用于电机的磁通引导件的制作方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年1月31日提交的题为“用于电机的磁通引导件”的美国专利申请no.15/421,071的优先权，该申请的全部公开内容特此整体并入本文。
本公开的领域总体上涉及电机，并且更具体地涉及用于电机的磁通引导件。
背景技术：
电动机的诸多应用之一为运转泵或鼓风机。电动机可构造成使泵或鼓风机内驱替流体的叶轮旋转，从而使流体流动。许多气体燃烧器具——例如热水器、锅炉、泳池加热器、小型取暖器、炉和辐射式加热器——包括电动机。在一些示例中，电动机为鼓风机供电，鼓风机使空气或燃料/空气混合物移动通过器具。在另一些示例中，电动机为鼓风机供电，鼓风机分配从器具输出的空气。
用于此类系统中的一种常见的电机为交流(ac)感应电机。典型地，ac感应电机是径向通量电动机，其中通量从旋转轴径向延伸。可以在上述应用中使用的另一类型的电机是电子换向电动机(ecm)。ecm可包括但不限于无刷直流(bldc)电机、永久磁体交流(pmac)电机和可变磁阻电机。典型地，这些电机提供比交流感应电机高的电气效率。一些ecm具有轴向通量构型，其中气隙中的通量沿平行于电机的旋转轴线的方向延伸。
至少一些已知的轴向通量电机包括具有多个永久磁体的转子和具有环形背铁的定子。背铁包括形成在背铁上的多个磁齿，其上设置有导电绕组。与转子位于定子内(或反之亦然)的径向通量电机不同，转子和定子以面对面的构型彼此相邻地定位。电磁齿环形地设置在定子周围，并从将各齿彼此联接的背铁朝向永久磁体轴向延伸。然而，这些已知的轴向通量电机通常需要定制部件和昂贵的设备来制造具有不同运行特性(例如，电机尺寸、转矩、速度、极数等)的电机。另外，在不更换整个转子或定子的情况下，可能难以进行对这些电机的部件的维护。
技术实现要素：
在一方面，一种用于电机的转子包括：圆形转子基座，该圆形转子基座具有第一表面、第二表面和从第一表面延伸到第二表面的周向外边缘；多个磁体，其靠近转子基座的周向外边缘设置；和多个磁通引导件。每个磁体具有第一表面和第二表面。每个磁体的第一表面附接到圆形转子基座的第一表面上，并且每个磁体的第二表面限定第一形状。每个磁通引导件附接到不同磁体的第二表面上，并且具有附接到第一相应磁体的第二表面上的第一表面和与第一表面相对的第二表面。每个磁通引导件的第二表面限定与磁体的第一形状不同的第二形状。
在另一方面，一种用于电机的转子包括：圆形转子基座，该圆形转子基座具有第一表面、第二表面和从第一表面延伸到第二表面的周向外边缘；多个磁体，其靠近转子基座的周向外边缘设置；和多个磁通引导件。每个磁体具有第一表面、第二表面、在第一表面与第二表面之间延伸的径向外边缘部分、在第一表面与第二表面之间延伸的径向内边缘部分、在径向外边缘部分与径向内边缘部分之间延伸的第一侧边缘部分以及在径向外边缘部分和与第一侧边缘部分相对的径向内边缘部分之间延伸的第二侧边缘部分。每个磁体的第一表面附接到所述圆形转子基座的第一表面上。每个磁通引导件附接到不同磁体的第二表面上，并且具有附接到第一相应磁体的第二表面上的第一表面和与第一表面相对的第二表面。每个磁通引导件延伸超出第一相应磁体的径向内边缘部分和径向外边缘部分中的至少一者。
在又一方面，一种用于电机的转子包括：圆形转子基座，该圆形转子基座具有第一表面、第二表面和从第一表面延伸到第二表面的周向外边缘；多个磁体组，其靠近转子基座的周向外边缘设置；和多个磁通引导件。每个磁体组包括多个磁体，所述多个磁体具有第一表面、第二表面和在第一表面与第二表面之间延伸的至少一个边缘部分。每个磁体的第一表面附接到圆形转子基座的第一表面上。每个磁通引导件附接到相应磁体组的磁体上。每个磁通引导件具有附接到相应磁体组的磁体的第二表面上的表面。
附图说明
图1是示例性轴向通量电机的截面图。
图2是图1所示的轴向通量电机的分解图。
图3是可以与图1所示的轴向通量电机一起使用的示例性转子的俯视平面图。
图4a是可以与图3所示的转子一起使用的示例性转子模块的透视图。
图4b是图4a所示的示例性转子模块的分解图。
图5是可以与图3所示的转子一起使用的具有扩展长度的示例性通量导向件的透视图。
图6是可以与图3所示的转子一起使用的具有扩展宽度的示例性通量导向件的透视图。
图7是可以与图3所示的转子一起使用的具有扩展长度和宽度的示例性通量导向件的透视图。
图8是可以与图3所示的转子一起使用的用于多个永久磁体的示例性通量导向件的透视图。
图9是可以与图1所示的轴向通量电机一起使用的具有弯曲定子模块组件的示例定子的俯视平面图。
图10是可以与图8所示的定子一起使用的示例性定子模块组件的透视图。
图11是可以与图1所示的轴向通量电机一起使用的具有直的模块组件的示例性定子的局部俯视平面图。
图12是可以与图11所示的定子一起使用的示例性直的定子模块组件的俯视平面图。
图13是可以与图8所示的定子一起使用的具有集成电驱动单元的示例性定子模块组件的俯视平面图。
图14是可以与图1所示的电机一起使用的具有外部电驱动单元的示例性定子的透视图。
图15是可以与图9所示的定子模块组件一起使用的示例定子模块的透视图。
图16是可以与图9所示的定子模块组件一起使用的示例定子模块的分解图。
图17是可用于组装图1所示的机器的用于组装轴向通量电机的定子的示例性方法的流程图。
图18是示例性部分轴向通量电机的透视图。
图19是可以与图18所示的轴向通量电机一起使用的示例性定子的透视图。
图20是可以与图1所示的机器一起使用的具有交替齿段的示例性十二槽、0.55分流比定子构型的透视图。
图21是可以与图1所示的机器一起使用的具有交替齿段的示例性十二槽、0.45分流比定子构型的透视图。
图22是可以与图1所示的机器一起使用的具有交替齿段的示例性十二槽、0.65分流比定子构型的透视图。
图23是可以与图1所示的机器一起使用的具有交替齿段的示例性十二槽、0.75分流比定子构型的透视图。
图24是可以与图1所示的机器一起使用的具有交替齿段的示例性二十四槽、0.45分流比定子构型的透视图。
图25是可以与图1所示的机器一起使用的具有交替齿段的示例性二十四槽、0.55分流比定子构型的透视图。
图26是可以与图1所示的机器一起使用的具有交替齿段的示例性二十四槽、0.65分流比定子构型的透视图。
图27是可以与图1所示的机器一起使用的具有交替齿段的示例性二十四槽、0.75分流比定子构型的透视图。
具体实施方式
本文描述的系统和方法总体上涉及轴向通量电机，并且更具体地涉及用于轴向通量电机的模块化组件。如本文所用，“轴向通量电机”是使用轴向通量来产生功率输出(电动机的机械功率输出和发电机的电功率输出)的电动机或发电机。
图1是示例性轴向通量电机10的截面图。图2是轴向通量电机10的分解图。在该示例性实施例中，电机10是电动机。或者，电机10可以作为发电机运行。与径向通量电机相比，轴向通量电机10具有相对小的轴向长度。轴向通量电机10通常包括转子18、第一轴承组件20、第二轴承组件22和定子24。
在该示例性实施例中，转子18通常包括联接到轴32的转子基座30。多个转子模块34联接到转子基座30。如本文进一步详细描述的，每个转子模块34包括一个或多个永久磁体(图1中未示出)。转子组件18可在壳体16内旋转，并更具体地可在第一轴承组件20和第二轴承组件22内围绕旋转轴线36旋转。在该示例性实施例中，转子18由电子控制器(未示出)——例如，正弦或梯形电子控制器——驱动。
定子24包括定子基座50和至少一个定子模块组件52，定子模块组件52构造成产生朝向转子模块34的轴向通量。在转子外表面与定子外表面之间形成有气隙38，并且机器10内的磁通量在转子模块34和定子24之间沿平行于轴线36的方向延伸。
图3是可以与图1所示的轴向通量电机10一起使用的示例性转子100的透视图。转子100包括转子基座102、轴104和附接到转子基座102上的多个转子模块106。在另一些实施例中，转子100包括额外的、更少的或替代性的部件，包括本文其它地方描述的那些。
在该示例性实施例中，转子基座102是圆盘，其具有周向外边缘108和内边缘110。在另一些实施例中，转子基座102具有不同的形状。转子基座102具有外半径rr和外圆周。在该示例性实施例中，转子基座102可以由非磁性材料如塑料、铝和不锈钢制成。在另一些实施例中，转子基座102至少部分地由磁性材料制成。轴104延伸穿过由内边缘110限定的开口112。轴104可构造成与转子基座102一起旋转以产生机械(电动机)或电(发电机)功率。或者，轴104可以构造成静止的以使得转子100在轴104不运动的情况下产生动力。转子基座102构造为响应于与如本文所述的转子模块106相关联的磁力而旋转。
转子模块106设置在转子基座102的表面103上，使得转子模块106基本上与相邻定子上的定子模块组件(例如，图1所示的组件52)对齐。在该示例性实施例中，十个转子模块106在表面103上靠近外边缘108周向地附接到转子基座102上。在另一些实施例中，不同数量的转子模块106(包括一个)附接到转子基座102上。尽管转子模块106在转子基座102上被示出成单排，但是应该理解，转子模块106可以成多排地附接到转子基座上，这些多排转子模块彼此径向间隔开和/或周向间隔开。在某些实施例中，转子模块106以非均匀构型设置在表面103上(即，在至少一些相邻的转子模块106之间的间距存在变化)。在至少一些实施例中，转子基座102和/或转子模块106包括一个或多个槽、紧固件、突片、开口、钩和其它部件，以便于将转子模块106牢固地附接到转子基座102上。在该示例性实施例中，转子模块106包括紧固件开口107(在图4b中示出)，紧固件开口107构造成与转子基座102上的相应孔(未示出)对准并接纳紧固件如螺钉或螺栓，以将转子模块106固定到转子基座102上。相邻的转子模块106限定一圆弧，该圆弧类似于由外边缘108限定的圆弧。在另一些实施例中，转子模块106以其它合适的构型附接到转子基座102上。
图4a是示例性转子模块106的透视图，图4b是可以与图3所示的转子100一起使用的示例性转子模块106的分解图。图4a和4b在本文中统称为图4。每个转子模块106包括构造成附接到转子基座102上的背铁段114(在图4b中示出)和附接到背铁段114上的多个永久磁体116。在该示例性实施例中，背铁段114包括开口107，开口构造成接纳紧固件以将转子模块106固定到定子基座102上。背铁段114由磁性材料制成，以在磁体116之间提供通量路径。磁性材料可包括但不限于叠片钢、软磁复合材料(smc)、铁磁钢及其组合。
转子模块106具有内弧长度lbi和外弧长度lbo。外部长度lbo小于转子基座102的周长，使得多个转子模块106可以附接到单个转子基座102上。长度lbi和lbo由转子基座102的半径rr和转子模块106的弧角限定。在一些实施例中，转子模块106可以基本上是直的，使得长度lbi和lbo基本上是线性的。以不同的角度将多个直模块106附接在转子基座102周围使得模块106能够接近转子基座102周围的弧。转子模块106的曲率或弧角由转子基座102的半径rr限定。或者，半径rr是基于转子模块106的数量和转子模块106的曲率确定的。在另一些实施例中，转子模块106的弧角取决于机器10(在图1中示出)的不同特征或设计参数。
磁体116以彼此间隔开的构型附接到背铁段114上。在另一些实施例中，磁体116可以作为具有多个磁极的一个或多个磁体组合在一起。使用任何合适的连接方式如粘合剂、夹子、摩擦配合和其它合适的方式将磁体116固定到背铁段114上。在该示例性实施例中，背铁段114包括十个磁体116。在另一些实施例中，背铁段114包括任意合适数量的磁体116，特别是任意偶数个磁体116。相邻的磁体116具有相反的极性以在磁体116之间形成通量。利用相反极性的磁体116和磁性背铁段114，相邻的转子模块106可以彼此电磁地分开(即，在相邻的转子模块106之间没有提供通量路径)并且仍然工作。也就是说，每个转子模块106构造成在第一磁体116、背铁段114和第二磁体116之间提供完整的磁路，第二磁体116具有与第一磁体116的极性相反的极性。在一个实施例中，转子100包括与相邻定子(图3中未示出)的绕组和/或齿的数量相同的磁体116。在该示例性实施例中，永久磁体116由钕制成并且呈梯形。然而，可以使用任何合适的永久磁体形状和材料，其使得电机10能够如本文所述起作用。
在该示例性实施例中，每个转子模块106还包括磁体保持器120。在另一些实施例中，转子模块106不包括磁体保持器120。磁体保持器120由非磁性材料(例如，塑料)制成。在至少一些实施例中，磁体保持器120由非导电材料制成。磁体保持器120联接到转子基座102和/或背铁段114，使得磁体保持器120朝向相邻的定子轴向延伸。在该示例性实施例中，磁体保持器120包括与磁体116对准的槽122，使得磁体116的表面124暴露。在一些实施例中，在转子模块106的组装期间，磁体保持器120在安装磁体116之前联接到背铁段114。在这样的实施例中，槽122构造成便于在背铁段114上对准磁体116。在另一些实施例中，槽122的尺寸和/或形状设计成防止磁体116朝向定子沿轴向方向移动并且将磁体116固定到背铁段114上。
在该示例性实施例中，背铁段114包括延伸超出磁体保持器120的突片126和开口128。在至少一些实施例中，突片126和开口128通过将背铁段114定位成不与防护装置120对齐而形成。也就是说，突片126是背铁段114的一部分，并且开口128由防护装置120和没有背铁段114限定。突片126构造成插入相邻转子模块106的开口128中以将相邻的转子模块106固定在一起。在一些实施例中，突片126和/或开口128包括钩部、用于紧固件的槽和/或其它特征结构，以便于将相邻的转子模块106联接在一起。在另一些实施例中，背铁段114不包括突片126或开口128。例如，如果转子模块106长度lb基本上是直的，则由于相邻的转子模块106的倾斜/成角度的位置，防护装置120可以不包括突片126和开口128。或者，相邻的转子模块106可以物理地彼此分开。
转子模块106构造成使用户能够设计、组装和维护定制的轴向通量电机。也就是说，可以批量生产具有各种曲率、多个磁体等的转子模块106。当用户设计电机时，用户确定如本文所述的定子的尺寸和形状。基于所确定的定子的尺寸和形状，用户确定转子基座102的尺寸。转子基座102可具有与定子基本上相似的尺寸和形状。或者，转子基座102可具有不同的合适尺寸和形状。然后将转子模块106附接到转子基座102上以限定或近似形成与由定子的定子模块限定的圆弧类似的圆弧，以促进定子和转子100之间的通量路径。
在操作期间，磁力致使磁通量从永久磁体116流到最近的定子模块(图3和4中未示出)。当磁体116未与定子模块对准时，可用通量的一部分可能损失(即，定子模块没有捕获所有可用的通量)。通常，从永久磁体116引导并由定子模块捕获的可用通量越有效，机器10运行效率越高。因此，期望通过定子模块捕获尽可能多的通量。然而，因为多个永久磁体116在定子上方旋转，所以磁体116并不总是直接定位在定子模块上方以提供从磁体116到模块的通量的直线流动路径。
在一些已知的电机中，通量在磁体的主体内改变大小以到达定子模块。通量的变化产生涡流，这可能导致发热和转矩损失，从而可能导致机器的运行效率降低。另外，由涡流产生的热量可能导致磁体的去磁和/或用于将磁体保持在转子内的粘合剂的失效，这可能导致磁体脱离转子，从而导致机器失效。此外，在一些已知的机器中，一些通量可能不会被引导到定子并且可能泄漏到转子或定子的不同部分。这种泄漏不仅可能导致转矩产生的减少，从而使机器可能效率降低，而且还可能在机器内部引起不希望的动态力分布，这可能导致噪声产生和振动增加。
在至少一些实施例中，转子100包括用于一个或多个磁体116的通量导向件(图3和4中未示出)，以便于减少涡流、噪声和振动。通量导向件(有时也称为“磁体垫片”或“磁体尖端”)定位在磁体116上，使得通量导向件位于磁体116与相邻的定子之间。在一些实施例中，通量导向件固定到磁体116上(例如，使用粘合剂)。在该示例性实施例中，通量导向件由各向同性smc材料如
通量导向件的形状和尺寸使得通量导向件能够至少部分地覆盖磁体116的表面124。在该示例性实施例中，通量导向件构造成延伸超出磁体116的表面124的大部分边缘。通量导向件安装在该表面124上，以将通量从磁体116引导到定子并返回。例如，通量导向件可以具有延伸超出磁体116的相应宽度和长度的宽度和长度。当优化转子100的噪声、成本和效率以及磁体116的构型时，这种悬垂有助于额外的自由度。通量导向件的形状是任何合适的形状，以使机器10能够如本文所述起作用。在一个示例中，通量导向件的形状基本上类似于磁体116的形状。在另一示例中，通量导向件的形状不同于磁体116的形状。如本文关于通量导向件所使用的，与第一形状相比的“不同形状”可包括与第一形状不同的另一几何形状(例如，圆柱体、立方体等)或与第一形状相同但具有不同的长度、宽度、弧度、角度等的几何形状。例如，如果通量导向件和磁体116都是具有不同弧角的梯形，则通量导向件和磁体具有不同的形状。在某些实施例中，转子100可包括至少两个不同形状或尺寸的通量导向件，以如本文所述起作用。
在一些实施例中，相邻的通量导向件限定与由转子模块106限定的圆弧基本上相似的圆弧。例如，如果转子模块106具有基本上直的长度lb并且以不同的角度附接到转子基座102上以与转子基座102周围的圆弧相近，则通量导向件可以联接到转子模块106，以在转子基座102周围限定基本上均匀的环形圆弧。在某些实施例中，每个通量导向件定位在多于一个磁体116上并延伸到或超出其所附接的每个磁体116的表面124的边缘。
在机器10运行期间，由磁体116产生的通量由相应的通量导向件引导到一个或多个定子模块。当磁体116未与定子模块对准时，通量导向件将通量的一部分从磁体116转向或引导到附近的定子模块。通过将通量经通量导向件引导到定子模块以减小磁体116内的通量大小的变化，大幅减少或消除了磁体116内的涡电流的形成。
基本上所有由磁体116产生的通量被引导到定子模块并被定子模块捕获，从而引起更高的转矩产生和机器10的更有效运行。另外，通量导向件有助于减少通量向机器的除定子模块以外的部件的泄漏，因为基本上所有通量都被定子模块捕获。通量泄漏的降低减少了机器10内的动态力分布，因此减少了局部噪声和振动的产生。此外，磁体116内的涡流的减少或消除减少了机器10的发热量，这引起更高的效率并且有助于将磁体116保持在转子100内。
在至少一些实施例中，通量导向件延伸超出磁体116的边缘，以提供通量的潜在泄漏路径。泄漏路径对于通量导向件与定子模块之间的小气隙(即，当定子模块直接与通量导向件对准时)是无关紧要的，但随着气隙增加，增加了特定定子模块中的通量减少的速率。
图5-8是可以与图3所示的转子100一起使用的一些示例性通量引导件构型的透视图。特别地，图5是具有扩展长度lf的第一通量导向件140的透视图，图6是具有扩展宽度wf的第二通量导向件150的透视图。图7是具有扩展长度lf和宽度wf的第三通量导向件160的透视图，图8是定位在多个永久磁体172上的第四通量导向件170的透视图。通量导向件140、150、160和170仅出于描述的目的而示出，并不意味着限制如本文描述的通量导向件的构型。
参考图5-7，每个通量导向件140、150和160定位在相应的磁体116上。具体地，通量导向件140、150和160定位在磁体116的表面124上。在该示例性实施例中，通量导向件140、150和160具有与磁体116的形状相似的弧形梯形形状。在另一实施例中，磁体116被成形为由所有磁体116限定的环的一部分或一段。在另一些实施例中，通量导向件140、150和160具有不同的形状并且不需要具有与磁体116相同的形状。磁体116具有弧形内边缘132、弧形外边缘134、第一侧边缘136和对向的第二侧边缘138。表面124由边缘132、134、136和138限定。弧形内边缘132的弧长小于外边缘134的弧长，使得表面124向内逐渐变细。在该示例性实施例中，当组装转子100时，磁体116的内边缘132朝向转子基座102的内边缘110定位，而磁体116的外边缘134朝向转子基座102的外边缘108定位(均在图3中示出)。侧边缘136和138朝向转子100上的相邻磁体116定位。
参考图5，通量导向件140包括磁体表面141、弧形内边缘142、间隙表面143、弧形外边缘144、第一侧边缘146和第二侧边缘148。磁体表面141定位在磁体116的表面124附近。在运行期间，间隙表面143朝向定子(图5中未示出)定向。内边缘142小于外边缘144，使得磁体表面141和间隙表面143向内逐渐变细。内边缘142的弧长小于外边缘144的弧长。通量导向件140具有在第一和第二侧边146和148之间限定的最大宽度wf，其基本上类似于磁体116的宽度。通量导向件140的长度lf限定在内边缘142与外边缘144之间并且延伸超出磁体116的内边缘132和外边缘134，使得通量导向件130覆盖整个表面124。在一些实施例中，通量导向件140可以延伸超出磁体116的内边缘132和外边缘134中的仅一者。在至少一些实施例中，通量导向件140呈锥形，使得通量导向件140与内边缘142处的定子齿之间的气隙(例如，图1所示的气隙38)与外边缘144处的气隙不同。锥形气隙有助于平衡进入定子齿的内边缘和外边缘的通量，以防止通量垂直于定子齿的叠层流动。
参考图6，通量导向件150包括磁体表面151、弧形内边缘152、间隙表面153、弧形外边缘154、第一侧边缘156和第二侧边缘158。通量导向件150和磁体116具有不同的弧角。磁体表面151定位在磁体116的表面124附近。在运行期间，间隙表面153朝向定子(图6中未示出)定向。通量导向件150具有在内边缘152与外边缘154之间限定的长度lf，其基本上类似于磁体116的长度。通量导向件150的最大宽度wf限定在第一侧边缘156与第二侧边缘158之间并且延伸超出磁体116的第一侧边缘136和第二侧边缘138，使得通量导向件130覆盖整个表面124。在一些实施例中，通量导向件150可以延伸超出磁体116的第一侧边缘136和第二侧边缘138中的仅一者。在至少一些实施例中，通量导向件150在内边缘152与外边缘154之间逐渐变细，以在每个边缘152、154处提供不同尺寸的气隙。
参考图7，通量导向件160包括磁体表面161、内边缘162、气隙表面163、外边缘164、第一侧边缘166和第二侧边缘168。磁体表面161定位在表面124附近。在运行期间，气隙表面163朝向定子(图7中未示出)定向。通量导向件160具有限定在内边缘162和外边缘164之间的长度lf以及限定在第一侧边缘166与第二侧边缘168之间的宽度wf。通量导向件160的长度lf和宽度wf延伸超出磁体116的长度和宽度，以覆盖整个表面124。在至少一些实施例中，通量导向件160在内边缘162与外边缘164之间逐渐变细，以在每个边缘162、164处提供不同尺寸的气隙。
参考图8，通量导向件170类似于通量导向件140、150和160并且包括类似的部件。通量导向件170定位在多个圆柱形磁体172上。磁体172具有与通量导向件170的磁体表面171相邻的表面174、背铁表面176、边缘部分178和半径rmg，半径rmg小于通量导向件160的长度lf和宽度wf。边缘部分178在表面174与背铁表面176之间延伸。由于它们的圆柱形状，磁体172仅具有单个边缘部分178。然而，在另一些实施例中，如果磁体172具有不同的形状，例如矩形或梯形，则磁体172可以具有多个边缘部分。尽管示出的磁体172具有均匀的形状和尺寸，但是应该理解，可以将任何合适的形状和尺寸组合用于磁体172。无论磁体172的尺寸和形状如何，通量导向件170都构造成覆盖每一个磁体172的表面174。在至少一些实施例中，通量导向件170构造成沿至少一个方向延伸超出磁体172。
图9是可以与图1所示的轴向通量电动机10一起使用的示例性定子200的顶视平面图。定子200可以是多相定子(例如，三相)或单相定子，其在轴向方向(即，平行于图1所示的旋转轴线36)上产生通量。定子200包括定子基座202和附接到定子基座202的多个定子模块组件204。在另一些实施例中，定子200包括额外的、更少的或替代的部件，包括本文在其它地方描述的那些。图10是弯曲的定子模块组件204的局部分解图。
参考图9和10，定子基座202具有圆形形状并且包括外边缘206，外边缘206限定基座202的周长和半径rs。在另一些实施例中，定子基座202可以具有不同的形状或尺寸。定子基座202的形状和/或尺寸可以基于具有定子200的轴向通量机器的预期用途和/或要安装在定子基座202上的定子模块组件的数量来确定。在该示例性实施例中，定子基座202由具有合适刚度和强度的材料或材料组合制成，以支承定子模块组件204。在一些实施例中，定子基座202是非磁性材料或材料的组合，例如塑料或非磁性金属。或者，定子基座202可以由磁性材料制成。定子基座202可包括一个或多个安装点(未示出)，用于将定子模块组件204、定子驱动器(图8中未示出)和/或转子联接到定子基座202。在该示例性实施例中，定子模块组件204以完整、均匀的环形结构均匀地分布在定子基座202周围。在另一些实施例中，定子模块组件204可以以非均匀的构型连接到定子基座202(即，间距在至少一些相邻的定子模块组件204之间变化)。
定子模块组件204包括壳体208和附接到壳体208上的一个或多个定子模块210。壳体208包括径向内壁212、径向外壁214、第一端壁216、第二端壁218、表面220和底面222。当定子200被组装好时，表面220定向成面向转子，并且底面222朝向定子基座202定向。壳体208的壁和表面限定用于定子模块210的封闭容积224，表面220从壳体208被移除以观察容积224的内部。在一些实施例中，表面220包括多个齿开口221，其与定子模块210对准以促进轴向通量向转子的传递。在另一些实施例中，表面220不包括齿开口221。壳体208具有沿着径向内壁212延伸的内弧长lmi、沿着径向外壁214延伸的外弧长lmo、以及从径向内壁212延伸到径向外壁214的宽度wm。内部长度lmi小于外部长度lmo。虽然壳体208被示出为具有弧长lmi和lmo，但是在一些实施例中，壳体208可以基本上是直的，以便于将定子模块组件204附接在具有定子基座202的不同周长的定子周围。在这样的实施例中，内部长度lmi和外部长度lmo可以基本上彼此相似。在另一些实施例中，壳体208具有不同的形状以便于将定子模块210定位在不同的构型中。例如，尽管定子模块210以单个圆弧示出，但是在一些实施例中，壳体208构造成促进定子模块210的二维构型和/或径向构型。
在该示例性实施例中，壳体208是刚性材料，以向定子模块210(图9中未示出)提供保护。在另一些实施例中，壳体208至少部分地是柔性的，以使定子模块组件204能够被调节为特定的曲率或形状，从而使定子模块组件204能够用于定子200的各种构型。例如，径向内壁212、径向外壁214、表面220和底面222可包括柔性接头和刚性段，以便于调节定子模块组件204。或者，定子模块组件204可形成有具有预定弧角或曲率的刚性壳体208。
壳体208包括一个或多个安装点225，其与定子基座202上的相应安装点对准。安装点225构造成接纳紧固件(例如，螺钉、螺栓、销钉、夹具等)以将定子模块组件204固定到定子基座202上。附加地或替代地，壳体208包括一个或多个突片、槽、闩锁、粘合剂和/或与定子基座202接合以将定子模块组件204固定到定子基座202上的其它部件。
在该示例性实施例中，定子模块组件204环形地彼此相邻地附接到定子基座202和外边缘206上。在一些实施例中，定子模块组件204的至少一部分与一个或多个相邻的组件204分离，以在相邻的组件204之间限定组件间隙(未示出)。组件间隙可以是任何尺寸，包括小于壳体208的内弧长lmi并且大于壳体208的外弧长lmo。或者，相邻的定子模块组件204在组装定子200之后彼此接触。定子模块组件204被弯曲以限定与定子基座202的外边缘206对齐的圆弧。在另一些实施例中，壳体208具有由半径rs和弧角限定的弧长lmi和lmo，使得壳体208的曲率/弯曲与外边缘206的曲率/弯曲对齐。或者，定子模块组件204可以以不同的构型附接到定子基座202上。在一个示例中，定子模块组件204径向地附接到定子基座202上。
在该示例性实施例中，每个定子模块组件204包括六个定子模块210。在另一些实施例中，定子模块组件204可包括不同数量(包括一个)的定子模块210。在一个示例中，每个定子模块组件204包括三个定子模块210。在另一示例中，定子200包括具有不同数量的定子模块210的一个或多个定子模块210。定子模块210彼此相邻地定位在壳体208内，使得在每个相邻的定子模块210之间限定模块间隙226。定子模块210沿着壳体208的长度lm定位在单条线中。在该示例性实施例中，定子模块210在壳体208的内弧长lmi和外弧长lmo之间成单条地、基本直线地定位在容积224内。在另一些实施例中，定子模块210以不同的构型定位在容积224内。或者，定子模块组件204可以不包括模块210。相反，在这样的实施例中，定子模块组件204包括具有多个定子齿的定子芯(未示出)的单个部分。
在该示例性实施例中，定子模块210附接到电路板228，电路板228沿着壳体208的一部分在容积224内延伸。电路板228构造成将模块210机械地固定在一起并将每个模块210电联接到一个或更多输入端和输出端(例如，电源输入端、驱动信号等)。在一些实施例中，电路板228将模块210的至少一部分电联接在一起。或者，电路板228可以将每个模块210彼此电隔离。
图11是具有直定子模块组件230的示例性定子200的局部平面图。图12是示例性直定子模块组件230的顶视平面图。定子模块组件230类似于定子模块组件204，并且在没有相反的表示的情况下，包括类似的部件。
参考图11和12，每个定子模块组件230包括具有基本直的长度lms的壳体232。为清楚起见，移除了壳体232的表面(未示出)。定子模块组件230成不同的角度联接到定子基座202，以形成一组线性组件230，其接近与由半径rs和外边缘206(即周长)限定的圆弧相匹配或类似的圆弧ar。随着组件230的数量增加，相邻组件230之间的角度减小，使得圆弧ar与由半径rs和外边缘206限定的圆弧基本上匹配。直的模块组件230使得用户能够将定子模块组件230安装在具有不同的尺寸和形状的各种定子基座202上，从而增加了用户对轴向通量电机的设计选择的灵活性和模块性。
再次参考图9和10，每个定子模块组件204电联接到一个或多个电驱动单元(图9和10中未示出)。如本文所使用的，“电联接”部件不需要部件之间实际存在电或电流，而是联接成使得当存在电流时，电流在电联接的部件之间传输。电驱动单元联接到电源并且包括一个或多个驱动电路。驱动电路包括例如逆变器、整流器、变压器等，其有助于控制机器10(在图1中示出)的性能。在一些实施例中，电驱动单元与控制器(未示出)通信。在另一些实施例中，电驱动单元包括集成式控制器。电驱动单元构造成对定子模块组件204产生驱动信号以产生轴向通量，从而便于相邻转子的运动。用于至少一些定子模块210的驱动信号被同步在一起以提高转子的转矩、速度和/或效率。驱动信号可以是单相或多相。在一个示例中，三个电驱动单元一起运行以产生三相驱动信号。在另一示例中，一个电驱动单元产生三相驱动信号。
在一些实施例中，一个或多个电驱动单元电联接到定子200上的每一个定子模块组件204。在另一些实施例中，一个或多个电驱动单元电联接到定子200的定子模块组件204的子集(即，至少一个组件204)。在这样的实施例中，电驱动单元彼此通信地联接以便于将驱动信号同步在一起。在一些实施例中，每个定子模块组件204电联接到单个电驱动单元。在另一些实施例中，每个定子模块组件204包括用于组件204的每一相的电驱动单元。例如，如果组件204具有三相，则三个电驱动单元电联接到每个组件204。
在一些实施例中，电驱动单元附接到相邻的定子模块组件204上。例如，电驱动单元可以靠近组件204附接到定子基座202上。在另一些实施例中，电驱动单元集成在定子模块组件204内，使得每个组件204充当独立的定子。也就是说，可以仅使用单个定子模块组件204来运行机器10。在至少一些实施例中，组件204彼此电磁地独立(即，每个组件204自身产生并完成通量路径)，因此可以在不与其它组件204同步的情况下运行。
图13是包括多个集成式电驱动单元300的示例性定子模块组件204的顶视平面图。定子模块组件204基本上类似于图10所示的组件204并且包括类似的部件。
驱动单元300电联接到电力输入302和定子模块210的至少一部分。为清楚起见，在图13中未示出与定子模块210的连接。电力输入302是由外部电源(例如，电池或公用电网)提供的电力。在机器10(在图1中示出)是发电机的某些实施例中，电力输入302是由机器10产生的电力。驱动单元300基于电力输入302产生驱动信号并将驱动信号提供给定子模块210。在一个实施例中，驱动信号是单相电力信号。或者，驱动信号可以是多相电力信号(例如，三相电力)。在该示例性实施例中，每个驱动单元300联接到两个相应的定子模块210，以提供驱动信号的不同相位，使得累积的三相驱动信号被提供给定子模块210。也就是说，一个电驱动单元300产生具有第一相的驱动信号，第二驱动单元300产生具有第二相的驱动信号，第三驱动单元300产生具有第三相的驱动信号。驱动信号使定子模块210提供用于来自转子(图13中未示出)的通量的通量路径并使转子旋转。
在该示例性实施例中，驱动单元300至少包括驱动电路306和控制器308。在一些实施例中，每个驱动单元300包括多个驱动电路306，其中每个驱动电路306电联接到定子模块210的相应子集。驱动电路306构造成将电力输入302的至少一部分转换为用于定子模块210的驱动信号。取决于电力输入302，驱动电路306可以包括逆变器和/或交流-交流(ac-ac)转换器。在一些实施例中，驱动电路306包括使驱动单元300能够如本文所述工作的其它合适的部件(例如，整流器、计算机存储设备等)。在一些实施例中，每个驱动单元300包括多个驱动电路306，其中每个驱动电路306联接到定子模块210的相应子集以提供驱动信号。在一个示例中，驱动单元300包括三个驱动电路306。
在该示例性实施例中，控制器308包括处理器310和存储设备312。在该示例性实施例中，控制器308集成在电驱动单元300内。在另一些实施例中，控制器308在与电驱动单元300通信的一个或多个处理设备如微控制器、微处理器、可编程门阵列、精简指令集电路(risc)、专用集成电路(asic)等中实现。因此，在该示例性实施例中，控制器308由嵌入一个或多个处理设备中的软件和/或固件构成。以这种方式，控制器308是可编程的，使得可以为特定的机器10和/或机器10的操作者对指令、间隔、阈值和/或范围等进行编程。控制器308可以全部或部分地由在一个或多个处理设备外部的分立组件提供。
控制器308通信地联接到逆变器306以控制逆变器306并调节驱动信号。也就是说，控制器308基于存储的指令、从机器10的其它部件提供的反馈等来确定驱动信号的频率和振幅。在一个示例中，控制器308控制逆变器306内的一个或多个开关(未示出)的操作以调节驱动信号。
图14是可以与图1所示的机器10一起使用的示例性定子270的局部透视图。定子270包括定子基座272、定子模块组件274和电驱动单元320。虽然仅示出了一个定子模块组件274和电驱动单元320，但应理解，定子270可包括多个定子模块组件274和电驱动单元320。定子270基本上类似于定子200(在图9中示出)，除了电驱动单元320在定子模块组件274外部附接到定子基座272上。每个驱动单元320电联接到一个定子模块组件274的至少一部分。在另一些实施例中，每个驱动单元320电联接到多个组件274。在该示例性实施例中，驱动单元320联接到基座272的与具有定子模块组件274的表面相对的表面。在另一些实施例中，驱动单元320可以以任何合适的构型附接到基座272和/或组件274以便于机器10的运行。
图15是用于定子模块组件(例如，图9所示的组件204)中的示例性定子模块210的透视图，图16是示例性模块210的分解图。定子模块210包括芯240、齿尖242和线轴组件244。在另一些实施例中，定子模块210包括额外的、更少的或替代的部件，包括本文在其它地方描述的那些部件。
在该示例性实施例中，芯240大体呈u形并且包括通过轭部248连接的一对齿246。或者，芯240是不同的形状，例如e形芯。在示例性实施例中，芯240沿大致轴向方向定向，使得齿246基本上平行于旋转轴线36延伸(在图1中示出)。在该示例性实施例中，芯240由多个堆叠的层压片241制成。在另一些实施例中，芯240由不同的材料制成。
在该示例性实施例中，齿尖242大致呈t形并且包括轴向构件250和横向构件252。每个横向构件252包括构造成接收来自相邻转子的通量的头部表面254。在另一些实施例中，齿尖242可具有不同的形状或构型。在该示例性实施例中，齿尖242由多个堆叠的层压片243制成。在另一些实施例中，齿尖242由smc或另一种磁性材料制成。齿尖242包括圆形部分256，以通过减少反电磁场(emf)和齿槽转矩的谐波含量来降低噪声。齿尖242大致与相应的齿246对准并且增加定子200(在图8中示出)中的通量密度并减小定子模块210所需的绕组258的长度。
线轴组件244包括两个线轴260。亦即，线轴组件244包括与芯240的齿246相同数量的线轴260。或者，线轴组件244可包括位于每隔一个齿246上的一个线轴260，和/或定位在轭部248上的一个线轴260。线轴260包括开口262，开口262紧密地贴合定子模块齿246和齿尖轴向构件250的外部形状。例如，定子模块齿246构造成至少部分地定位在开口262的第一端(未示出)内，并且齿尖轴向构件250构造成至少部分地定位在开口262的第二端264内。
组装定子模块210包括围绕多个线轴260的至少一个绕组258。芯240的每个齿246的至少一部分插入到相应的线轴开口262中。齿尖242也联接到线轴260。具体地，轴向构件250的至少一部分插入到线轴开口262中。一旦组装好，定子模块210被放置在定子模块组件204内以用于组装定子。
使用模块化组件204使用户能够根据特定规格设计、组装和维护定子200。也就是说，组件204能够创建定制的轴向通量电机，而不需要昂贵的定制制造系统和工艺。确切而言，模块化有助于批量生产组件204，可以选择组件204来设计定制的电动机。此外，模块化设计使得能够相对容易地用组件204更换现有电机。
图17是组装轴向通量电动机的示例性方法270的流程图，该轴向通量电机可用于组装包括图8所示的定子200的机器。特别地，待组装的轴向通量电机具有一个或多个期望的运行特性。如本文所用，运行特性包括电机的机械和/或电磁特性，例如转矩、相数、每分钟转数(rpm)、电流输入或输出、电压输入或输出、功率输出等。
开始，用户确定272足以产生用于具有期望的运行特性如相数、转矩等的轴向通量电机的定子的定子模块组件的数量。用户至少部分地基于所确定的定子模块组件的数量来确定274定子的半径。特别地，用户确定274该半径以与处于期望构型(例如，环形设置的构型)的每一个定子模块适合。在一个示例中，对于弯曲的定子模块组件，用户计算定子模块的弧度角或弧，并基于计算出的弧度角或弧以及定子模块组件的数量来确定274该半径。在另一示例中，对于直的定子模块组件，基于由直的模块组件限定的近似曲线来确定274半径。在另一些实施例中，用户在确定272定子模块组件的数量之前确定274定子的半径，从而基于所确定的半径来确定272定子模块组件的数量。
确定数量的定子模块组件附接276到定子基座，该定子基座至少部分基于所确定的半径来选择，使得定子模块组件装配在定子基座上。在一些实施例中，定子基座的半径与所确定的半径匹配。在另一些实施例中，定子基座的半径不同于所确定的半径。在一个示例中，定子基座的半径大于所确定的半径，以在定子模块组件之间包括空间公差。在另一示例中，定子基座的半径大于所确定的半径，以满足用户期望的一个或多个运行特性。在又一示例中，定子基座选自一个或多个预定尺寸，使得定子基座的半径超过所确定的半径。
再次参考图15和16，具有用于每个定子模块210的单独的芯240和齿尖242有助于降低模块210的制造复杂性。例如，在安装齿尖242之前，绕组258可以缠绕在齿246周围。此外，齿尖242构造成降低噪声和齿槽转矩并改善机器10(在图1中示出)的性能。
在一些实施例中，齿尖242由与用于制造芯240的材料不同的材料或材料组合制成。在一个示例中，芯240由层压钢片241制成，而齿尖242由smc材料制成。将smc用于齿尖242有助于改善模块210的制造容易性，同时保持合理的制造成本。此外，将smc用于齿尖242有助于改善定子模块210的热性能。也就是说，基于smc的齿尖242以比层压钢更大的速率散热，从而减少了模块210的潜在热问题。
图18是示例性轴向通量电机400的局部透视图，图19是电机400的定子402的透视图。在该示例性实施例中，机器400是非模块化电机。在另一些实施例中，机器400可以构造成模块化的，类似于机器10(在图1中示出)。因此，本文描述的特征和部件可以应用于机器10。机器400包括定子402和转子404。转子404包括转子背铁406和围绕背铁406环形地设置的多个磁体408。
定子402包括定子背铁410、朝向转子404延伸的多个齿412、以及设置在齿412上的多个绕组414。定子背铁410被示出为单个圆形背铁。然而，在另一些实施例中，背铁410具有不同的形状和/或包括多个段，这些段共同形成背铁410。齿412和磁体408相对于彼此径向对齐。在该示例性实施例中，定子402由第一磁性材料如层压钢/叠片钢制成。每个齿412牢固地联接到相应的齿尖416，使得齿尖416位于齿412与磁体408之间。在该示例性实施例中，齿尖416具有基本上平坦的表面和弧形梯形形状。齿尖416具有铣出的/廓线的(例如，圆形、倒角、复杂形状等)边缘，其否则可能难以用层压钢制造。在另一些实施例中，齿尖416具有不同的形状，例如非平面形状。在该示例性实施例中，齿尖416由与第一材料不同的第二材料如smc制成。
齿尖416朝向相邻的齿412和齿尖416延伸超出齿412的一个或多个边缘。相邻的齿尖416限定气隙417，该气隙小于在相邻的齿尖416之间限定的槽418。槽418在每对相邻齿412之间具有基本恒定的宽度wg。齿尖416与齿412分离开，以使得绕组414能够相对容易地设置在齿412周围。也就是说，在安装齿尖416之前，将绕组414插入槽418内以缠绕在齿412上而不用针绕线。齿尖416使用任何合适的方式(例如粘合剂、紧固件、槽、突片等)联接到齿412。一旦联接到齿412，齿尖416限定间隙417，其具有在安装齿尖416之后将需要使用针绕线来安装绕组414的宽度。
在一些实施例中，层压钢/叠片钢和smc材料的组合可用于形成定子。层压钢包括薄的扁平钢板的叠层，所述钢板层压在一起形成三维物体，例如定子齿。通常，层压物体是相同的冲压件的叠层，所述冲压件在一个维度上具有固定横截面。该固定横截面被线性地“挤压”以形成具有恒定横截面的最终形状，从而限制物体的形状。此外，层压物体的磁性能明显是各向异性的。层压材料在三个维度中的两个维度上相对有效地运送交变通量。特别地，由层压平面限定的两个维度有效地运送。虽然层压材料可以在第三维度上运送交变通量，但是由于在层压平面中循环的涡电流，这导致相对高的损耗。层压钢通常是用于电机的低成本磁性材料。smc是一种相对昂贵的磁性材料，其可以模塑成各种三维形状。smc材料是磁各向同性的，使得由smc制成的物体在3d物体内的任何方向上运送通量，在所有方向上具有基本相同的、相对低的损耗。与层压钢相比，smc具有较低的磁性能，但是层压钢可能需要耗时的制造并且可能在层压板之间包括影响钢的磁性能的小缺陷。由smc形成的电动机部件采用相对简单的制造工艺制造，并且不具有与层压钢相同的缺陷问题。由于层压钢和smc的成本和性能差异，两种材料的组合可用于形成定子。
图20-27是用于轴向通量电机(例如，图1所示的机器10)中的示例性定子构型的透视图。特别地，每个定子都包括多个磁性层叠齿段510、多个磁性可模制齿段512和多个绕组514。在该示例性实施例中，每种构型都包括相同数量的层叠齿段510和可模制齿512。或者，定子构型可包括不同数量的齿段510和512。层叠齿段510和可模制齿段512具有不同的形状。在该示例性实施例中，当部件被组装好时，所述不同的形状接近实心的厚壁圆柱体。在每种定子构型中，层叠的齿段510和可模制齿段512交错，使得每个层叠的齿段510位于两个可模制的齿段512之间，并且每个可模制的齿段512位于两个层叠的齿段510之间。每个绕组514设置在相应的可模制齿段512上。
应当理解，除了层压钢之外的其它材料(包括具有如本文所述起作用的适当特性的非层压材料)可以用于制造层叠的齿段510。类似地，可模制齿段512可以由不同于smc的材料甚至是非复合材料制成。此外，图20-27所示的定子构型仅出于说明目的，并非旨在限制本文所述的定子构型。
图20是示例性定子构型500的透视图。图21-27的定制构型类似于定子构型500，因此包括类似的部件。定子构型500具有内半径ri和外半径ro。层叠的齿段510包括齿尖520、齿部521和轭部522。齿尖520在第一端处联接到齿部521并且包括内边缘524和外边缘526。齿部521从轭部522延伸。在该示例性实施例中，齿尖520、齿部521和轭部522在内边缘524和外边缘526处基本上相同，因为形成层压齿段510的层压板片基本上彼此相同。
可模制齿段512包括齿尖530、齿部531和轭部532。齿尖530联接到齿部531的第一端并且包括内边缘534和外边缘536。与层压齿段510不一样，可模制齿段512的齿尖530、齿部531和轭部532在内边缘534和外边缘536处截然不同。特别地，可模制齿段512在内边缘534处比外边缘536小。使用smc制造可模制齿段512有利于不均匀的三维形状，例如图20-27所示的那些。层叠齿段510和可模制齿段512在与联接到齿尖520和530的第一端相对的第二端处联接在一起。在该示例性实施例中，绕组514设置在可模制齿段512上并且分别定位在相邻的层压齿段510和可模制齿段512的齿部521和轭部531之间。
在该示例性实施例中，当通量从定子构型500内的一个齿段的顶部向下穿过时，通量沿顺时针或逆时针方向转动，然后经由相邻的齿段上升。通量将在层压钢(即，层压齿段510)和smc中(即，可模制齿段512)中花费一些距离。在轴向通量电机中，始终存在通量路径在“径向”方向上的至少一些运动。各向异性的层压钢的磁性能与各向同性的smc的差异意味着对于每个路径的实际位置的基本上“最小能量”方案，由于垂直于层压方向运动的通量的相对低的渗透率，通量路径将在层压钢中接近于直线行进，并且通量路径的几乎所有径向运动都将在smc中发生。
定子构型500是十二槽定子构型，其分流比(即，内边缘534的直径与外边缘536的直径之间的比)为0.55。图21-23是其它十二槽定子构型600、700和800的透视图。与定子构型500不一样，定子构型600具有0.45的分流比，构型700具有0.65的分流比，而构型800具有0.75的分流比。图24-27是定子构型900、1000、1100和1200的透视图。定子构型900、1000、1100和1200是二十四槽定子构型，其分流比分别为0.45、055、0.65和0.75。
前述系统和方法有助于轴向通量电机的各种改进。特别地，前述系统和方法有助于轴向通量机器的制造改进、成本改进、维护改进和性能改进。例如，模块化转子模块和定子模块组件有助于改善轴向通量电机的设计和维护灵活性。模块化转子和定子有助于模块化部件的大批量生产，这可以降低每个部件的制造成本。使用层压钢和smc材料的组合作为单独的齿和齿尖或作为交替的齿段有助于电动机的设计灵活性和改进性能而不会显著增加电动机的成本。
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