專利名稱：具有磁絕緣定子和轉(zhuǎn)子組的電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及旋轉(zhuǎn)電機(jī)，更具體地，涉及具有繞旋轉(zhuǎn)軸線同心設(shè)置并由軸向氣隙彼此隔離的第一和第二環(huán)形圓環(huán)構(gòu)件的電機(jī)，其中這兩個構(gòu)件都包含磁絕緣結(jié)構(gòu)組，一個所述構(gòu)件的組具有固定到其上的永磁體，并且其它的所述構(gòu)件包含纏繞電磁體磁極。
背景技術(shù)：
直流電機(jī)在廣泛的應(yīng)用中具有通用性。裝配直流電機(jī)的設(shè)備的電池電源的通用性在利于輕便性方面是交流電機(jī)很難得到。例如基于微控制器和微處理器的系統(tǒng)的多種功能應(yīng)用的電子控制已經(jīng)變成平常。隨著電池發(fā)展已經(jīng)進(jìn)步，并且電子控制的實用性的擴(kuò)張，為車輛提供有效的直流電機(jī)驅(qū)動作為燃燒引擎的可行的替代的挑戰(zhàn)已經(jīng)變得更加緊迫。Shkondin的美國專利5,164,623是建議實施的一個例子，其中將電機(jī)裝配到車輛的車輪上用于直接驅(qū)動車輛。該專利建議該裝置能夠應(yīng)用于電車、自行車、輪椅等。
直流電機(jī)的繞組的電子控制激勵提供了電機(jī)特性更靈活的管理前景。永磁體結(jié)合該繞組的使用在限制電流消耗上有利。Heidelberg等的美國專利4,754,207描述了具有由多個極性連續(xù)交替的永磁體的連續(xù)圓環(huán)組成轉(zhuǎn)子的直流電機(jī)。包含多個可電子地轉(zhuǎn)換電磁體磁極的定子由徑向氣隙圓周地與轉(zhuǎn)子磁體隔離。幾個相鄰的定子電磁體形成一個相組。每組中相鄰電磁體的內(nèi)基座部分表面區(qū)域相互接觸形成連續(xù)的磁通量通路。電磁路在相鄰電磁體組的過渡點斷開。傳感器檢測轉(zhuǎn)子和定子元件間的相對旋轉(zhuǎn)位置以控制單獨電磁體繞組的電子轉(zhuǎn)換。每組一個共同的電子轉(zhuǎn)換裝置同時轉(zhuǎn)換屬于一個共同的組的電磁體。相鄰組中的電磁體的繞組不同相，并且轉(zhuǎn)換不同次數(shù)。
在實行定子繞組轉(zhuǎn)換激勵中要關(guān)注的是避免諸如旋轉(zhuǎn)不規(guī)則的不利結(jié)果。例如，同時轉(zhuǎn)換所有電機(jī)相繞組能引起脈動輸出扭矩。通過適當(dāng)將所有相轉(zhuǎn)換不同次數(shù)或者同時轉(zhuǎn)換在定子周邊對稱分布并與轉(zhuǎn)子的永磁體磁極承擔(dān)某種位置關(guān)系的一定的繞組組合能夠獲得一定程度上上述影響的緩解。但是，如果將繞組與連續(xù)磁路通路相連，當(dāng)因為一磁極的繞組的變化的激勵影響相鄰磁極的通量，通量改變時，相鄰繞組轉(zhuǎn)換不同次數(shù)導(dǎo)致不良影響。相鄰組間磁路通路的不連續(xù)性影響磁通量的絕緣，因而簡化像組間磁通量干擾的變壓器。但是，在將一組的所有磁極纏繞并同時轉(zhuǎn)換的地方，仍然能存在扭矩波動效應(yīng)。
Heidelberg等通過將多個定子磁極以分開的磁路通路分組一定程度地緩解了這個問題。Heidelberg等提供了修改，其中不將一組的一些磁極纏繞和/或一組內(nèi)的所有磁極的磁極結(jié)構(gòu)不是相同構(gòu)造，因此阻止扭矩波動的效應(yīng)和相鄰磁極間的通量干擾。這樣的修改犧牲了扭矩特性和功率能力。如果纏繞更少的磁極，將減小通量產(chǎn)生能力。圍纏繞的磁極無助于扭矩，并且能夠有害地影響轉(zhuǎn)子永磁體。在Heidelberg等中的非相同的磁極構(gòu)造修改與非相同的磁極繞組耦合。這種構(gòu)造使制造過程復(fù)雜并且妥協(xié)了電機(jī)效率。
上述待審相關(guān)美國專利申請(Atty.Docket 57357-015)驗證并闡述了服從簡化制造和能有效靈活地操作特性的改進(jìn)的電機(jī)的需要。在特殊車輛驅(qū)動環(huán)境中，非常期望在寬的速度范圍上獲得平穩(wěn)的操作，同時以最小的功耗保持高的扭矩輸出能力。該車輛電機(jī)驅(qū)動應(yīng)該有利地提供各種結(jié)構(gòu)零件的迅速的可達(dá)性用于以最少的不便更換部件。待審相關(guān)美國專利申請包括設(shè)在薄環(huán)形圓環(huán)內(nèi)以提供有益效果的作為絕緣磁結(jié)構(gòu)的電磁體磁極。利用該裝置，能夠集中通量，與現(xiàn)有技術(shù)實施例相比沒有實質(zhì)損失或在電磁體核心中沒有有害的變壓器干涉效應(yīng)。雖然利用上面指出的待審申請的結(jié)構(gòu)可以獲得扭矩特性和效率上的改進(jìn)，更進(jìn)一步的改進(jìn)仍是一個目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實現(xiàn)了上述需求并提供了另外的優(yōu)點。旋轉(zhuǎn)電機(jī)包含轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)件，每個構(gòu)件設(shè)為環(huán)形圓環(huán)并繞旋轉(zhuǎn)軸線彼此同心。轉(zhuǎn)子或定子構(gòu)件由電磁體磁極對組形成，所述組沿環(huán)形圓環(huán)的角度范圍基本等距分布，每個組包含磁絕緣的材料并與其它組隔離。另一個構(gòu)件包含多個永磁體磁極組，這些組磁極交替地沿形成在構(gòu)件之間的徑向氣隙的角度范圍基本等距分布。每個永磁體磁極組包含一個共同的磁回復(fù)通路，其與相鄰永磁體磁極組隔離并磁絕緣。將每組電磁體磁極對的磁極的繞組纏繞在一起，可轉(zhuǎn)換地激勵該繞組用來驅(qū)動定子與轉(zhuǎn)子間的電動感應(yīng)。因此，為每個電磁體組設(shè)有偶數(shù)個磁極，每對兩個磁極。將每個磁極對的磁極相反地纏繞以提供相反的北/南極。
如相關(guān)待審申請所述，電磁體組的絕緣允許通量單獨集中在所述組的磁核中，并且沒有實質(zhì)地通量損失或與其他電磁體構(gòu)件沒有有害的變壓器干涉效應(yīng)。通過將單個磁極對設(shè)為絕緣電磁體組可以得到運行優(yōu)勢。單個磁極對與其它磁極組的磁通路絕緣消除了當(dāng)轉(zhuǎn)換磁極對繞組的激勵時在相鄰組上的通量變壓器效應(yīng)。在所述組內(nèi)缺乏額外磁極消除了組內(nèi)任何上述效應(yīng)。
通過適當(dāng)?shù)匕才琶總€磁極對組的轉(zhuǎn)換繞組激勵的時間，在整個電機(jī)內(nèi)獲得平穩(wěn)的電動力的發(fā)展。用于具體磁極對組的時控轉(zhuǎn)換的精確的最佳的相和序基于電磁體磁極、永磁體磁極的具體的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、各磁極間的間隔和其它的機(jī)構(gòu)上的相互關(guān)系。在為特定的電機(jī)構(gòu)造確定最佳的時控轉(zhuǎn)換順序的基礎(chǔ)上，基于轉(zhuǎn)子和定子間的相對位置能夠制定轉(zhuǎn)換方案的執(zhí)行?？梢酝ㄟ^機(jī)械換向器或響應(yīng)位置傳感器產(chǎn)生的信號的電子致動器實現(xiàn)轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)有技術(shù)里已知的多種合適的傳感器包括，僅以例子的形式，簧片轉(zhuǎn)換傳感器、電容傳感器、霍耳效應(yīng)傳感器、光學(xué)傳感器和脈沖電線傳感器。在輕量結(jié)構(gòu)中微處理器控制電子轉(zhuǎn)換提供精確地可調(diào)速度。雖然在現(xiàn)有技術(shù)中已知不同的位置傳感裝置，可以采用任何一種來產(chǎn)生該信號，優(yōu)選地使用分解器。然后編碼器能夠利用分解器輸出來編碼信號應(yīng)用于基于控制電路的微控制器或微處理器。
本發(fā)明的實施體還提供了另外的優(yōu)點。作為主要要素推進(jìn)系統(tǒng)包含，電磁體子系統(tǒng)、永磁體簇和永磁體簇的封裝后鐵環(huán)部分。永磁體和圓環(huán)部分形成電機(jī)的轉(zhuǎn)子部件，將永磁體置于后鐵環(huán)部分內(nèi)。
轉(zhuǎn)子中的重要性參數(shù)為磁體的等級、能量密度和磁等級的總體磁特性，當(dāng)磁體是轉(zhuǎn)子的一部分時，能夠調(diào)整磁體的持久性和總體運行條件的磁體的尺寸和維數(shù)，磁體的溫度穩(wěn)定性，為預(yù)定用途制造磁體中采用的結(jié)束、涂覆和后處理步驟，磁體曲面上的磁化強(qiáng)度的穩(wěn)定性，磁體的徑向極化的均勻性，兩隔離磁體間的相鄰間隙，磁體邊緣的機(jī)械特征，當(dāng)設(shè)有后鐵環(huán)部分時磁體的回復(fù)通量通道。后鐵環(huán)部分大多數(shù)為軟磁介質(zhì)。它們能夠利用各種技術(shù)由鑄造、壓塑的、燒結(jié)的或成粉的材料以及鐵磁性的軟磁分層硅鋼制造。對于最佳運行，后鐵應(yīng)該具有高透磁性和優(yōu)選地在2.5T附近的飽和通量密度水平。
在將永磁體固定到連續(xù)后鐵環(huán)的構(gòu)造中，例如如上述待審申請(Atty.Docket No.57357-015)，沒有勵磁施加到任何電磁體相位上，存在一個平衡。連續(xù)鐵環(huán)在存在兩磁體間相鄰間隙的區(qū)域后的區(qū)域經(jīng)歷全磁通量飽和。如果仔細(xì)研究該圓環(huán)，這種通量飽和方式在圓環(huán)體內(nèi)重復(fù)。飽和通量密度能夠在2.0到2.3T之內(nèi)。為減少飽和度能夠修改鐵環(huán)的尺寸和材料等級。在沒有電磁體勵磁的情況下，后鐵環(huán)中的通量分布方式是穩(wěn)定的(為調(diào)整)，盡管因為位于組件中的每個磁體的能量密度值存在一些可忽略的變化所以可能存在微細(xì)的名義變化。但是，在給定相位的電機(jī)的勵磁循環(huán)期間，電磁體的磁極與相應(yīng)耦合永磁體間的磁位差趨向增大。該位差趨向改變永磁體的相應(yīng)回復(fù)通路部分中的通量方式。因為這種效應(yīng)為局部化的，僅后鐵通路的相應(yīng)部分在通量飽和度中經(jīng)歷微小的減少。既然在特定的脈寬調(diào)制(PWM)方式下調(diào)整勵磁電流，飽和度中的減少將經(jīng)歷如勵磁相同的方式。但是，該變化取決于頻率并且與幾個關(guān)鍵因素成比例1.每個相位轉(zhuǎn)換的頻率2.脈寬調(diào)制(PWM)方式的基頻和3.變化電占空比每相位。所有這些影響有助于鐵通路中的強(qiáng)渦電流的發(fā)展、傳播和調(diào)整，并且因此導(dǎo)致鐵環(huán)體內(nèi)的表面效應(yīng)。該渦電流趨向繞后鐵的通路傳播并因此擾亂其它部分的平衡并因此引起其它相位的勵磁電流中不必要的延遲。最顯著的效應(yīng)是鐵通路的體中引起的渦電流損失。增加固有的電阻率(或減少材料的電導(dǎo)率)，或改變后鐵通路的等級和幾何或布置方式，或給渦電流的流動引入阻礙能夠減輕該渦電流損失的強(qiáng)度。如果損失顯著，減少渦電流的一個方式是使用分成薄成的鋼結(jié)構(gòu)。但是，因為鐵環(huán)為所有磁體共享，僅僅這個方法不能完全解決問題。
本發(fā)明的解決方法是將每個后鐵分成段(與磁體簇的節(jié)距成比例)，以便兩相鄰磁體簇的后體段間有一物理氣隙。盡管這可能減少不同簇(并且因而在整個后鐵環(huán)中)的兩相鄰磁體間的有效的通量連接，它隔離了渦電流沿其傳播通路的影響。將后鐵中的這些間隙的方位設(shè)為用來實現(xiàn)該設(shè)計所期望的操作。
利用永磁體的另外的絕緣，將定子和轉(zhuǎn)子部件的通量場集中并聚焦在氣隙處用于最佳的電動感應(yīng)。當(dāng)每個電磁體和永磁體中的磁極數(shù)相同時，這種感應(yīng)特別有效。在每組中采用兩個磁極能夠?qū)崿F(xiàn)最大數(shù)量的組。對于沿氣隙的所有組的電磁體和永磁體的單個絕緣磁極對間的感應(yīng)有助于有效運轉(zhuǎn)的高扭矩能力。這種有效性結(jié)合輕量電子轉(zhuǎn)換繞組激勵顯著地延伸了電池壽命。
雖然本發(fā)明在各種電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中具有有益的適用性，其有利地適合于將轉(zhuǎn)子構(gòu)造為圍繞定子，且將轉(zhuǎn)子固定到外殼用于直接裝配到車輪上的車輛驅(qū)動。因此環(huán)形轉(zhuǎn)子離旋轉(zhuǎn)軸線相當(dāng)大的徑向距離。轉(zhuǎn)子外殼繞旋轉(zhuǎn)軸線處的穿過軸承的固定軸承作為軸頸旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)子包含永磁體的事實例中，許多永磁體組能夠基本均勻地沿環(huán)形圓環(huán)分布，固定到例如鋁的非磁性材料的圓環(huán)。因為可編程微處理器具有產(chǎn)生非常高的轉(zhuǎn)換信號的速度，不需要傳動齒輪轉(zhuǎn)換可以獲得大的速度和扭矩范圍。隔離的電磁體組形成相對薄環(huán)形定子圓環(huán)，其距離旋轉(zhuǎn)軸線一定的徑向距離，該距離優(yōu)選地基本大于定子圓環(huán)的內(nèi)和外邊界間的徑向尺寸。隔離的電磁體組按可移除的方式固定到同樣被固定到固定軸的平板構(gòu)件上。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的構(gòu)造可已提供另外的有益效果，其中，電磁體磁極形成形成在薄環(huán)形圓環(huán)中的絕緣磁結(jié)構(gòu)。利用該裝置，能夠集中通量在徑向氣隙用于與永磁體轉(zhuǎn)子的最佳感應(yīng)，而沒有實質(zhì)損失或有害地變壓器干涉效應(yīng)。因此，可高效地獲得非常大的扭矩，從而顯著地延長電池壽命。
本發(fā)明的定子結(jié)構(gòu)提供了另外的優(yōu)點，即方便接近并更換單個定子組。因而，即使一個特定的電子繞組組損壞了，例如由于磁極結(jié)構(gòu)或繞組錯誤，能夠更換單個定子組而不移走或更換整個定子單元。作為一個相關(guān)優(yōu)點，即使一個特定的電磁體組激勵失效，使用大量的單個磁極對定子組和轉(zhuǎn)子組允許電機(jī)繼續(xù)以滿意的方式運轉(zhuǎn)。
在很大程度上，本發(fā)明的另一優(yōu)點是定子和轉(zhuǎn)子磁極面尺寸和磁極間間距彼此相對獨立。能夠?qū)r控轉(zhuǎn)換激勵方案編程以對特定的結(jié)構(gòu)構(gòu)造優(yōu)化該方案。在優(yōu)選的車輛驅(qū)動實施例中，如上所述，利用奇數(shù)個定子組。定子磁極具有在基本均勻角度范圍的氣隙的磁極面。永磁體轉(zhuǎn)子磁極面在氣隙處為基本相等角度尺寸范圍，并與定子磁極面尺寸不同。每個定子組內(nèi)的磁極面中心間的角距離在整個定子周邊上基本均勻并與相鄰組的定子磁極面中心間的角距離不同。每個定子組內(nèi)的磁極面中心間的角距離也與相鄰的轉(zhuǎn)子永磁體磁極的中心間的角距離不同。對于所有組每組內(nèi)的定子磁極面間的間隙基本相等并且與相鄰定子組間的間隙不同。間隙將轉(zhuǎn)子磁極面在組內(nèi)和組間基本均勻地分開，相鄰轉(zhuǎn)子磁極面間的間隙優(yōu)選地與相鄰的定子組內(nèi)的定子磁極面間的距離不同。
從下面的詳述中本發(fā)明另外的優(yōu)點對于本領(lǐng)域一般技術(shù)人員將是明顯的，其中，僅以描述實施本發(fā)明最好的方式的方式僅顯示和描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。如將要了解到的，本發(fā)明能有其它的和不同的實施例，并且其幾個細(xì)節(jié)能夠在不同方面修改，所有的不能背離本發(fā)明。相應(yīng)地，附圖和描述視作解釋本質(zhì)，而不是限制。


利用附圖的圖中的例子而不是限定解釋本發(fā)明，其中相同的參考數(shù)字指的是相似元件，并且，其中圖1是本發(fā)明的電機(jī)的優(yōu)選實施例的定子和轉(zhuǎn)子的布局的平面圖。
圖2是圖1的實施例的定子和轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)的三維透視圖。
圖3是局部詳細(xì)剖視圖，顯示本發(fā)明的電機(jī)結(jié)構(gòu)，尤其是適合用在驅(qū)動車輛的輪子中的電機(jī)結(jié)構(gòu)。
圖4是圖3中局部剖視示出的電機(jī)結(jié)構(gòu)的分解圖。
圖5是已組裝的輪子輪轂支架密封依據(jù)本發(fā)明的電機(jī)的外觀透視圖。
圖6是說明驅(qū)動本發(fā)明的電機(jī)的控制系統(tǒng)的框圖。
圖7是本發(fā)明的電機(jī)的另一實施例的定子和轉(zhuǎn)子的布局的平面圖。和圖8是本發(fā)明的可選實施例的示意圖，其中，電機(jī)包括通過徑向氣隙包圍永磁定子的分離的電磁磁極對。
具體實施例方式
圖1是本發(fā)明的電機(jī)的優(yōu)選實施例的定子和轉(zhuǎn)子的布局的平面圖。轉(zhuǎn)子構(gòu)件10為具有基本均勻分布的16個永磁體12的環(huán)形圓環(huán)結(jié)構(gòu)。將永磁體分成8組北/南極對，每組永磁體由用作相鄰永磁體磁極12間的磁回復(fù)通路的透磁材料14連接。每個永磁體組形成一個與相鄰組絕緣的磁回路。不透磁材料的圓筒形后板16例如鋁連接永磁體組形成環(huán)形圓環(huán)。永磁體為轉(zhuǎn)子磁極，其沿環(huán)形圓環(huán)內(nèi)圓周面磁性交變。轉(zhuǎn)子包圍定子構(gòu)件20，轉(zhuǎn)子和定子由徑向氣隙隔離。定子20包括7個元件或沿氣隙均勻分布的相同構(gòu)造的磁極組22。每個定子組在氣隙處包括一般為u形的具有兩個磁極表面26的磁結(jié)構(gòu)24。每個定子組與相鄰組分離且磁絕緣。極腿纏繞有繞組28。將每個定子組的繞組連接在一起，使得當(dāng)將它們連接到直流激勵源時同時激活。繞組為每個磁極組的磁極提供相反的北/南極性，因而形成電磁體。激勵極性反向?qū)е麓艠O組的磁極形反向。適當(dāng)?shù)亩〞r轉(zhuǎn)換沿徑向氣隙的定子繞組激勵導(dǎo)致由于定子和轉(zhuǎn)子間穿過氣隙的磁力相互作用產(chǎn)生電動勢。
轉(zhuǎn)子永磁體磁極沿氣隙都具有均勻角度范圍，并彼此隔離均勻角度范圍。因此，相鄰永磁體組的磁極間的間隙與組內(nèi)永磁體磁極間的間隙尺寸相同。以這些均勻關(guān)系為依據(jù)，轉(zhuǎn)子磁極面和間隙其間的實際尺寸是可變的，并且能夠依據(jù)應(yīng)用環(huán)境將其優(yōu)化?？梢岳斫獾氖?，可以采用任何偶數(shù)個轉(zhuǎn)子磁極和組，圖1中示出的設(shè)置僅用于說明的目的。定子磁極面均為均勻角度范圍，優(yōu)選地與轉(zhuǎn)子角度磁極面尺寸不同。
下文更詳細(xì)描述的方式將定子元件24固定到不透磁的支撐結(jié)構(gòu)，由此定子元件形成一個環(huán)形圓環(huán)構(gòu)造。每個定子組內(nèi)的磁極由對于所有定子組均勻的徑向間隙隔離。這些間隙的范圍與相鄰定子組的磁極間的間距不同。定子磁極間隙和組間距每個都與轉(zhuǎn)子角度磁極間隙不同。定子環(huán)形結(jié)構(gòu)的徑向范圍，即，內(nèi)直徑和外直徑間的距離，基本小于旋轉(zhuǎn)中心軸與定子內(nèi)直徑間的距離。相對狹窄的徑向定子尺寸提供了每個定子元件結(jié)構(gòu)內(nèi)集中在氣隙的有利的通量集中。由于這種構(gòu)造和相鄰定子磁極組沒有寄生變壓器通量效應(yīng)(stray transformerflux effects)，能夠有效地獲得高扭矩輸出。
定子磁極和轉(zhuǎn)子磁極間相對獨立的尺寸關(guān)系允許靈活設(shè)定磁極數(shù)和尺寸。雖然奇數(shù)個定子磁極組優(yōu)選地能有優(yōu)化性能，這個數(shù)字絕不限于7，如用于說明目的所示出。同樣地，每個定子磁極組可以包括多個共享一個共同的單個透磁結(jié)構(gòu)的磁極組，優(yōu)選地每個組內(nèi)具有偶數(shù)個磁極。在期望在寬的速度范圍上獲得良好控制的操作環(huán)境中，能夠?qū)崿F(xiàn)很多定子磁極和轉(zhuǎn)子磁極。這種實現(xiàn)能夠與使用的控制系統(tǒng)的控制能力配合，也相應(yīng)地設(shè)定分離的定子組的數(shù)量。盡管電機(jī)能夠支持多種特定的用途，本發(fā)明特別有益于驅(qū)動車輛，其中電機(jī)結(jié)構(gòu)覆蓋在輪子里面。將該環(huán)境中的同心轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)件放在離旋轉(zhuǎn)軸線相當(dāng)大距離的輪緣處的位置。大緣直徑提供了足夠的空間以容納許多單個轉(zhuǎn)子和定子磁極，因而促進(jìn)控制的靈活性。
圖2是圖1的電機(jī)實施例的轉(zhuǎn)子和定子裝配的透視圖。將包括有支撐永磁體組的圓筒形后板16的環(huán)形轉(zhuǎn)子用圓環(huán)外殼構(gòu)件30圍住，該圓環(huán)外殼構(gòu)件30可以由鋁或其他不透磁材料制成。在該圓筒形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)內(nèi)，定子組由兩塊板32剛性地固定，兩塊板中僅一塊在圖中顯示。每塊板32為剛性圓形構(gòu)造，具有外直徑和在其中心形成內(nèi)直徑的切口部分。將內(nèi)直徑的尺寸定為與固定軸34配合并固定到軸構(gòu)件上。沿板的圓周，該板設(shè)有適當(dāng)隔開以與定子元件中的通孔緊密配合的孔。將每個板固定到軸34，并彼此適當(dāng)?shù)馗糸_以通過裝配孔在其每個軸側(cè)將其固定到定子元件的磁極機(jī)構(gòu)24并將定子元件的磁極機(jī)構(gòu)24夾在中間。板能夠可選擇地移動，以方便接近并更換可能被損壞或需要修理的單個定子元件，而不需要更換整個單元。既然能夠每個定子元件能夠制成互換的，定子的維護(hù)就是相對簡單將備用的定子元件插到板間適當(dāng)?shù)难b配位置和連接繞組末端的事情而已。
圖3為更詳細(xì)的剖面圖，顯示本發(fā)明的實施例的電機(jī)結(jié)構(gòu)，特別適合用在驅(qū)動汽車、摩托車和自行車等的車輪。將固定軸34、盤32、定子結(jié)構(gòu)24和繞組24包含在外殼40內(nèi)，將環(huán)形電機(jī)后板14和永磁體12裝配到外殼40。通過軸襯36和軸承38外殼40以板32的每側(cè)上的軸為軸頸。因此，當(dāng)通過電機(jī)驅(qū)動車輪時，外殼40形成了包圍軸34旋轉(zhuǎn)的車輪的側(cè)部。將圓環(huán)外殼構(gòu)件30剛性地裝配到外殼40和電機(jī)，并用作用于裝配車胎的輪緣。圖4為圖3的電機(jī)結(jié)構(gòu)的分解示意圖，而圖5為已組裝的輪子輪轂部分的外觀透視圖。設(shè)置連接器42以說明在能夠?qū)⒚總€連接器部分42固定到自行車叉架的各自部分的自行車型環(huán)境中電機(jī)的使用。圖也舉例說明了用于組裝各種元件的各種標(biāo)準(zhǔn)墊圈、螺母和螺釘元件。需要注意的是，能夠使用任何現(xiàn)有技術(shù)已知的合適的裝置來組裝各種元件。
圖6是顯示驅(qū)動圖1的實施例的本發(fā)明的電機(jī)的控制系統(tǒng)的框圖。電池供給源50為單個定子電磁繞組20提供激勵電流。盡管使用已知的機(jī)械換向器裝置能夠?qū)崿F(xiàn)定子繞組的轉(zhuǎn)換激勵，但是電子轉(zhuǎn)換電路已經(jīng)變得普通并且有出眾的控制優(yōu)勢。因此，優(yōu)選的通過轉(zhuǎn)換電路52將定子繞組20與電池50連接。轉(zhuǎn)換電路52可以包含能夠提供電池激勵的任何已知的受控雙向電子電路，在控制器54的控制下相對于電機(jī)繞組可單獨地轉(zhuǎn)換極性。控制器54優(yōu)選地包含能夠?qū)懭氤绦騺硪罁?jù)響應(yīng)定子和轉(zhuǎn)子間的相對運動產(chǎn)生的反饋信號提供適當(dāng)同步控制信號的微控制器、微處理器等?，F(xiàn)有技術(shù)已知的各種位置傳感器能夠產(chǎn)生控制器使用的電機(jī)反饋信號。連接有分解器56與轉(zhuǎn)子10一起旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生指示轉(zhuǎn)子角度位置的信號。編碼器58適當(dāng)?shù)貙⒃撔盘柧幋a用于控制器使用?；诙ㄗ釉囟ǖ某叽鐦?gòu)造，控制器能夠?qū)懭氤绦蛞暂敵鲎罴训耐娇刂菩盘?，來與接受到的編碼器信號相匹配。因而編程能夠考慮定子和轉(zhuǎn)子磁極的數(shù)量、定子組的數(shù)量、定子和轉(zhuǎn)子磁極的尺寸和電機(jī)結(jié)構(gòu)中各種間隙的尺寸。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)操作再最佳編程受控電子轉(zhuǎn)換模式下獲得的較高的電機(jī)扭矩和速度特性允許滿意的操作，即使一個或多個獨立的定子元件不能運行。因此在該條件下的車輛能夠繼續(xù)使用，直到方便更換電子元件部件。
圖7是本發(fā)明的電機(jī)的另一實施例的定子和轉(zhuǎn)子布局的平面圖。4個定子組22每個各自由絕緣的透磁材料24制作，以形成4個凸出磁極26，該凸出磁極其上具有繞組，當(dāng)激勵繞組時形成交變極性的磁極。轉(zhuǎn)子包含4組永磁體。每組包含4個永磁體，將其以連續(xù)交變極性的方式固定到透磁材料14。每個轉(zhuǎn)子組的磁通路與相鄰轉(zhuǎn)子組絕緣。在該實施例中，轉(zhuǎn)子和定子都包含4組磁極，共16個磁極。這種布置與圖1的實施例形成對比，其中設(shè)有奇數(shù)個定子組和偶數(shù)個轉(zhuǎn)子組。另外，圖7中相鄰定子組的磁極間的間距與圖1中相比更類似于定子組內(nèi)相鄰磁極間的間距。該差別是變量，可依據(jù)電機(jī)應(yīng)用的特殊環(huán)境的預(yù)期要求調(diào)整?？梢詫D7的電機(jī)以圖2-5所示的方式結(jié)構(gòu)地合并在車輪內(nèi)。
圖8是實施例示意性的平面圖，其中轉(zhuǎn)子包含分離的電磁磁極對組，其通過徑向氣隙包圍具有不連續(xù)磁通路的永磁體定子以形成絕緣磁極組。另外本實施例與圖1的實施例在結(jié)構(gòu)上和功能上相同，并且在車輪環(huán)境中可以按圖2-5中所示的方式在結(jié)構(gòu)上實施。
本公開中僅顯示和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例和僅僅其多功能性的幾個例子。應(yīng)理解，本發(fā)明能夠在各種其它組合和環(huán)境中使用，并且能夠在如此處描述的發(fā)明概念的范圍內(nèi)變化或修改。例如，能夠理解的是，除了車輛驅(qū)動器外本發(fā)明的電機(jī)能夠用在廣泛的應(yīng)用范圍中。雖然在車輛驅(qū)動器的實現(xiàn)中優(yōu)選地轉(zhuǎn)子包圍定子，但是其它應(yīng)用可以發(fā)現(xiàn)定子包圍轉(zhuǎn)子有利的效用。因此，在本發(fā)明的預(yù)期內(nèi)，每個內(nèi)和外環(huán)形構(gòu)件可以包含定子或轉(zhuǎn)子，并且可以包含電磁組或永磁體組。同樣，已經(jīng)解釋了纏繞凸磁極，代替地可以在非凸有槽的結(jié)構(gòu)中設(shè)置繞組。應(yīng)理解，由于這樣的設(shè)置在技術(shù)人員的知識內(nèi)，沒有解釋任一裝置中的單個繞組和轉(zhuǎn)換控制單元間的實際連接。
應(yīng)注意，依據(jù)不同的考慮能夠變化特定的電磁激勵順序?？梢匝貧庀吨苓呉皂樞虻胤绞睫D(zhuǎn)換電磁體的激勵或以不同的順序。盡管以單獨編程時間激勵電磁體組，但是可以全時地激勵電磁體組。相反地，可以以按順序地誘導(dǎo)、隨機(jī)誘導(dǎo)或非按順序地誘導(dǎo)時間間隔激勵或斷開單個電磁體。
盡管在這里在直流電機(jī)的范圍內(nèi)舉例說明了本發(fā)明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)注意，上述的原理可應(yīng)用于同步交流電機(jī)和具有可被多種波形激勵的繞組元件的電機(jī)。因此，驅(qū)動電機(jī)的電動力源不限于電池，而是可以包括，例如交流源。能夠?qū)⒃摻涣髟崔D(zhuǎn)化成直流或脈沖波形供給，或者能夠使用它且沒有轉(zhuǎn)化，用于驅(qū)動如交流同步電機(jī)的電機(jī)。
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)，包含以電磁磁極組的環(huán)形圓環(huán)形成構(gòu)成的定子，所述組沿所述環(huán)形圓環(huán)的角度范圍基本等距分布，每個所述組包含與其它組隔離并磁絕緣的磁性材料；和環(huán)形轉(zhuǎn)子，其與旋轉(zhuǎn)軸同心并與所述環(huán)形定子同心以在其間形成徑向氣隙，該環(huán)形轉(zhuǎn)子包含多個永磁體磁極組，所述轉(zhuǎn)子組沿氣隙的角度范圍基本等距分布，每組所述永磁體磁極具有與相鄰永磁體磁極組的磁回路絕緣的共有的磁回路；其中，每組定子電磁體磁極包含可轉(zhuǎn)換激勵用來驅(qū)動所述定子和所述轉(zhuǎn)子間的電動感應(yīng)的繞組。
2.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，每個轉(zhuǎn)子永磁體磁極組包含偶數(shù)個磁極性交替的磁體。
3.如權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，所述轉(zhuǎn)子包含偶數(shù)個永磁體組，并且所述定子包含奇數(shù)個電磁體組。
4.如權(quán)利要求3所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，所有所述轉(zhuǎn)子組包含相同的磁極數(shù)，并且所有所述定子組包含相同的磁極數(shù)。
5.如權(quán)利要求4所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，每個轉(zhuǎn)子組里的磁極的數(shù)量與每個定子組里的磁極的數(shù)量相同。
6.如權(quán)利要求5所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，每個轉(zhuǎn)子組和定子組的磁極的數(shù)量為2。
7.如權(quán)利要求5所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，每個轉(zhuǎn)子組和定子組的磁極的數(shù)量為2的倍數(shù)。
8.如權(quán)利要求5所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，每個轉(zhuǎn)子組和定子組的磁極的數(shù)量為2的奇數(shù)倍。
9.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，還包含一個轉(zhuǎn)子位置傳感器，其中響應(yīng)于所述傳感器產(chǎn)生轉(zhuǎn)換所述繞組激勵的信號。
10.如權(quán)利要求9所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，所述位置傳感器包含一個分解器；并且所述電機(jī)還包含用于產(chǎn)生所述信號的編碼器。
11.如權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，所述轉(zhuǎn)子組中的所述轉(zhuǎn)子磁極具有由對于所有組基本均勻的間隙隔離的磁極面，所述間隙基本等于相鄰組的磁極面間的間隙。
12.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，每個定子組的磁極間的所述角距離在整個所述定子的圓周基本均勻，并且與相鄰組的定子磁極間的角距離不同。
13.如權(quán)利要求12所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，每個定子組內(nèi)的磁極間的所述角距離與所述轉(zhuǎn)子的相鄰永磁體磁極間的所述角距離無關(guān)。
14.如權(quán)利要求13所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，每個定子組內(nèi)的磁極間的所述角距離與所述轉(zhuǎn)子的相鄰永磁體磁極間的所述角距離不同。
15.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，所述定子磁極具有沿所述氣隙基本相等的角距離延伸的磁極面，并且所述轉(zhuǎn)子永磁體磁極具有沿所述氣隙基本相等的角距離延伸的磁極面，所述定子磁極面的角度范圍與所述轉(zhuǎn)子磁極面的角度范圍不同。
16.如權(quán)利要求15所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，所述定子磁極面由間隙隔離，每個組內(nèi)的相鄰定子磁極面間的間隙基本相等并且與相鄰定子組間的間隙不同。
17.如權(quán)利要求16所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，所述轉(zhuǎn)子磁極面由在所述電機(jī)的整個角度范圍基本均勻的間隙隔離，相鄰轉(zhuǎn)子磁極面間的所述間隙與定子組內(nèi)相鄰定子磁極面間的間隙不同。
18.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，所述轉(zhuǎn)子包圍所述定子。
19.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，每個定子組單獨固定在所述定子環(huán)形圓環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)，因而方便獨立地移走和更換單個定子組。
20.如權(quán)利要求19所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，所述電機(jī)還包含平板構(gòu)件；和位于旋轉(zhuǎn)軸線的軸構(gòu)件；其中，每個所述定子組距離所述旋轉(zhuǎn)軸線一定徑向間隔距離固定到所述平板構(gòu)件；和所述平板構(gòu)件裝于所述軸構(gòu)件。
21.如權(quán)利要求20所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，所述徑向間隔距離大于所述定子環(huán)形圓環(huán)的內(nèi)和外邊界直徑間的徑向距離。
22.如權(quán)利要求19所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，所述轉(zhuǎn)子還包括一個非磁性材料的環(huán)形圓環(huán)，并且所述轉(zhuǎn)子組固定到非磁性材料的所述圓環(huán)的內(nèi)表面。
23.如權(quán)利要求22所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，所述轉(zhuǎn)子還包括一個轉(zhuǎn)子外殼，所述環(huán)形轉(zhuǎn)子距離所述旋轉(zhuǎn)軸線一定間隔徑向距離固定在外殼內(nèi)，并且所述轉(zhuǎn)子外殼為繞穿夠軸承的所述軸旋轉(zhuǎn)的軸頸。
24.如權(quán)利要求20所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，所述環(huán)形定子包含距離所述旋轉(zhuǎn)軸線第一徑向距離的內(nèi)邊界和距離所述旋轉(zhuǎn)軸線第二徑向距離的外邊界，并且所述內(nèi)邊界和外邊界間的徑向距離小于所述第一徑向距離。
25.具有定子和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，所述轉(zhuǎn)子包含第一和第二環(huán)形圓環(huán)構(gòu)件，圍繞旋轉(zhuǎn)軸線同時地設(shè)置并由軸向氣隙彼此隔離；其中所述第一構(gòu)件包含電磁體磁極組，所述組沿它的環(huán)形圓環(huán)基本等距分布，每組包含磁絕緣和電絕緣并和其它組隔離的磁性材料；所述第二構(gòu)件包含多個永磁體磁極組，該永磁體磁極在每組內(nèi)基本燈具分布且交替磁極性，每個永磁體磁極組具有與相鄰永磁體組的磁回路絕緣和隔離的共有的磁回路；和其中，每個電磁體磁極組包含繞組，依據(jù)連續(xù)、非連續(xù)或隨機(jī)擾動方案可轉(zhuǎn)換地激勵該繞組用于驅(qū)動所述第一和第二構(gòu)件間的電動感應(yīng)。
26.如權(quán)利要求25所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，所述轉(zhuǎn)子包圍所述定子。
27.如權(quán)利要求26所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，所述定子包含所述第一環(huán)形圓環(huán)構(gòu)件并且所述轉(zhuǎn)子包含所述第二環(huán)形圓環(huán)構(gòu)件。
28.如權(quán)利要求27所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，所述環(huán)形定子包含距離所述旋轉(zhuǎn)軸線第一徑向距離的內(nèi)周邊和距離所述旋轉(zhuǎn)軸線第二徑向距離的外邊界，并且所述內(nèi)邊界和外邊界間的徑向距離小于所述第一徑向距離。
29.如權(quán)利要求26所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，所述定子包含所述第二環(huán)形圓環(huán)構(gòu)件并且所述轉(zhuǎn)子包含所述第一環(huán)形圓環(huán)構(gòu)件。
30.如權(quán)利要求25所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，所述電磁體磁極組彼此間隔一定的角距離，該角距離與相鄰永磁體組間的間隔不同。
31.如權(quán)利要求26所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，永磁體組的數(shù)量為偶數(shù)并且電磁體組的數(shù)量為奇數(shù)。
32.如權(quán)利要求31所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中，所有組包含相同數(shù)量的磁極。
全文摘要
一種旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)，其中每個轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)件為彼此繞旋轉(zhuǎn)軸線同心的環(huán)形圓環(huán)。轉(zhuǎn)子或定子構(gòu)件由多組電磁體磁極對形成，所述組沿所述環(huán)形圓環(huán)的角度范圍基本等距分布，每個組包含與其它組磁絕緣和隔離的磁性材料。其它構(gòu)件包含多個沿所述構(gòu)件間形成的徑向氣隙角度范圍基本等距分布且交替磁極的永磁體磁極，所述永磁體磁極具有不連續(xù)的磁回路，從而將所述構(gòu)件分成磁絕緣多組永磁體磁極。
文檔編號H02K21/26GK1623266SQ02828690
公開日2005年6月1日 申請日期2002年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月29日
發(fā)明者博里斯·馬斯洛夫, 亞歷山大·平季科夫 申請人:波峰實驗室責(zé)任有限公司