逆橫向磁通機的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及能量轉(zhuǎn)換裝置領(lǐng)域，具體地，涉及無刷電動馬達和發(fā)電機。
【背景技術(shù)】
[0002]由于小型且輕量化的裝置將在許多應(yīng)用中得到更廣泛地應(yīng)用，并且通常會節(jié)省昂貴的磁性材料、鐵材料和導(dǎo)電材料，所以無刷電動馬達和發(fā)電機的功率密度通常是重要的。
[0003]橫向磁通機(TFM(transverse flux machine))利用了與運動方向垂直的磁回路。TFM提供比傳統(tǒng)的徑向磁通機高的額定轉(zhuǎn)矩和功率密度，并且TFM當前正逢高能積永磁體材料(high energy-product permanent magnet material)所帶來的復(fù)興。
[0004]如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，由于RPM越高效率越高，所以包括TFM的電動馬達和發(fā)電機的功率密度與裝置的RPM相關(guān)。因而，由于通常承載諸如永磁體或電磁繞組等的磁性元件的轉(zhuǎn)子上的離心力而會產(chǎn)生工程限制。
[0005]因而，長久以來對允許提高RPM并進而具有較高功率密度的基于TFM的改善了的能量轉(zhuǎn)換裝置存在需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明實現(xiàn)TFM的變型。本發(fā)明為我們稱作“逆橫向磁通機”(以下稱為ITFM(inverse transverse flux machine))的TFM的變體。該裝置在通過轉(zhuǎn)子的移動而周期性完成的近乎完全的磁回路中采用了勵磁元件。對于發(fā)電機的情況，如此生成的變化的磁通用于在繞組中產(chǎn)生EMF，或者對于馬達的情況，適當?shù)腅MF用于產(chǎn)生使馬達轉(zhuǎn)動的變化的磁通。
[0007 ] ITFM使用用于完成具有不同磁通方向的回路的無源鐵磁(passiveferromagnetic)元件(或其它導(dǎo)磁元件)(“切換器”)。
[0008]在ITFM的一些實施方式中，諸如永磁體等的勵磁元件不像傳統(tǒng)裝置那樣位于轉(zhuǎn)子上，而是位于定子上，轉(zhuǎn)子上僅有鐵磁切換元件。
[0009]已經(jīng)說明了本發(fā)明的前述實施方式，并且也已經(jīng)結(jié)合實施方式的系統(tǒng)和方法對實施方式進行了闡述，這些系統(tǒng)和方法的本意僅是解釋性的，而非限制性的。此外，與每個具體的引用可以體現(xiàn)具體的方法/系統(tǒng)(雖然不要求如此)一樣，盡管使用了具體的實施方式，但是本教導(dǎo)最終囊括所有表達。
【附圖說明】
[0010]這里，結(jié)合以下【附圖說明】本發(fā)明的實施方式和特征:
[0011]圖1描繪現(xiàn)有技術(shù)的TFM;
[0012]圖2A和圖2B示出使用安裝于轉(zhuǎn)子的C形芯和安裝于定子的永磁體的三相ITFM的實施方式；
[0013]圖3示出使用面對軸向地安裝于定子的C形芯和安裝于轉(zhuǎn)子的永磁體的實施方式；
[0014]圖4、圖5示出使用面對軸向地安裝于定子的C形芯和安裝于轉(zhuǎn)子的永磁體的、具有雙相繞組的實施方式；
[0015]圖6、圖7、圖8示出了使用三組C形芯的實施方式的、具有安裝于定子的永磁體且具有多個切換元件的實施方式；
[0016]圖9、圖10示出采用梳形芯的實施方式；
[0017]圖11示出采用三組I形芯的實施方式；
[0018]圖12、圖13示出采用反C形芯的實施方式；
[0019]圖14示出采用E形芯的實施方式。
[0020]圖15示出采用H形芯的實施方式。
[0021]圖16示出了L形芯。
【具體實施方式】
[0022]將從以下對優(yōu)選實施方式的詳細說明理解本發(fā)明，這些優(yōu)選實施方式為說明性而非限制性的。為了簡潔起見，未詳細說明一些公知的特征、方法、系統(tǒng)、程序、部件和回路等。
[0023]以下，術(shù)語“切換器”是指如下無源鐵磁切換元件:使通過導(dǎo)磁材料(magneticallypermeab I e mat er i a I)的閉合或近乎閉合的回路的一部分的磁通方向周期性地切換。例如，圖5的切換器包括與無源鐵磁切換元件13、14磁耦合的永磁體12，永磁體12和無源鐵磁切換元件13、14均位于轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子9上。隨著通過諸如C形芯4或5等的C形芯使永磁體轉(zhuǎn)動，磁通將感生穿過C形芯，完全的磁回路包括芯、氣隙以及與磁體12聯(lián)接的鐵磁元件13和14。當具有相反定向的另一永磁體經(jīng)過時，C形芯4、5中的磁通將感生成具有相反的定向。這種使穿過C形芯的磁通有效反轉(zhuǎn)的配置(或?qū)Т挪牧系娜我馄渌渲?就是我們所稱的無源鐵磁切換器。
[0024]近些年，最初在一個多世紀以前獲得專利權(quán)的橫向磁通機(以下稱為TFM)因高能量永磁體材料的可應(yīng)用性而已經(jīng)重新吸弓I人們的注意。然而，TFM的全3維構(gòu)造要求的分析比其它電磁機器通常采用的分析更復(fù)雜，從而使其涉及更多設(shè)計。
[0025]本發(fā)明為我們稱作“逆橫向磁通機”或ITFM的TFM的變體。該裝置在通過轉(zhuǎn)子的移動而周期性完成的近乎完全的磁回路中采用勵磁元件。ITFM使用無源鐵磁元件(或其它導(dǎo)磁元件)，以完成磁通方向改變的回路。在一些實施方式中，這允許以沒有空轉(zhuǎn)或沒有非工作時間的方式使用磁體進行勵磁，最終產(chǎn)生較大的功率密度或減少所需的磁性材料。
[0026]與標準TFM相反，本發(fā)明的勵磁元件在大多數(shù)情況下可以位于定子，甚至當位于轉(zhuǎn)子時，也能夠因ITFM設(shè)計而僅受到離心力的作用。
[0027]圖1示出了傳統(tǒng)TFM，該傳統(tǒng)TFM具有C形芯鐵磁定子芯101、環(huán)形定子繞組102、定子永磁體103和鐵磁轉(zhuǎn)子芯104。如本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚的，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動將因由永磁體103和鐵磁磁通鏈段105完成的磁通回路而會在磁通芯1I中產(chǎn)生周期性的磁通。如從圖中可知，定子芯101在三側(cè)圍繞定子繞組102。第四側(cè)借助于轉(zhuǎn)子鐵磁段105在轉(zhuǎn)子上完成。類似地，如果使用多于一個的定子繞組，則能夠使馬達運行。顯而易見，以可靠的方式將磁體保持在轉(zhuǎn)子上非常具有挑戰(zhàn)性。
[0028]本發(fā)明為我們稱作“逆橫向磁通機”(以下，ITFM)的TFM的變體。在本發(fā)明中，通過轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動完成磁回路，在一些實施方式中，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動使(例如)鐵磁元件就位以完成磁回路。例如，在一些實施方式中，勵磁元件(其為永磁體或繞組)和近乎完全的磁回路位于定子，而磁回路的“缺失”部分位于轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子隨著其轉(zhuǎn)動周期性地就位從而使磁回路完整。
[0029]最初實施例
[0030]圖2A、圖2B以俯視截面圖(圖2A)和側(cè)視截面圖(圖2B)的方式示出了本發(fā)明裝置的一個實施方式。本實施方式實現(xiàn)相位模塊同步三相機器，其中定子I位于轉(zhuǎn)子7的外側(cè)。定子筒2具有在其內(nèi)周面上周期地間隔開的鐵磁元件3。這些鐵磁元件3可以為具有被適當選擇的磁定向的永磁體(如圖所示)，在該情況中實現(xiàn)永磁體機器，或者這些鐵磁元件3可以包括諸如成組的層疊變壓器芯板等的導(dǎo)磁材料，在該情況中實現(xiàn)增加了 DC勵磁繞組的感生型機器(inductor-type machine)。如圖213所示，本實施方式使用三個串聯(lián)的磁性元件，以實現(xiàn)三相機器。
[0031]定子I還包括相繞組4(在該情況下，由于這是三相機器，所以存在三個繞組)。在使用永磁體的情況下，這些繞組僅用于機器的工作繞組。在感生型機器(無永磁體)的情況下，額外地存在一組DC勵磁繞組。在后一情況下，勵磁繞組可以串聯(lián)地連接，以便消除勵磁繞組中的總感生電壓。
[0032]筒2固定于盤5，盤5保持軸承6，以允許盤5在定子I與轉(zhuǎn)子7之間自由轉(zhuǎn)動。在本實施方式中，使用了 “支架(console)”構(gòu)造，盡管可以像一般做法那樣在機器的兩端均使用軸承支撐件，但是該構(gòu)造僅在機器的一側(cè)使用軸承支撐件。
[0033]轉(zhuǎn)子包括軸8以及采用C形芯9形式的一組或多組鐵磁無源元件(組的數(shù)量為三組，以與本示例的三相機器一致)。如將從圖中可知，C形芯與機器的轉(zhuǎn)動軸線平行地布置。為了使組件簡化，C形芯元件能夠由通過在C形芯的中間將其切開所得到的兩半形成。芯借助于盤10剛性地附接于軸。盤10具有適用于保持C形芯9的座11X形芯從三側(cè)包圍定子繞組4。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動期間，磁回路中的磁通根據(jù)C形芯相對于勵磁元件的位置而周期性地改變。結(jié)果，相繞組4受到感生的EMF。本示例的三個繞組中的電壓通過由芯位置所確定的角度而相對于彼此實時偏移，例如在諸如圖示的三相機器的情況下，彼此(電氣地)偏移120度。與許多使用永磁體或DC勵磁的作為發(fā)電機或馬達的電機類似，裝置能夠以該方式運行。
[0034]裝置的變型包括單相和多相發(fā)電機以及多相馬達。如所提及的，多相裝置將通常采用繞著同一軸線的多個繞組。另外的變型包括使用DC饋電電磁體(DC fedelectromagnet)來代替永磁體。
[0035]優(yōu)點
[0036]在探討另外的實施方式之前，我們列出了本發(fā)明思想的數(shù)個優(yōu)點。
[0037]能夠?qū)崿F(xiàn)如下裝置:外定子圍繞轉(zhuǎn)子，或者反之亦然。對于外定子的情況，相繞組和鐵磁勵磁元件安裝于定子，而圍繞繞組的芯固定于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子(spinning rotor)。對于內(nèi)定子的情況，芯和繞組固定于定子，無源鐵磁切換元件固定于轉(zhuǎn)子。這兩個實施方式允許產(chǎn)生力處的半徑最大化，以獲得最大的轉(zhuǎn)矩和力矩。
[0038]如在其它TFM構(gòu)造中，用于各相位的定子繞組與回轉(zhuǎn)軸線同軸并與繞組的給定組共用;在其它機器中，每個芯通常存在一個繞組。
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