專利名稱：具有至少兩個將定子和轉子扇形體分開的軸向氣隙的旋轉電動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及旋轉電動機，特別涉及具有多個的永久磁鐵轉子元件和磁性絕緣的定子元件的電動機，在定子元件和轉子元件之間有多個的氣隙。
背景技術：
電子系統(tǒng)的不斷進步，如基于微控制器和微處理器應用的電動機控制與改良的便攜式電源的實用性一樣，已經給予更有效率的電動機驅動的發(fā)展以無法抗拒的挑戰(zhàn)。電動機線圈的電子控制脈沖激勵為電動機特性提供了更為靈活控制的前景。通過對適當的定子線圈的脈沖寬度，占空比以及電池電源的開關應用的控制，事實上可以達到與交流同步電動機的運行無差別的功能多樣性。與這樣的線圈結合在一起的永久磁鐵的使用對于限制電流的消耗是有利的。
上述涉及馬斯洛夫等的共同的美國專利申請，序號09/826,423，確定并指出了對于一種能夠簡化加工和具有高效靈活的操作特性的性能改善的電動機的需要。當電動機以最小的耗電量維持一個高的轉矩輸出能力的時候，在一個寬的速度范圍內獲得平滑的運轉是非常理想的。涉及的美國共同的申請將電磁鐵磁極合成一個獨立的能夠導磁的構造為環(huán)形圈的結構，這種結構在徑向較薄，以提供有益的效果。通過這樣的排列，磁通量能夠被集中，與現有的技術的實施例相比，磁通量在電磁鐵的鐵心處實際上沒有損失或沒有有害的變壓器干涉效應。雖然相關申請中確定的結構在轉矩的特性和效率方面已經取得了進步，但仍需要改進。
馬斯洛夫等的申請認識到電磁鐵組的隔離使得電磁鐵組的磁心處的磁通量各自集中，與其它的電磁鐵元之間有低的磁通量損失并沒有有害的變壓器干涉效應。運轉的優(yōu)勢可以通過構造一個單獨的磁極對作為一個獨立的電磁鐵組來獲得。當磁極對線圈的激勵被轉變的時候，從其他磁極組隔離出來的單獨的磁極對的磁路隔離消除了相鄰組的一種磁通量變壓器效應。
涉及馬斯洛夫等的共同的美國專利申請，序號09/966,101描述了從電動機結構的三維空間方面的利用上所獲得的好處。從材料的使用上，如軟導磁介質可以被制成各種各樣的形狀認識到(這樣做的)優(yōu)點，比如說鐵心材料可以用Fe，SiFe，SiFeCo，SiFeP粉末的軟磁鐵類材料制作，每種材料都有自己獨特的能耗、磁導率和磁性飽和度。帶有一定公差的定子元件的鐵心形狀和鐵心尺寸能被制成，而不需制成迭片結構和因此來優(yōu)化產生于轉子永久磁鐵的磁極對和定子電磁鐵之間的磁位梯度。公開的一種結構構造，其中軸向排列的定子磁極和軸向排列的轉子磁鐵提供了高度集中的磁通量分布。與傳統(tǒng)的具有相同氣隙直徑的電動機相比，這樣的結構為大量的磁極提供有相同的各自活動的氣隙表面面積和/或更多的活動氣隙表面面積的總量。
總之，磁通量的集中，磁通量的最大化，磁通量損失和變壓器效應影響的最小化，是獲取具有高轉矩能力的高效電動機運轉的有益因素。以多磁極的軸向排列來提供高轉矩輸出的高效運轉的電動機的結構構造，在上述的相關申請中已經有所描述。由于大量的定子鐵心元件和轉子磁極占據了相對大的體積，所以這樣的安排在空間和重量因素不是非常寶貴的環(huán)境下使用是有優(yōu)勢的。象尺寸和形狀的經濟節(jié)約一樣，對于那些能夠提供電動機改進特性的電動機結構構造的需要也是持續(xù)的。

發(fā)明內容
本發(fā)明加強了上面所描述的對現有技術的需要，并為如上面所提到的馬斯洛夫等的申請中所描述的獨立的單個磁極對排列的結構提供了附加的優(yōu)勢。本發(fā)明的優(yōu)勢在于，至少部分的，通過電動機結構構造的進一步開發(fā)來增加了跨越多個氣隙的相對的定子磁極和轉子磁極的表面積。在磁通量能被集中的相對更大的表面積促進了高的轉矩能力。
本發(fā)明的一種這樣結構的結構特征在一種電動機里被具體化，該發(fā)動機包括一個轉子和一個定子，定子包括多個分離的與轉動軸同軸安放的電磁鐵鐵心扇形體。定子的鐵心扇形體形成一個環(huán)形的由內徑和外徑所限制的定子環(huán)。鐵心扇形體固定于一種非鐵磁性的支承結構上，互相之間沒有鐵磁性接觸。轉子被安裝于一個環(huán)形圈中，至少部分的包圍環(huán)形的定子以確定位于定子和轉子之間的兩條平行的軸向氣隙，這兩條氣隙分別位于定子相反的軸側。永久磁鐵分布于轉子環(huán)形圈的每一邊，面對一個氣隙。每一個定子電磁鐵鐵心扇形體包含一對通常與轉動軸平行方向排列的磁極對，磁極對的磁極面通常垂直于轉動軸。線圈被制作在連接著磁極的鐵心上，當受到激勵時，在磁極面上產生相反的極性的磁極。電流方向的一次改變產生磁極性的一次翻轉。
在一個優(yōu)選的實施例中，轉子環(huán)形圈有一個U型橫截面，橫截面有兩個由鐵磁材料加工成的側面部分并通過一個十字架部分聯系起來。這個十字架部分也可以由鐵磁性材料制成。永久磁鐵互相之間被隔開并沿著側面部分的內表面分布。轉子的十字架部分徑向地與定子的外徑分離。每一對相對平直的永久磁鐵是一對磁偶極子，它的一個磁極性位于磁偶極子的面向氣隙的表面，與之相反的磁極性位于磁偶極子安裝在側面部分的它的表面。永久磁鐵因此具有軸向的磁極性定向。在每一側面部分上的永久磁鐵沿轉子環(huán)連續(xù)的改變極性并且相互之間沒有直接接觸。在兩個側面部分的永久磁鐵的數量彼此之間是相同的，各自沿軸向排列并具有相反的磁極性，通過相反地磁化定子磁極對的兩個極面來使得相應的電動機產生互感。
在相鄰的軸向定位的永久磁鐵之間的空間中，通過提供被安裝在側面部分的附加永久磁鐵，磁通量的分布能夠被提高地更多。徑向附加的磁鐵的厚度尺寸與電動機驅動器永久磁鐵的規(guī)格相同。附加的永久磁鐵的磁極性定向與軸向垂直。附加的永久磁鐵的作用在于通過驅動器磁鐵的磁路聚集磁通量，從而當減小背鐵的尺寸時最小化偏離的磁通量。
對本領域的技術人員來說，本發(fā)明的其他優(yōu)點將從下面詳細的描述中顯露出來，其中只有本發(fā)明的優(yōu)選實施例通過簡單的預期能夠實施本發(fā)明的最好的模式的圖表方式被顯示和描述。如其所望，這個發(fā)明能夠適用于其他的和不同的實施例，并且它的一些細節(jié)能夠在各種不同的顯而易見的方面修改。所有這些都與該發(fā)明不可分。因此，這些圖與描述實際上都將被認作是解釋性的而非限制性的。


本發(fā)明是結合附圖通過例子進行解釋，而不僅限于此，附圖中的相同附圖標記指的是同一元件，這里圖1是一個本發(fā)明電動機部件的分解視圖。
圖2是圖1中裝配狀態(tài)下的電動機元件的三維透視圖。
圖3是圖2中布置的定子環(huán)支承結構的三維透視圖。
圖4是與本發(fā)明中支承結構結合在一起的定子鐵心元件的三維透視圖。
圖5是圖2中沿虛線5-5剖開的橫截面圖。
圖6是參照本發(fā)明轉子側面部分的平面圖。
具體實施例方式
圖1是解釋本發(fā)明電動機組成的分解視圖。與裝配成的電動機結構相結合的部件如圖2所示。為了解釋的簡單化，對了解本發(fā)明不必要的元件沒有進行解釋。請參考上述的相關申請以獲得對于此類特征的詳細描述。括弧20所指的這些元件，當被裝配時，組成一個定子環(huán)形圈，該環(huán)形圈以轉動軸為中心。定子環(huán)由多個鐵磁性隔離的有鐵心部分22的電磁鐵所組成，在鐵心部分上制成線圈24。非鐵磁性環(huán)26是那些單個的電磁鐵的支承結構。關于定子環(huán)結構的更詳細的解釋如圖4中所示。轉子包括兩個端面32和永久磁鐵34，當裝配時，形成以轉動軸為軸心的環(huán)形圈，該環(huán)形圈至少部分的包圍定子環(huán)。
裝配狀態(tài)下，定子環(huán)和轉子環(huán)的三維透視圖如圖2所示。每個轉子的端面32有一個通常呈環(huán)形盤狀的外端部，該外端部有內徑和外徑并與轉動軸同軸。外端部伸出管狀邊緣構件的外徑，通過一個法蘭部分裝配在上面。一個類似的法蘭部分從每一轉子端部的管狀邊緣構件內部的軸側伸出。在兩個法蘭部分的靠近外圍處分布有通孔。通過任何傳統(tǒng)的方法使得內表面法蘭部分上的通孔與端部的附件彼此成一直線，邊緣構件因此形成一個U型的橫截面的一個十字架部分。外部法蘭部分的通孔使得轉子環(huán)連接到盤上(未示)，在轉動軸上與軸相結合。
定子支承環(huán)26，其三維透視圖如圖3所示，是一個沿軸向安放的圓筒，在它的每一端有一個上垂直法蘭27和下垂直法蘭28。上法蘭27上排列著具有規(guī)則間距的突起，每個突起上面都有一對通孔。法蘭27的軸向間距被設定成能夠適合容納定子電磁鐵鐵心元件22。下法蘭28，具有一般的圓形外圍，它的通孔被用來將環(huán)安裝到適當的固定支承結構上。在法蘭28上的通孔的數目和位置可以用傳統(tǒng)的方法來調整以協調附件的安裝。
如圖4所示，每一定子電磁鐵鐵心扇形體由軸向排列的磁極對22a和22b構成，磁極對22a和22b具有基本在徑向平面內延伸的磁極面。在每一磁極基部開設的通孔與環(huán)26的法蘭27上的通孔對準。每一鐵心元件經由磁極基部的通孔安裝在法蘭27排列的突起上。電磁鐵元件互相之間沒有直接接觸而分開。環(huán)26是由非鐵磁性材料構成的，比如說鋁或不銹鋼。運轉時，每一個電磁鐵形成一個磁通回路，該磁路是獨立的并與其它電磁鐵的磁路是隔離的。
在優(yōu)選的實施例中，定子與一個固定軸相連。轉子至少部分地包圍定子，通過適當的連接件和軸承與固定軸相連接。然而，固定軸有可能被固定于轉子上并因此可以旋轉，這是在本發(fā)明的預料之中。在后面的裝配中軸將通過軸承與定子的支承結構相連接。
圖5是用圖來表示圖2中的定子和轉子環(huán)沿虛線5-5剖開的橫截面圖。從橫截面上看，轉子環(huán)32具有通過十字架部分36相連的側面部分33，至少側面部分由鐵磁材料制作并形成在其上安裝永久磁鐵的“護鐵”，它的分布方式如圖1所示。磁鐵是較薄的偶極磁鐵，具有基本平坦的磁極面。每一個磁極面整個呈現一種磁極性，相反的磁極性位于磁鐵的后表面。相鄰的磁鐵沿側面部分的環(huán)連續(xù)的交替改變磁極性。在相反側面的磁鐵相互之間成一直線并具有相反的磁極性。
定子電磁鐵22有一個通常為鐵磁材料的H型橫截面。在連接兩個磁極22a和22b的結合部分23上制成線圈24。定子磁極面與轉子磁鐵的磁極面基本上平行。在定子和轉子磁極面之間就形成了兩個軸向的氣隙。運轉時，適當地轉換線圈24的激勵來磁化帶有相反磁極性的磁極對。磁路因此穿過氣隙產生磁通勢。關于適當地轉換控制裝置地描述請參考上述的相關申請。圖5所示的結構給出了一個大的氣隙表面面積，當最小化電動機體積的時候，在這里轉矩產生的磁通量能夠被集中。定子電磁鐵的鐵磁性隔離將偏離磁通的損失和散射減到最少。
圖6是轉子側面部分的平面圖，給出了轉子側面部分永久磁鐵分布情況的另一個變型。附加的永久磁鐵37位于相鄰的磁鐵34之間的空間內。磁鐵的磁極性定向在徑向平面內。這種排列方式提供了一種更為集中的磁通量分布方式。關于從磁通量集中的磁鐵使用中獲取特殊的磁通量分布路徑的描述和解釋請參照前面提到的相關申請，序號為09/966,101。
在這里所展示和描述的僅僅是本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例和它的多功能性的幾個例子。應該清楚的是本發(fā)明能夠用于各種不同的其他組合和環(huán)境，而且能夠在這里所表達的善于創(chuàng)造的概念范圍內進行變化或修正。
權利要求
1.一種旋轉電動機，包括轉子，它以關于轉動軸的環(huán)形圈結構安放，并包括多個永久磁鐵元件；和定子，它包括多個分離的、與轉動軸同軸安放的電磁鐵鐵心扇形體，以形成由內徑和外徑所限制的環(huán)形的定子環(huán)；其中環(huán)形的轉子環(huán)至少部分的包圍環(huán)形的定子以確定位于定子和轉子之間的兩個軸向氣隙，所述氣隙分別位于定子相反的軸側。
2.如權利要求1所述的旋轉電動機，其中每個定子的電磁鐵鐵心扇形體包括一對沿通常與轉動軸平行的方向排列的磁極，這對磁極具有各自的通常與轉動軸垂直的磁極面。
3.如權利要求2所述的旋轉電動機，其中，每一鐵心扇形體的磁極對是通過其上纏有線圈的鐵磁性連接部分結合起來的，以便當由電流激勵時在磁極對中產生相反極性的磁極，其中通過線圈的電流的反向來實現磁極對磁極性的反轉。
4.如權利要求2所述的旋轉電動機，其中轉子環(huán)形圈具有一個U型的橫截面，帶有兩個通過一個十字架部分連接起來由鐵磁材料形成的側面部分，每個側面部分的內表面在其上安裝有多個沿表面分布的電磁鐵并面對著各自的軸向氣隙，該十字架部分和定子的外徑徑向分離開。
5.如權利要求4所述的旋轉電動機，其中多個永久磁鐵沿轉子環(huán)連續(xù)地極性交替分布。
6.如權利要求5所述的旋轉電動機，其中在兩個側面部分的永久磁鐵的數量彼此相等并彼此之間各自沿軸向排列，軸向排列的永久磁鐵具有相反的磁極性。
7.如權利要求5所述的旋轉電動機，其中在每一側面部分的轉子永久磁鐵之間沒有接觸而分開，并且每個永久磁鐵是一個磁偶極子，該磁偶極子的一個磁極性位于氣隙的表面，它的相反的磁極性位于與氣隙相對的表面，從而形成了沿軸向的磁極性定向。
8.如權利要求7所述的旋轉電動機，其中附加的永久磁鐵具有垂直于軸向的磁極性定向，并被安裝于相鄰偶極永久磁體分開的空間內的側面部分。
9.如權利要求3所述的旋轉電動機，其中定子還包括非鐵磁性的支承結構，鐵心扇形體固定于該非鐵磁性支承結構上，互相之間沒有鐵磁性接觸。
10.如權利要求4所述的旋轉電動機，其中轉子十字架部分由非鐵磁性材料制成。
11.如權利要求1所述的旋轉電動機，其中所述的軸向氣隙基本上彼此平行。
12.一種旋轉電動機的定子，包括多個分離的電磁鐵鐵心扇形體，具有各自的線圈；支承鐵心扇形體的非鐵磁性結構，該鐵心扇形體構造為在關于轉動軸的環(huán)形圈中而彼此沒有鐵磁性接觸，并且其中每個鐵心扇形體包括平行于轉動軸排列的一對磁極，所述磁極在定子的相反的軸側具有各自的磁極面。
13.如權利要求12所述的定子，其中每一鐵心扇形體的磁極對通過其上繞有線圈的鐵磁性的軛部連接起來，以便當由電流激勵時產生相反極性的磁極對，在那里產生沿軸向定向的磁通量。
14.如權利要求12所述的定子，其中磁極面基本上垂直于轉動軸。
15.一種旋轉電動機的轉子，包括與電動機的轉動軸同軸的環(huán)形圈，具有一個U型的橫截面，包括由十字架部分連接的側面部分；多個永久磁鐵，沿每一側面部分的內部表面分布，并面對軸向以形成至少一個軸向氣隙，并且其中該十字架部分具有面對徑向的內表面。
16.如權利要求15所述的轉子，其中每一側面部分上面具有相同數量的永久磁鐵；側面部分上的永久磁鐵互相之間各自沿軸向排列；并且各自軸向排列的永久磁鐵具有相反的磁極性。
17.如權利要求16所述的轉子，其中每一側面部分內表面的多個電磁鐵的磁極性連續(xù)地交替分布。
18.如權利要求15所述的轉子，其中每一側面部分是由鐵磁性材料制成的；位于每一側面部分內表面的永久磁鐵互相之間沒有接觸而分開；并且每一永久磁鐵是一個磁偶極子，該磁偶極子的一個磁極性位于側面部分的表面，它的相反的磁極性位于與側面部分表面軸向相對的永久磁鐵的表面。
19.如權利要求18所述的轉子，其中附加的永久磁鐵被安裝于相鄰偶極磁體分開的空間內的側面部分，所述的附加的永久磁鐵具有在垂直于軸的平面內的磁極性定向。
全文摘要
一種電動機具有一個定子和一個轉子。定子是由多個與轉動軸同軸安放的、多個分開的電磁鐵鐵心扇形體組成。這些鐵心扇形體互相之間沒有鐵磁性接觸，固定于一個非鐵磁性的支承結構上。轉子的構造為一種環(huán)形圈，該環(huán)形圈至少部分的包圍環(huán)形的定子以確定位于定子和轉子之間的兩個平行的軸向的氣隙，這兩個氣隙各自位于定子相反的軸側。永久磁鐵分布于轉子環(huán)形圈的每一個面對氣隙的側面。優(yōu)選地，每一個定子電磁鐵鐵心扇形體有一對通常平行于轉動軸方向排列的磁極，磁極的磁極面通常與轉動軸垂直。線圈形成在連接著磁極的鐵心部分上，當受到激勵時，在磁極面上產生相反的極性的磁極。
文檔編號H02K1/22GK1650501SQ03809881
公開日2005年8月3日 申請日期2003年3月28日 優(yōu)先權日2002年4月30日
發(fā)明者博里斯·A·馬斯洛夫, 亞歷山大·V·平季科夫 申請人:波峰實驗室責任有限公司