横向磁通引导、高推力扭矩和低惯量分段电动机/发电机的制作方法与工艺

本发明通常涉及一种无刷直流电动机和/或发电机，尤其是无刷高磁极数多相横向磁通永磁电机。本发明进一步描述/涉及一种具有高能量转换效率和高效率的电动机/发电机，或者一种高功率的横向磁通引导、高推力扭矩和低惯量同步电动机/发电机，其单个的磁极是分段偏置在返回绕组上。

背景技术：
与常规的电机相比，同样的安装体积，横向磁通电机能够实现更高的扭矩密度。这是基于这样的事实，在横向磁通电机中，扭矩的增加可以通过增加磁极的数量和磁通密度来实现。在横向磁通电机中，与常规电机相比，磁通量不是纵向的而是横向的。即，电场和磁场相对彼此旋转90度。横向磁通电机被描述，例如，在EP1005136A1中，通过U形和I形磁轭的特别配置减少了散射路径，所以旋转推力较高。横向磁通电机的另一个实施例在生产技术上更容易生产，同时具有最高的可能效率和最高的可能扭矩，也由DE102006038576中已知。在横向磁通电机中的较高的推力扭矩是通过包括非常多的单个部件的结构实现的。然而，由于环形线圈的易于制造和多个单个部件的可能的自动化装配，其优点突出。

技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种横向磁通电动机/发电机，其制造经济，具有高效率和高转矩，即与已知的结构相比，可以进一步增加转矩。本发明的一个方面特别地简化制造过程并降低制造成本。根据本发明的横向磁通电动机/发电机特别适用那些需要小的安装空间却同时需要高推力转矩的应用。本发明的目的由具有横向磁通引导的多相分段高功率同步电机解决，包括至少两个或多个双段。两个或多个双段形成直线电动机或发电机的段，或者旋转电动机或发电机的段。两个或多个双段包括一行永磁体和具有一个或多个周向绕组的软磁磁轭。由于每种情况的双向结构，同样大小的绕组电流流经两个同样大的段。由于磁轭的移相设置，推力扭矩在运动的相同方向产生。磁轭可以设置成向下折叠或并排。根据本发明的一个实施例，磁体以形成两相的方式设置，一行磁体被使用，这样做节省磁性材料。同时，磁通传导材料的节省通过磁集中器的方式实现。磁通材料尤其可以用注射成型MIM(MIM，MetalInjectionMolding，金属注射成型)技术制造，绿色环保材料或烧结材料可以用作磁通传导材料。根据本发明的一个实施例，磁通传导材料包括由粘接剂粘结在一起的软磁带。为了稳定和保护，由软磁带制成的磁通传导材料进一步被包裹在塑料中，定子优选由导热塑料注射成型。根据本发明的一个实施例，磁通传导材料中的磁场强度被磁集中器加强。根据本发明的一个实施例，磁体装置被两个磁轭元件的装置共同使用，使得电机的功率或扭矩大体上约加倍或增加约90％。根据本发明的一个实施例，该电机包括两个或多个互相连接的转子环，具有交变极性(磁极)的磁体连接在其上。由于这种结构，两个或多个互相连接的具有磁极的转子环优选地具有相当大的有效和可用的磁面积。根据本发明的一个实施例，电机的分段结构可以非常简单的集成到机动车辆中。根据本发明的一个实施例，列出的措施构成重量减轻，尤其当用于兆瓦级的风力发电机中，减轻到相当大的程度。根据本发明的一个实施例，磁轭元件的磁极末端的宽度与磁体的宽度具有约为0.7的比例。根据本发明的一个实施例，U形磁轭元件的磁轭支腿的边缘在磁极末端的区域具有大体上为多边形的形状，以避免对磁场的任何压缩。附图说明本发明将从下面的说明和附图中被更好的理解，这些只是作为一个示例，因此不应限制本公开。图1示出了作为例子的无刷直流电动机/发电机在一相分段设计中的原理；图2示出了作为例子的在无刷直流电动机/发电机的分段设计中的双倍利用的磁体和磁集中器的原理；图3示出了作为例子的根据本发明的具有向下折叠段的无刷直流电机的截面图；和图4a至图4d示出了根据本发明的磁轭元件的各种形状。具体实施方式图1用示意性的简化视图示出了作为例子的无刷直流电动机/发电机在一相分段设计中的原理。移相磁轭元件1a,…,1c,2a,…,2c具有U形形状的软磁材料并且围绕有横向线圈/绕组8。当通电时，如箭头所示，在电动机运转时，磁体4在磁轭之上被拖动，或者，当磁体4在磁轭元件1a,…,1c,2a,…,2c上移动，在发电机运转中产生电压。该原理用不具有双倍利用的磁体4作为一个例子在图1中示出，并示出了几个实施例中的一个。移相磁轭元件2a,…,2c设置在横向线圈8的返回部分。根据设计，在单向横向磁通电机和双向横向磁通电机之间是有区别的，在单向横向磁通电机中，围绕绕组以用于引导磁通的磁轭元件只设置在永磁体的一侧，在双向磁通电机中，磁轭设置在永磁体的两侧。与传统的电子换向(EC，ElectricalCommutation)电机相比，高功率同步电机具有2/3少的绕组要求，因为绕组完全位于磁路中，并且由于永磁体的双倍利用，磁体的质量降低高达50％。这种结构同时减少所需要的磁通传导材料和以及其重量。由于磁体材料的双倍利用，双倍推力扭矩横向磁通电动机/发电机大大减小体积。提高效率的材料节省还降低了转动惯量。本发明涉及一种横向磁通电动机/发电机，可以高效生产，减少材料需求量，大大降低重量并提高效率。能量密度可以比转矩电动机/发电机高至3倍。根据本发明的横向磁通电动机/发电机的应用实例为，例如，超级同步电动机，其尤其适于安装在小直径的管子中，类似于气缸，绞盘或主轴电机，其中在该应用示例中电动机的长度是次要的。必要的方面尤其是在高扭矩时不需要变速器实现最低速度。另一个应用实例是位于自行车的挡泥板上的电动机/发电机的结构，其中车轮作为转子。另一个应用实例是直线电动机/发电机。这里首先强调的是在工具中具有在高功率时慢速移动，而不需要变速器，并且在机械工具中有较小的重量，同时，高动态是必须的。另外的应用实例是可用市电电压直接运行的外转子电动机和小型电动机，在具有高路径精度的弯曲轨道上的超同步电机等等。开发目的和解决方案由前面所提到的原因，目的在于开发一种电动机/发电机，具有以下改进：缓慢运动-这是由每步小路径的高磁极数实现的。每单位重量的高推力扭矩和高功率-这是由具有小磁体的高磁极数实现的；-这是由磁性表面的更好利用实现的；和/或-这是由高气隙磁感应实现的。缓慢运行或低转速时的高效率-这是由高磁极数和磁饱和限制实现的。因此，高效率，低热损耗由于电流、低铁芯损耗和大的有效磁性表面得以实现。这是由磁性表面的双倍利用实现的，其对应于可用磁场的倍增。简化生产-这是由磁通量材料的注射成型实现的；和/或-这是由自动绕线技术实现的。布线的低开支，尽管高磁极数对-这是由每相只有一个绕组实现的。电动机/发电机应具有低转动惯量-由减少磁体质量获得具有更高磁通密度的低推力转动惯量。电动机/发电机应具有更高功率和推力矩-由于由矩形和/或片状金属制成的线圈的紧凑结构，铜填充度，因此功率密度是增加的；和/或-由于使用NdFeB磁体和磁面积的获得，效率显著增加。根据本发明的另外的实施例通过增加铜填充度，功率会增加，对于横向线圈8，与圆线相比，使用扁平材料(片状金属)填充率由约65％升到约96％。由于磁结构的双面结构，通过可用磁性表面的加倍功率可以增加约90％。根据本发明的电动机/发电机的总损耗的很大一部分是由线圈的电阻引起的损耗。由于先前和以下描述的措施，可用的线长大大增加，因此电阻较低，欧姆损耗减少。模拟表明，尤其是根据本发明的磁轭元件的磁极末端的形状是可以优化的。因此，这表明，例如，磁极的宽度与磁体的宽度的约为0.7的比例(图4d中也表明了这一情况)是应该争取的。为了降低饱和趋势，边缘可以进一步配置成圆形的，根据本发明的磁轭元件的磁极末端的区域的多边形形状。具有这样的多边形形状的边缘，不会发生磁场压缩，在过渡区域磁场强度比较低。图2用示意性的简化视图示出了作为例子的磁集中器和磁体的双倍利用的原理。如可以由先前描述的图1确定，磁体的未利用的部分在无刷直流电动机/发电机运行过程中始终存在。为了避免这样，磁体的双倍利用可以做到，这还伴随着更高的能量密度。双倍利用，这里同样也作为磁集中器或磁集中器技术，以使更高的能量密度可以达到，这样与其他技术相比，可以获得明显更高的功率。为了这个目的，在磁体装置的两边包括磁体4和磁通传导材料5(彼此交错排成一列，磁体的极性交替相对对齐)，磁轭元件1a，1b，2a设置在根据磁体的极性形成的磁通9所在处。磁轭元件1a或1b和磁轭元件2a都设置在磁体装置的相对侧。图3示出了具有两个外部磁环的根据本发明的电动机/发电机的可能的结构的原理，作为本发明的一个实施例的例子。根据本发明的另外的替代实施例是具有内部磁环的结构，该磁环具有根据先前描述的磁体的双倍利用，由此可以实现节省磁体材料。图3示出了具有相位偏移的磁轭元件1a，…，1f和2a，…,2f，它们都底面对底面的设置在支架7。横向线圈8由磁轭元件1a，…，1f和2a，…,2f围绕。在每种情况下，磁体以两个磁体装置的形式提供在磁极末端。每个磁体装置包括返回板6，在该示意性的实施例中，单个磁体粘接在返回板上，对应于U形磁轭元件的每个支腿或者为了U形磁轭元件的每个支腿的每个磁极末端。在图4a至4d的设计中，示出了根据本发明的磁轭元件的各种形状。图4a示出了根据本发明的在支腿3b之间具有桥或板3a的U形磁轭元件1/2的平面图，其具有根据极化永磁体(未示出)极化的N极或S极。为了增加扭矩，可以提供的是，U形磁轭元件的磁极设计成可以加宽为极靴，可以由在下文中描述的图4b中推断出。由于这些加宽，有效扭矩表面被放大，气隙中的磁通密度被减小。如可以由在下文中描述的图4a或图4c中的根据本发明的磁轭元件的简图推断，磁轭支腿3b具有桥或板3a相对它们的横向平面倾斜延伸。倾斜延伸的桥或板3a形成具有相位偏移的磁轭元件。优选地，一个磁轭元件的支腿3b具有的相位偏移被一个磁极分量抵消，通过一个相应配置的倾斜延伸的桥或板3a。图4b示出了根据本发明的磁轭元件1a和1b的侧面剖视图，具有横向绕组8和带有返回板6的磁体4。从侧视图中可以看出，U形磁轭元件的磁极设计成可以加宽为极靴，极靴可以延伸到U形磁轭元件1a和1b的内部区域。在一个示意性的实施例中，示出了磁体4分别延伸越过根据本发明的磁轭元件1a和1b的一个磁极末端。横向绕组8由多个圆线作为示例说明。然而如前文所述，横向绕组8可以由板形元件构成，例如，片状金属元件。图4c示出了根据本发明的磁轭元件的简化立体示意图，该磁轭元件具有位于两个磁轭支腿3b之间的桥或板3a，其具有根据极化永磁体(未示出)极化的N极或S极。图4d示出了根据本发明的磁轭元件1/2和横向线圈/绕组8的侧视图。这些部件形成定子。转子包括具有交替N级/S极磁化4a和S极/N极磁化4b的磁体4。根据本发明的磁轭元件1/2的磁极末端的宽度BJ和磁体的宽度BM有利的具有约0.7的比例。为了减小饱和趋势，边缘优选为圆形，根据一个多边形形状。多边形的形状可以由模拟的方法确定，该模拟考虑到取决于材料选择的最大磁场强度。作为根据本发明的U形磁轭元件的磁极末端的多边形边缘的这样一个优化的结果，没有磁场压缩形成，且过渡处的磁场较低。参照表1，1a，1b,...:磁轭元件2，2a，2b,...:磁轭元件3a:磁轭元件的(磁轭)板/桥3b:磁轭元件的(磁轭)支腿4，4a，4b：磁体(N-S或S-N磁化)5：磁通传导材料6：返回板7：支架8：横向线圈/绕组9：磁通