專利名稱：橫向磁通機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按照權(quán)利要求1前序部分的橫向磁通機(jī)(Transversalfluβ maschine，transverse flux machine)。
橫向磁通機(jī)由于其繞組簡(jiǎn)單而具有吸引力。然而在制造軟磁體時(shí)要支付很高的費(fèi)用。
由于在沖壓電工鋼片的同時(shí)產(chǎn)生的下腳料提高了材料的成本，大而復(fù)雜的剖面形狀提高了模具的成本，另外操縱笨重的零件叉提高了裝配費(fèi)用。由于軟磁材料的飽和磁通密度以及氣隙面積的可利用性，限制了電機(jī)可達(dá)到的效率和/或功率密度。
在DE 4223831A1中介紹了一種橫向磁通機(jī)，它有四個(gè)繞組環(huán)，其中每?jī)蓚€(gè)繞組環(huán)有不同的直徑。轉(zhuǎn)子元件沿軸向插入定子的四個(gè)環(huán)形槽內(nèi)，所以此電機(jī)有8個(gè)氣隙，在氣隙中磁通沿徑向流動(dòng)。
由GB-PS1363979已知一種橫向磁通機(jī)，它的轉(zhuǎn)子沿軸向設(shè)在帶有導(dǎo)體環(huán)的定子之間，所以在每個(gè)磁路中存在兩個(gè)具有不同半徑的氣隙。
由DE-PS597597已知一種單相的橫向磁通機(jī)，它的圍繞導(dǎo)體環(huán)設(shè)置的U形軟磁芯由兩部分組成。氣隙沿徑向位于導(dǎo)體環(huán)的內(nèi)部，以及，在所有氣隙中磁場(chǎng)力的作用有同樣的徑向方向。脈動(dòng)的徑向氣隙力作用在環(huán)形的轉(zhuǎn)子殼體上，并產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲和損失。所以殼體必須設(shè)計(jì)得穩(wěn)固和笨重。
在由DE4314513A1已知的外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)構(gòu)式中，一個(gè)磁路中兩個(gè)氣隙的垂直于運(yùn)動(dòng)方向作用的磁力累加在一起，因此達(dá)不到最大力密度的目的。
在GB2161992A中介紹了一種只沿一個(gè)方向工作的電動(dòng)機(jī)，其中，它的U形定子鐵芯由三部分組成。傳導(dǎo)兩個(gè)相的磁通的構(gòu)件固定距塊互相分開(kāi)。在氣隙中沿徑向作用的磁力累加在一起。
由DE4314513A1已知橫向磁通機(jī)的外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，其中，沿徑向在磁性有效的轉(zhuǎn)子元件內(nèi)部的磁通，沿徑向流過(guò)氣隙。力密度應(yīng)通過(guò)在繞組結(jié)構(gòu)每一側(cè)兩個(gè)以上的氣隙而得到提高。這種氣隙結(jié)構(gòu)允許轉(zhuǎn)子和定子隨時(shí)沿軸向相互插入。
還已知許多其它結(jié)構(gòu)形式的橫向磁通機(jī)，但是它們都不能充分利用所使用的軟磁材料，而且需要加工技術(shù)復(fù)雜的薄膜裁切。
因此，本發(fā)明的目的是進(jìn)一步改進(jìn)這種橫向磁通機(jī)，使之在盡可能低的制造成本的情況下獲得高的效率和高的功率密度。
按本發(fā)明通過(guò)權(quán)利要求1和2的特征達(dá)到此目的。按本發(fā)明，圍繞導(dǎo)體環(huán)設(shè)置的磁性有效體各有兩個(gè)氣隙，這兩者沿徑向設(shè)在導(dǎo)體環(huán)的外部，其中，磁性有效的轉(zhuǎn)子部分沿軸向位于軟磁定子部分端頭的內(nèi)部。因此，磁路內(nèi)部脈動(dòng)的法向磁力得到補(bǔ)償，并減輕了殼體的負(fù)荷。轉(zhuǎn)子和定子相互交錯(cuò)。或者，定子環(huán)和轉(zhuǎn)子環(huán)在裝配時(shí)交替地就位，或者，轉(zhuǎn)子環(huán)由多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的部分組成，例如兩個(gè)半部。將一個(gè)磁路的兩個(gè)氣隙沿徑向設(shè)在導(dǎo)體環(huán)外部相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸線有最大距離以及通過(guò)位于U形部分端頭內(nèi)部的接地部分補(bǔ)償氣隙力，這兩個(gè)措施組合起來(lái)，導(dǎo)致獲得令人驚異的高的功率密度和高的效率。
本發(fā)明另一個(gè)基本思想在于，通過(guò)不同相相鄰導(dǎo)體環(huán)的磁場(chǎng)，多重利用一個(gè)磁路的軟磁結(jié)構(gòu)部分。因此達(dá)到在時(shí)間上充分利用軟磁材料，這部分被相位移的磁場(chǎng)利用的質(zhì)量所占的重量比，隨著相數(shù)的增加而提高。不同相的單元有結(jié)構(gòu)相同的沿軸向連續(xù)排列的圓盤(pán)。
此外，為了便于裝配和為了使用定向結(jié)晶的沖壓件，U形的定子鐵芯最好由多個(gè)區(qū)段組成，它們導(dǎo)引磁通基本上沿一個(gè)方向。然而，在轉(zhuǎn)子環(huán)分塊時(shí)，定子鐵芯也可以預(yù)制成整體式的，例如設(shè)計(jì)為晶粒定向的沖裁帶鐵芯。
下面借助于附圖表示的最佳實(shí)施形式說(shuō)明本發(fā)明。


圖1表示一種按磁阻原理的24極橫向磁通機(jī)一個(gè)單相單元的裝配；圖2表示圖1中的局部；圖3表示具有硬磁體的不同磁路的4個(gè)截面；圖4表示三相的輪轂直接傳動(dòng)裝置截面；
圖5表示五相的電動(dòng)葫蘆電動(dòng)機(jī)的截面；圖6表示三相的傳動(dòng)裝置截面，具有雙重利用的中央星形盤(pán)；圖7表示圖6所示電機(jī)的磁通和電流變化；以及圖8表示圖6中有效結(jié)構(gòu)部分立體圖。
圖1表示一種積木式結(jié)構(gòu)的橫向磁通機(jī)裝配時(shí)的主要構(gòu)件。導(dǎo)體環(huán)1由銅帶或鉛帶卷成。圍繞著它在圓周上均勻分布地排列24個(gè)軟磁體。每一個(gè)這種聚合所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的軟磁體，又由四個(gè)疊片的部分2、3、4和5組成，其中每個(gè)彼此相對(duì)的部分2和3或4和5結(jié)構(gòu)相同。沿徑向?qū)б磐ǖ膬蓚€(gè)部分2、3粘在固定盤(pán)6、7上，固定盤(pán)用不導(dǎo)磁和不導(dǎo)電的材料制造，圖中為了能看清部分3的結(jié)構(gòu)形式及其排列，將它畫(huà)在沿軸向固定盤(pán)7的前面。沿軸向?qū)б磐ǖ牟糠?、5也粘在固定環(huán)8、9上。因此，除了導(dǎo)體環(huán)1和兩種軟磁部分結(jié)構(gòu)形式2、3或4、5外，組成一個(gè)單相的單元10的還包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的固定盤(pán)6、7以及兩個(gè)不同的固定環(huán)8、9。
圖2中放大表示了圖1中的局部。可以看出，每四個(gè)部分2、4、3、5是如何構(gòu)成一個(gè)增強(qiáng)圍繞著導(dǎo)體環(huán)1的磁場(chǎng)的回路的。部分2、3和4平放著和互相固定，而沿徑向在外面的部分5則與外固定環(huán)9一起繞此結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，在這種情況下，磁路的阻尼周期性地改變。
圖3表示四種有利的結(jié)構(gòu)形式11至14的截面圖，圖中僅限于分別表示導(dǎo)體環(huán)15a-d以及圍繞著它的一個(gè)磁體。
導(dǎo)體環(huán)15a-d分別被U形軟磁體16a-d從三面包圍。后者由兩個(gè)或三個(gè)彼此相連的段17a-18d’組成，它們基本上沿一個(gè)方向?qū)б磐ǎ渲?，兩個(gè)沿徑向?qū)б磐ǖ膮^(qū)段18a-d或18a’-d’結(jié)構(gòu)相同。沿徑向設(shè)在導(dǎo)體環(huán)15a-d外面的硬磁和/或軟磁段19a-d或20a-d互不相同。
在結(jié)構(gòu)形式11中，設(shè)在傾斜的氣隙21a處的永久磁體20a、20a’減少了脈動(dòng)損失。由于傾斜，所以通過(guò)磁體內(nèi)較低的磁通密度，可以在區(qū)段18a、17、18a’、19a中達(dá)到高的磁通密度。無(wú)論硬磁材料還是軟磁材料都得到最合理的利用。
為了是低成本和便于操作的永久磁體20b，在結(jié)構(gòu)形式12中，此外段由兩個(gè)相同的半部19b、19b’組成。包圍著導(dǎo)體環(huán)15b的U形軟磁體16b的結(jié)構(gòu)與圖3a中的相同。
在軸向非常狹窄的結(jié)構(gòu)形式13中，取消了外部的軟磁段。在兩個(gè)徑向段18c、18c’的端頭之間只設(shè)有環(huán)形的永久磁體20c，它扇形地沿軸向反方向再磁化。
結(jié)構(gòu)形式14雖然使用晶粒定向的材料，但有比較少的部分就夠了。它由卷繞成矩形的沖裁帶鐵芯17d的三個(gè)部分18d、18d’、19b組成。為了補(bǔ)償在磁阻電機(jī)內(nèi)強(qiáng)烈脈動(dòng)的法向磁力，使狹窄的氣隙21d沿徑向延伸。
此外，圖3中表示了各種預(yù)制的導(dǎo)體環(huán)15a-d。例如雙層的導(dǎo)體環(huán)15a，最好通過(guò)異形線材中段的適當(dāng)變形以及兩個(gè)長(zhǎng)度相同的端頭反向卷繞，能制成具有兩個(gè)沿徑向在外面的端頭。采用由異形線材制的多層導(dǎo)體環(huán)15b可達(dá)到高的分層系數(shù)；軸向狹窄的電機(jī)可以是單層的導(dǎo)體環(huán)15c；以及，在單位長(zhǎng)度的匝數(shù)高和偏離矩形的槽截面時(shí)，可使用圓線制成的密實(shí)的導(dǎo)體環(huán)15d。
圖4中表示了具有永久磁體勵(lì)磁器的作為輪轂直接傳動(dòng)裝置的一臺(tái)完整的三相橫向磁通機(jī)截面。磁的有效部分結(jié)構(gòu)形式與圖3d一致。磁環(huán)23由結(jié)合塑料的稀土元素制成，單層的導(dǎo)體環(huán)24由薄的導(dǎo)帶制成，以及，U形軟磁體25由用Backlack接縫的晶粒定向的電工鋼片制成。
所有三個(gè)單相單元結(jié)構(gòu)相同，并通過(guò)五個(gè)固定件26a-c固定在互相錯(cuò)開(kāi)120°的位置上。通過(guò)利用鏡對(duì)稱性，只需要三種不同的固定件結(jié)構(gòu)形式，它們預(yù)制成鑄件。無(wú)論是由固定件構(gòu)成的輪轂26，還是分為五部分的轉(zhuǎn)子27a-c，均交替地沿軸向從不同側(cè)插入的螺釘28、29固定在一起。從輪輻30傳來(lái)的力，經(jīng)滾珠軸承31進(jìn)一步傳給輪轂26。在輪轂內(nèi)部的空腔內(nèi)裝有電子控制設(shè)備。
圖5表示一種互相的橫向磁通機(jī)33截面圖，它設(shè)計(jì)為磁阻電機(jī)。結(jié)構(gòu)相同的單元34a-e互相沿切向錯(cuò)開(kāi)地裝在靜止部分內(nèi)，由這些U形軟磁體35橫截面的差異完全可以看出這一點(diǎn)。只需要兩種不同的靜止的固定件36、37，然而旋轉(zhuǎn)的電機(jī)殼體則由于傾斜的氣隙38，除了五個(gè)帶軟磁段40的外固定環(huán)39外，還由四個(gè)定距環(huán)41和兩個(gè)通過(guò)軸承43支承在軸44上的電動(dòng)機(jī)護(hù)板42組成。設(shè)計(jì)作為電動(dòng)葫蘆電動(dòng)機(jī)，在轉(zhuǎn)子上套有一個(gè)涂膠的套筒45。
按另一種方案也可以將殼體設(shè)計(jì)為固定不動(dòng)的，因而旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)體環(huán)46可通過(guò)電刷或隨著一起旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁機(jī)控制。采用按本發(fā)明的積木或結(jié)構(gòu)原理，同樣可以實(shí)現(xiàn)其它的實(shí)施形式，例如具有罐狀的轉(zhuǎn)子。
圖6表示一種三相傳動(dòng)裝置47，其中三個(gè)導(dǎo)體環(huán)48直接卷繞在已經(jīng)定位在輪轂49上的梳狀軟磁體50中。轉(zhuǎn)子由兩個(gè)配備有塊狀軟磁段51的半部52組成，在沿徑向組合后在它們上面沿軸向套上一個(gè)罐形件53。梳狀部分由沿切向分層的具有晶粒沿徑向定向的沖壓件組成。公共的背部54設(shè)計(jì)得比四個(gè)齒55a-d寬，其中，中夾的齒55b、c時(shí)間錯(cuò)開(kāi)地分別被兩個(gè)由它們隔開(kāi)的導(dǎo)體環(huán)的磁通所磁化。
在圖7中上面兩個(gè)曲線圖56、57表示了第二和第三齒55b、c隨時(shí)間的磁化過(guò)程。中央導(dǎo)體環(huán)的磁路與相鄰相的兩個(gè)磁路一起利用中央齒55b、c，在這種情況下時(shí)間錯(cuò)開(kāi)地實(shí)現(xiàn)磁化，并使利用的持續(xù)時(shí)間加倍。采用這種多重利用，其結(jié)果是提高了功率密度。在這種三相的磁阻電機(jī)中，如下面的曲線圖58所示電流按120°角單元整流，從而流動(dòng)一個(gè)常數(shù)的電動(dòng)機(jī)電流，或按＞120°角的單元整流成電流搭接，使力矩的波動(dòng)得以降低。
圖8表示了一種三相傳動(dòng)裝置的磁和電有效的構(gòu)件。36極定子的軟磁體59由四個(gè)結(jié)構(gòu)相同的星形盤(pán)60a-d和三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的環(huán)形鐵芯61組成。這些預(yù)制的構(gòu)件與三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的導(dǎo)體環(huán)62a-c一起交替地沿軸向組成成一個(gè)整體。中央導(dǎo)體環(huán)62b的供電，最好在槽底通過(guò)相鄰的相實(shí)現(xiàn)，或通過(guò)環(huán)形鐵芯內(nèi)的孔或槽實(shí)現(xiàn)。不同相的塊狀軟磁段63互相錯(cuò)開(kāi)1/3極距排列，它們最好首先鑄入結(jié)構(gòu)相同的環(huán)中，這些環(huán)設(shè)有軸向齒，所以保證在裝配時(shí)的相互錯(cuò)位。在多極的環(huán)形傳動(dòng)裝置中，星形盤(pán)60a-d也可以用晶粒定向的電工鋼板制造，在這種情況下沖壓件只有小的極距。
此外，對(duì)于最大功率密度的傳動(dòng)裝置最好增加相數(shù)，這種情況下無(wú)論是被多重利用的質(zhì)量所占的比重以及電流單元的寬度都能得到提高，例如提高到周期的2/5或3/7。
權(quán)利要求
1.具有導(dǎo)體環(huán)(15a-d、24、46、48、62)的橫向磁通機(jī)(22、33)，導(dǎo)體環(huán)被U形軟磁體(16a-d，25、35、50、59)三面包圍，其中，軟磁和/或硬磁部分(19a-c、20a-d、23、40、51、63)的磁路周期性地閉合，它們通過(guò)兩個(gè)沿徑向安排在導(dǎo)體環(huán)(15a-d、24、46、48、62)之外的氣隙(21a-d、38)分別與U形的軟磁體(16a-d、25、35、50、59)分開(kāi)，其特征為轉(zhuǎn)子或定子的磁的有效部分(19a至20d)，局部沿軸向設(shè)在U形軟磁體(16a-d)端頭內(nèi)部。
2.具有導(dǎo)體環(huán)(15a-d、24、46、48、62)的橫向磁通機(jī)(22、33)，導(dǎo)體環(huán)被U形軟磁體(16a-d、25、35、50、59)三面包圍，其中，軟磁和/或硬磁部分(19a-c、20a-d、23、40、51、63)的磁路周期性地閉合，它們通過(guò)兩個(gè)沿徑向安排在導(dǎo)體環(huán)(15a-d、24、46、48、62)之外的氣隙(21a-d、38)分別與U形的軟磁體(16a-d、25、35、50、59)分開(kāi)，其特征為U形軟磁體(50、59)的一些部分，交替地被不同相的磁通所磁化，其中，不同相的導(dǎo)體環(huán)(48、62)通過(guò)共同利用的軟磁單元(50、59)分開(kāi)。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的橫向磁通機(jī)，其特征為U形軟磁體(16a-d、25、35)至少分成兩部分(17a至18d’)。
4.按照權(quán)利要求3所述的橫向磁通機(jī)，其特征為U形軟磁體(16a-d、25、35)分成三段(17a至18d’)，它們主要沿一個(gè)方向?qū)б磐ǎ渲?，相?duì)的區(qū)段(18a至18d’)結(jié)構(gòu)相同。
5.按照權(quán)利要求4所述的橫向磁通機(jī)，其特征為星形的扁平盤(pán)(59a-d)沿徑向向外導(dǎo)引磁通。
6.按照權(quán)利要求1或2所述的橫向磁通機(jī)，其特征為；永久磁體(20c、23)環(huán)狀地和扇形地沿相反的方向再磁化。
7.按照權(quán)利要求1或2所述的橫向磁通機(jī)，其特征為一個(gè)磁路的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部分(18a、20a或18b、19c)之間的界面同時(shí)沿軸向和徑向延伸。
8.按照權(quán)利要求7所述的橫向磁通機(jī)，其特征為永久磁體(20a)設(shè)在一個(gè)閉合磁路的軟磁段(19a)的兩個(gè)傾斜端處，其中，相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸線的傾斜角在45和70°之間。
9.按照前列諸權(quán)利要求之一所述的橫向磁通機(jī)，其特征為導(dǎo)體環(huán)(1、15a、c、d、24、46)由卷繞的矩形成形導(dǎo)體(15b)組成，或由一條硬陽(yáng)極處理的鉛帶(15c)構(gòu)成。
全文摘要
在已知的橫向磁通機(jī)中,軟磁體內(nèi)的損失妨礙提高效率。雖然繞組的生產(chǎn)由于其簡(jiǎn)單而具有吸引力,然而制造引磁通的疊片鐵芯卻要付出較高的費(fèi)用。除了鐵芯中的磁飽和外氣隙的利用也限制了功率密度的進(jìn)一步提高。按本發(fā)明沿徑向在繞組(15)之外設(shè)置兩個(gè)氣隙(21),以及,周期性地閉合磁路的硬磁體和/或軟磁體轉(zhuǎn)子部分(19,20),沿軸向位于軟磁體定子(18)端頭的內(nèi)部。氣隙的這種設(shè)計(jì),相對(duì)于外部尺寸和電機(jī)質(zhì)量,可得到一個(gè)較大的氣隙表面,并使殼體卸荷。由于U形的定子體分成段,在制造時(shí)的材料的損耗降到最低程度以及可以使用定向結(jié)晶的金屬板,由于這種金屬板良好的特性,可以提高效率和功率密度。結(jié)構(gòu)相同的區(qū)段可以使用在尺寸和功率數(shù)據(jù)不同的電機(jī)中。按本發(fā)明的結(jié)構(gòu)形式,同時(shí)降低了橫向磁通機(jī)的成本、重量和損失。
文檔編號(hào)H02K3/04GK1171174SQ95197021
公開(kāi)日1998年1月21日 申請(qǐng)日期1995年12月16日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月21日
發(fā)明者沃爾夫?qū)は?申請(qǐng)人:沃爾夫?qū)は?