mm至105mm的范围内，可选地约为92mm。磁芯件切割件32的厚度基本上等于构成磁芯件32的磁带31的宽度Ti。
然后，如图3B所示，沿着切割线Cn从每个磁芯件切割件32(例如，通过研磨盘)切割出一个或更多个长形棱镜形磁芯元件4。切割线Cn可以从最上面的磁带层31-1向最下面的磁带层31-n以期望的倾斜角α施加，从而获得磁芯元件4的磁带层31-1、31-2、…、31-n(本文统称为磁带层31)的宽度W的逐渐减小。穿过磁芯件32的磁带层31的切割的角度α相对于第一/最上面的磁带层31-1的表面的法线Nr进行限定，并且它将定子磁芯元件4的顶角4g限定为大约2α度。在一些实施例中，顶角2α约为10°至30°，可选地约为20°。在一些实施例中，磁芯元件4的长度Ln约为85mm至150mm，可选地在100mm至120mm的范围内，可选地约为112mm。在一些实施例中，磁芯元件4的高度Wr约为70mm至110mm，可选地在85mm至105mm的范围内，可选地约为92mm。磁芯元件4的宽度W约为20mm至40mm，可选地在30mm至38mm的范围内，可选地约为36mm。
在从磁芯件32切割出磁芯元件4之后，在每个磁芯元件4上安装/缠绕一个或更多个线圈11。图3C显示了其上放置有线圈11的绕组7的磁芯元件4。然后，如图2A和图2B所示，每个磁芯元件4(例如，通过环氧树脂粘合剂的粘合)附接在定子的盘状支撑元件6之间。另外，盘6可以通过棒和/或通过多个圆柱形间隔件相互连接，所述多个圆柱形间隔件由不锈钢制成并周向设置在定子的外径上。
磁芯元件4的该制造工艺可类似地用于构造具有任意适当数目的磁极的定子磁芯结构1c。例如，且在不受限制的情况下，在一些实施例中，2α顶角4g是根据定子组件1的磁极数目调整的锐角。在可能的实施例中，定子组件1被配置成容纳具有四个磁极的三相线圈系统，对于该三相线圈系统，每个磁芯元件4的2α顶角4g约为30°。在其他可能的实施例中，定子组件1被配置成容纳具有六个磁极的三相线圈系统，对于该三相线圈系统，每个磁芯元件4的2α顶角4g约为20°。因此，每个磁芯元件4的2。顶角4g大致可以通过表达式2α＝120°/m定义，其中m是定子组件1的磁极数目。
如图2B、图3B和图3C所见，利用这种磁芯元件4的制造技术，在磁芯结构1c中实现了与磁芯元件4的长轴平行且从而也与电动机的旋转轴线平行的磁带层31的纵向布置。磁芯元件4中的磁带层31和定子组件1中的磁芯元件4的这种布置保证了由线圈11产生的磁通线与磁带层31的方向基本对准并基本一致，这使磁芯结构1c中的磁损耗基本最小化。
因此，所获得的磁芯结构1c由一组刚性磁芯元件4组成，该一组刚性磁芯元件4承载相应的线圈11并且具有相当低的磁损耗。放置在磁芯元件4上的线圈11相互连接以形成三相线圈系统，并由此产生通过轴向间隙3传递到转子组件2的旋转磁场。
图4A显示了根据一些可能的实施例的定子组件1的横截面图和纵截面图，并且图4B显示了该定子组件1的透视图，该定子组件1(例如，通过螺钉和/或螺栓)附接到定子支撑板44。在该特定且非限制性的示例中，定子组件1包括18(十八)个棱镜形磁芯元件4，每个棱镜形磁芯元件4具有安装在其上的至少一个线圈11。磁芯元件4围绕电动机的轴线10x均匀地周向分布，并且基本上平行于电动机的轴线10x。可选地，但在一些实施例中优选地，磁芯元件4由如本文以上参照图3A至图3C所述的磁带(31)构成，并且它们被布置在定子组件1的内部，使得它们的磁带(31)基本上平行于电动机的轴线10x，以与线圈11产生的磁通线(未示出)重合。
在该定子结构中，线圈11通过诸如汇流条11b之类的电导体电互连，所述电导体沿着围绕磁芯结构1c延伸的周向部分通过，以形成三相线圈系统，所述三相线圈系统被配置为设置定子组件1的6(六)个磁极。特别地，在环形磁芯结构1c中间隔60°的每组6(六)个线圈11串联电连接，并在运行期间由三相电源的一相供电，从而设置电动机的6(六)个磁极。每组6个(六)串接的线圈11在其一端电连接到电源导体/汇流条11p，该电源导体/汇流条11p将该组串联连接的线圈11连接到电动机的电触点组件1n，以用于接收来自三相电源(未示出)的电流，并且在其另一端电连接到另一电源导体/汇流条11p，以用于将来自该组串联连接的线圈11的返回电流传递到电动机的电触点组件1n。
图5A显示了根据一些可能的实施例的同心地附接到电动机的轴5上的两个转子组件2的布置。如下将详细描述，每个转子组件2包括由非磁性且电绝缘材料制成的盘状基座元件8、至少部分容纳在基座元件8的角腔(图5D中的8g)内的转子环形磁芯9、以及接纳并保持在基座元件8的径向槽(图5B和图5E中的17)中的次级绕组结构(导电支架组件)19。次级绕组结构19包括多个径向延伸的导电辐条(图5C中的16)。可选地，但在一些实施例中，优选地，导电辐条的位置和取向使次级绕组结构19的辐条长度(图5C中的Hp)与定子组件1的磁芯元件4的三角形横截面的高度(图2B中的Ht)对准。定子组件1和转子组件2之间的耦合可以通过将磁芯元件4的三角形横截面的高度(Ht)设置为与次级绕组结构19的辐条(Hp)的长度一致来优化，从而确保转子组件和定子组件之间的最大相互作用，即通过使Hp≈Ht。
图5B显示了根据一些可能的实施例的转子2的磁芯9的前视图。在一些实施例中，磁芯9由缠绕以形成具有(例如，约60mm至80mm的)内径Di和(例如，约230mm至280mm的)外径Do的环形芯结构的(例如，由非晶合金或纳米晶合金制成的)磁带制成。在缠绕环形结构之后，磁芯9经历热处理和(例如，通过树脂/清漆)浸渍，并且然后其(例如，在烘箱中)被干燥以获得基本刚性的转子磁芯9。如上所述，在该工艺中，在缠绕的磁带的相邻定位的回路之间形成长形的间隙，该间隙在浸渍和干燥过程中被非磁性材料填充。
然后，在刚性磁芯9的前侧(即，面向定子组件的侧)中(例如，从内径Di到外径Do)形成多个径向槽17。每个径向槽17在磁芯9的内径Di和外径Do之间延伸，并且被配置成接纳支架/电短路次级绕组19组件的相应的窄的平坦导电板/辐条(图4C和图4E中的16)的至少一部分。
图5B还示出了沿线F-F和G-G截取的磁芯9的截面图。磁芯9的宽度Wb基本上等于缠绕磁芯9的磁带的宽度，在一些实施例中，该宽度约为35mm至45mm，可选地约为40mm。在一些实施例中，用于构造磁芯元件9的磁带的厚度约为25微米。转子组件的磁芯9的磁带可以是一种非晶带，例如，由1K101材料制成。在一些实施例中，径向槽17的深度a约为20mm至30mm，可选地约为22.5mm。径向槽17的宽度Wg可以是大约2mm至3mm，可选地约为2.5mm。在该构造中，放置在径向槽17中的辐条/板16的厚度可以在2.25mm至2.75mm的范围内，可选地约为2mm，并且它们的长度(图5C中的Hp)可以在15mm至25mm的范围内，可选地约为20mm。转子组件的环形磁芯元件9具有内径Di和外径Do，在一些实施例中，内径Di在70mm至90mm的范围内，可选地约为80mm，以及在一些实施例中，外径Do在220mm至280mm的范围内，可选地约为250mm。
图5C显示了支架组件19的前视图，根据一些可能的实施例，支架组件19包括内导电环Ri和外导电环Ro以及在它们之间径向延伸的多个导电板16。导电板16的端部连接到导电环Ri和Ro。内导电环Ri可配置成与转子的磁芯元件9的内径Di对准，并且外导电环Ro可配置成与磁芯元件9的外径Do对准。导电板16因此(例如，通过焊接)电连接到导电环Ri和Ro，从而构成转子的电短路次级绕组。
图5C还显示了沿H-H线截取的支架组件19的截面图。在一些实施例中，导电板(例如，窄扁条)16的宽度b约为15mm至25mm，可选地约为20mm。板16以及内环Ri和外环Ro可以由任何合适的导电材料(例如但不限于铜、黄铜或铝)制造。在一些实施例中，板16和环Ri和Ro的材料的选择取决于电动机的功率及其操作模式。板16的厚度可以在1.5至2.5mm的范围内，可选地约为2mm。在一些实施例中，板16的端部从径向槽17轴向突出(约20至40mm)，从而形成通风风扇叶片。
图5D显示了盘状基座元件8的前视图，该盘状基座元件8具有从盘状基座元件8的前表面向上突出并在它们之间形成环形腔8g的内环形唇8i和外环形唇8o。形成在盘状基座元件8中的环形腔8g被构造成接纳和保持磁芯元件9或转子2，并由此承载支架组件(电短路的次级绕组)19。盘状基座元件8可以由任何合适的电绝缘且非磁性材料(例如但不限于塑料或玻璃纤维，例如STEF级玻璃纤维)通过例如铸造、模塑(molding)、雕刻来制备。
转子的盘状基座元件8还包括通风通道13系统，其在内环形唇8i和外环形唇8o之间径向延伸并开槽。径向切割穿过外环形唇8o的径向通道13的端部与穿过定子组件并围绕电动机轴(5)延伸的圆柱同心通道(1m)流体连通，并且它们的径向切割穿过外环形唇8o的相对侧端部与例如封闭在电动机外壳内的电动机外部体积流体连通。因此，在盘状基座元件8中形成的每个径向通道13便于空气在电动机的外部体积和它的圆柱同心通道(1m)之间通过，这在电动机的运行期间用于冷却电动机。
径向通道13用作离心风扇叶片，其被配置为通过由转子组件的板16形成的离心风扇的叶片流动送入的空气冷却电动机，从而在电动机10内形成内部通风系统。在该特定的且非限制性示例中，盘状基座元件8包括10(十)个径向通道13。然而，根据设计要求和规格，可以在盘状基座元件8中形成任何合适数量的径向通道13，即径向通道13的数量可以大于或小于10个。
径向通风通道13的数量及其几何尺寸取决于电动机的功率。例如，且在不受限制的情况下，在环形磁芯元件9下通过的通风通道13的数量可以是8(八)个。图5D还显示了盘状基座元件8沿穿过一个径向通道13的线D-D和沿在两个相邻径向通道13之间穿过的线E-E所取的截面图。在一些实施例中，盘状基座元件8的宽度H2适于容纳形成在其中的径向通道13，例如约为7至25mm。在一些实施例中，径向通道13的深度H1约为5至10mm，并且它们的宽度Wo可以在5至15mm的范围内。在一些实施例中，环形腔8g的深度H适于在其中至少部分地容纳转子环形磁芯9，例如约为2mm至12mm。在一些实施例中，盘状基座元件8的内径约为70至90mm，可选地约为80mm。在一些实施例中，盘状基座元件8的外径do约为250至310mm，可选地约为280mm。
图5E是转子组件2的前视图，其显示了盘状基座元件8，其中磁芯元件9安装在盘状基座元件8的环形腔8g中，并且支架组件19使其导电板16安装在磁芯元件9的径向槽17中。转子组件2的磁芯9安装在盘状基座元件8中，以面向定子组件(1)的环形面，并在定子组件(1)和转子组件2之间形成轴向气隙(3)。在一些实施例中，每个导电板16的至少一些部分从其相应的径向槽17向外突出，从而形成多个通风风扇叶片，用于通过在电动机的运行期间获得的离心空气循环从磁芯和绕组中移除热量。
通风风扇叶片还通过使空气流过每个转子组件2的盘状基座元件8的径向通道13来促进定子组件的通风。这样，在电动机10的运行期间盘状转子组件2一起在电动机10内形成内部通风系统。通风通道13将转子的内径di内的内区与电动机的关于转子的外径do的外区/环境连接起来，从而形成电动机的双侧通风系统，这在图5F中被最佳地所示。
在一些实施例中，支架元件19的内导电环Ri和外导电环Ro在其末端焊接到导电板16，并且内导电环Ri和外导电环Ro(例如通过螺钉)附接到盘状基座元件8，以使导电板16的至少一部分漂浮在它们相应的径向槽17内，从而在导电板16和转子组件2的磁芯元件9之间没有直接接触，即，每个导电板16漂浮在其相应的径向17中。
图5G显示了根据一些可能的实施例的具有两个转子组件2的电动机轴5的透视图。在该特定的且非限制性示例中，每个转子盘状基座元件8包括48(四十八)个径向通风通道13，并且每个转子磁芯元件9还包括48(四十八)个径向槽17。此外，在该示例性实施例中，导电支架组件19的导电板16完全设置在它们相应的径向槽17内，即，它们不轴向地从转子磁芯9的表面突出。
图5F显示了电动机轴5的截面图，其上安装有两个转子组件2。如在图5F中最佳地所示，形成在转子组件2的盘状基座元件8中的径向通道13在转子2的外径处(在8o处)对转子组件2外部的体积/环境开放，并且在它们的内径处(在8i处)对定子组件1的内部体积开放，该内部体积沿着轴5的一部分在转子组件2之间由定子组件(1)的同心圆柱形通道(1m)封闭。这样，在转子的外部体积/环境和内部体积之间穿过每个转子组件2形成多个空气通路55。
图6A显示了根据一些可能实施例的在电动机轴5穿过定子组件1的同心圆柱形通道(1m)以及两个定子支撑板44通过螺柱61附接在定子组件1的侧面上之后电动机10的透视图。图6B显示了在一些实施例中电动机10的封闭在壳体60内的截面图。轴5可以通过轴承连接到壳体和/或定子支撑板44。还可以看到，转子组件2的盘状基座元件8的径向通风通道13在形成在壳体60内的外环形腔63和定子组件1的同心圆柱形通道1m之间提供多个空气通路55。
图7根据一些可能的实施例示意性地示出了放置在定子组件1的磁芯元件(4)上的线圈11的电连接性。线圈11被布置成A组、B组和C组，其中每组中的线圈11围绕电动机的轴线(10x)间隔60°。每组中的线圈11彼此串联地电连接，以形成三相线圈系统，其中线圈11彼此电异相。在操作中，线圈11的每组A、B和C电连接到三相电源70的相应的电相。
提供给线圈11的三相电流在定子组件(1)的磁系统中产生交变旋转磁场。磁场从定子的磁芯元件(4)的末端进入轴向气隙(3)，并与转子(2)的磁芯(9)和导电支架组件(19，即电短路次级绕组)相互作用。在转子(2)中感应的交变磁场在支架组件(19)的板(16)中产生电流，这实际上在转子(2)中产生反向旋转磁场。
在板(16)中形成的电流的大小取决于电动机的功率。例如，对于50kVA的电动机功率，在转子中形成的电流约为72A。这些电流产生转子组件(2)的扭矩。由于转子组件(2)安装在公共轴5上，它们产生的扭矩使轴5在由定子组件(1)产生的旋转磁场的方向上旋转。可以通过改变三相电源70的频率来调节转子组件的角速度。在一些实施例中，电源70的频率在25Hz到525Hz之间改变，以影响可变角速度。
本文所公开的电动机实施例被设计成在不同的操作模式下工作。在电动机的操作电频率范围内可以定义起动模式、标称功率模式以及最大速度模式。因此，在一些实施例中，使用的电源是变频的电流，例如在25Hz至525Hz的范围内，其提供以下旋转速度：在250Hz的频率下——旋转速度约为每分钟5000转(rpm)，在25Hz的频率下——约为500rpm，以及在525Hz的频率下——旋转速度约为10500rpm。
本文公开的电动机实施例以变频的电流操作来调节电动机的扭矩、旋转速度和电磁特性，这些实施例可有利地用于电动交通工具中。电动机最重要的特性之一是效率因数，它取决于电动机的磁芯和绕组中电磁损耗的水平。由于在一些实施例中，定子和转子(分别为1和2)的磁芯元件(4和9)由非晶材料制成的磁带构成，因此在电动机的所有运行模式中，感应和相对应的磁损耗水平被选择为高效率水平，例如约97％。在传统的异步电动机设计中无法实现如此高的效率水平。
本发明的发明人发现，由非晶材料带(例如，2605SA1)构成的电动机的磁芯元件的不同部分中的磁损耗的值可以通过以下表达式确定：
P0＝15.53×B1.93×f1.485 (1)
其中，P0为以[W/kg]计的磁损耗的计算值，B为以[特斯拉]计的磁芯元件中感应的磁场，以及f为以[kHz]计的三相供电频率。根据表达式(1)，计算了定子组件、转子组件的磁芯元件/电路中的磁损耗。在这种情况下，磁路中的感应的计算是根据常用的方法进行的。在制造这种磁芯元件时，进行以下操作：在芯棒上缠绕非晶带/带状物，用胶水或清漆浸渍，在炉中干燥，并用研磨盘切割。
示例1
在制造具有三角形横截面形状的线性定子磁芯元件时，可以使用以下工艺，该三角形横截面形状的长度Ln为约112mm，高度Wr为约85mm，顶角为约20°，以及最上面的磁带层31-1(即，与顶角4g相对的层)的宽度W为约36mm：将宽度Ti(即，限定磁芯件30的高度)为约85mm的非晶磁带31缠绕到具有约500mm至1000mm的长度Lp和约200mm至400mm的宽度Tr的矩形环形结构(例如，如图3A所示的矩形环形结构)中。此后，磁性带31的自由端牢固地附接到最后一个回路上，矩形环形结构30经过热处理，浸渍在树脂/清漆中并进行干燥。然后用研磨盘沿切割线Ct切割环形磁芯结构30，以获得约112mm的长度Ln和宽度Wr的两个或更多个矩形切割件32。然后，我们以棱镜数据切割矩形元件，该矩形元件的长度已经等于例如112mm，并且宽度为磁芯结构30的侧宽Wr。
然后，通过研磨盘从每个矩形磁芯切割件32上切割出一个或更多个棱镜形磁芯元件4，研磨盘以相对于最上面的磁带层的法线Nr约10°的倾斜角操作，以加工矩形磁芯切割件32的第一侧面。然后，将研磨盘向相反方向旋转20°，以加工矩形磁芯切割件32的第二侧面，从而获得线性三角形磁芯4。
转子的磁芯9是由缠绕的磁带(例如，非晶带，例如由1K101材料制成)制成的环形结构，其带宽度约为40mm，以及厚度约为25微米。环形磁芯元件9的内径Di约为80mm，并且其外径Do约为250mm。为了提供环形磁芯元件9的坚固性，用胶水或清漆浸渍它，并且然后在烘箱中干燥。环形磁芯元件9的缠绕密度可以在0.85至0.95的范围内，使得在相邻定位的磁带回路/层之间形成的间隙在1至4微米的范围内。在浸渍和干燥后，这些间隙用干胶水或清漆填充。
然后在转子的环形磁芯元件中形成径向槽，并且短路转子次级绕组的辐条/板放置在形成的槽中，使得它们在转子组件附接到轴上之后面向定子的磁芯元件。槽的数目及其尺寸可以根据电动机的功率来选择。例如，在一些实施例中，槽的宽度约为2.5mm，以及其深度约为22.5mm。转子的次级绕组可以使用厚度约为2mm以及宽度(图为5C中的b)约为20mm的板由铜制成。
在这种情况下，板的宽度比缠绕转子的环形磁芯元件的磁带/带状物的宽度小20mm。因此，由定子组件产生的磁通以大于在转子的磁芯元件中形成的径向槽的深度的深度进入转子的环形磁芯元件，并由此进入环形磁芯元件的磁带/带状物的连续层。在这种构造中，通过转子环形磁芯元件的磁通路径具有最低的磁阻和最小的磁损耗。
不考虑垂直于缠绕转子的环形磁芯元件的带/带状物的平面的磁通路径，因为环形磁芯元件中的非磁性间隙的总量非常大，例如总共约为2mm至6mm。在这种情况下，这种垂直磁通的磁阻的大小达到相当大的值，且因此径向磁通的大小基本上为零。
示例2
对于具有以下特性的三相异步电动机，特定磁损耗(Specific magnetic losses)通过上述式(1)计算：
·电动机功率为47kW，
·在500rpm至10,500rpm范围内的可变转速
·三相AC电源(70)的可变频率在25Hz至525Hz的范围内。
首先利用公式(1)，在频率f＝25Hz下，确定磁路不同部分的特定磁损耗，其中定子磁极产生的磁场为B磁极＝1.494[特斯拉]，如下所示：
P0磁极＝15.53×B1.93×f1.485＝15.53×1.4941.93×251.485＝0.141[W/kg]。
在转子的磁芯元件的齿部(即径向槽17之间)中感应的磁场为Bz2＝1.511[特斯拉]，对此，转子中相对应的特定磁损耗为：
P0z2＝15.53×B1.93×f1.485＝15.53×1.5111.93×251.485＝0.145[W/kg]。
在转子的磁芯的基座部分(即，不包括径向槽17的芯部分)中感应的磁场为BY2＝1.487[特斯拉]，对此，计算的比磁损耗为：
P0Y2＝15.53×B1.93×f1.485＝15.53×1.4871.93×251.485＝0.141[W/kg]。
因此，基于转子的磁路的每个部分的重量，可以根据所使用的操作频率计算总磁损耗。在上面的例子中，考虑了250Hz、150Hz、25Hz、125Hz和525Hz的操作频率，对于这些频率，转子磁路的总磁损耗分别为：60.24[W]；76.0[W]；5.4[W]；55.25[W]；和42.72[W]。考虑到磁损耗的减小的值，可以确定电动机的基本参数之一，即效率，在给定的操作频率下，效率分别等于：97.32％；96.69％；79.6％；95.3％；97.36％。
使用非晶材料制造定子组件和转子组件的磁芯元件(包括沿其长度延伸的多个磁带层)允许将电动机的操作频率提高到25Hz至525Hz的范围内。另外，本文公开的实施例显著地减少/最小化芯的磁损耗，允许显著地减小电动机的几何尺寸和重量，并且更重要的是，达到约97％的高效率。发现上述参数在正确水平上的保持在很大程度上取决于构成电动机的次级绕组的导电板16的几何形状，而且也取决于操作频率。
如上所述并在相关图中示出，本发明提供了一种三相轴向间隙电动机及其相关设计方法。虽然已经描述了本发明的特定实施例，然而应当理解，本发明不限于此，因为本领域技术人员可以进行修改，特别是根据前述教导。如本领域技术人员将理解的，本发明可以以多种方式实施，采用上述技术中的一种以上的技术，所有这些都不超出本发明的范围。

Claims (30)

1.一种用于轴向间隙电机的定子组件，所述定子组件包括：
多个棱镜形磁芯元件，所述棱镜形磁芯元件中的每个棱镜形磁芯元件包括沿每个棱镜形磁芯元件的长度延伸的多个磁带层；
多个线圈，其构成所述轴向间隙电机的初级绕组，所述线圈中的每个线圈安装在所述棱镜形磁芯元件之一上；和
支撑结构，所述支撑结构被配置为固定地保持所述棱镜形磁芯元件，所述棱镜形磁芯元件围绕所述电机的旋转轴线并平行于所述电机的旋转轴线周向地布置在所述支撑结构内，使得所述棱镜形磁芯元件的顶角指向所述旋转轴线，并且所述棱镜形磁芯元件的对称平面从所述旋转轴线径向地延伸。
2.根据权利要求1所述的定子组件，其中，每个棱镜形磁芯元件的横截面形状基本上是具有锐角顶角的等腰三角形。
3.根据权利要求1或2所述的定子组件，其中，所述支撑结构包括两个非导电且非磁性的盘状的支撑元件，并且其中，所述棱镜形磁芯元件与所述盘状的支撑元件基本垂直地附接在所述盘状的支撑元件之间。
4.根据前述权利要求中任一项所述的定子组件，其中，所述磁带层由非晶或纳米晶磁性材料制成。
5.根据前述权利要求中任一项所述的定子组件，包括在所述线圈之间互连以形成三相线圈系统的电导体，并且所述电导体被配置成通过将所述定子组件连接到三相电源来给所述定子组件提供确定数量的磁极。
6.根据前述权利要求中任一项所述的定子组件，包括十八个棱镜形磁芯元件。
7.根据权利要求6所述的定子组件，其中，所述线圈之间的通过所述电导体的互连形成六个磁极。
8.一种用于轴向间隙电机的转子组件，所述轴向间隙电机包括根据前述权利要求中任一项所述的定子组件，所述转子组件包括：
由螺旋缠绕的磁带形成的环形磁芯元件，所述环形磁芯元件包括在所述环形磁芯元件的螺旋缠绕带的内环和外环之间延伸的多个径向槽；和
构成所述轴向间隙电机的次级绕组的支架形导电结构，所述导电支架结构包括多个导电辐条，所述多个导电辐条在与所述辐条电连接的同心的内导电环和外导电环之间径向延伸，所述导电辐条中的每个被配置成至少部分地被接纳在所述环形磁芯元件的所述径向槽中的相应的一个径向槽中。
9.根据权利要求8所述的转子组件，其中，所述导电辐条中的每个导电辐条由在所述同心的内导电环和外导电环之间径向延伸的导电板实现。
10.根据权利要求9所述的转子组件，其中，所述导电板中的每个导电板的一部分从放置所述每个导电板的所述环形磁芯的相应的径向槽向外突出，从而在所述轴向间隙电机的运行期间使空气流向所述定子组件。
11.根据权利要求9或10所述的转子组件，其中，所述导电板的几何尺寸被选择以设置所述轴向间隙电机的定义的效率因数。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的转子组件，包括由非磁性且非导电材料制成的盘状基底元件，所述盘状基底元件被配置成接纳和保持所述转子组件的所述环形磁芯元件。
13.根据权利要求12所述的转子组件，其中，所述盘状基座元件包括从所述盘状基座元件的表面轴向突出的同心的内环形唇和外环形唇，所述内环形唇和所述外环形唇形成环形腔，所述环形腔被配置成接纳和保持所述转子组件的所述环形磁芯元件。
14.根据权利要求13所述的转子组件，其中，所述盘状基座元件包括多个径向槽，所述多个径向槽在所述同心的内环形唇和外环形唇之间穿过并穿过所述同心的内环形唇和外环形唇，并且被配置成便于空气通过所述径向槽，以便在所述轴向间隙电机的运行期间对所述定子组件进行通风。
15.一种轴向间隙电机，包括：
至少一个根据权利要求1至7中任一项所述的定子组件；
位于沿着所述定子组件的中心通路中的可旋转轴；和
至少一个根据权利要求8至14中任一项所述的转子组件，所述转子组件同心地安装在所述可旋转轴上，使得在所述转子的所述支架形导电结构和至少一个所述定子组件之间形成轴向间隙。
16.一种构造用于轴向间隙电机的定子组件的方法，所述方法包括：
由缠绕的磁带介质制备一个或更多个矩形环形结构，并从所述矩形环形结构切割一个或更多个矩形平行六面体件；
从所述矩形平行六面体件中的每个矩形平行六面体件上切割一个或更多个棱镜形磁芯元件；
在所述棱镜形磁芯元件中的每个棱镜形磁芯元件上放置一个或更多个线圈，所述线圈构成所述轴向间隙电机的初级绕组；和
围绕所述电机的旋转轴线并平行于所述电机的旋转轴线将所述棱镜形磁芯元件周向安装在支撑结构内，使得所述棱镜形磁芯元件的顶角指向所述旋转轴线，并且所述棱镜形磁芯元件的对称平面从所述旋转轴线径向延伸。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，在所述支撑结构内安装所述棱镜形磁芯元件包括将所述棱镜形磁芯元件附接在两个非导电且非磁性盘状支撑元件之间。
18.根据权利要求16和17中任一项所述的方法，包括在所述线圈之间互连以形成三相线圈系统，所述三相线圈系统被配置为向所述定子组件提供确定数目的磁极。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其中，所述定子组件包括十八个棱镜形磁芯元件，并且其中，所述线圈之间的互连被配置成形成六个磁极。
20.一种构造用于轴向间隙电机的转子组件的方法，所述轴向间隙电机包括根据权利要求16至19中任一项所述的定子组件，所述方法包括：
由螺旋缠绕的磁带介质制备环形磁芯元件；
在所述环形磁芯元件中形成在所述环形磁芯元件的螺旋缠绕的带状介质的内环和外环之间延伸的多个径向槽；
通过在同心的内导电环和外导电环之间电连接多个导电辐条来制备支架形导电结构，所述支架形导电结构构成所述轴向间隙电机的次级绕组；
将所述支架形导电结构附接到所述环形磁芯元件上，使得所述支架形导电结构的每个导电辐条至少部分地容纳在所述环形磁芯元件的所述径向槽中的相应的一个径向槽中。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述支架形导电结构的制备包括使用导电板来实现辐条。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述支架形导电结构的制备包括将所述导电板放置在所述环形磁芯的相应的径向槽中，使得所述导电板中的每个导电板的一部分从相应的径向槽向外突出。
23.根据权利要求20或21所述的方法，包括确定所述导电板的几何尺寸以设置所述轴向间隙电机的定义的效率因数。
24.根据权利要求20至23中任一项所述的方法，包括制备由非磁性且非导电材料制成的盘状基座元件，并将所述转子组件的所述环形磁芯元件附接到所述盘状基座元件。
25.根据权利要求24所述的方法，包括在所述盘状基座元件中形成环形腔，并将所述转子的所述环形磁芯元件置于所述环形腔中。
26.根据权利要求25所述的方法，包括在将所述环形磁芯元件放置在所述环形腔中之前，在所述盘状基座元件中形成多个径向槽，从而在所述轴向间隙电机的运行期间促进空气的通过和对所述定子组件的通风。
27.一种构造轴向间隙电机的方法，包括：
制备至少一个根据权利要求16至19中任一项所述的定子组件；
将可旋转轴放置在通过所述定子组件的内部的中心通路中；
制备至少一个根据权利要求20至26中任一项所述的转子组件；和
将所述至少一个转子组件安装在所述可旋转轴上，使得在转子的所述支架形导电结构和至少一个所述定子组件之间形成轴向间隙。
28.一种轴向间隙电机，包括：
至少一个定子组件，其包括多个棱镜形磁芯元件和初级绕组，所述多个棱镜形磁芯元件由沿所述定子组件的长度延伸的多个磁带层制成，所述初级绕组包括安装在所述棱镜形磁芯元件上的多个线圈；
旋转轴，其穿过所述定子组件的中心通道；和
至少一个转子组件，其连接到所述轴，并包括环形磁芯元件以及次级绕组，所述环形磁芯元件由螺旋缠绕的磁性带状物或磁带制成，所述次级绕组包括一组导电棒或板，所述导电棒或板在同心的内导电环和外导电环之间径向延伸并电连接到所述导电棒或板，所述导电棒或板至少部分位于形成在所述环形磁芯元件中的径向槽内。
29.根据权利要求28所述的电机，其中，所述至少一个定子组件被配置成提供十八个棱镜形磁芯元件，并形成六个磁极。
30.根据权利要求28或29所述的电机，其中，转子组件的次级绕组的所述导电棒或板被配置成形成多个风扇叶片，所述多个风扇叶片被配置成在所述电机的运行期间将空气流朝向所述定子组件引导。
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