РОТОР ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С МОДУЛЯЦИЕЙ ПОЛЮСОВ
ROTOR FOR ELECTRIC MACHINE WITH POLE MODULATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к ротору для электрических машин с модуляцией полюсов, таких как, например, электродвигатель, и, в частности, к ротору для электрических машин с модуляцией полюсов, которые являются технологичными для изготовления в больших количествах и пригодными для работы на высокой скорости.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В последние годы конструкции таких электрических машин, как, например, электрические машины с модуляцией полюсов, например, электрические машины с клювообразными полюсами, машины Ланделла (Lundell) и машины с поперечным потоком (TFM) стали привлекать все больший и больший интерес. Электрические машины, в которых использованы принципы этих машин, были раскрыты еще, приблизительно, в 1910 году Александерссоном (Alexandersson) и Фессенденом (Fessenden). Одной из наиболее важных причин возрастающего интереса является то, что конструкция дает возможность получения очень высокого выходного крутящего момента по сравнению, например, с асинхронными машинами, машинами с коммутируемым магнитным сопротивлением и даже с бесщеточными машинами с постоянными магнитами. Дополнительно, такие машины имеют преимущество, заключающееся в том, что обмотка часто является простой в изготовлении. Однако, одним из недостатков конструкции является то, что они обычно являются относительно дорогостоящими в изготовлении, и что они имеют большой поток рассеяния, который приводит к низкому коэффициенту мощности и к необходимости использования большего количества магнитного материала. Низкий коэффициент мощности требует наличия электронной силовой схемы (или источника питания, когда электрическая машина используется в синхронном режиме) большего размера, что также увеличивает объем, вес и стоимость всего привода.
Статор электрической машины с модуляцией полюсов, по существу, характеризуется тем, что в нем используют одну центральную обмотку, которая создает магнитное поле во множестве зубцов, сформированных структурой магнитно-мягкого сердечника. В этом случае вокруг обмотки сформирован магнитно-мягкий сердечник, тогда как для других обычных конструкций электрических машин обмотка сформирована вокруг зубца секции сердечника. Примеры топологии электрической машины с модуляцией полюсов иногда классифицируют, например, как машины с клювообразными полюсами, машины типа "Crow-feet" ("вороньи лапы"), машины Ланделла (Lundell) или как машины с поперечным потоком (TFM-машины). Электрическая машина с модуляцией полюсов с заглубленными магнитами дополнительно характеризуется тем, что структура активного ротора, включает в себя множество постоянных магнитов, отделенных друг от друга секциями полюсов ротора.
В публикации заявки WO 2007/024184 раскрыта структура активного ротора, созданная из четного количества сегментов, причем половина из этого количества сегментов выполнена из магнитно-мягкого материала, а другая половина из этого количества сегментов выполнена из материала постоянных магнитов. Постоянные магниты расположены так, что направление намагничивания постоянных магнитов является, по существу, кольцевым, то есть, соответственно, северный полюс и южный полюс ориентированы, по существу, в направлении вдоль окружности.
Обычно желательно создать такой ротор для электрической машины с модуляцией полюсов, который является относительно недорогим в изготовлении и при сборке. Дополнительно, желательно создать такой ротор, который имеет хорошие рабочие параметры, например, высокую устойчивость конструкции, низкое магнитное сопротивление, эффективное распределение магнитного потока, низкий вес и низкую инерцию, и т.д.
Машины с заглубленными магнитами могут использоваться для высокоскоростных электрических машин большой мощности, например, для машин, предназначенных для использования в электрических и гибридных транспортных средствах. Эти машины обеспечивают существенные преимущества по весу, размеру, коэффициенту полезного действия и стоимости по сравнению с альтернативными технологиями. Одно из преимуществ относится к снижению номинальной мощности (и, следовательно, стоимости) преобразователя, используемого для приведения машины в действие, что является следствием уменьшения тока, возникающего тогда, когда машина имеет значительный крутящий момент вследствие влияния магнитного сопротивления. Результирующий реактивный момент возникает тогда, когда возникает различное магнитное сопротивление по осям, отстоящим одна от другой на половину шага между полюсами. Машины, имеющие этот признак, описаны как имеющие явно выраженные полюса.
Общая конфигурация для этих машин является такой, что воздушный зазор между статором и ротором расположен в кольцевой/осевой плоскости. Изменяющиеся магнитные поля возникают как в статоре, так и в роторе, и, следовательно, может оказаться желательным использование как в статоре, так и в роторе таких материалов магнитного сердечника, которые обеспечивают электрическую изоляцию, во избежание высоких потерь, возникающих из-за вихревых токов, наведенных в сердечнике этими переменными полями.
В некоторых высокоскоростных электрических машинах с постоянными магнитами, в которых используют заглубленные магниты, ограничивающим фактором могут являться механические нагрузки, вызванные центробежными силами в результате вращения. Эти силы действуют на магниты, которые часто плохо работают на растяжение, и на пластинчатый сердечник ротора.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно первому аспекту, здесь раскрыт ротор для электрической машины с модуляцией полюсов с внутренним ротором, сконфигурированный с возможностью генерации магнитного поля ротора для взаимодействия с магнитным полем статора электрической машины с модуляцией полюсов, при этом упомянутый ротор выполнен с возможностью вращения вокруг продольной оси ротора, причем во время вращения ротор определяет цилиндрическую наружную поверхность вокруг продольной оси; причем ротор содержит:
- множество постоянных магнитов, расположенных по окружности вокруг продольной оси, причем каждый постоянный магнит является намагниченным в направлении намагничивания для генерации магнитного потока,
- множество аксиальных элементов, направляющих поток, каждый из которых выполнен с возможностью обеспечения, по меньшей мере, двумерного пути потока для магнитного потока, сгенерированного соответствующим одним из множества постоянных магнитов, причем этот двумерный путь потока содержит аксиальную составляющую;
- опорную конструкцию, содержащую внутренний трубчатый опорный элемент, расположенный внутри в радиальном направлении относительно множества постоянных магнитов; и
- по меньшей мере, один наружный элемент, направляющий поток, выполненный с возможностью обеспечения пути, по меньшей мере, в радиальном направлении для магнитного потока, сгенерированного одним или более из множества постоянных магнитов.
Следовательно, здесь раскрыты варианты осуществления ротора с постоянными магнитами, который имеет эффективный путь магнитного потока в аксиальном направлении машины в конструкции, в которой используют основной путь магнитного потока в воздушном зазоре в радиальном направлении.
Кроме того, раскрытые здесь варианты осуществления ротора имеют явнополюсность, то есть, они имеют существенное изменение общего магнитного сопротивления пути потока между продольной (d) и поперечной (q) осями соответствующего представления, обеспечивая, таким образом, существенный дополнительный реактивный момент. В машинах с заглубленными магнитами разность магнитного сопротивления может быть обеспечена за счет использования пластинчатого магнитного материала для проведения магнитного потока через магниты по оси под прямыми углами (электрическими, то есть, под углом, равным половине одного шага между полюсами) до их намагничивания.
Кроме того в описанных здесь вариантах осуществления ротора обеспечен строго определенный воздушный зазор даже при высоких скоростях вращения ротора.
Множество постоянных магнитов могут быть расположены так, что направление намагничивания каждого второго магнита на окружности является инвертированным. Таким образом, отдельные секции полюсов ротора могут взаимодействовать только с теми магнитами, которые имеют идентичную полярность.
В некоторых вариантах осуществления изобретения постоянные магниты установлены на наружной монтажной поверхности внутреннего трубчатого опорного элемента.
Ротор может содержать любое количество постоянных магнитов, например, от 2 до 200, от 5 до 60 или от 10 до 30. Внутренний и/или наружный трубчатый опорный элемент может иметь любую осевую длину. В некоторых вариантах осуществления изобретения осевая длина внутреннего и/или наружного трубчатого опорного элемента соответствует осевой длине постоянных магнитов и/или аксиальных элементов, направляющих поток.
Ротор, например, опорная конструкция, может содержать средство передачи крутящего момента, сгенерированного за счет взаимодействия между ротором и статором. В некоторых вариантах осуществления изобретения опорная конструкция соединена с валом для передачи сгенерированного крутящего момента.
В некоторых вариантах осуществления изобретения аксиальные элементы, направляющие поток, выполнены из магнитно-мягкого материала, например, из магнитно-мягкого порошка, что упрощает изготовление ротора и обеспечивает эффективную концентрацию магнитного потока с использованием преимущества эффективных трехмерных путей потока в магнитно-мягком материале, обеспечивающего возможность существование радиальных, аксиальных и тангенциальных составляющих пути потока. Таким образом, аксиальные элементы, направляющие поток, могут быть фактически выполнены при одной и той же технологической операции с использованием способа порошкового формования, причем это формование может быть выполнено в одной инструментальной оснастке для уплотнения. Кроме того, может быть уменьшена радиальная толщина ротора, поскольку путь потока во всех трех измерениях может быть фактически обеспечен одиночным элементом, направляющим поток. Дополнительно, это обеспечивает возможность использования более широких магнитов в направлении по касательной, поскольку в этом случае постоянные магниты могут быть размещены на большем диаметре с большим периметром, и диаметр воздушного зазора сохраняется постоянным. Это может обеспечивать возможность использования менее дорогостоящих магнитов (например, ферритов) при увеличении их толщины и площади поперечного сечения для подачи достаточной напряженности магнитного поля.
Магнитно-мягким порошком может являться, например, магнитно-мягкий порошок железа или порошок, содержащий кобальт (Co) или никель (Ni) или сплавы, содержащие эти элементы. Магнитно-мягким порошком может являться, по существу, чистый порошок железа, распыленный в воде, или порошок губчатого железа, имеющий частицы неправильной формы, которые были покрыты электрической изоляцией. В данном случае термин "по существу, чистый" означает, что в порошке, по существу, должны отсутствовать включения и что должно содержаться минимальное количество примесей O, C и N. Средний размер частиц обычно составляет менее 300 мкм и более 10 мкм.
Однако, может использоваться любой порошок магнитно-мягкого металла или порошок магнитно-мягкого металлического сплава в том случае, если магнитно-мягкие свойства являются достаточными и если этот порошок является пригодным для уплотнения в пресс-форме.
Электрическая изоляция порошковых частиц может быть выполнена из неорганического материала. Особо подходящий тип изоляции описан в патенте США № 6348265 (который включен сюда путем ссылки), который относится к частицам базового порошка, состоящего, по существу, из чистого железа, имеющего изоляционный слой, содержащий кислород и фосфор. Имеющимися на рынке порошками, содержащими частицы с изоляцией, являются порошки Somaloy 500, Somaloy 550 или Somaloy 700, выпускаемые фирмой "Höganas AB", Швеция.
Наружный элемент, направляющий поток, создает радиальный путь магнитного потока и поверхность раздела, обращенную наружу в радиальном направлении к активному воздушному зазору ротора, обеспечивая возможность взаимодействия магнитного потока со статором через активный воздушный зазор. Наружный элемент, направляющий поток, может дополнительно создавать кольцевой путь магнитного потока; в частности, наружный элемент, направляющий поток, может создавать, по меньшей мере, двумерный путь магнитного потока в радиальной/тангенциальной плоскости. Когда наружный элемент, направляющий поток, содержит наружную трубчатую опорную конструкцию вокруг постоянных магнитов и аксиальных элементов, направляющих поток, то прочность конструкции ротора увеличивается, что обеспечивает возможность работы на большой скорости.
Аксиальный элемент, направляющий поток, создает аксиальный путь магнитного потока. В некоторых вариантах осуществления изобретения ротор содержит аксиальные элементы, направляющие поток, которые могут быть выполнены, например, как магнитно-мягкие компоненты, изготовленные из порошка металла, или как пакеты пластин, ориентированные, по существу, в плоскости, параллельной аксиальному направлению ротора, например, в радиальной/аксиальной плоскости или в тангенциальной/аксиальной плоскости. Аксиальный элемент, направляющий поток, может создавать, по меньшей мере, двумерный путь магнитного потока в аксиальной/тангенциальной плоскости или в аксиальной/радиальной плоскости, обеспечивая, таким образом, концентрацию аксиального потока и, в то же самое время, эффективную связь пути магнитного потока между аксиальным элементом, направляющим поток, и наружным элементом, направляющим поток. Таким образом, аксиальные элементы, направляющие поток, могут быть размещены так, что вызывают возникновение замыкания части или всего аксиального пути магнитного потока в роторе. Следовательно, в вариантах осуществления электрической машины с модуляцией полюсов можно избежать аксиального пути потока в статоре, обеспечивая, таким образом, более простую и менее дорогостоящую конструкцию статора, и избежать нежелательных путей рассеяния магнитного потока, которые в противном случае могут возникать только лишь вокруг обмотки и только лишь вокруг магнита, не связывая магнит и обмотку.
Аксиальные элементы, направляющие поток, могут быть выполнены в виде отдельных компонентов, отличных от наружных элементов, направляющих поток. Аксиальные элементы, направляющие поток, могут быть расположены в области за пределами магнитов в радиальном направлении или рядом с магнитами по касательной. Эти аксиальные элементы, направляющие поток, могут быть расположены в пазах или в отверстиях внутри других пакетов пластин, расположенных с радиальной/тангенциальной ориентацией, для обеспечения правильной ориентации для минимизации вихревых токов, вызываемых тангенциальными составляющими поля. Аксиальные элементы, направляющие поток, могут быть размещены в области, где поле является, по существу, радиальным и/или аксиальным (или где оно является, по существу, постоянным), например, близко к магнитам. Когда аксиальные элементы, направляющие поток, выполнены в виде пакетов пластин, то эти пакеты пластин могут быть ориентированы в плоскости пакетов пластин, расположенных в направлении намагничивания магнита.
Аксиальные элементы, направляющие поток, могут быть закреплены на аксиальных концах сердечника ротора для противодействия центробежным силам, например, посредством торцевых пластин. В некоторых вариантах осуществления изобретения ротор содержит торцевые пластины на каждом аксиальном конце ротора; и, по меньшей мере, часть каждого аксиального элемента, направляющего поток, проходит в осевом направлении через соответствующие отверстия торцевых пластин. В альтернативном варианте или в дополнение к этому аксиальные элементы, направляющие поток, могут быть соединены с другими опорными конструкциями на соответствующих аксиальных концах сердечника ротора для обеспечения опоры для аксиальных элементов, направляющих поток, в радиальном направлении для противодействия центробежным силам. В этом случае аксиальные элементы, направляющие поток, становятся поперечинами, принимающими на себя не только свои собственные механические напряжения под действием центробежных сил, но также и механические напряжения магнитов под действием центробежных сил, разгружая перекладины в радиальных/кольцевых пакетах пластин, играющие эту роль. Дополнительное преимущество закрепления аксиальных элементов, направляющих поток, состоит в том, что перекладины в радиальных/кольцевых пакетах пластин могут быть удалены или, по меньшей мере, уменьшены. Это ослабляет или даже предотвращает эффекты магнитного шунтирования, что, в свою очередь, позволяет использовать меньшие (и, следовательно, более дешевые) магниты, в результате чего, следовательно, получают меньшую (и, следовательно, более дешевую) машину.
Поскольку магнитная конструкция ротора не ослабляется ни за счет введения аксиальных элементов, направляющих поток, ни даже за счет создания радиальных размеров этих частей, то в приведенных здесь вариантах осуществления конструкции ротора, по существу, может иметь место большое улучшение способности выдерживать центробежные силы. Это означает, что машины заданного размера могут работать существенно быстрее, давая пропорциональное увеличение удельной мощности и вытекающее из этого уменьшение размера, веса, коэффициента полезного действия и стоимости. Это также означает, что это способствует созданию роторов намного большего размера (для областей применения с более высокой выходной мощностью), работающих на заданной скорости.
В некоторых вариантах осуществления изобретения в том случае, когда аксиальные элементы, направляющие поток, закреплены для противодействия центробежным силам так, как описано выше, эти аксиальные элементы, направляющие поток, могут, в свою очередь, удерживать, по меньшей мере, часть радиальных/кольцевых пакетов пластин ротора, например, за счет размещения аксиальных элементов, направляющих поток, в отверстии, выполненном в радиальных/кольцевых пакетах пластин. Это позволяет дополнительно увеличить скорость и/или диаметр ротора.
Комбинация аксиальных элементов, направляющих поток, (которые могут быть закреплены на аксиальных концах сердечника) с радиальными/кольцевыми пакетами пластин в описанных здесь компоновках существенно повышает механическую целостность и, следовательно, предельные значения скорости/размера, обеспечивая в то же самое время хороший аксиальный путь магнитного потока, не подвергаясь значительным потерям от вихревых токов.
Хороший аксиальный путь магнитного потока в роторе позволяет уменьшить или даже устранить путь замыкания аксиального магнитного потока в статоре (то есть, в клювообразных зубца), что означает уменьшение размеров, но, что еще более важно, хороший аксиальный путь магнитного потока является полезным для сохранения явнополюсности и, следовательно, для достижения существенного реактивного момента. Этот признак является очень желательным, если машина должна быть конкурентоспособной, когда она имеет приводится в действие инвертором.
Когда постоянные магниты отделены друг от друга по окружности соответствующими элементами-перекладинами, то прочность конструкции ротора дополнительно увеличена. Когда элементы-перекладины дополнительно приспособлены для создания пути магнитного потока, по меньшей мере, в радиальном направлении, то обеспечена эффективная и компактная конструкция ротора. Элементы-перекладины могут быть выполнены в виде пакета пластин из металла.
В некоторых вариантах осуществления изобретения трубчатый опорный элемент выполнен в виде пакета пластин из листового металла, обеспечивая путь магнитного потока в радиально-тангенциальной плоскости; постоянные магниты намагничены в радиальном направлении; и каждый аксиальный элемент, направляющий поток, сформирован в виде элемента тела зубца в виде пакета пластин из металла, проходящего в радиальном направлении за пределы одного из постоянных магнитов, и выполненного с возможностью обеспечения пути магнитного потока, по существу, в радиальной/аксиальной плоскости; и ротор содержит множество наружных элементов, направляющих поток, каждый из которых сформирован в виде элемента вершины зубца в виде пакета пластин из металла, проходящего в радиальном направлении за пределы соответствующего одного из элементов тела зубца в виде пакета пластин из металла и выполненного с возможностью обеспечения пути магнитного потока в радиально-тангенциальной плоскости. Пакетом пластин из металла может являться пакет пластин из стального листа.
В некоторых вариантах осуществления изобретения трубчатый опорный элемент выполнен в виде пакета пластин из листового металла, обеспечивая путь магнитного потока, по меньшей мере, в радиальном направлении; и постоянные магниты намагничены в радиальном направлении; и каждый из аксиальных элементов, направляющих поток, сформирован в виде элемента тела зубца, выполненного из магнитно-мягкого компонента, например, из магнитно-мягкого порошкового компонента, проходящего в радиальном направлении за пределы одного из постоянных магнитов и выполненного с возможностью обеспечения пути магнитного потока во всех трех измерениях (радиальном, тангенциальном/по окружности, аксиальном). Наружный элемент, направляющий поток, может быть сформирован в виде сплошной трубчатой конструкции, например, втулки, выполненной в виде пакета пластин из металла, которая расположена вокруг элементов тела зубца.
В некоторых вариантах осуществления изобретения постоянные магниты намагничены в направлении вдоль окружности; каждый из постоянных магнитов может быть зажат в направлении вдоль окружности между двумя из аксиальных элементов, направляющих поток; и каждый из аксиальных элементов, направляющих поток, может быть сформирован в виде элемента, представляющего собой пакет пластин из металла, который выполнен с возможностью обеспечения пути магнитного потока, имеющего, по меньшей мере, тангенциальную и аксиальную составляющую. Наружный элемент, направляющий поток, может быть сформирован в виде пакета пластин из металла, образуя трубчатую конструкцию вокруг постоянных магнитов и аксиальных элементов, направляющих поток. Пакет пластин из металла, который образует наружный элемент, направляющий поток, может дополнительно содержать элементы-перекладины, проходящие внутрь в радиальном направлении от наружного трубчатого элемента. Каждый элемент-перекладина может отделять друг от друга, в направлении вдоль окружности, два из постоянных магнитов, расположенных между соответствующими аксиальными элементами, направляющими поток.
В некоторых вариантах осуществления изобретения ротор может содержать два наружных элемента, направляющих поток, каждый из которых имеет меньшую осевую длину, чем осевая длина постоянных магнитов и/или аксиальных элементов, направляющих поток. В подобном варианте осуществления изобретения наружные элементы, направляющие поток, могут быть расположены проксимально относительно соответствующих аксиальных концов ротора, оставляя между ними кольцевой зазор. Следовательно, поскольку аксиальные элементы, направляющие поток, обеспечивают концентрацию аксиального потока в направлении аксиального положения наружных элементов, направляющих поток, то отсутствует необходимость в том, чтобы наружные элементы, направляющие поток, закрывали всю аксиальную протяженность постоянных магнитов. Следовательно, вес и/или момент инерции конструкции ротора могут быть уменьшены без существенного ухудшения магнитных свойств. В некоторых вариантах осуществления изобретения аксиальная протяженность и положение наружных элементов, направляющих поток, могут быть ограничены, чтобы они соответствовали аксиальной ширине активного воздушного зазора между ротором и статором. В некоторых вариантах осуществления изобретения этот зазор может быть, по меньшей мере, частично заполнен кольцевым опорным элементом, например, лентой, втулкой или трубкой, которая удерживает постоянные магниты и/или аксиальные элементы, направляющие поток, для противодействия центробежным силам. Кольцевой опорный элемент может быть выполнен из немагнитного материала, например, из алюминия, магниевого сплава, полимерного материала, композитного материала, волокнистого материала, такого как, например, стекловолокна, углеродные волокна и т.п., или из комбинаций вышеупомянутых материалов.
Согласно другому аспекту, здесь раскрыта вращающаяся электрическая машина, например, электрическая машина с модуляцией полюсов, причем упомянутая машина содержит статор и ротор, которые здесь описаны. Статором может являться статор с частично перекрывающими клювообразными полюсами статора или без них.
В некоторых вариантах осуществления изобретения статор содержит: первую секцию сердечника статора, являющуюся, по существу, кольцевой и включающую в себя множество зубцов, вторую секцию сердечника статора, являющуюся, по существу, кольцевой и включающую в себя множество зубцов, обмотку, расположенную между первой и второй кольцевыми секциями сердечника статора, причем первая секция сердечника статора, вторая секция сердечника статора, обмотка и ротор расположены вокруг общей геометрической оси, заданной продольной осью ротора, а множество зубцов первой секции сердечника статора и второй секции сердечника статора выполнены так, что выступают наружу в направлении к ротору; при этом, зубцы второй секции сердечника статора смещены по окружности относительно зубцов первой секции сердечника статора.
Различные аспекты настоящего изобретения могут быть реализованы различными способами, включая ротор и электрическую ротационную машину, которые описаны выше и ниже, и дополнительные устройства и изделия, каждое из которых дает одно или большее количество полезных эффектов и преимуществ, описанных применительно, по меньшей мере, к одному из описанных выше объектов изобретения, и каждое из которых имеет один или большее количество предпочтительных вариантов осуществления, которые соответствуют предпочтительным вариантам осуществления изобретения, описанным применительно, по меньшей мере, к одному из объектов описанных выше изобретения и/или раскрытым в зависимых пунктах формулы изобретения. Кроме того, понятно, что варианты осуществления изобретения, описанные применительно к одному из описанных здесь объектов изобретения, могут быть в равной мере быть применены к другим объектам изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Вышеописанные и/или дополнительные аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения будут более подробно объяснены в приведенном ниже иллюстративном и не ограничивающем подробном описании вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на приложенные чертежи, на которых изображено следующее:
На чертеже Фиг. 1a на виде в перспективе с пространственным разнесением деталей показана электрическая машина с модуляцией полюсов из предшествующего уровня техники.
На чертеже Фиг. 1b на виде в поперечном разрезе показана электрическая машина с модуляцией полюсов из предшествующего уровня техники.
На чертеже Фиг. 2 на схематичном виде показан пример статора для электрической машины с модуляцией полюсов.
На чертеже Фиг. 3 на схематичном виде показан другой пример статора для электрической машины с модуляцией полюсов.
На чертежах Фиг. 4 - Фиг. 6 показаны примеры ротора для электрической машины с модуляцией полюсов.
На чертежах Фиг. 7 - Фиг. 8 показан пример ротора для электрической машины с модуляцией полюсов и статора в различных положениях друг относительно друга.
На чертежах Фиг. 9 - Фиг. 11 показаны дополнительные примеры ротора для электрической машины с модуляцией полюсов.
На чертежах Фиг. 12a - Фиг. 12d на видах в поперечном разрезе в радиально-аксиальной плоскости показаны различные варианты осуществления ротора.
На чертежах Фиг. 13a - Фиг. 13b и Фиг. 14a - Фиг. 14b показаны дополнительные примеры ротора для электрической машины с модуляцией полюсов.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ
В приведенном ниже описании дана ссылка на сопроводительные чертежи, которые в качестве иллюстративного примера показывают то, как изобретение может быть реализовано на практике.
Это изобретение относится к электрической машине 100 с модуляцией полюсов, один из примеров которой показан на чертеже Фиг. 1a на схематичном виде в перспективе с пространственным разнесением деталей. Статор 10 электрической машины с модуляцией полюсов, по существу, характеризуется тем, что в нем используют одну центральную обмотку 20, которая создает магнитное поле во множестве зубцов 102, сформированных структурой магнитно-мягкого сердечника. В этом случае вокруг обмотки 20 сформирован сердечник статора, тогда как для других обычных конструкций электрических машин обмотка сформирована вокруг отдельной секции зубцового сердечника. Примеры топологии электрической машины с модуляцией полюсов иногда классифицируют, например, как машины с клювообразными полюсами, машины типа "Crow-feet", машины Ланделла (Lundell) или как TFM-машины. В частности, показанная электрическая машина 100 с модуляцией полюсов содержит две секции 14, 16 сердечника статора, каждая из которых включает в себя множество зубцов 102 и является, по существу, кольцевой, обмотка 20 расположена между первой и второй кольцевыми секциями сердечника статора, и ротор 30 включает в себя множество постоянных магнитов 22. Кроме того, секции 14, 16 сердечника статора, обмотка 20 и ротор 30 расположены вокруг общей геометрической оси 103, и множество зубцов двух секций 14, 16 сердечника статора расположено так, что выступают наружу к ротору 30 для формирования замкнутого контура магнитного потока. Машина, показанная на чертеже Фиг. 1, представляет собой машину радиального типа, поскольку зубцы статора выступают наружу в радиальном направлении к ротору, причем в этом случае статор расположен вокруг ротора. Однако, с тем же успехом статор может быть расположен внутри относительно ротора, конструкция такого типа также проиллюстрирована на некоторых из приведенных ниже чертежей. Представленный ниже объем изобретения не ограничен электрической машиной с модуляцией полюсов какого-либо определенного типа. Например, изобретение не ограничено однофазными машинами, но с тем же успехом может быть применено для многофазных машин.
Конструкция 30 активного ротора создана из четного количества сегментов 22, 24, причем половина из этого количества сегментов, также именуемых секциями 24 полюсов ротора, выполнена из магнитно-мягкого материала, а другая половина из этого количества сегментов выполнена из магнитно-твердого материала 22. Современный способ состоит в изготовлении этих сегментов в виде отдельных компонентов. Часто количество сегментов может быть довольно большим, обычно насчитывая порядка 10-50 отдельных секций. Постоянные магниты 22 расположены так, что направления намагничивания постоянных магнитов являются, по существу, тангенциальными, то есть, соответственно, северный полюс и южный полюс ориентированы, по существу, в направлении вдоль окружности. Кроме того, каждый второй постоянный магнит 22, отсчитывая вдоль окружности, расположен так, что его направление намагничивания ориентировано в противоположном направлении относительно других постоянных магнитов. Магнитные функциональные характеристики магнитно-мягких секций 24 полюсов в предпочтительной конструкции машины являются полностью трехмерными, и требуется, чтобы магнитно-мягкая секция 24 полюса была способна эффективно осуществлять перенос переменного магнитного потока с высокой магнитной проницаемостью во всех трех направлениях пространства.
На чертеже Фиг. 1b показана та же самая радиальная электрическая машина с модуляцией полюсов, что и на чертеже Фиг. 1, но на виде в поперечном разрезе машины в сборе, на котором более отчетливо показано то, как зубцы 102 статора выступают к ротору, и то, как зубцы статора из двух секций 14, 16 сердечника статора повернуты друг относительно друга.
На чертеже Фиг. 2 на схематичном виде показан пример статора для электрической машины с модуляцией полюсов. На чертеже Фиг. 3 на схематичном виде показан другой пример статора для электрической машины с модуляцией полюсов. Оба статора содержат две секции 14, 16 сердечника статора и обмотку 20, расположенную между секциями сердечника статора; и каждая из секций сердечника статора имеет множество зубцов 102, проходящих в радиальном направлении так, что зубцы статора из двух секций 14, 16 сердечника статора повернуты один относительно другого; причем все они описаны со ссылкой на чертеж Фиг. 1. Несмотря на то, что статор с Фиг. 2 является аналогичным статору, описанному со ссылкой на чертеж Фиг. 1, зубцы 102 статора с Фиг. 3 сформированы в виде клювообразных полюсов, то есть, они имеют секции 302 клювообразных полюсов, проходящие в осевом направлении. Секции 302 клювообразных полюсов проходят в осевом направлении из верхушек зубцов 102, выступающих в радиальном направлении, к обмотке и к соответствующей другой секции полюса статора. Клювообразные полюса частично проходят в осевом направлении по всей осевой длине статора.
Ниже будет приведено более подробное описание примеров роторов, которые могут быть использованы в качестве детали электрической машины с модуляцией полюсов, показанной на чертежах Фиг. 1a - Фиг. 1b, и/или в комбинации с одним из статоров, показанных на Фиг. 2 и Фиг. 3. Следует понимать, что роторы, описанные в этой заявке, могут использоваться вместе со статорами электрических машин с модуляцией полюсов иных типов, чем описанный выше статор.
На Фиг. 4 показан пример ротора для электрической машины с модуляцией полюсов. В частности, на Фиг. 4a ротор показан на виде в перспективе, тогда как на Фиг. 4b ротор и соответствующий статор электрической машины с модуляцией полюсов, например, статор, изображенный на Фиг. 2, показаны на виде в поперечном разрезе. Ротор с Фиг. 4 содержит трубчатый центральный опорный элемент 403, расположенный вокруг продольной оси 404 ротора. Трубчатый опорный элемент служит границей центрального отверстия 405, вмещающего вал или ось, приводимые в движение ротором. Трубчатая опорная конструкция 403 выполнена в виде пакета пластин из кольцевых стальных листов, которые уложены в аксиальном направлении, то есть, пакет пластин задает плоскости, параллельные радиальной/тангенциальной плоскости. Ротор дополнительно содержит четное количество постоянных магнитов 422, равномерно размещенных вокруг наружной периферийной поверхности трубчатого опорного элемента 403. Каждый постоянный магнит проходит в осевом направлении вдоль всей осевой длины трубчатой опорной конструкции. В этом примере постоянные магниты выполнены в виде относительно тонких пластин, имеющих прямоугольные противоположные поверхности. Внутренняя в радиальном направлении поверхность соединена, например, приклеена, механически прикреплена и т.п. к наружной поверхности трубчатого опорного элемента. Постоянные магниты намагничены в радиальном направлении ротора и создают магнитный поток, проходящий через постоянный магнит в радиальном направлении, то есть, через внутреннюю в радиальном направлении поверхность и через наружную в радиальном направлении поверхность, противоположную внутренней в радиальном направлении поверхности. Постоянные магниты расположены с чередующейся полярностью так, что постоянные магниты, соседние с каждым постоянным магнитом, если смотреть в направлении вдоль окружности, имеют иную ориентацию своего магнитного поля, чем постоянный магнит, для которого они являются соседними.
Ротор дополнительно содержит множество аксиальных элементов 401, направляющих поток, которые создают, по меньшей мере, аксиальный путь магнитного потока, каждый из которых расположен на наружной в радиальном направлении поверхности соответствующего одного из постоянных магнитов. Каждый аксиальный элемент, направляющий поток, сформирован в виде блока, представляющего собой пакет пластин из стальных листов. Стальные листы представляют собой прямоугольные листы, уложенные друг на друга в направлении вдоль окружности, образуя блок, имеющий, по существу, тот же самый аксиальный и тангенциальный размер, что и постоянные магниты, и задавая плоскости в аксиальном и, по существу, в радиальном направлениях.
Ротор дополнительно содержит множество наружных элементов 402a и 402b, направляющих поток, при этом, два наружных элемента 402a, 402b, направляющие поток, расположены на наружной в радиальном направлении поверхности каждого из аксиальных элементов 401, направляющих поток. Следовательно, аксиальные элементы, направляющие поток, и наружные элементы, направляющие поток, вместе образуют соответствующие выступающие в радиальном направлении зубцы ротора или полюса, где аксиальные элементы, направляющие поток, образуют тело зубцов, тогда как наружные элементы, направляющие поток, образуют вершины зубцов. Наружные элементы, направляющие поток, выполнены в виде блоков, представляющих собой пакеты пластин из стальных листов, уложенных друг на друга в аксиальном направлении. Эти листы обычно имеют трапецеидальную форму, но более длинная из параллельных сторон трапеции выполнена криволинейной. Листы расположены в плоскостях, перпендикулярных продольной оси ротора, то есть, они задают плоскости в тангенциальной/радиальной плоскости. Кроме того, листы в виде пакета пластин расположены так, что их криволинейные стороны обращены наружу в радиальном направлении, так что наружные элементы, направляющие поток, вместе задают кольцевую окружность. Наружные элементы, направляющие поток, имеют меньшую осевую длину, чем аксиальный размер ротора, и они расположены попарно на аксиальных элементах 401, направляющих поток, таким образом, что они разделены в аксиальном направлении центральным зазором 406.
Как проиллюстрировано на Фиг. 4b, когда наружные элементы, направляющие поток, собраны в качестве детали электрической вращающейся машины, они выровнены в осевом направлении с зубцами 14, 16 одной из секций сердечника статора. Когда наружные элементы, направляющие поток, выровнены относительно соответствующих зубцов по окружности, то ротор создает трехмерный путь магнитного потока, при этом, радиальный поток, проходящий через постоянные магниты 422, концентрируется в осевом направлении в аксиальных элементах 401, направляющих поток, и подается в радиальном направлении наружными элементами, направляющими поток, к активному воздушному зазору 409 и к соответствующему зубцу статора. Внутренний опорный элемент 403 создает радиальный и кольцевой путь магнитного потока для обеспечения возможности передачи магнитного потока от одного постоянного магнита к соседнему постоянному магниту. Ротор, показанный на Фиг. 4, пригоден для использования в электрической машине с модуляцией полюсов, содержащей статор, показанный на Фиг. 2, а именно, статор, имеющий зубцы без клювообразных полюсов (или, по меньшей мере, с относительно малыми клювообразными полюсами), то есть, зубцы, проходящие только лишь вдоль части аксиальной протяженности (однофазной секции) статора, например, менее чем на половину аксиальной протяженности статора.
Следовательно, различные ориентации структур в виде пакетов пластин во внутреннем опорном элементе 403, в аксиальных элементах 401, направляющих поток, и в наружных элементах 402a, 402b, направляющих поток, выбраны так, что обеспечивают поддержку трехмерного пути магнитного потока в роторе, в том числе, по меньшей мере, концентрации аксиального потока.
На чертеже Фиг. 5 показан другой пример ротора для электрической машины с модуляцией полюсов. В частности, на чертеже Фиг. 5a показан ротор на виде в перспективе, тогда как на чертеже Фиг. 5b ротор и соответствующий статор электрической машины с модуляцией полюсов, например, статор с клювообразными полюсами, изображенный на чертеже Фиг. 3, показаны на виде в поперечном разрезе. Ротор из чертежа Фиг. 5 является аналогичным ротору из чертежа Фиг. 4 и содержит трубчатый внутренний опорный элемент 503 в виде пакета пластин, множество намагниченных в радиальном направлении постоянных магнитов 522, расположенных с чередующейся полярностью по окружности внутреннего опорного элемента 503, аксиальные элементы 501, направляющие поток, в виде пакетов пластин, которые расположены снаружи каждого постоянного магнита в радиальном направлении, все из которых описаны со ссылкой на Фиг. 4.
Ротор с Фиг. 5 дополнительно содержит наружные элементы 502, направляющие поток, в виде пакетов пластин, которые являются аналогичными наружным элементам 402a, 402b, направляющим поток, из чертежа Фиг. 4, но проходящие в осевом направлении вдоль всей осевой длины ротора, или, по меньшей мере, существенной части осевой длины ротора. Следовательно, в примере с Фиг. 5 с каждым аксиальным элементом 501, направляющим поток, соединен только один наружный элемент, направляющий поток.
Таким образом, как проиллюстрировано на Фиг. 5b, ротор с Фиг. 5 является особенно пригодным в комбинации со статором с клювообразными полюсами, например, со статором, показанным на Фиг. 3.
На Фиг. 6 показан другой пример ротора для электрической машины с модуляцией полюсов. Ротор с Фиг. 6 является аналогичным ротору с Фиг. 5 в том, что он содержит трубчатый внутренний опорный элемент 603 в виде пакета пластин и множество намагниченных в радиальном направлении постоянных магнитов 622, расположенных с чередующейся полярностью вокруг окружности внутреннего опорного элемента 603, все из которых описаны со ссылкой на Фиг. 5.
Ротор с Фиг. 6 дополнительно содержит множество аксиальных элементов 601, направляющих поток, каждый из которых расположен на наружной в радиальном направлении поверхности соответствующего одного из постоянных магнитов 622. Каждый аксиальный элемент, направляющий поток, сформирован в виде блока из магнитно-мягкого материала, например, выполнен из магнитно-мягкого порошка с использованием подходящего способа порошковой металлургии. Таким образом, магнитно-мягкие аксиальные элементы 601, направляющие поток, способствуют прохождению магнитного потока во всех трех измерениях, поскольку магнитно-мягкий компонент не включает в себя слоистые плоскости, фактически ограничивающие путь магнитного потока двумя измерениями. Следовательно, магнитно-мягкий аксиальный элемент 601, направляющий поток, объединяет свойства направления потока, которые имеют аксиальный элемент 501, направляющий поток, и наружный элемент 502, направляющий поток с Фиг. 5 в одном компоненте.
Тем не менее, ротор с Фиг. 6 содержит наружный элемент 602, направляющий поток, сформированный в виде трубчатой конструкции или втулки, выполненный из кольцевых стальных листов, уложенных друг на друга в аксиальном направлении в виде пакета пластин. Вокруг аксиальных элементов 601, направляющих поток, расположен наружный элемент 602, направляющий поток, и он обеспечивает как эффективный радиальный путь магнитного потока, так и повышенную механическую устойчивость ротора, поскольку он уравновешивает центробежные силы, действующие на постоянные магниты и аксиальные элементы, направляющие поток, во время вращения ротора с высокой скоростью.
Кроме того, в примерах, показанных на Фиг. 4 и Фиг. 5, использование магнитно-мягкого компонента в качестве аксиального элемента 601, направляющего поток, позволяет уменьшить радиальную толщину аксиального элемента, направляющего поток, по сравнению с суммой радиальной толщины тела зубца и вершины зубца. Это позволяет использовать магниты, являющиеся более широкими по касательной, поскольку постоянные магниты могут быть размещены на большем диаметре с большим периметром, а диаметр воздушного зазора сохраняется постоянным. Это может обеспечивать возможность использования более дешевых магнитов (например, ферритов) с увеличенной толщиной и площадью поперечного сечения, для подачи эквивалентной напряженности магнитного поля.
Трубчатый наружный элемент 602, направляющий поток, снабжен пазами 612, продолжающимися в осевом направлении, которые расположены по окружности между соседними аксиальными элементами 601, направляющими поток, то есть, совмещенными в направлении по окружности с зазорами 611. Пазы 612 приводят к уменьшенной толщине трубчатой конструкции, приводя, таким образом, к увеличенному магнитному сопротивлению в направлении вдоль окружности, соответственно уменьшая утечку потока.
Крутящий момент электрической машины, например, электрической машины с модуляцией полюсов, связан с магнитным потоком, пересекающим воздушный зазор между компонентами ротора и статора. Путь магнитного потока всегда имеет непрерывный замкнутый контур.
В электрической машине с модуляцией полюсов магнитный поток индуцируется постоянными магнитами и электрическими токами в обмотках статора. В зависимости от относительного углового положения ротора и статора, можно провести различия между двумя типами крутящего момента: синхронным крутящим моментом и реактивным крутящим моментом.
На Фиг. 7 и Фиг. 8 проиллюстрированы пути магнитного потока в раскрытых здесь вариантах осуществления роторов с учетом, соответственно синхронного и реактивного крутящего момента. На чертежах Фиг. 7 и Фиг. 8 проиллюстрированы пути магнитного потока для ротора, показанного на чертеже Фиг. 4. Понятно, что в других описанных здесь примерах роторов создаются аналогичные пути магнитного потока.
На Фиг. 7 показан ротор с Фиг. 4 в комбинации со статором, показанным на Фиг. 2. В частности, как показано на Фиг. 7, в направлении по окружности ротор расположен так, что каждый второй наружный элемент 402a, 402b, направляющий поток, совмещен в направлении по окружности с соответствующим одним из зубцов статора. Остальные наружные элементы, направляющие поток, совмещены с соответствующими зазорами между зубцами статора. Следовательно, в положении, показанном на чертеже Фиг. 7, каждый постоянный магнит имеет путь магнитного потока, проходящий через один из соединенных с ним аксиальных элементов, направляющих поток, и через активный воздушный зазор 409 с одним зубцом 102 статора, который имеет статор. Путь магнитного потока в этом положении именуют путем магнитного потока, создающим синхронный крутящий момент. Пример пути магнитного потока, создающего синхронный крутящий момент, проиллюстрирован на чертеже Фиг. 7 как линии 707.
Путь 707 магнитного потока при синхронном крутящем моменте обычно проходит через постоянные магниты 422 ротора. Этот поток достигает максимума в так называемом положении d-оси, в котором зубцы статора и полюса ротора совмещены друг с другом в направлении по окружности. Это положение проиллюстрировано на Фиг. 7. Таким образом, источниками синхронного крутящего момента являются как магнитный поток от постоянного магнита, так и магнитный поток от обмотки.
На Фиг. 8 показан ротор с Фиг. 4 в комбинации со статором, показанным на чертеже Фиг. 2. В частности, на чертеже Фиг. 8 ротор расположен в направлении по окружности так, что каждый зубец 102 статора совмещен в направлении по окружности с зазором между двумя соседними наружными элементами 402a, 402b, направляющими поток, при этом, каждый зубец статора имеет общий воздушный зазор с соответствующими частями двух соседних наружных элементов 402a, 402b, направляющих поток. Путь магнитного потока в этом положении именуют путем магнитного потока, создающим реактивный крутящий момент. Пример пути магнитного потока, создающего реактивный крутящий момент, проиллюстрирован на чертеже Фиг. 8 как линии 807.
Путь 807 магнитного потока, создающего реактивный крутящий момент, обычно проходит только лишь через магнитно-мягкую стальную структуру ротора. Этот поток достигает максимума в так называемом положении q-оси, в котором все зубцы статора одновременно обращены к полюсам ротора, то есть, когда центр паза между двумя полюсами ротора расположен в середине зубца статора, что проиллюстрировано на Фиг. 8. Это создает короткий путь магнитного потока с низким магнитным сопротивлением, что может привести к дополнительному крутящему моменту машины. Источником реактивного момента является магнитный поток от обмотки 20 статора.
На Фиг. 9 показан еще один пример ротора для электрической машины с модуляцией полюсов. Ротор с Фиг. 9 является аналогичным ротору с Фиг. 5 в том, что, он содержит трубчатый внутренний опорный элемент 903 в виде пакета пластин, множество намагниченных в радиальном направлении постоянных магнитов 922, расположенных с чередующейся полярностью вокруг окружности внутреннего опорного элемента 903, аксиальные элементы 901, направляющие поток, в виде пакетов пластин, которые расположены снаружи каждого постоянного магнита 922 в радиальном направлении, все из которых описаны со ссылкой на Фиг. 5.
Ротор с Фиг. 9 дополнительно содержит наружные элементы 902, направляющие поток, в виде пакетов пластин, которые являются аналогичными наружным элементам 502, направляющим поток, с Фиг. 5. Однако, тогда как наружные элементы 502, направляющие поток, с Фиг. 5 отделены друг от друга по окружности соответствующими зазорами 511, наружные элементы 902, направляющие поток, соединены друг с другом удлиненными в осевом направлении перемычками 912 для формирования сплошной кольцевой конструкции вокруг аксиальных элементов 901, направляющих поток.
Кроме того, сплошная кольцевая конструкция соединена с внутренним опорным элементом 903 посредством удлиненных в радиальном направлении перекладин 923, проходящих вдоль зазоров между соседними аксиальными элементами, направляющими поток. Следовательно, внутренний опорный элемент 903, наружные элементы 902, направляющие поток, и перекладины 923 могут быть сформированы посредством единой конструкции в виде пакета пластин, сформированной из обычно кольцевых стальных листов, уложенных друг на друга в аксиальном направлении, каждый из которых имеет центральный вырез, обеспечивающий центральное отверстие для вала, и распределенные по окружности вырезы, вмещающие постоянные магниты и аксиальные элементы, направляющие поток. Следовательно, предложена чрезвычайно простая в изготовлении конструкция ротора, обеспечивающая эффективные пути магнитного потока и высокую механическую прочность даже при высоких скоростях вращения, в которой перекладины предотвращают деформацию сплошной кольцевой конструкции наружного элемента, направляющего поток.
В перемычке 912 предусмотрена кольцевая конструкция с уменьшенной толщиной для уменьшения утечки потока.
Даже при том, что вариант осуществления изобретения с Фиг. 9 показан со сплошными в осевом направлении наружными элементами, направляющими поток, которые являются аналогичными примеру с Фиг. 5, понятно, что вариант осуществления изобретения с Фиг. 9 может быть видоизменен для обеспечения наличия пары разнесенных друг относительно друга в осевом направлении наружных элементов, направляющих поток, для каждого постоянного магнита, аналогичного варианту осуществления изобретения с Фиг. 4. Для этого конструкция в виде пакета стальных пластин, образующих внутренний опорный элемент, наружные элементы, направляющие поток, и перекладины, может быть сформирована посредством стальных листов различных форм, где центральные листы создают только лишь внутренний кольцевой элемент, а периферийные в осевом направлении листы имеют форму, показанную на Фиг. 9.
На Фиг. 10 показан еще один пример ротора для электрической машины с модуляцией полюсов. Ротор с Фиг. 10 является аналогичным ротору с Фиг. 6 в том, что он содержит трубчатый внутренний опорный элемент 1003 в виде пакета пластин, множество намагниченных в радиальном направлении постоянных магнитов 1022, расположенных с чередующейся полярностью вокруг окружности внутреннего опорного элемента 1003, магнитно-мягкие аксиальные элементы 1001, направляющие поток, которые расположены снаружи каждого постоянного магнита 1022 в радиальном направлении, и наружный элемент 1002, направляющий поток, сформированный в виде трубчатой конструкции, выполненной из кольцевых стальных листов, уложенных друг на друга и образующих структуру в виде пакета пластин в аксиальном направлении, все из которых описаны со ссылкой на Фиг. 6.
Кроме того трубчатая конструкция 1002 соединена с внутренним опорным элементом 1003 посредством удлиненных в радиальном направлении перекладин 1023, которые проходят вдоль зазоров между соседними аксиальными элементами 1001, направляющими поток. Следовательно, внутренний опорный элемент 1003, наружный элемент 1002, направляющий поток, и перекладины 1023 могут быть сформированы в виде одной конструкции в виде пакета пластин, выполненной, как правило, из кольцевых стальных листов, уложенных друг на друга в аксиальном направлении, каждый из которых имеет центральный вырез, обеспечивающий центральное отверстие для вала, и распределенные по окружности вырезы, вмещающие постоянные магниты и аксиальные элементы, направляющие поток.
Следовательно, все роторы с Фиг. 4 - Фиг. 10 содержат постоянные магниты, намагниченные в радиальном направлении ротора, что проиллюстрировано пунктирными стрелками на чертежах Фиг. 4 - Фиг. 6, Фиг. 9 - Фиг. 10, и создающие магнитный поток, проходящий через постоянный магнит в радиальном направлении, то есть, через внутреннюю в радиальном направлении поверхность и наружную в радиальном направлении поверхность, противоположную внутренней в радиальном направлении поверхности. Постоянные магниты расположены с чередующейся полярностью так, что постоянные магниты, соседние с каждым постоянным магнитом, если смотреть вдоль окружности, имеют иную ориентацию своего магнитного поля, чем постоянный магнит, для которого они являются соседними.
На чертеже Фиг. 11 показан еще один пример ротора для электрической машины с модуляцией полюсов. Ротор из чертежа Фиг. 11 содержит трубчатый центральный опорный элемент 1103, расположенный вокруг продольной оси ротора. Трубчатый опорный элемент задает центральное отверстие, вмещающее вал или ось, приводимые в движение ротором. Обычно трубчатая опорная конструкция 1103 может быть выполнена из любого подходящего материала, например, из немагнитного материала, например, из алюминия, магниевого сплава, полимерного материала, композитного материала, волокнистого материала, такого как, например, стекловолокна, углеродные волокна и т.п., или из комбинаций вышеупомянутых материалов, поскольку опорная конструкция 1103 не является частью магнитной цепи ротора. Кроме того, ротор содержит четное количество постоянных магнитов 1122, размещенных вокруг наружной периферийной поверхности трубчатого опорного элемента 1103. Каждый постоянный магнит проходит в осевом направлении вдоль всей осевой длины трубчатой опорной конструкции. В примере с Фиг. 11 постоянные магниты выполнены в виде относительно тонких пластин, имеющих прямоугольные противоположные поверхности и боковые стенки. Внутренняя в радиальном направлении боковая стенка граничит и может быть соединена, например, приклеена или механически прикреплена иным образом к наружной поверхности трубчатого опорного элемента. Постоянные магниты намагничены в направлении вдоль окружности ротора и создают магнитный поток, проходящий через постоянный магнит в направлении по окружности/тангенциальном направлении, что проиллюстрировано на чертеже пунктирными стрелками, то есть, через прямоугольные поверхности. Постоянные магниты расположены с чередующейся полярностью так, что постоянные магниты, соседние с каждым постоянным магнитом, если смотреть в направлении вдоль окружности, имеют иную ориентацию своего магнитного поля, чем постоянный магнит, для которого они являются соседними. В примере из чертежа Фиг. 11, внутренний опорный элемент содержит удлиненные в осевом направлении ребра 1133, например, выступающие наружу в радиальном направлении выступы внутреннего опорного элемента, на котором расположены постоянные магниты. Эти ребра выдерживают скручивающие нагрузки. Магниты могут быть приклеены к этой конструкции, но поскольку опорой для магнитов и для аксиальных элементов, направляющих поток, в радиальном направлении, служит большое кольцо в виде пакета пластин, то может отсутствовать необходимость в дополнительной фиксации магнитов. В направлении вдоль окружности каждый постоянный магнит расположен между двумя аксиальными элементами 1101a, 1101b, направляющими поток. Каждый аксиальный элемент, направляющий поток, выполнен в виде блока, представляющего собой пакет пластин из стальных листов. Эти стальные листы представляют собой прямоугольные листы, уложенные друг на друга, образуя блок, имеющий, по существу, тот же самый аксиальный и радиальный размер, что и постоянные магниты, и задавая плоскости в аксиальном направлении и в направлении по окружности (в направлении по окружности в месте расположения постоянного магнита). Следовательно, аксиальные элементы 1101a, 1101b, направляющие поток, обеспечивают аксиальный и кольцевой путь магнитного потока для магнитного потока, выходящего из постоянных магнитов/входящего в постоянные магниты, в направлении вдоль окружности.
Ротор дополнительно содержит наружный элемент 1102, направляющий поток, выполненный в виде трубчатой конструкции, включающей в себя элементы-перекладины 1123, проходящие внутрь в радиальном направлении из трубчатой опорной конструкции и разделяющие соседние наборы постоянных магнитов и аксиальных элементов, направляющих поток. Наружный элемент, направляющий поток, и элементы-перекладины выполнены из кольцевых стальных листов, уложенных друг на друга и образующих структуру в виде пакета пластин в аксиальном направлении. Вокруг аксиальных элементов 1101a, 1101b, направляющих поток, и постоянных магнитов расположен наружный элемент 1102, направляющий поток, и он обеспечивает как эффективный радиальный и кольцевой путь магнитного потока, так как повышенную механическую устойчивость ротора, поскольку он уравновешивает центробежные силы, действующие на постоянные магниты и аксиальные элементы, направляющие поток, во время вращения ротора с высокой скоростью. Ребра 1133 имеют клинообразное поперечной сечение с узким основанием и более широкой наружной в радиальном направлении частью. Перекладины 1123 имеют соответственно более широкий внутренний в радиальном направлении конец, позволяя, таким образом, перекладинам входить в зацепление с ребрами и удерживаться ими. В альтернативном варианте или в дополнение к этому перекладины могут быть соединены с внутренним опорным элементом 1103 иным способом.
В различных описанных здесь вариантах осуществления изобретения аксиальные элементы, направляющие поток, могут быть закреплены на аксиальных концах сердечника ротора для противодействия центробежным силам, например, посредством торцевых пластин, как проиллюстрировано на Фиг. 12a - Фиг. 12d.
На Фиг. 12a - Фиг. 12d на видах в поперечном разрезе в радиально-аксиальной плоскости показаны различные варианты осуществления ротора.
На Фиг. 12a на виде в поперечном разрезе в радиально-аксиальной плоскости показан ротор с Фиг. 5, содержащий трубчатый внутренний опорный элемент 1203 в виде пакета пластин, множество намагниченных в радиальном направлении постоянных магнитов 1222, расположенных с чередующейся полярностью вокруг окружности внутреннего опорного элемента 1203, аксиальные элементы 1201, направляющие поток, в виде пакетов пластин, которые расположены снаружи каждого постоянного магнита в радиальном направлении, и наружные элементы 1202, направляющие поток, в виде пакетов пластин, все из которых описаны со ссылкой на чертеж Фиг. 5. Кроме того, на Фиг. 12a проиллюстрирован центральный вал 1244, на который может быть установлен ротор.
На Фиг. 12b на виде в поперечном разрезе в радиально-аксиальной плоскости показан ротор, аналогичный ротору с Фиг. 12a, но в котором аксиальный элемент 1201, направляющий поток, проходит в осевом направлении за пределы постоянных магнитов 1222 и наружного элемента 1202, направляющего поток. Ротор содержит торцевые пластины 1245, между которыми расположены постоянные магниты 1222 и наружный элемент 1202, направляющий поток, в аксиальном направлении. Аксиальный элемент 1201, направляющий поток, выступает в осевом направлении через соответствующие отверстия в торцевых пластинах 1245. Торцевые пластины могут быть выполнены из немагнитного материала, например, из алюминия, магниевого сплава, полимерного материала, композитного материала, волокнистого материала, такого как, например, стекловолокна, углеродные волокна и т.п., или из комбинаций вышеупомянутых материалов. Торцевые пластины служат механической опорой для конструкции ротора при высоких скоростях и нагрузках.
На Фиг. 12c на виде в поперечном разрезе в радиально-аксиальной плоскости показан ротор, аналогичный ротору с Фиг. 12b, но в котором аксиальный элемент 1201, направляющий поток, имеет узкий участок 1201a, имеющий ту же самую осевую длину, что и наружный элемент, направляющий поток, и удлиненный участок 1201b, который выступает в осевом направлении через соответствующие отверстия в торцевых пластинах 1245. В примере с Фиг. 12c узкий участок расположен снаружи в радиальном направлении, а удлиненный участок расположен внутри в радиальном направлении. В примере с Фиг. 12c торцевые пластины 1245 имеют форму кольцевых пластин, которые закрывают в радиальном направлении наружный элемент, направляющий поток, и узкий участок аксиального элемента, направляющего поток. Торцевые пластины и частично выступающие в осевом направлении аксиальные элементы, направляющие поток, служат механической опорой для конструкции ротора при высоких скоростях и нагрузках.
На Фиг. 12d на виде в поперечном разрезе в радиально-аксиальной плоскости показан ротор, аналогичный ротору с Фиг. 12c, но в котором дополнительной опорой для наружного элемента 1202, направляющего поток, служит выступающий в осевом направлении штырь 1246. Штырь 1246 проходит через соответствующие отверстия в пластинах наружного элемента, направляющего поток, который выполнен в виде пакета пластин, и соответствующие отверстия в торцевых пластинах 1245. Следовательно, опорой для штыря служат немагнитные торцевые пластины.
Понятно следующее: даже несмотря на то, что аксиальная фиксация элементов, направляющих поток, была проиллюстрирована со ссылкой на ротор с Фиг. 5, фиксация элементов, направляющих поток, из других описанных здесь вариантов осуществления ротора может быть осуществлена таким же самым образом.
Например, когда к ротору с Фиг. 9 добавлены немагнитные торцевые пластины, то нагрузка на перемычки 923 уменьшена, поскольку в этом случае перемычки 923 должны служить опорой только для пакетов 924 пластин.
На чертежах Фиг. 13a и Фиг. 13b показан еще один пример ротора для электрической машины с модуляцией полюсов. Ротор с Фиг. 13a - Фиг. 13b является аналогичным ротору с Фиг. 11, и, следовательно, его подробное описание не будет приведено повторно. Ротор с Фиг. 13a - Фиг. 13b отличается от ротора, показанного на Фиг. 11, тем, что ротор с Фиг. 13a - Фиг. 13b содержит два наружных элемента 1102a и 1102b, направляющих поток, которые расположены проксимально относительно соответствующих аксиальных концов ротора, оставляя, таким образом, кольцевой зазор 1331 между ними. Каждый из этих двух элементов, направляющих поток, выполнен в виде трубчатой конструкции, включающей в себя элементы-перекладины 1123, продолжающиеся внутрь в радиальном направлении из трубчатой конструкции и отделяющие соседние наборы постоянных магнитов и аксиальных элементов, направляющих поток, друг от друга. Наружные элементы, направляющие поток, и элементы-перекладины выполнены из кольцевых стальных листов, уложенных друг на друга и образующих пакет пластин в аксиальном направлении. Каждый из наружных элементов 1102a - 1102b, направляющих поток, расположен вокруг аксиальных элементов 1101a, 1101b, направляющих поток, и постоянных магнитов 1122, и обеспечивает как эффективный радиальный и кольцевой путь магнитного потока, так и повышенную механическую устойчивость ротора, поскольку он уравновешивает центробежные силы, действующие на постоянные магниты и аксиальные элементы, направляющие поток, во время вращения ротора с высокой скоростью. Аксиальная ширина каждого наружного элемента, направляющего поток, может быть выбрана так, чтобы совпадать с аксиальной шириной активного воздушного зазора, сформированного посредством статора.
На Фиг. 14a и Фиг. 14b показан другой пример ротора для электрической машины с модуляцией полюсов. Ротор с Фиг. 14a - Фиг. 14b является аналогичным ротору с Фиг. 13a - Фиг. 13b, и, следовательно, его подробное описание не будет приведено еще раз. В частности, ротор с Фиг. 14a - Фиг. 14b также содержит два наружных элемента 1102a и 1102b, направляющих поток, которые расположены проксимально относительно соответствующих аксиальных концов ротора, оставляя, таким образом, кольцевой зазор между ними. В примере с Фиг. 14a - Фиг. 14b в зазоре между наружными элементами, направляющими поток, расположена кольцевая втулка 1431. Втулка 1431 удерживает постоянные магниты и/или аксиальные элементы, направляющие поток, противодействуя центробежным силам. Втулка 1431 может быть выполнена из немагнитного материала, например, из алюминия, магниевого сплава, полимерного материала, композитного материала, волокнистого материала, такого как, например, стекловолокна, углеродные волокна и т.п., или из комбинаций вышеупомянутых материалов. Следовательно, втулка повышает механическую устойчивость ротора, не оказывая отрицательного влияния на магнитный поток.
Несмотря на то, что выше было приведено подробное описание некоторых вариантов осуществления изобретения, и они были подробно продемонстрированы, изобретение не ограничено ими, но может также быть осуществлено иными способами, не выходя за пределы предмета изобретения, определенного в приведенной ниже формуле изобретения. В частности, следует понимать, что могут быть использованы другие варианты осуществления изобретения, и что могут быть произведены конструктивные и функциональные видоизменения, не выходя за пределы объема настоящего изобретения.
Раскрытые здесь варианты осуществления изобретения могут быть использованы для электродвигателя прямого привода колес для электрического велосипеда или иного транспортного средства с электрическим приводом, в частности, для легкого транспортного средства. Такие области применения могут накладывать требования на высокий крутящий момент, относительно низкую скорость и низкую цену. Эти требования могут быть выполнены за счет электродвигателя с относительно высоким количеством полюсов в компактной геометрической конфигурации, в котором используют постоянные магниты и проводные обмотки небольшого объема для соответствия и для удовлетворения требованиям по стоимости за счет усовершенствованной процедуры сборки ротора.
В пунктах формулы изобретения, относящихся к устройству, в которых перечислено несколько средств, некоторые из этих средств могут быть реализованы посредством одного и того же аппаратного элемента. Сам факт того, что определенные меры изложены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения или описаны в различных вариантах осуществления изобретения, не означает, что комбинация этих мер не может полезно использоваться.
Следует подчеркнуть, что используемый в этом описании термин "содержит/содержащий" применен для указания наличия изложенных признаков, элементов, представляющих собой единое целое, операций или компонентов, но не препятствует наличию или добавлению одного или большего количества других признаков, элементов, представляющих собой единое целое, операций, компонентов или их групп.