环面几何形状电动机系统的制作方法

专利名称：环面几何形状电动机系统的制作方法
环面几4可形-R电动才/L系统
背景技术：
本发明涉及电动机系统，尤其涉及电；兹驱动的回转机械，在 这种回转机械中，在中空椭圆形定子中电磁驱动转子。
往复式压缩机/泵非常理想地用在多种用途中，尤其是用在液流 速度相对较低且所要求的液体压力升高相对较高的环境中。对于要 求较小压力升高和较大流速的用途来讲，回转离心压缩机/泵可能由 于它们的简单性和既廉价又低的维护要求而更受到欢迎。
在活塞运动以压缩空气时，典型的空气压缩机负载几乎线性增 加。在泵用途中，负载通常沿着行进的长度是恒定的。
虽然均是有效的，但往复式泵和回转泵各自提供折衷，这些折 衷对压缩机/泵用途中的效率造成影响。
因此，希望提供一种用于泵/压缩机用途的机械，这种机械既具 有往复式机械的优点又具有回转机械的优点，并通常与所要求的负 载相匹配，以提供有效的运行。

发明内容
根据本发明的环面电动机系统包括中空定子和转子，转子在中 空定子中由磁体组件驱动。中空定子限定转子路径，转子路径将流 体从入口端口连通到排出端口。转子路径在定子中形成为椭圆形。 转子的形状至少部分地呈弓形，以与转子路径的内椭圆形几何形状 相匹配。转子作为转子路径中的活塞运行，以将流体吸入转子路径 以及将流体从转子路径排出。虽然根据本发明的几何形状具有广泛 的用途，但主要将环面电动机系统设计用于泵/压缩机用途。
多种磁体类型可用于本发明，以使各种电动4几类型(即感应、
永磁体和开关型磁阻等)会受益于这种环面几何形状。磁体几何形 状提供分开最远的磁体以最快地移动转子，但提供最低的负栽(即 磁吸引力随着距离而减小)。相反，最近地分开的磁体将转子最慢 移动，但提供大得多的负栽。优选这种方式，因为在转子经过入口 时，加到转子的负载极小。在转子接近于排出口时，负载增加，因 为在转子前面将气体压缩且在转子之后出现真空。因此，将这些磁 体最远分开时负载最小，且在最近地分开时负载最大，这就优于线 性往复式泵/压缩机。
与典型的压缩机或泵中的多个分立机构相反，环面电动机和压 缩机(或泵)是一个机构。因为管路较少且无油分离器，所以空气 端和包损失极小，这样环面电动机/压缩机的效率就优于回转压缩机。 由于在驱动力与作业之间的器件很少且无联结或齿轮，所以就使效 率得到提高。即便是环面电动机具有与回转压缩机相同的效率，环
面电动机也会具有15%至20%的效率优势。
从总体上来讲，与典型的压缩机相比，环面电动机/压缩机具有 以下优点非常少的移动部件；高可靠性；无油运行；高效率；并 不复杂且相对廉价；有效的速度控制并具有变速驱动装置；漏点很 少；密封定子；易于实现的各种速度/负载能力。
因此，本发明提供一种用于泵/压缩机用途的机械，这种机械既 具有往复式机械的优点又具有回转机械的优点，并通常与所要求的 负载相匹配，以提供有效的运行。


本领域中熟练的技术人员会从下面对目前所优选的实施例进行 的详细描述明白本发明的各种特征和优点。可将伴随这些详细描述 的附图简要描述如下
图1A是环面电动机系统的总体透视图1B是沿着示于图1A中的环面电动^L系统的线1B-1B的截面
图1C是定子组件的分解图1D定子组件的一个侧面的扩展图2A是^f兹体组件的俯视图2B是用于示于图2A中的磁体组件的磁体电路板的正面图2C是处于分解状态的磁体组件的俯视图2D是示于图2A中的磁体组件的透视图3A是开关型磁阻环面电动机系统的截面图3B是另 一种磁体组件的分解图4是用于环面电动机系统的转子的侧视图5是环面电动机系统的俯视图，该图示出了磁体系统几何形
状；
图6是环面电动机系统的顺序视图，该图示出了定子中多个转 子的运动；
图7A示意性地示出了单叶转子的磁体点火次序和转子运动； 图7B示意性地示出了双叶转子的磁体点火次序和转子运动； 图8示意性地示出了在十二个磁体定子上具有一个、两个、三
个和四个叶的转子的磁体点火次序；
图9示意性地示出了两个磁体的点火次序，这两个》兹体同时点
火并作用在24个磁体定子的两个和四个叶转子上。
具体实施例方式
图1A示出了通常包括中空定子12和转子14的环面电动机系统 10，转子14由磁体系统6在中空定子12中驱动。与典型的压缩机 或泵中的两个(或多个)分立机构相反，电动4几和压缩才凡(或泵) 是一个机构。虽然环面电动机系统10的转子实际上并不转动，但在 椭圆形路径中被驱动，整个椭圆形路径由中空定子12所限定。申请 人将电动机的移动构件称为转子。
中空定子12限定入口端18和出口端20，出口端20与中空定子 12的内部连通。应理解，虽然将电动机系统10描述为气体压缩机， 但诸如流体泵或机械电动机驱动装置也同样会受益于本发明。优选
将转子路径R形成为限定在中心点A周围的环，但其它形状如椭圓 形或类似的形状也可用于本发明。优选转子路径R的截面呈圆形(图 IB)，不过，其它形状也可用于本发明。
参看图1C,优选中空定子12由第一和第二定子部分22a和22b 形成，第一和第二定子部分22a和22b安装在一起，以限定转子路径 R。定子材料为非磁性材料，如不锈钢或塑料。优选每个定子部分22a 和22b是另 一个的镜像。优选定子部分22a和22b之间的隔离是平面， 该平面包括中心点A并将转子路径R分开，不过，其它隔离平面也 可用于本发明。
参看图1D,密封垫24i和24o位于凹槽25i和25o中，凹槽25i 和25o限定在转子路径R的内周缘Ri和外周缘Ro周围。在将定子 部分21a和21b组装在一起时，密封垫24i和24o将转子路径R密封。
中空定子12在转子路径R周围限定多个齿26。每个齿26限定 定子内径12i和定子外径12o。优选每个齿呈截头三角形。即齿26 的小的端部限定定子内径12i，而齿26的大的端部限定定子外径12o。
将至少一个准直销28安装在孔径30中，孔径30在齿26中形 成。每个齿26由定子部分22a和22b形成，以保持磁体系统16 (图 1B)并提供用于紧固件f的紧固件接收孔径31，以使这些紧固件f 和销28不会穿透转子路径R (图1B )。
应理解，虽然在所示出的实施例中公开了特别的器件布置，但
其它布置也会受益于本发明。或者，例如，定子截面不具有闭合形 状。定子侧面周围的狭槽引导销延伸穿过狭槽，以将运动传递到其 它某些装置。
参看图2A，磁体系统16包括磁体组件32，磁体组件32安装在 中空定子12的每个齿26之间(图1B)。优选用多个叠层磁体电路
板34制成每个磁体组件32 (图2B )。每个》兹体电路板34用板部分 34a和34b制成，以便于在中空定子12周围组装。 一个板部分34a 的叠片与另一个板部分34b的叠片交错。这些叠片具有隔离垫圏35, 这些隔离垫圈35在这些层之间来保持板部分34a和34b，以将配合 板部分正确地定位。优选这些磁体电路板34位于冷却片36之间， 并且用紧固件40如螺钉保持在一起。优选将这些螺钉40柠入这些 冷却片36中，这些冷却片36也制成多个部分，以安装在中空定子12 周围。首先可将每个部分32a和32单独组装(图2C)，然后由接触 面紧固件40A在定子周围连接在一起。
参看图2B，磁体电路板部分34a和34b在背面具有电路箔图案。 当组装成交错在一起时，这些磁体电路板34产生电路箔线圈。电路 板部分34a (由于其形状而称为"杆")具有用于电源引线P的连接 的电源引线垫LP，以向磁体组件32提供动力。
电流通过电源引线P连通到引线垫LP并穿过电镀贯通孔，镀贯 通孔连接到板的另一侧上的电路箔(图中看不到)。该箔与U形杆 电路板部分34b的定侧上的最低箔配合(由于其形状而称为"U形 杆")。该箔延伸到U形杆电路板部分34b的顶部，该箔在该顶部 与下一个杆电路板部分34a的背面上的箔配合，依此类推。U形杆上 的最内箔具有电镀贯通孔，电镀贯通孔连接到背面上的图案。即在 这些板交错(图2A)在一起时，它们形成电磁电路线圈。
从总体上而言，对于尺寸相同的板来讲，箔线圈越大，可形成 的圈数越少，但可承载更大的电流且降低阻抗。在承载极限电流时， 可将板整个覆盖，且板提供两圈/叠片(每个侧面一个)。 一种磁体 类型的结构之后是这种结构，该磁体类型的结构是7>知的Bitter盘， 这种Bitter盘是在中间有孔的圆铜箔。这种盘还有沿着半径的切口 。 这些盘可与盘之间的薄绝缘交错，以形成螺旋线，这些盘在没有绝 缘的切口重叠小的距离。绝缘的形状与盘的形状相同。这些圆磁体 比其它形状(如典型的回转电动机的长的薄绕组)更有效且Bitter盘
磁体比圓线巻绕磁体更有效。
应理解，多种磁体类型可用于本发明，如各种电动机类型(即 感应、永磁体和开关型磁阻等)会受益于环面几何形状。
参看图3A，磁体线圈Ct和Cb成对安装到磁体叠片L， 一个在 中空定子12的顶部上，另一个在底部上，且叠片穿过磁心并包围中 空定子12，除了这些之外，开关型磁阻环面电动机类似于感应环面 电动机。磁体叠片(图3B)为磁通量提供磁体之间的路径。当两个 磁体像在回转磁阻电动机中那样通电时，转子中的铁净支吸引到这两 个石兹体之间的间隙。
参看图4，转子14的形状至少部分地呈弓形，以与转子路径R 的内几何形状相匹配。转子14包括用磁性材料如铁和、或钢制成的 叠片42。叠片42安装在转子路径R中，以配合中空定子12的内几 何形状。例如，就截面呈圆形的转子路径R (图1B)而言，转子14 包括多个垫圏形状的叠片42，这些叠片42在非金属弓形转子杆44 上保持在一起。优选非金属弓形转子杆44是黄铜、不锈钢、塑料或 其它类似的材料。叠片42用头护圈(retainer)46和尾护圈48夹在一 起，头护圈46和尾护圈48通过螺紋或其它类似的方式安装到弓形 转子杆44。优选护圈46和48用非金属材料如不锈钢、特富龙(Teflon) 或其它类似的材料制成，且可至少部分地作为中空定子12的转子路 径R中的密封垫运行。优选叠片的厚度通常是磁体系统16中的磁体 组件32的厚度的0.5至1倍。优选每个转子14包含多于一组的叠片 (下面将一组叠片称为转子叶)。这些叶的间隔和尺寸取决于磁体 的间隔和厚度。
转子上的力均趋向于将转子置于中空定子12的转子路径R的中 心。磁力和尝试由转子14吹动的流体的力均趋向于将转子置于转子 路径R的中心。这些力趋向于冲击转子叠片42的正面，且若将转子 与定子之间的公差减小，就可根本不需要密封垫。即转子14会依托 在液压轴承(类似于静压轴承)上，或者，若压缩气体，依托在气
体轴承上。
参看图5,控制器50驱动磁体系统16。控制器50可以是变速 控制器，变速控制器是控制多相电源52的开关型磁阻速度控制器。 感应和开关型磁阻环面电动机需要特殊的控制考虑。虽然可将感应 电动机直接连接到电源，但优选电子驱动装置的优点。为了对环面 电动机的独特控制要求以及关联的环面电动机的器件的其它方面有 进一步的了解，注意申请号为No.()且发明名称为"晶体管矩阵开 关型磁阻变速电动机驱动装置"的美国专利，该专利转让给了本发 明的受让人并整体地结合在本发明之中。
用于多相电源52的f兹体系统16的布置如用于三相电动才几的布 置包括如图5所示的相(1、 2和3)。优选将磁体隔开，以使它们 在一端较远地分开，然后在另一端较远地分开。这种布置有几点好 处。仅需控制器保持一个频率。转子14会加速和减速以回应于磁体 间隔(图6)。与在普通的鼠笼式感应电动机情况中的固定间隔相反， 柱间隔实际上是梯度。
磁体几何形状虑及了最远地隔开以最快地移动转子的磁体，但 提供最低的负栽(即磁吸引力随着距离而减小)。相反，最近地分 开的磁体将转子最慢移动，但提供大得多的负载。优选这种方式， 因为在转子经过入口时，转子上的负载很少。在转子接近于排出口 时，负载增加(因为在转子前面将气体压缩且在转子之后出现真空)。 因此，应将这些磁体最远分开，此处的负载最小，且将这些磁体最 近地分开，此处的负载最大。
虽然这种几何形状可具有广泛的用途，但主要将这种几何形状 用于泵和压缩机用途。四个视图(图1至4)示出了具有两个转子14a 和14b的循环中的各种点。这两个转子14a和14b在中空定子12中 的圓形路径内移动。在中空定子12周围，这些转子并不以恒定的速 度移动。这些转子在经过入口端18时加速，在"t妾近于出口端20时 减速。图1示出了接近于出口端20的转子14a(在减速)，而转子14b 在经过入口端18 (在加速)。图2示出了两个转子均以相同的速度。 图3示出了由于有速度差异，穿过入口端18将空气吸入，同时将这 些转子之间的空气(左上)压缩。图4示出了经过出口端20转子14a, 且空气由转子14b排出。若将循环限定为一个转子完全在定子周围 移动，那么这四个视图就示出了循环的一半。这些转子的每转有两 个压缩循环(一个循环用于每个转子)。
泵用途也类似，除了液体泵往往具有较大的入口端和出口端以 使出口端在拖戈转子关闭入口端时打开之外。这是因为液体并不压 缩很多，这样，出口端需要打开，以使拖曳转子可将液体排出出口
为了将多个转子14保持在理想的相对取向，将至少一个磁体选 择性打开或关闭，以回应于与控制器50连通的传感器S。这些转子 的位置由该传感器感测，且将特定的磁体关闭一定的时间，以引起 经过特定磁体的转子减慢到正常以下。这就允许这些转子受控并保 持同步。优选磁体直接从入口和窗口穿过(图5)。用于磁体的开关 可以是晶体管，且传感器可以是霍尔效应(Hall effect)装置，这种 装置位于磁体的入口侧面上，以在转子接近于磁体时感测该转子。
参看图7A和7B,单叶转子和双叶转子(图7B)的磁体点火次 序和转子运动在这些图中示出。将这些磁体以30°隔开。单叶转子 的点火次序以逆时针顺序将石兹体通电，在将该转子之前的下一个每 次点火时，该转子会逆时针转动30。。
参看图7B,双叶转子的长度是这些磁体之间的距离的1.5倍。 双叶转子具有不同的点火次序。图1示出了已将第一磁体通电之后 定位的转子。这就使转子的导引端部处于第三磁体的范围内。然后 将第三磁体通电，这样就使拖曳端部处于第二磁体的范围内。这种 点火次序在磁体的每次点火时将转子顺时针移动15° 。
双叶转子以单叶转子(图7A)的速度的一半移动，但负载较高。 这类似于具有不同数量的柱的转子式电动机。双叶转子的负载大于
单叶转子负载的两倍以上，因为作用在转子上的磁力与从转子叶至 磁体中心的距离的平方的倒数成比例。更多的叶提供较慢但更有力 的电动机，不过，必须将这些转子加长以添加更多的叶，这可能要 求增加定子直径并使用更多的磁体。
图8示出了在十二个磁体定子上具有一个、两个、三个和四个 叶的转子的磁体点火次序。这些磁体以30°均匀地隔开。穿过图表 的线表明旋转移动，以度表示。垂直线表示磁体在定子上的布置。 所示出的这些转子处于它们与通电磁体排成列的位置。阴影部分中 的转子叶是受到通电磁体的影响的叶。
笫一点火顺序用于单叶转子。次序为0、 30、 60、 90和120度。 磁体每点火一次，转子移动30。。
第二顺序用于双叶转子。次序为O、 60、 30、 90 、 60、 120和90 度。磁体每点火一次，转子移动15° 。
笫三顺序用于三叶转子。次序为O、 90 、 60、 30、 120、 90和60 度。磁体每点火一次，转子移动10° 。
具有两个以上叶的电动机中会出现问题。根据叶的长度和数量
以及叶的间隔在点火次序中可能有磁体或作用在两个叶上的情况，
这样就将一个先前拉动，而将另一个向后拉动，因此，转子会停顿。 用于四叶转子的最底层次序示出了这种问题(用箭头标出)。
图9示出了同时点火并作用在两个转子叶上的两个磁体。这样 就使负载能力倍增。图中示出的双叶转子点火次序在顶部且四叶次 序在底部，在底部的四叶次序校正了在图8中指出的不足。注意， 此图表用于具有以15°的间隔隔开的^兹体的24^兹体定子。
转子长度、转子叶数量、叶间隔、定子直径、磁体数量和磁体 间隔的任何組合均可与本发明 一起使用。这些选择使得环面电动机 适用于不同速度/负载用途。例如，相同的定子可与不同的转子结合， 以提供不同的速度/负载能力。
回转螺杆式压缩机效率的主要分量有气端、电动机以包损失。 气端和电动机效率随着机械尺寸的增加而提高。下面的表格示出了
从lOHp至lOOHp的机械的这些分量的效率范围。没有考虑冷却器损 失。
相比而言，环面电动机/压缩枳i效率更加有利，因为几乎没有 气端损失，而且，由于管路较少且无油分离器，所以包损失也很小。 压缩机的效率略低于电动机的效率。用于对磁体设计的限制很少， 所以有理由相信环面电动机可比回转式电动机更有效，因为磁体设 计更好。
示例中的环面电动机可具有高速度，而并无通常与高rpm电动 机相关的问题。转子有很少的惯性，且无限制速度的轴承。可用相 对较小的包移动大体积。前面的示例通常作为有效的低速泵运行， 但高速往往可能会要求四个转子和两组入口端和出口端。由于在驱 动力与作业之间的器件很少且无联结或齿轮，所以就使效率得到提 高。电动机绕组的几何形状比典型的回转式电动机所受到的限制少， 因此，可通过更有效的电磁体设计来实现更高的系统效率。即便是 环面电动机具有与前面的描述相同的效率，与60%至75%的效率相 比，环面电动机也会具有80 %至90 %的功率效率(15 %至20 %的优势)。
虽然示出、描述并在权利要求书中要求了特定的步骤次序，但 应理解，可以用任何顺序执行这些步骤，并且可将这些步骤分开或 组合，而仍会受益于本发明，除非另有说明。
前面的描述仅是示范性的，而不是用于限定。可根据前面的教 导对本发明进行修改和变化。已对本发明的优选实施例进行了描述，
回转螺杆式空气压缩机10至100Hp 气端效率
电动机效率(优质效率) 包损失(package losses) 总效率
效率 75 %至85 %
60%至75%
85 %至95 %
4%至5%
不过，本领域中熟练的技术人员会认识到，某些修改也在本发明的 范围之内。因此，应理解，在所附的权利要求书的范围内，可以用 明确描述的方式以外的方式来实施本发明。出于这种原因，应对下 面的权利要求书进行研究，以确定本发明的真实范围和内容。
权利要求
1.一种回转式机械，包括中空定子，所述中空定子限定椭圆形转子路径；转子，所述转子安装在所述椭圆形转子路径中，所述转子至少部分地呈弓形；以及磁体系统，所述磁体系统安装在所述定子周围，以沿着所述椭圆形转子路径驱动所述转子。
2. 如权利要求1所述的回转式机械，其特征在于还包括入口 和排出口 ，所述入口和排出口与所述椭圆形转子路径连通。
3. 如权利要求1所述的回转式机械，其特征在于所述椭圆形 转子路径呈圆形。
4. 如权利要求1所述的回转式机械，其特征在于所述中空定 子包括多个齿。
5. 如权利要求4所述的回转式机械，其特征在于所述磁体系 统的磁体组件安装在所述多个齿中的每一个之间。
6. 如权利要求5所述的回转式机械，其特征在于所述磁体系 统的每个石兹体組件包括多个叠层磁体电路板。
7. 如权利要求6所述的回转式机械，其特征在于每个电路板 用几个部分制成。
8. 如权利要求6所述的回转式机械，其特征在于所述多个叠 层磁体电聘4反交4昔，以限定磁线圈。
9. 如权利要求7所述的回转式机械，其特征在于所述磁体电 路板部分包括杆板和U形杆板部分。
10. 如权利要求1所述的回转式机械，其特征在于还包括安 装在所述椭圓形转子路径中的多个转子。
11. 如权利要求1所迷的回转式机械，其特征在于所述转子 包括多个叶。
12. —种回转式机械，包括中空定子，所述中空定子限定椭圆形转子路径； 入口，所迷入口与所述椭圆形转子路径连通； 排出口，所述排出口与所述椭圆形转子路径连通； 多个转子，所述多个转子安装在所述椭圆形转子路径中，所述多个转子中的每一个包括至少部分地呈弓形的非金属杆和安装到所述非金属杆的多个叶；以及磁体系统，所述磁体系统安装在所述定子周围来沿着所述椭圆形转子路径驱动所述转子，以将流体从所述入口连通到所迷排出口 。
13. 如权利要求12所述的回转式机械，其特征在于所迷中空定子包括多个齿。
14. 如权利要求13所述的回转式机械，其特征在于所述中空定子包括不均匀隔开的多个齿。
15. 如权利要求13所述的回转式机械，其特征在于所述磁体 系统的磁体组件安装在所述多个齿中的每一个之间。
16. 如权利要求12所述的回转式机械，其特征在于所述磁体 系统包括在所述定子周围不均匀隔开的多个磁体组件。
17. —种驱动具有回转式机械的转子的方法，所述回转式机械^ 具有安装在定子周围的多个磁体，所述多个磁体具有第一磁体、第 二磁体和第三磁体，所述笫一磁体、第二磁体和第三磁体以径向次 序位于所述定子周围，所述方法包括以下步骤(1) 将所述第一磁体通电；(2) 将所述第三磁体通电；以及(3) 将所述第二磁体通电。
18. 如权利要求17所述的方法，其特征在于包括以以下次序 将所述这些磁体通电0、 60、 30、 90 、 60、 120和90度，所述这 些磁体以所述次序定位。
19. 一种驱动具有回转式机械的转子的方法，所述回转式机械 具有入口端和出口端，所述方法包括以下步骤(1) 在入口端之后的椭圓形转子路径的一部分周围将转子 加速；以及(2) 在出口端之前的所述椭圓形转子路径的一部分周围将 所述转子减速。
全文摘要
一种环面电动机系统包括中空定子和转子，转子由磁体组件沿着在中空定子中形成的转子路径驱动。转子作为转子路径中的活塞运行，以将流体吸入转子路径以及将流体从转子路径排出。转子上的力均趋向于将转子置于转子路径的中心。将转子加速而离开磁体系统上的入口端，并在转子接近于出口端时将转子减速。
文档编号H01F5/00GK101116237SQ200680003111
公开日2008年1月30日 申请日期2006年1月9日 优先权日2005年1月26日
发明者R·卡德尔 申请人:萨莱尔公司