Ротор для электрической машины с модуляцией полюсов

Ротор для электрической машины с модуляцией полюсов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 мен