专利名称：具有同心环形部件的旋转电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及旋转直流电机，特别是涉及具有绕旋转轴同心地设置并被轴向气隙分开的第一和第二环形部件的电机，该环形部件之一包括独立的磁绝缘的缠绕的电磁磁极组。
背景技术：
直流电机在广泛的应用范围内具有通用性。用于装备设备的直流电机的电池电源的通用性在利于轻便性方面是交流电机很难得到的。用于各种基本应用的电子控制，例如基于系统的微处理器，变得十分平常。由于电池研发取得了进展，电子控制的通用性得到扩大，作为对内燃机的一种有生命力的替代物，为车辆提供有效的直流电机驱动的问题已经变得更加激发人们的兴趣。Shkondin的美国专利5,164,632是提出这种装置的一个例子，其中，电机安装在车辆的轮子上，用于直接驱动车辆。该专利计划这种设置能够用于电动汽车、自行车、轮椅等。
直流电机绕组的电子控制供能提供了灵活管理电机特性的前景。永久磁铁和这种绕组一起使用在限制电流的消耗方面是有利的。Heidelberg等人的美国专利4,754,207描述了一种具有转子的直流电机，该转子具有多个在极性上依次交替的永久磁铁的连续环。包括多个可电子转换的电磁铁磁极的定子由径向气隙与转子磁铁圆周地分开。若干个相邻的定子电磁铁形成相位组(phase group)。在每组中靠近电磁铁磁极的向内的基座部分处于相互表面接触，以形成连续的磁通量路径。电磁回路在电磁铁的相邻组之间的转变点断开。传感器检测转子和定子元件之间相对旋转位置以控制单个电磁绕组的电子转换。属于公用组的电磁铁与每组的一个共用的电子转换装置同时转换。在邻近组的中的电磁铁绕组具有不同的相位并且在不同的时间转换。
在转换供能的定子绕组的装置中所关心的是避免不利的后果，例如旋转的不均匀性。例如，所有的电机相位绕组的同时转换能够产生波动输出力矩。通过在不同的时间适当地转换所有的相位，或通过同时转换绕定子周边对称分布的某些绕组集合并承受一定的与该电机的永久磁铁磁极的位置关系可以在不同程度上得到减轻这种效果。但是，如果绕组连接于连续的磁回路路径，因为由于改变一个磁极绕组的供能影响相邻磁极的磁通量而引起磁通量的变化，则相邻绕组在不同时间的转换将导致不利的效果。
Heidelberg等人通过组合在分开的磁回路路径中的多个定子磁极在一定程度上减轻这个问题。相邻组之间的磁回路路径的不连续性影响磁通量的隔离，因此，如同组之间的磁通量干扰一样简化变压器。但是，在一组的所有的磁极同时缠绕并转换的情况下，力矩的波动效果仍然存在。Heidelberg等人提供一种修改，其中一组的一些磁极不缠绕和/或在一组内的所有磁极的磁极结构不是均匀构造妨碍相邻磁极之间的力矩波动和磁通量干扰的效果。这种修改牺牲了力矩特性。如果较少的磁极被缠绕，磁通量产生能力减小。非缠绕的磁极不有助于力矩并非且与电机的永久磁铁不利地相互作用。Heidelberg等人的非均匀磁极结构修改与非均匀磁极绕组相联系。这种结构使制造过程复杂并影响电机的效率。
仍然需要改进的电机，使其适合于简化制造并且具有有效的灵活的工作特性。在特定的车辆驱动环境中，非常希望在很宽的速度范围内获得平稳的运行，同时以最小的电能消耗维持高力矩输出能力。这种车辆驱动以最便利的方式有利地提供用于更换零部件的各种结构元件的易维护性。
发明内容
本发明至少部分地满足上述需要，在旋转直流电机结构中，其转子和定子部件均构造成绕旋转轴相互同心的环形圆环。无论是转子部件还是定子部件都由电磁铁磁极对的组形成，这些组沿该环形圆环的角范围基本上等距离分布，每组包括磁绝缘的并且与其他组分开的磁材料。其他部件包括多个永久磁铁磁极，该永久磁铁磁极以交替的磁极性沿形成在该部件之间的径向气隙的角范围基本等距离分布，该永久磁铁磁极具有公用的磁回路。每组电磁铁磁极对的磁极是缠绕的，该绕组一起被可转换地供能，用于驱动该定子和转子之间的电动的互作用。因此，每个电磁组设置成偶数个磁极，每个磁极对两个。每个磁极对的磁极是相反地缠绕的，以提供相反的南/北极性。
同时每组可以包括多个磁极，优选每组只提供单个磁极对。唯一的单个磁极对的转换供能，其中绕组中的电流反向，有助于改变该磁极的磁极性而对于特定的磁极对没有有害的磁通量效果。单个的磁极对与其他磁极组的磁通路绝缘在磁极对绕组的供能被转换时消除了对相邻组磁通量转换影响。在该组内没有另外的磁极对消除了一组内的任何这种影响。
通过适当地定时每组的转换绕组供能，在整个电机内得到平稳的电动力。对于特定组的定时转换的精确的优化相位和顺序取决于在各种磁极中间隔开的电磁磁极、永久磁铁磁极的特定的结构构造和其他结构的相互关系。当为特定的电机结构确定优化的定时转换顺序时，转换方案的装置可以根据转子和定子之间的相对位置关系制造。转换可以用机械转换器或响应于位置传感器产生的信号由电子驱动执行。同时各种位置传感装置在本领域是已知的，其任何一种均可应用以产生这种信号，业已发现，分解器的应用是优选的。分解器输出然后可以被编码器应用，以编码应用于基于控制电路的微处理器的信号。
同时，本发明在各种电机驱动应用中具有有用的可应用性，它特别适合车辆的驱动，其中，该转子构造成围绕定子，该转子直接固定于连接于车辆轮子的壳体。该环形转子因此离该旋转轴线有相当大的径向距离。该转子壳体通过轴承被支撑成绕旋转轴线处的静止轴旋转。在一个实施例中，其中转子包括永久磁铁，许多个永久磁铁沿该环形的环基本上均匀地分布。由于编程的微处理器具有产生特别高速率转换信号的能力，因此可以获得很宽的车辆速度范围而不需要传递齿轮轴。分开的电磁铁组形成较薄环形定子环，其与该旋转轴线间隔开一径向距离，其优选大大地大于该定子环边界的内外直径之间的径向尺寸，并固定于该轴。业已发现本发明的结构提供有利的效果，其中每对电磁铁磁极对构成形成在薄环形圆环中的绝缘的磁结构。由于这种设置，磁通量能被集中，在用于与永久磁铁转子相互作用优化的径向气隙处，没有损失或有害的变压器干扰效果。结果，得到特别高的力矩，具有大大延长电池寿命的高效率。
作为另一个优点，每个定子组被单个地固定在定子环形圆环结构中。因此，如果特定的定子绕组被损坏，例如，由于磁极结构或绕组中的毛病，该单个的定子组可以被更换而不需要拆下或更换整个定子单元。由于大量单个磁极对定子组的应用，作为相关的优点，即使一个或多个特定的电磁铁磁极组供能发生故障，该电机能够以令人满意的方式继续运行。
本发明的另一个优点是，在很大程度上，定子和转子磁极面尺寸和磁极之间的间隔相互比较独立。定时转换供能方案可以编程，以优化特定结构设置。一个优选实施例，业已发现运行特别有利，提供下述结构特征。利用奇数个定子组。定子磁极在气隙处具有磁极面，该磁极面具有基本同样的角范围。永久磁铁转子磁极在气隙处具有基本上相等的角度尺寸大小，它不同于定子磁极面的尺寸。每个定子组磁极面中心之间的角度距离在整个定子圆周上基本上是同样的并且不同于相邻组的定子磁极面中心之间的角度距离。每个定子组的磁极面中心之间的角度距离不同于该转子的相邻永久磁铁磁极中心之间角度距离。每组内相邻磁极面之间的间隙对于所有组基本上等并且不同于相邻定子组之间的间隙。转子磁极面是由间隙基本上同样地分开的，相邻转子磁极面之间的间隙不同于定子组中的相邻定子磁极之间的间隙。
本发明的附加的优点对本领域的技术人员来说从下面的详细描述中很容易明白，其中通过实施本发明设想的最好的方式的说明，只有本发明的优选实施例被示出并被描述。应当认识到，本发明具有其他的不同的实施例，并且其若干细节在各方面能够进行修改而不脱离本发明。因此，附图和说明书被认为是说明性的，而不是限制性的。
本发明以举例方式而不是以限制方式进行说明，在附图中，同样的附图标记涉及同样的元件，其中图1是本发明电机优选实施例的定子和转子布局的俯视示意图。
图2是图1的实施例的定子和转子磁极结构的三维透视图的。
图3是图2部分切掉的示意图，示出本发明的定子结构。
图4是部分剖面详细示意图，示出特别适合用于驱动车辆轮子的本发明的转子结构。
图5是在图4中部分地示出的电机结构的分解图。
图6是根据本发明封进该电机的组装的车轮轮毂侧透视图。
图7是方块图，示出用于驱动本发明电机的控制系统。
图8是本发明另一个实施例的简略俯视图，其中转子包括分开的磁极对的电磁铁组，其经过径向气隙围绕永久磁铁定子。
具体实施例方式
图1是本发明电机优选实施例的定子和转子布局的俯视示意图。转子部件10是环形的环结构，具有16个沿圆柱形支承板14基本均匀分布的永久磁铁12。该永久磁铁是沿该环形圆环内圆周的磁极性交替的转子磁极。支承板包括透磁材料，其用作相邻永久磁铁磁极12之间的返回磁路。转子围绕定子部件20，转子和定子部件由径向气隙分开。定子20包括沿气隙均匀分布的同样结构的7个磁极对元件22或7组磁极对22。每个定子组包括大体上U形的磁结构24，在气隙处具有两个磁磁极面26。每个定子组结构是分开的，并且与相邻组磁绝缘。磁极对的极腿用绕组28缠绕。每个定子组的绕组连接在一起以便当连接于供能的直流电源时同时赋能。绕组构造成为每对磁极对的磁极提供相反的南/北极性，从而形成电磁铁。供能极性的反向引起磁极对的磁极性的反向。沿径向气隙的定子绕组供能的适当的定时转换通过气隙两边的定子和转子之间的磁力相互作用产生电动力。
转子永久磁铁磁极沿气隙具有同样的角范围。经受这些同样的关系，在其之间的转子磁极面和气隙的实际尺寸是可变化的并且可以根据使用环境进行优化。应当明白，转子磁极可以采用任何偶数，图1中所示的16只是为了说明。定子磁极面具有同样的角范围，优选与转子磁极面具有不同的尺寸。
定子元件24是固定成，其固定方式将在下面详细地描述，对于非透磁的支承结构，由此，定子元件形成环形的环结构。每个定子组内的磁极被对于所有的定子组都是同样的径向气隙分开。这些气隙的大小与相邻定子组的磁极之间间隔是不同的。定子磁极间隙和组间隔与转子角度磁极间隙是相互不同的。定子环形结构的径向大小，即内外直径之间的距离大大小于中心旋转轴线和定子内径之间的距离。这种比较小的径向定子尺寸在集中于气隙处的每个定子元件结构内提供了磁通量的非常有利的聚集。由于这种结构，并且没有来自相邻定子磁极组的杂散变压器磁通量的影响，能够有效地获得大力矩输出。
定子和转子磁极之间相对独立的尺寸关系使得在设置磁极数目和尺寸方面具有灵活性。同时优选奇数的的定子磁极组，以便能够优化性能。这个数目并不意味着限制在为了说明目的示出的7个。同样，每个定子磁极对组可与包括多个具有共有的绝缘透磁结构的磁极对，每组具有偶数个磁极。在工作环境中，希望在很宽的速度范围内获得精细的控制，可以采用大数目的定子和转子磁极，采用的数目可以用所用的控制系统的控制能力来调整。分开的电磁组的数目也可以因此设置。虽然该电机可以支撑各种特定的用途，但本发明用于驱动车轮是特别有利的，其中电机结构安装在车轮内。在这样的环境中同心的定子和转子部件位于车轮轮缘上，离旋转轴线相当大的距离。大的轮缘直径提供足够的空间容纳很多个单个的转子和定子磁极，因此便利于控制的灵活性。
图2是图1的电机实施例的定子和转子组件的透视图。包括支承板14和永久磁铁12的环形的转子被环形壳体部件30所封闭，环形壳体部件30可以用铝或其他非磁性或非铁磁材料制造。在该圆柱形转子结构内，定子组由两个板32刚性地固定，在图2中只看见一个。图3是在旋转轴线处贯穿轴34截面的转子结构部分地切掉的视图。每个板32是刚性的圆形结构，具有外径和在中心处形成内径的圆形切掉部分。内径的尺寸做成能安装固定轴34并固定于轴部件。沿着板的圆周该板具有适当地间隔开的孔以便与定子元件上相应的通孔配合。每个板32固定于轴34并相互适当地间隔开，以便固定于，并通过配合孔在其轴向侧将定子元件的磁极结构24夹在中间。该板可以是可选地被拆卸，以便于在单个的定子元件被损坏需要修理时能够被拆卸并进行更换，而不需要更换整个单元。由于每个定子元件被制造成可以互换，定子的维修是相当简单的事情，在该板和绕组的连接端之间适当的配合位置插入备份的定子元件即可。
图4是更详细的剖面示意图，示出特别适合用于驱动汽车、摩托车、自行车等的轮子的本发明实施例的电机结构。静止轴34、板32、定子结构24和绕组28被包含在壳体40内，其中，环形的转子支承板14和永久磁铁12连接于该壳体40上。壳体40通过轴承36和轴承38在板32的每侧被支撑在该轴上。因此该壳体40形成由该转子驱动而绕轴34旋转的车轮的侧部。该环形壳体部件30刚性地连接于壳体40和转子，并且作为安装车辆轮胎的轮缘。图5是在图4剖面中部分地示出的电机结构的分解图，而图6是组装的车轮轮毂部分的外侧透视图。设置有连接部分42以示出该电机在自行车类型的环境中的应用，每个连接部分42可以固定在各自的行车车叉部分。该图也是用于组装各种元件的各种标准垫圈、螺母和螺栓元件的应用的例子。应当理解，任何本领域已知的合适的装置可以用来组装各种元件。
图7是方块图，示出用于驱动图1实施例的本发明的电机的控制系统。用于单个定子电磁铁绕组20的激磁电流由电池电源50提供。虽然定子绕组的转换供能能够用已知的机械换向器装置实现，但是电子转换电路已经成为十分平常的事情并具有较多的控制优点。因此优选用转换电路52将定子绕组20连接于电池50。转换电路52可以包括任何已知的可控制的双向电子线路，其能够在控制器54的控制下单个地向电机绕组提供在极性上可转换电池供能。控制器54优选包括可编程的微控制器、微处理器等，以便根据相应于定子和转子之间的相对运动产生的反馈信号向转换电路52提供适当的定时控制信号。能够产生控制器利用的电机反馈信号的各种位置传感器在本领域是已知的。分解器56连接成与转子10一起旋转并产生指示转子角位置的信号。为了被控制器使用，这些信号与编码器58适当地编码。控制器可以是编程的，以根据定子元件特定的尺寸结构输出与接收的编码器信号匹配的优化的定时控制信号。编程应当考虑定子和转子磁极的数目、定子组的数目、定子和转子磁极的大小以及电机结构中的各种气隙的大小。业已发现，从运行在优化的编程可控的电子转换模式中的上述结构获得的良好的电机力矩和速度特性，即便在个别定子元件组不能工作的情况下电机也能够令人满意地运行。因此在这种情况下车辆能够继续使用直到能够更换该定子元件的零件。
图8是本发明另一个实施例的简略俯视图，其中转子包括分开的磁极对的电磁铁组，其经过径向气隙围绕永久磁铁定子。在这方面这结构设置和该实施例元件的组装类似于图2-6所示的实施例。
这里示出和描述的的内容仅仅是优选实施例并且是其通用性的几个例子。但是应当明白，本发明能够用于其他组合和其他环境中并且在本发明构思的范围内能够变化和修改，如这里所标明的。例如，除了车辆驱动之外，本发明的电机能够用于广泛的应用范围。同时，优选地在车辆驱动装置中，转子围绕定子，在其他应用中可以发现，定子围绕转子。因此，在本发明的设想范围内，每个内、外环形部件可以包括或者定子或者转子，并且可以包括或者电磁铁组或者永久磁铁环。还有，虽然绕组缠绕示出突出的磁极，但是绕组也可以插入在非突出的槽形结构中。
还应当明白，特定的电磁铁供能顺序可以根据各种考虑而变化。电磁铁的供能可以沿气隙周围或不同的顺序顺序地转换。电磁铁组虽然在单个地编程时序中转换，但也可以同时供能。相反，单个的电磁铁可以以预定的顺序引发，随机引发或非顺序间隔引发。
虽然本发明在直流电机的范围内已经举例说明，本领域的普通技术人员将会明白，所描述的原理可以应用于同步型交流电机和具有由各种脉冲波形供能的缠绕元件的电机。因此，用于驱动电机的电源不限于电池，可以包括，例如，交流电源。这种交流电源可以转换为直流电源或脉冲波形电源，或者可以没有这种转换而应用，以驱动交流同步电机。
权利要求
1.一种旋转电机，包括构造成电磁铁磁极组的环形圆环形式的定子，这些组沿该环形圆环的环形范围基本上等距离分布，每组包括磁绝缘的并且与其他组分开的磁材料；和与旋转轴线和环形定子同心以在其之间形成径向气隙的环形转子，其包括以交替的磁极性沿着该气隙的环形范围基本等距离分布的多个永久磁铁磁极，该永久磁铁磁极具有公用的磁回路；其中，每组电磁铁磁极包括绕组，该绕组被可转换地供能，用于驱动该定子和转子之间的电动相互作用。
2.如权利要求1所述的旋转电机，其中每个定子组包括不多于一对的磁极，每个磁极具有绕组，绕组构造成形成与该对磁极的另一个磁极的磁极性相反的磁极性，其中，磁极对绕组的转换供能引起该磁极对磁极性的反向。
3.如权利要求1所述的旋转电机，还包括转子位置传感器，其中用于该绕组的转换供能信号响应于该传感器而产生。
4.如权利要求3所述的旋转电机，其中，所述位置传感器包括分解器；并且所述电机还包括用于产生所述信号的编码器。
5.如权利要求1所述的旋转电机，其中每个定子组的磁极之间的角距离在该定子的整个圆周上是基本一样的，并且不同于相邻组定子磁极之间的角距离。
6.如权利要求5所述的旋转电机，其中每个定子组的磁极之间的角距离与转子的相邻的永久磁铁磁极之间的角距离无关。
7.如权利要求6所述的旋转电机，其中每个定子组的磁极之间的角距离不同于转子的相邻的永久磁铁磁极之间的角距离。
8.如权利要求1所述的旋转电机，其中该定子磁极具有磁极面，其沿该气隙以基本相等的角距离延伸，并且该转子永久磁铁磁极具有磁极面，其沿该气隙以基本相等的角距离延伸，该定子磁极面的角范围不同于该转子磁极面的角范围。
9.如权利要求8所述的旋转电机，其中该定子磁极面由间隙分开，每组中相邻定子磁极面之间的间隙基本相等并且不同于相邻定子组之间的间隙。
10.如权利要求9所述的旋转电机，其中该转子磁极面由间隙基本均匀地分开，相邻转子磁极面之间的间隙不同于定子组内的相邻定子磁极面之间的间隙。
11.如权利要求1所述的旋转电机，其中该转子围绕该定子。
12.如权利要求1所述的旋转电机，其中定子组的数目是奇数，而每个定子组内磁极的数目是偶数。
13.如权利要求1所述的旋转电机，其中每个定子组单个地固定在定子环形圆环结构内，从而便于独立地拆卸和更换单个定子组和与其相关的转换供能电路元件。
14.如权利要求13所述的旋转电机，其中所述电机还包括板部件；和位于旋转轴线处的轴部件；其中，每个所述定子组与该旋转轴线以间隔开的径向距离固定于所述板部件；并且所述板部件连接于所述轴部件。
15.如权利要求14所述的旋转电机，其中所述间隔开的径向距离大于该定子环形圆环的内外边界直径之间的径向距离。
16.如权利要求13所述的旋转电机，其中所述电机还包括转子壳体，该环形转子与该旋转轴线以间隔开的径向距离安装在该壳体内，并且该转子壳体通过轴承被支撑成绕该轴旋转。
17.一种具有定子和转子的旋转电机，该电机包括绕旋转轴线同心设置并且被轴向气隙相互分开的的第一和第二环形圆环部件，其中所述第一部件包括电磁铁磁极组，该组沿其环形圆环基本是等距离分布，每个组包括磁绝缘的并与其他分开的磁性材料；所述第二部件包括以交替的磁极性沿该气隙基本等距离分布的多个永久磁铁磁极，该永久磁铁磁极具有沿其环形圆环的共用的磁回路；并且其中每组电磁铁磁极组包括被转换地供能的绕组，用于按照预先设置的顺序、无顺序的或随机激磁方案驱动该第一和第二部件之间的电动相互作用。
18.如权利要求17所述的旋转电机，其中该转子围绕该定子。
19.如权利要求18所述的旋转电机，其中该定子包括所述第一环形圆环部件，而该转子包括所述的第二环形圆环部件。
20.如权利要求19所述的旋转电机，其中该环形定子包括与该旋转轴线相距第一径向距离的内边界和与该旋转轴线相距第二径向距离的外边界，并且该内外边界之间径向距离小于所述第一径向距离。
21.如权利要求18所述的旋转电机，其中该定子包括所述第二环形圆环部件，而该转子包括所述的第一环形圆环部件。
全文摘要
一种旋转电机，其中定子和转子均构造成绕旋转轴线相互同心的环形圆环。每个转子或定子部件形成电磁铁磁极组，该组沿该环形圆环的角范围基本上等距离分布，每组包括磁绝缘的并与其他组分开的磁材料。其他部件包括以交替的磁激性沿形成在该部件之间的气隙基本等距离分布的多个永久磁铁磁极，该永久磁体磁极具有公用的磁回路。
文档编号H02K21/26GK1623268SQ02828689
公开日2005年6月1日 申请日期2002年3月29日 优先权日2002年3月29日
发明者博里斯·马斯洛夫, 亚历山大·平季科夫 申请人:波峰实验室责任有限公司