Электрическая машина-конструкция с формованием поверх

Электрическая машина-конструкция с формованием поверх

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Изобретение относится к электрической машине с постоянным магнитом, содержащей статор и ротор, выполненный с возможностью вращения в статоре, и способу конструирования такой машины. Статор снабжен катушками, намотанными на стержнях статора, и ротор снабжен постоянными магнитами, взаимодействующими с катушками через воздушный зазор между ротором и статором. Машина может быть либо двигателем, либо генератором и представляет собой во многих вариантах реализации машину с осевым магнитным потоком. В частности, настоящее изобретение относится к машине без ярма и с сегментированным якорем, далее называемой как "Y машина", и к способу конструирования такой машины.

Предшествующий уровень техники

Авторы Woolmer и McCulloch [1] описывают топологию Y машины, обсуждая ее преимущества из-за уменьшенного количества железа в статоре, позволяющего улучшить плотность вращающего момента. Она содержит, последовательные катушки, намотанные вокруг стержней, разнесенных по окружности вокруг статора, в идеальном случае расположенного по оси, (то есть параллельно оси вращения ротора). Ротор имеет две секции, содержащие диски, снабженные постоянными магнитами, которые обращены к обоим концам каждой катушки статора. Линии магнитной индукции в любой рабочей секции проходят следующим образом: через первую катушку в первый магнит на первой секции ротора; через ярмо ротора на смежный второй магнит на первой секции; через вторую катушку статора, смежную с первой катушкой; в первый магнит на второй секции ротора, выровненный со вторым магнитом на первой секции; через ярмо второй секции на второй магнит на второй секции, выровненный с первым магнитом на первой секции; и завершается цепь через первую катушку.

Одна из трудностей с электрическими машинами обычно заключается в необходимости обеспечения адекватного охлаждения. Это представляет собой специфическую проблему для Y машины с большой плотностью вращающего момента, заключающуюся в том, при больших вращательных моментах в катушках образуется значительное тепло, и часто это представляет собой ограничивающий фактор для используемых вращательных моментов, по меньшей мере, для длительных промежутков времени.

Магнитная связь между катушками и постоянными магнитами зависит от напряженности магнитного поля, создаваемого катушками, или магнитами, в случае генератора, или самими катушками, в случае двигателя, и проницаемость магнитной цепи должна быть настолько малой, насколько это возможно, чтобы обеспечить максимальную плотность магнитного потока через катушки. С этой целью предоставляются сердечник, или стержень, с большой магнитной проницаемостью, вокруг которого наматываются катушки. Однако, стержень предпочтительно является многослойным, или скомпонованным иначе, чтобы уменьшить действие вихревых токов в стержне. Кроме того, стержни предпочтительно снабжаются полюсными наконечниками, чтобы рассеять магнитный поток в воздушном зазоре и уменьшить в нем плотность магнитного потока - воздушный зазор имеет высокое магнитное сопротивление, и увеличение его площади уменьшает это магнитное сопротивление, и это означает, что может быть израсходовано меньше материала для постоянного магнита. Желательно уменьшить расход такого материала до минимума.

WO-A-2006/066740 раскрывает Y машину, содержащую корпус, имеющий цилиндрический стакан для внутреннего монтажа катушек статора, причем этот стакан полый, благодаря чему циркулирует охлаждающая среда. Однако катушки помещены в теплопроводящий материал, передающий тепло корпусу статора. Ротор выполнен с возможностью вращаться в корпусе. Стержни статора выполняются многослойными, как и в GB-A-2379093, который также раскрывает Y машину, как и WO-A-03/094327.

US-A-6720688 раскрывает Y машину, в которой ротор действует как лопастной насос для циркуляции текучей среды в пределах камеры, определенной корпусом статора, через который проходит вал ротора, поддерживаемый на подшипниках в корпусе и несущий на себе ротор. Текучая среда охлаждает катушки статора. US-A-2005/0035676 раскрывает другую Y машину, в частности, выполненную с возможностью приведения в действие колеса транспортного средства без зубчатой передачи.

US-A-2007/0046124 раскрывает Y машину, в которой ротор имеет выстроенные по окружности ряды чередующихся сегментов постоянных магнитов и ферромагнитных полюсных наконечников.

Находящиеся в процессе одновременного рассмотрения международные патентные заявки с номерами публикации WO-A-2010/092400 ("A1"), WO-A-2010/092403 ("A2") и WO-A-2010/092402 ("A3"), раскрывают соответственно различные объекты охлаждения, управления потоком, и модульную компоновку Y машин. Все содержание каждой заявки включено здесь посредством ссылки.

A1 раскрывает электрическую машину, содержащую ротор, имеющий постоянные магниты, и статор, имеющий катушки, намотанные на стержни статора для взаимодействия с магнитами через воздушный зазор, определенный между ними, причем стержни и катушки на них покрыты корпусом статора, который проходит вдоль воздушного зазора и определяет камеру, содержащую охлаждающую среду для охлаждения катушек.

Корпус статора может содержать две кольцевых пластины и две цилиндрических стенки, кольцевые пластины, включающие в себя углубления для расположения стержней в пределах камеры. Предпочтительно, материал корпуса статора немагнитный и непроводящий. Однако, в случае отдельных кольцевых пластин и цилиндрических стенок, упомянутые цилиндрические стенки предпочтительно выполняются из алюминия, и упомянутые кольцевые пластины предпочтительно выполняются из пластического материала. Альтернативно, упомянутые кольцевые пластины могут быть интегрированными с упомянутыми цилиндрическими стенками, причем цилиндрические стенки в этом случае расщеплены по окружности и соединены вместе по внутренним и внешним периферическим швам. Расщепление может быть центральным, определяющим два сегмента. Сегменты могут быть по существу идентичными, могут быть "зеркальными" отображениями так, чтобы они подгонялись один к другому, облегчая выполнение сварного шва у соединений с расщеплениями. Сегменты могут быть выполнены из пластика.

Кольцевые пластины могут утончаться на концах стержня для минимизации зазора между стержнями и магнитами на роторе. Цилиндрические стенки могут быть внутренней и внешней стенкой, причем упомянутая внешняя стенка имеет средство для монтажа машины и упомянутая внутренние стенки содержат средство для установки подшипников для ротора.

В A2 электрическая машина с аксиальным магнитным потоком содержит ротор, имеющий постоянные магниты, разнесенные по окружности на первой и второй секциях ротора, и статор, расположенный между упомянутыми секциями и имеющий катушки, намотанные на стержнях статора для магнитного взаимодействия с магнитами через воздушный зазор, определенный между ротором и статором, причем стержни имеют полюсные наконечники на каждом конце каждого стержня, которые соединяют магнитный поток через стержни с упомянутыми магнитами на каждой секции и, причем статор представляет собой отливку, по меньшей мере, двух кольцевых компонентов, каждый содержит кольцо соединенных полюсных наконечников и одно, содержащее некоторые или все стержни, или их части, и другое содержащее любые оставшиеся стержни, или их части, причем упомянутые катушки помещаются на стержни прежде, чем кольцевые компоненты будут соединены вместе для завершения конструкции упомянутого статора. Кольцевые компоненты могут быть идентичными, и каждый может содержать половину каждого стержня, и может быть предоставлен с сопряжениями, выполненными с возможностью облегчения соединения.

Также, в A2 раскрыта и описана электрическая машина, содержащая ротор, имеющий постоянные магниты и статор, имеющий катушки, намотанные на стержнях статора для взаимодействия с магнитами через воздушный зазор, определенный между ними, причем стержни имеют полюсные наконечники, которые замыкают магнитный поток через стержни с упомянутыми магнитами, и, причем стержни и полюсные наконечники сформированы отдельно друг от друга и, по меньшей мере, часть каждого сформирована отливкой частиц мягкого железа так, чтобы частицы с малым размером размещались поперек плоскости магнитного сопротивления, и стержни и полюсные наконечники были собраны так, чтобы упомянутая плоскость магнитного сопротивления стержня была параллельна продольной оси стержня, и плоскость магнитного сопротивления полюсного наконечника была бы поперек упомянутой продольной оси.

Ориентация по малому размеру частиц поперек плоскостей магнитного сопротивления приводит к тому, что каждая плоскость магнитного сопротивления имеет минимальное магнитное сопротивление. Частицы, по меньшей мере, стержней, могут иметь один продольный размер, и частицы также могут быть выровнены так, чтобы их продольный размер был параллелен направлению магнитного сопротивления в плоскости магнитного сопротивления, причем направление магнитного сопротивления стержней параллельно продольной оси стержня. Если частицы полюсных наконечников имеют один продольный размер, то предпочтительно направление магнитного сопротивления является радиальным относительно продольной оси, когда стержни и полюсные наконечники собраны вместе.

В A3, секции ротора, каждая, может содержать кольцевую чашу, внешние обода которой поддерживают упомянутые постоянные магниты, и внутренние обода которой соединены вместе, покрывая упомянутые подшипники. Секции ротора имеют форму чаши для увеличения их жесткости в радиальной плоскости (то есть плоскости, перпендикулярной к оси вращения ротора, и также предпочтительно - перпендикулярно к стержням статора). Каждый внутренний обод может содержать цилиндрический фланец с поверхностями раздела для взаимного внутреннего сопряжения. Между цилиндрическими фланцами может быть предоставлен разделитель для регулировки предварительной нагрузки на подшипнике. Цилиндрические фланцы могут включать в себя выступы, выполненные параллельно оси ротора, для приема крепежных элементов, стягивающих между собой секции ротора.

Настоящее изобретение относится к объектам сегментного корпуса для катушек статора, в соответствии с которыми производство машины облегчается.

US-A-2006/0043821 раскрывает формование поверх компонентов машины. Это осуществляется на двух этапах. Прежде всего, стержни статора сформованы поверх с имеющим форму бобины стаканом с фланцами, на которых затем наматываются катушки, которые временно собираются с использованием кольца расположения или последовательности соединителей. Собранные стержни и катушки вставляются в пресс-форму, после чего весь статор формуется как кольцевая пластина инжекционным формованием. Подобная компоновка раскрыта в WO-A-01/06623.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с настоящим изобретением предоставляется электрическая машина, содержащая ротор, имеющий постоянные магниты, и статор, имеющий катушки, намотанные на стержнях статора для взаимодействия с магнитами через воздушный зазор, определенный между ними, причем ротор, выполненный с возможностью вращения относительно статора вокруг оси вращения, причем стержни и катушки на них покрыты кольцевым корпусом статора, и причем корпус статора содержит два сопрягающихся сегмента, которые фиксируют стержни статора и катушки в машине, каждый стержень статора, имеет полюсные наконечники на каждом конце и каждый сегмент, имеет части цилиндрических стенок на внутреннем и внешнем радиусах, и радиальную стенку, соединяющую части внутренней и внешней цилиндрических стенок, посредством чего два сегмента сопрягаются между противостоящими торцами упомянутых частей внутренней и внешней цилиндрических стенок, формируя упомянутый корпус статора, и в котором сегменты определяют между собой камеру, через которую охлаждающая среда циркулирует вокруг катушек для их охлаждения,

отличающаяся тем, что

каждый стержень формуется, по меньшей мере, из двух частей стержня, соединяемых между собой при поперечном расщеплении по сечению стержня, и тем, что

каждый сегмент инжекционно формуется из усиленных пластиков, будучи сформованным поверх наконечников одной части стержня статора, чтобы удерживаться и располагаться в радиальной стенке части стержня, посредством чего полюсные наконечники формируют часть упомянутой радиальной стенки.

Предпочтительные и дополнительные признаки определены в зависимых пунктах 2-35 формулы.

В соответствии с настоящим изобретением предоставляется также способ конструирования машины, как определено выше, содержащий этапы:

a) сборки стержневых частей стержней статора в пресс-форме сегмента, снабженной для этого свободным пространством,

b) закрытия пресс-формы и инжекции расплавленного усиленного пластического материала в пресс-форму,

c) затвердевания пластического материала и открытия пресс-формы для высвобождения сформированного таким образом сегмента, и

d) сборки статора посредством соединения вместе двух концентрических торцевых поверхностей двух сегментов и, одновременно, присоединения упомянутых частей стержня при расщеплении, причем

пресс-форма, тем самым, служит оправой для помещения стержней статора в машину.

В более широком смысле, изобретение предоставляет способ конструирования электрической машины, содержащей ротор, имеющий постоянные магниты, и статор, имеющий катушки, намотанные на стержнях статора для взаимодействия с магнитами через воздушный зазор, определенный между ними, причем стержни и катушки на них покрыты кольцевым корпусом статора, способ, содержащий этапы, на которых:

a) предоставляют первую пресс-форму;

b) размещают первые полюсные наконечники стержней статора в первую пресс-форму;

c) закрывают первую пресс-форму и инжектируют расплавленный усиленный пластический материал в первую пресс-форму;

d) открывают первую пресс-форму после охлаждения и извлекают первый сегмент, причем первые полюсные наконечники остаются в сформованном пластическом материале первого сегмента;

e) предоставляют вторую пресс-форму;

f) размещают вторые полюсные наконечники стержней статора во вторую пресс-форму;

g) закрывают вторую пресс-форму и инжектируют расплавленный усиленный пластический материал во вторую пресс-форму;

h) открывают вторую пресс-форму после охлаждения и извлекают второй сегмент, в котором вторые полюсные наконечники остаются в сформованном пластическом материале второго сегмента;

i) причем первый и второй сегменты, каждый, сформованы частями цилиндрических стенок на внутреннем и внешнем радиусе, и радиальной стенкой, соединяющей внутреннюю и внешнюю части цилиндрических стенок;

j) устанавливают катушки статора на стержнях статора;

k) соединяют между собой противостоящие края внутренней и внешней частей цилиндрических стенок первого и второго корпусов сегментов, чтобы сформировать корпус статора, посредством чего соответствующие первый и второй полюсные наконечники статора каждого из корпусов сегментов сопрягаются вместе, крепят катушки статора между ними; и

l) собирают корпус статора с ротором.

Дополнительные или предпочтительные признаки способов приводятся в зависимых пунктах. 37-44 и 46-56 формулы изобретения.

Следует понимать, что соединительное сопряжение противостоящих краев внутренней и внешней частей цилиндрических стенок и сопряжение сегментов включают в себя сопряжение посредством другого элемента. Это включено в пункты. 16-20 формулы, пункты. 40-42 формулы и пункты. 48-50.

Однако, конкретно, электрическая машина может содержать ротор, имеющий постоянные магниты, и статор, имеющий катушки, намотанные на стержнях статора, для взаимодействия с магнитами через воздушный зазор, определенный между ними, ротор, выполненный с возможностью вращения относительно статора вокруг оси вращения, причем стержни и катушки на них покрыты кольцевым корпусом статора, и причем корпус статора заключает в себе стержни статора и катушки в машине, корпус статора имеет части цилиндрических стенок на внутреннем и внешнем радиусе, и радиальную стенку, соединяющую внутреннюю и внешнюю части цилиндрических стенок, определяющих кольцевую камеру, через которую охлаждающая среда может циркулировать вокруг катушек для их охлаждения,

отличающаяся тем, что

каждый стержень формируется, по меньшей мере, из двух частей стрежня, соединяемых между собой при поперечном расщеплении по сечению стержня, и тем, что

каждая радиальная стенка является инжекционно сформованной из усиленных пластиков, сформованных поверх полюсных наконечников одной части стержня для стержней статора, чтобы удерживаться и располагаться в радиальной стенке части стержней, посредством чего полюсные наконечники формируют часть радиальной стенки.

Внешняя часть цилиндрической стенки может быть алюминиевой, формируя корпус машины, и внутренняя часть цилиндрической стенки может быть стальной, формируя монтажное кольцо для подшипника, который задает ось ротора в статоре.

Каждая радиальная стенка может проходить через воздушный зазор и утончаться, причем полюсные наконечники каждого стержня удерживаются для минимизации зазора между стержнями и магнитами на роторе.

Посредством формования поверх полюсных наконечников статора в сегменте, их положение в машине может быть зафиксировано, причем пресс-форма служит оправой для поддержания полюсных наконечников статора в правильном положении один относительно другого, и сегмент служит для их наложения во время сборки. Кроме того, полюсные наконечники статора, сформованные в сегментах, которые в конечном счете соединяются вместе для формирования статора, обеспечивают жесткую конструкцию статора, позволяя минимизировать воздушный зазор между наконечниками статора и магнитами ротора, в соответствии с чем эффективность машины увеличивается.

В соответствии с другими объектами настоящего изобретения, предоставляются электрические машины, которые включают в себя некоторые, или все, предшествующие объекты (где они не являются взаимоисключающими), причем такие комбинации очевидны для специалистов в данной области техники. Принимая во внимание то, что нижеследующее описание конкретных вариантов реализации может включать в себя, или исключать, различные упомянутые выше объекты, это не следует рассматривать как нечто существенное.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Варианты реализации изобретения дополнительно описаны ниже в связи с сопровождающими чертежами, на которых:

Фиг.1 изображает схематический вид сбоку машины с сегментированным якорем без ярма, к которой настоящее изобретение относится в первую очередь (но не исключительно);

Фиг.2 - перспективный вид компоновки машины на Фиг.1;

Фиг.3 - перспективное покомпонентное изображение корпуса статора и статора машины в соответствии с объектом настоящего изобретения;

Фиг.4a, b, c и d - соответственно, покомпонентный вид в перспективе стержня статора и полюсных наконечников варианта реализации электрической машины, вид с торца другого варианта реализации стержня, вид с торца дополнительного варианта реализации стержня, и вид в перспективе составного стержня статора и образованные линии магнитного потока;

Фиг.5a, b и c - соответственно, вид в плане одного варианта реализации машины в соответствии с объектом настоящего изобретения; сечение по линии А-А на Фиг.5a, и перспективный покомпонентный вид той же самой машины;

Фиг.6a и b - соответственно, детализированный вид среза корпуса статора машины на Фиг.5a-c, рассматриваемый в направлении Стрелки X на Фиг.5c, и сечение по линии AA-AA на Фиг.6a;

Фиг.7a и b, 8a и b, 9a и b, и 10a и b - каждый, соответственно, покомпонентный вид в перспективе и детализированное боковое сечение трех компоновок статорных сборок в соответствии с различными вариантами реализации настоящего изобретения; и

Фиг.11а - раскрывает детализированное боковое сечение через двигатель в соответствии с изобретением, изображающее расположение электрических соединений;

Фиг.11b - вариант проводных соединений;

Фиг.12 a и b - соответственно, покомпонентный вид двигателя также в соответствии с дополнительным вариантом реализации настоящего изобретения, и его боковое сечение.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ

Машина 10 с сегментированным якорем без ярма схематически изображена на Фиг.1. Машина 10 содержит статор 12 и два ротора 14a, b. Статор 12 представляет собой набор отдельных стержней 16 статора, разнесенных по окружности вокруг оси 20 вращения роторов 14a, b. Каждый стержень 16 имеет свою собственную ось 16a, которая расположена параллельно оси 20 вращения. Однако это не является безусловно необходимым. В машине с осевым магнитным потоком, ось 16a действительно параллельна оси 20 вращения. Однако она может быть расположена под любым углом к оси вращения, даже радиально относительно оси 20 вращения. Нижеследующее рассмотрение относится к машине с осевым магнитным потоком, но это не следует понимать как ограничение в любом смысле, и там, где позволяют обстоятельства, изобретение одинаково применимо к случаям других наклонов стержней 16 статора.

Каждый конец каждого стержня статора снабжен полюсным наконечником 18a,b, который служит для физического ограничения катушечного пакета 22, причем этот пакет 22 предпочтительно имеет квадратное сечение изолированного провода (или возможно прямоугольного сечения) так, чтобы можно было достичь большого коэффициента заполнения. Катушки 22 соединены с электрической схемой (не изображена) для (в случае двигателя) питания катушек таким образом, чтобы полюса образующихся магнитных полей, создаваемых текущим в катушках током, были бы противоположными в смежных катушках 22 статора.

Два ротора 14a,b несут постоянные магниты 24a,b, которые обращены один к другому с катушкой 22 статора между ними. Действительно, в машине с осевым магнитным потоком, роторы и их магниты располагаются радиально, но когда стержни статора наклонены, то и они наклоняются аналогично. Два воздушных зазора 26a,b расположены между соответствующим полюсным наконечником и магнитными парами 18a/24a, 18b/24b. Имеется четное число катушек и магнитов, расположенных вокруг оси 20 вращения и, предпочтительно, имеется другое число катушек и магнитов, такое, чтобы не все катушки совмещались с соответствующей магнитной парой в одно и то же время и в том же самом вращательном положении ротора относительно статора. Это служит для уменьшения пульсаций вращательного момента.

В двигателе (к которому, прежде всего, относится настоящее изобретение) вышеупомянутая электрическая схема для питания катушек 22 скомпонована так, чтобы смена их полярности обеспечивала ориентацию катушек по различным магнитным парам в разные моменты времени, приводя к вращающему моменту, приложенному между ротором и статором. Роторы 14a,b обычно соединяются вместе (например, посредством вала, не изображен) и вращаются вместе вокруг оси 20 относительно статора 12, который обычно фиксируется (например, в корпусе, не изображен). Одно из преимуществ, предоставляемых в соответствии с изображенной на Фиг.1 компоновкой, заключается в том, что магнитная цепь 30 обеспечивается двумя смежными стержнями 16 статора и двумя магнитными парами 24a,b. Таким образом, для статора 12 не требуется ярмо, хотя заднее железо 32a,b требуется для каждого ротора, соединяя поток между задней частью каждого магнита 24a,b, отдаленно противостоящей соответствующим катушкам 22.

Таким образом, в случае двигателя с соответствующим питанием катушек 22, ротор 14 может быть приведен во вращение вокруг оси 20. Конечно, в ситуации генератора, вращение ротора 14a,b индуцирует токи в катушках 12 статора в соответствии с изменением магнитного потока, индуцируемым в стержнях 16 статора, когда роторы 14a,b вращаются.

Однако, в любом случае в катушках 22 выделяется тепло, и эффективность машины снижается, и ее мощность ограничивается, если это тепло не отводится. Соответственно, настоящее изобретение предлагает покрыть катушки 16 статора в пределах корпуса, который проходит через воздушный зазор 26a,b и который определяет камеру, наполняемую охлаждающей средой.

Обращаясь к Фиг.3 изображен статор 12a, в котором катушки статора располагаются между сегментами 42a,b из пластического материала. Эти сегменты имеют внешние цилиндрические стенки 44, внутренние цилиндрические стенки 46, и кольцевые радиально расположенные стенки 48. Кольцевые стенки 48 включают в себя внутренние карманы 50 для приема полюсных наконечников 18a,b стержней 16 статора, и служат для размещения сборок 16 22, 18a,b катушек статора, когда два сегментных корпуса 42a,b статора 12a собраны вместе. Корпус 42a,b статора определяет пространства 52 с внутренней стороны относительно катушек 22, а также внешне, 54, вокруг внешней стороны катушек 22. Кроме того, имеются пространства 56 между катушками. Пространства 52, 54, 56 соединены между собой, определяя охлаждающую камеру.

Хотя это и не изображено на Фиг.3, при сборке корпус 42a,b статора снабжается каналами, которые позволяют закачать охлаждающую среду (предпочтительно, электрически непроводящая жидкость) в пространства 52, 54, 56 для циркуляции вокруг катушек и для их охлаждения. Действительно, при изготовлении корпуса предпочтительно из пластического материала, такого, как поликарбонат, или другого материала с малой теплопроводностью, тепло, генерируемое катушками и передаваемое в полюсные наконечники 18a, b, сохраняется в пределах корпуса и не передается на магниты 24a, b, которые особенно восприимчивы к нагреву.

Предпочтительное исполнение включает в себя конструкцию машины, как описано выше (или как описано дополнительно ниже), и затем, при завершении сборки, заполнение пространства 52, 54, 56 затвердевающей жидкой смолой или лаком, которые смачивают все внутренние поверхности этих пространств, включая катушки 22. Как только смола получила возможность проникнуть в каждое пространство, она сливается из машины, оставляя только поверхностное покрытие смолы внутри камеры, задаваемой пространствами 52, 54, 56. Затем смола затвердевает, формируя электрически изолирующий слой, который отделяет пространства 52, 54, 56 от катушек 22. В этом случае, в качестве охлаждающей среды может быть использована вода. Подходящие лаки для этого известны специалистам в данной области техники.

Хорошо известно, что сердечники катушки для электрических машин часто выполняются из стальных слоистых структур. Сталь представляет собой превосходный проводник магнитного поля - она имеет малое магнитное сопротивление, обеспечивает тракт с малым магнитным сопротивлением и имеет малые гистерезисные потери. Однако, проблема с большинством ферромагнитных материалов заключается в том, что обычно они являются также и электрическими проводниками. Поэтому, изменяющийся магнитный поток через электрический проводник создает вихревые токи. Они минимизируются использованием слоистых структур, которые разделены изолятором, с изоляцией, параллельной требуемому направлению магнитного потока так, чтобы поперечные электрические токи были минимизированы. Однако с некоторым успехом применяется новая методика, использующая частицы мягкого железа, покрытые изолирующим материалом и сформованные до требуемой формы (магнитомягкие композиты - SMC), при связанности их посредством смоляного изолятора. Процесс прессования при высоком давлении используется для формования компонента в сложную форму, выполненную с возможностью производства трехмерной модели магнитного потока с превосходным форм-фактором и предоставлением большого коэффициента заполнения для используемой обмотки, намотанной непосредственно на зубцы SMC.

Действительно, в варианте реализации электрической машины, к проблеме минимизации магнитного сопротивления материала стержня статора, и полюсного наконечника, в направлении магнитного потока, относится показанная на Фиг.4a-d конфигурация. Таким образом, хотя материал SMC является очень подходящим, следует отметить, что, хотя покрытые частицы магнитомягкого железа могут уменьшить вихревые токи и обычно имеют малое магнитное сопротивление во всех направлениях, они не имеют наилучшего, то есть минимально возможного магнитного сопротивления, которое все-таки оказывается лучшим для слоистых структур, по меньшей мере, в плоскости, или в направлении, слоев.

В этом аспекте, предлагается использовать такие частицы в конструкции стержня 16 статора и полюсных наконечников 18, но располагая их так, чтобы они имели предпочтительное направление, или, по меньшей мере, плоскость, малого магнитного сопротивления, которое предпочтительно меньше, чем обычно обеспечиваемое такими частицами. В случае стержня 16, это предпочтительное направление находится в плоскостях, параллельных оси 16a. В случае полюсных наконечников 18, минимальное магнитное сопротивление желательно получить в плоскостях, перпендикулярных продольной оси 16a. Это может быть обеспечено несколькими способами, хотя основной способ заключается в раздельном изготовлении стержня 16 и полюсных наконечников 18, как изображено на Фиг.4a, и в их последующей сборке.

Таким образом, стержень 16 на Фиг.4a изготовлен из круглых, покрытых изоляционным материалом, частиц мягкого железа. Эти частицы вначале уплощаются до подобных диску компонентов, перед помещением в пресс-форму, и наконец спрессовываются вместе. Пресс-форма выполнена так, чтобы направление сжатия частиц, и их начальное распределение до сжатия, было таким, чтобы главные размеры частиц лежали в плоскости, которая параллельна оси 16a. Этого можно наиболее удобно достичь, хотя бы только и частично, начиная по существу с круглых частиц в пресс-форме, и сжимая их вместе в направлении, перпендикулярном к оси 16a. Например, сжатие вверх в направлении Стрелки А не только уплощает частицы в плоскости, ортогональной к направлению A, но также и способствует рассеянию их в направлении Стрелок B.

Однако, в идеальном случае, частицы удлиняются и выполняются в пресс-форме с их длинной осью, параллельной оси 16a. Этого можно достичь, используя магнитное поле для ориентации частиц. В этом случае, линия минимального потока для элемента находится не просто в плоскостях, параллельных оси 16a, но и фактически в этом заданном направлении.

С другой стороны, полюсные наконечники 18 предпочтительно изготавливаются сжатием круглых частиц в направлении, параллельном оси 16a так, чтобы во время процесса уплотнения они рассеивались в стороны в плоскости, перпендикулярной оси 16a. Когда полюсные наконечники 18 и стержень 16 собраны вместе, магнитный поток может, поэтому, проходить с минимальным магнитным сопротивлением через стержень 16 в направлении продольной оси 16a, и выходить из стержней 16 и в направлении оси 16 с конца 16d стержней, чтобы войти непосредственно в воздушные зазоры 26a,b, но также и ортогонально, в периферические части полюсного наконечника 18c, как можно видеть по стрелкам магнитного потока, изображенным на Фиг.4d.

В предпочтительной компоновке, стержни 16 статора также содержат рулон слоистой структуры, который может улучшить направленное смещение минимального магнитного сопротивления. Таким образом, на Фиг.4b, рулон 90 из покрытой изоляционным материалом стали помещается в пресс-форму (не изображено) с ее осью, параллельной (основной оси) оси 16a формуемого стержня 16b. Пресс-форма затем заполняется частицами, которые сжимаются и уплотняются вокруг рулона слоистой структуры так, чтобы плоскость минимального магнитного сопротивления частиц была параллельной оси 16a. Они окружают рулон 90 и придают стержню требуемое трапециевидное сечение.

Альтернативная конструкция на Фиг.4c имеет трапециевидный сердечник 92 из сжатых частиц мягкого железа, имеющих, по меньшей мере, плоскость минимального магнитного сопротивления, параллельную оси 16a. Рулон 94 слоистой структуры затем наматывается вокруг сердечника 92 и образует стержень 16c статора, имеющий требуемую форму внешнего сечения.

Стержни 16b, c на Фиг.4b и c, каждый, имеет предпочтительные направления минимального магнитного сопротивления, параллельные оси 16a. Хомуты 18c, сформированные из спрессованных частиц мягкого железа, имеют плоскости минимального магнитного сопротивления, перпендикулярные к оси 16a. При сборке, стержень и хомуты образуют сердечник статора, который имеет чрезвычайно низкое магнитное сопротивление и оптимизированное по направлению. Альтернативно, вместо хомутов 18c могут быть использованы концевые пластины (или элементы полюсного наконечника - не изображены), с которыми концы элементов 16 стержней соединяются встык, завершая конструкцию. Элементы полюсного наконечника и концы элементов стержней могут иметь соответствующие сопрягающие элементы (не изображены на Фиг.4a-d), которые подгоняются один относительно другого. Даже в этом случае, такие концевые пластины мог быть созданы с центральной областью, имеющей осевое направление минимального магнитного сопротивления и хомут, такой как хомут 18c, с радиальным направлением минимального магнитного сопротивления.

Вариант реализации изобретения описан в связи с Фиг.5a, b и c, изображающими конкретную конструкцию двигателя 100. Следует отметить, что хотя описывается двигатель, следует понимать, что принципы также применимы непосредственно к генератору. Двигатель 100 фактически представляет собой отдельную секцию двигателя, и две или более из них могут быть соединены вместе с помощью болтов, как описано дополнительно ниже. Каждый двигатель имеет трубчатый корпус 102a,b статора, имеющий радиально плоские торцевые грани 104a, b между внутренней (108a, b) и внешней (106a, b) цилиндрическими боковыми стенками. Радиально внешняя цилиндрическая стенка 106a, b, каждая, имеет внешнее периферическое фланцевое расширение 110a, b, которое определяет радиально плоские торцевые грани 112a, b двигателя. Действительно, корпусы 102a, b статора составляют корпус для всего двигателя. Некоторые корпусы 102 могут быть соединены вместе торцевыми гранями встык с помощью болтов и гаек (не изображено), прохождение через утолщения 113 (см. Фиг.5c), выполненные вокруг корпуса 102a, b. Действительно, двигатель 100 может быть установлен на транспортном средстве, например, используя утолщения 113 в качестве монтажных фланцев.

Несмотря на то, что двигатель 100 собирается воедино с помощью болтов и представляет собой сборную конструкцию, каждая секция 100 двигателя может быть независимой друг от друга, как описано дополнительно ниже, и может запускаться со своей собственной скоростью и вращающим моментом в соответствии с требованием системы управления двигателем, которая дополнительно здесь не рассматривается. Однако, как также рассматривается дополнительно ниже, секции 102 двигателя могут быть соединены с единственным вторичным приводом, тем самым, удваивая имеющийся выходной вращающий момент. Действительно, нет никакого предела для числа секций двигателя, которые могут быть пакетированы воедино.

Корпуса 102a, b задают корпус статора, когда они сопрягаются между собой через их внутренние торцевые грани 113a, b и 115a, b радиально внешних и внутренних цилиндрических стенок 106a, b, 108a, b, соответственно. Кольцевая камера 53 закрывается, тем самым, и содержит, размещает и фиксирует множество катушек 122 статора, смонтированных на стержнях 116 статора, имеющих полюсные наконечники 118a, b. Действительно, как описано дополнительно ниже, полюсные наконечники, по меньшей мере, стержней статора, формуются поверх в материале корпусов 102a, b статора. Катушки 122 разнесены по окружности вокруг оси 120a ротора, как изображено на Фиг.5c, и их имеется 24 в данном двигателе (см. также Фиг.10). Каждый полюсный наконечник 118a, b катушки статора принимается в карман 150 камеры 53. Корпусы 102a, b формуются из электрически не проводящего немагнитного материала, предпочтительно из стекла, или другого волокнистого усиленного полимера, такого как нейлон. Корпусы имеют форму сегментов.

На Фиг.5b, стержни 116 статора можно видеть как выполненные из двух половин с интегрированными полюсными наконечниками 118a, b на половине каждого стержня, который расщеплен до геометрической оси 117. Сегменты 102a, b формуются в пр