CN1395757A - 带有外部转子的电机 - Google Patents

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Abstract

一种电机(10)，包括一轴(24)，一定子(20)固定地安装到该轴(24)上，一转子(22)旋转安装到该轴(24)上。该轴(24)限定了一纵轴线，并具有适于固定地安装到一结构支承件上的相对的端部。该定子(20)优选地包括能够倒转电流方向从而改变线圈极性的多个线圈(56)。转子包括环绕该定子的圆周径向间隔开的多个磁体(74，260)。每个磁体具有至少一个预定的极。一控制器(12)与线圈耦接，以起动和控制转子绕定子的旋转这样一种方式控制流过线圈的电流方向。

Description

带有外部转子的电机
发明背景
发明领域
本发明涉及一种电机；更特别地，涉及一种具有外部转子的电机。
相关技术的描述
电机通常用于许多不同的商业和住宅用途。电机通常包括一转子和一定子，转子和定子中的每一个具有多个环绕圆周设置的磁体。
对转子上磁体的极和定子上磁体的极进行控制，使得转子的极被拉动而被定子上相应的极排斥，经相对于定子实现转子的旋转。
极的控制通常由转子或定子上系列磁体中的至少一个完成，该系列磁体由电磁线圈制成，电磁线圈的极性可通过改变穿过线圈的电流的方向来变换。
在多数电机中，定子是电机外部壳体的一部分或构成电机外部壳体，转子包括一安装在定子中用于在其中作相对旋转的轴。在某些应用中，期望转子形成壳体外部。可使用具有外部转子的电机来驱动皮带和类似物，同时定位在皮带内部。这种结构的一种适当用途是材料搬运环境。
与带有外部转子的电机相关的一个困难在于，功率输出通常足够小，因而只有很短的材料搬运段可由一单个电机驱动只有重量相对较轻的物品可由该电机推进。从带有外部转子的电机输出较大的功率要求电机的直径或长度较大。由于重量增加以及电机的平衡条件，直径增大是不期望的。转子长度增加会导致安装转子的轴响应转子与定子之间的磁吸引力而偏移，使转子和定子接触，降低了电机的性能，在极端情况下，完全禁止电机旋转。
发明概述
本发明涉及一种电机，包括一轴，一定子固定地安装到该轴上，一转子旋转安装到该轴上。该轴限定了一纵轴线，并具有适于固定地安装到一结构支承件上的相对的端部。该定子优选地包括能够倒转电流方向从而改变线圈极性的多个线圈。转子包括环绕该定子的圆周径向间隔开的多个磁体。每个磁体具有至少一个预定的极。一控制器与线圈耦接，以起动和控制转子绕定子的旋转这样一种方式控制流过线圈的电流方向。
转子优选地包括具有一纵轴线的筒状壳体，磁体可操作地耦接到该筒状壳体的内部。在这种结构中，壳体相对于定子旋转，并用作电机的外部驱动机构。
磁体可包括多个环绕定子或绕定子圆周径向间隔开的分散磁体的磁化金属环。这些磁化金属环优选地包括具有交变极性的径向扇形。这些扇形在中心上以30度的弧度展开。
转子可还包括一圆柱形笼，该圆柱形笼用于承载多个磁体并轴向定位在该筒形壳体中，使得该定子容纳在该圆柱形笼中。优选地，在笼中形成径向间隔开的磁体孔，每个孔容纳一磁体。孔和磁体优选地在环绕该笼的中心上以大约60度间隔开。
该笼可包括多个轴向定向的槽，一用于承载磁体的磁体盖容纳在这些槽中。当磁体盖容纳在磁体槽中时，磁体同样容纳在磁体孔中。
定子优选地包括一限定了一个纵轴线的线圈芯部。该芯部具有多个线圈环绕其安装的线圈极。在优选形式中，线圈安装在芯部上，使线圈纵轴线与线圈芯部纵轴线形成一第一锐角。该第一锐角最好为10度。
线圈芯部可包括多个具有一轴向孔的盘，该轴向孔的尺寸确定为可容纳该轴，从而将该多个盘安装到该轴上。每个盘包括一键和一键槽中的一个，该轴包括该键和该键槽中的另一个，因而当盘安装到轴上时，键容纳在键槽中，从而将盘相对于轴对准。该轴的键和键槽中的一个定向成相对于轴成一第二锐角，该第二锐角同样最好是10度。
线圈极可以任何期望的径向间距环绕定子间隔开。但优选地，线圈极在中心上以大约40度间隔开，或者以大约20度间隔开。
线圈极可包括一位于其远端的盖，以有助于将线圈保持在线圈极上。可替换地，线圈芯部还可包括设置在线圈极之间的突起，这些突起具有发散的远端，有助于将线圈保持在线圈极上。
定子还可包括滑动安装到轴上的多个线圈组件，其中每一个滑动安装到线圈极上。每个线圈组件包括多个位于其中或其上的线圈。一隔套优选地安装在该轴上并设置在相邻线圈组件之间，从而有效地增加轴的截面积，以提高轴的抗弯强度。可在隔套与线圈组件之间的空间中放置树脂，以有效地将线圈组件和隔套集成为一体，从而更有效地提高轴的抗弯强度。
优选地，用一轴承将壳体旋转安装到轴上。该轴承靠近轴的每一端定位。
转子还可包括相对的端盖，这些相对的端盖封闭壳体的开放的端部，并将壳体安装到轴上。端盖可具有一中心轮毂，该中心轮毂限定了容纳该轴的孔。端盖还可包括一圆周壁，该圆周壁容纳在壳体中，将壳体安装到轴上。中心轮毂优选地包括一环绕该中心孔并容纳一轴承的轴承槽，该轴承用于将转子旋转安装到轴上。圆周壁的一远端边缘优选地成锥形，以更易于圆周壁插入壳体中。另外，该锥形远端边缘还有助于相对于壳体对中该中心孔。优选地，该中心轮毂和盖分别具有相应的同心环，这些同心环相互啮合，当盖安装到端盖上时形成一迷宫密封。
电机还可包括一安装块，用于将该轴端部固定地安装到一结构支承件上。
附图简介
附图中：
图1示出根据本发明的带有一外部转子的电机；
图2是沿图1中2-2线剖开的电机的剖视图；
图3是沿图2中线3-3剖开的电机的剖视图；
图4是根据本发明定子的一个线圈模型的透视图；
图5是根据本发明转子笼的透视图；
图6是用于装配转子笼静止磁体的模具的透视图；
图7是一透视装配图，表示用于定子装配的主要步骤；
图8是一装配图，表示将转子装配到定子上的主要步骤；
图9是装有本发明带外部转子电机的脚踏传动式试验台的透视图；
图10是装有本发明带外部转子电机的材料搬运系统的一部分的透视图；
图11是第二实施例电机的纵向剖视图，示出第二实施例的轴、转子和定子的空间关系；
图12是沿图11中线12-12剖开的剖视图；
图13是轴的平面图，示出一带角度的键槽；
图14是轴一端的放大局部剖视图，示出电路的内部通道；
图15是安装到轴上的定子的纵向剖视图，为清楚起见，去掉了转子和端盖；
图16是沿图15中线16-16剖开的剖视图，为清楚起见，去掉了轴；
图17是转子和壳体的的纵向剖视图，为清楚起见，去掉了定子、轴和端盖；
图18是沿图17中线18-18剖开的剖视图，并示出用于定子的磁通量方向的变化；
图19是用于关闭本发明电机壳体一开放端的端盖的端面视图；
图20是沿图19中线19-19剖开的剖视图；
图21是用于相对于轴密封该盖的一盖的端面视图；
图22是沿图21中线22-22剖开的剖视图；
图23是装配后电机的侧视图，示出安装块、端盖和密封件。
发明的描述
图1-3示出根据本发明的一电机10及用于控制该电机10的操作的控制系统12。
电机10包括一设置在一转子22中的定子20。定子20包括一轴24，其上固定地安装有由一隔套28分隔开的多个线圈组件26(也见图4)。锁止垫圈30将线圈组件26相对于隔套28固定在轴24上。
轴24优选地具有至少一个中空的端部，以形成电线等从线圈组件到电机外部通过所需的回路。轴24具有一由一轴环36分开的中心定位的大直径部分24a，该轴环36与隔套28相互作用，在装配过程中限制隔套28沿轴24的纵向运动。轴包括多个位于大直径部分24a每一端的多个直径减小部分24b、24c和24d。每个逐级减小直径部分24a-d的连接处产生一个相应的台肩25b、25c和25d。一键38沿轴24纵向延伸。
隔套28包括一中心轮毂31和一由一腹板34联接的圆周壁33。多个孔35延伸穿过腹板34。一径向孔37延伸穿过圆周壁33并与腹板孔35相交，从而将圆周壁33的外部与圆周壁33和轮毂32之间的空间流体联接起来。轮毂32的一端包括一伸入中心孔中的环形止动部39，其尺寸确定为当轮毂32可滑动地安装到轴上时压靠轴的台肩36，从而限制隔套的纵向运动。
线圈组件26分别包括一线圈芯部40，该线圈芯部40包括多个具有一轴向孔44和一键槽46的轴向对准的盘42。该多个盘42的对准的轴向孔44和键槽46形成用于线圈芯部40的轴向孔和键槽。
每个盘42的圆周形成有多个线圈极50，这些线圈极50优选地环绕盘42以40度的增量间隔开，并由突起52分开。对准的线圈极50限定了一个线圈轴线51。一线圈通道54环绕每个线圈极50的圆周成形，尺寸确定为可容纳一具有中心通孔的线圈56，允许线圈56可滑动地安装到线圈极50上。
每个线圈极50设有一线圈56。线圈56优选地由多个导电电线构成，这些导电电线的间隙填充以环氧树脂并加热而将线圈熟化到一刚性结构中。每个线圈通过一穿过轴24中空内部的导线58(图2)与电控制系统12联接。
转子22包括一转子笼60，该转子笼60优选地是一铝铸件，具有一大致圆柱形的本体62，从该本体62的外表面伸出其间限定有磁体槽66的成对的平行指64。磁体槽66环绕本体62的圆周以大约60度的间距间隔开。本体62具有位于磁体槽66中的孔68。
转子22还包括磁组件70，磁组件70包括一优选地由钢制造的盖72，及两对磁体74。磁体74优选地定位在盖72上，使得当盖72定位在磁体槽66中时磁体74装在本体62的磁体槽66中。
电机10还包括一转子笼60滑动安装在其中的外部壳体80，定子20滑动安装在转子笼60中。壳体优选地由碳钢制造。壳体80的端部由端盖82封闭，端盖82优选地由铝制造。端盖82包括一中心轮毂84，该中心轮毂84具有一其中滑动安装一陶瓷轴承86的凹槽，该陶瓷轴承86由一安装在靠近该凹槽内部孔的轴向槽中的扣环或相似的保持架88保持在轮毂84中。
中心轮毂84由一径向腹板92联接到一圆周壁90上。圆周壁90具有一基本上等于壳体内径的外径。径向腹板92包括一径向延伸越过圆周壁90的环形止动部94。该环形止动部94的外径大于壳体88的内径，并限制了端盖圆周壁90的插入深度。一组翼片96成形在径向腹板92中并从径向腹板96轴向向内和向外延伸。翼片96有助于在电机旋转过程中电机10内部温度的冷却。实质上，翼片96用作风冷的散热器。
端盖82还包括一具有一轴向孔100的盖98，一环形止动件102伸入该轴向孔100中。同心环104成形在盖98中并对应于端盖82外部上的同心环106。当盖98滑动安装在轴24上时同心环104和106嵌套在一起并形成一迷宫密封，以阻止灰尘和其它颗粒进入电机内部。
控制系统12包括一位于轴24上的霍尔传感器110和安装在转子笼60上的对应的元件112。元件112定位成与磁体74的极对应。霍尔传感器110与一电路(未示出)联接，该电路改变经过线圈56的电流的方向，以环绕定子20驱动转子笼60。这种类型的电控制是公知的，不再详细描述。
电机的装配
下面的装配说明包括多个步骤。许多这些步骤的顺序并不重要。因此装配说明主要用于表示装配电机10所需的步骤以及各部件的相互联接。该装配说明并不限制装配步骤的顺序。
参照图6，电机10的装配通过将磁体74装配到盖72上而开始。磁体74优选地由磁场强度非常高的钕制造。例如，用于一个磁体槽66的每个磁体对具有350磅的分离力。如果磁场强度较大且相应地对于磁体74的磁力也较大，则必须小心搬运磁体并在装配过程中彼此不靠近也不靠近另一磁性物体，除非需要磁体与该物体磁性耦接。
参照图6，在磁体装配过程中，一模具120包括一底座122，设置一盖124将磁体74以一预定方向连接到盖72上，使得磁体装在转子笼60的本体62中的磁体孔68中。模具底部122具有限定了一通道126的U形截面，该通道126的尺寸确定为可滑动容纳该盖72。在通道126中以对应于磁体槽66中孔68的间距的间距设有定位孔128。
为了将磁体74装配到盖72上，将成对的磁体定位在定位孔128中。这些孔的尺寸确定为使磁体74的顶部与通道126的底部共面或略低。然后将盖124放置在模具底部122的顶部，以关闭通道126的开放的顶部。该盖最好在模具120上夹紧到位。然后将磁性盖72滑动插入模具120的其中一个开放端中。当钢磁性盖72碰到磁体74时，这些磁体74将其自身附着到磁性盖72上。磁性盖72与磁体74之间的摩擦系数足够低，因而与将磁体拉下磁性盖72的分离力(大约350磅)相比需要一相对较小的力(对于本发明的磁体是大约70-80磅)就可相对于磁体74滑动。如果需要，可在盖72或磁体74上设置少量润滑剂，以减小磨擦系数，减小在磁体74上滑动盖72所需的力。当盖72完全定位在模具120中时，将模具盖124松开并取走。然后将磁性盖72与已经正确定位以插入转子笼60中的磁体74一起从通道126的开放的顶部抬出。
对于特殊转子笼60所需的大量磁体组件70，重复进行将磁体74安装在磁性盖上其预定位置的步骤。如图所示，需要六个磁体组件70。
但根据电机的尺寸，可能使用更少或更多的磁体组件。已完成的磁体组件70在装配后应彼此相距足够远储存，以防止一个磁体组件中的磁体与另一磁体组件耦接。
当磁体组件70装配后，将它们放置在转子笼60的磁体槽66中，最好同时将磁体组件70挤压在磁体槽66中。由于转子笼60优选地由非磁性材料，如铝制造，磁体74与转子笼60之间的磁性相互作用并不重要。
在最初移动到定子20的组件上之后，以传统方式装配每个线圈芯部40。线圈56滑动安装在线圈极50上。对于特殊电机所需的大量线圈组件重复该步骤。如图所示，电机10仅需要两个线圈组件26。但在本发明的范围内可能需要更少或更多的线圈组件，并取决于特殊的操作参数，特别是电机10的功率输出。对于给定的线圈组件26，线圈组件越多，产生的电机功率越大。
参照图7，当线圈组件26完成后，通过将线圈组件26、隔套28以及其中一个端盖82安装到轴24上而装配定子20。最初，将隔套28滑动安装到轴的一端，直到环形止动件37压靠轴环36。然后相对于轴24对线圈组件26进行定向，使线圈组件26中的键槽46对准轴24上的键38。将线圈组件26滑动到轴24上，直到线圈芯部40压靠隔套28的轮毂32。锁止垫圈30将轴的相对端滑动地安装到与线圈芯部40成压靠关系，并锁定到位，将线圈芯部40保持在与轴环36成压靠关系的隔套28上。
值得注意的是，当线圈组件26安装到轴24上后，线圈56的内端容纳在圆周壁33与隔套28的轮毂32之间。轮毂32的端部和圆周壁33与线圈芯部40处于压靠关系，以有效地关闭隔套28的开放端并关闭其中线圈56的端部。因此，线圈56的内端被保持在隔套28的封闭的内部中，通过腹板孔35和相应的圆周壁孔37可进入隔套28的封闭内部。
通过圆周壁孔和腹板孔35将树脂材料注入隔套28的封闭的内部。将足量的树脂注入，以完全填充隔套28的内部。将轴24、线圈组件26及填有树脂的隔套28的定子分组件加热到适于熟化树脂的温度。
由轴24、隔套28和烘烤过的树脂填料获得的定子分组件产生了一个弯曲刚度远大于轴24自身的结构。增加的刚度是由下列因素造成的：分组件有效增加的截面积，以及线圈芯部40与轴24之间的紧配合，线圈芯部40与隔套28之间的压缩安装，以及填充有树脂的隔套28。图2中的线130代表按照轴24制造的轴的有效直径，但具有分组件的有效刚度。
应该注意，此时是假定用于线圈56的引线联接到穿过轴24内部延伸的电气套管上。由于引线的联接是公知的且并不构成本发明的实质部分，将不对其进行详细描述。还应该注意，霍尔传感器110在轴分组件完成后以常规方式安装到轴24上。
当轴分组件完成后，通过穿过端盖轮毂84的孔滑动该轴而将其陶瓷轴承86已经安装的其中一个端盖82安装到轴24的端部，直到轴承的端部压靠轴24的直径缩小部分24b的台肩25c，而盖102压靠轴24的直径缩小部分24c上的台肩25d。
参照图8，轴分组件和相应的端盖82一起被滑动安装在转子本体62中。当第一线圈组件26安装在转子笼本体62内部后，磁体74将拉动线圈与磁体接触。至于将磁体74安装到磁性盖72上，尽管磁体具有非常强的分离力，摩擦系数足够低，因而定子分组件可在转子笼本体62内部滑动。如果需要，可在轴分组件或转子笼本体62内部设置润滑剂，以更易于滑动。
定子和转子分组件滑动安装在壳体80中。当转子/定子分组件插入后，磁体74将与壳体80的一部分耦接，使壳体80的纵轴线略微偏离轴24。当转子/定子分组件完全插入后，端盖圆周壁90的锥形表面120将与外部壳体的一边缘接触，并在该端部相对于外部壳体80将轴24对中。锥形表面120的楔效应将一些磁体从壳体80上分开，使壳体和轴的纵轴线偏斜。
尽管不是必须的，但壳体的内表面最好具有一个或多个浮雕，而端盖82的圆周壁90具有相应数量的凹痕或沟槽，因而当端盖圆周壁90插入壳体80的开放端部之后，这些浮雕将略微偏移圆周壁90，直到它们落入相应的凹痕或沟槽中，从而有效地将端盖82锁定在外部壳体80的端部。
为完成电机10的装配，将另一端盖82滑动安装到轴24的相对端。应当记住，磁体74的强度给定后，定子20一侧的至少一部分将与转子笼本体62内部发生实体接触，使轴24相对于壳体80略微偏离轴线。端盖82的圆周壁90的外端略成锥形120。有了这种结构，当第二端盖82插入壳体80的开放端后，端盖82的圆周壁90的锥形或楔形外边缘将与壳体80的一部分的内部边缘接触。圆周壁90持续插入壳体80的端部中开始将轴的纵向入口与壳体80的轴向对准的纵轴以及转子笼60对准。端盖82完全插入后，线圈组件26将被拉动而脱离与转子笼本体62内表面的接触。然后将盖98滑动安装到轴上，以封闭中心轮毂84并相对于大气密封该陶瓷轴承86。
在装配位置，在线圈组件26与转子笼本体62内部之间有一大约为.5毫米的缝隙。假定磁体74的磁力非常大，磁体有与外部壳体80耦接的趋势，幸好由于定子分组件超凡的刚度而阻止。上述本发明的电机产生3.O千瓦的峰值功率，并能够在大约95％的效率下以大约850转每分的速度在16千瓦的稳定状态下工作。所产生的最大恒定扭矩是18.2牛米。考虑电机10的相对较小的尺寸，电机10的性能是非常强大的。外部壳体80的长度大约为417毫米，直径为114.3毫米。每个线圈组件26大约为135毫米长。
操作
电机的操作以一种公知的方式控制，且仅描述大致的细节。对于所有的AC电机，转子是通过改变定子上极的极性而相对于定子前进的，从而根据具体情况在转子上拉动或推动永磁体。根据本发明的定子具有9个极51，这些极51由环绕定子圆周以大约40度间隔设置的线圈56构成。转子上的永磁体环绕转子的圆周以60度增量间隔开。永磁体的宽度略大于线圈的宽度。
当在一个线圈极上对中一个永磁体极时，下一个永磁体大致直接对中在下一个与相邻极之间，一部分永磁体覆盖每个线圈的一部分。随后的磁体74再次对中在一线圈极51上。假定磁体74和线圈56的极之间是固定的物理关系，可使用霍尔传感器110来传感磁体的极位置，并输出一相应信号，该信号由电控制器12使用来改变经过线圈的电流的方向，来根据要求倒转线圈的极性，来根据要求推或拉动磁体74以继续电机10的旋转。只需要一个霍尔传感器，因为永磁体和线圈的数量是公知的，并以公知的关系间隔开。但如果需要，可对线圈56的全部或某些极环绕定子定位霍尔传感器。
电控制器不仅能够相对于定子推进转子，还能够相对于定子倒转转子的方向。相似地，可有效地使用电控制器制动电机的推进或反向操作。通过电控制器推进、反向和制动电机的技术是公知的，不再详细描述。
电机速度通过调节施加到线圈上的电压幅度来控制。当电压上升时，电机速度适当上升。因此控制电机速度所需的只是简单和公知的电压控制。使用电压控制来控制电机速度的一个优点在于，在供应到电机以及被电机驱动的专用机器的内电阻上的电压的极限范围内，速度基本是连续可调的。
在稳定状态操作过程中，电机将产生大约80瓦的热量。假定相对于电机产生的功率和热量来讲电机的尺寸较小，则散热是很重要的，特别是在热量对磁体74造成负面影响的情况下。端盖82上的翼片用作散发由电机产生的热能的风冷散热片。如图2中看到的，翼片从端盖内部延伸到外部。翼片的内部位置有助于强制空气在电机内部循环并消除热量聚积的区域。电机的旋转导致翼片的旋转，使空气在外部壳体中循环。壳体中空气循环的路线可通过穿过本体62上的磁体槽66之间的开放空间而纵向展开。端盖上的翼片与转子笼的形状一起构成了一个在不增加电机的复杂性和尺寸的情况下去除热能的强制空气风冷散热片。
应用
图9示出本发明电机10的一种可能的应用。图9示出包括一面板142的脚踏传动式试验台140，一端安装一本发明的电机10，另一端安装一辊144。一皮带环绕电机10的壳体80输送，辊144将面板抓持在其间。由于皮带146物理地接触电机10的壳体80，壳体80的旋转将转动脚踏传动式试验台的皮带。
如上所述的电机10优选地以2到12英里每小时的速度操作，相应的功率要求在142转每分时是0.27千瓦，在854转每分时是1.60千瓦。
图10表示电机10的另一种应用。图10中示出一简单的材料搬运系统，包括一具有一面板152的输送机150，电机10安装在一端，在面板142上各位置安装有一个或多个辊154。输送带156环绕辊154和电机10输送。壳体80的旋转影响输送带156的运动。
在每一个这些应用中，本发明相对于现有电机的优点在于，它具有相对较小的直径(114毫米)，同时对于稳定状态操作具有相对较高的输出(1.6千瓦)。电机10的小轮廓允许其应用在空间条件有限的多种应用中。缩小的轮廓还减小了皮带的尺寸并减少了与大直径传统电机相关的惯性制动问题。
本发明电机的另一优点在于，可通过简单地增加四个线圈组件26及必要的插入隔套28而提高电机的功率输出。这样一种结构当然需要较长的轴24。但与现有的设计不同，轴的长度总体上是不重要的，因为填加的线圈组件26可包括隔套28，这些隔套一起有效地形成一大直径轴，该大直径轴大大减少了现有电机中固有的偏离，充分消除了轴的负面效果，以允许转子和定子在运行过程中接触。
图11-12示出根据本发明的电机210的一替换实施例。该替换实施例电机210包括物理上和功能上与第一实施例电机10相似或相同的多个元件。因此在可能的范围内，第二实施例中与第一实施例相似的元件具有加上200的相似的识别数字。
电机210包括一电控制系统212，该电控制系统212包含用于控制电机210操作的全部电子设备。该电控制系统与控制系统12相同，因此没有图示。电控制系统12可由许多公知的控制系统完成，且不构成本发明的基本部分。因此不再详细描述。一般来讲，控制系统12应能够直接或间接地监测每个线圈的极相对于永磁体极的位置，并利用该信息来控制通过线圈的电流的开关，以实现电机的旋转(向前或向后)，以及电机速度(一般通过改变电压的幅度)，电机加速度/减速度，可能包括制动。
电机210包括一安装在转子222中的定子220。定子220固定安装在一非旋转轴224上。转子222旋转安装在轴224上。轴的端部通过安装块225固定地保持，该安装块225将该轴安装到输送系统的一结构元件或特殊应用的结构元件上。
参照图13和14，轴224包括一恒定直径的中心部分224A，该中心部分224A在一端终止于一环形台肩224B，在另一端终止于一环形颈部224C。环形颈部224C过渡到一锁止环部分224D，然后过渡到直径缩小的传感器安装部分224E。在传感器安装部分224E与一轴承安装部分224G之间设有一环形槽224F。一直径缩小的键224H从该轴承安装部分224G伸出。轴224位于环形台肩224B外部的另一端在结构上的相似之处在于，它包括一环形槽2224F，轴承安装部分224G和一键224H。一定子键槽224I在端部之间沿中心部分224A的长度延伸，并相对于轴224的纵轴线224J以10度角定向，使定子键槽的相对端相对于彼此径向偏移20度。在轴的一端设有一电路224K并提供一从控制系统到线圈及任何内部传感器如霍尔传感器的电线通道。
参照图15-16，定子220包括一固定地安装到轴224上的单个线圈组件226，而第一实施例中是多个线圈组件26。该单个线圈组件在结构上与第一实施例的线圈组件的相似之处在于，它包括一线圈芯部240，多个线圈256环绕该线圈芯部240安装。如线圈芯部40那样，线圈芯部240包括多个盘242，每个盘242具有一轴向孔244，一键246伸入该孔244中，该键246的尺寸确定为当盘滑过轴时容纳在轴的定子键槽224I中。当安装到轴上时这些盘形成一组线圈极250。每个线圈极250终止于一盖252，该盖252将线圈256有效地保持在其上。线圈极250由线圈通道254分开。
线圈256是传统形式的，包括缠绕在线圈极250上的电线。线圈通道254填充有树脂，优选地是双元件环氧树脂，以减少振动。
线圈极250优选地在中心上环绕盘每隔20度间隔开。由于该盘跟随定子键224I，每个线圈极的相对端相对于彼此偏移20度，使相邻线圈极的相对端径向对准。换句话说，假设旋转方向给定，每个线圈将具有一前端和一后端。一个线圈的后端与后一线圈的前端径向对准。
参照图11、12、17和18，用于第二实施例电机210的转子222与第一实施例电机10的不同之处在于，由于永磁体直接安装在外部壳体上，不需要转子笼。第二实施例转子222包括一壳体280，多个金属环260滑动安装在其中。
壳体280与第一实施例的壳体80基本相同。壳体280是带有开放端部272的大致圆柱形状。壳体的外部靠近开放端部272具有一锥形部分274。一环形轴环276定位在壳体的中空内部，并在第一内径278与第二内径280之间形成一分界线。第一内径对应于环260的外径。第二内径280从轴环276延伸到开放端272，且直径大于第一内径278。
金属环260一旦定位在其期望位置上就粘结到外部壳体280的内部。优选地，该金属环由钕铁硼制造。在所示实施例中，该环的外径为10.43厘米，内径为9.83厘米。每个环宽3.35厘米，10个环延伸穿过总长度为33.5厘米的壳体280的内部。
金属环260在粘结到壳体280内部之后被磁化。插入和安装到壳体280上之后金属环260的磁化基本上消除了第一实施例中与钕铁硼磁体的相关的装配难度。
参照图18，金属环260以这种方式磁化，使每个环具有交变磁通方向的诸扇形262。图16中的箭头表示用于相应扇形262的磁场方向。优选地，扇形262环绕环260大约每30度变换磁通方向。
扇形262的30度间隔与每个线圈芯部的20度间隔相配合，使得当一个线圈极的前端旋转经过一给定扇形262时，大约一半的后一线圈极(10度)被置于给定扇形下面。相邻线圈与给定扇形之间的重叠使得与第一电机相比，电机有一更连续的功率输出，在第一电机中线圈相对于给定扇形或磁体没有重叠。相邻线圈与给定磁体之间的重叠量可根据电机的功率输出要求而改变。
控制器以与线圈56几乎相同的方式切换穿过线圈256的电流，以实现转子220的旋转。实质上，当永磁体的中线穿过相应线圈的中线时电流被切换方向，这样线圈初始地朝线圈中线拉动永磁体，然后将永磁体推离线圈中线。应当注意，当永磁体的纵向中心点经过线圈的纵向中心点时，线圈相对于永磁体纵轴线的角方向通常将导致电流的切换。
参照图19-20，端盖282设置用来关闭壳体280的开放端272。端盖282与端盖82相同，包括一限定了一通孔285的中心轮毂284，该通孔285具有一止动部287，止动部287共同形成一用于陶瓷轴承286的底座。一环形槽288位于中心轮毂的内端。一由径向腹板292联接的圆周壁290从中心轮毂284伸出。径向腹板292的一部分延伸越过圆周壁290而形成一圆周止动部294。圆周壁290的末端成锥形291，以有助于端盖插入壳体280中。翼片296从径向腹板292向外延伸。
参照图21和22，设有一盖298，该盖298具有一轴向孔300，一环形止动部302伸入该轴向孔300中。在盖298的内表面上形成有同心环304，这些同心环304与环绕中心轮毂孔的同心环306啮合，从而当盖298安装在端盖282上后形成一迷宫密封。
图23示出包括一底座310的安装块225，带螺纹的安装螺极312从该底座312伸出。一夹持轭314用螺栓316保持端键224H。轭314容纳在位于底座310中的凹槽318中。
现在对第二实施例中电机210的装配进行说明。如第一实施例中的电机10那样，装配步骤的精确顺序对于本发明并不重要。描述装配顺序仅仅是为了更好地理解本发明，该顺序不应理解为限定。
定子220通过将多个盘242滑到轴224的控制端上而装配。当盘242插在轴键槽224I上时将每个盘的键246对准键槽224I。将盘键246对准轴键槽224I以及将盘242滑动插在轴224上建立了线圈芯部240的线圈极250。
当盘242安装到轴224上后，将一隔套288滑动安装在轴上，并通过一锁止垫圈289保持与盘242的压紧接触。锁止垫圈289将盘压缩保持在轴环224B。然后通过以传统方式将电线缠绕在线圈极250上而形成线圈256。
当环绕线圈极250装配线圈256后，可装配定子220和转子222。优选地，定子220滑动插入转子222内部。由于环260最好已经磁化，定子220将被拉到与转子222的磁化环260接触。然后定子220可滑动插入转子222的环260内部。如第一实施那样，可使用润滑剂来降低定子220与转子222之间的摩擦系数。
将端盖82和轴承86安装到壳体280上与前述第一实施例中相同，不再详细描述。当端盖282、陶瓷轴承286和盖298装配后，该装配件可安装到安装块225上。轴224每一端上的键224H滑动插入安装块中的一键孔340中。螺栓342延伸穿过安装块和夹持件。螺母344拧到螺栓342的一端上并拧紧，从而拉动夹持杆压靠在安装块225上，将轴牢固地紧固到安装块上。安装块225包括从其伸出的安装螺栓346，用于将安装块紧固到一结构支承件上。然后可将安装块安装到任何适当的结构上。
尽管已经结合其某些具体实施例具体描述了本发明，可以理解，这只是作为示例，并不是限定，附属权利要求的范围应在现有技术允许的情况下尽量宽地解释。

Claims (36)

1.一种电机(10)，包括：
一轴(24)，该轴(24)限定了一纵轴线，并具有适于固定地安装到一结构支承件上的相对的端部；
一定子(20)，该定子(20)固定地安装到该轴上，并包括能够倒转电流方向从而改变线圈极性的多个线圈(56)；
一转子(22)，该转子(22)旋转安装到该轴上，并包括环绕该定子的圆周径向间隔开的多个磁体(74，260)，每个磁体具有至少一个预定的极；及
一控制器(12)，该控制器(12)与线圈耦接，以起动和控制转子绕定子的旋转这样一种方式控制流过线圈的电流方向。
2.根据权利要求1的电机，其中转子包括具有一纵轴线的筒状壳体(80)，磁体可操作地耦接到该筒状壳体的内部，使得该壳体相对于定子旋转，并用作电机的外部驱动机构。
3.根据权利要求2的电机，其中该多个磁体包括多个环绕定子的磁化金属环(260)。
4.根据权利要求3的电机，其中每个磁化金属环被磁化，使得该环包括具有交变极性的径向扇形(262)。
5.根据权利要求4的电机，其中每个径向扇形在中心上以30度的弧度展开。
6.根据权利要求2的电机，其中该转子还包括一圆柱形笼(60)，该圆柱形笼(60)用于承载多个磁体并轴向定位在该筒形壳体中，该定子容纳在该圆柱形笼中。
7.根据权利要求6的电机，其中该笼具有其中容纳磁体的径向间隔开的磁体孔(68)。
8.根据权利要求7的电机，其中该磁体孔在环绕该笼的中心上以大约60度径向间隔开。
9.根据权利要求8的电机，其中该笼包括多个轴向定向的槽(66)，磁体孔位于该槽(66)中，该转子还包括一容纳在诸槽中的磁体盖(72)，磁体安装在该磁体盖上，因而当磁体盖容纳在相应槽中时，磁体定位在相应孔中。
10.根据权利要求9的电机，其中在每个磁体槽中有多个磁体孔，该磁体盖承载一用于每个磁体孔的磁体。
11.根据权利要求1-10的电机，其中该定子包括线圈芯部(40)，该线圈芯部(40)限定了一个纵轴线，并具有多个线圈环绕其安装的线圈极(50)。
12.根据权利要求11的电机，其中线圈在该芯部上被定向成使线圈纵轴线与线圈芯部纵轴线形成一第一锐角。
13.根据权利要求12的电机，其中该第一锐角为10度。
14.根据权利要求11-13的电机，其中该线圈芯部包括多个具有一轴向孔(44)的盘(42)，该轴向孔(44)的尺寸确定为可容纳该轴，从而将该多个盘安装到该轴上。
15.根据权利要求14的电机，其中每个盘包括一键(38)和一键槽(46)中的一个，该轴包括该键和该键槽中的另一个，因而当盘安装到轴上时，键容纳在键槽中，从而将盘相对于轴对准。
16.根据权利要求15的电机，其中该轴的键和键槽中的一个定向成相对于一轴纵轴线成一第二锐角。
17.根据权利要求16的电机，其中该第二锐角是10度。
18.根据权利要求11-17的电机，其中线圈极在中心上以大约40度径向间隔开。
19.根据权利要求11-17的电机，其中线圈极在中心上以大约20度间隔开。
20.根据权利要求11-19的电机，其中线圈极包括一位于线圈极远端的线圈盖(252)，用于将线圈保持在线圈极上。
21.根据权利要求11-19的电机，其中该线圈芯部还包括设置在线圈极之间的突起(52)，这些突起具有发散的远端，用于将线圈保持在线圈极上。
22.根据权利要求1-21的电机，其中该定子还包括滑动安装到轴上的多个线圈组件(26)，每个线圈组件包括多个线圈。
23.根据权利要求22的电机，其中该定子还包括一安装在该轴上并设置在相邻线圈组件之间的隔套(28)，其中该隔套有效地增加了轴的截面积，从而提高轴的抗弯强度。
24.根据权利要求23的电机，其中在隔套与线圈组件之间空间中放置树脂，以有效地将线圈组件和隔套集成为一体，从而更有效地提高轴的抗弯强度。
25.根据权利要求24的电机，其中该轴包括一轴环(36)，该隔套包括一环形止动部(39)，当轴环安装到轴上后该止动部(39)压靠轴环，从而相对于轴固定轴环的位置。
26.根据权利要求2-25的电机，还包括用于将壳体旋转安装到轴上的多个轴承(86)。
27.根据权利要求26的电机，其中靠近轴的每一端在轴上安装一个轴承。
28.根据权利要求2-27的电机，其中转子还包括相对的端盖(82)，这些相对的端盖(82)封闭壳体的开放的端部，并将壳体安装到轴上。
29.根据权利要求28的电机，其中每个端盖包括一中心轮毂(84)和一圆周壁(90)，该中心轮毂(84)限定了容纳该轴的孔，该圆周壁(90)容纳在壳体中，将壳体安装到轴上。
30.根据权利要求29的电机，其中该中心轮毂包括一环绕该中心孔的轴承槽，用于将一轴承安装到端盖上，使轴穿过该轴承和轮毂孔。
31.根据权利要求30的电机，其中该圆周壁包括一止动部，该止动部压靠壳体的一个边缘，以限制端盖相对于壳体的插入。
32.根据权利要求29-31的电机，其中该圆周壁的一远端边缘成锥形，以更易于圆周壁插入壳体中。
33.根据权利要求29-32的电机，其中每个端盖还包括一盖(98)，用于相对于该轴密封该中心孔。
34.根据权利要求33的电机，其中该中心轮毂和盖分别具有相应的同心环(104，106)，这些同心环(104，106)相互啮合，当盖安装到端盖上时形成一迷宫密封。
35.根据权利要求1-35的电机，还包括一安装块，用于将该轴端部固定地安装到一结构支承件上。
36.根据权利要求1-35的电机，其中磁体由钕制造。
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