用于电机的多相爪磁极结构的制作方法

专利名称：用于电机的多相爪磁极结构的制作方法
背景技术：
本发明涉及一种电机。特别是，本发明涉及一种用于多相电机的爪磁极(claw pole)结构设计。
电机利用变化的磁场来产生电流或机械力。当电机用于产生电流时，磁场从线圈上面经过，这在线圈中引起想要的电流。当电机用于产生机械力时，电流穿过线圈，这使得线圈受到相邻磁场的吸引(或排斥)，从而产生想要的力。
前述原理通常应用于旋转电机。例如，在发电机或交流发电机中，旋转元件或转子穿过由定子间歇产生的磁场，该定子有环绕旋转方向布置的多个磁极，以便提供磁场(该磁场可以以电磁方式产生)。电动机可以有类似结构；主要区别只是向转子线圈提供电流，而不是由转子线圈产生电流(当为发电机或交流发电机时)。
定子磁极的几何形状设计和构成影响运行效率以及电机的尺寸、形状和重量。爪形结构通常用于具有单定心绕组或线圈的电机的转子磁极。当为交流发电机转子时，D.C电流供给线圈。在另一用途中(例如异步马达、步进马达和无刷永磁体马达)，A.C电流或脉冲电流供给定子线圈。
层叠材料的使用限制了多相电机的电枢几何形状。通常，通过将相同的层叠物一个堆垛在另一个顶上而构造成磁路，这些层叠物彼此电绝缘，以避免产生涡电流的循环。这些电枢的几何形状沿旋转轴线不变。还有，因为磁通在层叠物的平面中流通，因此它们可以被看作是二维结构。
使用层叠物堆垛的电机的装配通常需要几个附加的机械部件。例如，需要在层叠物堆垛的各相对侧添加法兰，以便支承轴承壳体，该轴承壳体执行将转子固定在定子上的功能。由于层叠物的性质以及由于存在端绕组(该端绕组伸出狭槽)，将这些法兰装配在堆垛上会更困难。这些法兰必须远离端绕组，以便当它们由磁性材料制成时使磁通的泄漏最小，或者当它们由导电材料制成时使涡电流最小。这些组件通常增加了电机的总轴向长度。
在使用层叠材料的电机结构中，散热也是一个关键问题，因为沿与层叠平面垂直的方向的传热效率低得多。冷却系统(例如装备有冷却翅片的向外凸出铝轭铁)通常环绕层叠物堆垛来进行压力装配，以便设法增进与周围大气的传热，但是该冷却系统的效率受到它们与层叠物的较差的热接触的限制。所有这些问题说明在普通电机中需要相对大量的异质部件来执行电磁、机械和热的功能，这些异质部件增加了电机的材料和装配成本绕组、层叠物、法兰、轴承壳体支架、固定螺钉和杆、外部轭铁、铝翅片等。
可以用各向同性的磁性材料来制成电机部分，例如由铁粉制成的软磁复合材料。由相同磁性材料制成的冷却翅片也可以集成在磁路部分中。(加拿大专利2282636 12/1999)。还已知爪磁极结构在低功率用途中有多个优点。使用大量爪磁极的电机实例是用于定时器或汽车交流发电机中的“密封马达”，它们使用爪磁极转子(美国专利No.3271606和美国专利No.3714484)。不过，该结构通常用于单相电机，该单相电机只使用一个线圈，该线圈埋入由装备有爪的两个部件制成的磁路中。这种装置称为“定心绕组”。定心绕组比其它绕组结构更容易实现，因为线圈的总数通常等于马达的相数。
当为汽车交流发电机的感应器时，DC电流供给线圈。其它用途(例如异步马达(美国专利No.3383534)、步进电机(美国专利No.5331237)和无刷永磁体马达(美国专利No.5854524)的定子)说明了爪磁极结构的使用，其中，AC电流或脉冲电流供给线圈。
图1A、1B和1C表示了现有技术的磁路部件100(单相定子结构)的几个视图。该结构有轭铁(yoke)105(图1B)，该轭铁105由磁性材料形成。轭铁105由两个相对环110、120制成，这两个环110、120有径向向内延伸的凸出指或爪112、114、116、122、124、126，以便沿着转子(未示出)表面旁的气隙对着该气隙。环形线圈130沿轴向布置，与转子轴线(未示出)同心，并由磁路的两个环110、120包围。由线圈确定的平面垂直于在定子和转子之间的气隙表面。由环形线圈130产生的磁通经由在线圈130各侧的爪112、114、116、122、124、126穿过气隙通向转子。
当为AC爪磁极电枢时，优选的是用磁性复合材料来制造芯，以便使涡电流损失最小(美国专利No.3383534和美国专利No.5331237)。还可以使用磁性板或层叠物的组件，以及使用通过粉末冶金方法而由铁粉材料制造的其它部件(美国专利No.6320294、美国专利No.6201324)。
通常更难实现具有爪磁极电枢的多相结构。它需要堆垛布置在定子或转子上的多个单相结构，并通过气隙使它们分开，以避免磁短路和性能退化。不过，当为小功率马达(例如步进马达)时，人们通常能够容忍由于没有在结构之间添加气隙的情况下直接并列布置几个单相结构而引起的这种性能退化(美国专利No.6259176和美国专利No.6031304)。美国专利No.5854526表示了使用不同线圈结构的三相、爪形结构。三个线圈布置在相同平面中，同时它们的轴平行于在定子和转子之间的气隙表面。与前述结构相同，由线圈确定的平面垂直于气隙表面。不过，这些结构并不能解决磁短路问题，且只能用于非常小功率的用途。

发明内容
本发明涉及用于电机的多相爪磁极电枢的不同结构以及它们的相应装配方法。这些结构可以用于多相电机(马达或交流发电机)的定子(AC或脉冲电流供给该定子)的设计和构造，该多相电机(例如同步和永磁体电机、步进马达、异步电机和磁阻电机)覆盖较大功率范围。这些多相结构也可以用于DC电机(马达或发电机)的转子电枢的设计。
在这些电机中，气隙表面为平面(当为线性运动时)或柱形(当为圆形运动时)。为了简化下面的说明，我们将只考虑电枢磁路。图中只表示了具有柱形气隙表面以及绕该气隙表面的轴线进行圆形运动的结构。不过，相同结构也可以用于其它种类的电机(如DC电机)的转子。也可以有平面气隙表面，并进行线性运动或绕与气隙表面垂直的轴线进行圆形运动。
与现有的爪磁极结构相同，磁路环绕线圈，且该磁路能够分成几个扇区，以便于它与线圈的装配。该磁路装备有对着转子气隙的几排爪。两个相邻排的爪(或指)交织(或间隔开)，以便覆盖更大的气隙表面，同时不增加所占据的轴向空间。本发明与前述尝试的不同在于线圈和爪在磁路的不同部分上的布置。线圈缠绕在特定爪的基部上。爪的基部形成与气隙表面垂直的磁路的部分。几个爪安装在单个爪基部上。在相同排中的所有爪的基部都与公共轭铁连接。线圈的轴线总是垂直于气隙表面；也就是说，由线圈确定的平面与气隙表面平行。线圈并不交织，并沿运动轴线规则地间隔开。通过该结构，由转子磁极产生的磁通在芯和爪中沿三个方向交替循环，且没有DC分量。
在给定排或相邻排中，并不需要使所有的爪都有相同尺寸。爪的形状使得可以调节电动势的谐波分量，并能够控制变动力矩(coggingtorque)的幅值。根据用途的要求和限制，也可以考虑使对着气隙的爪部分有不同形状。最普通的形状为矩形、三角形或梯形。也可以沿运动方向与气隙表面相切地偏斜该爪，以便通过使用在普通电机中采用的相同的偏斜方法来减小变动力矩。在转子和定子之间的气隙厚度也可以沿相同爪的表面变化。通过该方法，可以精确改变电磁感应在气隙中的空间分布和电磁感应在爪的不同部分中的分布。
支承线圈的爪基部通常有矩形形状。不过，优选是使拐角成圆角，以便简化缠绕。在某些情况下，也可以采用椭圆形或圆形，以便使线圈的尺寸最小。
优选的是，磁路由基于金属粉的磁性复合材料通过压制、模制或机械加工而制成。磁路的一些部分也可以由普通层叠物堆垛制成。在很难将线圈装配到芯上的特定实例中，可以将磁路分解成多个装配部分，以便于安装线圈。随后，通过将这些单个部分胶接、螺钉连接或挤压在一起而进行机械装配。
本发明的爪磁极电枢也可以应用于传统的柱形转子，例如，由永磁体制成的转子安装在轭铁表面上。不过，推荐使用两转子轭铁，该两转子轭铁装备有磁体，并由轴向气隙分开。通过该结构，各磁体排可以相对于定子爪正确定位。这时，中心和侧部部分的爪可以有相同的厚度。当磁体排稍微改变合适的角度时，这样将转子分成几排也可以用于使变动力矩平滑。
本发明中的爪磁极结构提供了比传统层叠结构更好的电磁、机械和热功能的综合。当使用复合金属粉时，薄铁片通过树脂而隔离，且磁通可以沿所有的方向(或在三维中)流通，同时不会增加磁损失。由本发明实现的磁路的新布局和装配能够改进生产过程并降低它的成本。在该结构中，可以消除普通层叠物堆垛的机械固定问题，并使附加部件的尺寸和数目最少。
在本发明中，磁路可以分成与各排爪相对应的几个部分，这有利于线圈的装配。当磁路分成三个部分时，中心部分通过侧部部分来进行机械固定，该侧部部分起到传统法兰的作用。绕组也可以通过使线圈的数目和端子连接件的数目最少而进行简化。这样，电机的总轴向长度减小，有效材料容积以及绕组制造过程和成本都减至最小。本发明的绕组完全包围在电枢磁芯中。没有使得定子的轴向长度大于磁路的有效长度的绕组部分(类似于传统2D结构中的端绕组)。
而且，在本发明中，转子可以非常容易地通过包括轴承壳体的较小法兰来固定。这些较小法兰可以由导电材料制成，因为端绕组的通量泄漏减至最小，且这些较小法兰能够很容易地固定在侧部部分上。消除了具有伸出的端绕组的普通层叠物堆垛的机械固定问题。
尽管不同磁路部分通常用于通量循环和线圈固定，但是在本发明中，这些部分也可以用于简化机械装配和用于固定位置传感器。而且，用于轴承壳体和用于机械固定转子所需的附加部件的尺寸可以大大减小。使轴承壳体集成在本发明的电枢结构的侧部部分中可以很容易地通过使用金属粉材料来实现。通过该结构，包括转子轴承支架的所述磁路的各侧部部分可以在单个挤压操作中进行压紧。不过，该集成必须避免任意不希望的电机气隙的磁短路。这可以很容易地通过使用非磁性材料来将轴承壳体集成在定子侧部部分中而实现。也可选择，当考虑特殊条件时，也可以使用磁性材料。例如，在周期性结构中，有相同磁势值的两个不同爪可以进行连接，而不会改变磁通通路。
通过利用有效的自然或强制空气对流或水循环，还可以很容易地使本发明的结构装备有冷却系统。该系统可以完全集成在磁路部分中，同时该系统使用或不使用另一种类的材料。例如，冷却翅片和电枢轭铁可以在单个挤压操作中进行压紧，同时使冷却翅片环绕轭铁的外表面布置。当翅片由磁性复合材料制成并沿电机的轴向长度方向定位时，磁通也可以在翅片中流通该翅片是“磁有效”。通过该结构，马达的总尺寸和重量仍然最小，且电机的力矩重量比增加。流体循环冷却系统也可以很容易地集成在该结构中。例如，可以安装用于冷却流体循环的管或通道，该管或通道可以为非磁性的，并能够直接与绕组线圈接触，并布置在与爪排平行的平面中。这些管通过侧部部分的爪来机械固定。用于冷却流体循环的槽道也可以在由软磁性材料制成的磁路的轭铁中直接实现。
当需要设计不同马达来覆盖特定功率范围时，本发明可以使用相同部件来优化制造过程。当为层叠材料时，为该目的可以通过调节要堆垛的相同层叠物的数目来改变轴向磁路长度。当为本发明具有爪磁极电枢时，也可以使用相同方法。通常可以沿旋转轴线直接堆垛两个相同结构，而不通过气隙将它们分开。该变化将使原始电机的功率加倍。该装配非常简单，且避免使用附加部件。机械固定通过利用各结构的侧部部分来实现，且绕组可以串联或并联连接。接着可以使用单感应器结构来覆盖马达的总长度，但是也可以使用几个堆垛的转子轭铁。此外，也可以沿旋转方向在各结构之间采用稍微的角度移位。因此，变动力矩的振荡可以减小，并可以滤除电动势的谐波含量。


图1A、1B和1C分别表示了现有技术的单相爪磁极结构的正视图、装配图和分解图，该爪磁极结构有两个部分和中心环形线圈。
图2A、2B和2C分别表示了本发明的简化三相爪磁极磁路部件的正视图、装配图和分解图，其中，该部件分成两个部分，且三个线圈安装在一个部分的爪上。
图3A、3B和3C分别表示了图2中的结构的可选组件的正视图、装配图和分解图，其中，磁路部件沿旋转轴线分成三个部分，三个线圈安装在中心磁路部分的爪上，且磁路部件的两侧部分相同。
图4A、4B和4C分别表示了图3中的结构的组件的正视图、装配图和分解图，其中功率增加。
图5A、5B和5C分别表示了本发明的五相结构的正视图、装配图和分解图，其中，气隙在外表面上，磁路部件分成三个部分，五个线圈安装在中心部分上，且磁路部件的两侧部分相同。
图6A、6B和6C分别表示了图5的结构的可选组件的正视图、装配图和分解图，其中，磁路部件的中心部分的爪在安装了线圈之后再安装，且侧部部分的爪也放大，以便于机械支承线圈，从而便于将线圈安装在中心部分上。
图7A、7B和7C分别表示了本发明的另一三相磁路部件的正视图、装配图和分解图，该磁路部件用于在气隙中产生14或16个磁极的转子或外部定子，且磁路部件分成三个部分，三个线圈安装在中心部分上，由多个爪包围，且爪不规则地分布在磁路部件的中心部分上和侧部部分上。
图8A、8B和8C分别表示了图7中的结构的可选设计的正视图、装配图和分解图，其中，中心件进行改变，以便使线圈中所需的铜量最小，在侧部部分上的多个爪进行重新分组，且在侧部部分上有两种不同的爪宽度。
图9A、9B和9C分别表示了图7中的结构的可选设计的正视图、装配图和分解图，其中，在侧部单元上的多个爪有狭槽，以便使变动力矩的振荡最小。
图10A、10B和10C分别表示了三相结构的正视图、装配图和分解图，该三相结构用于在气隙中产生14或16个磁极的转子或外部定子，其中，磁路部件的中心部分有不规则分布的9个爪，爪的基部布置成三组，以便减小由安装在中心部分上的三个线圈所占据的空间，且磁路的侧部部分相同，各侧部部分包括6个不规则分布的爪。
图11A、11B和11C分别表示了图10中的结构的另一组件的正视图、装配图和分解图，其中，中心部分分成三个相同部分，以便简化线圈的安装，且这三个部分通过磁路部件的两个侧部件而机械保持在一起。
图12A、12B和12C分别表示了三相结构的正视图、装配图和分解图，该三相结构包括在中心部分上的六个线圈，其中，磁路部件的外表面装备有冷却翅片，且在磁路部件的各侧部件上有轴承支架，用于机械安装转子(未示出)。
具体实施例方式
下面将参考图2至12详细介绍本发明的实施例。
本发明中的电机电枢包括具有一个或多个零件的磁路部件以及具有多个线圈的多相绕组(图2-12)。优选是，磁路部件由基于铁粉的磁性复合材料通过压制、模制或机械加工而形成。
在这方面，并不希望使用完全由层叠材料制成的磁路。实际上，交替的磁通在三维中的循环在板中产生涡电流。不过，可以将磁路分成几个部分。磁通并不在平面中循环的部分(爪、拐角)将采用磁性复合材料，而磁通在平面中进行循环的其它部分(轭铁、爪的基部)可以选择由层叠材料制成。尽管磁路的机械装配变得更复杂，但是可以通过将零件胶接、螺钉连接或按压在一起而实现。
磁路部件装备有多排爪(图2-12)，这些爪定位成使得爪的顶表面对着在定子和转子之间的气隙。这些爪排彼此平行，且各排沿着运动的方向。爪的基部形成磁路的一部分，且爪与共用于各排爪的环形轭铁连接。绕组缠绕在特定爪的基部上。通常，组成各排的爪的数目是电机相数的倍数，不过，各排之间的爪数目可以不同。爪的分布可以是规则(图2-6)或不规则(图7-11)的。靠近气隙的各爪的顶表面有着比爪的基部(远离气隙的爪的部分)的截面更大的表面积。这使得各爪覆盖更大的气隙的表面，而同时减小形成爪磁极所需的金属量和提供用于导线绕组的部位。爪的型面直接影响空载电动势(emf)的谐波含量以及变动力矩的幅值。爪的顶表面的最合适的形状为矩形、三角形或梯形。
本发明的多相、爪磁极电枢可以用于转子和定子，该转子和定子沿运动方向产生磁极，该磁极交替地磁化成北极-南极。这些磁极产生在磁路、爪和线圈的三维中交替循环的磁通。该通量不包含DC分量。
通常，两个相邻排的爪交织(interlace)或间隔开，以便使马达的总轴向长度最短，同时还覆盖相同的气隙表面(见图2B中的爪212、214、216和222、224、226的结构)。不过，当在爪之间的距离变得太小时，磁通泄漏变得明显。因此，考虑到特殊用途和设计要求，优选的是只使爪交织成使得磁通泄漏不明显的程度。
在本发明中，并不必须使连续排的爪有相同形状或相同宽度(见图2中的爪212、214、216和222、224、226)。不过，间隔排的爪(即通过第三排爪而隔开的两排爪)总是有相同的形状(图3-12)。通常，位于一排两侧的相邻排上的爪沿着与爪排垂直的方向对齐(图3-12)。然后，它们处于相同的磁势中，并可以彼此接触或被很小的气隙隔开，而不会产生任何磁通泄漏(图3-12)。
如上所述，本发明的磁路部件包括一个或多个线圈，它们彼此串联或并联，以便在爪中产生磁场。各线圈直接缠绕在一个(图2-6)或多个爪(图7-11)的基部上。线圈总是沿运动的轴线规则地隔开且不交织。由线圈确定的平面总是平行于运动方向以及在定子和转子之间的气隙(图2-12)。当实施例采用多排爪时，线圈完全安装在偶数排或奇数排的基部上，但是并不混杂。
尽管本发明包含具有两排爪的结构(图2)，但是在大部分情况下，优选是有至少三排爪(图3-12)。图2表示了用于三相电机的外部电枢，它有两排爪(在环210上的第一排爪212、214和216以及在环220上的第二排爪222、224和226)，可以用作转子或定子。为了获得最佳性能，优选是使该结构具有在气隙中产生四个磁极的相应感应器(转子或定子)。
如上所述，这里所述的实施例通常有柱形的几何形状。为了引用方便，与所述结构的旋转轴线共线的方向称为轴向；由点绕旋转轴线旋转所确定的方向称为周向；而垂直于该旋转轴线的方向将称为径向。
图2表示了具有轭铁200的磁路部件20。多个爪磁极(后面将介绍)沿径向向内的方向从轭铁上伸出。当使用部件20时，这些爪磁极的顶表面与位于它们的周边内的相应的通常为柱形的电部件(未示出)间隔开，从而确定了在两个部件之间的气隙。
如图2B和2C所示，轭铁200分成两个部分环210、220。轭铁200的该划分由与气隙所确定的柱形表面垂直的平面来确定。在图2的实施例中，各环210、220装备有三排爪212、214、216和222、224以及226，它们环绕相应环的圆周规则地间隔开。在各环上的爪的顶表面的尺寸不同；在本实施例中，爪212、214和216的顶表面的面积大于爪222、224和226的顶表面的面积。这是因为爪212、214和216的周向尺寸比爪222、224和226更长。当装配两个环时，这些爪交织(图2B)。线圈232、234和236分别缠绕在磁路的爪212、214和216的基部上。由线圈确定的柱形面的轴线与在转子和定子之间的气隙的轴线共线(图2C)。线圈均匀地间隔开。
图3A、3B和3C表示了磁路部件30的可选实施例，该磁路部件30采用了具有三排爪的三个定子环。该装置完全包围绕组，并使电机的轴向长度最短。它还保证绕组部分沿与爪排垂直的方向没有超过磁路的总长度。在图3的实施例中，轭铁300由三个环310、320和330形成(图3B和3C)。两个外部环310、330相同，且各外部环支承三个爪磁极(图3C)。中心环320将绕组342、344和346支承在爪322、324和326上。在该特定实施例中，中心环320的爪322、324和326的顶表面沿轴向和周向方向放大。
为了制造磁路部件30，线圈首先直接缠绕在各自的爪的基部上。随后磁路部件的装配是进行两个外部环310、330的装配(图3B)。如图所示，爪的顶表面形成为使得爪的顶表面在装配后交织。
在图2-12的实施例中，支承绕组的一排爪邻近没有绕组的一排爪(图2)，或者夹在没有绕组的两排爪之间(图3-12)。比较图7和图9，可以看见，在图9中，外部环910、930的爪912、914、916、932、934、936开有径向狭槽(该爪沿径向方向分成两个部分，以便在它们之间确定气隙)。这用于使气隙穿过而与轭铁连接。考虑到前述说明，图7和9中的结构总是有相同数目的爪。通常，这些结构的特征如下即线圈的数目Nb、爪的数目G1和G2以及感应器的磁极对的数目(与气隙相对的部分)满足以下关系
Nb＝k1.Mph k1是等于或大于1的整数
G1＝k2.Nbk2是等于或大于1的整数
G2＝G1+k3.Nb k3等于-1或0，且G2＞0
其中
Mph是相数；Mph大于1；
P是由感应器产生的磁极对的数目(相对马达部分)；
Nb是沿爪排的长度规则分布的线圈的总数；
G1是支承任意绕组的一排爪的爪总数；以及
G2是不支承绕组的爪排的爪总数。
在本发明实施例中，与各相相关的线圈以相顺序环绕定子的圆周安装。当使用多个线圈产生一个相时，相同顺序重复多次。例如，当为三相电机并有确定的相A、B和C时，当电机有三个线圈时线圈的顺序为A、B、C。当电机有六个线圈时线圈的顺序变成A、B、C、A、B、C，而当有九个线圈时线圈的顺序变成A、B、C、A、B、C、A、B、C。根据用途和设计，各相的线圈能够串联或并联连接。
表I提供了具有三个线圈的几种三相结构的特征，这三个线圈符合前述关系。在表I中，三相的激励顺序假定为ABC。在图2至4和图7至11中的实施例根据该表来设计。
图7表示了用于另一结构(转子或定子)的磁路部件70，该结构在气隙中有十四至十六个磁极，以便获得最佳性能。在图7的实施例中，在定子和转子之间的气隙在部件70的外表面上。磁路部件70包括三排爪(图7B和7C)。各排位于各环上。两侧部环710、730相同，各侧部环有六个爪(用于环710的爪711-716；用于环730的爪731-736)，并不是全部爪都有相同的角度宽度(见图7C)。中心环720有六个爪磁极721-726(图7C)。爪在各环上和绕各排的分布并不相同(见图7A和7C)。三个线圈741、742和743安装在中心环720上(图7C)。各线圈缠绕在两个爪的基部上(例如线圈742缠绕在爪721、722上)。因此，线圈并不交织。
为了使多匝线圈的长度和导线的体积最小，优选是将中心环改变成使两个爪磁极在公共基部处连接，线圈缠绕在该公共基部上。这如图8的实施例中所示，特别是图8C，其中，爪磁极821和823在基部822处连接。同样，爪磁极825和826在基部824处连接，而爪磁极827和829在基部828处连接。因为爪关于气隙的位置应当不变，因此对于位于侧部环810、830上的爪留有空间。如图所示，各爪磁极及其基部形成Y形(图8C)。绕组842、844和846分别安装在基部822、824和828的底部上。由图8C可见，线圈的尺寸小于图7C。侧部环的形状也可以变化，通过比较图8C中的810、830和图7C中710、730可知。除了可能影响变动力矩之外，磁路的不同部分的这些设计变化不会影响性能。图8中的结构的优点是与图7中的结构相比明显减少了所需的铜量。在图8中，气隙位于磁路部件80的外部。不过，使爪磁极在公共基部处连接的相同的技术也可以用于具有内部气隙的部件中，例如图2中的部件20。
如上所述，在图9的实施例中，爪912、914、916和932、934、936沿径向开有狭槽。该结构不变改变爪的数目，但是能够增加变动力矩的频率，从而帮助降低它的幅值。图9A表示了当装配磁路部件时，有覆盖气隙的15个爪磁极。还可以对磁路部件进行其它类型的变化，从而影响变动力矩，例如在爪上的狭槽或槽具有更浅的深度，或者爪有特定型面。
图10和11分别表示了三相磁路部件1000和1100，各磁路部件是用于其它部件(感应器、转子或定子；未示出)的外部电枢，该电枢在气隙中产生14或16个磁极，以便获得最佳性能。在各实施例中，气隙位于部件的内表面上。与图9的实施例相同，各磁路部件1000和1100包含三排爪(图10B和11B)。部件1000由三个环1010、1020、1030组成，各环有一排爪磁极。两个外部环1010、1030相同，且各外部环1010、1030有六个爪(用于1010的1011-1016；用于1030的1031-1036)。(图10C)。中心环1020有9个爪磁极(图10C)。爪在各环上和绕各排的间距并不规则(图10A和10C)，但是全部爪都有相同的周向尺寸(图10A)。与图8中的部件相同，由环1020承载的爪磁极分成三组，各组共用一个公共基部。(图10C)。因此，例如爪磁极1021、1022和1023共用公共基部1060。这有利地减小了线圈的长度，从而减少了所需的导线量。
图11中所示的实施例有利于线圈的安装。图11的实施例不使用中心环(例如图10中的环1020)，而是代替为三个叉形结构1121、1122和1123。各结构有三个爪磁极，例如结构1121的爪磁极1124、1125和1126。线圈直接缠绕在结构1121-1123的基部上。环1110和1130各有三个凹口(例如1130的1131、1132和1133以及1110的1111)，叉形结构1121、1122和1123在装配过程中插入该凹口内。这样结构1121、1122和1123通过磁路部件1100的两个侧部环1110、1130而保持就位(图11B)。
表II表示了具有A、B、C、A、B、C绕组顺序的几种三相、六线圈结构。图12表示了根据该表设计的实施例。该特殊结构(磁路部件1200)有在其结构内部的气隙，并用于在气隙中产生8个磁极的转子或定子，以便保证最大性能。图12总体表示了本发明在磁、热和机械功能的综合方面所能够提供的优点，从而使马达中的部件数目最少并简化装配。由于A、B、C、A、B、C绕组顺序的周期性，环1240的两个径向相对的爪1233和1236处于相同磁势。因此，如图12C所示，两个爪1233和1236可以通过由磁性材料制成的横杆1237而连接。相对环1210同样有通过由磁性材料制成的横杆1217而连接的爪1211、1214。此外，横杆1217和1237包含圆形轴承套筒1218和1238，该轴承套筒1218和1238可以支承相应的转子或定子(图12C)。横杆对磁通轨道没有不利影响。该横杆可以机械固定在环1210、1230上，或者与环一起由磁性复合材料来制造。
因为在本发明中没有端绕组，因此，由磁性或导电材料制成的附加部件(例如用于支承轴承等的法兰、盘等)可以直接固定在磁路的部分上，该部分不对着气隙中的转子。与传统结构不同，它并不需要采用较大的气隙(例如几毫米)，因为没有端绕组，且因为在本发明中，绕组通过其它结构的磁性部件来进行磁屏蔽。因此能有利地减小电机的总轴向长度。
还很容易使这些结构装备有冷却系统，该冷却系统使用水循环、空气或其它合适流体的强制或自然对流。优选的是，将冷却系统集成为磁路的一部分。可以使冷却系统与磁路紧凑为由相同磁性材料制成的单个部件。例如，图12表示了环绕环1220的外表面布置的冷却翅片1229，以便增加与周围空气接触的表面。这些翅片形成磁路部件的整体部分(图12A)。在本发明中，如果给予合适的方向，磁通可以在这些翅片中流通。通过这样的结构，在不增加重量的情况下增强了散热，电机的总体尺寸和重量减至最小，且功率以及力矩-重量比增加。
表III给出了具有线圈顺序为ABAB的4线圈、两相结构。
表IV概括了绕组顺序为5个线圈ABCDE的五线圈、五相结构。图5和6表示了由该表画出的结构。在图5中的磁路部件50用于在气隙中产生8个磁极的另一部件(转子或定子)。在这些实施例中的气隙位于外侧。与图3中的实施例相同，图5的磁路部件50由三个环510、520和530制成，且线圈542、544、546、547和548安装在中心环520的各爪522、524、526、527和528的基部上(图5C)。两个相对环510、530分别有5个爪(如图5C所示，环510有爪512、514、516、517和518，而环530有爪532、534、536、537和538)。在该实施例中，相对环510、530的爪有着与位于中心环520上的爪不同的尺寸(图5B)。当装配磁路时，侧部环510、530的爪沿与爪排垂直的方向延伸(图5B)。
图6表示了一个实施例，其中相对环610、630上的爪的顶表面相对于该爪的基部放大，以便帮助绕组机械就位。为了方便将线圈安装在中心环上，在中心环上的爪进行分段。例如，爪磁极622的顶部分成三段部分622A，该部分622A形成爪磁极的基部；以及爪磁极的末端622B和622C(图6B和6C)。因此，线圈能够很容易地缠绕在基部上。随后，在安装绕组之后，只需要通过胶接或螺钉连接而机械装配其它部件，或者将这些爪的部件直接挤压或模制在爪基部上。K1Nbk2G1k3G22p1313033＜2p＜91326-136＜2p＜181326066＜2p＜181339-169＜2p＜271339099＜2p＜2713412-1912＜2p＜361341201212＜2p＜36
表I具有三个线圈的三相结构的实例K1Nbk2G1k3G22p2616066＜2p＜1826212-1612＜2p＜362621201212＜2p＜3626318-11218＜2p＜542631801818＜2p＜5426424-11824＜2p＜722642402424＜2p＜72
表II具有六个线圈的三相结构的实例K1Nbk2G1k3G2 2p241404 4＜2p＜122428-14 8＜2p＜24242808 8＜2p＜2424312-18 12＜2p＜3624312012 12＜2p＜3624416-112 16＜2p＜4824416016 16＜2p＜48
表III具有四个线圈的两相结构的实例K1Nbk2G1k3G2 2p151505 5＜2p＜1515210-15 10＜2p＜3015210010 10＜2p＜3015315-110 15＜2p＜4515315015 15＜2p＜4515412-115 20＜2p＜6015412020 20＜2p＜60
表IV具有五个线圈的五相结构的实例
本发明的第三实施例在图4中表示。为了获得功率高两倍的电机，可以使用两个相同的现有基本结构410和420(图4)。这两个结构的装配非常简单，且不需要制造新部件。例如，两个相同结构410、420可以沿旋转轴线直接堆垛(图4B)，且它们的绕组可以串联或并联连接。通过各结构的侧部件415、425来保证机械固定(图4C)。也可选择在两个结构之间沿运动方向引入稍微的变化，以便减小相之间的变动。而且，为了增加磁耦合，分隔环(未示出)可选择地插入这两个结构之间。该分隔环由磁性材料制成，并与各结构的轭铁接触。当环厚度超过气隙时，两个结构能够沿运动方向明显改变，以便将不同相绕组的两个线圈定位在感应器的相同磁极下面。
尽管上面只介绍了本发明的一些实施例，但是显然在不脱离本发明的主旨的情况下可以进行多种变化或简化。
权利要求
1.一种磁路部件，其用作电机的活动或静止电枢，该部件用于与感应器磁耦合，该感应器有沿运动方向交替磁化成北极-南极的磁极，其中，所述感应器与所述部件通过气隙而分开，该磁路部件包括
多个爪，这些爪布置成多排；
在相同排中的各爪的基部与公共轭铁连接；
多相绕组，该多相绕组包括多个非交织的线圈，
各线圈缠绕在相应爪的基部上；
线圈沿运动方向均匀分布。
2.根据权利要求1所述的磁路部件，其具有以下特征
Mph＞1
Nb＝k1.Mph k1是大于0的整数；
G1＝k2.Nb k2是大于0的整数；
G2＝G1+k3.Nbk3是等于-1或等于0的整数；
G2＞0
G1＜2P＜3.G1
其中Nb是沿至少一个爪排规则地间隔开的线圈的总数；
G1是在有绕组的部分上的爪的总数；
G2是在没有绕组的相邻部分中的爪的总数；
Mph是绕组的总相数；
其中，在电枢上的线圈结构沿运动方向遵循连续的相顺序，且当各相有多个线圈时，相同顺序重复多次。
3.根据权利要求1所述的磁路部件，其中所述部件由多个段制成，各段有一排爪。
4.根据权利要求3所述的磁路部件，其中所述磁部件包括紧固在一起的三段，各段包含一排爪，且安装在中心段和两相对段上的线圈相同。
5.根据权利要求4所述的磁路部件，其中所述中心段由多个部分形成，以便于线圈的安装，且其中中心段通过紧固两相对段而保持就位。
6.根据权利要求1所述的磁路部件，其中所述磁路部件的至少一部分通过压制、模制或机械加工而由金属粉的磁性复合材料制成。
7.根据权利要求1所述的磁路部件，其中所述磁路部件的至少一部分通过冲压或机械加工而由层叠磁性材料制成。
8.根据权利要求1所述的磁路部件，其中所述各爪的顶表面有矩形、三角形或梯形形状。
9.根据权利要求1所述的磁路部件，其中多个爪开有狭槽。
10.根据权利要求1所述的磁路部件，还包括爪，该爪与气隙接触的表面的形状可以提供可变厚度的气隙。
11.根据权利要求1所述的磁路部件，包括爪，该爪的、与气隙相邻的表面相对于该爪的基部在不同方向进行放大。
12.根据权利要求1所述的磁路部件，其中所述爪的基部有矩形、椭圆形或圆形截面以及圆角的侧边或拐角。
13.一种电机，包括多个根据权利要求3所述的磁路部件，其中这些部件沿它们的旋转轴线进行堆垛。
14.根据权利要求6所述的磁路部件，还包括成一体的冷却系统，该冷却系统由磁性复合材料制成。
15.根据权利要求6所述的磁路部件，还包括用于轴承或位置传感器的机械固定系统，该系统集成在所述磁路部件的相对的段中，并由磁性复合材料制成。
16.根据权利要求13所述的电机，其中所述多个磁路部件直接装配在一起。
17.根据权利要求13所述的电机，其中两个磁路部件有位于它们之间的分隔环，该分隔环由磁性材料制成。
18.根据权利要求14所述的磁路部件，其中成一体的冷却系统包括磁性复合材料，该磁性复合材料确定了用于冷却流体循环的通道。
19.根据权利要求1所述的磁路部件，它装备有冷却系统，该冷却系统通过由非磁性材料制成的管或通道来实现，用于冷却流体的循环，所述管靠近至少一个线圈，并定向成平行于爪排。
20.根据权利要求1所述的磁路部件，其中各排爪包括分离的段，且其中两个相对的段通过由非磁性材料制成的法兰或杆来装配，所述法兰或杆还用于支承轴承壳体，以便形成轴向长度减小的电机。
全文摘要
一种磁路部件包括多个爪，这些爪布置成多排，且各爪的基部与公共轭铁连接。它包括构成多相绕组的多个非交织的线圈，且该线圈缠绕在相应爪的基部上，并沿运动方向均匀分布。
文档编号H02K21/16GK1679220SQ03820869
公开日2005年10月5日 申请日期2003年7月9日 优先权日2002年7月10日
发明者J·克罗斯, P·维亚鲁热 申请人:魁北克金属粉末有限公司