CN106663999B - 磁通电机 - Google Patents

Abstract

一种具有相互邻近和绕中心轴线环形地布置的多个线圈组件和多个磁体组的磁通电机。线圈组件和磁体组的其中之一被与中心轴线对准的至少一个轴支承，并且当线圈组件中存在电流时，线圈组件和磁体组的其中之一绕中心轴线执行旋转运动。磁体组的磁通量被定向成沿轴向方向和沿径向方向，同时电机的旋转是正交于磁通的方向的。在每组磁体组中的多个磁体被多个共轴线地对准的轴中的其中一个支承以使得磁通电机能够作为电动机、发电机或同时作为两者运行。

Description

磁通电机

技术领域

本发明涉及旋转式电磁电动机和发电机。

背景技术

磁体式横向磁通电机垂直(横向)于线圈内的电流传导磁通量并且能够产生比具有纵向磁通的标准无刷电机更高的转矩密度。这种电机具有高功率密度并且能够被用作电动机和发电机。在恒定的定子电流下，力矩随磁极的数目的增加而增大。在横向磁通电机中由于磁极的高数目，定子绕组内电流的频率高而轴转速低。这种电机具有传统地使定子部件和转子部件的制造和装配变得困难的三维的磁路。生产这种磁路的现有技术方法需要构造单个U形磁路。例如，U形磁路可以由多个堆叠在一起的单个U形叠片组成。并且这种电机的装配需要每个U形磁路的精确的布置、对齐和间隔。现有技术中另一种已知的方法是构建两个三维堆叠，具有每个磁路的一半的每个三维堆叠如一系列L形的突出一样。当磁路被围绕线圈连接在一起时，磁路被完成为U形。这种方法需要构建具有复杂三维形状的堆叠并且需要堆叠的精确的旋转对齐以正确地组成磁路。本发明所述的磁通电机是易于生产和装配的，是紧凑的并且具有其它新颖的且非常有益的方面。与本发明相关的现有技术被包括在下列表格中并通过引用将其包含在内。

发明内容

附图示出了一种相对于现有技术具有生产和操作优势的新颖的电磁旋转式磁通电机10。例如，通量密度相对地高，和磁极数可以被增加而不降低每磁极的磁通势，以保证更高的功率密度。更进一步的优势包括具有相对短的电流通路的大量磁极保证效率增益，这是因为高转矩/重量比、高功率/重量比和相对低的铜损失。

将磁通量从四个或多个方向定向耦合进入线圈组件的线圈和磁体的布置结构已经开发出来。例如，可以具有取向成磁极面向的两个磁体以从线圈的相对侧沿径向方向定向磁通量，和具有取向成磁极轴向地面向的两个额外的磁体以从线圈的相对侧沿轴向方向定向磁通。此外，线圈可以被取向以使得绕组和在绕组内的电流在垂直于沿建立的磁通电机的转子的运动的圆周方向指向的矢量的平面中流通。

因此，磁体可以邻近于线圈的不同侧并且所有的磁通量回路叠加地结合。

通过安装在所述的独立的转子和轴上的磁体(电磁体或永磁体、或二者的结合)，磁体、转子和轴可以在不同的频率下被独立地操作和/或作为电动机和发电机被独立地和同时地操作。通过位于垂直于电机的旋转轴线的平面上的线圈的取向，这些创新是可以实现的。旋转在磁体和线圈之间引起相对运动使磁体和线圈之间以最小气隙紧密耦合。

附图说明

本发明所述电机的实施例以举例的形式在附图中示出，在附图中相同的附图标记指代相同的元件并且其中：

图1是根据下文具体说明的磁通电机的透视图；

图2是磁通电机的透视展开图；

图3是磁通电机的实施例的外转子磁体组件的透视图；

图4是磁通电机的实施例的定子片的正视图；

图5是磁通电机的示例性的线圈组件和磁体的透视图；

图6至8是分别是上述线圈组件、磁体、带有轴的支承框架的布置的示例性方案图；

图9是图6至8中进一步布置的示例性机械示意图。

具体实施方式

图1示出了电机10通常地可以是环形形状的并且在护罩30和飞轮壳体170之间沿轴方向相对短，以提供空间和重量的节省。可以通过标准的连接箱20实现到电机10的电连接和可以通过与图6至9中示出的中心轴线5对准的一个或多个共轴线的传动轴实现机械啮合。

图2示出根据一些实施例的电机10的几个部件和子组件，示出了它们的相对轴向位置。在图2中从左往右移动，示出的是：护罩30、外转子磁体组件40、风扇60、内转子磁体组件70、具有线圈组件120的定子组件100、转子轮毂150、飞轮160和飞轮壳体170。这些部件关于共用的轴线5(也是电机10的旋转的中心)被对准。在一些实施例中，外转子磁体组件40、风扇60、内转子磁体组件70、转子轮毂150和飞轮160可以是相互机械地连接并且因此可以一起旋转。在其它实施例中这些元件中的一些和其它元件能够被适合绕共轴线的传动轴独立旋转，这将在下文说明和示出。在一些实施例中，护罩30、定子组件100和飞轮壳体170可以不旋转，可以被相互机械地连接，并且可以作为定子被固定在位。在其它实施例中定子组件100可以被安装成绕中心轴旋转且每个绕组相位被通过标准的旋转电接口连接，如在滑环式电动机中经常见到那样的。定子组件100因此起到电机10的转子的作用而外转子磁体组件40和内转子磁体组件70起到电机10的定子的作用。本领域的技术人员能够理解如何做出这种简单的适配。

如图3中例示的，轴向地排列的磁体46和径向地排列的磁体47的组可以作为附接至单个轴上的外转子磁体组件40的一部分被保持在圆形的固定位置。可选择地，磁体46和磁体47可以通过图6至9中示出的不同的机械框架紧固至一个或多个轴向地对准的轴上。

图4示出的定子组件100的圆形的板110能够具有直径足够大的中心圆形开口112以接纳内转子磁体组件70的外凸缘74(如图2)。如图6至8中示出，安装支座114或类似的硬件可以被用于将线圈组件120紧固至板110。在图6至8中，紧固件(以虚线115示出)可以被用于将线圈组件120紧固至安装支座114。

图5示出了线圈组件120可以是矩形的、近矩形的、曲线形的、胚珠形的或其它形状的。电线圈121可以由卷绕的平的、圆的或其它形状的导电体例如电气铜或铝条制成，并且可以被置于磁芯堆叠122中。磁芯堆叠122可以具有软铁、层压硅钢、绝缘铁片、羰基铁、铁粉、铁素体、陶化的金属或其它材料和结构。在一些实施例中，线圈组件120可以是胚珠形的、矩形的、环形的或其它合适的形状的。图2示出了被紧固在安装支座114上的完整的安装的线圈组件120。在图5中，被示出的磁体46、磁体47和磁体76被紧密耦合至磁芯堆叠122。磁通量Φ(每个磁体磁通量的主要或最大部分)的线的方向被以箭头示出。值得注意的是在图5中没有磁体被沿着线圈组件120的右边缘放置。应当被意识到的是磁体46、磁体47、磁体76(和图6中示出的磁体77)紧邻线圈组件120的侧边放置，以最大化磁通链和保证低磁阻。磁体46、磁体47、磁体76或磁体77的任一或全部可以是永磁体或电磁体，并且所有的磁体利用滑环或其它在机电技术中已知的旋转电气接口被直接地附接至多个轴上。尽管线圈组件120的侧边缘在图5至9中被显示成是线性的，这些边缘可以是非线性的并且磁体46、磁体47、磁体76和磁体77的相邻表面可以相适合以使得磁体和线圈组件之间的气隙最小。因此，线圈组件120可以是不同于矩形的电气技术领域的所属技术人员能够意识到的其它形状。如在参考的美国专利No.62028220和No.62028235中示出的，多于三个的磁体可以被布置成在电机旋转过程中与线圈组件120紧密耦合。

图6示出了结构框架44可以围绕线圈组件120的四侧延伸并且结构框架44可以将磁体46、磁体47、磁体76和磁体77紧固在紧密耦合的位置。结构框架44可以作为连续的圆形组件延伸，或者结构框架44可以被布置成一系列布置在360度上的径向轮辐并且结构框架44可以包括用于每个线圈组件120的一个(或多于一个或少于一个)所述轮辐44。框架44可以被固定至与中心轴线5对准的轴80上。当轴80被旋转时，例如通过外部电动机，磁体46、磁体47、磁体76和磁体77的组的全部经过线圈组件120并在线圈组件120中产生法拉第电流。图6示出了一种单轴的电机10。

图7示出了结构框架44可以围绕任一线圈组件120的两侧延伸并且结构框架44可以将磁体46和磁体47固定在优选的位置，因而在旋转过程中被紧密耦合至每个线圈组件120的两侧。通过图6中示出的布置，结构框架44可以被紧固至图中示出的轴80上。另一个结构框架74可以围绕线圈组件120余下的两侧延伸并且结构框架74可以将磁体76和磁体77紧密耦合至线圈组件120地紧固在位和结构框架74可以被紧固至图中示出的轴82上。轴80和轴82可以被共轴线地对准并且相互自由地旋转。在电动机运行和发电机运行时，轴80和轴82都可以根据磁体极性沿同向或反向旋转。在电动机运行时，轴80和轴82将以相同的转速旋转，而在发电机模式中只要电相位同步被保持，轴80和轴82可以以不同的转速旋转。一个从动轴可以在发电机模式中起作用以增加补充的电流来在输入电线130处引入电流，同时第二个轴在电动机模式中被输入的电流和补充的电流一起驱动来起作用。图7示出了一种双轴的电机10。

图8示出了三个结构框架44、72和74可以紧固磁体46、47、72、77A和77B。在这种布置中，磁体77可以被图中示出的两个磁体77A和77B替代。框架44、72和74可以被紧固至图中示出的共轴线的轴80、82和84上。在电动机运行和发电机运行时，轴80、82和84都可以根据磁极性沿同向或反向旋转。在电动机运行时，轴80、82和84将以相同的转速旋转，而在发电机模式中只要电相位同步被保持，轴80、82和84可以以不同的转速旋转。一个从动轴可以在发电机模式中起作用以增加补充的电流来在输入电线130处引入电流，同时另一个轴在电动机模式中被输入的电流和补充的电流一起驱动来起作用。当然所有的轴可以被不同的旋转驱动器驱动并且可以将转动力传递给不同的载荷。应该清楚的是磁体46、47和76中的每个可以按照磁体77被磁体77A和77B替代的方式被多个磁体替代。图8示出了一种三轴的电机10。

图9示出了一种四轴的电机，即轴82、84、86和88，其中四个磁体46、47、76和77可以通过框架44、72、74和78被安装至所述四个轴的其中一个上。同样地，如果磁体46、47、76和77中的每个被如图8中所示的两个磁体替代，全部八个磁体能够被八个共轴线的轴支承并且电机10能够用于驱动八个独立的载荷。图9示出了一种四轴的电机10。

对于共轴线的结合与运行，所有上述的除最内的轴以外的轴能够是如图6至9所示的管状的、并且可以包括环形的轴承以保持其彼此共轴线的位置和间隔并维持机械领域的技术人员所熟知的转动的独立。最外的共轴线的轴例如图9中示出的轴88可以被外部支承装置支承以紧固所有的轴于其以轴线5为中心的位置上，这也是本领域的技术人员所熟知的。

如图6和图7所示，磁通或主要分量(对于每个磁体最大的分量)的方向可以是轴向的或径向的。电机10的旋转的方向可以是正交于磁通回路的取向的。因此，电机10被认为是横向磁通电机。应当被注意的是指向安装在电机10的定子上的线圈组件120的法向矢量限定转子旋转方向和转速的大小。

在前面的说明中，实施例被以多个单独的部分描述，并且这仅是为了说明的目的。相应地，可以预期的是在不脱离本发明的精神和理解下，一些附加的部分可以被增加，一些部分可以被改变和省略，和这些部分的顺序可以被重新布置。

工业适用性

上述多个实施例使这种电机适于多种用途：用于陆地和海洋运载工具、电动和混合电动运载工具、水下运载工具、鱼雷的推进电动机，用于电动直升机和航空器的推进电动机，电梯驱动电动机，潮汐发电机，风力发电机，集成起动机/发电机，柴油和天然气发电机组，和高频低速电机。

Claims (45)

1.一种磁通电机，包括：

定子和多个转子，其中，所述多个转子被构置成在旋转方向上围绕所述多个转子的中心轴线旋转，所述多个转子包括被构置成绕着所述中心轴线独立旋转的第一转子和第二转子；

被连接到所述定子的多个线圈组件；和

被连接到所述多个转子的多个磁体组，所述多个磁体组中的每组至少包括被连接到所述第一转子的第一磁体和被连接到所述第二转子的第二磁体，所述第一磁体被构置成将磁通量沿着第一方向朝着所述多个线圈组件中的对应一个定向，所述第二磁体被构置成将磁通量沿着第二方向朝着所述多个线圈组件中的所述对应一个定向；

其中，所述第一转子包括被构置成绕着所述中心轴线旋转的第一轴，所述第二转子包括被构置成绕着所述中心轴线旋转的第二轴，使得所述第一磁体被构置成当在所述多个线圈组件的至少一个中存在电流时相对于所述第二磁体运动；

其中，所述多个磁体组的磁通量被定向成正交于旋转方向。

2.根据权利要求1所述的磁通电机，其特征在于，所述第一磁体和所述第二磁体是永磁体、电磁体、或者永磁体和电磁体的组合。

3.根据权利要求2所述的磁通电机，其特征在于，所述多个线圈组件中的每个具有侧边，所述磁体组适应于所述侧边使得所述线圈组件和所述磁体组之间的气隙最小。

4.根据权利要求1所述的磁通电机，其特征在于，所述第一方向是第一轴向方向，所述多个磁体组中的每个包括第三磁体，所述第三磁体被构置成将磁通量沿着与所述第一轴向方向相反的第二轴向方向定向。

5.根据权利要求4所述的磁通电机，其特征在于，所述第二方向是第一径向方向，所述多个磁体组中的每个包括第四磁体，所述第四磁体被构置成将磁通量沿着与所述第一径向方向相反的第二径向方向定向。

6.根据权利要求1所述的磁通电机，其特征在于，所述第一方向是轴向方向，所述第二方向是径向方向。

7.根据权利要求1所述的磁通电机，其特征在于，所述第一方向和所述第二方向都是轴向方向或者都是径向方向。

8.根据权利要求1所述的磁通电机，其特征在于，所述多个线圈组件中的每个具有椭圆形、矩形或近矩形形状。

9.根据权利要求1所述的磁通电机，其特征在于，所述多个线圈组件中的每个具有曲线形形状。

10.根据权利要求1所述的磁通电机，其特征在于，所述多个线圈组件中的每个被定向成使得在所述多个线圈组件中的每个中流动的电流在正交于旋转方向的平面上流动。

11.根据权利要求1所述的磁通电机，其特征在于，所述第一磁体和第二磁体的包含轴向磁通和径向磁通的磁通量被定向成垂直于在所述第一磁体和第二磁体的位置的线圈组件中的电流。

12.根据权利要求1所述的磁通电机，其特征在于，所述第一转子包括第三磁体和第四磁体。

13.根据权利要求1所述的磁通电机，其特征在于，所述磁通电机还包括第三转子，所述多个磁体组中的每个还包括第三磁体和第四磁体，所述第三磁体被连接到所述第一转子并且被构置成将磁通量沿着第三方向朝着所述多个线圈组件中的所述对应一个定向，所述第三方向与所述第一方向大体平行并且相反，所述第四磁体被连接到第三转子，使得在所述定子上的所述多个线圈组件中的每个被所述多个磁体组中的一个的所述第一磁体、所述第二磁体、所述第三磁体和所述第四磁体环绕。

14.根据权利要求13所述的磁通电机，其特征在于，所述第三转子包括第三轴，其中，所述第一轴、所述第二轴和所述第三轴中的每个被构置成独立于其它轴中的每个旋转。

15.根据权利要求14所述的磁通电机，其特征在于，所述第一转子、所述第二转子和所述第三转子中的至少一个被构置成在其它转子中的至少一个起电动机的作用时同时起发电机的作用。

16.根据权利要求1所述的磁通电机，其特征在于，所述多个线圈组件中的每个包括位于导磁芯的槽内的电线圈。

17.根据权利要求1所述的磁通电机，其特征在于，当所述第二转子能够起电动机的作用时所述第一转子能够同时起发电机的作用。

18.一种磁通电机，其具有旋转轴线，所述电机包括：

具有多个磁体组的至少一个转子，所述至少一个转子被构置成绕着所述旋转轴线旋转；

具有多个电线圈的定子，其中，所述电线圈中的每个具有被定位成正交于所述至少一个转子的绕所述旋转轴线的旋转的方向的线圈排列；

其中，每组所述磁体组中的每个磁体被定位成在所述至少一个转子的旋转过程中移动到与所述电线圈中的每个的一侧邻近；和

所述磁体组中的每组的成对的磁体的同性极面是位于相互面向的位置。

19.根据权利要求18所述的磁通电机，其特征在于，所述磁体组包括一个或多个磁体，所述磁体是永磁体、电磁体以及永磁体和电磁体的组合中的一种。

20.根据权利要求19所述的磁通电机，其特征在于，所述电线圈具有侧边并且所述磁体适应于所述侧边，所述电线圈和所述磁体之间的气隙最小。

21.根据权利要求18所述的磁通电机，其特征在于，所述磁体的磁通量被沿轴向方向和沿径向方向定向。

22.根据权利要求21所述的磁通电机，其特征在于，所述至少一个转子绕着所述旋转轴线的旋转正交于所述磁通量。

23.根据权利要求18所述的磁通电机，其特征在于，所述电线圈是矩形的或近矩形的。

24.根据权利要求18所述的磁通电机，其特征在于，所述电线圈是椭圆形形状的和所述磁体组是曲线形状的。

25.根据权利要求18所述的磁通电机，其特征在于，所述磁体的包含轴向磁通和径向磁通的磁通量被垂直于线圈中的电流定向。

26.根据权利要求18所述的磁通电机，其特征在于，在所述转子上的每个所述电线圈被在所述定子上的四个磁体环绕。

27.根据权利要求18所述的磁通电机，其特征在于，所述电线圈位于导磁芯的槽内。

28.根据权利要求18所述的磁通电机，其特征在于，每组磁体包括被构置成将磁通量沿着相反的轴向方向定向的第一磁体和第二磁体。

29.根据权利要求28所述的磁通电机，其特征在于，每组磁体包括被构置成将磁通量沿着相反的径向方向定向的第三磁体和第四磁体。

30.根据权利要求18所述的磁通电机，其特征在于，所述至少一个转子包括被构置成绕着所述旋转轴线独立地旋转的第一转子和第二转子。

31.根据权利要求30所述的磁通电机，其特征在于，所述多个磁体组中的每组包括被连接到所述第一转子的第一磁体和第二磁体、以及被连接到所述第二转子的第三磁体。

32.根据权利要求31所述的磁通电机，其特征在于，所述第一磁体将磁通量沿着第一轴向方向定向，所述第二磁体将磁通量沿着与所述第一轴向方向大体平行并且相反的第二轴向方向定向。

33.根据权利要求32所述的磁通电机，其特征在于，所述第三磁体将磁通量沿着径向方向定向。

34.根据权利要求30所述的磁通电机，其特征在于，所述第一转子包括第一轴，所述第二转子包括第二轴，所述第一轴和所述第二轴被构置成相互独立地旋转。

35.根据权利要求31所述的磁通电机，其特征在于，所述第一转子被构置成当所述第二转子起电动机的作用时同时起发电机的作用。

36.一种运行磁通电机的方法，所述方法同时作为发电机和电动机运行磁通电机，所述方法包括：

提供所述磁通电机，其中，所述磁通电机包括：

至少两个转子和至少一个定子，和

分布在所述至少一个定子上的多个线圈组件和分布在所述至少一个转子上的多个磁体组，

其中，所述线圈组件和所述磁体组被环形地布置并且绕着中心轴线相互邻近，

所述多个线圈组件中的一个或所述磁体组中的一组被与所述中心轴线对准的至少一个轴支承，当在所述线圈组件中存在电流时，绕所述至少一个轴的旋转运动被执行，并且

所述线圈组件和所述多个磁体组被相对彼此定位以使得来自所述多个磁体组的磁通量被定向成正交于所述旋转运动；

外部地驱动所述至少两个转子中的第一转子以在所述多个线圈组件中感应法拉第电流，而所述至少两个转子中的第二转子同时被所述定子线圈中的电流驱动。

37.根据权利要求36所述的运行磁通电机的方法，其包括选择所述磁体组的磁体为永磁体、电磁体以及永磁体和电磁体的组合中的一种。

38.根据权利要求36所述的运行磁通电机的方法，其包括设置所述线圈组件和所述磁体以使两者之间的间隙最小。

39.根据权利要求36所述的运行磁通电机的方法，其包括将所述至少一个轴放置成多个相互共轴线的轴。

40.根据权利要求39所述的运行磁通电机的方法，其包括以所述共轴线的轴中的一个支承所述磁体中的每个。

41.根据权利要求36所述的运行磁通电机的方法，其特征在于，选择所述第一转子和所述第二转子相对彼此被驱动的频率来影响在所述定子线圈中的电流流动，以使得谐波贡献最小。

42.根据权利要求36所述的运行磁通电机的方法，其特征在于，所述第二转子与第一转子被以相同的频率驱动。

43.根据权利要求36所述的运行磁通电机的方法，其特征在于，来自所述多个磁体组的所述磁通量被沿轴向方向和径向方向中的至少一个定向。

44.根据权利要求36所述的运行磁通电机的方法，其特征在于，所述旋转运动正交于所述磁通量。

45.一种磁通电机，包括：

定子和至少一个转子，其中，所述至少一个转子能够在旋转方向上围绕中心轴线旋转；

围绕所述定子布置的多个线圈组件，其中，所述线圈组件中的每个具有定位在正交于所述旋转方向的平面内的排列并且具有两个轴向侧和两个径向侧；

多个磁体组，每组所述磁体组包括一对轴向地排列的磁体和一对径向地排列的磁体，每组所述磁体组被布置成环形地围绕所述至少一个转子并且被定位成，使得每组所述磁体组的每对成对的径向地排列的磁体邻近所述线圈组件的所述径向侧中的每侧和每对成对的轴向地排列的磁体邻近所述线圈组件的所述轴向侧中的每侧；

所述多个线圈组件中的每个和所述多个磁体组中的每组被与所述中心轴线对准的至少一个轴支承，其中，当在所述线圈组件中存在电流时，绕着所述至少一个轴中的至少一个的旋转运动被执行；

其特征在于，所述多个磁体组的磁通量被定向成正交于所述旋转运动；和

其特征进一步在于，所述磁体组中的每组的所述轴向成对的所述磁体的同性极面和所述径向成对的所述磁体的同性极面是位于相互面向的位置。