CN1610223A - 多相横向磁通电机 - Google Patents

Abstract

一种横向磁通电机，它具有多个定子相绕组，这些绕组通过电子控制被转换，从而产生一个旋转磁通，以驱动一个位于定子(7)外部的永磁转子(2)。定子(7)由两个互补的面对件(8，9)构成，每个件(8，9)带有定子磁极(12，13)的一半，推荐后者具有爪形磁极结构。定子绕组(11)被夹在定子件(8，9)之间并缠绕在芯(10)周围，芯(10)将两个定子件相互导磁连接。推荐电机相数(P)选取2，3，...，N，每相的绕组数(W)选取1，2，...，M，每个绕组的磁极数(PW)选取2，4，...，L；则定子磁极数(SP)等于乘积P×W×PW且转子磁极数等于SP+或－W。

Description

多相横向磁通电机

本申请是申请日为2000年10月25日、申请号为00814913.5、发明名称为“多相横向磁通电机”的分案申请。

技术领域

本发明涉及多相横向磁通直流电机，并且尤其是指，但不仅限于，“内定子外转子”式电机，其中转子在定子的外部旋转。

现有技术

“多相”直流电机是指一台具有数个绕组或数套绕组的电机，这些绕组当被一个直流电源顺序励磁时，将产生一个旋转磁通。电机的换相通常通过使用桥式电子开关装置来实现，其中开关顺序由一个微处理器进行控制。

横向磁通电机的优点已广为人知。横向磁通电机能够产生比传统电机大若干倍的功率密度。其原因在于横向磁通电机的几何结构，这种几何结构允许采用较多的磁极数目，同时能够使每个磁极保持与传统电机相同的磁动势(MMF)。

过去，横向磁通电机难以实现，这是因为标准的铁芯叠压技术很难实现横向磁通电机中所需的三维磁通流。通过使用粉末烧结铁芯，这种困难正在被克服。该粉末烧结铁芯可通过一种压缩模制技术被加工而成。

迄今公开的大多数横向磁通电机的结构都是单相电机。美国专利5,773,910(Lange)就公开了其中一个例子。多相电机的建议方案通常包括复杂的几何结构，这就带来了加工上的困难。例如美国专利5,117,142(Von Zueygbergk)、5,633,551(Weh)和5,854,521(Nolle)。

因此本发明的一个目的是提供一种便于加工的多相横向磁通直流电机。

对本发明的公开

相应地，一方面本发明主要在于一种多相横向磁通直流电机，其包括：

一个转子，该转子在其周围具有交替的磁极极性；和

一个定子，该定子与所述转子共轴线安装，以便在其间提供至少一个气隙，所述定子包括：

一个第一定子件，它具有数个沿周向布置并相互隔开的爪形磁极，这些磁极沿一个轴向伸出，

一个与所述第一定子件互补的第二定子件，所述第二定子件与所述第一定子件共轴线安装并相互面对，从而使二者之间存在一个轴向间隙，同时它们绕公共轴线的取向使第二磁极件的爪形磁极沿周向与第一磁极件的爪形磁极相互交错；

数个导磁的桥接芯，它们位于定子轴线周围并靠近所述爪形磁极，同时位于所述第一和第二定子件之间，以便在二者之间提供磁通路径，

至少一个所述定子件在所述桥接芯的位置之间设置有高磁阻的区域，和

被置于每个桥接芯周围的定子绕组，每个绕组当通有一个激励电流时都将产生流过所述第一和第二磁极件中的定子爪形磁极的磁通，这些磁极靠近相应的桥接芯，从而在与这些爪形磁极相邻的所述气隙中产生磁通，每个绕组或一组选定的绕组构成了数个电机相之一的绕组，在使用中，这些相在电子控制下被转换，从而在所述气隙中产生一个绕定子轴线旋转的磁通。

在另一方面，本发明主要在于一种多相横向磁通直流电机，其包括：

一个转子，该转子具有数个沿周向布置并且被导磁材料隔开的永磁体，以便在其周围提供交替的磁极极性，所述磁体被沿周向磁化；和

一个定子，该定子与所述转子共轴线安装，以便在其间提供至少一个气隙，所述定子包括：

一个第一定子件，它具有数个沿周向布置并相互隔开的爪形磁极，这些磁极沿一个轴向伸出，

一个与所述第一定子件互补的第二定子件，所述第二定子件与所述第一定子件共轴线安装并相互面对，从而使二者之间存在一个轴向间隙，同时它们绕公共轴线的取向使第二磁极件的爪形磁极沿周向与第一磁极件的爪形磁极相互交错，

数个导磁的桥接芯，它们位于定子轴线周围并靠近所述爪形磁极，同时位于所述第一和第二定子件之间，以便在二者之间提供磁通路径，

至少一个所述定子件在所述桥接芯的位置之间设置有高磁阻的区域，和

被置于每个桥接芯周围的定子绕组，每个绕组当通有一个激励电流时都将产生流过所述第一和第二磁极件中的定子爪形磁极的磁通，这些磁极靠近相应的桥接芯，从而在与这些爪形磁极相邻的所述至少一个气隙中产生磁通，每个绕组或一组选定的绕组构成了数个电机相之一的绕组，在使用中，这些相在电子控制下被转换，从而在所述气隙中产生一个绕定子轴线旋转的磁通。

在另一方面，本发明主要在于一种用于加工多相横向磁通直流电机的定子的方法，该方法包括以下步骤：

加工一个第一定子件，该第一定子件具有数个沿周向布置并相互隔开的爪形磁极，这些磁极沿一个轴向伸出，

加工一个与所述第一定子件类似且互补的第二定子件，设置数个导磁的桥接芯，所述桥接芯围绕定子轴线布置并靠近所述爪形磁极，同时位于所述第一和第二定子件之间，以便在二者之间提供磁通路径，

在所述第一和第二定子件之一或二者中，在所述桥接芯的位置之间设置高磁阻的区域，

将定子绕组置于每个桥接芯周围，

以共轴线安装并相互面对的关系组装所述第一和第二定子件，同时所述第一和第二定子件被所述桥接芯沿轴向隔开，并且所述第二定子件绕公共轴线的取向能使所述第二磁极件的爪形磁极沿周向与所述第一磁极件的爪形磁极相互交错；

每个所述绕组或一组选定的所述绕组构成了数个电机相之一的绕组，从而在使用中，当通有一个激励电流时，所述绕组将产生磁通，所述磁通将流过所述第一和第二磁极件中的靠近相应桥接芯的爪形磁极。

在另一方面，本发明主要在于一种转子，该转子具有数个沿周向布置并且被高导磁材料段隔开的永磁体，以便形成转子磁极，

一个定子，该定子与所述转子共轴线安装，以便在其间提供至少一个气隙，所述定子具有数个沿周向布置并相互隔开的磁极，

每相至少具有一个定子绕组，当通有一个激励电流时，所述绕组将产生磁通，所述磁通将流过靠近该绕组的定子磁极，从而在靠近所述磁极的所述气隙中产生一个磁通，所述绕组在使用中在电子控制下被转换，从而在所述气隙中产生一个绕定子轴线旋转的磁通，

改进之处表现为下述关系，即如果电机相数(P)选取2，3，...，N，每相的绕组数(W)选取1，2，...，M，与每个绕组相关联的磁极数(PW)选取2，4，...，L；则定子磁极数(SP)等于乘积P×W×PW且转子磁极数等于SP±W。

对附图的简要说明

图1表示了一台根据本发明的电机的沿直径方向的横剖示意图，

图2表示了图1中的电机定子的零件分解图，其中图2A表示了一个第一定子件，图2B表示了一个第二互补定子件，图2C表示了6个定子绕组中的4个，

图3表示了定子的外围的局部视图，示出了一条由单一绕组产生的典型磁通路径，

图4表示了一个安装有一块电子线路板的定子件，

图5表示了具有优选结构的转子的一个局部视图，同时表示了穿过该转子的磁通流，

图6表示了另一种转子结构，

图7示意性地表示了该电机的一个三相整流电路，

图8表示了用于加工电机的一个定子件的两件体铸模中的一件，和

图9是一个定子件的局部视图，表示了另一种磁极结构。

本发明的优选实施方式

在本发明的一个优选实施例中，转子2被置于定子7的外部，如图1所示。如下文所述，也可以采用各种现有的转子结构。图中所示的转子2包含一个由沿轴向取向的磁性材料件3A构成的圆环，该圆环中交错布置有结构类似的永磁体3B(图1中未示出)。永磁体3B沿圆周方向被磁化，并且相邻的磁体被磁化带有相反的极性。该磁性元件的圆环由一个圆柱形非磁性支持壁4进行支撑，推荐支持壁4由一种塑料材料制成，并与一个底座5和一个承载着转子轴6的毂加工为一体。该转子轴由一个轴承进行支撑，该轴承被以传统方式安装在一个支撑定子的壳体中，或者被安装在该电机所驱动的设备中。美国专利5,150,589公开了后一种安装方式的一个例子，其中轴承被安装在了一个洗衣机中。

图6表示了另一种转子结构。在该结构中，转子200包含一个可磁化和可导磁材料的圆环，该圆环在定子外部旋转。在该结构的一个实施例中，数个沿轴向取向的磁体202被置于转子内周的周围。永磁体202沿径向被磁化，极性相互交替，并且紧靠一个圆形软磁材料返回通路204，从而形成完整的磁路。磁性元件的圆环由一个圆柱形支持壁206进行支撑，推荐支持壁206由一种塑料材料制成，并与一个底座208和一个承载着转子轴的毂加工为一体。

电机定子7(同样见图2)由两个相互面对的互补件8和9构成，互补件8和9由高磁导率的材料制成，并且被同样由高磁导率材料制成的桥接芯10沿轴向隔开。每个定子件8和9分别在周围处包括数个相互隔开并沿轴向取向的磁极12和13。该定子磁极是爪形磁极。

桥接芯10关于定子的轴线对称布置并且位于定子磁极附近，图中所示的实施例具有6个桥接芯10。这些芯的作用是允许磁通从一个定子件流向另一个。每个桥接芯还方便地构成了相应定子绕组11的芯。

图中所示的定子是一个三“相”、60极的定子，并且每相两个绕组。在所示的实施例中，两个主定子件8和9的结构类似，并且被面对面地组装在一起，其中它们各自的轴向磁极12和13面对相对的定子件，同时每个定子件的相对旋转方向满足下述条件，即允许上定子件的磁极12被置于下定子件的磁极13的间隙内。在该优选实施例中，磁极间的距离大于每个磁极的宽度，并且每个磁极的轴向延伸长度能够使两个定子件上相对的磁极互搭在一起。这在图3中可以看出。

每个定子件可被分别视为一个在其周边处承载有相互隔开的爪形磁极12和13的圆盘15。一个空洞16被设在每个盘的中心，以便节省材料并且允许转子轴穿过。每个磁极沿轴向取向，并且在该优选实施例中，每个磁极的周向宽度小于磁极间距。每个磁极凸出于“盘”15之上，并且磁极顶端被切去一部分，从而形成一个小面积顶端17，该顶端17的作用是减少相邻磁极尖端之间和/或与其它定子件之间的磁通泄漏。其它的磁极结构也可以被采用，以尽量减小磁通泄漏。例如，该爪形磁极可以以一种或多种方式变尖。在图9中，一个磁极沿两个方向变尖。第一，侧表面211和212可以从磁极根部向其外径向表面逐渐变窄。第二，内表面213可以从它与定子件“盘”15的连接处向顶端17逐渐变窄。另外，在图2所示的阶梯磁极实施例中，该阶梯可以是一个斜面削去部分，从而取代图中所采用的直角削去部分。

为了确保每个绕组产生的磁通的至少绝大部分流过距离该绕组最近的磁极，而不通过该盘材料流向其它绕组，必须在至少一个盘15中在桥接芯之间设置高磁阻区域。就磁学而言，这些区域表现为“槽隙”，并且在该优选实施例中，适当的槽隙30被设置在下定子件盘中，如图2B所示。从理论上讲，槽隙30可以是气隙，但为了保持每个定子件的单体结构，采用了一种工程强度低磁导率材料。推荐该材料被模塑在该定子件中并且同样加工出如图8中所示的定子毂。

定子必须被加工为双体件，以允许多个内部绕组在加工过程中被置入其中。这两个零件必须在磁性上相互连接，以便在二者之间提供磁通路径，并且通过在一个或两个定子盘15的内表面上设置凸起的“岛状部分”10而加工出了用于此目的的桥接芯，当这两个零件组装在一起时，每个“岛状部分”10紧靠对面零件上对应的“岛状部分”，从而构成一个可用于缠绕绕组的磁芯。该桥接芯可与定子件之一加工为一体。或者可以使某些桥接芯与其中一个零件加工为一体，而使其它的桥接芯与第二个零件加工为一体。作为另一种替代方案，“半高度”桥接芯可以被加工在每个定子件上，在定子的组装过程中，这些桥接芯可顺次被机械连接在一起，从而形成完整的磁环路。该替代结构如图2所示。在该实施例中，两个定子件相似但不完全相同，这是因为桥接芯10必须相互对准，同时需要允许每个零件上的磁极相互交错。在另一种替代方案中，该桥接芯可被单独加工，并且在组装时被置入盘15。

这种定子几何结构允许一个绕组产生穿过多个磁极的磁通。每个绕组根据传统的绕线技术被独立地缠绕在一个绕线管14上(见图2C)。推荐绕线管14由一种塑料材料制成，并且被加工成一定形状，以便配合套装在每个桥接芯10上。

在所述的三相定子中，两个沿直径相对的绕组通过并联或串联被连接在一起，并且在转换时与其它相的绕组顺次被激励，从而使磁通在定子中流通在受激绕组附近。一条如此产生的磁通路径被表示在了图3和5中。该实施例中的每个绕组产生的磁通将流过每个定子件中的五个磁极。对于所示的路径，磁通经过桥接芯10(磁通段a)进入上定子件的盘(磁通段b)，然后进入上定子件的一个磁极(段c)，离开该磁极后穿过电机气隙(段d)，沿径向进入转子2上相距最近的软磁材料件3A中(如图5所示)，沿周向进入并穿过相邻的永磁体3B接着进入该磁体的相对侧上的软磁材料件3A(段e，如图5所示)，沿轴向经过该软磁材料件并且离开该软磁材料件，接着沿径向穿过气隙(段f)进入下定子件上最近的磁极，穿过该磁极(段g)到达下定子盘，磁通在此处沿径向前进(段h)，以返回桥接芯10，从而形成完整的磁回路。

对于图6所示的替代转子结构而言，穿过该转子的磁通路径有些不同。磁通离开该磁极并穿过电机气隙(段d，图3)沿径向进入距离最近的永磁体(202，图6)沿周向穿过软磁材料返回通路(204，图6)并且向后沿径向穿过一个相邻的永磁体，从而沿径向穿过气隙(段f，图3)抵达该下定子件上的距离最近的磁极。

为了清楚起见，图中只示出了两个磁极的一条磁通路径。事实上，磁通沿三维方向穿过由绕组11激励的上定子件中的全部五个磁极以及下定子件中的全部五个磁极。

在一个两相激励实施例中(参看图7)，当流过相A和相B绕组的电机电流被换向之后，电机电流被转换为流过相A和相C绕组，从而使产生在定子周围的径向磁通沿理想的方向绕该定子的周边移动。转子2中被交替布置在软磁材料件3A之间的永磁体被该定子磁通吸引或排斥，从而使该转子与旋转的定子磁通同步转动。绕组电流的供应以及绕组的转换可通过一种现有方法来实施，即在直流干线间的桥式电路中，每相(“推拉输出电路”)使用两个半导体开关装置，其中该装置的开关切换由一个微处理器(未示出)进行控制，该微处理器储存有开关切换模式的顺序，该开关切换模式被循环执行，从而产生一个沿选定方向绕定子旋转的磁通。这种定子绕组转换控制在美国专利4,540,921(Boyd)、4,857,814(Duncan)和WO98/35429(Boyd等)中有所描述，尤其是参照后者的图1(对应于本发明中的图7)和图2。

本发明提供了一种多相横向磁通直流电机，其具有相对便于加工的简单几何结构。与现有技术中推荐的定子结构相比，该定子的几何结构允许电机只具有一个气隙。

在根据本发明的电机中，存在以下关系：

如果相数P＝2，3，...，N；

每相的绕组数W＝1，2，...，M；

且每个绕组的磁极数PW＝2，4，...，L；

则定子磁极数SP可表示为SP＝P×W×PW；和

转子磁极数RP＝SP±W每相。

有利的方案是，每相的绕组数取为偶数，以便平衡当该相被激励时产生的径向力，并且在某些情况下，当选用相对成对的爪形磁极几何结构时，我们希望每个绕组的磁极数为偶数。然而，每个绕组的磁极数也可以为奇数，例如取为9。

当每相的绕组数等于或大于2时，这些绕组可通过串联或并联被连接在一起。然而并联连接可能较为有利，这是因为它可以减轻气隙不平衡存在时的径向力不平衡。

在所示和所述的该实施例中，选择了三相，每相两个绕组并且每个绕组10个磁极。由此形成了一个具有60个磁极的定子，并且与该定子配合使用的转子必须具有62或58个磁极。

为了便于加工，电机换相电控设备最好被机械连接在该电机上。如图4所示，其中该电控设备被置于一块印刷电路板20上，而印刷电路板20被固定在了定子件8上。

定子件可以通过将一种软磁材料粉末，例如铁粉末，压入一个专用模子40中(见图8)而被制成。对于两个定子件之一而言，推荐使用一个由低磁导率材料加工而成的框架，以便在定子件中设置高磁阻槽隙30。当从模子中取出该定子件时，该框架保持为该定子件的一个整体部分。该框架还可以被用作一个轴承保持架。将该软磁材料粉末压挤在该框架的周围能够在轴承和气隙之间获得十分精确的同心度。在该优选实施例中，另一个定子件不需要槽隙，同时不需要任何框架。

Claims (1)

1.一种多相横向磁通直流电机，其包括

一个转子，该转子具有数个沿周向布置并且被高导磁材料段隔开的永磁体，以便形成转子磁极，

一个定子，该定子与所述转子共轴线安装，以便在其间提供至少一个气隙，所述定子具有数个沿周向布置并相互隔开的磁极，

每相至少具有一个定子绕组，当通有一个激励电流时，所述绕组将产生磁通，所述磁通将流过靠近该绕组的定子磁极，从而在靠近所述磁极的所述气隙中产生一个磁通，所述绕组在使用中在电子控制下被转换，从而在所述气隙中产生一个绕定子轴线旋转的磁通，

改进之处表现为下述关系，即电机相数(P)从2，3，...，N系列中选取，每相的绕组数(W)从1，2，...，M系列中选取，与每个绕组相关联的磁极数(PW)从2，4，...，L中选取；则定子磁极数(SP)等于乘积P×W×PW且转子磁极数等于SP±W。

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