CN1606823A - 电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括第一部件和第二部件的电机，其中第二部件可以相对于第一部件转动，而且其中第一部件包括至少一个线圈，其中第一部件和第二部件均包括多个片，第一部件的每个片包括多个由第一磁导材料构成的部件，而第二部件的每个片包括多个由第二磁导材料构成的部件，而且其中该第一部件和第二部件包括一闭合的磁路。

Description

电机

技术领域

本发明涉及一种包括定子和转子的电机，其中转子可以绕电机的纵轴相对于定子转动。

背景技术

电机在本技术领域内众所周知。它们可以是电动机型的，在供电时产生力，也可以是发电机型的，在对发电机施加机械力时产生电能。它们均存在旋转电机和线性电机。

电动机存在的问题是电动机可以提供的转矩受到铁磁芯的限制，铁磁芯在某个电流电平下饱和。如果高于该电流电平，则转矩不再提高，但是磁芯产生的热量却增加。当磁芯变热时，磁性能将下降，与具有最多磁性材料的情况一样。

当电机是线性电动机时，该问题尤其麻烦。电动机的运动部件(在本说明书中被称为转子)的尺寸通常受到限制，因此，可以对它施加的最大电场也受到限制。这样导致在不同应用中，加速度不够高。

利用限制输出转矩解决该问题的可能的不同解决方案在本技术领域内是公知的。对于固定式电动机，这可以通过例如增加电动机的尺寸来解决。在尺寸和重量重要的应用中，在铁磁芯中使用不同的稀有材料。还可以以不同方式层叠该铁磁芯，而且其中以最佳方式将铁磁芯“分布”在磁场内的不同几何结构布局是公知的。

在线性电动机用于控制电动阀的应用中，限制转矩是显而易见的。为了提供在某种程度上可用的解决方案，用于控制电动阀的该公知系统采用包括安装在谐振系统内的电磁铁和弹簧的系统。这样，可以在某种程度上调节该阀。这些系统难以控制，而且只能在一个周期内稍许调节该阀。

在与自由活塞式发动机一起使用电机的应用中，当活塞处于谐振状态时，传统线性电机可以用于输出平均功率。最好在每个周期控制活塞的运动，例如控制燃烧。这难以利用传统电机实现，因为这种电机在电作用力与转子的质量之间存在以约10倍降低的关系。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种与传统电机相比，相对于其尺寸和/或重量，具有较大磁转矩的电机。

根据本发明，利用权利要求1所述的电机特性可以实现该目的。其他权利要求含有根据本发明的电机的有利实施例和改进。

利用一种包括第一部件和第二部件的电机可以实现本发明的目的，其中第二部件可以相对于第一部件运动，而且其中第一部件和第二部件包括闭合磁路，其中第一部件包括至少一个线圈和多个第一片，每个第一片分别包括多个第一部件，每个第一部件分别是第一磁场改变部件，而第二部件包括多个第二片，每个第二片分别包括多个第二部件，每个第二部件分别是第二磁场改变部件。

根据本发明的电机的第一实施例提供了一种具有非常高功率—重量比的电机。在由铁粉或铁氧体构成的该实施例中，这是通过插入第一组和第二组磁场改变部件实现的。该电机可以用作发电机或电动机。如果用作发电机，与其尺寸相比，它可以产生高的输出。如果用作电动机，它可以迅速加速，因为转动部件的质量低。

在根据本发明的电机的第一有利改进中，第二组磁场改变部件由永久磁铁构成。这样可以进一步提高电机的效率。

在根据本发明的电机的第二有利改进中，第一组磁场改变部件由空心线圈构成。这样可以提高电机的加速能力。

在根据本发明的电机的第三有利改进中，该电机包括多个第一部件。这样可以获得多相电机。这样做的优点是，当用作电动机时，可以提高该电机的控制能力，而在用作发电机时，该电机可以连续输出功率。

在根据本发明的电机的第四有利改进中，该电机包括3个第一部件。这样可以获得三相电机。这样做的优点是，可以使用传统三相设备。

附图说明

下面将参考附图所示的优选实施例，更详细说明本发明，附图包括：

图1a示出根据本发明电机的第一优选实施例的俯视图；

图1b示出根据图1a所示电机的分解侧视图；

图2a示出根据本发明电机的有利改进的俯视图；

图2b示出根据图2a所示电机的分解侧视图；

图3示出根据图1的电机的第一片的侧视图；

图4示出根据图1的电机的第二片的侧视图；

图5a-c示出根据图1的电机的工作周期；

图6示出根据图4的第二片的有利改进；

图7示出根据本发明的电机的第二有利改进的俯视图；以及

图8示出根据图7的电机的侧面剖视图。

具体实施方式

必须将下面说明的本发明的优选实施例和改进仅看作示例，它们在任何方面均不对权利要求的范围构成限制。在在此描述的优选实施例中，各附图中相同的参考编号表示相同类型的部件。因此，在所有优选实施例中，不详细说明每个部件。

在根据本发明的电机1的第一优选实施例中，根据图1a、1b、2a和2b，以圆形方式设置该电机。该电机包括：第一部件2，被称为定子2；以及第二部件3，被称为转子3。通常，通过将定子2安装在刚性结构上，固定定子2，但是也可以以可运动方式安装它。转子3可以绕电机的纵轴4相对于定子2转动。在图1a中，电机的纵轴4垂直于纸面。定子2和转子3包括由箭头13表示的闭合磁路。还可以以固定方式安装转子3，而让定子2相对于转子3转动。

在图1a中，可以看到定子2包括多个以圆形方式定位的定子片5，其中每个片对定子主体7是固定的，并指向内部。转子3包括多个以圆形方式定位的转子片6，其中每个片对转子主体8是固定的，并指向外部。每个定子片5和每个转子片6位于互相相邻的位置，同时在它们之间具有窄空隙。该空隙尽可能窄是有利的。每个定子片5包括多个定子部件10。每个转子片6包括多个转子部件11。

将定子2和转子3与合适的轴承装置(未示出)装配在一起。在图1 a中，一些定子片5是V形的。当以模块化方式制造电机时，这样是有利的。在该电机的变换实施例中，定子片5和/或转子片6在该电机的径向是楔形的，如图2a和2b所示，其中定子片5是楔形的，而转子片6是均匀的。楔形的定子片和/或转子片优选地(例如)取决于生产电机的生产方法。重要的是，在片之间的空隙是均匀的，而且片表面是平行的。

转子3沿纵轴4向后和向前移动。定子片5和转子片6的主延伸沿该纵轴4展开，即沿该纵轴4，片5、6具有最大物理尺寸。定子部件10和转子部件11的主延伸垂直于纵轴4。闭合磁路13垂直于这两个轴。

根据所设计的电机的用途，定子2和转子3可以沿纵轴4延伸。其定子比其转子长得多的电机具有改进的效率，而具有较小质量的较短的转子，可以提高电机可以获得的最高加速度。

图3示出定子片5的侧视图。该定子片5包括线圈9，线圈9缠绕多个定子部件10。在该示例中，定子部件10包括由例如铁粉或铁氧体材料的磁导材料构成的方形磁棒。该磁导材料的饱和磁通量优先地尽可能高。各磁棒以规则方式间隔开，该间隔与该磁棒的宽度大致相同。线圈9由导电材料构成，优选的由例如铜或超导体的低电阻率材料构成。例如，该片是40mm宽，200mm高和5mm厚。而部件是5mm×20mm×5mm尺寸。各部件之间的垂直间隔是5mm。线圈是10mm宽和5mm厚，该面积尽可能大，以降低损耗。典型电机可以具有例如30个定子片和30个转子片。

在该实施例中，每个定子片5均包括线圈9。还可以以更密的方式将线圈9定位在定子2内。在这种情况下，仅在少量片，例如每隔5个片对称定位线圈。为了获得同样的磁性能，电机的总线圈面积应该相同，而不考虑线圈9的位置。线圈9可以具有一匝或多匝。

片5主要由线圈9、磁棒10以及用于填充磁棒与线圈之间的空隙的填充材料构成。为了提高机械性能。还可以使用其他材料，例如包围整个片5的陶瓷。适当的填充材料是(例如)具有玻璃纤维增强的环氧树脂或陶瓷材料。还可以对片5层叠另一层非磁性材料，例如陶瓷以获得更高强度。当片5由两层(例如)其中间为磁棒10的陶瓷层组成时，填充材料还可以是空气。另一种可能是在每个磁棒10之间的填充材料内包括磁性材料，以优化磁性能。优选的将该磁性材料设置在填充材料的中心。还可以使用与磁棒10的材料不同的磁场改变材料作为填充材料。

生产该片的另一种方法是采用压铸薄膜或带的技术(thin-film ortape-cast technique)。在这种情况下，各部件被设置或印制到例如陶瓷材料的衬底上，然后，利用例如陶瓷材料的另一个衬底层叠该衬底。根据该设计，可以层叠多层，以获得要求的电特性和/或机械特性。

图4示出转子片6的侧视图。以与定子片5的同样方式制造转子片6，但是没有线圈。在由铁粉构成情况下，该转子片6包括多个由方形磁棒构成的转子部件11，该方形磁棒由磁导材料构成。磁棒11与磁棒10具有同样的尺寸，而且由同样的材料构成。

图5a-c示出沿图1中的线A-A的侧面剖视图。图5a-c是在电机用作发电机时，用于解释电机的功能的例子。为此目的，仅示出电机的一部件，在这种情况下，仅示出两个转子部件11和3对剖开的定子部件10。当如图5a所示，转子部件11和定子部件10互相相邻位于同一个几何平面上时，由每个定子片内的线圈对电机施加磁场。例如由自由活塞式发动机产生的外力使转子片在箭头12所示的一个方向转动。此时，线圈被短路，迫使磁场将成为恒定。由于使转子片11转动接近定子片长度一半的距离花费的时间短，所以在转动期间，磁场接近恒定。这种状态表示电机的半周期，而且图5b示出这种状态。在磁场是恒定的情况下，将外力产生的能量变换为磁能。可以从线圈提取该磁能，而且例如通过对电容器进行充电，可以将它们存储为电能。在电机的第二个半周期，通过阻止线圈运动，去除由线圈施加的磁场。这样做是为了防止电机在第二个半周期成为电动机。在第二个半周期结束时，例如，当完成整个周期时，电机将处于图5c所示的状态。当该电机被迫以方向12转动时，然后重复该周期。这种操作可以被看作脉冲式磁阻电机。

在电机的第二优选实施例中，转子部件11，即磁场改变部件11由短路线圈组成，该线圈的外形尺寸与上述铁粉材料的方形磁棒的外形尺寸接近相同的。图6示出其中转子部件11包括短路线圈11的转子片6。在该实施例中，定子部件包括上述磁场改变部件之一。在不考虑短路线圈11的情况下，电机的设计可以与但是不必与上述设计相同。使用线圈的优点是可以降低转子的重量，因此转子可以获得更高的加速因子。短路线圈11可以是空心线圈或有芯线圈。有芯短路线圈11具有更高的电感和更高的重量。在该实施例中，填充材料可以磁性的或非磁性的。如果填充材料是磁性的，则电机内的磁场可以更强，但是磁性材料可能饱和。用非磁性材料作为填充材料，则不存在饱和问题，但是电阻率损耗比较高。根据电机的设计，可选择适当的填充材料。

在电机的第三实施例中，定子部件10，即磁场改变部件10包括永磁材料构成的方形磁棒。转子部件11，即磁场改变部件11包括铁粉或铁氧体材料。在不考虑磁场改变部件10的情况下，设计可以与但是不必与上述设计相同。应该这样定位永久磁铁10，以使所有磁铁10与其磁场定位在同一个方向上。

使用永久磁铁作为磁场改变部件的优点是，与例如铁粉或铁氧体相比，永久磁铁以较低电流产生更高磁场和更大磁转矩。这样使得电机的效率更高。与例如铁粉或铁氧体相比，永久磁铁更昂贵，而且对振动更敏感。

在电机的第四实施例中，定子部件10，即磁场改变部件10包括由永磁材料构成的方形磁棒。转子部件11，即磁场改变部件11包括铁粉或铁氧体材料。在不考虑磁场改变部件10的情况下，电机的设计可以与但是不必与上述设计相同。应该这样定位永久磁铁10，以便所有磁铁10和其磁场被定位同一个方向上。在该实施例中，定子上各部件之间的间隔，即定子填充材料也包括永久磁铁。在这些永久磁铁的磁场方向与永久磁铁10的磁场方向相反的情况下，定向这些填充磁铁。这样可以进一步提高电机的效率。

在本发明的进一步改进中，还可以对定子部件10和转子部件11使用上述材料的其他组合。根据例如电机的设计，在意在使电机具有要求的电机特性、成本等应用中，可以选择适当的材料组合。还可以对同一个片内的定子部件10和/或转子部件11使用不同材料。定子片可以例如含有由铁粉构成的部件和由短路线圈构成的部件。

在电机的第五优选实施例中，电机包括多个沿纵轴4互相位于相邻位置的第一部件2，即定子2。在该例中，将说明具有3个定子2的电机。这些定子2的布局可以与图1b或2b所示的布局相同。第二部件3，即转子3优先具有足以与所有定子2相适应的长度。如果不考虑长度，则转子3的布局可以与图1b或2b所示的布局相同。

以等同的方式，使定子2电移相120度。该实施例提高了利用作为发电机的电机产生连续能量的可能性，或者在用作电动机时，改善对电机的控制的可能性。如果移相120度，则获得三相电机。如果需要，还可以选择另一个数量的定子数。优选的是，通过将整个周期除以第一部件2的数量，可以获得移相。

在图7和8所示的电机的第二有利改进中，该电机的布局如同平板线性电机。图7示出具有线圈9的电机的俯视图，为了更清晰，而将线圈9断开。图8示出沿图7所示线B-B的侧面剖视图。在该例中，电机具有相对于电机的转动方向12、一个接着一个地位于两组内的4个转子片6和10个定子片5。将2组定子片5机械地和磁性的与磁场传导结构连接在一起，从而产生闭合磁路13。在该例中，电机的闭合磁路13将垂直于转动方向12。电机的功能与以上描述的功能相同。将定子2和转子3与适当的轴承装置装配在一起。

不能认为本发明局限于以上描述的优选实施例，在所附权利要求所述的本发明范围内，可以进一步进行许多变更和修改。在要求小型高效电机，例如用于控制内燃机上的阀门的任何地方均可以使用根据本发明的电机。

Claims (16)

1.一种包括第一部件(2)和第二部件(3)的电机(1)，其中第二部件(3)可以相对于第一部件(1)转动，而且其中第一部件和第二部件(2，3)包括一闭合的磁路，其特征在于，

第一部件(2)包括至少一个线圈(9)和多个第一片(5)，每个第一片(5)包括多个第一部件(10)，每个第一部件(10)是第一磁场改变部件，以及第二部件(3)包括多个第二片(6)，每个第二片(6)包括多个第二部件(11)，每个第二部件(11)是第二磁场改变部件。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，

每个第一片(5)包括至少一个缠绕所述第一部件(10)的线圈(9)。

3.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，

该第二部件(3)绕电机的纵轴(4)相对于第一部件(2)转动。

4.根据权利要求1-3中的任一权利要求所述的电机，其特征在于，

第一部件和第二部件(2，3)的各片被彼此相邻地定位，以致该片被定位于电机的所述闭合的磁路内。

5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的电机，其特征在于，

第一部件和第二部件(2，3)的各片垂直于电机的所述闭合的磁路。

6.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的电机，其特征在于，

第一部件和第二部件(2，3)的各片沿电机的纵轴(4)延伸。

7.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的电机，其特征在于，

在第一部件和第二部件(2，3)之间的间隔是基本一致的。

8.根据权利要求1-7中任一权利要求所述的电机，其特征在于，

所述第一磁场改变部件和所述第二磁场改变部件由铁粉材料、铁氧体材料、铁芯线圈、空心线圈或永久磁铁构成。

9.根据权利要求1-8中任一权利要求所述的电机，其特征在于，

所述第一磁场改变部件由其磁场取向在同一个方向上的永久磁铁构成，而所述第二磁场改变部件由铁粉材料构成。

10.根据权利要求9所述的电机，其特征在于，

在所述永久磁铁之间设置其磁场取向在相反方向的永久磁铁。

11.根据权利要求1-8中任一权利要求所述的电机，其特征在于，

所述第一磁场改变部件由铁粉材料、铁氧体材料或永久磁铁构成，而所述第二磁场改变部件由空心线圈构成。

12.根据权利要求1-8中任一权利要求所述的电机，其特征在于，

所述第一磁场改变部件和所述第二磁场改变部件是同一种类型的。

13.根据权利要求1-8中任一权利要求所述的电机，其特征在于，

所述第一片(5)和/或所述第二片(6)包括多个不同磁场改变部件。

14.根据权利要求1-13中任一权利要求所述的电机，其特征在于，

该电机包括多个沿纵轴(4)互相位于相邻位置的第一部件(2)。

15.根据权利要求14所述的电机，其特征在于，

所述第一部件(2)以均匀的方式被电移相，其中该移相是通过将整个周期除以第一部件的数量来获得的。

16.根据权利要求14或15所述的电机，其特征在于，

该电机包括3个被电移相120度的第一部件(2)。

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