CN1214155A - 轴向磁极电动机 - Google Patents

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Abstract

一种轴向磁极电动机,包括一个定子(9)和一个转子(3),定子和转子穿过垂直于转子轴的平面彼此相对,定子有沿圆周均布的,在垂直于确定多个定子磁极(11)转子轴的平面内的线圈绕组(12),转子有多个含一个或多个永磁体的转子磁极(4)。定子与转子磁极的数目不同,但它们的尺寸和形状大体相同,当任一转子磁极全覆盖其面对的定子磁极时,在该转子磁极和下一个全覆盖其面对的定子磁极的转子磁极之间的转子和定子磁极数之差为1。

Description

轴向磁极电动机
本发明涉及一种轴向磁极电动机。这种电动机一般包括一个定子和一个转子，定子具有多个缠有电感线圈的磁极，转子穿过垂直于转子轴的平面与定子相对。通过使定子绕组通电形成一个旋转磁场来控制转子的旋转。
根据本发明的第一方式，轴向磁极电动机包括一个定子和一个转子，定子和转子穿过垂直于转子轴的平面彼此相对，定子具有沿圆周间距均匀配置的，位于垂直于确定多个定子磁极的转子轴的平面内的线圈绕组，转子有多个包括一个或多个永磁体的转子磁极。定子磁极数不同于转子磁极数，而定子磁极和转子磁极的尺寸和形状大体相同，以提供一种磁极重叠型式，在这种磁极重叠型式中，当任一转子磁极完全覆盖其面对的定子磁极时，在该转子磁极和下一个完全覆盖其面对的定子磁极的转子磁极之间的转子磁极数和定子磁极数之差为1。
在本发明中，轴向磁极电动机中的转子磁极包括一个或多个永磁体。转子可由单个螺旋管磁体形成，或者最好是由多个独立的磁体形成。永磁体增大了电动机的转矩及功率输出。重要的是，定子磁极和转子磁极的尺寸和形状大体相同，并且定子数不同于转子数。这就保证了最大程度地利用定子和转子的可用表面积，并且提供了一种磁极重叠型式，在该种磁极重叠型式中，当任一转子磁极完全覆盖其面对的定子磁极时，在该转子磁极和下一个完全覆盖其面对的定子磁极的转子磁极之间的转子磁极数和定子磁极数之差为1。这种布置还提供了高的起动转矩，即强的齿槽效应。这种电动机能够在比常规的轴向或径向电动机的框架尺寸小得多的框架内产生大的转矩和/或大的功率。
这种电动机特别适于用作推杆或螺杆的直接驱动装置代替现有的液压传动装置。它不需要一个单独的减速器。这种设计便于电动机按照交流电源的情况同步运行。
轴向磁极电动机最好包括一对定子，而转子置于两个定子之间。这种双侧设计确保电动机在磁力作用下特别稳定，因在定子中产生的磁力是平衡的。
永磁体最好被固定在非磁材料的转子支架中，这种非磁材料确保隔离相邻的磁体。转子支架可采用铸造、模压或机加工，或者上述三种方法的结合，制成一个整件或几个部件。
在一个最佳例中，转子支架包括一个非磁轮毂及一个外轮缘，非磁轮毂具有沿圆周间隔一定距离配置的轮臂，用密封剂把永磁体固定在转子支架内。或者永磁体位于原位置，用注射成型的塑料材料来形成转子支架。
转子的每个相反表面可涂非磁性材料表层，使永磁体完全封闭。用于这种表层的适当材料是玻璃纤维。但是为了使装配好的电动机中转子的每个相反表面和相应定子之间的空气隙最小，永磁体的表面可以保持裸露，这种情况下，可以涂覆永磁体的表面以防止腐蚀。
形成转子磁极的永磁体可以铸造、模塑或切削，并且可以预磁化或就地磁化。适用的磁性材料包括钐钴和钕铁硼。就地磁化转子磁极具有如下优点：可在没有任何相邻磁极间的磁力干扰转子装配过程的情况下，把未磁化的转子磁极片固定就位。在高速注射成型过程中用塑料材料形成转子支架时，尤其要优先选择这种后磁化技术。
最好把永磁体布置在转子支架中，使得每个表面上的相邻转子磁极包含有极性相反的永磁体。此外，可以在转子相反表面上布置永磁体，使得一个表面上的转子磁极角度偏离另一表面上的转子磁极。永磁体的排列方向取决于定子或定子组中的线圈绕组的布置及电源的线路接法。永磁体最好在转子的相反表面之间沿平行于转子轴的方向延伸，以便由单个磁体的端面形成转子相反表面上的磁极对。
定子最好由叠层螺旋管形成，更好的是螺旋管由一段钢带缠绕而成。合适的钢包括硅和镍钢带。在缠绕钢带以形成安放线圈绕组的槽沟之前，可把钢带预先穿孔，或者也可在缠绕螺旋管之后，在单独的步骤中机械加工槽沟。一种备选方案是，定子可包括多个加工成形的磁极片，它们固定到单独的定子端板，并且围绕该定子端板径向间隔一定距离放置，以形成安放线圈绕组的槽沟。这些磁极片本身可为叠层结构。另一种备选方案是，可在连续的螺旋管上机械加工槽沟来形成定子。整个定子，包括线圈绕组，可被封闭在环氧树脂或其它适当材料中，以提供机械刚度及环境保护。
转子中的永磁体最好这样形成，使得转子磁极具有从转子中心径向外伸的侧面。同样，定子中的槽沟最好也这样形成，使得槽沟侧面从定子中心径向外伸。
槽沟的角宽度最好等于定子磁极的角宽度。
只要提出来需要的磁极重叠型式条件，就可以用多个不同的转子磁极数与定子磁极数之比来实现。转子磁极数可以超过定子磁极数，或者也可少于定子磁极数。对于3-Φ电动机来说，定子磁极数必须可被3整除。3-Φ电动机的适当磁极比例包括6∶8及6∶4(定子磁极数与转子磁极数之比)。在电动机设计中要求大量的转子磁极情况下，定子磁极的表面可带有多个槽沟以形成侧面从定子中心径向外伸的子磁极。切削子磁极，使得定子子磁极的角宽度等于一个转子磁极的角宽度。当每个递增步程的转子角位移减少时，子磁极可在大范围内控制运转速度。这一点可通过形成定子磁极的边缘，使得该边缘悬在相邻定子磁极之间的槽沟之上而得到进一步的改善。通过把相邻定子磁极之间的槽沟看作为“虚拟”磁极来达到磁极重叠条件。
最好使电源和电动机控制器以双极方式使线圈绕组通电。或者用顺序的单极方式使线圈绕组通电。
电动机的冷却可以用风扇来进行。
在一个最佳例中，每个转子磁极包括一个永磁体，这些永磁体使得相邻转子磁极的极性相反，其中相邻定子磁极的线圈绕组被连接到电源的不同相上，连接到相同相上的相邻线圈绕组则以相反的方向缠绕，其中定子磁极数是12的系数，而转子磁极数是18的系数。这种磁极重叠型提供了一种效率特别高的电动机，它在低速下可产生大的转矩。可用常规的两相电源来驱动这种电动机。或者使用电抗元件使输送给两组线圈绕组的信号之间产生相位差的情况下，也可以使用单相电源。永磁体最好在转子的相反表面之间沿着平行于转子轴的方向延伸，以便由单个磁体的端面形成转子相反表面上的磁极对。
根据本发明的第二方式，轴向磁极电动机包括一个定子和一个转子，定子和转子穿过垂直于转子轴的平面彼此相对，定子具有沿圆周间距均匀配置的，位于垂直于确定多个定子磁极的转子轴的平面内的线圈绕组，转子也具有多个转子磁极，每个转子磁极包括一个永磁体，转子磁极装成使相邻的转子磁极的极性相反，其中相邻定子磁极的线圈绕组被连接到电源的不同相上，连接到相同相上的相邻线圈绕组以相反的方向缠绕，其中每个转子磁极只复盖N个定子磁极，N为相数。
这种电动机具有如此高的起动转矩，以致它具有自己的整体安全制动。该电动机最好是2-Φ电动机，每个转子磁极复盖两个定子磁极。
下面用附图来详细说明本发明的例子。
图1A到1C表示3-Φ轴向磁极电动机的重叠型式；
图2A到2C表示2-Φ或4-Φ轴向磁极电动机的重叠型式；
图3是转子的一个例子的平面图；
图4是图1的转子沿A-A线的截面剖视图；
图5是转子的支承轮毂及叶轮臂细节的示意图；
图6是环形定子型模的一个例子的平面图；
图7是图6的定子沿A-A线的截面剖视图；
图8是图6和7的定子插入线圈绕组后的平面图；
图9是图8的定子沿A-A线的截面剖视图；
图10是装配好的电动机的简化剖视图；
图11表示图10的电动机的电相互连接的示意图；
图12是一例部分装配好的定子的平面图，该定子带有用于另一例轴向磁极电动机的子磁极；
图13是另一例轴向磁极电动机的转子的平面图；
图14是和图13的转子一起使用的定子的平面图；
图15是部分装配的定子的详图；
图16表示和图14的定子一起使用的线圈绕组结构示意图；
图17是用于又一例轴向磁极电动机的转子的平面图；
图18是和图17的转子一起使用的定子的平面图；
图19表示和图18的定子一起使用的线圈绕组示意图；
图20表示轴向磁极电动机的定子磁极和转子磁极重叠型式的示意图；
图21表示使图19的线圈绕组通电的两相电源的电流波形示意图；
图22A-22D图解说明轴向磁极电动机的运转的示意图；
图23是装配好的电动机的简化剖视图。
本发明中的轴向磁极电动机依靠一种特别的磁极重叠型式在最小的框架尺寸内产生大的转矩和/或大的功率。要求定子磁极数总是不同于转子磁极数，并且要求定子磁极和转子磁极的尺寸和形状要大体相同。此外，定子数目必须总是能够被所选电源的相数除尽。在这些限制条件下，重叠型式必须是这样的，即当任一转子磁极完全覆盖对向定子磁极时，在该转子磁极和下一个完全覆盖定子磁极的转子磁极之间的转子磁极数和定子磁极数之差为1。图1A到1C及2A到2C中图解说明了这一点。
在图1A到1C中，表示具有8个永磁转子磁极1和6个定子磁极2，即磁极比例为6∶8的用于3-Φ电动机的重叠型式。这些磁极的尺寸和形状都大体相同，如图所示，在重叠的磁极对X和磁极对Y之间的转子磁极数和定子磁极数之差为1。
在图2A到2C中，表示具有6个永磁转子磁极1和8个定子磁极2，即磁极比例为8∶6的用于2-Φ或4-Φ电动机的重叠型式。同样，在完全重叠的X位置和Y位置之间的转子磁极数和定子磁极数之差为1。
图3到5表示轴向磁极电动机的32-磁极转子3的一个例子。每个磁极4包括一个由钐钴制的永磁体。转子3还包括一个转子支架5，转子支架5有从玻璃纤维中心轮毂7径向外伸的片状玻璃纤维叶轮臂6。支架还包括一个由非磁钢做的外轮缘8。
通过把支架5放置在一个装配架(图中未表示出)上，并在相邻的叶轮臂6之间每次插入一个永磁体，随后用密封剂把各个永磁体固定这样转子3就装配好了。密封剂还起热导体的作用。恰当的密封剂是销售商品名为ROBNOR EPOXY SYSTEM PX/HX700K的环氧树脂。插入永磁体使得转子3中相邻磁极4的极性相反。这样，转子3相反表面上的磁极对可由单个永磁体的端面形成。
可利用放置在转子1(译注：似应为3)的每个相反面上的玻璃纤维(图中未示出)的环状表层把永磁体包在转子支架5内。这种玻璃纤维表层一般厚度仅为0.5毫米。或者对永磁体的表面作简单地涂敷，并使其暴露，以使装配好的电动机中的空气隙最小。
图6到9表示电动机中使用的两个定子9中的一个。
每个定子9包括一个通过把一段电工钢带绕在型模上形成的螺旋管。如图所示，螺旋管被切削形成槽沟10，从而构成24个凸出的磁极11，使定子磁极数和转子磁极数之比为6∶8。这样就提供了前述必需的磁极重叠型式。
在图8和9中，每个定子磁极11上装有一个预先绕好的线圈12，用于随后连接电源。在本例中，每个线圈由AWG.22镀铜绝缘级220℃聚酰亚胺/J-W-1177/15镀铜电线缠绕200匝而成。本例中，连接到3-Φ电源的同一相上的线圈以相同的方向缠绕，以便对一个定子上同相的所有磁极通电时，所有的磁极具有相同的极性。因此在装配好的电动机(见图10)中相对的定子中的相应磁极的线圈绕组12也以此法缠绕，以便通电时这些磁极具有相同的极性，但是却和第一个定子的极性相反。图11中图解说明了这一点。
双侧电动机中的两个定子9的每一个定子的线圈绕组12和调制频率可变的415V交流3-ΦMTE控制器(图中未表示出)星形连接。该控制器按顺序循环的方式使线圈通电，以便产生围绕转子的旋转轴旋转的磁场。
尽管图中未表示出，但是整个定子9和线圈绕组12是被封闭在环氧树脂之内。环氧树脂为定子结构提供了机械刚度及环境保护。
图10为装配好的完整电动机，转子3位于两个定子9的中间。为了旋转转子3，把转子3安装在轴承14和15上的旋转轴13上，同时把一个定子安装在驱动端板16上，而把另一个定子安装在端板17上。本例中，图中所示从动轴18和美国专利No.US-A-4,576,057号中详细描述的那种螺杆传动机连接。
图12表示了具有48-磁极永磁体转子(图中未表示出)的3-Φ电动机中使用的定子19的一个例子，该48-磁极永磁体转子的结构和图3到5中所示的结构相同。这种情况下，每个定子磁极20的表面由槽沟21再划分以形成两个子磁极22，每个子磁极22的尺寸和形状都和转子磁极(图中未表示出)的尺寸和形状大体相同。因此定子磁极的总数为36，它包括由9个槽沟23产生的“虚拟”磁极，线圈绕组24位于这些槽沟23中。这意味着磁极之比为6∶8，该磁极比例符合前述要求的磁极重叠型式。
图13和14分别表示轴向磁极电动机的另一个例子中使用的转子25及定子26的磁极型式，该轴向磁极电动机包括一个转子25和一对定子26，同图10所示方式相同，转子25置于两个定子26之间。
如图15所示，18个转子磁极27的每一个都包括一个由钐钴制造的永磁体。永磁体的安排使转子每一面上的相邻磁极包含有极性相反的永磁体。于是转子25的相反表面上的磁极对由单个永磁体的端面形成。转子装配方法和图3到5说明的方法相同。
和前述的轴向磁极电动机的情况一样，每个定子26包括一个通过把一段电工钢带绕在型模上形成的螺旋管。螺旋管被切削，形成槽沟28从而构成12个凸出的磁极29。这样就提供了前述要求的磁极重叠型式。
如图16所示，相邻定子磁极29的线圈绕组连接到电源(图中未表示出)的不同相Φ1、Φ2上，而连接到电源相同相上的相邻线圈绕组以相反的方向缠绕。
图17和18分别表示根据本发明的第二方式的轴向磁极电动机中使用的转子101及定子102的一个例子。
转子101具有6个磁极103，每个磁极103由位于支架中的加工后的钐钴永磁体形成，该支架的结构和前述例子说的支架结构相似。转子支架具有从玻璃纤维中心轮毂105径向外伸的片状玻璃纤维叶轮臂104。支架还包括一个由非磁钢做的外轮缘106。通过把支架放置在一个装配架(图中未表示出)上，并在相邻的叶轮臂104之间每次插入一个永磁体，随后用密封剂把各个永磁体固定，这样转子就装配好了。恰当的密封剂是销售商品名为ROBNOR EPOXY SYSTEM PX/HX700K的环氧树脂。插入永磁体使得转子中相邻磁极的极性相反。这样，转子的相反表面上的磁极对可由单个永磁体的端面形成。可利用放置在转子的每个相反表面上的玻璃纤维(图中未表示出)的环状表层把永磁体包在转子支架内。这种玻璃纤维表层一般厚度仅为0.5毫米。或者对永磁体的表面作简单地涂敷，并使其暴露，以使装配好的电动机中的空气隙最小。
每个定子102包括一个通过把一段电工钢带绕在型模上形成的螺旋管。螺旋管被切削，形成槽沟107从而构成凸出的磁极108。图19表示2-Φ电动机中定子的线圈绕组。如图所示，相邻定子磁极的线圈绕组连接到电源(图中未表示出)的不同相Φ1、Φ2上，连接到电源相同相上的相邻线圈绕组以相反的方式缠绕。
图20为轴向磁极电动机的一个例子的简化图，该电动机包括一个置于两个12-磁极定子102之间的6-磁极转子101。在相邻转子磁极之间的角宽度小于或等于相邻定子磁极108之间的角宽度的情况下，6个转子磁极103的每一个只复盖2个定子磁极1(译注：似为108)。
图21为线圈绕组的电流波形。电源两相Φ1、Φ2之间的相位差总是90°，但是也可以减少到不低于相邻定子磁极108之间的角度θ的角度(见图20)。
图22A-22D为2-Φ轴向磁极电动机的运转图。为了清楚起见，省去了第二个定子。
图22A为稳定状态下的转子101，每个转子磁极103直接位于两个定子磁极108之上。图22B中，电源的第1相(Φ1)被反转，使先前为“南”极的第1相定子磁极现在变为使转子101沿箭头指示的方向旋转的“北”极。
图22C为电源的第2相(Φ2)刚好反转之前，稳定状态下的转子101。开始时，选定的相位角为90°，一旦电动机动转起来，相位角可动态调低。
图22D为电源的第2相(Φ2)刚好反转之后的状态，该电源使转子101继续旋转。
图23为一个装配好的电动机，转子101置于两个定子102的中间。为了旋转转子101，把转子101安装在轴承110和111之上的旋转轴109上，同时把一个定子安装在驱动端板112上，而把另一个定子安装在端板113上。这种轴向磁极电动机具有特别强的齿槽效应(高的起动转矩)，一旦电源被关闭，可整体安全制动。

Claims (15)

1、一种轴向磁极电动机，其特征在于：它包括一个定子和一个转子，定子和转子穿过垂直于转子轴的平面彼此相对，定子具有沿圆周间距均匀配置的，位于垂直于确定多个定子磁极的转子轴的平面内的线圈绕组，转子也具有多个包括一个或多个永磁体的转子磁极，其中定子磁极数不同于转子磁极数，并且定子磁极和转子磁极的尺寸和形状大体相同，以提供一种磁极重叠型式，在这种磁极重叠型式中，当任一转子磁极完全覆盖其面对的定子磁极时，在该转子磁极和下一个完全覆盖其面对的定子磁极的转子磁极之间的转子磁极数和定子磁极数之差为1。
2、按照权利要求1所述的电动机，其特征在于：永磁体被固定在非磁材料的转子支架内。
3、按照权利要求2所述的电动机，其特征在于：所述转子支架包括一个非磁轮毂及一个外轮缘，非磁轮毂具有沿圆周间隔一定距离放置的轮臂，永磁体被用密封剂固定在所述转子支架内。
4、按照权利要求2或3所述的电动机，其特征在于：永磁体被布置在所述转子支架内，以便相邻转子磁极由极性相反的永磁体构成。
5、按照权利要求4所述的电动机，其特征在于：永磁体在转子的相反表面之间沿平行于转子轴的方向延伸，以便由单个磁体的端面形成转子相反表面上的磁极对。
6、按照前述任一权利要求所述的电动机，其特征在于：定子由叠层螺旋管形成。
7、按照权利要求6所述的电动机，其特征在于：所述螺旋管由一段钢带缠绕而成。
8、按照前述任一权利要求所述的电动机，其特征在于：转子中的永磁体被这样形成，使得转子磁极具有从转子中心径向外伸的侧面，并且定子中的槽沟被这样形成，使得槽沟侧面从定子中心径向外伸。
9、按照权利要求8所述的电动机，其特征在于：分离相邻定子磁极的槽沟的角宽度等于定子磁极的角宽度。
10、按照前述任一权利要求所述的电动机，其特征在于：定子表面有多个形成子磁极的槽沟，这些槽沟有从定子中心径向外伸的侧面，定子磁极的尺寸和形状与转子磁极的尺寸和形状相同。
11、按照前述任一权利要求所述的电动机，其特征在于：永磁体的布置使得相邻的转子磁极的极性相反，相邻定子磁极的线圈绕组被连接到电源的不同相上，而连接到相同相上的相邻线圈绕组则以相反的方向缠绕，其中定子磁极数是12的系数，而转子磁极数是18的系数。
12、按照权利要求11所述的电动机，其特征在于：它是2-Φ电动机。
13、按照前述任一权利要求所述的电动机，其特征在于：它包括一对定子，而转子位于这两个定子之间。
14、一种轴向磁极电动机，其特征在于：它包括一个定子和一个转子，定子和转子穿过垂直于转子轴的平面彼此相对，定子具有沿圆周间距均匀配置的，位于垂直于确定多个定子磁极的转子轴的平面内的线圈绕组，转子也具有多个转子磁极，每个转子磁极包括一个永磁体，并被布置成相邻的转子磁极的极性相反，其中相邻定子磁极的线圈绕组被连接到电源的不同相上，而连接到相同相上的相邻线圈绕组则以相反的方向缠绕，其中每个转子磁极只复盖N个定子磁极，N为相数。
15、按照权利要求14所述的电动机，其特征在于：它是2-Φ电动机，每个转子磁极只复盖两个定子磁极。
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