CN1650501A - 具有至少两个将定子和转子扇形体分开的轴向气隙的旋转电动机 - Google Patents

Abstract

一种电动机具有一个定子和一个转子。定子是由多个与转动轴同轴安放的、多个分开的电磁铁铁心扇形体组成。这些铁心扇形体互相之间没有铁磁性接触，固定于一个非铁磁性的支承结构上。转子的构造为一种环形圈，该环形圈至少部分的包围环形的定子以确定位于定子和转子之间的两个平行的轴向的气隙，这两个气隙各自位于定子相反的轴侧。永久磁铁分布于转子环形圈的每一个面对气隙的侧面。优选地，每一个定子电磁铁铁心扇形体有一对通常平行于转动轴方向排列的磁极，磁极的磁极面通常与转动轴垂直。线圈形成在连接着磁极的铁心部分上，当受到激励时，在磁极面上产生相反的极性的磁极。

Description

具有至少两个将定子和转子扇形体分开的轴向气隙的旋转电动机

相关申请

本申请包含的主体文件涉及马斯洛夫(Maslov)等人于2001年4月5日提交的共同的美国申请序号09/826,423，马斯洛夫等人于2001年4月5日提交的共同的美国申请序号09/826,422，马斯洛夫等人于2001年10月1日提交的共同的美国申请序号09/966,101，以及马斯洛夫等人于2002年2月7日提交的共同的美国申请序号10/067,305。这些申请中被公开的部分也被提及并合并在本专利中。

技术领域

本发明涉及旋转电动机，特别涉及具有多个的永久磁铁转子元件和磁性绝缘的定子元件的电动机，在定子元件和转子元件之间有多个的气隙。

背景技术

电子系统的不断进步，如基于微控制器和微处理器应用的电动机控制与改良的便携式电源的实用性一样，已经给予更有效率的电动机驱动的发展以无法抗拒的挑战。电动机线圈的电子控制脉冲激励为电动机特性提供了更为灵活控制的前景。通过对适当的定子线圈的脉冲宽度，占空比以及电池电源的开关应用的控制，事实上可以达到与交流同步电动机的运行无差别的功能多样性。与这样的线圈结合在一起的永久磁铁的使用对于限制电流的消耗是有利的。

上述涉及马斯洛夫等的共同的美国专利申请，序号09/826,423，确定并指出了对于一种能够简化加工和具有高效灵活的操作特性的性能改善的电动机的需要。当电动机以最小的耗电量维持一个高的转矩输出能力的时候，在一个宽的速度范围内获得平滑的运转是非常理想的。涉及的美国共同的申请将电磁铁磁极合成一个独立的能够导磁的构造为环形圈的结构，这种结构在径向较薄，以提供有益的效果。通过这样的排列，磁通量能够被集中，与现有的技术的实施例相比，磁通量在电磁铁的铁心处实际上没有损失或没有有害的变压器干涉效应。虽然相关申请中确定的结构在转矩的特性和效率方面已经取得了进步，但仍需要改进。

马斯洛夫等的申请认识到电磁铁组的隔离使得电磁铁组的磁心处的磁通量各自集中，与其它的电磁铁元之间有低的磁通量损失并没有有害的变压器干涉效应。运转的优势可以通过构造一个单独的磁极对作为一个独立的电磁铁组来获得。当磁极对线圈的激励被转变的时候，从其他磁极组隔离出来的单独的磁极对的磁路隔离消除了相邻组的一种磁通量变压器效应。

涉及马斯洛夫等的共同的美国专利申请，序号09/966,101描述了从电动机结构的三维空间方面的利用上所获得的好处。从材料的使用上，如软导磁介质可以被制成各种各样的形状认识到(这样做的)优点，比如说铁心材料可以用Fe，SiFe，SiFeCo，SiFeP粉末的软磁铁类材料制作，每种材料都有自己独特的能耗、磁导率和磁性饱和度。带有一定公差的定子元件的铁心形状和铁心尺寸能被制成，而不需制成迭片结构和因此来优化产生于转子永久磁铁的磁极对和定子电磁铁之间的磁位梯度。公开的一种结构构造，其中轴向排列的定子磁极和轴向排列的转子磁铁提供了高度集中的磁通量分布。与传统的具有相同气隙直径的电动机相比，这样的结构为大量的磁极提供有相同的各自活动的气隙表面面积和/或更多的活动气隙表面面积的总量。

总之，磁通量的集中，磁通量的最大化，磁通量损失和变压器效应影响的最小化，是获取具有高转矩能力的高效电动机运转的有益因素。以多磁极的轴向排列来提供高转矩输出的高效运转的电动机的结构构造，在上述的相关申请中已经有所描述。由于大量的定子铁心元件和转子磁极占据了相对大的体积，所以这样的安排在空间和重量因素不是非常宝贵的环境下使用是有优势的。象尺寸和形状的经济节约一样，对于那些能够提供电动机改进特性的电动机结构构造的需要也是持续的。

发明内容

本发明加强了上面所描述的对现有技术的需要，并为如上面所提到的马斯洛夫等的申请中所描述的独立的单个磁极对排列的结构提供了附加的优势。本发明的优势在于，至少部分的，通过电动机结构构造的进一步开发来增加了跨越多个气隙的相对的定子磁极和转子磁极的表面积。在磁通量能被集中的相对更大的表面积促进了高的转矩能力。

本发明的一种这样结构的结构特征在一种电动机里被具体化，该发动机包括一个转子和一个定子，定子包括多个分离的与转动轴同轴安放的电磁铁铁心扇形体。定子的铁心扇形体形成一个环形的由内径和外径所限制的定子环。铁心扇形体固定于一种非铁磁性的支承结构上，互相之间没有铁磁性接触。转子被安装于一个环形圈中，至少部分的包围环形的定子以确定位于定子和转子之间的两条平行的轴向气隙，这两条气隙分别位于定子相反的轴侧。永久磁铁分布于转子环形圈的每一边，面对一个气隙。每一个定子电磁铁铁心扇形体包含一对通常与转动轴平行方向排列的磁极对，磁极对的磁极面通常垂直于转动轴。线圈被制作在连接着磁极的铁心上，当受到激励时，在磁极面上产生相反的极性的磁极。电流方向的一次改变产生磁极性的一次翻转。

在一个优选的实施例中，转子环形圈有一个U型横截面，横截面有两个由铁磁材料加工成的侧面部分并通过一个十字架部分联系起来。这个十字架部分也可以由铁磁性材料制成。永久磁铁互相之间被隔开并沿着侧面部分的内表面分布。转子的十字架部分径向地与定子的外径分离。每一对相对平直的永久磁铁是一对磁偶极子，它的一个磁极性位于磁偶极子的面向气隙的表面，与之相反的磁极性位于磁偶极子安装在侧面部分的它的表面。永久磁铁因此具有轴向的磁极性定向。在每一侧面部分上的永久磁铁沿转子环连续的改变极性并且相互之间没有直接接触。在两个侧面部分的永久磁铁的数量彼此之间是相同的，各自沿轴向排列并具有相反的磁极性，通过相反地磁化定子磁极对的两个极面来使得相应的电动机产生互感。

在相邻的轴向定位的永久磁铁之间的空间中，通过提供被安装在侧面部分的附加永久磁铁，磁通量的分布能够被提高地更多。径向附加的磁铁的厚度尺寸与电动机驱动器永久磁铁的规格相同。附加的永久磁铁的磁极性定向与轴向垂直。附加的永久磁铁的作用在于通过驱动器磁铁的磁路聚集磁通量，从而当减小背铁的尺寸时最小化偏离的磁通量。

对本领域的技术人员来说，本发明的其他优点将从下面详细的描述中显露出来，其中只有本发明的优选实施例通过简单的预期能够实施本发明的最好的模式的图表方式被显示和描述。如其所望，这个发明能够适用于其他的和不同的实施例，并且它的一些细节能够在各种不同的显而易见的方面修改。所有这些都与该发明不可分。因此，这些图与描述实际上都将被认作是解释性的而非限制性的。

附图说明

本发明是结合附图通过例子进行解释，而不仅限于此，附图中的相同附图标记指的是同一元件，这里：

图1是一个本发明电动机部件的分解视图。

图2是图1中装配状态下的电动机元件的三维透视图。

图3是图2中布置的定子环支承结构的三维透视图。

图4是与本发明中支承结构结合在一起的定子铁心元件的三维透视图。

图5是图2中沿虚线5-5剖开的横截面图。

图6是参照本发明转子侧面部分的平面图。

具体实施方式

图1是解释本发明电动机组成的分解视图。与装配成的电动机结构相结合的部件如图2所示。为了解释的简单化，对了解本发明不必要的元件没有进行解释。请参考上述的相关申请以获得对于此类特征的详细描述。括弧20所指的这些元件，当被装配时，组成一个定子环形圈，该环形圈以转动轴为中心。定子环由多个铁磁性隔离的有铁心部分22的电磁铁所组成，在铁心部分上制成线圈24。非铁磁性环26是那些单个的电磁铁的支承结构。关于定子环结构的更详细的解释如图4中所示。转子包括两个端面32和永久磁铁34，当装配时，形成以转动轴为轴心的环形圈，该环形圈至少部分的包围定子环。

装配状态下，定子环和转子环的三维透视图如图2所示。每个转子的端面32有一个通常呈环形盘状的外端部，该外端部有内径和外径并与转动轴同轴。外端部伸出管状边缘构件的外径，通过一个法兰部分装配在上面。一个类似的法兰部分从每一转子端部的管状边缘构件内部的轴侧伸出。在两个法兰部分的靠近外围处分布有通孔。通过任何传统的方法使得内表面法兰部分上的通孔与端部的附件彼此成一直线，边缘构件因此形成一个U型的横截面的一个十字架部分。外部法兰部分的通孔使得转子环连接到盘上(未示)，在转动轴上与轴相结合。

定子支承环26，其三维透视图如图3所示，是一个沿轴向安放的圆筒，在它的每一端有一个上垂直法兰27和下垂直法兰28。上法兰27上排列着具有规则间距的突起，每个突起上面都有一对通孔。法兰27的轴向间距被设定成能够适合容纳定子电磁铁铁心元件22。下法兰28，具有一般的圆形外围，它的通孔被用来将环安装到适当的固定支承结构上。在法兰28上的通孔的数目和位置可以用传统的方法来调整以协调附件的安装。

如图4所示，每一定子电磁铁铁心扇形体由轴向排列的磁极对22a和22b构成，磁极对22a和22b具有基本在径向平面内延伸的磁极面。在每一磁极基部开设的通孔与环26的法兰27上的通孔对准。每一铁心元件经由磁极基部的通孔安装在法兰27排列的突起上。电磁铁元件互相之间没有直接接触而分开。环26是由非铁磁性材料构成的，比如说铝或不锈钢。运转时，每一个电磁铁形成一个磁通回路，该磁路是独立的并与其它电磁铁的磁路是隔离的。

在优选的实施例中，定子与一个固定轴相连。转子至少部分地包围定子，通过适当的连接件和轴承与固定轴相连接。然而，固定轴有可能被固定于转子上并因此可以旋转，这是在本发明的预料之中。在后面的装配中轴将通过轴承与定子的支承结构相连接。

图5是用图来表示图2中的定子和转子环沿虚线5-5剖开的横截面图。从横截面上看，转子环32具有通过十字架部分36相连的侧面部分33，至少侧面部分由铁磁材料制作并形成在其上安装永久磁铁的“护铁”，它的分布方式如图1所示。磁铁是较薄的偶极磁铁，具有基本平坦的磁极面。每一个磁极面整个呈现一种磁极性，相反的磁极性位于磁铁的后表面。相邻的磁铁沿侧面部分的环连续的交替改变磁极性。在相反侧面的磁铁相互之间成一直线并具有相反的磁极性。

定子电磁铁22有一个通常为铁磁材料的H型横截面。在连接两个磁极22a和22b的结合部分23上制成线圈24。定子磁极面与转子磁铁的磁极面基本上平行。在定子和转子磁极面之间就形成了两个轴向的气隙。运转时，适当地转换线圈24的激励来磁化带有相反磁极性的磁极对。磁路因此穿过气隙产生磁通势。关于适当地转换控制装置地描述请参考上述的相关申请。图5所示的结构给出了一个大的气隙表面面积，当最小化电动机体积的时候，在这里转矩产生的磁通量能够被集中。定子电磁铁的铁磁性隔离将偏离磁通的损失和散射减到最少。

图6是转子侧面部分的平面图，给出了转子侧面部分永久磁铁分布情况的另一个变型。附加的永久磁铁37位于相邻的磁铁34之间的空间内。磁铁的磁极性定向在径向平面内。这种排列方式提供了一种更为集中的磁通量分布方式。关于从磁通量集中的磁铁使用中获取特殊的磁通量分布路径的描述和解释请参照前面提到的相关申请，序号为09/966,101。

在这里所展示和描述的仅仅是本发明的一个优选实施例和它的多功能性的几个例子。应该清楚的是本发明能够用于各种不同的其他组合和环境，而且能够在这里所表达的善于创造的概念范围内进行变化或修正。

Claims (19)

1.一种旋转电动机，包括：

转子，它以关于转动轴的环形圈结构安放，并包括多个永久磁铁元件；和

定子，它包括多个分离的、与转动轴同轴安放的电磁铁铁心扇形体，以形成由内径和外径所限制的环形的定子环；

其中环形的转子环至少部分的包围环形的定子以确定位于定子和转子之间的两个轴向气隙，所述气隙分别位于定子相反的轴侧。

2.如权利要求1所述的旋转电动机，其中每个定子的电磁铁铁心扇形体包括一对沿通常与转动轴平行的方向排列的磁极，这对磁极具有各自的通常与转动轴垂直的磁极面。

3.如权利要求2所述的旋转电动机，其中，每一铁心扇形体的磁极对是通过其上缠有线圈的铁磁性连接部分结合起来的，以便当由电流激励时在磁极对中产生相反极性的磁极，其中通过线圈的电流的反向来实现磁极对磁极性的反转。

4.如权利要求2所述的旋转电动机，其中转子环形圈具有一个U型的横截面，带有两个通过一个十字架部分连接起来由铁磁材料形成的侧面部分，每个侧面部分的内表面在其上安装有多个沿表面分布的电磁铁并面对着各自的轴向气隙，该十字架部分和定子的外径径向分离开。

5.如权利要求4所述的旋转电动机，其中多个永久磁铁沿转子环连续地极性交替分布。

6.如权利要求5所述的旋转电动机，其中在两个侧面部分的永久磁铁的数量彼此相等并彼此之间各自沿轴向排列，轴向排列的永久磁铁具有相反的磁极性。

7.如权利要求5所述的旋转电动机，其中在每一侧面部分的转子永久磁铁之间没有接触而分开，并且

每个永久磁铁是一个磁偶极子，该磁偶极子的一个磁极性位于气隙的表面，它的相反的磁极性位于与气隙相对的表面，从而形成了沿轴向的磁极性定向。

8.如权利要求7所述的旋转电动机，其中附加的永久磁铁具有垂直于轴向的磁极性定向，并被安装于相邻偶极永久磁体分开的空间内的侧面部分。

9.如权利要求3所述的旋转电动机，其中定子还包括非铁磁性的支承结构，铁心扇形体固定于该非铁磁性支承结构上，互相之间没有铁磁性接触。

10.如权利要求4所述的旋转电动机，其中转子十字架部分由非铁磁性材料制成。

11.如权利要求1所述的旋转电动机，其中所述的轴向气隙基本上彼此平行。

12.一种旋转电动机的定子，包括：

多个分离的电磁铁铁心扇形体，具有各自的线圈；

支承铁心扇形体的非铁磁性结构，该铁心扇形体构造为在关于转动轴的环形圈中而彼此没有铁磁性接触，并且

其中每个铁心扇形体包括平行于转动轴排列的一对磁极，所述磁极在定子的相反的轴侧具有各自的磁极面。

13.如权利要求12所述的定子，其中每一铁心扇形体的磁极对通过其上绕有线圈的铁磁性的轭部连接起来，以便当由电流激励时产生相反极性的磁极对，在那里产生沿轴向定向的磁通量。

14.如权利要求12所述的定子，其中磁极面基本上垂直于转动轴。

15.一种旋转电动机的转子，包括：

与电动机的转动轴同轴的环形圈，具有一个U型的横截面，包括由十字架部分连接的侧面部分；

多个永久磁铁，沿每一侧面部分的内部表面分布，并面对轴向以形成至少一个轴向气隙，并且

其中该十字架部分具有面对径向的内表面。

16.如权利要求15所述的转子，其中

每一侧面部分上面具有相同数量的永久磁铁；

侧面部分上的永久磁铁互相之间各自沿轴向排列；并且

各自轴向排列的永久磁铁具有相反的磁极性。

17.如权利要求16所述的转子，其中每一侧面部分内表面的多个电磁铁的磁极性连续地交替分布。

18.如权利要求15所述的转子，其中每一侧面部分是由铁磁性材料制成的；

位于每一侧面部分内表面的永久磁铁互相之间没有接触而分开；

并且

每一永久磁铁是一个磁偶极子，该磁偶极子的一个磁极性位于侧面部分的表面，它的相反的磁极性位于与侧面部分表面轴向相对的永久磁铁的表面。

19.如权利要求18所述的转子，其中附加的永久磁铁被安装于相邻偶极磁体分开的空间内的侧面部分，所述的附加的永久磁铁具有在垂直于轴的平面内的磁极性定向。

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