专利名称：轴向磁通电动机和发电机总成的制作方法
轴向磁通电动机和发电机总成本发明涉及一种特别适用于现代电动和混合动力道路车辆的轴向磁通电动机和发电机总成。当前，多数混合动力车辆属于“并行”类，这类车辆的车轮受到电动和机械两种驱动力的驱动。这样就能够在坡度较缓的城市道路上行驶时充分发挥电动优势，而在坡度较陡及需要加速时转换为机械驱动。根据定义，纯电动车辆和混合动力系列车辆应该能在单纯电动机驱动下爬上所有斜坡。还有一方面的理解是，通过尽量简化机械传动机构能够减轻重量，实现这一目标的一个有利方法是为每个车轮单独安装一个驱动电机。对于某一部给定车辆，其电动机总质量一定，因此当所有车轮均受到驱动时质量分布更加均勻，这就能够进一步降低结构质量。然后就能通过快速电子控制来实现“免”操控效益，例如可以在ABS(防抱死制动系统)和分布式制动力系统中增加防偏和防旋转控制。实践证明上述系统具有优势。如果各个车轮均受驱动，则电动机驱动系统不带任何减速齿轮装置，这是一个有利条件如果内燃机噪音不能掩盖齿轮噪音，则齿轮噪音十分突出，且减速齿轮的任何机械故障都可能酿成事故。所以， 设计目标之一就是简单的无齿轮直接驱动。大多数电动机的运转在速度更快时，其产生的功率也更大，这仅仅是因为当导电材料和磁性材料的质量一定时，转矩受到限制，所以功率与转速成比例。当转速导致机械应力过大或机械损耗(一定程度上与转速成比例)超出所能接受的范围时，达到功率上限。与电动机的转速相比，道路车轮的转速较为适中。所需转矩取决于车辆满载(可能包括拖车)时加速和爬坡规格中要求较高者。加速要求取决于车辆的设计种类型，例如， 对于跑车来说加速要求高于爬坡要求。但是，高加速或制动负载只出现在较短时间内，一般来说设计时考虑更多的是爬坡要求，因为爬坡所需时间较长。一般而言，牵引电动机能够在其额定转速范围内提供几近恒定的转矩。因此，用于无齿轮直接驱动型道路车轮的电动机理论上能够在达到全满速之前始终提供最大转矩。但是从理论上讲，这类电动机在全满速时功率很高，提高了对储能和控制系统的能力要求。因此，很可能多数车辆都被限制在一个范围内(以
图1为典型)，其中在与设计峰值功率曲线的交点处可以获得峰值转矩。转速更高时，电机控制器将把车辆的某些性能限制在一定范围内，如图1所示，表示为一条简单的恒定功率曲线。设计无齿轮驱动电机的目的是为了满足这一最大转矩要求，因此这比电机的所有其它驱动方面更为重要。与所有其它优点相比，这一成本还是可以接受的，尤其是省去传统传动结构后大大减轻了重量。如果使用一个固定减速装置，可以减轻电机和车辆的重量，但是为实现下列所述目的，应当这样理解期望获得转矩-质量比最高的电机，该电机足以被用作无齿轮驱动电机，但是如果用在车辆设计中，还适用于齿轮电机。用来提供牵引动力的电机有很多种，包括直流电机、感应电机和开关磁阻电机，而这些电机的重要工作原理各不相同。本发明介绍了一类新型电动机，其特点在于基本工作原理的不同。为便于理解，最好与先前的技术进行比较。如图2所示，在最简单的两极永磁(PM)直流电机中，磁极片3之间的永久磁场B径向穿过定子1和转子2之间的空隙，导体4沿转子2轴向延伸，电流I通过一个换向器(未画出)馈入导体4中。电流和磁场方向垂直，因此产生一个切向力。由于磁体和空气存在这种磁性性质，相对来说穿过空气间隙的磁通比较容易接近转子铁心铁饱和磁通，因此磁通密度有一个很容易达到的实际上限。由于电流只存在于转子径向深度的一小部分内并且绕组发热是实际极限，所以电流和磁场的相互作用受到几何因素和材料性质的限制。对于永磁直流电机，电气特性和机械特性基本上是直线关系，因为磁场强度几乎恒定电机的“反电动势”几乎与转速成正比关系，转矩与电流成比例关系，直至达到某些限制条件。虽然永磁电机的转矩-质量比较高且比较简单，但是这些固定性质对电子控制器提出了要求它们必须在低电压条件下产生很高的电流，以便完成起动、加速和爬坡；在低电流条件下产生很高的电压，用于高速巡航。已知有各种磁场弱化技术(如GB2338117中披露的一种技术)，这些技术允许在低速时获得最大磁通密度，但是速度较高时磁通密度出现衰减。解决该问题的其它既定方案是使用励磁绕组电机。此处磁场由一电磁铁产生，电枢导体电流与磁场相互作用产生转矩，这与上述永磁电机完全一样。此处当只需要低转矩时可以降低励磁绕组电流，这又会在高转速时降低电机的“反电动势”。与影响速度的磁场弱化技术相比其控制度较大，这不适合用在以电池为动力的车辆上，因为励磁绕组所用的能量白白丢失了。现在，通过比较先前技术并参照附图3和图4，对本发明的一个原理进行解释。图 3A是在一个永久磁铁产生的磁场中，带有电流的一个的导体受力情况，图:3B是在一个电磁铁产生的磁场中，一个导体的受力情况，很明显二者相同。相比之下，图4表示的是两条平行线间的作用力，其中介质的相对磁导率为Pr。下文说明的是单位长度内电流和力的关系。图3A和图;3B中的支配关系如下。若导体长度为1，电流为I，所在磁场的磁通密度为B，则作用力F等于三者乘积，即F = B.I.l等式 1导体承载电流的能力取决于导电率、横截面积、热导率以及所设计的散热方式。最大磁通密度取决于用来制造磁路的任何软磁性材料、磁通空气通路的长度以及磁通产生方式(永久磁体或励磁绕组)的强度。有一个与之密切相关的等式，可以计算在某一磁场中运动的一个导体产生的电动势电动势(电压)=磁通变化率=B. l.v等式2其中B和1与上式的含义相同，ν是导体在垂直于磁通的一个平面内穿过磁场B的速度。当速度一定时，电机发生旋转所需的电压等于维持电流、克服绕组电阻所需的电压与上文中电机的“电动势”之和。因此，如果忽略阻力损耗的话，可以这样理解电机受到两对简单比例关系的支配，即电流和转矩、电压和转速。还可以这样理解功率=角速度·转矩=电压·电流等式3因此可以理解为在比较电机时，假设其最高转速相同，则只需比较转矩，作为总质量的一个函数。在道路车轮采用无齿轮直接驱动的场合，由于其转速较低且不大可能超过实际极限，因此该方法特别有用。因此，一个简单直流电机的设计转矩可以用上文等式1中的力乘以力的有效半径
直接算出。在图3的任一版本中，单位长度上的力与磁场强度成简单比例关系，然而在图4 中，每路电流均产生一个磁场，计算力时要考虑一个导体在另一导体磁场内所受的力。如果两导体内电流相同，则两导体间的作用力与电流平方成正比。两个导体的电流分别为I1和I2，介质的磁导率为l·^，则采用国际单位制时单位长度上力F等于F=y0.yr. I1. I2/ (2. π · r)等式 4我们对教科书中以空气为介质时两根导线间力的分析比较熟悉，但上述等式表明，在磁导率较高的介质中力会增大。应当指出，每个导体受到另外一个导体磁场中的力， 该力基本上是相互的，即可以采用任一电流进行计算，其结果相同，等式4算出的是力的总和。应当进一步指出如果图4中的导线发生相对运动(相互靠近或分离)，由于一导线切割另一导线的磁通，将产生一个电动势。可以根据该原理制造实际机器，其中电流控制电机的反电动势，转矩与两电流之积成正比，但是由于一路电流受到另外一路电流磁场的作用力，因此在励磁绕组的励磁过程中能量没有白白流失。现有励磁绕组电机的优势在于没有这种能量流失。可以将这类电机简单地称为“相互耦合”电机。实用的电动机和发电机是通过高磁导率软磁性材料来实现的一电机钢板(或“铁板”)，其中旋转和静止磁性件之间有空气间隙。在一个特定磁路中，电流感应处的磁通与电流成正比，与组合磁路中的磁阻成反比。组合磁路一般含有空气间隙，以实现自由旋转因此，可以计算任何通路的一个有效磁导率。对于已知电动机和发电机，磁通为径向或轴向，但是电流和磁场的相互作用在每个方向上基本相等。要使用相互耦合原理制造一台电动机，轴向磁通电机具有优势。在先前技术中，一台轴向磁通电机总成的基本几何形状为两个面对面布置的圆盘，一个圆盘内带有径向延伸、角距恒定的导体，导体中的电流沿图5中的路径流动。另一圆盘的盘面上分布有极性交替变化的永久磁铁材料区，并含有相同数目的径向导体“辐条” 区，且磁通与圆盘面垂直。圆盘对外侧轴向上配有软磁性材料环，它将一个轴向通路产生的磁通返回到两个极性相反的相邻通路中。图6表示的是磁通样式，图5中的电流可与之相互作用。可以这样理解如果导体的径向“辐条”一开始与磁场区中心对齐，两极产生磁通并且导体中有电流通过，由于电流方向和磁场强度都与各个扇区相反，其结果是导体和磁场之间将产生一个转矩。另外，如果电流以相反方向通过导体，则会出现相反转矩。还可以进一步理解为该转矩可产生旋转，直至导体到达磁场边缘。还可以看出，如果在角向方向上布置一个以上这样的绕组且绕组角距较小，则可以连续有效地产生转矩，即形成一个实用的电动机。已知有这样一种电机，其中磁场由一个布置在两块磁性材料板之间的圆盘产生。该圆盘采用图6所示磁性区样式；磁性材料中嵌有如图5所示的绕组形式，例如 US2003/0189388A1 和 US 6844656B1 中披露的电机。
本发明的目的在于提供一种改进的轴向磁通电动机总成和一种改进的轴向磁通发电机总成。针对本发明第一个目所提出的技术方案是一种轴向磁通电动机总成，包括一堆相互交替的第一圆盘和第二圆盘，各圆盘之间有允许旋转的间隙，该堆圆盘中至少有一个第一圆盘以及至少有一个第二圆盘；第一圆盘或每个所述第一圆盘安装后能够旋转；第二圆盘或每个所述第二圆盘被固定在位置上；第一圆盘和第二圆盘中每个圆盘的一个面上都有磁性材料扇区，各磁性材料扇区之间是一条导电通路的径向延伸部分，用来传导电流， 第一圆盘或每个第一圆盘上磁性材料扇区的第一间距恒定，第二圆盘或每个第二圆盘上磁性材料扇区的第二间距恒定，所述的第一和第二间距可能相等也可能不相等；当所述导电通路的径向延伸部分有电流流过时，径向延伸的磁通通路中有磁通产生，方向与圆盘面垂直，如果抛开第二圆盘而单独考虑第一圆盘，则轴向延伸的一个磁通通路中的磁通方向与两侧相邻的磁通通路中的磁通方向相反，并被安装于总成两端的磁性材料磁通返回部分返回，总磁通为第一圆盘和第二圆盘磁通的叠加；该总成还包括开关电路，用以切换第一圆盘或每个第一圆盘或第二圆盘或每个第二圆盘中所述导电通路中的电流方向，保证与其它第一圆盘或第二圆盘的旋转方向一致，以此来实现第一圆盘或每个第一圆盘的连续旋转。在一个传统的励磁绕组电机中，电枢电流和磁场电流的控制是独立的，励磁绕组电流直接控制磁通密度，直至所用软磁性材料达到磁通饱和。传统励磁绕组电机的一个不利条件是，用来维持磁场绕组电流的电源白白丢失了，这就降低了电机的供电效率。但是这种布置的一个优势在于，当需要较宽的电机转速范围并且电源受到限制时，如图1所示，可以在电机以高转速低负载运行时降低磁场强度。这有助于降低电机的反电动势，使控制器的动态范围更加有限。与先前技术相比，体现本发明的轴向磁通电机总成具有一个重要优势，原因是可以在电机设计中运用一个励磁绕组电机的基本原理，其中所有电流均与磁场相互作用，因此在建立磁场时没有白白“浪费”的电流。本发明的一个优势在于，转矩与两电流之积成正比，如果两电流相等，则与电流的平方成正比。反电动势与转速和电流的乘积成正比。这十分适合于道路车辆的驱动，原因是它能够在低速时获得最大转矩，允许在部分转矩和高速条件下采用较低的驱动电压，并且在巡航速度下不会降低任何功率效率，这是制造能够提供高转矩机器的必然结果。应用互相耦合原理的最简单机器由两个圆盘组成的，一个旋转(转子)、一个静止 (定子)。各圆盘均带有磁性材料扇区，扇区周围绕有导体。由于磁性扇区之间的径向电流， 因此绕组中的电流方向肯定在相邻的径向导体中交替。最简单的形式是图5所示的单一迂回曲折式绕组，从中可以看出绕组不需要绕成完整线匝。除两个圆盘外，各端还有一个磁通返回环。使用两个以上圆盘建造的机器更有优势，最好是同时增加一个定子和一个转子。成套圆盘可以采用串联或并联方式连接，或采用二者的组合，以适应电压和电流要求。针对本发明第一个目所提出的技术方案是一种轴向磁通发电机总成，包括一堆相互交替的第一圆盘和第二圆盘，各圆盘之间有允许旋转的间隙，该堆圆盘中至少有一个第一圆盘以及至少有一个第二圆盘；第一圆盘或所述的每个第一圆盘安装后能够旋转，第二圆盘或每个所述第二圆盘被固定在位置上；第一和第二圆盘中每个圆盘的盘面上均有磁性材料扇区，各磁性材料扇区之间是一条导电通路的径向延伸部分，用来传导电流，当总成投入使用时，导电通路的相邻径向延伸部分中的电流极性相反，在第一圆盘或每个第一圆盘上，磁性材料扇区的第一间距恒定，在第二圆盘或所述的每个第二圆盘上， 磁性材料扇区的第二间距恒定，所述的第一和第二间距可能相等也可能不相等；当电流流经导电通路的所述径向延伸部分时，轴向延伸的磁通通路中产生磁通，方向与圆盘面垂直， 如果抛开第二圆盘而单独考虑第一圆盘，则轴向延伸的一个磁通通路中的磁通方向与两侧相邻的磁通通路中的磁通方向相反，并被安装于总成两端的磁性材料磁通返回部分返回， 总磁通为第一圆盘和第二圆盘磁通的叠加；该总成还包括旋转装置，以使第一圆盘或每个第一圆盘发生连续旋转，从而使第一圆盘或每个第一圆盘，第二圆盘或每个第二圆盘上所述导电通路中有电流流过，其旋转方向与其它第一圆盘或第二圆盘的旋转方向相反。体现本发明第一方面的一个总成最好还能被用作一台发电机。在体现本发明第一和/或第二方面的一个总成中，若第一间距和第二间距相等， 当总成投入使用时，则所有导电通路部分中，导电通路的相邻径向部分中的电流极性相反。 若第一和第二间距不相等，当总成投入使用时，除电流馈入点两侧的导电通路径向延伸部分的电流极性相同外，导电通路中相邻径向延伸部分中的电流极性相反。在体现本发明第一和/或第二方面的一个总成中，第一圆盘或每个第一圆盘内导电通路中的电流强度最好与第二圆盘或每个第二圆盘中的电流强度相同。可以将导电通路做成一个导电绕组的形式。其替代性方法是，第一和第二圆盘或每个所述第一和第二圆盘可以用导电材料做成，导电通路可以用磁性材料扇区周围的圆盘材料来充当。导电材料可以是铝合金。可以在圆盘上开槽，以便限定导电通路。在体现本发明第一和/或第二目的的一个总成中，可以在圆盘上开孔来形成磁性材料扇区，孔内填充高磁通密度软磁性材料。如果圆盘上带有用来限定导电通路的开槽，则可以使开槽与开孔互相连接。第一和第二圆盘中各个圆盘都可以有多个相互独立的导电通路。可以通过感应耦合的方式将电流馈入圆盘和/或从圆盘上引出。在一种布置方式中，共有两个这种第一圆盘和两个这种第二圆盘，它们组成两套圆盘，每套包括一个第一圆盘和与之相邻的一个第二圆盘，每套都有自己单独的磁通返回部分，并且其中一套第一圆盘和第二圆盘与另外一套第一圆盘和第二圆盘永久偏移，偏移量等于一个所述扇区宽度的一半。在一种交错布置方式中，有两个这种第一圆盘和两个这种第二圆盘，并且第一圆盘或第二圆盘中的任意一组都配有两个单独的导电通路。在另外一种交错布置方式中，第一圆盘或每个第一圆盘上磁性材料扇区的数目R 与第二圆盘或每个第二圆盘上磁性材料扇区的数目S不同，并且当第一圆盘或每个第一圆盘转过一个720(1/R-1/S)度角时每个第一圆盘导电通路中的电流发生一次换向。例如，R 可以是一个偶数，S可以是一个4个倍数。图1 (上述)是爬坡能力与道路速度的关系图；图2 (上述)是先前技术两极永磁直流电机图；图3A和3B (上述)是一个磁场中一个导体的受力图4A (上述)是两个导体的相互作用图；图5(上述)是先前技术中轴向磁通电机总成中的一个导体通路图；图6(上述)是一个磁通样式图，图5中导电通路中的电流可与之相互作用；图7是体现本发明的一个轴向磁通电动机总成图；图8是一个电路图；图9是体现本发明的另外一个轴向磁通电动机总成图；图10是一个圆盘示意图，可用在图7或图9中的总成中；图11是图10中圆盘与图5中导电通路的叠加图；图12A是另外一个圆盘的一个平面图，该盘可用在图7或图9中的总成中；图12B 是图12A中Y-Y的剖视图；图13A是图10中圆盘某一部分的详图；图1 是图13A中某一部分的详图；图13C 是图13A中Z-Z剖视图；图13D、13E和13F是解释可以如何制作圆盘各部分的各个视图；图 13G是图13A的另外一处细节；图13H是图12中圆盘的一个剖视图，剖视方向与图13C相
一致；图14A是将体现本发明的一个总成部分展平后的径向视图；图15A、15B和15C用来解释圆盘之间的角向关系；图16A至16F是各自的电流图；图17A到17C是开关电路图，与图16A到16F的电流图相对应；图18A到18D是阐述了各种绕组的可能性的示意图；图19为一个装置图，该装置用在体现本发明的一个总成中；图20是图19中装置的操控电路图；图21是图20中电路的一个时序图；图22用于解释建造一个电机总成的一种方法，该总成体现本发明。下文将对体现本发明第一方面的一个轴向磁通电动机总成进行详细描述，但是应当指出的是，可以制作一个与其设计相似的轴向磁通发电机总成。另外，可以将下述轴向磁通电动机总成设计成可逆型，即根据情况需要还可以当做一台发电机来用。如图7所示，体现本发明的一个轴向磁通电动机总成10包括一个由第一圆盘20a 和第二圆盘20b组成的圆盘堆，其中圆盘20a和20b交替布置，二者之间有一间隙，允许圆盘旋转。为简单起见，所示具体实施方式
的圆盘堆只包括两个第一圆盘20a和两个第二圆盘20b，但实际电动机可以包含一套多个第一圆盘20a和一套多个第二圆盘20b。第一圆盘 20a安装在一个能够旋转的轴40上，而第二圆盘20b固定在位置上。第一圆盘20a和第二圆盘20b内分别布置有磁性材料扇区200，各扇区200之间是导电通路201的径向延伸部分 202(下文称为一个“导体”或“辐条”)，用以传导电流。当总成投入使用时，相邻导体202 中的电流极性相反。第一圆盘20a和第二圆盘20b上各磁性扇区200的角向间距恒定，但是第一圆盘上磁性材料扇区的间距与第二圆盘上磁性材料扇区间距可能相等、也可能不相等。当导体202中有电流流过时，在圆盘20a和20b上轴向延伸的磁通通路中产生磁通，其方向与圆盘20a和20b的表面垂直；于是，若抛开第二圆盘而只考虑第一圆盘，则一个轴向磁通通路中的磁通方向与两侧相邻磁通通路中的磁通方向相反，并被安装于总成10各端的磁性材料磁通返回部分30返回。总磁通为第一圆盘和第二圆盘磁通的叠加。总成10还包括一个用于探测相对角位置的装置56，该装置位于第一圆盘20a和第二圆盘20b之间； 总成10还包括一个开关电路50，该电路用于切换第一圆盘20a或第二圆盘20b中某一圆盘上导电通路201中的电流方向，保证其与第一圆盘和第二圆盘中的另外一盘的旋转方向一致，实现第一圆盘持续旋转。可以通过传统方式来检测角向位置，例如光学检测或霍尔效应磁检测(未画出)。装置55用于向第一圆盘20a提供直流电。图8举例说明了如何实现第二圆盘(“定子绕组”)中的电流换向。开关电路50 包含一个传统桥式驱动电路，该电路包括半导体开关Sl至S4，可通过同时闭合Sl和S4或 S2和S3向定子绕组中通入任一极性的电流。传统角向位置检测装置56a的输出信号用来控制并驱动电子元件56b，元件56b还接收与停止-启动和方向信号有关的外部命令并分别产生驱动Sl至S4的信号。由于一个扇区与另外一个扇区发生相对运动时第一圆盘和第二圆盘内的磁通都会发生变化，因此磁通返回部分30(下文称“磁通返回环”)需要由低损耗钢制成(因此磁化循环不会生热)。它们最好是由传统的电机钢薄板组成，这样就能抑制涡电流，例如 FR2639486中披露的螺旋形布置方式，或采用能够支持磁通并抑制涡电流生成的符合铁粉或铁丝材料。在所示具体实施方式
中，磁通返回环30安装于第一圆盘20a和第二圆盘20b 的每个盘上，但是如果磁通返回环与未经切换的磁场一起旋转(或保持静止)，也许损耗会更低。在图9所示的另外一个替代性具体实施方式
中，可以只有一个圆盘20a，并且20b可以分成分别位于圆盘堆两端的两个圆盘20c，这两个圆盘20c的厚度是第一和第二圆盘20a 和20b中各圆盘厚度的一半，并且所带磁性材料扇区205的厚度是第一和第二圆盘20a和 20b中磁性材料扇区厚度的一半。也可以颠倒过来布置，即圆盘20b可以为全厚圆盘并位于两个半厚磁盘20d的中间，20d安装在转轴上。也可以使用多个圆盘进行布置，一般形式为如果有N个类型为20a或20b的全厚圆盘，则有N-I个全厚圆盘以及两个位于圆盘堆各端的半厚圆盘20c或20d。在最简单的具体实施方式
中，第一圆盘20a和第二圆盘20b基本上完全相同。圆盘20a和20b可以采取图10所示的形式，其中圆盘250的主体结构为铝合金。所有铝合金都有很好的导电性，并且密度低、机械强度大。现在只考虑铝合金部分，可以看出开孔260 和槽状间隙270的两侧形成一个导电通路201，该通路形式如图5所示。图11是图10中总成与图5中导电通路201的叠加图。尽管在铝合金圆盘上切割导电通路会将显著降低其机械强度和挠度，但这可以通过增加合成材料并使用非导电高强度树脂的方式进行补偿。尤其是可以在圆盘的外圆周上加工狭槽并在槽内缠绕高强度纤维并用树脂粘合，使其强度得到明显增强。这种圆盘尤其适用于低速、高转矩电动机。但是对于其它用途来说，更为合适的方式也许是在圆盘20a和20b上布置绕组、进而形成导电通路201，如图12A和12B所示，230 为传统绕组，该绕组可以是环绕各扇区200的单匝或多匝绕组，以满足电压和电流要求，并用树脂材料(如环氧树脂)粘结到磁性扇区200上。磁性扇区200可以由一种软磁性材料制成，该材料能够承受高磁通密度，例如电机钢薄板或树脂粘合铁粉。磁性扇区200和绕组 230之间为材料层236，用来提高结构强度并起保护作用。每个圆盘面上有加固层23 和 23 ，材质为玻璃钢或凯夫拉(一种合成纤维)等，覆盖除磁性扇区200外圆盘上的各个部分。
在本发明的本具体实施方式
中，铝合金圆盘250内磁性扇区200由开孔沈0内填充的磁性材料265组成。磁性材料沈5为一种能够承受高磁通密度的软磁性材料，例如电机钢薄板或树脂粘合铁粉。为方便起见，上述叠片结构显示于图13A。如图13B中平面图以及图13C中导体202周围部分所示(不包括图13A)，磁性材料265边缘部分有一绝缘层沈6，这样电流就被限制在预定路径，不会进入或穿过磁性材料沈5。该绝缘层266采用便利的固定方式进行结合，边界周围使用玻璃带，里面充满树脂(如环氧树脂)。若磁性材料采取电机钢薄板的形式，则采用图13D和13E的方式比较有利。可将导体202简单地看作是径向导电“辐条”，其两端部分弯曲、中间部分大体平直。这样就能将电机钢薄板切割成短段和长段沈恥，在导体202的平直段和弯曲段相接处形成“接缝” ^5c。重要的一点是接缝上的任何间隙比圆盘20a和20b的间隙小，这样通路的磁阻的改变就相对较少。交替的薄板层被放置在圆盘内，使得接缝的位置出现交替(以完全类似于砌砖时的“咬合”砌法进行)，如果构造是与树脂胶合而成，则会在复合结构里面形成叠片结构，这种结构通过“辐条”的截面形状机械地锁定在圆盘内。作为一种替代性方案，圆盘的磁性部分也可以由铁粉和树脂的复合物制成， 将图13F所示空间完全填满在复合物不导电的情况下，可以省略图1 和13C所示的绝缘层。在图13G中，导体202中间有两个冷却通道20 ，可以采用传统方式通过该通道进行液体冷却。在图13H中，导体由线束组成，相当于图12的剖面详图。在此类结构形式中，还可将导线之间的间隙用作液体冷却通道。可以通过多种方式来理解该装置的工作原理，但最简单的应是将第一套圆盘视为 “磁场”提供圆盘，第二套与之交错的圆盘提供电流，显然二者之间有力产生，进而产生转矩，其方式与一个永磁电动机类似。力的精确计算很复杂，对于一项详细设计来说最好是采用“有限元”方法。计算两组电流产生的磁场略微简单些，因为对于每组电流来说可以简化为简单的磁阻计算，如下所示。援引线性磁场叠加原理(并且对于未能使磁性材料饱和的磁场，该原理有效)，总磁场(B)是两个单独磁场之和。图14是展平后的径向视图(即若不考虑曲率影响，基于本原理的一个线性电动机属于这种情况)。还可以这样来看这是在一个高磁导率介质中自由运动的一组同性和异性电流， 其中圆盘之间的空气间隙较小，所以有效磁导率保持较高水平。同性电流吸弓丨、异性电流排斥，因此从任意一个开始位置，同性电流都倾向于对齐。如果此时一组电流的方向发生改变 (并假设存在某些旋转惯性和一个以上绕组相)，则装置将继续朝另一个扇区旋转。值得注意的是磁性介质之间的间隙小意味着有效磁导率保持高水平，该间隙在轴向方向上保持恒定，该间隙是在电流一定的情况下用来控制磁场强度的设计参数(见下文)。同样，该间隙还代表任何磁通通路中的主导磁阻。其效果是磁通在间隙内均勻分布 (就各组电流单独产生的磁场来考虑)。这一现象的结果是磁通与一电流相互作用所产生的力现在基本上呈线性，该力穿过多数磁性扇区面，并且两路平行电流相互作用的预期1/r 依赖性(根据图4，其中r为间距)被线性化。只允许各个导电通路201生成一个密度仅为饱和磁通一半的磁通密度，因为必须保证两套圆盘产生的磁场叠加时不会使磁性材料达到饱和。
必须将电流馈入旋转的圆盘，但是由于连续旋转所需的电流转换只需在第一圆盘 20a或第二圆盘20b上发生、而非同时发生，该转换动作可以在静止的第二圆盘20b上发生， 在此情况下只需向旋转的第一圆盘20a上馈入直流电。在设定旋转圆盘之间的间隙时，必须保证导体内的电流在圆盘之间生成所需磁场，并且为获得最大转矩，在工作电流达到最大时该磁场密度应为饱和磁通密度的一半。但是，一个导电“辐条”的导电能力(尤其是使用液体冷却时)与辐条的横截面成比例，而横截面与线性尺寸的平方成比例。可以看出，如果忽略末端效应(一般情况下磁性扇区200的径向长度大于其宽度) 并且只考虑一套圆盘，则每个磁性材料扇区200周围生成的安匝数Amp Turns需要保证该临界磁通穿过两个气隙(原因是第一圆盘20a和第二圆盘20b交错)。可以忽略磁性材料的磁阻(原因是磁性材料的相对磁导率很高)，因此两个主要关系为H. 2.间隙=安匝数Bs72 = μ ο. H因此，安匝数=2.间隙· Bs72/ μ 0.其中Bs/2是饱和磁通的一半，μ ^是自由空间的磁导率，H是H磁场。然后就出现了一个非常简单的关系式，即对于一个给定磁通，必要安匝数可以简单地表示为一个给定磁通的间隙毫米数，因此安匝数=0.001/μ。=大约800安/毫米.特斯拉如果圆盘厚度为d，间隙为g，电流密度为J，将导体横截面简化为正方形，横截面积为d2，电流为J. d2。举例来说，如果材料的饱和磁通密度为2特斯拉，则一套圆盘产生的磁通不应超过1特斯拉，所以g = J. d2/800每特斯拉(半饱和磁通密度)对应的毫米数可将该关系简单地按比例换算为其它工作磁通密度。如果假设导体的横截面为正方形，可以直接看出间隙与线性尺寸的平方成比例。由于可将一个狭窄间隙的加工公差看作装置的线性尺寸公差，可以看出建造较大机器相对来说比较容易。也可以这样说，一个给定间隙需要导体202的一个给定横截面，因此在较大机器中可以降低一个分段的角向宽度。下表是电流密度为5安/平方毫米、材料饱和磁通密度为2特斯拉时的间隙值。
权利要求
1.一种轴向磁通电动机(10)总成，包括一堆相互交替的第一圆盘和第二圆盘O0a，20d ;20b，20c)，各圆盘(20a，20d ;20b， 20c)之间有允许旋转的间隙，该堆圆盘中至少有一个第一圆盘Q0a，20d)以及至少有一个第二圆盘(20b, 20c)；第一圆盘或每个所述第一圆盘(20a，20d)安装后能够旋转； 第二圆盘或每个所述第二圆盘(20b，20c)被固定在位置上；其特征在于 第一圆盘和第二圆盘(20a, 20d ；20b, 20c)中每个圆盘(20a, 20d ；20b, 20c)的一个面上都有磁性材料扇区000，205)，各磁性材料扇区(200,20 之间是一条导电通路(201)的径向延伸部分002)，用来传导电流，第一圆盘或每个第一圆盘(20a，20d)上磁性材料扇区 (200,205)的第一间距恒定，第二圆盘或每个第二圆盘(20b，20c)上磁性材料扇区(200， 205)的第二间距恒定，所述的第一和第二间距可能相等也可能不相等；当所述导电通路O01)的径向延伸部分(202)有电流流过时，径向延伸的磁通通路中有磁通产生，方向与圆盘O0a，20d ；20b, 20c)面垂直，如果抛开第二圆盘(20b，20c)而单独考虑第一圆盘O0a，20d)，则轴向延伸的一个磁通通路中的磁通方向与两侧相邻的磁通通路中的磁通方向相反，并被安装于总成(10)两端的磁性材料磁通返回部分(30)返回，总磁通为第一圆盘和第二圆盘(20a，20d ;20b，20c)磁通的叠加；该总成(10)还包括开关电路(50)，用以切换第一圆盘或每个第一圆盘(20a，20d)或第二圆盘或每个第二圆盘O0b，20c)中所述导电通路O01)中的电流方向，保证与其它第一圆盘(20a，20d)或第二圆盘Q0b，20c)的旋转方向一致，以此来实现第一圆盘或每个第一圆盘(20a, 20d)的连续旋转。
2.一种轴向磁通发电机总成，包括一堆相互交替的第一圆盘和第二圆盘O0a，20d ;20b，20c)，各圆盘(20a，20d ;20b， 20c)之间有允许旋转的间隙，该堆圆盘中至少有一个第一圆盘Q0a，20d)以及至少有一个第二圆盘(20b, 20c)；第一圆盘或所述的每个第一圆盘(20a，20d)安装后能够旋转， 第二圆盘或每个所述第二圆盘(20b，20c)被固定在位置上；其特征在于 第一和第二圆盘(20a, 20d ；20b, 20c)中每个圆盘(20a, 20d ；20b, 20c)的盘面上均有磁性材料扇区000，205)，各磁性材料扇区(200，205)之间是一条导电通路Q01)的径向延伸部分002)，用来传导电流，当总成(10)投入使用时，导电通路(201)的相邻径向延伸部分Q02)中的电流极性相反，在第一圆盘或每个第一圆盘(20a，20d)上，磁性材料扇区 (200,205)的第一间距恒定，在第二圆盘或所述的每个第二圆盘(20b，20c)上，磁性材料扇区O00，205)的第二间距恒定，所述的第一和第二间距可能相等也可能不相等；当电流流经导电通路001)的所述径向延伸部分002)时，轴向延伸的磁通通路中产生磁通，方向与圆盘O0a，20d ；20b, 20c)面垂直，如果抛开第二圆盘(20b，20c)而单独考虑第一圆盘O0a，20d)，则轴向延伸的一个磁通通路中的磁通方向与两侧相邻的磁通通路中的磁通方向相反，并被安装于总成(10)两端的磁性材料磁通返回部分(30)返回，总磁通为第一圆盘(20a, 20d)和第二圆盘(20b, 20c)磁通的叠加；该总成还包括旋转装置，以使第一圆盘或每个第一圆盘(20a，20d)发生连续旋转，从而使第一圆盘或每个第一圆盘(20a，20d)上所述导电通路001)，或者，使第二圆盘或每个第二圆盘(20b，20c)上所述导电通路O01)中有电流流过，并且，电流方向的反向与其余的第一圆盘或第二圆盘的旋转对应。
3.权利要求1所述的一个总成，该总成还可被用作一台发电机。
4.前述任何权利要求所述的一个总成，其特征在于当总成(10)投入使用时，如果第一间距和第二间距相等，则所有导电通路部分O02)中，导电通路O01)的相邻径向部分 (202)中的电流极性相反。
5.权利要求1到3中任何一项所述的一个总成，其特征在于若第一和第二间距不相等， 当总成(10)投入使用时，除电流馈入点两侧的导电通路径向延伸部分(202)的电流极性相同外，导电通路O01)中相邻径向延伸部分(202)中的电流极性相反。
6.前述任何权利要求所述的一个总成，其特征在于第一圆盘或每个第一圆盘(20a， 20d)内导电通路O01)中的电流强度与第二圆盘或每个第二圆盘Q0b，20c)中导电通路 (201)的电流强度相同。
7.前述任何权利要求所述的一个总成，其特征在于导电通路O01)由一个导电绕组 (230)组成。
8.权利要求1到6中任何一项所述的一个总成，其特征在于第一、第二圆盘或每个所述第一、第二圆盘O0a，20d ；20b, 20c)可以用导电材料做成，导电通路(201)可以用磁性材料扇区(200，205)周围的圆盘材料来充当。
9.权利要求8所述的一个总成，其特征在于导电材料为一种铝合金。
10.权利要求8或9所述的一个总成，其特征在于圆盘上开有狭槽070)，以便限定导电通路(201)。
11.前述任何权利要求所述的一个总成，其特征在于所述的磁性材料扇区(200，205) 上设有开孔060)，孔内填充高磁通密度软磁性材料065)。
12.权利要求11所述的一个总成，当作为与权利要求10的一个补充时，其特征在于所述的狭槽O70)与所述的开孔(沈0)相互连接。
13.前述任何权利要求所述的一个总成，其特征在于所述的第一圆盘和第二圆盘 (20a, 20d ；20b, 20c)中每个圆盘都有多个相互独立的导电通路001)。
14.权利要求1或3所述的一个总成，或用来补充权利要求1或3的权利要求8到13 中任何一项所述的一个总成，其特征在于采用感应耦合的方式将电流馈入圆盘O0a，20d ； 20b,20c)。
15.权利要求2或3所述的一个总成，或用来补充权利要求2或3的权利要求8到13中任何一项所述的一个总成，其特征在于采用感应耦合的方式将电流从圆盘O0a，20d ；20b, 20c)上引出。
16.前述任何权利要求所述的一个总成，其特征在于有两个第一圆盘(20a，20d)和两个第二圆盘(20b，20c)，它们组成两套圆盘，每套包括一个第一圆盘和与之相邻的一个第二圆盘，每套都有自己单独的磁通返回部分(30)，并且其中一套第一圆盘和第二圆盘与另外一套第一圆盘和第二圆盘永久偏移，偏移量等于一个所述扇区(200,20 宽度的一半。
17.权利要求1到15中任何一项所述的一个总成，其特征在于有两个第一圆盘和两个第二圆盘，并且第一圆盘或第二圆盘中的任意一个都配有两个单独的导电通路。
18.权利要求1到15中任何一项所述的一个总成，其特征在于第一圆盘或每个第一圆盘(20a，20d)上磁性材料扇区Q00)的数目R与第二圆盘或每个第二圆盘(20b，20c)上磁性材料扇区(200)的数目S不同，并且当第一圆盘或每个第一圆盘(20a，20d)转过一个 720(1/R-1/S)度角时第一圆盘或每个第一圆盘(20a，20d)导电通路(201)中的电流发生换向。
19.权利要求18所述的一个总成，其特征在于R和S为偶数。
20.前述任何权利要求所述的一个总成，其特征在于导电通路O01)的每个径向延伸部分(202)还沿着圆盘(20a，20d;20b，20c)面厚度方向延伸，并且在圆盘上任一径向位置上测量，在靠近圆盘表面处导电通路部分O02)的宽度小于靠近圆盘厚度中间处导电通路部分的宽度。
21.权利要求20所述的一个总成，其特征在于在圆盘(20a，20d;20b，20c)面厚度方向上，导电通路部分(20 的中间部分基本平直，导电通路部分的(20 的各边缘部分基本为曲边。
22.权利要求21所述的一个总成，当作为权利要求8的一个补充时，其特征在于圆盘材料包括电机钢薄板，并且相邻的薄板层06fe，265b)在导电通路部分O02)的平直边和曲边相接处形成一个接缝065c)，薄板层Q65a，沈恥)的布置方式使各相邻导电通路部分 (202)中的接缝065c)偏移。
全文摘要
一个轴向磁通电动机总成(10)包括一个由第一圆盘(20a)和第二圆盘(20b)组成的圆盘堆，其中圆盘(20a、20b)交替布置，二者之间有一间隙，允许圆盘转动。第一圆盘(20a)安装在一个能够转动的轴(40)上，而第二圆盘(20b)安装在固定位置。第一圆盘(20a)和第二圆盘(20b)的圆盘面上分别布置有磁性材料扇区(200)，各扇区(200)之间是一个导电通路(201)的一个径向延伸部分(202)，用以传导电流。第一圆盘(20a)和第二圆盘(20b)上各磁性扇区(200)的角向间距相等，但是第一圆盘上磁性材料扇区的间距与第二圆盘上的间距可能相等、也可能不相等。当导体(202)中有电流流过时，在圆盘(20a、20b)上轴向延伸的磁通通路中产生磁通，其方向与圆盘(20a、20b)的表面垂直；于是，若抛开第二圆盘而只考虑第一圆盘，则一个轴向磁通通路中的磁通方向与两侧相邻磁通通路中的磁通方向相反，并被安装于总成(10)各端的磁性材料磁通返回部分(30)返回。总磁通为第一圆盘和第二圆盘磁通的叠加。总成(10)还包括开关电路(50)，用来切换第一圆盘(20a)或第二圆盘(20b)中某一圆盘内导电通路(201)中的电流方向，使圆盘转动方向与另外一个第一圆盘或第二圆盘的转动方向保持一致，这样就能使第一圆盘连续转动。
文档编号H02K21/24GK102265483SQ200980151828
公开日2011年11月30日 申请日期2009年12月16日 优先权日2008年12月18日
发明者蒂默希·理查德·克劳克 申请人:斯马工程有限公司