最佳模块式利用永磁体的电机制造技术

本发明专利技术提供了一种最佳模块式利用永磁体的电机，该电机具有磁体组件，该磁体组件具有磁体载体环，磁体载体环具有偶数个永磁体，所述偶数个永磁体在圆形轨迹的周围安装在载体环中，还具有导体组件，该导体组件具有一个或多个在平导体支撑环周围的双螺旋线波形绕组缠绕的导体电路，该导体电路带有成渐开线或弓形构造的均匀弯曲的导体部分，其中磁体组件和导体组件被容纳在壳体内，磁体组件相对于导体组件旋转。

【技术实现步骤摘要】
最佳模块式利用永磁体的电机专利技术背景本专利技术涉及利用永磁体的电机，并特别涉及轴向场电动机/发电 机，所述轴向场电动机/发电机是坚固的，并包括有为了高效产生能量 或提高扭矩所设计出的特点。最佳模块式设计使得电机在从运输以及 发电到机械以及机器人技术的各种应用中是通用且可被结合到上述各 种应用中。轴向场电机与鼓型机器的区别在于，轴向场电机沿轴线堆叠有一 系列类似模块，以获得不同等级的发电或扭矩增加。在轴向场电机的 典型模块中，磁体组件具有两个子组件，所述两个子组件被彼此间隔 开，以建立轴向通量间隙，将盘状导体组件中心定位在该轴向通量间 隙中。导体组件相对于磁体组件的运动在一个导体或多个导体中感生 出电流，所述导体部分地构成导体组件。相反的，电流流过导体，产 生出电磁场，该电磁场与永磁体的磁场相互影响，感生出扭矩，并导 致磁体组件与导体组件之间的相对运动。由此，在优选实施例的描述中，可以理解的是，术语转子或定子 应用于实施例的说明，并且磁体组件或导体组件均是可以转动的。在 某种应用中，例如，在具有逆向旋转叶片的风力涡轮机中，磁体组件 和导体组件都是可以逆向旋转的。在最优化本专利技术的电机的过程中，已经为导体组件设计出一种新 的反直观的设计和机构。通常，将导体组件构造为圆盘，其具有径向 导体，布置这些径向导体以使得它们在一对多极磁体子组件之间穿过。 在这种构造中，导体的部分垂直于磁场运动方向，用于使瞬时电压或 扭矩产生的效果最大化。然而，传统设计并不能优化其他那些有助于整体效率以及具有高 功率重量比的电机性能的其他标准。永磁体的通量或场强度不仅仅取 决于磁体强度，还取决于位移的极之间的空气间隙的宽度。通常，空 气间隙越窄，特定磁体的场强度越大。除了为磁体组件相对于导体组 件的可靠机械运动提供足够大的间隙之外，形成导体组件的合成圆或 环形盘必须足以坚固来承担扭矩，无论电机的模式是如电动机或是如 发电机运转。除了结构整体性之外，还期望使暴露给磁极之间场的导 体质量最大化。除了最大化功率或扭矩之外，使阻力最小化，从而减 少在操作期间所产生出的热能。在所描述类型的大功率、大扭矩的电机中，高能永磁体是优选的。低成本、标准的NdFeB 稀土磁体是热敏的，且即使在导体绕组所产生出的适度温度情况下仍会发生退化。设计策略是提高导体质量， 从而降低阻力，并扩大导体电路的散热效率，这可与用于大大改进性 能的磁体冷却策略相结合。通过将导体组件的导体在场路径中限制成 平环形，用于产生功率或扭矩的导体的有效长度被最大化，同时使与 场无关但产生热量的无效部分最小化。利用平面的双螺旋线环形导体路径，其具有渐开线或弧形形状的 导体部分，来优化所专利技术的电机的导体组件。最佳的是，每个渐开线或弓形导体部分的中央部分与半径成大约45°角。渐开线形状的导体部 分允许相邻的导体部分被该相邻部分之间的均匀的极小的空间更为密 集地包裹。渐开线构造考虑到通过同心直径和基本节距圆来在环形物 上限定出等距间隔的曲线。弧形形状部分非常接近于渐开线导体构造， 并且可具有在密度上仅有微量效果以及具有在部分之间的绝缘空间的 均匀性的优点。当圆形系列中的磁体数量超过十个的时候，弧形形状 部分是优选的。此外，利用导体部分之间的填充有绝缘体的空间的细 月牙形，可在最高压力点处得到更大的强度。另外，可在导体部分之 间提供小的冷却通道。虽然新的导体组件可与旋转场组件一起使用，该旋转场组件包括 恒定场绕组，用于在定子中产生电磁场，用于操作作为变速电机或变 电压发电机，要知道，优选的场组件是磁体组件，其包括永磁体作为 产生磁通量的唯一或主要装置，该磁体组件与导体组件共同作用。磁体组件优选的包括至少两个子组件，每个具有保持结构，用于 在圆形轨迹周围固定一系列永磁体，该圆形轨迹与圆盘状导体组件具 有公共轴。每个子组件中的系列永磁体被径向地布置，并且当导体组 件位于磁体组件的两个子组件之间时，两组相对的磁体与导体的平的、 双螺旋线平环对齐。在磁体组中的永磁体可以是方形的、圆形的或最好是那些现成的 其他形状，以降低材料成本。方形磁体在保持结构中的布置可以是角 对角成菱形图案，或是并排成带状。保持结构是由磁性惰性物质例如 铝制成的，并在将磁体组件构造为转子时，保持结构包括高强度周界。当将磁体组件构造为转子时，有利的将电机构造成为通用的不带 电刷的电动机-发电机。模块可结合到公共轴上，以合成所产生的功率 或扭矩。这些或其他特征将在以下部分中进行更为详细的描述。
技术实现思路
本专利技术的电机结合了高能永磁体阵列以及新的导体构造，从而形 成一种高效的轴向通量装置。最佳的轴向通量装置具有多种应用，例 如电动机，发电机或是电动机与发电机的结合，其是坚固且通用的。 设计盘形部件以用于结合到模块中，这些模块可被迭加，从而使增加 的功率密度能允许将同样的部分用于容量增加的电机。本专利技术的轴向 场电机结合了基本特征，可将这些基本特征结合到各种不同的执行中。 例如，虽然电机的优选实施例描述了磁体组件转子以及导体组件定子， 但要知道，独特的特征可同样被应用于具有磁体组件定子以及导体组件转子的装置中，或是被应用于在相对固定的壳体结构中磁体组件和 导体组件均为转子的装置中。在本专利技术的电机中，磁体组件具有至少一个并优选两个环形磁体 子组件，该环形磁体子组件位于环形导体组件的一侧或两侧。在优选 实施例中，为了利用具有背对背磁体布置的磁体转子组件的优点，电 机具有双中心磁体子组件和两个端部磁体子组件，该双中心磁体子组件的每一侧上具有导体组件，该导体组件具有两个导体子组件。优选 的空心磁体阵列转子以及环形导体定子提供一个内腔，以及用于流体 冷却流动的路径，以及为了在机器人、风力以及水力涡轮机或机床转 轴中的空心轴引用而利用中心空间的潜力。磁体子组件中的磁体阵列包括从中心轴径向位移的公共圆形轨迹 上的高能、通常薄平磁体的对称布置。可利用离散磁体的数量、尺寸 和构造、以及极定向，来改变该阵列的拓扑。在优选构造中，为了在 交流电中产生或接收功率，对于每个子组件中的圆形磁体阵列内的相 邻磁体，将磁体定向成具有交替面对极。对齐将每个模块的相对子组 件中的磁体与预定空气间隙的相对侧上的面对相对极对齐。规定该空 气间隙的尺寸，用于机械地容纳扁平环形式的导体子组件。环形导体组件具有新的导体几何形状，该新的导体几何形状在每 个导体子组件的每一侧上具有连续弓形或优选具有渐开线(齿轮齿) 图案。在优选实施例中，通过在有槽以及有孔的或是有切口的环形构 造上缠绕电线来形成图案。或者，导体图案可通过在有槽基底中电镀 或沉积导电材料而完成，从而保护位于导体部分之间的绝缘边界。位 于该构造或基底上的导体部分的渐开线和/或弓形形状，使得在由相对 磁体所形成的磁场中导体材料的密度最大化。当利用多股绞合线时， 可通过将绞合电线按压到槽内，以及在对电线进行加热以利用形成所 述构造的可熔化聚合物材料来浸渍电线的同时对该构造进行压縮，从 而增加密度。绕组数量优选的与磁体子组件上的磁体阵列中的磁极的数量一 致。在对称圆形阵列中的八个、十个、十二个、十四个或十六个磁体 的布置，对于高扭矩中型机器运行良好。导体部分的布置使得，当在 构造的一侧上的环形绕组的导体部分的中部与一组相对磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种轴向场电机，其包括：　　　　支撑结构；　　　　磁体组件；以及　　　　导体组件，该导体组件与磁体组件间隔开，　　　　其中，磁体组件和导体组件中的至少一个可相对于所述支撑结构在轴线上旋转，其中，所述导体组件具有带有相反侧的盘状支撑构造，并且该导体组件具有双螺旋线波形绕组中的平的环形导体，该双螺旋线波形绕组在支撑件的每一侧上具有一系列均匀的导体部分，所述导体部分被形成为连续的均匀曲线，该曲线具有渐开线形状和弧形形状中的一个，并且其中，所述磁体组件具有至少一个设置在磁体组件上的永磁体，用于产生磁场，该磁场基本上平行于旋转轴线，并对准基本上以导体部分的中央部分为中心的波形绕组的一部分，其中环形波形绕组以及支撑构造具有基本上与旋转轴线一致的轴线。

【技术特征摘要】
US 2006-8-17 11/506,6361.一种轴向场电机，其包括支撑结构；磁体组件；以及导体组件，该导体组件与磁体组件间隔开，其中，磁体组件和导体组件中的至少一个可相对于所述支撑结构在轴线上旋转，其中，所述导体组件具有带有相反侧的盘状支撑构造，并且该导体组件具有双螺旋线波形绕组中的平的环形导体，该双螺旋线波形绕组在支撑件的每一侧上具有一系列均匀的导体部分，所述导体部分被形成为连续的均匀曲线，该曲线具有渐开线形状和弧形形状中的一个，并且其中，所述磁体组件具有至少一个设置在磁体组件上的永磁体，用于产生磁场，该磁场基本上平行于旋转轴线，并对准基本上以导体部分的中央部分为中心的波形绕组的一部分，其中环形波形绕组以及支撑构造具有基本上与旋转轴线一致的轴线。2. 根据权利要求1中所述的轴向场电机，其中，在所述支撑构造 的每一侧上的弯曲的导体部分具有中点切线，该中点切线与旋转轴线 的半径成30。到80。的范围内的角，该旋转轴线与所述切线正交。3. 根据权利要求1中所述的轴向场电机，其中，在所述支撑构造 的每一侧上的弯曲的导体部分具有中点切线，所述中点切线与旋转轴 线的半径成大约45。的角。4. 根据权利要求1中所述的轴向场电机，其中，将双螺旋线波形 绕组中的导体分成至少两个电路，每个电路相互有相位差大约180°。5. 根据权利要求1中所述的轴向场电机，其中，将双螺旋线波形 绕组中的导体分成至少六个电路，每个电路相互有相位差大约60°。6. 根据权利要求1中所述的轴向场电机，其中，所述磁体组件具 有带有多个永磁体的磁体载体，所述永磁体被均匀地设置在所述磁体 载体上，以产生磁场，该磁场基本上平行于旋转轴线并对准波形绕组 部分。7. 根据权利要求6中所述的轴向场电机，其中，所述多个永磁体是偶数个、在圆形轨迹周围均匀隔开的永磁体，并且相邻磁体具有相 反的磁极，该磁极被对准波形绕组部分。8. 根据权利要求1中所述的轴向场电机，其中，所述磁体组件具 有第一和第二磁体子组件，每个磁体子组件具有位于导体组件的盘状 支撑构造的每一侧上的非磁性磁体载体，在圆形轨迹上的每个磁体载 体上均匀地布置有偶数个多个永磁体，所述多个永磁体具有交变的磁 极，在所述支撑构造的每一侧上的相对载体上的磁体与相对场对齐， 该相对场对准波形绕组部分。9. 根据权利要求1中所述的轴向场电机，其中，所述导体组件的 盘状支撑构造是平环形，并包括内部槽口以及外部槽口，并具有弯曲的导体槽以及将导体槽分开的绝缘体脊，其中，所述导体包括电导线， 该电导线被设置在所述槽中，并在所述环的周围在内部槽口和外部槽 口中被螺旋形地包覆。10. 根据权利要求9中所述的轴向场电机，其中，利用跨接在支 撑构造的相对侧上的所述导体绕组，将具有安装的电线的导体环制造 成为结构坚固的单元，所述支撑构造提供结构的加固。11. 一种轴向场电机，其包括壳体结构；磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：保罗巴特菲尔德，
申请(专利权)人：保罗巴特菲尔德，
类型：发明
国别省市：US[美国]