Ротор для модулируемой полюсной машины
Изобретение относится ротору для модулируемой полюсной машины. Ротор содержит: трубчатую опорную конструкцию, образующую круговую установочную поверхность, причем трубчатая опорная конструкция содержит множество продолговатых углублений в установочной поверхности, продолговатые углубления продолжаются в направлении оси трубчатой опорной конструкции; и множество постоянных магнитов, расположенных на установочной поверхности трубчатой опорной конструкции и намагниченных в направлении окружности упомянутого ротора таким образом, чтобы создавать магнитное поле ротора, постоянные магниты отделены друг от друга в направлении окружности ротора продолжающимися в осевом направлении полюсными секциями ротора. По меньшей мере один постоянный магнит или одна полюсная секция ротора проходит, по меньшей мере, частично в одно из множества углублений. Техническим результатом является повышение устойчивости, уменьшение магнитного сопротивления, эффективности распределения линий магнитного потока. 6 н. и 13 з.п. ф-лы, 17 ил.
Область техники
Изобретение относится к ротору для модулируемых полюсных машин, в частности к ротору для модулируемых полюсных машин, которые легко производить в больших количествах.
Уровень техники
На протяжении многих лет такие конструкции электрических машин, как модулируемые полюсные машины, машины с клювообразным ротором, машины Ланделла и машины с поперечным потоком (TFM), представляют все больший и больший интерес. Электрические машины, в которых использовались принципы работы упомянутых машин, были разработаны еще в 1910 году Александерссоном и Фессенденом. Одна из наиболее важных причин растущего интереса состоит в том, что данная конструкция позволяет получить очень большой крутящий момент на выходе по сравнению, например, с асинхронными машинами, машинами с регулируемым магнитным сопротивлением и даже с бесщеточными машинами с постоянными магнитами. Кроме того, преимущество таких машин состоит в том, что обмотки нередко просты в изготовлении. Однако одним из недостатков конструкции данных машин является то, что они обычно относительно дороги в изготовлении и имеют большой поток рассеяния, результатом чего является низкий коэффициент мощности и необходимость в большем количестве магнитного материала. Низкий коэффициент мощности требует увеличения размеров электронной схемы электропитания (или источника электропитания, если машину используют в синхронном режиме), что также увеличивает объем, вес и стоимость всего привода.
Статор модулируемой полюсной электрической машины отличается в основном использованием одной центральной обмотки, которая намагничивает множество зубьев, выполненных из магнитно-мягкого сердечника. В этом случае магнитно-мягкий сердечник формируют вокруг обмотки, в то время как в конструкциях других обычных электрических машин обмотку устанавливают вокруг зубчатого сердечника. Примеры топологии модулируемой полюсной машины иногда называют, например, машинами с клювообразным ротором, машинами с V-образным ротором, машинами Ланделла или машинами с поперечным потоком (TFM). Модулируемые полюсные машины с утопленными магнитами дополнительно отличаются наличием активного ротора, включающего в себя множество постоянных магнитов, разделенных полюсными секциями ротора. Активный ротор составлен из четного количества сегментов, при этом половина сегментов изготовлена из магнитно-мягкого материала, а другая - из материала для постоянных магнитов. Постоянные магниты расположены таким образом, чтобы направление намагничивания постоянных магнитов было, по существу, круговым, т.е. северный и южный полюсы соответственно ориентированы, по существу, в круговом направлении.
Традиционно роторы изготавливают из довольно большого количества отдельных роторных сегментов, обычно 10-50. Однако процесс сборки сложен и требует больших временных затрат, так как необходимо соединить между собой множество элементов, получив в результате выраженный воздушный зазор, чтобы обеспечить правильную работу машины. Процесс сборки дополнительно усложняется противоположным направлением поляризации сегментов постоянных магнитов, что приводит к отталкиванию полюсных секций ротора друг от друга в процессе сборки.
В WO 2009116935 раскрыт ротор (и способ его изготовления), в котором количество отдельных деталей уменьшено, в результате чего уменьшено и время, необходимое для сборки ротора. Однако данный подход привел к усложнению и удорожанию отдельных деталей. Кроме того, может оказаться сложно получить хорошие общие допуски, так как площади поперечного сечения элементов сильно отличаются, что может привести к нежелательным деформациям, таким как изгиб, во время термической обработки. Тонкие интегрированные перемычки также могут вызывать проблемы, связанные с прочностью, особенно во время сборки, если конструкцию во время сборки необходимо слегка деформировать, чтобы удовлетворить требованиям геометрических допусков.
В общем случае желательно обеспечить ротор для модулируемой полюсной машины, который относительно недорог при производстве и сборке. Также желательно обеспечить ротор, имеющий хорошие рабочие параметры, такие как высокая устойчивость конструкции, низкое магнитное сопротивление, эффективное распределение линий магнитного потока, малый вес, низкая инерция и т.д.
Сущность изобретения
Согласно первому объекту изобретения раскрыты варианты осуществления ротора для модулируемой полюсной машины, предназначенного для создания магнитного поля ротора, взаимодействующего с магнитным полем статора модулируемой полюсной машины, причем упомянутый ротор содержит:
- трубчатую опорную конструкцию, образующую круговую установочную поверхность, при этом трубчатая опорная конструкция содержит множество продолговатых углублений в круговой установочной поверхности, причем продолговатые углубления продолжаются в направлении оси трубчатой опорной конструкции;
- множество постоянных магнитов, намагниченных в направлении окружности упомянутого ротора таким образом, чтобы создавать магнитное поле ротора, причем постоянные магниты отделены друг от друга в направлении окружности ротора продолжающимися в осевом направлении полюсными секциями ротора, чтобы направлять магнитное поле, создаваемое упомянутыми постоянными магнитами, в радиальном направлении,
при этом по меньшей мере один постоянный магнит или по меньшей мере одна полюсная секция ротора в радиальном направлении проходит, по меньшей мере, частично в одно из множества углублений. Отсюда по меньшей мере один выбранный элемент - постоянный магнит или полюсная секция ротора - продолжается, по меньшей мере, частично внутрь одного из множества углублений таким образом, что часть этого элемента выступает из углубления.
Следовательно, в описанных здесь вариантах осуществления ротора постоянные магниты и полюсные секции ротора образуют трубчатую конструкцию ротора, соосную с трубчатой опорной конструкцией. Одна из круговых поверхностей ротора соединена с круговой установочной поверхностью трубчатой опорной конструкции. С этой целью некоторые или все постоянные магниты и/или некоторые или все полюсные секции ротора выступают в радиальном направлении из упомянутой одной из окружных поверхностей трубчатой опорной конструкции в соответствующие углубления установочной поверхности трубчатой опорной конструкции.
Описанные варианты осуществления ротора обеспечивают эффективный и надежный процесс сборки, при котором обеспечивается выраженный воздушный зазор даже при относительно больших допусках отдельных элементов, и даже в том случае, если собираемые элементы имеют ограниченную прочность и склонны к охрупчиванию.
Согласно некоторым вариантам осуществления множество углублений приспособлено для обеспечения возможности регулирования радиального положения по меньшей мере одного постоянного магнита или по меньшей мере одной полюсной секции ротора, продолжающихся в радиальном направлении, по меньшей мере, частично в одно из множества углублений, чтобы регулировать радиальную длину выступающей из углубления части.
Углубление может быть приспособлено для обеспечения возможности регулирования радиального положения упомянутого элемента путем придания ему большей глубины, чем необходимо для установки среднестатистического элемента. Следовательно, элемент, длина которого в радиальном направлении превышает среднюю длину в результате отклонений при производстве, может быть вставлен в углубление глубже, что позволяет сделать радиальную протяженность выступающей из углубления части, соответствующей среднему элементу. Обратный принцип может быть использован для элементов, изготовленных с радиальной протяженностью меньше средней.
Согласно некоторым вариантам осуществления по меньшей мере один постоянный магнит или по меньшей мере одна полюсная секция ротора, продолжающаяся, по меньшей мере, частично в одно из множества углублений, контактирует с двумя боковыми стенками упомянутого углубления, т.е. находится в непосредственном контакте или отделена от двух боковых стенок клеящим веществом.
Ротор может представлять собой любой тип ротора, например внутренний ротор, который может вращаться в радиальном направлении внутри наружного статора, или наружный ротора, вращающийся вокруг внутреннего статора.
Множество постоянных магнитов может быть расположено таким образом, что каждый второй магнит по окружности имеет противоположное направление намагничивания. Таким образом, отдельные полюсные секции ротора могут взаимодействовать только с магнитами равной полярности.
Углубления могут быть расположены с определенными промежутками вдоль установочной поверхности трубчатой опорной конструкции. Стенки углублений могут продолжаться в радиальном направлении, внутрь трубчатой опорной конструкции. Постоянный магнит или полюсная секция ротора, продолжающиеся, по меньшей мере, частично внутрь одного из множества углублений, могут, таким образом, продолжаться наружу из углубления в радиальном направлении.
В некоторых вариантах осуществления круговая установочная поверхность образована внутренней поверхностью трубчатой опорной конструкции. Данная конструкция обеспечивает преимущества для наружных роторов.
В некоторых вариантах осуществления круговая установочная поверхность образована наружной поверхностью трубчатой опорной конструкции. Данная конструкция обеспечивает преимущества для внутренних роторов.
Трубчатая опорная конструкция может содержать любое количество углублений, например, от 2 до 200, от 5 до 60 или от 10 до 30. В некоторых вариантах осуществления изобретения все углубления снабжены либо постоянным магнитом, либо полюсной секцией ротора. Трубчатая опорная конструкция может иметь любую длину в осевом направлении. В некоторых вариантах осуществления изобретения осевая длина трубчатой опорной конструкции соответствует осевой длине постоянных магнитов и/или полюсных секций ротора. В некоторых вариантах осуществления изобретения углубления продолжаются по всей длине трубчатой опорной конструкции в осевом направлении. В некоторых вариантах осуществления изобретения углубления продолжаются на протяжении ограниченной части осевой протяженности трубчатой опорной конструкции. Углубление может быть образовано первой и второй параллельными боковыми стенками, продолжающимися в радиальном направлении внутрь трубчатой опорной конструкции и соединенными третьей стенкой. В некоторых вариантах осуществления изобретения третья стенка перпендикулярна первой и второй стенкам. В некоторых вариантах осуществления изобретения третья стенка изогнутая, и ее изгиб приблизительно повторяет кривизну трубчатой опорной конструкции. Ротор может иметь любой размер. Углубления в трубчатой опорной конструкции могут быть приспособлены давать возможность регулирования радиального положения полюсных секций ротора или постоянных магнитов с целью регулирования радиальной протяженности части, выступающей наружу из углубления.
Ротор, например его трубчатая опорная конструкция, может содержать средство передачи крутящего момента, создаваемого взаимодействием между ротором и статором. В некоторых вариантах осуществления трубчатая опорная конструкция присоединена к валу для передачи создаваемого крутящего момента. Например, поверхность трубчатой опорной конструкции, противоположная установочной поверхности для установки магнитов и/или полюсных секций ротора, может быть использована для установки ротора на ступицу, вал и т.д.
Стоимость изготовления любого изделия тесно связана с требованиями точности к конечному изделию. Высокоточное производство требует либо сложных и дорогих производственных технологий, либо относительно большого процента брака среди производимых изделий, и оба подхода приводят к повышению производственных затрат. Чтобы гарантировать эффективное взаимодействие между ротором и статором модулируемой полюсной машины, применяют высокие требования к точности. Это влечет за собой соответствующие высокие требования к точности элементов ротора, например полюсных секций ротора и постоянных магнитов. Однако, снабдив ротор опорной конструкцией с множеством углублений, можно регулировать радиальное положение полюсной секции ротора или постоянного магнита в углублении трубчатой опорной конструкции, что позволяет регулировать длину части, выступающей из углубления в радиальном направлении. Это снижает требования к точности полюсных секций ротора или постоянных магнитов, соответственно, снижая тем самым производственные затраты. В некоторых вариантах осуществления изобретения зазор между элементом, установленным в углублении, и задней частью углубления заполняют соответствующим материалом, например подходящим клеящим веществом, таким как эпоксидный клей.
В некоторых вариантах осуществления изобретения трубчатая опорная конструкция может содержать маленькие углубления для транспортировки клея в осевом направлении во время регулирования радиального положения полюсных элементов ротора или постоянных магнитов в углублениях. Маленькие углубления могут обеспечить соответствующие каналы для клея, чтобы он вытекал в осевом направлении из участков под полюсным элементом или постоянным магнитом, повышая тем самым точность регулирования допусков.
Трубчатая опорная конструкция может также служить для упрощения процесса сборки деталей ротора, обеспечивая корпус, в который можно вставить полюсные секции ротора и постоянные магниты. Трубчатая опорная конструкция дополнительно служит для обеспечения более жесткого ротора, уменьшая риск перекоса ротора в процессе эксплуатации. Так как трубчатая опорная конструкция может быть изготовлена с очень высокой точностью, получаемые в результате роторы имеют уменьшенные отклонения геометрической формы, что повышает общее качество изделия и уменьшает риск человеческих ошибок. Таким образом, меньшее количество роторов придется отправлять в брак.
Преимуществом изобретения является тот факт, что наличие углублений в трубчатой опорной конструкции, позволяющих менять положение постоянных магнитов или полюсных секций ротора, дает возможность работы с более жесткими допусками отдельных элементов; это также включает допуски трубчатой опорной конструкции. Дополнительное преимущество состоит в том, что трубчатая опорная конструкция обеспечивает корпус для легкой сборки ротора по изобретению с обеспечением хороших параметров соосности.
В некоторых вариантах осуществления трубчатая опорная конструкция может представлять собой единый элемент, а может быть обеспечена в виде множества сегментов или модулей, например поделена на секции в осевом и/или окружном направлениях. Аналогичным образом, некоторые или все постоянные магниты и/или полюсные элементы могут быть модульными, например поделенными на секции в осевом направлении, или иначе разделенными на несколько элементов.
В некоторых вариантах осуществления изобретения полюсные секции изготовлены из магнитно-мягкого материала, такого как магнитно-мягкий порошок. При изготовлении полюсной секции из магнитного порошка может быть упрощен процесс изготовления ротора, и концентрация магнитного потока может стать более эффективной при использовании преимущества эффективной трехмерной передачи магнитного потока.
В некоторых вариантах осуществления изобретения трубчатая опорная конструкция изготовлена из немагнитного материала, такого как алюминий или пластмасса, например выдавливанием из алюминия, инжекционным формованием из пластмассы, и т.п., и/или из других подходящих немагнитных материалов. Благодаря изготовлению трубчатой опорной конструкции из немагнитного материала магнитные свойства ротора остаются нетронутыми.
Согласно первому объекту постоянные магниты установлены внутри углублений трубчатой опорной конструкции, а полюсная секция ротора установлена между двумя соседними постоянными магнитами. Благодаря установке постоянных магнитов внутри углублений в упомянутой опорной конструкции постоянные магниты продолжаются в радиальном направлении за пределы полюсных секций ротора. Это дает возможность более эффективного использования магнитного потока, создаваемого постоянными магнитами.
В некоторых вариантах осуществления изобретения полюсные секции ротора установлены внутри упомянутых углублений упомянутой опорной конструкции.
Согласно некоторым вариантам осуществления либо постоянные магниты, либо полюсные секции ротора установлены внутри углублений трубчатой опорной конструкции по посадке с натягом, образованной боковыми стенками упомянутого углубления. Использование посадки с натягом позволяет обеспечить легкий и надежный способ крепления постоянных магнитов или полюсных секций ротора. Посадку с натягом можно создать, сделав углубления чуть меньше постоянных магнитов или полюсных секций ротора. Регулирование сил трения можно осуществлять посредством управляемой деформации стенок углубления, например, с помощью некоторых встроенных конструктивных элементов, таких как выступ, который может быть согнут необходимым усилием, достаточно малым, чтобы предотвратить поломку полюсной секции или магнита.
Согласно второму объекту изобретение относится к полюсной секции ротора для ротора, раскрытого выше, при этом полюсная секция ротора, будучи установлена в упомянутом углублении, выступает наружу из упомянутого углубления, образующего радиальную ось, причем полюсная секция ротора содержит:
- первый участок постоянной ширины, образующий первый конец упомянутой полюсной секции ротора и предназначенный, по меньшей мере, для частичной установки в углубление упомянутой опорной конструкции, при этом упомянутый первый участок постоянной ширины имеет две параллельные боковые стенки, так что ширина полюсной секции ротора на упомянутом первом участке постоянной ширины является постоянной,
- сужающийся участок, который начинается в месте окончания первого участка постоянной ширины, причем упомянутый сужающийся участок имеет две непараллельные боковые стенки, такие, что ширина упомянутой полюсной секции ротора на упомянутом сужающемся участке не является постоянной.
Отсюда, сужающиеся участки двух соседних полюсных секций ротора образуют паз с параллельными стенками для постоянного магнита, содействуя тем самым использованию простой, дешевой в изготовлении геометрической формы дорогого постоянного магнита.
В некоторых вариантах осуществления изобретения боковые стенки первого участка постоянной ширины параллельны упомянутой радиальной оси.
В некоторых вариантах осуществления изобретения боковые стенки сужающегося участка не параллельны упомянутой радиальной оси.
В целях настоящего описания длина полюсной секции ротора определяется как размер, проходящий вдоль радиальной оси трубчатой опорной конструкции, когда полюсная секция ротора установлена в трубчатой опорной конструкции, высота полюсной секции ротора определяется как размер, проходящий вдоль оси трубчатой опорной конструкции, когда полюсная секция ротора установлена в трубчатой опорной конструкции, а ширина полюсной секции ротора определяется как размер, перпендикулярный длине и высоте полюсной секции ротора.
Высота полюсной секции ротора может быть постоянной на протяжении всего первого участка постоянной ширины и сужающегося участка. Длина первого участка постоянной ширины может приблизительно соответствовать глубине углублений, например высоте (в радиальном направлении) боковых стенок углубления. В некоторых вариантах осуществления изобретения длина первого участка постоянной ширины соответствует 2-30 процентам общей длины полюсной секции ротора. В некоторых вариантах осуществления изобретения длина первого участка постоянной ширины соответствует 5-20 процентам общей длины полюсной секции ротора. В некоторых вариантах осуществления изобретения длина первого участка постоянной ширины соответствует 8-12 процентам общей длины полюсной секции ротора.
Сужающийся участок может иметь любую длину. В некоторых вариантах осуществления изобретения длина сужающегося участка соответствует 40-95 процентам общей длины полюсной секции ротора. В некоторых вариантах осуществления изобретения длина сужающегося участка соответствует 60-90 процентам общей длины полюсной секции ротора. Длина сужающегося участка может определяться длиной постоянных магнитов в радиальном направлении. В некоторых вариантах осуществления изобретения две боковые стенки сужающегося участка представляют собой прямые стенки, наклоненные к центральной радиальной оси таким образом, что ширина полюсной секции ротора равномерно убывает на протяжении радиальной оси по мере увеличения расстояния до первого участка постоянной ширины; данная конструкция является предпочтительной, если полюсная секция ротора используется в наружном роторе. В некоторых вариантах осуществления изобретения две боковые стенки сужающегося участка представляют собой прямые стенки, наклоненные от центральной радиальной оси таким образом, что ширина полюсной секции ротора равномерно возрастает на протяжении радиальной оси по мере увеличения расстояния до первого участка постоянной ширины; данная конструкция является предпочтительной, если полюсная секция ротора используется во внутреннем роторе.
Для обеспечения цилиндрической формы ротора в некоторых вариантах осуществления изобретения полюсные секции ротора предпочтительно содержат сужающийся участок. Как описано выше, сужающийся участок обеспечивает, чтобы ширина полюсной секции ротора увеличивалась для внутренних роторов и уменьшалась для наружных роторов. Однако посредством дополнительного наличия первого участка постоянной ширины, приспособленного для размещения в углублении трубчатой опорной конструкции, можно упростить сборку роторов, в которых используются полюсные секции, так как полюсные секции ротора можно вставлять в углубления посредством перемещения по радиальной оси. Такой способ показал себя более предпочтительным по сравнению с вталкиванием полюсных секций ротора с использованием осевого перемещения, так как высота полюсных секций ротора обычно велика, что делает их неустойчивыми вначале процесса вставки. Таким образом, можно снизить производственные затраты. Первый участок постоянной ширины дополнительно служит для обеспечения более прочной посадки, когда полюсные секции ротора используют для внутренних роторов.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения полюсная секция ротора дополнительно содержит второй участок постоянной ширины, который начинается в месте окончания сужающегося участка и образует второй конец упомянутой полюсной секции ротора, причем боковые стенки упомянутого второго участка постоянной ширины параллельны, так что ширина упомянутой полюсной секции ротора на упомянутом втором участке постоянной ширины является постоянной.
В некоторых вариантах осуществления две боковые стенки второго участка постоянной ширины параллельны упомянутой радиальной оси.
Второй участок постоянной ширины может иметь любую длину. В некоторых вариантах осуществления изобретения длина второго участка постоянной ширины соответствует 2-20 процентам общей длины полюсной секции ротора. В некоторых вариантах осуществления изобретения длина второго участка постоянной ширины соответствует 5-15 процентам общей длины полюсной секции ротора.
Благодаря наличию второго участка постоянной ширины ширина промежутка, образованного двумя соседними полюсными секциями ротора, может быть уменьшена, начиная с того места, где начинается второй участок постоянной ширины. Следовательно, это позволяет предотвратить выпадение магнита, размещенного в промежутке, из кармана в радиальном направлении.
В некоторых вариантах осуществления изобретения высота полюсной секции больше длины, а длина больше ширины.
Согласно третьему объекту изобретение относится к способу изготовления полюсной секции ротора, раскрытой выше и далее, с использованием метода спрессовки порошков, причем способ содержит следующие этапы:
- получают матрицу, имеющую форму, обратную по отношению к форме полюсной секции ротора, описанной выше и далее, и содержащую первый участок постоянной ширины и второй участок постоянной ширины;
- заполняют упомянутую матрицу магнитным порошком, таким как, например, железный порошок или порошок на основе железа;
- спрессовывают деформируемый магнитный порошок в матрице, например, с использованием двух или более пуансонов, при этом по меньшей мере один из пуансонов перемещается навстречу другому пуансону по радиальной оси получаемой полюсной секции ротора, частично входя по меньшей мере в один из участков постоянной ширины матрицы - первый или второй, таким образом, что длина по меньшей мере одного из участков постоянной ширины - первого или второго - получаемой в результате полюсной секции ротора уменьшается в процессе спрессовывания.
Магнитный порошок может быть, например, магнитно-мягким железным порошком или порошком, содержащим кобальт, никель или сплавы, содержащие части упомянутых металлов. Магнитно-мягкий порошок может быть, по существу, распыленным практически чистым железным порошком или губчатым железным порошком, имеющим частицы неправильной формы, покрытые электрической изоляцией. В данном контексте термин «практически чистый» означает, что порошок должен быть практически свободен от включений и что количество примесей O, C и N должно быть минимальным. Средний размер частиц в общем случае составляет менее 300 мкм и более 10 мкм.
Однако можно использовать любой магнитно-мягкий порошок из металла или металлического сплава при условии, что он имеет достаточные магнитно-мягкие свойства и что порошок пригоден для спрессовывания в пресс-форме.
Электрическая изоляция частиц порошка может быть выполнена из неорганического материала. Особенно подходящим является тип изоляции, раскрытый в патенте US 6348265 (который включен в данный документ посредством ссылки), который касается частиц основы порошка, состоящей в основном из чистого железа, имеющей изолирующую оболочку с содержанием кислорода и фосфора. Порошки, имеющие изолированные частицы, доступны для приобретения, например, Somaloy(R)500, Somaloy(R)550 или Somaloy(R)70, поставляемые шведской компанией Höganas AB.
Таким образом, полюсные секции ротора можно эффективным образом изготавливать за одну операцию, используя способ формования порошка, в котором формование происходит за одну наладку инструмента для прессования.
Наличие участков постоянной ширины в матрице позволяет пуансонам перемещаться на разные расстояния внутрь данных участков, не повреждая матрицу. Это позволяет обеспечить большие допуски в сжимаемости железного порошка, дополнительно снижая производственные затраты.
Согласно четвертому объекту изобретение относится к способу изготовления ротора модулируемой полюсной машины, причем упомянутый ротор содержит трубчатую опорную конструкцию, образующую круговую установочную поверхность, причем трубчатая опорная конструкция содержит множество продолговатых углублений в установочной поверхности, при этом продолговатые углубления продолжаются в направлении оси трубчатой опорной конструкции, и каждое углубление имеет две боковые стенки, множество постоянных магнитов, отделенных друг от друга в окружном направлении продолжающимися в осевом направлении полюсными секциями ротора, изготовленными из магнитно-мягкого материала; причем способ содержит следующие этапы:
- размещают либо постоянный магнит, либо полюсную секцию ротора, по меньшей мере, частично внутри каждого углубления, при этом постоянные магниты или полюсные секции ротора продолжаются радиально наружу из углублений, образуя тем самым множество пазов между двумя соседними углублениями;
- размещают либо постоянный магнит, либо полюсную секцию ротора внутри каждого из образованных пазов.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения способ дополнительно содержит этап, на котором устанавливают фиксатор воздушного зазора концентрично с опорной конструкцией, при этом регулируют радиальное положение полюсной секции ротора или постоянного магнита в углублении таким образом, что сторона постоянного магнита или полюсной секции ротора, обращенная к фиксатору воздушного зазора, контактирует с фиксатором воздушного зазора.
Фиксатор воздушного зазора предпочтительно имеет цилиндрическую форму при сборке наружного ротора и трубчатую форму при сборке внутреннего ротора. Фиксатор воздушного зазора может иметь любую длину в осевом направлении, например равную осевой длине опорной конструкции, меньше осевой длины опорной конструкции или превышающую осевую длину опорной конструкции.
Использование фиксатора воздушного зазора обеспечивает быстрый и легкий способ сборки ротора по изобретению, позволяя снизить производственные затраты. Фиксатор воздушного зазора может быть дополнительно использован в автоматическом производственном процессе, тем самым дополнительно снижая производственные затраты. Фиксатор воздушного зазора может также служить для обеспечения уменьшения отклонений в конечных изделиях.
В некоторых вариантах осуществления изобретения фиксатор воздушного зазора дополнительно содержит магнитное устройство для усиления контактного давления между полюсной секцией ротора или постоянным магнитом и фиксатором воздушного зазора.
Магнитное устройство может представлять собой такое расположение цепи магнитного потока, в котором полюсные элементы или постоянные магниты образуют часть упомянутой магнитной цепи таким образом, что магнитные силы, создаваемые упомянутой магнитной цепью, могут удерживать полюсные участки и постоянные магниты возле фиксатора, который сообщает им желаемую геометрическую форму воздушного зазора в машине для данного применения. Магнитная цепь может содержать источник магнитного поля, который может представлять собой электромагнит, в котором используются провод и катушка с управляемыми электрическими токами для создания магнитного поля или можно использовать внешние постоянные магниты. Внешние постоянные магниты могут представлять собой постоянные магниты ротора. Кроме того, могут быть радиальные, продолжающиеся в осевом направлении углубления в поверхности магнитного фиксатора, чтобы дополнительно улучшить контроль геометрической формы полюсных элементов ротора и постоянных магнитов во время сборки.
При использовании фиксатора воздушного зазора, содержащего магнитное устройство, можно использовать магнитную энергию для регулирования положения полюсных секций ротора; это позволит дополнительно снизить производственные затраты.
Согласно пятому объекту изобретение относится к электрической вращательной машине, которая содержит: первую секцию сердечника статора, имеющую, по существу, круглую форму и включающую в себя множество зубьев, вторую секцию сердечника статора, имеющую, по существу, круглую форму и включающую в себя множество зубьев, обмотку, расположенную между первой и второй круговыми секциями сердечника статора, и ротор, раскрытый выше и далее, причем первая секция сердечника статора, вторая секция сердечника статора, обмотка и ротор окружают общую геометрическую ось, и множество зубьев первой и второй секций сердечника статора расположено таким образом, что они выступают в сторону ротора; при этом зубья второй секции сердечника статора смещены по окружности относительно зубьев первой секции сердечника статора.
Различные объекты настоящего изобретения могут быть внедрены различными способами, включая роторы и полюсные секции ротора, описанные выше и далее, и дополнительные средства, каждое из которых дает одно или более полезных свойств и преимуществ, описанных в связи по меньшей мере с одним из описанных выше объектов, и каждый из них имеет один или более предпочтительных вариантов осуществления, соответствующих предпочтительным вариантам осуществления, описанным по меньшей мере с связи с одним из объектов, описанных выше и/или раскрытых в зависимых пунктах формулы изобретения. Кроме того, следует отметить, что варианты осуществления, описанные в связи с одним из описанных объектов, могут с тем же успехом быть применены к другим объектам.
Краткое описание чертежей
Перечисленные выше и/или дополнительные задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения будут дополнительно разъяснены с помощью последующего иллюстративного, не носящего ограничительного характера подробного описания вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.
На Фиг.1а показан вид в перспективе, с пространственным разделением деталей, модулируемой полюсной машины известного уровня техники.
На Фиг.1b показан вид в разрезе модулируемой полюсной машины известного уровня техники.
На Фиг.2а показана трубчатая опорная конструкция наружного ротора согласно некоторым вариантам осуществления изобретения.
На Фиг.2b показан более подробный вид углубления в наружном роторе согласно некоторым вариантам осуществления изобретения.
На Фиг.2с показана трубчатая опорная конструкция, содержащая множество постоянных магнитов 203 наружного ротора согласно некоторым вариантам осуществления изобретения.
На Фиг.2d показан наружный ротор согласно некоторым вариантам осуществления изобретения.
На Фиг.3 показан внутренний ротор согласно некоторым вариантам осуществления изобретения.
На Фиг.4 показана полюсная секция 401 наружного ротора согласно некоторым вариантам осуществления изобретения.
На Фиг.5 показан способ производства полюсной секции 502 ротора согласно некоторым вариантам осуществления изобретения.
На Фиг.6а показан наружный ротор согласно некоторым вариантам осуществления изобретения.
На Фиг.6b показан более подробный вид части наружного ротора согласно некоторым вариантам осуществления изобретения.
На Фиг.7а показан ротор согласно некоторым вариантам осуществления изобретения.
На Фиг.7b показан более подробный вид ротора согласно некоторым вариантам осуществления изобретения.
На Фиг.8а и 8b показан пример магнитного устройства фиксации воздушного зазора.
Фиг.9 иллюстрирует пример модулируемой полюсной машины. В частности, на Фиг.9,а показан вид в перспективе активных частей машины, включая статор 10 и ротор 30, в то время как на Фиг.9,b показан увеличенный вид части машины.
Фиг.10 иллюстрирует пример статора 10 модулируемой полюсной машины, представленной на Фиг.9.
Фиг.11 иллюстрирует пример трехфазной модулируемой полюсной машины. В частности, на Фиг.11,а проиллюстрированы активные части представленной в качестве примера трехфазной модулируемой полюсной машины, тогда как на Фиг.11,b показан пример статора машины, представленной на Фиг.11,а.
Подробное описание
В последующем описании будут сделаны ссылки на прилагаемые чертежи, на которых показано, исключительно в качестве иллюстрации, как можно практически воплотить изобретение.
Данное изобретение относится к модулируемой полюсной электрической машине 100, один пример которой показан на Фиг.1а, на схематичном виде в перспективе с пространственным разделением деталей. Статор 10 модулируемой полюсной электрической машины отличается в основном использованием одной центральной обмотки 20, которая намагничивает множество зубьев 102, образованных магнитно-мягким сердечником. Затем вокруг обмотки формируют магнитно-мягкий сердечник, в то время как в конструкциях других обычных электрических машин обмотку устанавливают вокруг зубчатого сердечника. Примеры схем модулируемой полюсной машины иногда называют, например, машинами с клювообразным ротором, машинами с V-образным ротором, машинами Ланделла или машинами с поперечным потоком (TFM). Более конкретно, представленная модулируемая полюсная электрическая машина 100 содержит две секции 14, 16 сердечника статора, каждая из которых включает в себя множество зубьев 102 и имеет, по существу, кольцевую форму, обмотку 20, расположенную между первой и второй кольцевыми секциями сердечника статора, и ротор 30, включающий в себя множество постоянных магнитов 22. Кроме того, секции 14, 16 сердечника статора, обмотка 20 и ротор 30 окружают общую геометрическую ось 103, и множество зубьев двух секций статора 14, 16 расположено таким образом, что они выступают в сторону ротора 30, образуя замкнутый путь магнитного потока. Машина на Фиг.1 принадлежит к радиальному типу, так как зубья статора выступают в радиальном направлении к ротору; в данном случае статор окружает ротор. Однако статор с тем же успехом может быть размещен внутри относительно ротора; данный тип машины также проиллюстрирован на некоторых из прилагаемых чертежей. Объем изобретения, представленного в последующем описании, не ограничен конкретным типом модулируемой полюсной электрической машины и может быть в равной степени применен к машинам как осевого, так и радиального типа и для статоров, размещенных как внутри, так и снаружи относительно ротора. Аналогичным образом, изобретение не ограничено однофазными машинами, но может с тем же успехом быть применено к многофазным машинам.
Активный ротор 30 составлен из четного количества сегментов 22, 24, при этом половина из данного количества сегментов, называемых также полюсными секциями 24 ротора, изготовлена из магнитно-мягкого материала, а другая половина сегментов 22 - из материала для постоянных магнитов. Способ на известном уровне техники состоит в изготовлении данных сегментов как отдельных компонентов. Часто количество сегментов может быть достаточно большим, порядка 10-50 отдельных секций. Постоянные магниты 22 расположены таким образом, чтобы направление намагничивания постоянных магнитов было, по существу, круговым, т.е. северные и южные полюса соответственно были ориентированы, по существу, в окружном направлении. Кроме того, каждый второй постоянный магнит 22, если считать по окружности, имеет направление намагничивания, противоположное по отношению к другим постоянным магнитам. Магнитная функциональность магнитно-мягких полюсных секций 24 в желаемой конструкции машины является полностью трехмерной, и требуется, чтобы магнитно-мягкая полюсная секция 24 могла эффективно переносить переменный магнитный поток с высокой магнитной проницаемостью во всех трех направлениях пространства. Традиционная конструкция, в которой используются листы плакированной стали, не дает требуемой высокой проницаемости в направлении, перпендикулярном плоскости стальных листов, поэтому является предпочтительным использовать магнитно-мягкую конструкцию и материал, которые дают более высокую изотропность магнитного потока, чем конструкция из листовой плакированной стали известного уровня техники.
На Фиг.1b показана такая же радиальная модулируемая полюсная электрическая машина, как и на Фиг.1а, но на виде в разрезе собранной машины, где более четко видно, как зубья 102 статора продолжаются в сторону ротора и как зубья двух секций 14, 16 сердечника статора смещены относительно друг друга в направлении вращения.
Далее будут более подробно описаны примеры роторов, которые можно использовать как часть модулируемой полюсной электрической машины, показанной на Фиг.1а-b. Следует понимать, что роторы, описанные в данной заявке, можно использовать со статорами модулируемых полюсных машин, принадлежащими к типам, отличным от описанных выше.
На Фиг.2а показана трубчатая опорная конструкция 201 наружного ротора согласно некоторым вариантам осуществления изобретения. Трубчатая опорная конструкция 201 имеет радиус и высоту, при этом высота измеряется вдоль продольной оси трубчатой опорной конструкции 201. Трубчатая опорная конструкция 201 содержит множество углублений 202, расположенных с определенными промежутками по периферии опорной конструкции 201, в окружной установочной поверхности, которая одновременно является внутренней поверхностью трубчатой опорной конструкции 201. Трубчатая опорная конструкция 201 может быть изготовлена из непроницаемого материала, например из немагнитного материала, такого как алюминий или пластмасса. Множество углублений 202 проходит в осевом направлении трубчатой опорной конструкции. На Фиг.2b показан более подробный вид углубления. Углубление содержит две параллельные боковые стенки 205 и 206, продолжающиеся в радиальном направлении внутрь трубчатой опорной конструкции. Две параллельные боковые стенки 205 и 206 соединены торцевой стенкой 207. Углубление продолжается по всей высоте трубчатой опорной конструкции 201.
На Фиг.2с показана трубчатая опорная конструкция наружного ротора, содержащая множество постоянных магнитов 203 согласно некоторым вариантам осуществления изобретения. Каждое из множества углублений снабжено постоянным магнитом 203. Постоянные магниты 203 могут быть закреплены в углублениях 202 по посадке с натягом и/или любым другим средством крепления, например подходящим клеем.
На Фиг.2d показан наружный ротор согласно некоторым вариантам осуществления изобретения. Наружный ротор содержит трубчатую опорную конструкцию 201, множество постоянных магнитов 203 и множество полюсных секций 204 ротора. Полюсные секции 204 ротора установлены в пазах, образованных постоянными магнитами, установленными внутри углублений 202 трубчатой опорной конструкции 201. Полюсные секции 204 ротора могут быть прикреплены к постоянным магнитам и/или опорной конструкции по посадке с натягом, образованной постоянными магнитами, и/или любым другим типом средства крепления, например подходящим клеем. Будучи установлены в углубления 202 опорной конструкции 201, постоянные магниты 203 продолжаются радиально наружу дальше, чем полюсные секции 204 ротора. Таким образом, большая часть магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами 203, может быть использована полюсными секциями для создания магнитного поля ротора. Это уменьшает требования к магнитной функции постоянных магнитов, так что могут быть использованы постоянные магниты меньшего размера, что уменьшает производственные затраты. На Фиг.3 показан внутренний ротор, соответствующий наружному ротору, показанному на Фиг.2d.
На Фиг.4 показана полюсная секция 401 наружного ротора согласно некоторым вариантам осуществления изобретения. Полюсная секция 401 ротора имеет ширину 407 и длину 406. Полюсная секция 401 ротора содержит три участка: первый участок постоянной ширины 402, сужающийся участок 403 и второй участок постоянной ширины 404. Первый участок 402 постоянной ширины предназначен, по меньшей мере, для частичной установки в углублении опорной конструкции. Первый участок 402 постоянной ширины содержит две боковые стенки, параллельные радиальной оси полюсной секции 401 ротора, что обеспечивает постоянство ширины полюсной секции 401 ротора в первом участке 402 постоянной ширины. Длина первого участка постоянной ширины может приблизительно соответствовать глубине углублений, например, протяженности двух боковых стенок углубления. Сужающийся участок 403 содержит две прямолинейные боковые стенки, имеющие равные, но противоположно направленные углы наклона к радиальной оси полюсной секции 401 ротора, так что ширина на сужающемся участке равномерно убывает с увеличением расстояния до первого участка 402 постоянной ширины. Однако в других вариантах осуществления боковые стенки сужающегося участка расположены «в зеркальном отражении», так что ширина полюсной секции ротора на сужающемся участке равномерно увеличивается с увеличением расстояния до первого участка 402 постоянной ширины. Второй участок 404 постоянной ширины содержит две боковые стенки, параллельные радиальной оси полюсной секции 401 ротора, что обеспечивает постоянство ширины полюсной секции 401 ротора на втором участке постоянной ширины. Второй участок постоянной ширины может содержать вогнутый конец 405, если полюсная секция ротора используется для наружного ротора, и выпуклый конец, если полюсная секция ротора используется для внутреннего ротора. В некоторых вариантах осуществления изобретения полюсная секция ротора содержит только первый участок 402 постоянной ширины и сужающийся участок 403.
На Фиг.5 проиллюстрирован способ производства полюсной секции 502 ротора согласно некоторым вариантам осуществления изобретения. Полюсную секцию 502 ротора изготавливают посредством заполнения матрицы 501 железом или порошком на основе железа, с последующим прессованием железного порошка двумя пуансонами 505 и 506. Матрица 501 имеет форму, обратную нужной форме полюсной секции ротора, например, как показано на Фиг.4, с тем отличием, что длина первого и второго участков постоянной ширины 503 и 504 матрицы 501 увеличена. Это позволяет пуансонам 505 и 506 перемещаться в направлении радиуса получаемой полюсной секции 502 ротора, частично входя в первый и второй участки 503, 504 постоянной ширины матрицы 501, сжимая при этом железный порошок в матрице 501 и формируя полюсную секцию 502 ротора.
На Фиг.6а показан наружный ротор согласно некоторым вариантам осуществления изобретения. Наружный ротор содержит трубчатую опорную конструкцию 601, множество постоянных магнитов 603 и множество полюсных секций 604 ротора, аналогично показанному на Фиг.4. Трубчатая опорная конструкция содержит множество углублений 602, расположенных с определенными промежутками по периферии опорной конструкции 601. Полюсные секции 604 ротора установлены во множестве углублений 602 трубчатой опорной конструкции 601, а постоянные магниты 603 установлены в пазах, образованных двумя соседними полюсными секциями 604 ротора.
На Фиг.6b представлен более подробный вид участка наружного ротора, показанного на Фиг.6а. На Фиг.6b показано, как форма полюсных секций 604 ротора, установленных в углублениях 602 трубчатой опорной конструкции 601, влияет на пространство, образуемое двумя соседними полюсными секциями 604 ротора. Сужающиеся участки 607 полюсных секций 604 ротора обеспечивают, чтобы ширина промежутка, образованного между двумя соседними полюсными секциями 604 ротора, была постоянной на протяжении сужающихся участков 607 полюсных секций 604 ротора. Это дает возможность установки в данном промежутке постоянного магнита 603, имеющего постоянную ширину. При снабжении полюсных секций 604 ротора вторым участком 608 постоянной ширины ширина промежутка, образованного между двумя соседними полюсными секциями 604 ротора, уменьшается на протяжении вторых участков 608 постоянной ширины полюсных секций 604 ротора. Это позволяет предотвратить выскальзывание постоянных магнитов 603, заключенных в упомянутых промежутках, из ротора в радиальном направлении.
На Фиг.7а показан ротор согласно некоторым вариантам осуществления изобретения, дополнительно содержащий фиксатор воздушного зазора 605. Фиксатор воздушного зазора может обеспечить правильное позиционирование полюсных секций ротора во время изготовления ротора. Фиксатор 605 воздушного зазора может иметь цилиндрическую форму или, в качестве альтернативы, форму конуса, при сборке наружного ротора и трубчатую форму при сборке внутреннего ротора. Фиксатор воздушного зазора можно использовать для регулирования положения полюсных секций 604 ротора в углублениях 602 в радиальном направлении. Фиксатор воздушного зазора может содержать магнитное устройство, позволяющее использовать магнитную энергию для регулирования радиального положения полюсных секций 604 ротора в углублениях 602. После сборки ротора фиксатор воздушного зазора можно удалить. На Фиг.7b показан более подробный вид Фиг.7а. Использование фиксатора воздушного зазора обеспечивает быстрый и легкий способ сборки ротора по изобретению, позволяя также снизить производственные затраты.
На Фиг.8,а и 8,b показан пример магнитного устройства фиксации воздушного зазора. Магнитное устройство фиксации воздушного зазора 605 содержит, в общем случае, цилиндрический корпус, имеющий окружное углубление 851 для размещения катушки 852, обеспечивающей управляемое магнитное поле для удерживания полюсных секций ротора 853 на своем месте.
Фиг.9 иллюстрирует пример модулируемой полюсной машины. В частности, на Фиг.9 показаны активные части одной фазы, например, однофазной машины или одной из фаз многофазной машины. На Фиг.9,а показан вид в перспективе активных частей машины, включая статор 10 и ротор 30. На Фиг.9,b показан увеличенный вид части машины.
Фиг.10 иллюстрирует пример статора 10 модулируемой полюсной машины, представленной на Фиг.9. В частности, на Фиг.10 показан вид в разрезе статора 10.
Машина содержит статор 10, который содержит одну центральную обмотку 20, которая намагничивает множество зубьев 102, образованных магнитно-мягким сердечником. Сердечник статора формируют вокруг обмотки 20, в то время как в конструкциях других обычных электрических машин обмотку формируют вокруг отдельной секции зубчатого сердечника. Говоря конкретнее, модулируемая полюсная электрическая машина, представленная на Фиг.9 и 10, содержит две секции 14, 16 сердечника статора, каждая из которых включает в себя множество зубьев 102 и имеет, по существу, кольцевую форму, обмотку 20, расположенную между первой и второй кольцевыми секциями сердечника статора, и ротор 30, включающий в себя множество постоянных магнитов 22. Кроме того, секции 14, 16 сердечника статора, обмотка 20 и ротор 30 окружают общую геометрическую ось, и множество зубьев 102 двух секций сердечника статора 14, 16 расположено таким образом, что они выступают в сторону ротора 30, образуя замкнутый путь магнитного потока. Зубья двух секций 14, 16 сердечника статора смещены относительно друг друга в направлении вращения.
Каждая секция статора содержит кольцевой задний участок 261 сердечника, обеспечивающий кольцевой путь магнитного потока между соседними зубьями. Статор также содержит перемычку или ярмо 18 для магнитного потока, обеспечивающую, по меньшей мере, осевой путь магнитного потока между двумя секциями сердечника статора. В машине, представленной на Фиг.9 и 10, зубья статора выступают в радиальном направлении к ротору, в данном случае ротор окружает статор. Однако статор с тем же успехом может быть размещен снаружи относительно ротора. Варианты осуществления описанного здесь ротора могут быть использованы в однофазных и/или в многофазных машинах.
Активный ротор 30 составлен из четного количества сегментов 22, 24, при этом половина из данного количества сегментов, называемых также полюсными секциями 24 ротора, изготовлена из магнитно-мягкого материала, а другая половина сегментов 22 из материала для постоянных магнитов. Данные сегменты могут быть изготовлены как отдельные элементы. С целью иллюстрации на Фиг.9-10 показаны только магнитно-активные части ротора. Трубчатая опорная конструкция, описанная в данной заявке, не показана подробно на Фиг.9-10.
Постоянные магниты 22 расположены таким образом, чтобы направление намагничивания постоянных магнитов было, по существу, круговым, т.е. северные и южные полюса соответственно были ориентированы, по существу, в окружном направлении. Кроме того, каждый второй постоянный магнит 22, если считать по окружности, имеет направление намагничивания, противоположное по отношению к расположенным рядом с ним постоянным магнитам. Магнитная функциональность магнитно-мягких полюсных секций 24 в желаемой конструкции машины является полностью трехмерной, и каждая магнитно-мягкая полюсная секция 24 может эффективно переносить переменный магнитный поток с высокой магнитной проницаемостью во всех трех направлениях пространства.
Данная конструкция ротора 30 и статора 10 имеет преимущество, состоящее в возможности концентрации магнитного потока от постоянных магнитов 22 таким образом, что поверхность ротора 30, обращенная к зубу статора 10, может передавать полный магнитный поток от обоих постоянных магнитов 22 к поверхности обращенного к ней зуба. Концентрация магнитного потока может быть представлена как функция площади постоянных магнитов 22, обращенных к каждой полюсной секции 24, деленная на площадь, обращенную к зубу. В частности, благодаря окружному смещению зубьев, зуб, обращенный к полюсной секции, образует вместе с ней активный воздушный зазор, который лишь частично продолжается в осевой протяженности полюсной секции. Тем не менее магнитный поток от всей осевой протяженности постоянных магнитов направлен по оси и по радиусу полюсной секции к активному воздушному зазору. Данные свойства концентрации потока, присущие каждой полюсной секции 24, дают возможность использовать в роторе слабые и дешевые магниты в качестве постоянных магнитов 22, получая при этом очень высокие показатели плотности магнитного потока в воздушном зазоре. Концентрация потока может быть усилена при изготовлении полюсной секции из магнитного порошка, что дает возможность эффективной трехмерной передачи магнитного потока. Кроме того, данная конструкция также дает возможность обеспечить более эффективное использование магнитов по сравнению с другими соответствующими типами машин.
Снова обратимся к Фиг.9 и 10: однофазный статор 10 может быть использован как статор однофазной машины, как проиллюстрировано на Фиг.9 и 10, и/или в качестве фазы статора многофазной машины, например одной из фаз статора 10а-с машины, представленной на Фиг.11. Статор 10 содержит две идентичные секции 14, 16 сердечника статора, каждая из которых содержит некоторое количество зубьев 102. Каждая секция сердечника статора изготовлена из магнитно-мягкого порошка, сжатого в пресс-форме с приданием ему формы. Если секции сердечника статора имеют идентичную форму, их можно прессовать в одной и той же форме. Затем две секции сердечника статора соединяют на второй операции, и вместе они образуют сердечник статора с выступающими в радиальном направлении зубьями, при этом зубья одной секции сердечника статора смещены по оси и по окружности относительно зубьев другой секции сердечника статора.
Каждая из секций 14, 16 сердечника статора может быть изготовлена сжатием как один цельный элемент. Каждая секция 14, 16 сердечника статора может быть выполнена как кольцевой диск с центральным, по существу, круговым отверстием, образованным радиально внутренней кромкой 551 кольцевого заднего участка 261 сердечника. Зубья 102 выступают радиально наружу из радиально наружной кромки задней части кольцевого дискового сердечника. Кольцевая часть между внутренней кромкой 551 и зубьями 102 обеспечивает радиальный и окружной путь магнитного потока и боковую стенку круговой полости, вмещающей обмотку 20. Каждая секция сердечника статора содержит круговой фланец 18 вблизи внутренней кромки 551. В собранном статоре круговой фланец 18 расположен с внутренней стороны секции сердечника статора, т.е. со стороны, обращенной к обмотке 20 и другой секции сердечника статора. В варианте осуществления, представленном на Фиг.9 и 10, секции 14, 16 сердечника статора выполнены из одинаковых элементов. В частности, обе секции сердечника статора содержат фланец 18, выступающий в сторону соответствующей другой секции сердечника статора. В собранном статоре фланцы 18 упираются друг в друга и образуют осевую перемычку для магнитного потока, позволяющую обеспечить осевой путь магнитного потока между секциями сердечника статора. В собранном статоре для машины с наружным ротором обмотка, таким образом, окружает заднюю часть сердечника статора, образованную фланцами 18. Каждый из зубьев 102 имеет поверхность стыка 262, обращенную к воздушному зазору. Во время работы машины магнитный поток передается через поверхность стыка 262 посредством воздушного зазора и через соответствующую поверхность стыка полюсного элемента ротора.
На Фиг.11,а проиллюстрированы активные части представленной в качестве примера трехфазной модулируемой полюсной машины, тогда как на Фиг.11,b показан пример статора машины, представленной на Фиг.11,а. Машина содержит статор 10 и ротор 30. Статор 10 содержит 3 фазные секции 10а, 10b, 10с, каждая из которых описана в связи с Фиг.9 и 10. В частности, каждая фазная секция статора содержит соответствующую пару статорных элементов: 14а, 16а; 14b, 16b; и 14с, 16с соответственно, каждая из которых содержит одну круговую обмотку 20а-с соответственно.
Отсюда, как в примере, представленном на Фиг.9 и 10, каждая фазная секция 10а-с статора электрической модулируемой полюсной машины, представленная на Фиг.11, содержит центральную обмотку 20а-с, например одну обмотку, которая намагничивает множество зубьев 102, образованных магнитно-мягким сердечником. Более конкретно, каждая фаза 10а-с статора известной электрической модулируемой полюсной машины 100 содержит две секции 14, 16 сердечника статора, каждая из которых включает в себя множество зубьев 102 и имеет, по существу, кольцевую форму, при этом между первой и второй секциями сердечника статора расположена обмотка 20. Кроме того, секции 14, 16 сердечника статора и обмотка 20 каждой фазы статора окружают общую ось, и множество зубьев 102 секций 14 сердечника статора расположено таким образом, что они выступают радиально наружу. В примере, представленном на Фиг.11, ротор 30 расположен соосно со статором 10 и окружает статор, образуя воздушный зазор между зубьями 102 статора и ротором. Ротор может быть снабжен чередующимися постоянными магнитами 22 и полюсными элементами 24, как описано в связи с Фиг.9 и 10, но продолжающимися в осевом направлении поперек всех фазных секций статора.
Хотя некоторые варианты осуществления были описаны и показаны на чертежах подробно, изобретение не ограничивается ими, но также может быть воплощено другими способами в рамках предмета изобретения, определенного в приведенной ниже формуле изобретения. В частности, следует понимать, что могут быть использованы другие варианты осуществления и что конструктивные и функциональные изменения могут быть внесены без отступления от объема настоящего изобретения.
Раскрытые здесь варианты осуществления изобретения могут быть использованы для двигателя прямого привода колес электровелосипеда или другого электрического транспортного средства, в частности облегченного транспортного средства. Для таких применений может потребоваться большой крутящий момент, относительно низкая скорость и низкая стоимость. Данные требования могут быть удовлетворены двигателем с относительно большим числом полюсов и с компактной геометрической формой, в котором использован малый объем постоянных магнитов и обмоток, чтобы разместить двигатель в транспортном средстве и удовлетворить ценовым требованиями с помощью усовершенствованного процесса сборки ротора.
В устройстве, для которого перечислено несколько средств, некоторые из этих средств могут быть воплощены одним и тем же изделием. Сам факт того, что определенные меры перечислены в разных зависимых пунктах формулы изобретения или описаны в разных вариантах осуществления, не указывает на то, что нельзя использовать сочетание данных мер с целью получения преимуществ.
Следует подчеркнуть, что термин «содержит/содержащий», используемый в данном описании, используется для определения наличия упомянутых признаков, величин, этапов или элементов, но не препятствует наличию или добавлению одного или более других признаков, величин, этапов, элементов или их групп.
1. Ротор для модулируемой полюсной машины, предназначенный для создания магнитного поля ротора, взаимодействующего с магнитным полем статора модулируемой полюсной машины, причем упомянутый ротор содержит:
- трубчатую опорную конструкцию, образующую круговую установочную поверхность, причем трубчатая опорная конструкция содержит множество продолговатых углублений в установочной поверхности, при этом продолговатые углубления продолжаются в направлении оси трубчатой опорной конструкции; и
- множество постоянных магнитов, намагниченных в направлении окружности упомянутого ротора таким образом, чтобы создавать магнитное поле ротора, причем постоянные магниты отделены друг от друга в направлении окружности ротора продолжающимися в осевом направлении полюсными секциями ротора, чтобы направлять магнитное поле, создаваемое упомянутыми постоянными магнитами, по меньшей мере, в радиальном направлении, при этом постоянные магниты в радиальном направлении проходят, по меньшей мере, частично в соответствующие углубления из множества углублений, и соответствующая полюсная секция размещена между двумя соседними постоянными магнитами.
2. Ротор по п.1, в котором множество углублений позволяет регулировать положение постоянных магнитов в радиальном направлении таким образом, чтобы можно было регулировать длину части каждого постоянного магнита, выступающей из углубления.
3. Ротор по любому из предшествующих пунктов, в котором каждый постоянный магнит контактирует с двумя боковыми стенками упомянутого углубления.
4. Ротор по п.1 или 2, в котором постоянные магниты установлены внутри углублений трубчатой опорной конструкции по посадке с натягом, образованной боковыми стенками упомянутого углубления.
5. Ротор для модулируемой полюсной машины, предназначенный для создания магнитного поля ротора, взаимодействующего с магнитным полем статора модулируемой полюсной машины, причем упомянутый ротор содержит:
- трубчатую опорную конструкцию, образующую круговую установочную поверхность, причем трубчатая опорная конструкция содержит множество продолговатых углублений в установочной поверхности, при этом продолговатые углубления продолжаются в направлении оси трубчатой опорной конструкции; и
- множество постоянных магнитов, намагниченных в направлении окружности упомянутого ротора таким образом, чтобы создавать магнитное поле ротора, причем постоянные магниты отделены друг от друга в направлении окружности ротора продолжающимися в осевом направлении полюсными секциями ротора, чтобы направлять магнитное поле, создаваемое упомянутыми постоянными магнитами, по меньшей мере, в радиальном направлении, при этом, по меньшей мере, одна полюсная секция продолжается в радиальном направлении, по меньшей мере, частично в соответствующее одно углубление из множества углублений; причем полюсная секция ротора при установке ее в углубление упомянутой опорной конструкции выступает в радиальном направлении из упомянутого углубления, образующего радиальную ось, при этом полюсная секция ротора содержит:
- первый участок постоянной ширины, образующий первый конец упомянутой полюсной секции ротора и предназначенный, по меньшей мере, для частичной установки в углубление упомянутой опорной конструкции, при этом упомянутый первый участок постоянной ширины имеет две параллельные боковые стенки, так что ширина полюсной секции ротора на упомянутом первом участке постоянной ширины является постоянной,
- сужающийся участок, который начинается в месте окончания первого участка постоянной ширины, причем упомянутый сужающийся участок имеет две непараллельные боковые стенки, такие, что ширина упомянутой полюсной секции ротора на упомянутом сужающемся участке не является постоянной.
6. Ротор по п.5, в котором полюсная секция дополнительно содержит второй участок постоянной ширины, который начинается в месте окончания сужающегося участка и образует второй конец упомянутой полюсной секции ротора, причем боковые стенки упомянутого второго участка постоянной ширины параллельны, так что ширина упомянутой полюсной секции ротора на упомянутом втором участке постоянной ширины является постоянной.
7. Ротор по п.5 или 6, в котором множество углублений приспособлено для обеспечения возможности регулирования положения полюсных секций ротора в радиальном направлении, что позволяет регулировать радиальную длину части каждой полюсной секции ротора, выступающей из углубления.
8. Ротор по п.5 или 6, в котором полюсные секции установлены внутри углублений трубчатой опорной конструкции по посадке с натягом, образованной боковыми стенками упомянутого углубления.
9. Ротор по п.5 или 6, в котором круговая установочная поверхность представляет собой внутреннюю поверхность трубчатой опорной конструкции.
10. Ротор по п.5 или 6, в котором круговая установочная поверхность представляет собой наружную поверхность трубчатой опорной конструкции.
11. Ротор по п.5 или 6, в котором полюсные секции изготовлены из магнитно-мягкого материала.
12. Ротор по п.5 или 6, в котором трубчатая опорная конструкция изготовлена из немагнитного материала, такого как алюминий или пластмасса.
13. Полюсная секция ротора, содержащая:
- первый участок постоянной ширины, образующий первый конец упомянутой полюсной секции ротора и предназначенный, по меньшей мере, для частичной установки в углубление упомянутой опорной конструкции, при этом упомянутый первый участок постоянной ширины имеет две параллельные боковые стенки, так что ширина полюсной секции ротора на упомянутом первом участке постоянной ширины является постоянной,
- сужающийся участок, который начинается в месте окончания первого участка постоянной ширины, причем упомянутый сужающийся участок имеет две непараллельные боковые стенки, такие, что ширина упомянутой полюсной секции ротора на упомянутом сужающемся участке не является постоянной.
14. Полюсная секция ротора по п.13, которая дополнительно содержит второй участок постоянной ширины, который начинается в месте окончания сужающегося участка и образует второй конец упомянутой полюсной секции ротора, причем боковые стенки упомянутого второго участка постоянной ширины параллельны, так что ширина упомянутой полюсной секции ротора на упомянутом втором участке постоянной ширины является постоянной.
15. Способ изготовления полюсной секции ротора по любому из пп.13 или 14, в котором используется метод спрессовки порошка, содержащий следующие этапы:
- получают матрицу, имеющую форму, обратную по отношению к форме полюсной секции ротора, и содержащую первый участок постоянной ширины и второй участок постоянной ширины;
- заполняют упомянутую матрицу магнитным порошком;
- прессуют магнитный порошок в матрице, используя, по меньшей мере, два пуансона, при этом, по меньшей мере, один из пуансонов перемещается навстречу другому пуансону по радиальной оси получаемой полюсной секции ротора, частично входя, по меньшей мере, в один из участков постоянной ширины матрицы, первый или второй, таким образом, что длина, по меньшей мере, одного из участков постоянной ширины получаемой в результате полюсной секции ротора уменьшается.
16. Способ изготовления ротора для модулируемой полюсной машины, причем упомянутый ротор содержит трубчатую опорную конструкцию, образующую круговую установочную поверхность, причем трубчатая опорная конструкция образует множество продолговатых углублений, расположенных с определенными промежутками вдоль установочной поверхности опорной конструкции, в установочной поверхности, причем продолговатые углубления продолжаются в направлении оси трубчатой опорной конструкции, и каждое углубление имеет две боковые стенки; ротор также содержит множество постоянных магнитов, разделенных в окружном направлении продолжающимися в осевом направлении полюсными секциями ротора, изготовленными из магнитно-мягкого материала, причем способ содержит следующие этапы:
- размещают либо постоянный магнит, либо полюсную секцию, по меньшей мере, частично внутри каждого углубления, при этом постоянные магниты или полюсные секции ротора продолжаются радиально наружу из углублений, образуя тем самым множество пазов между двумя соседними углублениями;
- размещают либо постоянный магнит, либо полюсную секцию ротора внутри каждого из образовавшихся пазов.
17. Способ по п.16, который дополнительно содержит этап, на котором устанавливают фиксатор воздушного зазора, концентрично с опорной конструкцией, при этом регулируют радиальное положение полюсной секции ротора или постоянного магнита в углублении таким образом, что сторона постоянного магнита или полюсной секции ротора, обращенная к фиксатору воздушного зазора, контактирует с упомянутым фиксатором воздушного зазора.
18. Способ по п.17, в котором фиксатор воздушного зазора дополнительно содержит магнитное устройство для усиления контактного давления между полюсной секцией ротора или постоянным магнитом и фиксатором воздушного зазора.
19. Модулируемая полюсная машина, содержащая статор и ротор по любому из пп.1-12, в которой статор содержит:
- первую и вторую секции сердечника статора, каждая из которых включает в себя множество зубьев, выступающих в радиальном направлении в сторону ротора, и
- обмотку, расположенную между первой и второй секциями сердечника статора; причем зубья второй секции сердечника статора смещены по окружности относительно зубьев первой секции сердечника статора, при этом продолжающиеся в осевом направлении полюсные секции ротора, разделяющие постоянные магниты, продолжаются в осевом направлении до каждой секции сердечника ротора, первой и второй, и направление намагничивания постоянных магнитов ротора, по существу, является круговым, чтобы создавать путь магнитного потока, создаваемого в продолжающихся в осевом направлении полюсных секциях в процессе эксплуатации модулируемой полюсной машины, продолжающийся, по меньшей мере, по окружности и в осевом направлении, и концентрировать магнитный поток от участков соседних постоянных магнитов, обращенных к месту расположения зуба одной из секций статора, при этом направлении намагничивания каждого второго постоянного магнита противоположно направлению намагничивания постоянных магнитов, находящихся между ними.
