专利名称：具有轴向对准的定子极和转子极的旋转式电动电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及旋转式电动电机，更为特别的是具有多个转子元件和定子元件的电机，该定子元件包含多个对准在平行于电机转动轴方向上的极。
背景技术：
诸如基于微控制器和微处理器的、用于电机控制应用的电子系统的不断改善，以及改进型便携式电源的可用性，已使用于有效的车辆用的有效电动电机驱动的开发，作为内燃机的一种可行的替代而成为一项富有竞争力的挑战。电机绕组的电子控制脉冲赋能(energization)提供了更灵活电机特性管理的前景。通过对脉冲宽度、工作循环以及把电池电源切换施加给合适定子绕组进行控制，可获得基本上难以从交流同步电机操作中区分的功能多样性。结合这种绕组使用永久磁体在限制电流消耗方面是有利的。
上述指出的Maslov等人的共同待定的相关美国专利申请SerialNo.09/826,423指出和提出了对一种适合于简化制造并能够具有有效灵活的操作特性的改进型电机的需求。在车辆驱动环境中，强烈期望的是在大的速度范围内获得平稳操作，同时以最低功率消耗来维持高的转矩输出能力。这种车辆电机驱动应该有利地提供了能够对各种结构构件进行触摸，以用最少的不便来更换构件。共同待定的相关美国申请包含电磁极作为以环形环配置的、在径向方向相对薄的隔离导磁结构，以提供有利效果。与现有技术实施例相比，使用该布置可使磁通量量集中，并且在电磁芯内无实质损耗，也无有害的变压器干扰效果。尽管在转矩特性和效率方面的改善可使用所指出的共同待定申请的结构来达到，然而进一步改善仍是所期望的。
为此，上述指出的Maslov等人的共同待定的相关的美国专利申请Serial No.09/826,423力求优化转子参数，例如，磁体等级，磁体等级的能量密度和总磁特性，磁体(当其是转子的一部分时，其可对磁体的有效工作性能和总体操作条件进行调整)的大小和尺寸，磁体的温度稳定性，在为预定应用而制造磁体中采取的精加工、涂敷和后处理步骤，磁体的曲线表面上方的磁化稳定性，磁体的径向极化的均匀性，两个单独磁体之间的相邻间隙，磁体边缘的机械特性，以及由后铁环部(back iron ring section)提供的磁体磁通量量回路(return fluxpath)。
Maslov等人的申请认为电磁体组的隔离允许在该组磁芯中磁通量的单独集中，实质上没有磁通量损失或和其它电磁构件的有害变压器干扰影响。通过将单一的极对设置为隔离的电磁体组可以获得操作上的优点。当切换极对绕组的赋能时，单独的极对和其它极组的磁路隔离消除了在相邻组上的磁通量变压器影响。在组中附加极的缺乏消除避免了任何这种在组中的影响。
虽然从上述努力中可以得到显著的优点，但是发现还没有完全实现从使用电机结构的三维方面中获得益处。在共同待定申请的电机中，所有定子和转子极以沿圆周位于旋转轴的周围，并且在轴向上共同延伸。对于给定的气隙直径，两倍于极对数量的极的总数量被实际的物理性能所限制。由此确定产生在转子和定子之间磁通量交互的单独极的最优化有效表面区域，以及产生这种交互的极的数量。更加期望获得其中磁通量分布更加高度集中的结构设置和提供更多数量的极，该极结合有用于具有相同气隙直径的电机的相同单独有效气隙表面区域和/或更大总有效气隙表面区域，以获得甚至更好的性能。
发明内容
本发明在上述现有技术的需要上更进一步，并且提供了额外的配置方面的益处，例如在上述提出的Maslov等人的申请中揭示的使各极对的隔离布置。
通过在定子和转子极之间沿着电机的轴向延伸径向磁通量分布交互，来实现本发明的优点，至少是一部分优点。
可以通过使用通过这样的材料来实现本发明的另外的优点，通过该材料，软导磁媒介易于形成多种特定形状。例如，芯材料可能由Fe，SiFe，SiFeCo，SiFeP粉末材料的软磁体等极来进行制造，它们中每一个具有唯一的功率损耗，导磁率和饱和度级别。可以在不需要形成叠层结构的情况形成具有相关公差的定子元件的芯几何形状和芯尺寸，并且由此使在转子永磁体和定子电磁体的耦合极之间建立的磁位梯度得到优化。
在本发明的结构性特征中表明了上述优点，至少是表明了一部分优点，其中电机包括转子和定子，其每一个设置在成角度的环表结构中，并且由环形气隙彼此隔开。定子包括多个具有线圈卷绕在其上的导磁芯分段，芯分段彼此隔开以防止其直接接触，并且其被沿着径向气隙设置。每一定子分段包括在平行于旋转轴的方向上彼此对准的一对极。因此定子具有两组轴向放置的极，每一组极是轴向对准的。这样，每一芯分段极对包括结构上和另一组对应极连接的一组极。在这个布置中，极对的总数量等于在组中极数量的数量。优选的，每一定子芯分段的极由链接部接合。定子绕组形成在链接部上，由此施加电流给加到绕组会的电流引起在极对中的相反的磁极性。另一选择是，绕组可能包括两组分别以彼此相反方向卷绕在定子极对的对应极上的线圈，并且其可能串联或并联连接，由此来加到施加电流给连接的线圈组会的电流引起定子芯部分芯分段的极以相反的磁极性进行磁化。在任何一种选择中，施加到绕组电流的反转将引起定子极的磁极性的反转。
转子优选的包括多个永磁体元件，其沿着它的内部环形表面连续改变磁极性。每一转子元件包括在气隙中沿平行于旋转轴方向上彼此对准的一对极，其中该极具有相反的磁极性。这样，转子也具有两组轴向设置的极，结合有每一组的极是轴向对准的。转子极组优选的是轴向共同延伸的，并且和对应的定子极组是轴向对准。
本发明的另一优点可以归因于转子结构，其被设置为增强在穿过气隙的径向方向中磁通量的方向。例如，可能对每一转子极进行磁化，以在气隙处在它的内部极表面显示出一个磁极性、并且在它的外表面显示出相反的磁极性，从而集中在径向的磁通量。转子元件可能彼此邻近并且被安装在铁磁环形支承板上。优选的，转子元件彼此不直接接触，从而增强磁路的隔离性。另一种选择，每一转子磁元件可能进一步包括沿着轴向延伸作为磁支承板的导磁部，转子元件的每一极安装在支承板的各自轴端部。在这个布置中，为每一转子元件提供分开的支承板部，而不是连续的磁环形支承板，由此避免偏离的磁通量分布。在任一个实施例中，提供了非铁磁环形支承板来环绕转子元件。
在再一优选实施例中，每一转子永磁元件另外包括在元件的极部之间的附加磁体部，该附加磁体部在元件的极部之间沿轴向引导磁通量，这样进一步改进了有效的磁通量分布图形。
本发明的其他优点对于本领域技术人员来说，从以下详细说明中将是容易显而易见的，其中，仅简单通过对本发明所期望实行的最佳模式进行叙述的方式来对本发明的优选实施例作了图示和说明。应该认识到，本发明能够采用其他和不同方式实施，并且其若干细节能够在各种明显方面进行修改，所有这些都不应背离本发明。因此，附图和说明书应被视为在性质上是说明性而不是限制性的。
本发明是通过举例而不是通过限制的方式在附图的各图中作了说明，且在附图中，同类参考编号表示同类元件，以及在附图中图1是根据本发明的电机的局部三维透视图。
图2是图1电机的定子芯分段的透视图，其中线圈卷绕在连接分段极的链接部。
图3是本发明的定子芯分段的透视图，其中线圈卷绕在定子极。
图4a和4b是本发明的转子的透视图，其中轴向对准的极对是在结构上分开的。
图5a和5b是本发明的转子的透视图，其中轴向磁化的永磁体位于轴向对准的转子极对之间。
图6a-6d是示出了对于轴向转子磁体单元的各自变型的多种磁通量分布图形的示图。
具体实施例方式
本发明的电机适合于在驱动汽车、摩托车、自行车等的车轮时使用。这样，
对可容纳在车轮内的电机结构进行描述，定子被刚性安装到固定轴上，并由用于驱动轮的转子所围绕。然而应该理解到，车辆情况仅仅是可采用本发明电机的众多具体应用的一个示例。
如图1的剖面视图所示，电机10包括由径向气隙分开的环形永磁体转子20和环形定子结构30。定子包括多个铁磁隔离的元件。由导磁材料制成、且彼此隔离而不能直接接触的芯分段32具有在其上形成的各自绕组34。转子包括多个永磁体22，沿圆周分布在气隙的周围并且附装到非磁性环形支承板24，其可能由铝或其它非导磁材料形成。可以通过提供安装到转子磁体背部的导磁元件来进一步增强由转子磁体产生的磁通量分布。虽然在图1的实施例中没有示出，但在其它图中示出了用于转子磁体的附加环形铁磁背部层。
在圆柱状的环形转子结构中，定子芯分段由两个板42刚性固定，在附图中仅示出了其中的一个。每一板具有刚性的圆形结构，该结构具有外径和在它的中心形成内径的圆形切口部。内径的尺寸适于固定的固定轴44，并且被附装到和轴构成整体的构件46。沿着板的周边，为该板提供有孔(未示出)，将该孔适当地隔开，以配合在定子芯分段中的对应通孔48。将每一板固定到轴上，并且彼此适当隔开，从而使其通过配合孔在每个轴侧部固定到定子芯分段，并将定子芯分段夹在中间。这样环形孔形成为定子芯分段，其共同延伸对准在从转子穿过气隙的轴向上。
固定轴，板和定子结构都包括在外壳50中，在该外壳50上装设有环形转子支承板和永磁体。通过合适的轴衬和轴承，使该外壳作为在板外侧上轴的轴颈。应该理解本领域普通技术人员已知的任何合适的装置可以用于多种元件的装配。在车辆实例中，外壳可能形成和转子一起绕轴旋转的车辆车轮的部分。上面仅通过实例的方式描述板的特定结构，把定子的部分固定到轴并且同时形成环形布置的任何装置都是合适的。
在图2中更详细的示出了定子的芯分段。芯分段是单式磁结构，其包括两个极35，该两个极通过链接部36在轴向上接合，定子线圈34绕在该链接部周围。极具有锥形结构，其中横截面面积在朝向气隙的径向上增加，在扩大的极表面37上达到最大。这个结构使在芯中的磁通量集中程度最优化，使得可以将最大磁通量引导穿过气隙。可能使用来自软磁体等极的粉末金属技术，例如，Fe，SiFe，SiFeCo，或SiFeP的粉末材料来形成示出的芯几何形状和它的变型。粉末金属技术提供结构设计的灵活性，这种灵活性从常规层叠的金属叠层中是不可获得的。通过根据已知粉末金属材料的高电阻选择合适的粉末金属材料成分来获得涡流损耗的最小化，该最小化常规是通过使用叠层芯来处理。
定子绕组34的赋能使芯分段32的产生磁化，结合有极表面37上相反的磁极性。在已知方式中的电流方向的反转产生磁极性的反转。因为定子芯的轴向范围在本发明中更大，因此在轴向上每一极对的对准(而不是在现有布置中的以沿圆周绕着气隙)提供了两倍数量的定子极，结合有每一极具有相同的表面面积。这样完整的定子包括两组轴向共同延伸的极，其被通过芯元件的链接部而彼此轴向放置。
图3示出了如图2所示的定子芯分段的变型。芯分段32包括线轴形状的极部(pole section)，每一极部卷绕在芯34上。极部具有在气隙中的扩大极表面37，并且通过相对平坦的链接部36在与气隙相对的端部接合。极部、极表面和链接部是单式结构，优选的由粉末金属材料形成。极对的每一个极沿相反方向卷绕，以提供在极表面37的相反磁极性。根据所需的性能特性，两个绕组部分可能以串联或并联连接。合适地电气连接绕组部分，使得施加到绕组的赋能电流在芯分段的极中产生相反的磁极性。电流的反转将以已知方式使磁极性反转。
在图4a和4b中更详细的示出了转子20。图4a示出了连续的磁性环形支承板25，在其上安装有单独的永磁体。磁体形成轴向共同延伸磁体22a的第一环和轴向共同延伸磁体22b的第二环。每一磁体具有在径向上的南-北磁化方向，在面对气隙表面的极性和与支承板25接触的表面的极性相反。每一环磁体在磁极性上连续改变。磁体22a和磁体22b在圆周方向上共同延伸，彼此并排的磁体具有相反的极性。在磁体22a的环和磁体22b的环之间的空间和在定子极对表面之间的距离虽然不需要相等，但是它们是相关的。在每一环内的磁体之间的距离是一致的，并且和相邻定子芯元件的极表面之间的距离是相关的。单独的磁体具有均匀的表面面积，其可能和定子极的表面面积相关。这样，可能认为每一轴向相邻的磁体对22a和22b是转子永磁体极对，该极对与定子芯元件极对交互作用来产生电机旋转。这种交互将引起在气隙中的有效磁通量密度的显著增加，同时防止在背部铁中的磁通量饱和。
在图4b所示的布置中，将磁环形支承板25分段成带27。装设到每一带的是轴向对准的永磁体对。在带之间的距离对各自单独的永磁体对提供了改进的磁通量分布。因为每一轴的磁单元在结构上彼此分开，所以最小化了接合单元之间的偏离磁通量的直接损耗和干扰、或者串扰。
图5a和5b示出了本发明的转子的变型。在图5a的转子布置中，轴向磁化的永磁体26位于轴向对准的转子对磁体22a和22b之间。磁体22a和22b的南-北磁化方向是在径向。这个结构和图4a的转子的不同在于，磁体22a和22b中每一个都和磁体26的一个端部接触，以形成单独的转子轴单元，然而图4a的磁体22a和22b是彼此分开的。磁体26在轴向上磁化，来辅助在磁体22a和22b之间的磁通量集中。如图4a所示，磁环形支承板25是连续的。在图5b的转子布置中，磁环形支承板25是分段的。在其上安装了转子轴单元的每一支承板带27和相邻的带是分开的，以改进磁通量分布。
在图6a-6d中示出了多种磁通量分布图形。图6a和6b的磁通量分布对应于其中永磁体和非铁磁支承板24(没有示出)直接接触的转子布置。图6a示出了直接安装到非铁磁支承板的、具有相反磁极性的、分开的单独永磁体磁通量分布图形。图6b示出了三个磁体轴单元的磁通量分布图形，其中轴向磁化的磁体夹在具有径向磁化方向的相反磁极性的磁体之间。图6c示出了用于转子结构的磁通量分布图形，其中相反极性的单独永磁体彼此分开，并且安装在诸如图4a和4b布置的磁后铁部(magnetic back iron portions)上。图6d示出了转子结构的磁通量分布图形，其中在后铁部上安装有诸如图5a和5b布置的三个磁体轴单元。从这些图中可以很明显的看出，用于三个磁体布置的图形相对两个分开磁体的布置有了改进，并且这些布置的图形都以附加磁后铁元件实现了改进。
在本揭示中，仅图示和说明了本发明的优选实施，以及这些优选实施例多样性的几个例子。应该理解，本发明能够在各种其他组合和环境中使用，并能够在本文中所表述的发明概念范围内进行变更或修改。例如，可以意识到，除了车辆驱动以外，本发明的电机还可在范围广泛的应用中得到利用。尽管在车辆驱动实施中优选的是转子围绕定子，然而其他应用可以在定子围绕转子的用途中发挥优势。这样，在本发明的意图范围内，各内外环形构件可以包括定子或转子，并可以包括电磁体组或永久磁体组。
虽然示出了定子芯元件的特定几何形状结构，应该认可这里的发明理念包括多种这些结构的变型，因为使用粉末金属技术实质上可以形成任何形状。这样可以根据所需磁通量分布来订制特定芯结构。
另外，根据所需的操作功能性，可以改变在定子和转子极表面中的多种极表面面积和距离关系。例如，在各元件之间的距离和各元件表面面积不需要统一。在多种上述的实施例中，多种转子磁体可能相比所指出的进一步彼此分开，或者，相反的形成为彼此接触。在图5a和5b的三个磁体轴单元的布置中，可能由单一的整体磁体块来制造磁体单元，结合有合适的嵌入式磁图形。
权利要求
1.一种用于旋转式电动电机的定子，包括多个分开的铁磁芯分段，其具有各自绕组；非铁磁支撑结构，其装设到芯分段，并且该芯分段被配置成在围绕旋转轴的环形环中彼此没有铁磁接触；以及其中每一芯分段包括在平行于旋转轴方向上对准的一对极。
2.一种旋转式电动电机，包括转子，其包括多个设置在围绕旋转轴的环形环配置中的永磁体元件，磁体元件沿着内部环形表面连续改变磁极性；以及定子，其通过径向气隙和转子隔开，该定子包括多个铁磁芯分段，其具有卷绕在其上的各自线圈，以形成定子绕组，芯分段彼此分开而不直接接触，并且沿着径向气隙设置，每一定子部分包括在平行于旋转轴方向上彼此对准的一对极，从而定子包括以径向对准的第一定子极组和以径向对准的轴向放置的第二定子极组。
3.如权利要求2所述的旋转式电动电机，其中第一和第二定子极组中的至少一组是与穿过气隙的转子的环形环永磁体元件径向对准。
4.如权利要求3所述的旋转式电动电机，其中每一转子永磁体元件是单独的轴单元，其包括在气隙中以平行于旋转轴的方向彼此对准的一对永磁体极，该极具有彼此相反的磁极性；以及其中第一和第二定子极组中的每一组和各自转子磁体级组是径向对准。
5.如权利要求4所述的旋转式电动电机，其中每一定子芯分段包括和接合极对的链接部，并且在链接部上形成绕组，由此通过绕组的电流方向的反转引起极对磁极性的反转。
6.如权利要求5所述的旋转式电动电机，其中每一极永磁体在气隙中沿径向的内部极表面上显示一种磁极性并且在径向的外部极表面上显示一种相反的磁极性，由此将磁通量引导成径向方向。
7.如权利要求6所述的旋转式电动电机，其中每一转子轴单元的极彼此分开。
8.如权利要求7所述的旋转式电动电机，其中每一转子轴单元进一步包括导磁部，其在轴向延伸，被安装到单元每一极的径向外部极表面。
9.如权利要求8所述的旋转式电动电机，其中所有转子轴单元的导磁部在结构上彼此分开。
10.如权利要求7所述的旋转式电动电机，其中每一转子轴单元进一步包括第三磁体，其在极对之间以轴向延伸，并且具有在轴向的磁极性方向，由此增强磁通量分布。
11.如权利要求10所述的旋转式电动电机，其中每一转子轴单元进一步包括导磁部，其在轴向延伸，被安装到单元每一极的径向外部极表面。
12.如权利要求11所述的旋转式电动电机，其中所有转子轴单元的导磁部在结构上彼此分开。
13.如权利要求4所述的旋转式电动电机，其中每一定子芯分段的绕组包括两组分别在定子极对的对应极上以彼此相反的方向卷绕的线圈，由此施加电流给线圈组引起定子芯分段的极以相反磁极性进行的磁化。
14.如权利要求13所述的旋转式电动电机，其中每一极永磁体在气隙中沿径向的内部极表面上显示一种磁极性并且在径向的外部极表面上显示一种相反的磁极性，由此将磁通量引导成径向方向。
15.如权利要求14所述的旋转式电动电机，其中每一转子轴单元的极彼此分开。
16.如权利要求15所述的旋转式电动电机，其中每一转子轴单元进一步包括导磁部，其在轴向延伸，被安装到单元每一极的径向外部极表面。
17.如权利要求16所述的旋转式电动电机，其中所有转子轴单元的导磁部在结构上彼此分开。
18.如权利要求15所述的旋转式电动电机，其中每一转子轴单元进一步包括第三磁体，其在极对之间以轴向延伸，并且具有在轴向的磁极性方向，由此增强磁通量分布。
19.如权利要求18所述的旋转式电动电机，其中每一转子轴单元进一步包括导磁部，其在轴向延伸，被安装到单元每一极的径向外部极表面。
20.如权利要求19所述的旋转式电动电机，其中所有转子轴单元的导磁部在结构上彼此分开。
21.如权利要求2所述的旋转式电动电机，其中转子围绕定子。
22.如权利要求6所述的旋转式电动电机，其中将每一转子轴单元装设到与旋转轴同心的非铁磁支承板。
23.如权利要求22所述的旋转式电动电机，其中多个转子轴单元沿着支承板方向彼此分开。
24.一种用于旋转式电动电机的转子，包括多个永磁体元件，其设置在围绕旋转轴的环形环配置中，该磁体元件沿着内部环形表面连续改变磁极性；以及其中每一转子永磁体元件是单独的轴单元，其包括在平行于旋转轴方向上彼此对准的一对永磁体极，该极具有彼此相反的磁极性；以及每一极永磁体在内部环形表面上显示一种磁极性并且外部极表面上显示一种相反的磁极性，由此将磁通量引导成径向方向。
25.如权利要求24所述的旋转式电动电机，其中每一转子轴单元进一步包括导磁部，其在轴向延伸，被安装到单元每一极的径向外部极表面，由此增加磁能量分布。
26.如权利要求24所述的旋转式电动电机，其中每一转子轴单元进一步包括第三磁体，其位于极对之间，并且具有在轴向的磁极性方向。
27.如权利要求26所述的旋转式电动电机，其中每一转子轴单元进一步包括导磁部，其在轴向延伸，被安装到单元每一极的径向外部极表面，由此增加磁能量分布。
全文摘要
一种旋转式电动电机，包括转子，其包括多个设置在围绕旋转轴的环形环配置中的永磁体元件，磁体元件沿着内部环形表面连续改变磁极性，以及定子，其通过径向气隙和转子隔开。该定子包括多个铁磁芯分段，其具有卷绕在其上的各自线圈，以形成定子绕组，芯分段彼此分开而不直接接触，并且沿着径向气隙设置。每一定子部分包括在平行于旋转轴方向上彼此对准的一对极，从而定子包括以径向对准的第一定子极组和以径向对准的轴向放置的第二定子极组。
文档编号H02K7/18GK1561569SQ02819469
公开日2005年1月5日 申请日期2002年9月24日 优先权日2001年10月1日
发明者博里斯·A·马斯洛夫, 扎雷·S·索格霍莫尼安 申请人:波峰实验室责任有限公司