逆横向磁通机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及能量转换装置领域，具体地，涉及无刷电动马达和发电机。
【背景技术】
[0002]由于小型且轻量化的装置将在许多应用中得到更广泛地应用，并且通常会节省昂贵的磁性材料、铁材料和导电材料，所以无刷电动马达和发电机的功率密度通常是重要的。
[0003]横向磁通机(TFM(transverse flux machine))利用了与运动方向垂直的磁回路。TFM提供比传统的径向磁通机高的额定转矩和功率密度，并且TFM当前正逢高能积永磁体材料(high energy-product permanent magnet material)所带来的复兴。
[0004]如本领域技术人员已知的，由于RPM越高效率越高，所以包括TFM的电动马达和发电机的功率密度与装置的RPM相关。因而，由于通常承载诸如永磁体或电磁绕组等的磁性元件的转子上的离心力而会产生工程限制。
[0005]因而，长久以来对允许提高RPM并进而具有较高功率密度的基于TFM的改善了的能量转换装置存在需求。
【发明内容】
[0006]本发明实现TFM的变型。本发明为我们称作“逆横向磁通机”(以下称为ITFM(inverse transverse flux machine))的TFM的变体。该装置在通过转子的移动而周期性完成的近乎完全的磁回路中采用了励磁元件。对于发电机的情况，如此生成的变化的磁通用于在绕组中产生EMF，或者对于马达的情况，适当的EMF用于产生使马达转动的变化的磁通。
[0007 ] ITFM使用用于完成具有不同磁通方向的回路的无源铁磁(passiveferromagnetic)元件(或其它导磁元件)(“切换器”)。
[0008]在ITFM的一些实施方式中，诸如永磁体等的励磁元件不像传统装置那样位于转子上，而是位于定子上，转子上仅有铁磁切换元件。
[0009]已经说明了本发明的前述实施方式，并且也已经结合实施方式的系统和方法对实施方式进行了阐述，这些系统和方法的本意仅是解释性的，而非限制性的。此外，与每个具体的引用可以体现具体的方法/系统(虽然不要求如此)一样，尽管使用了具体的实施方式，但是本教导最终囊括所有表达。
【附图说明】
[0010]这里，结合以下【附图说明】本发明的实施方式和特征:
[0011]图1描绘现有技术的TFM;
[0012]图2A和图2B示出使用安装于转子的C形芯和安装于定子的永磁体的三相ITFM的实施方式；
[0013]图3示出使用面对轴向地安装于定子的C形芯和安装于转子的永磁体的实施方式；
[0014]图4、图5示出使用面对轴向地安装于定子的C形芯和安装于转子的永磁体的、具有双相绕组的实施方式；
[0015]图6、图7、图8示出了使用三组C形芯的实施方式的、具有安装于定子的永磁体且具有多个切换元件的实施方式；
[0016]图9、图10示出采用梳形芯的实施方式；
[0017]图11示出采用三组I形芯的实施方式；
[0018]图12、图13示出采用反C形芯的实施方式；
[0019]图14示出采用E形芯的实施方式。
[0020]图15示出采用H形芯的实施方式。
[0021]图16示出了L形芯。
【具体实施方式】
[0022]将从以下对优选实施方式的详细说明理解本发明，这些优选实施方式为说明性而非限制性的。为了简洁起见，未详细说明一些公知的特征、方法、系统、程序、部件和回路等。
[0023]以下，术语“切换器”是指如下无源铁磁切换元件:使通过导磁材料(magneticallypermeab I e mat er i a I)的闭合或近乎闭合的回路的一部分的磁通方向周期性地切换。例如，图5的切换器包括与无源铁磁切换元件13、14磁耦合的永磁体12，永磁体12和无源铁磁切换元件13、14均位于转动转子9上。随着通过诸如C形芯4或5等的C形芯使永磁体转动，磁通将感生穿过C形芯，完全的磁回路包括芯、气隙以及与磁体12联接的铁磁元件13和14。当具有相反定向的另一永磁体经过时，C形芯4、5中的磁通将感生成具有相反的定向。这种使穿过C形芯的磁通有效反转的配置(或导磁材料的任意其它配置)就是我们所称的无源铁磁切换器。
[0024]近些年，最初在一个多世纪以前获得专利权的横向磁通机(以下称为TFM)因高能量永磁体材料的可应用性而已经重新吸弓I人们的注意。然而，TFM的全3维构造要求的分析比其它电磁机器通常采用的分析更复杂，从而使其涉及更多设计。
[0025]本发明为我们称作“逆横向磁通机”或ITFM的TFM的变体。该装置在通过转子的移动而周期性完成的近乎完全的磁回路中采用励磁元件。ITFM使用无源铁磁元件(或其它导磁元件)，以完成磁通方向改变的回路。在一些实施方式中，这允许以没有空转或没有非工作时间的方式使用磁体进行励磁，最终产生较大的功率密度或减少所需的磁性材料。
[0026]与标准TFM相反，本发明的励磁元件在大多数情况下可以位于定子，甚至当位于转子时，也能够因ITFM设计而仅受到离心力的作用。
[0027]图1示出了传统TFM，该传统TFM具有C形芯铁磁定子芯101、环形定子绕组102、定子永磁体103和铁磁转子芯104。如本领域技术人员清楚的，转子的转动将因由永磁体103和铁磁磁通链段105完成的磁通回路而会在磁通芯1I中产生周期性的磁通。如从图中可知，定子芯101在三侧围绕定子绕组102。第四侧借助于转子铁磁段105在转子上完成。类似地，如果使用多于一个的定子绕组，则能够使马达运行。显而易见，以可靠的方式将磁体保持在转子上非常具有挑战性。
[0028]本发明为我们称作“逆横向磁通机”(以下，ITFM)的TFM的变体。在本发明中，通过转子的转动完成磁回路，在一些实施方式中，转子的转动使(例如)铁磁元件就位以完成磁回路。例如，在一些实施方式中，励磁元件(其为永磁体或绕组)和近乎完全的磁回路位于定子，而磁回路的“缺失”部分位于转子，该转子随着其转动周期性地就位从而使磁回路完整。
[0029]最初实施例
[0030]图2A、图2B以俯视截面图(图2A)和侧视截面图(图2B)的方式示出了本发明装置的一个实施方式。本实施方式实现相位模块同步三相机器，其中定子I位于转子7的外侧。定子筒2具有在其内周面上周期地间隔开的铁磁元件3。这些铁磁元件3可以为具有被适当选择的磁定向的永磁体(如图所示)，在该情况中实现永磁体机器，或者这些铁磁元件3可以包括诸如成组的层叠变压器芯板等的导磁材料，在该情况中实现增加了 DC励磁绕组的感生型机器(inductor-type machine)。如图213所示，本实施方式使用三个串联的磁性元件，以实现三相机器。
[0031]定子I还包括相绕组4(在该情况下，由于这是三相机器，所以存在三个绕组)。在使用永磁体的情况下，这些绕组仅用于机器的工作绕组。在感生型机器(无永磁体)的情况下，额外地存在一组DC励磁绕组。在后一情况下，励磁绕组可以串联地连接，以便消除励磁绕组中的总感生电压。
[0032]筒2固定于盘5，盘5保持轴承6，以允许盘5在定子I与转子7之间自由转动。在本实施方式中，使用了 “支架(console)”构造，尽管可以像一般做法那样在机器的两端均使用轴承支撑件，但是该构造仅在机器的一侧使用轴承支撑件。
[0033]转子包括轴8以及采用C形芯9形式的一组或多组铁磁无源元件(组的数量为三组，以与本示例的三相机器一致)。如将从图中可知，C形芯与机器的转动轴线平行地布置。为了使组件简化，C形芯元件能够由通过在C形芯的中间将其切开所得到的两半形成。芯借助于盘10刚性地附接于轴。盘10具有适用于保持C形芯9的座11X形芯从三侧包围定子绕组4。在转子转动期间，磁回路中的磁通根据C形芯相对于励磁元件的位置而周期性地改变。结果，相绕组4受到感生的EMF。本示例的三个绕组中的电压通过由芯位置所确定的角度而相对于彼此实时偏移，例如在诸如图示的三相机器的情况下，彼此(电气地)偏移120度。与许多使用永磁体或DC励磁的作为发电机或马达的电机类似，装置能够以该方式运行。
[0034]装置的变型包括单相和多相发电机以及多相马达。如所提及的，多相装置将通常采用绕着同一轴线的多个绕组。另外的变型包括使用DC馈电电磁体(DC fedelectromagnet)来代替永磁体。
[0035]优点
[0036]在探讨另外的实施方式之前，我们列出了本发明思想的数个优点。
[0037]能够实现如下装置:外定子围绕转子，或者反之亦然。对于外定子的情况，相绕组和铁磁励磁元件安装于定子，而围绕绕组的芯固定于旋转转子(spinning rotor)。对于内定子的情况，芯和绕组固定于定子，无源铁磁切换元件固定于转子。这两个实施方式允许产生力处的半径最大化，以获得最大的转矩和力矩。
[0038]如在其它TFM构造中，用于各相位的定子绕组与回转轴线同轴并与绕组的给定组共用;在其它机器中，每个芯通常存在一个绕组。
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