CN1599970A - 同步轴向场电机 - Google Patents

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Abstract

一种同步轴向场电机，包括：第一基本平面部件(9、10)以及布置成与该第一基本平面部件基本平行的第二基本平面部件(3)，该第一和第二部件可绕公共轴线彼此相对旋转，该公共轴线基本垂直于该第一和第二部件的平面，其特征在于：该第一部件(9、10)提供有环形组磁体(7、8)，该环形组磁体与公共轴线同轴，并提供通过第二部件的基本轴向磁场，且该第二部件(3)提供有第一环形组的扁平线圈(1)，该组线圈与公共轴线同轴，并基本并排地布置成第一层，该第二部件还提供有第二环形组的扁平线圈(2)，该组线圈与公共轴线同轴，并基本并排地布置成第二层，该第二组线圈相对于第一组线圈(1)沿周向偏离。

Description

同步轴向场电机
本发明涉及一种同步轴向场电机。例如，该机器可以为永磁体机器或电磁体机器，并可以为发电机或电动机。
同步轴向场电机为公知的，例如为发电机形式，其中，磁体相对于电导体运动，以便将运动转变成电力。
同步轴向场电机可以是多种不同结构，磁体通常相对于静止导体线圈运动。该磁体通常安装在旋转轴上，旋转组件称为转子组件。导体线圈的静止结构称为定子组件。
在同步轴向场电机的普通结构中，磁体(通常为永磁体形式)成环形排列沿径向布置在一对平行软磁钢盘或板上，其中，在各板上的相邻磁体的磁极交替。然后，安装两个盘，以便在这两个盘之间有气隙的情况下绕公共轴线旋转，这样，在一个盘上的磁体直接与在另一盘上的相反极性的磁体对齐。磁通量经过在相对磁体之间的气隙，并通过穿过该盘至相邻磁体然后通过相邻气隙，从而完成磁路。
本文中，软磁材料的意思是指能够在磁场中磁化但是不能永久性磁化的材料。
静止导体线圈为扁平形，并以环形排列的方式布置在两个盘之间的气隙中。盘的旋转使得变化的磁场通过导体，并产生电流。实际上，定子采用的导体线圈的宽度与相邻磁体之间的间距相同。这样的效果是使线圈的各侧将经历相反方向的磁场，从而使得电流在线圈的一侧沿径向向外的方向流动，而在线圈的另一侧沿径向向内的方向流动。因此，在任何时间点，电流将绕线圈沿顺时针方向或逆时针方向被驱动。这是同步轴向场电机的公共情况。
为了减小在转子盘中的涡电流损失，希望使得在定子中用于转子中的每个磁体对的线圈数目最大。当线圈简单地并排布置时，因为线圈的宽度与磁体间距相同，因此将限制可布置的线圈的数目。解决该问题的方法是使线圈环绕定子交叠，这样，一个线圈的左手侧边在相邻线圈的右手侧边的上面或下面。不过，这样的结构有多个缺点：它的制造复杂，且线圈很难冷却，因为需要支承定子的外表面的线圈。
显然，这样的电机可以为发电机或电动机，且磁体可以布置在转子上或定子上。
这样的电机(为电动机形式)由US-A-4551645可知，该文献表示了多种线圈结构。
因此，本发明的目的是提供一种同步轴向场电机，它克服或至少改善了上述缺点。
根据本发明，提供了一种同步轴向场电机，它包括：第一基本平面部件以及布置成与该第一基本平面部件基本平行的第二基本平面部件，该第一和第二部件可绕公共轴线彼此相对旋转，该公共轴线基本垂直于该第一和第二部件的平面，其中，该第一部件提供有环形组磁体，该环形组磁体与公共轴线同轴，并提供通过第二部件的基本轴向的磁场，且该第二部件提供有第一环形组的扁平线圈，该组线圈与公共轴线同轴，并基本并排地布置成第一层，该第二部件还提供有第二环形组的扁平线圈，该组线圈与公共轴线同轴，并基本并排地布置成第二层，该第二组线圈相对于第一组线圈沿周向偏离。
磁体可以包括永磁体和/或电磁体。
第一平面部件可以包括转子组件，而第二平面部件可以包括定子组件。
第一平面部件可以由单个部件形成。也就是，第一平面部件可以并不分层。
第一平面部件可以由软磁材料形成，例如钢，如软钢。
磁体和线圈可以布置在离公共轴线基本相同径向距离处。
第一平面部件可以包括第一和第二同轴板，它们彼此间隔开。磁体可以布置在各第一和第二板的、对着另一板的面上。第一和第二板可以绕它的外周区域固定在一起。第二部件可以布置在第一和第二板之间的气隙中。
第一和第二组扁平线圈可以布置在支承部件的相对面上。支承部件可以由非磁性、非导电材料例如玻璃纤维增强塑料制成。该支承部件可以为环形，并可以通过辐条与轴连接。或者，支承部件可以与轴连接，并可以提供有用于使冷却空气通过的孔。
线圈可以埋入树脂材料例如环氧树脂中。
可以提供有一层或多层线圈。
各层线圈可以彼此偏离，偏离量基本等于相邻线圈的节距除以层数。例如，可以提供有两层线圈，一层线圈相对于另一层线圈偏离，该偏离量基本等于相邻线圈的节距的一半。
同步轴向场电机可以为发电机或电动机的形式。
为了更好地理解本发明和更清楚地表示怎样实现本发明，下面将参考附图并通过实例来介绍，附图中：
图1是本发明的同步轴向场电机的一个实施例的定子组件部分的平面图；
图2是沿图1中的线A-A的剖视图；
图3是图1和2中所示的定子组件部分的透视图，该定子组件部分安装在主轴上，以便形成定子组件；
图4是本发明的同步轴向场电机的一个实施例的转子组件的透视图，该同步轴向场电机为永磁体电机的形式，其中，为了清楚，顶部板进行了局部切除，且省略了定子组件；
图5是本发明的同步轴向场电机的透视图，表示了图4的转子组件和图1至3的定子组件，其中，为了清楚，对转子组件的顶部板进行了局部切除；
图6是同步轴向场电机的一个实施例的示意图，该同步轴向场电机设置为发电机，其中，对多相输出进行整流，以便产生直流电输出；以及
图7是同步轴向场电机的另一实施例的视图，该同步轴向场电机设置为发电机，其中，对一个输出相进行整流，以便产生直流电输出。
图1至5示出了呈永磁体电机形式的同步轴向场电机，其构成发电机，其中，永磁体设置在转子组件上。然而，可以理解，容易以多种方式将该电机改变。例如，可以容易地将该电机用作电动机，可将永磁体设在定子组件上。还可理解，可用电磁体代替永磁体。
图1和2表示了发电机的定子组件部分，它包括玻璃纤维增强塑料(或其它适当非磁性和非导电材料)制成的环形本体3。单层扁平导体线圈1粘在该环形本体3的一面上，该导体线圈1成铜线气芯线圈(air coil)的形式，且该线圈1基本并排地布置成与环形本体3的轴线同轴的环形结构。另一单层扁平导体线圈2粘在环形本体3的另一面上，该导体线圈2也成铜线气芯线圈的形式。该线圈2基本并排地布置成与环形本体3的轴线同轴的环形结构，且半径基本与该层线圈1相同。环形本体3和该层线圈1和2的组件埋入树脂材料4例如环氧树脂或其它塑料树脂材料中，以便形成定子组件部分，其中，树脂材料用于线圈的定位、保护和电绝缘。
如图1所示，两层扁平线圈1和2彼此沿周向偏离，该偏离量对应于线圈的周向尺寸的一半，也就是，该偏离量基本对应于相邻线圈的节距除以层数。
需要时，定子组件可以在其轴向面提供有薄壁，以便保护线圈和增强该定子组件，同时不会明显降低该线圈通过气流冷却的能力。
如图3所示，通过利用辐条式定子轮毂6将图1和2的定子部件固定在主轴5上而形成定子组件，该定子轮毂6通过合适的固定装置而固定在图1和2的定子部件上。该定子轮毂6的辐条允许空气通过定子组件的任意一侧，以便进行冷却。
图4表示了转子组件，该转子组件包括两个平行板9和10，这两个平行板9和10通过多个分隔件12而环绕它的外周固定在一起，这样，板9和10不能彼此相对旋转。该板9和10通过轴承11而可环绕主轴5的公共轴线旋转。板9和10分别由单件软磁材料例如软钢制成。
多个永磁体7固定在板9上，并在对着板10的面上，该磁体7并排布置成与主轴5的轴线同轴的环形组，且半径基本等于线圈1和2的半径。磁体7沿径向布置成这样，即在邻接磁体中，相反极性的磁极相邻。
同样多个永磁体8固定在板10上，并在对着板9的面上，该磁体8并排布置成与主轴5的轴线同轴的环形组，且半径基本等于磁体7以及线圈1和2的半径。磁体8沿径向布置成这样，即在邻接磁体中，相反极性的磁极相邻，且各磁体8在相反极性的磁极彼此相对的情况下对着相应磁体7。因此，磁体7和8在定子组件中产生基本轴向的磁场。
图5表示了图3的定子组件，该定子组件定位在图4的转子组件中，其中，线圈1和2以预定气隙定位在固定于板9和10上的磁体7和8的两个环形组之间。
线圈1和2设置成扁平线圈，且线圈定位成平铺在环形本体3的相对面上，这使得线圈能够定位成靠近永磁体7和8，从而使气隙尺寸能够保持最小，同时使各线圈的基本整个表面区域都能够冷却。环形本体的厚度可以为使得尺寸稳定所需的厚度，同时通过在露出面散热而不减小线圈的冷却能力。
对于各板9和10使用单件软磁材料(也就是该板并不分层)的优点是该板9和10能够经济地制造，并有足够强度，以便支承其它部件，例如风轮机的叶片。不过，板9和10的单体结构产生在板内的涡电流损失。通过使两层扁平线圈彼此周向偏离的量等于线圈周向尺寸的一半，可以减小该涡电流损失。
图1至5中所示的机器为三相电机，其中，在相邻线圈之间的角距为相邻磁体之间的角距的一又三分之一倍(这时，角距定义为在相邻线圈或磁体中心之间绕旋转轴线测量的角度)。因此，在所示实施例中，有12个线圈1、12个线圈2以及16个磁体7和16个磁体8。线圈1和2连接成使得相位在两层线圈之间交替。因此，第一相可以是线圈1，这时第二相为与第一相的线圈1局部交叠的线圈2，第三相为与第一相的线圈1相邻且与第二相的线圈2局部交叠的线圈1。然后，该模式继续，其中第一相为与第二相的线圈2相邻且与第三相的线圈1局部交叠的线圈2，如此类推。
需要时，通过选择相邻线圈的角距与相邻磁体的角距之间的合适比例，电机可以产生任意数目的相。
上面所述图1至5所示的电机可以以多种方式变化。例如，多个电机可以布置在公共轴线上，一个电机在另一个电机的后面。而且，电机可以作为电动机，而代替作为发电机。还有，永磁体可以由电磁体代替。在另一变化形式中，磁体可以布置在定子组件上，线圈可以布置在转子组件上。而且，单组磁体可以布置在两层线圈之间，一层线圈相对于另一层线圈如上所述沿周向偏离。
线圈的层数并不局限于两层，可以有三层或更多层线圈。相数可以通过合适地选择线圈的层数以及在相邻线圈和相邻磁体之间的角距比例而进行选择。这样，电机可以是多相电机，也就是三相或更多相。而且，特别是当电机为发电机形式时，交流电输出可以进行整流，以便提供直流电输出。
图6是星形结构的发电机的示意图，这时将产生三相，不过该相数并不重要。这样的一个实例是当相数等于线圈数时。相同相的线圈1和2可以成组地串联或并联连接，且各组交流电输出通过二极管13整流，以便产生直流电输出14。
图7是表示各线圈1或2或者串联或并联连接的相同相线圈组与其它线圈电绝缘时的示意图。发电机的交流电输出例如使用桥形整流器15整流，以便产生直流电输出14。由多个整流器输出的直流电可以连接在一起。应当知道，需要时也可以使用图6中所示的整流器结构。

Claims (23)

1.一种同步轴向场电机，包括：第一基本平面部件(9、10)以及与该第一基本平面部件基本平行的第二基本平面部件(3)，该第一和第二部件可绕一公共轴线彼此相对旋转，该公共轴线基本垂直于该第一和第二部件的平面，其特征在于：该第一部件(9、10)提供有环形组磁体(7、8)，该环形组磁体与公共轴线同轴，并用于提供通过第二部件的基本轴向的磁场，且该第二部件(3)提供有第一环形组的扁平线圈(1)，该组线圈(1)与公共轴线同轴，并基本并排地布置成第一层，该第二部件还提供有第二环形组的扁平线圈(2)，该组线圈(2)与公共轴线同轴，并基本并排地布置成第二层，该第二组线圈(2)相对于第一组线圈(1)沿周向偏离。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：磁体(7、8)包括永磁体。
3.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于：磁体(7、8)包括电磁体。
4.根据前述任意一个权利要求所述的电机，其特征在于：第一平面部件(9、10)包括转子组件，而第二平面部件(3)包括定子组件。
5.根据前述任意一个权利要求所述的电机，其特征在于：第一平面部件(9、10)由单个部件形成。
6.根据前述任意一个权利要求所述的电机，其特征在于：第一平面部件(9、10)由软磁材料形成。
7.根据权利要求5所述的电机，其特征在于：该软磁材料包括钢，如软钢。
8.根据前述任意一个权利要求所述的电机，其特征在于：磁体(7、8)和线圈(1、2)布置在离公共轴线基本相同径向距离处。
9.根据前述任意一个权利要求所述的电机，其特征在于：第一平面部件包括第一和第二同轴板(9、10)，它们彼此间隔开。
10.根据权利要求9所述的电机，其特征在于：磁体(7、8)布置在各第一和第二板的(9、10)的、对着另一板的面上。
11.根据权利要求9或10所述的电机，其特征在于：第一和第二板(9、10)绕它的外周区域固定在一起。
12.根据权利要求9、10或11所述的电机，其特征在于：第二部件(3)布置在第一和第二板(9、10)之间的气隙中。
13.根据前述任意一个权利要求所述的电机，其特征在于：第一和第二组扁平线圈(1、2)布置在支承部件(3)的相对面上。
14.根据权利要求13所述的电机，其特征在于：支承部件(3)由非磁性、非导电材料制成。
15.根据权利要求14所述的电机，其特征在于：支承部件(3)由玻璃纤维增强塑料制成。
16.根据权利要求13至15中任意一个所述的电机，其特征在于：该支承部件(3)为环形，并可以通过辐条(6)与轴(5)连接。
17.根据权利要求13至15中任意一个所述的电机，其特征在于：该支承部件(3)与轴(5)连接，并提供有用于使冷却空气通过的孔。
18.根据前述任意一个权利要求所述的电机，其特征在于：线圈(1、2)埋入树脂材料(4)例如环氧树脂中。
19.根据前述任意一个权利要求所述的电机，其特征在于：提供有一层或更多层线圈(1、2)。
20.根据前述任意一个权利要求所述的电机，其特征在于：各层线圈(1、2)彼此偏离，偏离量基本对应于相邻线圈的节距除以层数。
21.根据权利要求20所述的电机，其特征在于：提供有两层线圈(1、2)，一层线圈(1)相对于另一层线圈(2)偏离，该偏离量基本对应于相邻线圈之间的节距的一半。
22.如前述任意一个权利要求所述的永磁体电机，它为发电机形式。
23.如权利要求1至21中任意一个所述的永磁体电机，它为电动机形式。
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