CN1286251C - 场受控制的永磁体无刷电机 - Google Patents

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CN1286251C CNB008166854A CN00816685A CN1286251C CN 1286251 C CN1286251 C CN 1286251C CN B008166854 A CNB008166854 A CN B008166854A CN 00816685 A CN00816685 A CN 00816685A CN 1286251 C CN1286251 C CN 1286251C
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Abstract

一种无刷电机(10)，包括：由导磁材料制成的并具有内部区域的壳体(12)；安装在所述内部区域内的并被固定在所述壳体(12)上的定子(13)，所述定子(13)具有定子绕组(13a)；被安装在所述定子(13)内并围绕一个旋转轴线(18)旋转的转子(14)，所述转子(14)包括：多个磁极件(28a-f)和以交替的构型沿周向设置的永磁体(28a-28f)，使得所述永磁体位于一对连续的磁极件(26a-f)中间，并且磁化轴线(18)位于转子(14)的旋转平面内，所述转子(14)和定子绕组(13a)由第一气隙(15)分开，从而形成第一磁路。所述转子(14)还包括第一侧，被固定在所述第一侧上的第一转子端盖(24)，第二侧，和被固定在所述第二侧上的第二转子端盖(22)。每个转子端盖(22，24)至少和一些磁极件(26a-f)接触。每个转子端盖(22，24)由导磁材料制成。所述无刷电机(10)还包括一对激磁绕组(30，32)，每个激磁绕组(30，32)被固定在壳体(12)上，并位于转子(14)的每一侧，使得所述激磁绕组(30，32)在转子(14)的旋转平面内并围绕相应的转子端盖(22，24)沿周向延伸，所述激磁绕组(30，32)和转子端盖(22，24)由第二气隙(33a)分开。第一和第二气隙(33a-b)协同形成第二磁路。

Description

场受控制的永磁体无刷电机
技术领域
本发明一般涉及用于提供电功率的电机。具体地说，本发明涉及一种用于在车辆中提供电功率，从而使辅助设备运行和使电池充电的那种交流电机。
背景技术
许多现有技术的交流电机利用位于交流电机转子上的激磁绕组。这种结构限制了永磁体可在转子上设置的方式的数量。此外，这种结构一般利用电刷，其增加了制造成本，并产生和电刷磨损与更换相关的问题。其它的现有技术的交流电机使用固定在定子上的激磁绕组，所述定子具有在转子外部闭合的磁路。这种现有技术的结构在本领域内被称为伦戴尔(Lundell)无刷磁路。
本发明的内容
本发明涉及一种新的交流电机，其中只有永磁体位于转子上。激磁绕组不位于转子上，而是被固定在交流电机壳体的内部。这种结构形成一种无刷交流电机。本发明的交流电机的几个重要特征是：
1)永磁体和激磁绕组两者都用于在定子绕组(感应定子)中产生组合的和可控的可变磁通；
2)不需要电刷，从而消除了和电刷相关的上述问题；
3)由永磁体产生的感应磁场和由激磁绕组产生的感应磁场只在定子内部具有公共磁路，即由激磁绕组产生的磁通不通过永磁体，由磁体产生的磁通在激磁绕组周围不形成环路。
4)除去在感应定子中之外，激磁绕组的磁路的磁通路径垂直于永磁体磁路的磁通路径；以及
5)由激磁绕组产生的磁通只通过两个气隙，而在无刷伦戴尔型交流电机中通过4个。
在一个方面，本发明涉及一种无刷电机，所述电机包括：由导磁材料制成的并具有内部区域的壳体，安装在所述内部区域内的并被固定在所述壳体上的定子，其中所述定子具有定子绕组，被安装在所述定子内并围绕一个旋转轴线旋转的转子，其中所述转子包括多个磁极件和以交替的布置沿周向设置的永磁体，使得所述永磁体位于一对连续的磁极件中间，并且磁化轴线位于转子的旋转平面内。所述转子和定子绕组由第一气隙分开，从而形成第一磁路。所述转子还包括第一侧，被固定在所述第一侧上的第一转子端盖，第二侧，和被固定在所述第二侧上的第二转子端盖。每个转子端盖至少和一些磁极件接触。每个转子端盖由导磁材料制成。所述无刷电机还包括一对激磁绕组。每个激磁绕组被固定在壳体上，位于转子的每一侧，使得所述激磁绕组在转子的旋转平面内并围绕相应的转子端盖沿周向延伸。所述激磁绕组和转子端盖由第二气隙分开。第一和第二气隙协同操作而形成第二磁路。
在另一个方面，本发明涉及一种无刷电机，所述电机包括：由导磁材料制成的并具有内部区域的壳体，安装在所述内部区域内的并被固定在所述壳体上的定子，其中所述定子具有定子绕组，以及被安装使得能够围绕一个旋转轴线旋转的并且和定子绕组由气隙隔开的转子。所述转子包括一对导磁的爪极。每个爪极包括具有周边和指状物的本体部分，所述指状物从本体部分的周边沿轴向延伸，并和另一个爪极的指状物啮合。所述转子还包括多个永磁体，以及多个内极件，所述内极件位于爪极中间，并以交替的布置沿周向设置，使得每个永磁体位于一对连续的内极件中间。所述永磁体和内极件的布置限定外转子的周边和中心开口，所述中心开口用于接收一个轴，转子围绕所述的轴旋转。所述多个内极件包括被固定在一个爪极上的第一组内极件，和被固定在另一个爪极上的第二组内极件。所述爪极和所述永磁体磁隔离。每个爪极的指状物位于定子和外转子周边中间。所述无刷电机还包括一对激磁绕组。每个激磁绕组被在转子的每一侧固定在壳体上，使得所述激磁绕组在转子旋转的平面内沿周向延伸。所述激磁绕组与爪极由气隙隔开。
附图说明
图1是本发明的交流电机的局部剖开的正视图；
图2是沿图1的线2-2取的截面图；
图2a是图1所示的转子的侧视图；
图3是本发明的交流电机的一个可选实施例的一个扇区的透视图；以及
图4是本发明的交流电机的另一个实施例的一个扇区的透视图。
实施本发明的方式
参见图1和图2，其中示出了本发明的场受控制的永磁体交流电机10。交流电机10一般包括壳体12，定子部分13和总体上由标号14表示的转子部分。壳体12包括被间隙分开的两个半部分和。该特定的壳体结构的目的从下面说明可以容易得知。气隙15使定子部分13和转子部分14隔开。在一个实施例中，壳体12由导磁材料制成。定子部分13被固定在壳体12的内壁上，并具有定子绕组13a。交流电机10包括轴16，其围绕轴线18旋转。转子部分14被固定在轴16上。因而，转子部分14相对于定子部分13旋转。转子部分14包括基本上为圆柱形的中心部分20，转子端盖22和转子端盖24。在6极结构的一个实施例中，中心部分20一般包括6个磁极件26a-26f(见图2)和以交替的方式设置的6个永磁体28a-28f，如图2所示。磁极件26a-26f由导磁材料制成。在一个实施例中，永磁体28a-28f被制成铁氧体磁体。在另一个实施例中，永磁体28a-28f被制成稀土磁体。应当理解，虽然上面的说明是按6个磁极进行的，但是也可以少于或多于6个磁极。
在技术上已经证明，通过使跨过气隙15的磁通最大可以实现功率相当大的交流电机。这个构思在本发明的交流电机的结构内实施了，这由下面的说明将清楚地看出。
参见图1，转子端盖22和24在结构上是相同的，并且有导磁材料制成。转子端盖22和24位于中心部分20的相对侧上，它们沿周向相互移开一个极矩。端盖22包括部分22a和22b。部分22a被固定在转子中心部分20上，并且和预定数量的磁极件26a-26f以及永磁体28a-28f接触。部分22b和转子部分14分开，并且围绕轴16沿周向延伸。类似的，端盖24包括部分24a和24b。部分24a被固定在中心部分20上，并且和预定数量的磁极件26a-26f以及永磁体28a-28f接触。部分24b和转子部分14分开，并围绕轴16沿周向延伸。整个转子部分14(即中心部分20和端盖22，24)在壳体12内旋转。
参见图1，交流电机10还包括激磁绕组30，32。激磁绕组30，32包括被分别绕在壳体12的内壁的唇部12a，12b上因而不旋转的环形线圈。绕组30和32分别沿周向围绕转子端盖部分24a和24b延伸。绕组30和32形成转子14的第二磁路。(绕组30，32位于图2的平面中，但是图1种只示出了一个。)绕组30和端盖部分24a由轴向气隙33a分开。类似地，绕组32与端盖部分22a由轴向气隙33b隔开。气隙33a，33b沿基本上平行于旋转轴线18的方向延伸。
参见图1，磁极件26a-26f传输来自永磁体28a-28f和来自激磁绕组30，32的磁通。来自激磁绕组30和32的磁通通过端盖22和24并通过气隙34被传送给磁极件26a-26f。气隙34沿着基本上垂至于旋转轴线18的方向延伸。这些特征将在下面详细说明。
参见图2，永磁体28a-f被这样设置，使得磁化的轴线位于图2的平面内(即在转子部分14的旋转平面内)。永磁体28a-f以交替的方位被安装，使得磁通按以下路径流动：(i)从第一永磁体发出，(ii)然后进入相邻的磁极件(例如磁极件26a-26f)，(iii)跨过气隙15，(iv)通过定子部分13的后铁部分，(v)向回跨过气隙15，以及(vi)进入在第一永磁体的另一侧上的磁极件，在此处其返回上述的第一永磁体。这在图2中示出了，其中磁通由箭头40表示。具体地说，磁通从磁体28b流入磁极件26c，然后向上跨过气隙15。然后磁通流过定子部分13的后铁部分，再向回跨过气隙15，并进入相邻的磁极件26b，在此处磁通返回永磁体28b。相邻的永磁体28c也产生磁通。这个磁通由箭头50表示，并和磁通40在同一个平面内流动，但是方向相反。这在图2中示出了。磁通从磁体28c流入磁极件26c，然后向上跨过气隙15。然后磁通流过定子部分13的后铁部分，再向回跨过气隙15，并进入相邻的磁极件26d，在此磁通返回永磁体28c。这样配置的结果，磁通路径(例如磁通路径40和50)的方位或方向沿着转子部分14的周向交变。
参见图1，激磁绕组30，32形成转子部分14的第二磁路。绕组30和32产生由箭头60和70表示的磁通，所述磁通在图1所示的平面内流动。换句话说，由箭头60和70表示的磁通在垂至于图2所示的平面的平面内流动(例如由箭头60和70表示的磁通在垂至于转子部分14的旋转的平面内流动)。磁通的方向由跨过绕组30和32的电流的方向控制。不过，由箭头60和70表示的磁通仍然跨过间隙15，根据需要和由永磁体产生的磁通或者相加或者相减，以便根据交流电机的速度和输出电压要求分别补充和减小所述磁通。
由于磁体28a-28f的特性，由激磁绕组30和32产生的磁通具有可以忽略的通过永磁体28a-28f的分量。此外，磁极件26a-26f接收来自永磁体28a-28f和来自去周围的激磁绕组30和32的磁通。
参见图3，其中示出了本发明的另一种无刷交流电机的一个扇区的透视图。另一种交流电机100一般包括壳体102，定子部分103，和转子部分104，它们分别以和上面说明的壳体12、定子部分13和转子部分14相同的方式起作用。壳体102包括唇部105，所述唇部105沿周向围绕一个轴(未示出)延伸，转子部分14围绕所述的轴旋转。交流电机100还包括激磁绕组106，其也和上面说明的激磁绕组30，32相同的方式工作。转子部分104具有中心部分107，其由永磁体108和磁极件110构成，它们以和上面说明的磁极件28a-28f以及磁极件26a-26f相同的方式交替地排列。磁体108a用虚线表示。磁体108和磁极件110和上面说明的磁体28a-28f以及磁极件26a-26f的结构基本上相同。一个类似于气隙15(图1)的气隙(未示出)在定子部分103和转子部分104之间延伸。转子104还包括一对相同结构的延伸部分，其中的一个由标号112表示，另一个延伸部分未示出。磁体108和磁极件110被设置在延伸部分112和未示出的另一个延伸部分之间。虽然下面的说明和延伸部分112有关，但是应当理解，所述的说明同样适用于未示出的延伸部分。在一个实施例这，延伸部分112围绕转子部分104的周边沿周向延伸。在一个实施例中，延伸部分112被构成一个环形或盘形件，其包括一个围绕唇部105沿周向延伸的本体部分。延伸部分112由导磁材料制成。延伸部分112和另一个未示出的延伸部分被固定在磁极件110上。在另一个实施例中，磁极件110和延伸部分112(以及未示出的另一个延伸部分)被整体地形成一件。由绕组106产生的磁通用箭头120表示，所述磁通位于垂至于转子部分104的旋转平面的平面内。来自永磁体108a的磁通由箭头130表示，其位于和转子部分104的旋转平面相同的平面内。因而，所述磁路相互垂直，并且共用磁极件，但是来自永磁体的磁通不通过绕组，反之亦然。
参见图4，其中示出了按照本发明的使用爪极的另一种无刷交流电机的一个扇区的透视图。一种典型的爪极结构在美国专利5892313中披露了，该专利在此列为参考。交流电机200一般包括壳体202，定子部分203，和转子部分204，它们的作用方式和上面说明的壳体12，定子部分13，以及转子部分14的作用方式相同。壳体202包括唇部205，其围绕转子部分204的旋转轴线沿周向延伸。唇部205向着转子部分204延伸。交流电机200还包括激磁绕组206，其作用方式和上面说明的激磁绕组30，32的作用方式相同。绕组206一般包括围绕唇部205设置的线圈。转子部分204具有中心部分207，其由永磁体208以及内部磁极件209、210构成，它们被交替地设置，其设置方式和上面说明的磁极件28a-28f以及26a-26f的设置方式相同。磁极件208a用虚线示出。磁体208和磁极件209以及210的结构基本上和上面说明的磁体28a-28f，以及磁极件26a-26f的结构相同。永磁体208和磁极件209，210的数量相同，但是可以和电机的电磁极的数量不同。一个类似于气隙15(见图1)的气隙(未示出)存在于定子部分203和转子部分204之间。
参见图4，转子部分204还包括一对径向延伸的爪极，其中的一个由标号212表示。另一个爪极没有示出。磁极件210和爪极212相连，磁极件209和未示出的爪极相连。应当理解，图4只是交流电机200的局部示意图(例如一个扇区)，并且具有两个爪极部分，其结构如美国专利5892313这所述的爪极的结构相同。轴向气隙211使磁体208和爪极212磁隔离。部分212由导磁材料制成。由绕组206产生的磁通用箭头220表示，并处于垂至于转子部分204的旋转平面的平面内。来自永磁体208a的磁通用箭头230表示，并通过爪极212和用于分离定子203和转子部分204的气隙流通。因而，磁路彼此垂直，并且共用磁极件，但是来自永磁体的磁通不通过绕组，反之亦然。
因而，本发明的以下特征提供了一种具有大大改进的性能和效率的交流电机：
a)由永磁体28a-28f产生的感应磁场和由激磁绕组30，32产生的感应磁场只在转子部分13的内部具有公共磁路，即，由激磁绕组30，32产生的磁通不通过永磁体28a-28f，并且由永磁体28a-28f产生的磁通不形成围绕激磁绕组30，32的环路；
b)激磁绕组磁路的磁通路径垂至于定子部分13的外部的永磁体磁路的磁通路径；
c)由激磁绕组产生的磁通只通过两个气隙，而无刷的伦戴尔型交流电机结构要通过4个；
d)可以在转子部分14上放置相当多的永磁体，因为激磁绕组30，32不位于转子部分14上，而是被安装在壳体12的唇部12a，12b上；
e)因为在激磁绕组30，32和转子部分14之间不需要连接，交流电机10是无刷的交流电机，从而消除了和性能、磨损以及电刷的更换相关的问题；以及
f)因为磁体208的数量可以和交流电机200的电磁极的数量不同，较多的磁体可以在爪极内提供较高的磁通密度。
上面已经说明了本发明的原理、优选实施例和操作方式。不过，本发明旨在保护的内容不限于上述的特定形式，上面的说明仅用于说明，而不用于限制。不脱离本发明的构思，本领域的技术人员可以作出各种改变和改型。因而，上面的说明应当认为是一些例子，本发明的范围和构思由所附的权利要求书限定。

Claims (11)

1.一种无刷电机，包括：
由导磁材料制成并具有内部区域的壳体；
安装在所述内部区域内并被固定在所述壳体上的定子，所述定子具有定子绕组；
被安装在所述定子内并围绕一个旋转轴线旋转的转子，所述转子包括：
多个磁极件和以交替的构型沿周向设置的永磁体，使得所述每个永磁体位于一对连续的磁极件中间，并且磁化轴线位于转子的旋转平面内，所述转子包括第一侧，被固定在所述第一侧上的第一转子端盖，第二侧，和被固定在所述第二侧上的第二转子端盖；以及
一对激磁绕组，每个激磁绕组被固定在壳体上，位于转子的每一侧，使得所述激磁绕组在转子的旋转平面内并围绕相应的转子端盖沿周向延伸，
其特征在于：
所述壳体包括由间隙分开的两个半部分；
所述转子和定子绕组由第一气隙分开以形成第一磁路；
每个转子端盖由导磁材料制成；
每个转子端盖至少和一些磁极件接触；
所述激磁绕组和转子端盖由第二气隙分开；
所述激磁绕组产生在与转子旋转平面垂直的平面内流动的磁通；
所述磁极绕组产生的磁通的方向由跨过激磁绕组的电流的方向控制；并且
所述第一和第二气隙协同形成不通过所述第一磁路的永磁体的第二磁路，使得由所述激磁绕组产生的磁通不通过所述永磁体，并且由所述永磁体产生的磁通不形成围绕激磁绕组的环路。
2.如权利要求1所述的无刷电机，其中每个转子端盖具有被固定在转子的相应侧上的第一端盖部分，以及和转子的相应侧分开的并且围绕旋转轴线延伸的第二端盖部分，每个激磁绕组围绕相应的第二端盖部分沿周向延伸，每个激磁绕组借助于周向延伸的气隙和第二端盖部分分开。
3.如权利要求1所述的无刷电机，其中每个转子端盖具有被固定在转子的相应侧上的第一端盖部分，以及和转子的相应侧分开的并且围绕旋转轴线延伸的第二端盖部分，每个激磁绕组借助于轴向延伸的气隙和第一端盖部分分开。
4.如权利要求2所述的无刷电机，其中所述壳体包括在内部区域内的内壁，以及被固定在所述内壁上的一对唇部，每个激磁绕组包括围绕相应的唇部绕制的环形线圈，每个唇部位于转子的各侧上，并沿周向围绕相应的第二端盖延伸。
5.如权利要求1所述的无刷电机，其中所述每个转子端盖包括基本上为环形的部件，并且其中所述壳体还包括在所述内部区域内的内壁，以及被固定在所述内壁上的一对唇部，每个唇部具有第一唇部分，用于接收相应的激磁绕组，以及从第一唇部延伸的第二唇部分，每个唇部位于转子的各个侧上，并和相应的转子端盖相邻，使得转子端盖围绕第二唇部分沿周向延伸。
6.如权利要求1所述的无刷电机，其中所述转子端盖彼此相对地被沿周向移动一个极距。
7.如权利要求1所述的无刷电机，其中每个永磁体是铁氧体永磁体。
8.如权利要求1所述的无刷电机，其中每个永磁体是稀土磁体。
9.如权利要求1所述的无刷电机，其中每个磁极件由导磁材料制成。
10.一种无刷电机，包括：
由导磁材料制成并具有内部区域的壳体；
安装在所述内部区域内并被固定在所述壳体上的定子，所述定子具有一个定子绕组；
被安装成能够围绕一个旋转轴线旋转并且和所述定子绕组由第一气隙隔开的转子；所述转子包括一对导磁的爪极，每个爪极包括具有周边和指状物的本体部分，所述指状物从本体部分的周边沿轴向延伸，并和另一个爪极的指状物啮合，所述转子还包括多个永磁体，以及多个内极件，所述内极件位于爪极中间，并以交替的构型沿周向布置，使得每个永磁体位于一对连续的内极件中间，所述永磁体和内极件的布置限定外转子的周边和中心开口，所述中心开口用于接收一个轴，转子围绕所述的轴旋转，所述多个内极件包括被固定在一个爪极上的第一组内极件，和被固定在另一个爪极上的第二组内极件，所述爪极和所述永磁体磁隔离，每个爪极的指状物位于定子和外转子周边中间，以及
一对激磁绕组，每个激磁绕组在转子的每一侧被固定在壳体上，使得所述激磁绕组在转子旋转的平面内沿周向延伸；
其特征在于：
所述壳体包括由间隙分开的两个半部分；
将转子和定子隔开的所述第一气隙形成第一磁路；
所述激磁绕组与所述爪极通过第二气隙隔开；以及
所述第一气隙和第二气隙协同形成不通过所述第一磁路的永磁体的第二磁路。
11.如权利要求10所述的无刷电机，其中所述壳体包括在内部区域内的内壁，以及被固定在所述内壁上的一对唇部，每个唇部被设置在转子的每侧上，并面对相应的爪极，每个唇部具有第一唇部分，用于接收相应的激磁绕组，以及第二唇部分，其沿着相应的爪极部分的方向从所述第一唇部分延伸出。
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