CN102239625A - 无铁芯电动机的通量集中器 - Google Patents

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Abstract

在一个可能的实施例中，提供了用于电动机的磁铁阵列，其具有永久磁铁的阵列，所述永久磁铁的阵列布置为使得来自永久磁铁的通量在阵列的一侧增强并且在阵列的对侧基本上消除，所述阵列还包括位于阵列的增强侧的磁极处的通量集中器。

Description

无铁芯电动机的通量集中器
由Bart Dean Hibbs，Bang Xuan Phan，fhe Walley Ewald Rippel发明
相关申请的交叉引用
本申请要求以下申请的权利，两者都通过引用全部结合于此：
题目为用于无铁芯电动机的通量集中器、由Bart Dean Hibbs、于2008年9月23日提交的美国临时专利申请No.61/194,056；以及
题目为用于无人机的螺旋桨驱动装置、由Daboussi等、于2008年9月23日提交的美国临时专利申请No.61/194,099.
本申请还涉及以下申请，其通过引用全部结合于此：
Daboussi等的、题目为压缩电动机绕组、于2009年9月23日提交的美国非临时专利申请No.__________；
Daboussi等的、题目为电动机气流冷却、于2009年9月23日提交的美国非临时专利申请No.__________；以及
Daboussi等的、题目为定子绕组散热器配置、于2009年9月23日提交的美国非临时专利申请No.___________。
背景技术
用于车辆的电动机需要具有较高的效率以保存电力。此外，在无人车辆或者载人车辆中，还希望是较轻的重量和压缩的电动机。因此，经常使用无铁芯电动机，其能够提供没有由改变通量方向导致的铁损失的益处。然而，无铁芯电动机在间隙中的场强较小。
在一些应用中，需要较高的部分负荷效率，其在机器装载部分载荷(即15％或者一些其他百分比)时效率较高。
需要的是更高效率的压缩电动机。
发明内容
在一个可能的实施例中，提供了用于电动机的磁铁阵列，其具有永久磁铁的阵列，所述永久磁铁的阵列布置为使得来自永久磁铁的通量在阵列的一侧增强并且在阵列的对侧基本上消除，所述阵列还包括位于阵列的增强侧的磁极处的通量集中器。
在另一个可能的实施例中，提供了用于电动机的磁铁阵列，其具有永久磁铁的阵列，所述永久磁铁的阵列布置为使得来自永久磁铁的通量在阵列的一侧增强并且在阵列的对侧基本上消除。在该实施例中，磁铁布置为使得相邻磁铁的磁矩定向在用大约45度间隔的方向上，并且使得在阵列内的磁铁包括定向为与阵列的增强侧基本垂直的磁矩。
实施例可以组合并且其他的实施例是可以的。
附图说明
对于下面的说明、所附权利要求和附图，将更好地理解本发明的特征和优势，其中：
图1示出了示例电动机的简化的分解立体图。
图2示出了图1的电动机沿其纵轴的简化的截面侧视图。
图3示出了永磁电动机的可能的实施例的一部分的简化的局部正视图。
图4示出了永磁电动机的另一个可能的实施例的一部分的简化的局部正视图。
图5A和5B分别是说明了在没有通量集中器和具有通量集中器的情况下永磁电动机中的B场的简化的局部正视图。
具体实施方式
图1示出了示例电动机10沿着轴22的简化的分解立体图。定子40固定到壳体60。内转子50和外转子30相互固定到对方并且围绕定子40。可选的螺旋桨桨毂75固定到内转子50，其中螺旋桨叶片70安装到螺旋桨桨毂75中。螺旋桨桨毂75利用轴承16和18可旋转地安装在轴65上。轴承16和18通过保持器10和14以及封盖12保持。
图2示出了图1的电动机10沿其纵轴22的简化的横截面侧视图。定子40位于内转子50和外转子30各自的磁铁35和55之间。螺旋桨桨毂75结合到内转子50，其中内转子50可旋转地安装在轴65上。轴65可由碳纤维或者其他适合的材料制作。
图3示出了永磁电动机的可能的实施例的一部分300的简化的局部正视图。在图3中，具有绕组345的定子340位于内转子350和外转子330的内磁铁组355和外磁铁组335之间。
内磁铁组355和外磁铁组335具有磁铁355a-g和335a-g，其布置为在磁铁355a-g和335a-g内永磁场定向为如箭头所示的方向。磁铁355a-g的磁场方向或者磁铁335a-g的磁场方向类似于在Halbach阵列中的磁场方向。在Halbach阵列中，永久磁铁布置为使得来自永久磁铁的通量在阵列的一侧增强并且在阵列的另一侧实质上消除。然而，有别于Hlabach阵列，各种实施例具有设置在内磁铁组355和外磁铁组335中的通量集中器335x-z和355x-z。
通量集中器335x-z和355x-z增大到绕组345区域上的通量密度B。由通量密度B产生的力和扭矩由该公式F＝B×I×L计算得到，其中I是导线中的电流并且L是在B场中的导线的长度。因此，增大在各条利兹线345a上的B场密度，使导线340a上的力F增大。增大在相同导线上、相同长度和电流处的通量集中，可在导线340a上产生更大的力以提高效率。在没有通量集中器335x-z和355x-z的情况下，会产生边缘通量，该边缘通量使导线345a中的通量密度减小。
图5A是图示了在没有通量集中器的情况下间隙545b中的B场542如何边缘化、导致在导体545b中的通量密度减小的简化的局部正视图。然而，如图5B所示在具有通量集中器535x和555x的情况下，在导线545b中B场具有较高的密度。
参考图3，通量集中器355x-z和335x-z位于内磁铁组355和外磁铁组335内、跨过间隙349的相对位置处。它们位于间隙349的相对表面上磁场346、347和348增强的位置处以及磁场346、347和348消除的位置处。通量集中器355x-z位于间隙349和各个后部磁铁355b、355d和355f之间。类似地，通量集中器335x-z位于间隙349和各个后部磁铁355b、355d和355f之间。
通量集中器355x-z和335x-z可由铁或者其他磁性材料制成。铁材料形成收集并集中来自磁铁的通量的磁极。在容易获得的永磁体中，场强限制到大约1特斯拉。另一方面，铁能够支持2特斯拉。通过利用磁极和磁铁一起迫使通量穿过间隙349，在间隙349中可以得到更大的场346、347和348。电动机扭矩与场成比例，使得在固定扭矩处，使场强加倍可去掉1/4的I2R损失。
如本文中所使用的，无铁芯电动机意味着在绕组中没有铁。通量集中器不限于并且可以由其他磁性材料和较高磁矩材料制成。
虽然通量集中器335x、335y和335z示出为对应后部磁铁335b、335d和335f的厚度的一半，但是取决于使用的材料和磁铁的强度，通量集中器335x、335y和335z可以比后部磁铁更大或者更小。此外，磁铁335a、335c、335d和335g与通量集中器和/或后部磁铁335b、335d和335f之间的各个宽度可以不同并且不需要相等。
磁铁的间距和方向/周期与转子中绕组的数量和间距相匹配，以使得在间隙中的场在定子绕组中产生附加电流。
图4示出了永磁电动机的可能的另一个实施例的一部分500的局部正视图。在该实施例中，在外转子阵列535中接连的永久磁铁的磁矩方向各个相对于相邻的磁铁旋转45度或者π/4弧度。类似地，在内转子阵列355中接连的永久磁铁的磁矩方向各个相对于相邻的磁铁旋转45度。外磁铁535定向为使得它们在外磁铁阵列535中间隙表面535s上、在-90度磁铁535d处增强并且在90度磁铁535h处消除，并且内磁铁555定向为使得它们在间隙表面555s上在90度磁铁555h处增强并且在-90度磁铁555d处消除。
如图4所示，利用45度的间隔来定向磁铁并且包括相对于定子绕组545的90度方向的优势是，其提供了比60度、30度、-30度、-60度方向更高的反电动势。在一些实施例中，图4的实施例提供了比60度、30度、-30度、-60度方向高大约10％的反电动势。
本发明的实施例和实施方式不限于图3和图4所示的电动机实施例。这里所描述的磁铁阵列可适用于各种轴向或者径向电机，或者适用于其他Halbach阵列/柱面/球面设备等(包括正弦式轨迹激励磁铁)，并且不限于用在双转子电动机中。如本文中所使用的，阵列意图包含利用该阵列结构的柱面、球面等。此外，实施例和实施方式不限于飞机电动机，而是还可用于汽车、机械、仪器仪表、空间或者其他应用中。
值得注意的是，凡提及“一个实施例”或者“实施例”意味着如果需要则所描述的与该实施例相关的具体的特征、结构或者特性包含在实施例中。在说明书中的不同位置出现的短语“一个实施例”并不总是指相同的实施例。
这里提供的说明和示例是为了解释并且不意图限制所附权利要求的范围。本公开被认为是本发明的原理的范例并且不意图限制本发明的精神和范围和/或所说明的实施例的权利要求。
对于本发明的具体应用，本领域的技术人员将对本发明作出修改。
包含在本专利中的讨论意图用作基本的描述。读者应该知道，特定的讨论不能明确地描述所有可能的实施例并且替代方案是隐含的。而且，本讨论可能未充分说明本发明的一般性质并且可能没有明确地示出各个特征或元件实际上如何可以是代表性元件或者等同的元件。再次，这些隐含地包括在本公开中。在以设备导向的术语描述本发明的情况下，设备的各个元件隐含地执行功能。还应该明白在不脱离本发明的实质的情况下可以作出多种改变。这样的改变也隐含地包括在说明书中。这些改变仍落在本发明的范围之内。
此外，本发明和权利要求的各种元件的各个可以多种方式实现。本公开被理解为包括各个这样的变体，该变体是任何装置实施例的变体、方法实施例的变体或者甚至是这些实施例的任何元件的变体。具体而言，应该明白，由于本公开涉及本发明的元件，因此即使只有功能或者结果相同也可以用等同的装置术语来表示各个元件的词汇。这样等同的、更广泛的或者即使更一般的术语应该被认为包括在各个元件或者功能的说明中。在需要明确本发明有权获得的隐含地广泛的覆盖范围时，这样的术语能够被替代。应该明白，所有的功能可以表示为执行该功能的装置或者导致该功能的元件。类似地，所公开的物理元件应该被理解为包括该物理元件所推动的功能的公开。这样的改变和可选择的术语被理解为明确地包括在本说明中。
已经联系很多实施例描述了本发明，本领域的技术人员将毫无疑问地作出修改。这里的示例实施例不意图进行限制，特征的各种配置和组合是可以的。这样，除了所附权利要求需要的以外，本发明不限于所公开的实施例。

Claims (36)

1.一种用于电动机的磁铁阵列，其包括永久磁铁的阵列，所述永久磁铁的阵列布置为使得来自所述永久磁铁的通量在所述阵列的一侧增强并且在所述阵列的对侧基本上消除，所述阵列还包括在所述阵列的增强侧的磁极处的通量集中器。
2.如权利要求1所述的磁铁阵列，其中所述通量集中器嵌入在所述阵列中。
3.如权利要求2所述的磁铁阵列，其中所述通量集中器的外部表面与沿着所述增强侧布置的相邻磁铁的外部表面对齐。
4.如权利要求1所述的磁铁阵列，其中所述通量集中器包括具有比所述磁铁高的通量密度的磁性材料。
5.如权利要求1所述的磁铁阵列，其中所述阵列包括在所述阵列的与所述增强侧相对的侧、在所述通量集中器的后面的后部磁铁。
6.如权利要求1所述的磁铁阵列，其中所述通量集中器被放置到所述阵列中使得各个通量集中器具有后部磁铁并且位于相邻侧的磁铁之间。
7.如权利要求6所述的磁铁阵列，其中与通量集中器相邻的磁铁的磁矩，或者都指向基本上朝向相邻的通量集中器的方向，或者都指向基本上远离相邻的通量集中器的方向。
8.如权利要求6所述的磁铁阵列，其中所述通量集中器包括具有比所述磁铁高的通量密度的磁性材料。
9.如权利要求8所述的磁铁阵列，其中所述通量集中器包括铁。
10.如权利要求1所述的磁铁阵列，其中所述通量集中器包括铁。
11.一种电动机，包括：
a)转子；
b)包括无铁芯绕组的定子；以及
c)所述转子包括永久磁铁的阵列，所述永久磁铁的阵列布置为使得来自所述永久磁铁的通量在所述阵列的面向所述定子的一侧增强并且在所述阵列的背向所述定子的一侧基本上消除，所述阵列还包括在所述阵列的所述增强侧的磁极处的通量集中器。
12.如权利要求11所述的电动机，其中所述通量集中器嵌入到所述阵列中。
13.如权利要求12所述的电动机，其中所述通量集中器的外部表面与沿着所述增强侧布置的相邻的磁铁的外部表面对齐。
14.如权利要求11所述的电动机，其中所述通量集中器包括具有比所述磁铁高的通量密度的磁性材料。
15.如权利要求11所述的电动机，其中所述阵列包括在所述阵列的与所述增强侧相对的侧、在所述通量集中器的后面的后部磁铁。
16.如权利要求11所述的电动机，其中所述通量集中器被放置到所述阵列中使得各个通量集中器具有后部磁铁并且位于相邻侧的磁铁之间。
17.如权利要求16所述的电动机，其中与通量集中器相邻的磁铁的磁矩，或者都指向基本上朝向相邻的通量集中器的方向，或者都指向基本上远离相邻的通量集中器的方向。
18.如权利要求16所述的电动机，其中所述通量集中器包括具有比所述磁铁高的通量密度的磁性材料。
19.如权利要求18所述的电动机，其中所述通量集中器包括铁。
20.如权利要求11所述的电动机，其中所述通量集中器包括铁。
21.一种电动机，包括：
a)内转子和外转子；
b)包括在所述内转子和所述外转子之间的无铁芯绕组的定子；以及
c)所述内转子和所述外转子各个包括永久磁铁的阵列，所述永久磁铁的阵列布置为使得来自所述永久磁铁的通量在所述阵列的面向所述定子的一侧增强并且在所述阵列的背向所述定子的一侧基本上消除，各个阵列还包括位于所述阵列的所述增强侧的磁极处的通量集中器。
22.如权利要求21所述的电动机，其中所述通量集中器嵌入在各个阵列内。
23.如权利要求22所述的电动机，其中所述通量集中器的外部表面与沿着所述定子侧布置的相邻的磁铁的外部表面对齐。
24.如权利要求21所述的电动机，其中所述通量集中器包括具有比所述磁铁高的通量密度的磁性材料。
25.如权利要求21所述的电动机，其中所述阵列包括在所述阵列的所述定子侧、在所述通量集中器的后面的后部磁铁。
26.如权利要求21所述的电动机，其中所述通量集中器被放置到所述阵列中使得各个通量集中器具有后部磁铁并且位于相邻侧的磁铁之间。
27.如权利要求26所述的电动机，其中与通量集中器邻近的磁铁的磁矩，或者都指向基本上朝向相邻的通量集中器的方向，或者都指向基本上远离相邻的通量集中器的方向。
28.如权利要求26所述的电动机，其中所述通量集中器包括具有比所述磁铁高的通量密度的磁性材料。
29.如权利要求28所述的电动机，其中所述通量集中器包括铁。
30.如权利要求21所述的电动机，其中所述通量集中器包括铁。
31.如权利要求21所述的电动机，其中所述内转子和外转子通过间隙分隔地固定在一起，并且其中在所述阵列中的所述磁铁的所述磁矩被调整以增大在所述间隙的磁场。
32.一种用于电动机的磁铁阵列，包括永久磁铁的阵列，所述永久磁铁的阵列布置为使得来自所述永久磁铁的通量在所述阵列的一侧增强并且在所述阵列的对侧基本上消除，其中所述磁铁布置为使得相邻磁铁的磁矩定向在用大约45度间隔的方向上，并且使得在所述阵列内的磁铁包括定向为与所述阵列的所述增强侧基本垂直的磁矩。
33.如权利要求32所述的电动机，还包括位于所述阵列的所述增强侧、在具有所述基本垂直的磁矩的磁铁处的通量集中器。
34.一种电动机，包括：
a)内转子和外转子；
b)包括在所述内转子和所述外转子之间的无铁芯绕组的定子；以及
c)所述内转子和所述外转子各个包括永久磁铁的阵列，所述永久磁铁的阵列布置为使得来自所述永久磁铁的通量在所述阵列的面向所述定子的一侧增强并且在所述阵列的背向所述定子的一侧基本上消除，其中所述磁铁布置为使得相邻的磁铁的磁矩定向在用大约45度间隔的方向上，并且使得在所述阵列内的磁铁包括定向为与所述阵列的所述定子侧基本垂直的磁矩。
35.如权利要求34的电动机，其中所述内转子和所述外转子通过间隙分隔地固定在一起，并且其中在所述阵列中的所述磁铁的所述磁矩被调整以增强跨过所述间隙的磁场。
36.如权利要求35的电动机，还包括位于所述阵列的所述增强侧、在具有所述基本垂直的磁矩的磁铁处的通量集中器。
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