CN1549432A - 轴向气隙无刷直流电机 - Google Patents

Abstract

一种双定子轴向气隙直流无刷电机，设有第一和第二定子，其具有相同的磁极数、给定的磁极弧度和给定的槽弧度。转子设置在第一和第二定子之间，具有比第一和第二定子更多的磁极数。每个定子和转子的磁极数的比例是六比八。第二定子相对于第一定子具有一个给定角度的角位移，该角位移小于定子磁极弧度的3/4，1/2或1/4，但是不小于定子槽弧度。当第一和第二定子具有的磁极数分别为18并且转子磁极数为24时，定子磁极弧度为20度，转子磁极弧度是15度，以及给定角度的角位移小于20度、15度、10度或5度。

Description

说明书 轴向气隙无刷直流电机

相关申请参考

本申请是申请号为10/269,691，申请日为2002年10月14日的申请的部分继续申请。

技术领域

本申请涉及电机领域，尤其涉及双定子轴向气隙无刷直流电机。

背景技术

现有技术中有很多种电机(电动机和/或交流发电机)。对于任何一种特定的应用来说，每种类型的电机具有不同的优点和缺点。因此，一般采用的电机的类型依赖于应用。一种类型的电机是无刷永磁直流电机。一种典型的无刷永磁电机具有相对较高的功率密度，因为它的效率高，并且因为主损耗出现在定子内，而定子比转子容易冷却得多。昂贵的稀土磁体能够提供更强的磁场，这个磁场能够有效地提高这种电动机的功率密度，但是也造成生产成本的增加。

在直流电机的一些应用中，需要高转矩、低速的电动机。例如：用于牵引驱动系统的电动机要求高转矩、低速的电动机。所有这些性质都能够通过增加电动机的磁极数量来提高。但是，如上所述，稀土磁体以及电动机的其它部件使得增加磁极数量变得昂贵。

典型的无刷电动机需要控制系统来提供复杂的开关模式电源放大器或者三相正弦变换器(当由正弦励磁驱动时，无刷永磁电机经常被称为永磁同步电机)。用于为这些类型的电机供电并对其进行控制的电力电子元件通常是所得系统中最昂贵的部件。因此，尽管这种机器性能理想，但是这些电机还没有在易受成本影响的应用中广泛应用。

因此，就需要一种低成本的能够提供高转矩和低转速的无刷直流电机。

因此，本发明的一个目的是提供一种双定子轴向气隙直流无刷电机，其定子之间相对有角偏移，转子置于定子之间，转子具有比每个定子都多的磁极数。

发明内容

本发明提供了一种用于轴向气隙无刷直流电机的装置，包括，第一和第二定子，其中至少一个定子包括多个在定子内形成的槽，并且其中定子绕组设置在这些槽内；和一个设置在第一和第二定子之间的转子。

一个实施例提供的一个用于轴向气隙无刷直流电机的定子包括：一个环形圆盘，和形成在圆盘内的多个径向槽，其适于容纳定子绕组。

本发明的另一个实施例提供了一种制造轴向气隙无刷直流电机定子的方法包括如下步骤：在心轴上缠绕一条或多条磁钢来形成环形；和在磁钢上以这样的方式冲压槽，使得当磁钢卷起来时，冲压而成的槽在定子内排列形成多个径向槽。

本发明的另一个实施例提供的轴向气隙电机包括：耦合到一个基底上的第一和第二定子；一个轮子，其可旋转地耦合到该基底，这样，该轮子绕定子旋转；和一个耦合到该轮子上的转子，这样转子在第一和第二定子之间旋转。

本发明的另一个实施例提供的双定子轴向气隙直流无刷电机包括具有相同的磁极数的第一和第二定子，一个给定的磁极弧度，和一个给定的槽弧度。一个转子置于第一和第二定子之间，具有比第一和第二定子多的磁极数。每个定子与转子的磁极数之比为6∶8。第二定子相对于第一定子具有一个给定角度的角位移，小于3/4，1/2或1/4的定子磁极弧度，但是不小于定子槽弧度。当第一和第二定子具有的磁极数分别为18并且转子磁极数为24时，定子磁极弧度为20度，转子磁极弧度是15度，以及角位移的给定角度小于20度、15度、10度或5度。

附图说明

图1是本发明的双定子轴向气隙无刷直流电机的分解透视图；

图2是本发明的定子的透视图；

图3是一片磁钢的局部视图，它用于形成图2所示的定子；

图4是本发明的转子的俯视图；

图5是本发明的定子的侧视图；

图6是本发明电动机的剖视图；

图7是本发明电动机的电路图；

图8是本发明电动机的线圈连接图；

图9是本发明的一个轮子电动机的剖视图；

图10是本发明的另一个实施例的双定子轴向气隙直流无刷电机分解透视图；和

图11是图10中定子的局部剖视端视图。

具体实施方式

一般而言，本发明提供了一个双定子轴向气隙直流无刷电机(例如：电动机、交流发电机等)。定子绕组嵌入到在定子上形成的槽内，这具有许多优点。本发明的电机效率高并且重量比现有技术中市售的电机轻许多。因为这种设计把对昂贵的磁体和磁钢的使用减到最少，所以重量减轻转成成本的降低。本发明的电机具有的磁极数量多，其结果是得到了低速、高转矩的电机。大功率和高转矩密度使电机在许多应用中可以直接驱动负载，比如轻型车辆牵引驱动。当使用复杂的转换器时，本发明的电机在一个宽的速度范围内操作，无需进行变比或将进行变比的需要减到最小。

图1是本发明的双定子轴向气隙无刷直流电机10的分解透视图。电机10包括由第一和第二壳体元件12和14形成的壳体。壳体内是具有多个排列成交替的N极和S极的多个楔形永磁体18的转子16。转子16耦合到轴20，轴延伸穿过在壳体上形成的开口。转子16的每一侧分别安装定子22。每个定子22包括多个绕组24，绕组24嵌入在定子22上形成的槽内(下面将详细描述)。转子16通过轴承26耦合到壳体元件12和14，轴承26允许转子16在壳体内旋转。

图2是没有安装绕组24的转子16的透视图。如图所示，转子16为在其中心形成有开孔28的环形。在定子22上形成的多个槽30从开孔28到定子22的外围沿径向延伸。槽30的数量决定于所需的电动机特性(例如：磁极的数量、所需的功率和速度要求等)。定子22通过在心轴上缠绕磁钢线圈形成。作为缠绕过程的一部分，磁钢线圈用这种方式冲压，使得槽30在定子22上形成。

图3是用于制造上述定子22的一个磁钢片32的局部视图。片32的宽度A等于形成的定子22的宽度(在一个实施例中，A＝1.25英寸)。在一个实施例中，片32为0.025英寸厚，且绕心轴卷绕60圈。当片32冲压完后，多个槽34在片32的长度方向上形成。当片32被缠绕到心轴上时，槽34排列形成上述的槽30。每个槽34的深度为B，宽度为C(在一个实施例中：B＝0.75英寸，且C＝0.25英寸)。沿着片32形成的每个槽34之间的距离依赖于转子的直径，同样也依赖于所需的槽30的数量。同样，当片32缠绕到心轴上时，槽34之间的距离增大，因为片32的长度在连续的每一匝中增大。

如上所述，选择环绕定子22形成的槽30的数量来提供一种具有所需的特性的电机。当定子22在心轴上形成之后，楔形绕组24(图1)被嵌入到定子22中来提供集中的磁极，随后集中的磁极被电气连接来提供多相绕组。在一个范例中，多相绕组是三相绕组。

按上述方式形成的定子22是一个定位的螺旋式叠制的定子，所以转子所产生的磁场位于定子绕组和转子上的永磁体产生的磁场平面内。这种结构使涡流损失减到最小。两个定子22由互相面对的绕组24定向(图1)，这样，当绕组被正旋励磁时产生多相正旋磁场。在另一个实施例中，定子22中的一个可以由没冲压的磁钢制作而成，以使电机具有较低的功率容量。

图4是本发明转子16的俯视图。图4中所示的转子16包括24个设置在衬套(hub)36上并由辐条(spoke)38分隔的楔形永磁体18形成的交替的S极和N极。也可以使用具有任何所需数量的磁体的电机。转子保持环40被设置在转子16的外周上以使将磁体18固定在转子16上。图5是图4所示的转子16的侧视图。和图4一样，图5示出了衬套36、辐条38和磁体18。但是在图5中，为了更好地提供磁体18和辐条38的视图，转子保持环40只被显示了一部分。

图6是本发明装配好的电动机10的一个实施例的剖视图。电动机10包括外壳12。如图所示，第一和第二定子22耦合到外壳12。每一个定子22具有多个槽(未示出)用来容纳定子绕组24。转子16置于第一和第二定子22之间。转子16安装在轴20上，它在定子22及绕组24之间旋转。轴20通过轴承26耦合到外壳12。因为绕组24嵌入在定子22的磁性材料内，所以在定子22和转子16之间形成的轴向气隙42最小，并且建立和维持所需的磁场需要的磁性材料用量也减到最少。在一个实施例中，在磁体18和定子22之间的气隙是0.025英寸。如果稀土磁体被用在一个传统的电动机中，那么磁体趋向于成为电动机中最昂贵的部件。与现有技术相比，因为本发明的设计需要更少的磁性材料，所以在转子16上的更小的磁体18能够减少电机的成本。

图7是本发明的电动机的电路图。图7示出了一个三相、24个磁极的电动机的实施例。

图8是本发明的电动机的线圈连接图。图8示出了一个在每个定子中具有18个槽和18个绕组的三相双定子电动机的实施例。

如其它的无刷直流电动机一样，本发明的电动机使用控制器来给电动机提供合适的电能。如果在一个实施例中，变换器提供期望的多相(比如：三相)正弦励磁，其用于将电动机作为永磁同步电机来驱动。使用合适的软件驱动控制变换器的数字计算机，转子所产生的并被控制器所检测的反电动势可以用来计算电机的旋转位置，省去了对旋转编码器的需要。

在另一个实施例中，电机作为无刷PMDC电机可以由梯形电压波形驱动。当被梯形励磁驱动时，在旋转的电机内由谐波磁通分布造成的损耗增多。但是，这些损耗被变换器中减少的开关损耗抵消。变换器可以使用旋转编码器检测转子位置，或者可以基于电机的反电动势计算转子位置。

与现有技术中半封闭的槽不同，在本发明定子上形成的开口槽使楔形绕组容易嵌入。由此引起的磁通路径的不连续性可能造成在磁通中出现谐波。如果需要，适当的调制定子电流能够将这些谐波磁通变化减到最小。

本发明的电动机可以在任何期望的应用中使用，包括上面提到的牵引驱动。另外，本发明也可用在其它方面。

下面是对本发明的另一种应用的描述。

图9是可以被用在多种设备上的电轮50的剖视图，比如自推进的草坪割草机。通常，电轮50由双定子轴向气隙无刷直流电动机组成，定子刚性地安装到一个装置上，并且转子是旋转的轮子的一部分。轮子50包括一个可以安装到比如草坪割草机这样的设备上的安装支架52。定子支架54耦合到安装支架52上，并且它将两个定子22固定到适当的位置。定子22(上面有详细描述)包括容纳绕组24的槽。旋转轮56通过轴承26耦合到安装支架52上，所以它能够相对于安装支架52和定子22自由旋转。图9中所示的转子16沿其外周与轮56耦合，而不是象前面描述的那样耦合到衬套。因此，轮56和转子16一起旋转。如前面所描述的转子，图9的转子16在定子22之间旋转。电源通过电源线58供给电轮50。自推进的草坪割草机或其它的设备能够用电轮供电而无需其它任何设备来驱动轮子(比如：皮带传动、链条、齿轮、驱动轴等)。因此，所得到的设备更便宜、更轻便并且更可靠。

参考图8、10和11，在本发明的另一个实施例中，第一和第二定子22A和22B具有相同的磁极数。转子16被设置在第一和第二定子22A和22B之间，具有比第一和第二定子22A和22B更多的磁极数。转子磁极数与定子22A和22B磁极数的不同增加了电动机10的有效磁极数。

如前所示，每个定子和转子的磁极数比是六比八。在这个转子16和定子22A和22B之间的比例中，磁极数不相等提高了电动机10的有效磁极数并且使得电动机的有效磁极数等于转子16上的磁体18的数量。电动机10有效磁极数的增加在低转速下产生高转矩。这对于在牵引车或类似的设备中使用这种电动机尤其有用。应当理解在每个定子和转子之间磁极数的比例特别期望是六比八的同时，在不偏离本发明的情况下，其它的不同的比例也可以被使用。

第二定子22B具有一个相对于第一定子22A的给定角度的角位移M，它小于定子22A和22B的磁极弧度N，但不小于槽弧度O。第二定子22B相对于第一定子22A的给定角度的角位移M所示为10度或者是定子22A和22B的磁极弧度B的1/2，但是可以是小于定子22A和22B磁极弧度N的任何合适的角度，包括定子22A和22B的磁极弧度N的3/4、1/2或1/4。给定的槽弧度O所示为3度，但是本领域技术人员能够意识到，在不偏离本发明的情况下，槽弧度O尺寸可以不同。

如上所示，转子磁极弧度N是15度，因为有24个间隔均匀的永磁体18。第一和第二定子22A和22B的磁极数都为18并且转子16的磁极数为24。定子磁极弧度N是20度，因为有18个均匀间隔的绕组24。

给定角度的角位移M是定子22A和22B的磁极弧度N的3/4，并且如图8所示，定子22A和22B用导线连接着工作磁场，定子22A和22B的角位移M造成磁场减弱区用于将速度范围扩大到两倍，比如在牵引车驱动的应用中。当不希望磁场减弱区时，任何正的和负的角位移M都将使电动机的效率提高。

当给定的角位移M的角度为定子22A和22B的磁极弧度N的1/2时，电动机10使由绕组24产生的磁场畸变减到最小，这使由磁场谐波产生的损耗减到最小。

将角位移M的给定角度设定为定子22A和22B的磁极弧度N的1/4可能也是期望得到的。如此设定之后，对定子22A和22B的电连接必须反向。

在前面的详细描述中，参考具体的示范性实施例描述了本发明。在不偏离在权利要求中阐明的本发明的精神和范围的情况下，可以做各种修改和变化。

因此，说明书和附图应看作是说明性的而不是限定性的。

Claims (20)

1.轴向气隙无刷直流电机包括：

第一和第二定子，其具有相等的磁极数、一个给定的磁极弧度和一个给定的槽弧度；

转子，其设置在第一和第二定子之间，具有比第一和第二定子多的磁极数；和

第二定子相对于第一定子具有一个给定角度的角位移，该角位移小于定子磁极弧度。

2.权利要求1的轴向气隙无刷直流电机，其中每个定子和转子之间的磁极数比例是六比八。

3.如权利要求1的轴向气隙无刷直流电机，其中给定角度的角位移不小于定子的槽弧度。

4.如权利要求1的轴向气隙无刷直流电机，其中给定角度的角位移从定子磁极弧度的3/4，定子磁极弧度的1/2，和定子磁极弧度的1/4当中选择。

5.如权利要求4的轴向气隙无刷直流电机，其中第一和第二定子的磁极数都为18，而使磁极弧度为20度，并且转子磁极数为24，而使磁极弧度为15度，并且角位移的给定角度从15度、10度和5度当中选取。

6.如权利要求1的轴向气隙无刷直流电机，其中每个定子是环形盘，它具有多个形成在盘内用于容纳定子绕组的径向槽，其中多个径向槽如此排列，使得楔形定子绕组能够被设置在槽内。

7.如权利要求6的定子，其中环形盘由磁钢线圈形成，并且其中通过在一个或多个磁钢片上冲压多个槽在盘上形成槽。

8.如权利要求6的定子，其中径向槽的数量与电机的磁极的数量有关。

9.如权利要求1的轴向气隙无刷直流电机，进一步包括在转子上形成的多个永磁体。

10.如权利要求9的轴向气隙无刷直流电机，其中永磁体是楔形磁体。

11.如权利要求1的轴向气隙无刷直流电机，其中第一和第二定子耦合到一个基底，电机进一步包括可旋转地耦合到该基底上的一个轮，这样，该轮围绕定子旋转，并且转子耦合到该轮，这样，转子在第一和第二定子之间旋转。

12.一个轴向气隙无刷直流电机包括，第一和第二定子，其具有相同的磁极数，一个给定的磁极弧度，和一个给定的槽弧度；

转子，其设置在第一和第二定子之间，具有比第一和第二定子多的磁极数，并且其中每个定子和转子的磁极数比例是六比八；和

第二定子相对于第一定子具有一个给定角度的角位移，该角位移小于定子磁极弧度，并且其中该给定角度的角位移不小于定子的槽弧度。

13.如权利要求1的轴向气隙无刷直流电机，其中给定角度的角位移从定子磁极弧度的3/4，定子磁极弧度的1/2，和定子磁极弧度的1/4当中选择。

14.如权利要求13的轴向气隙无刷直流电机，其中第一和第二定子的磁极数都为18，而使磁极弧度为20度，并且转子磁极数为24，而使磁极弧度为15度，并且角位移的给定角度从15度、10度和5度当中选取。

15.如权利要求12的轴向气隙无刷直流电机，其中每个定子是环形盘，它具有多个形成在盘内用于容纳定子绕组的径向槽，其中多个径向槽如此排列，使得楔形定子绕组能够被设置在槽内。

16.如权利要求15的定子，其中环形盘由磁钢线圈形成，并且其中通过在一个或多个磁钢片上冲压多个槽在盘上形成槽。

17.如权利要求15的定子，其中径向槽的数量与电机的磁极的数量有关。

18.如权利要求12的轴向气隙无刷直流电机，其中进一步包括在转子上形成的多个永磁体。

19.如权利要求18的轴向气隙无刷直流电机，其中永磁体是楔形磁体。

20.如权利要求12的轴向气隙无刷直流电机，其中第一和第二定子耦合到一个基底，电机进一步包括可旋转地耦合到该基底上的一个轮，这样，该轮围绕定子旋转，并且转子耦合到该轮，这样，转子在第一和第二定子之间旋转。

Images