專利名稱：同步軸向場電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種同步軸向場電機。例如，該機器可以為永磁體機器或電磁體機器，并可以為發(fā)電機或電動機。
同步軸向場電機為公知的，例如為發(fā)電機形式，其中，磁體相對于電導體運動，以便將運動轉(zhuǎn)變成電力。
同步軸向場電機可以是多種不同結(jié)構(gòu)，磁體通常相對于靜止導體線圈運動。該磁體通常安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，旋轉(zhuǎn)組件稱為轉(zhuǎn)子組件。導體線圈的靜止結(jié)構(gòu)稱為定子組件。
在同步軸向場電機的普通結(jié)構(gòu)中，磁體(通常為永磁體形式)成環(huán)形排列沿徑向布置在一對平行軟磁鋼盤或板上，其中，在各板上的相鄰磁體的磁極交替。然后，安裝兩個盤，以便在這兩個盤之間有氣隙的情況下繞公共軸線旋轉(zhuǎn)，這樣，在一個盤上的磁體直接與在另一盤上的相反極性的磁體對齊。磁通量經(jīng)過在相對磁體之間的氣隙，并通過穿過該盤至相鄰磁體然后通過相鄰氣隙，從而完成磁路。
本文中，軟磁材料的意思是指能夠在磁場中磁化但是不能永久性磁化的材料。
靜止導體線圈為扁平形，并以環(huán)形排列的方式布置在兩個盤之間的氣隙中。盤的旋轉(zhuǎn)使得變化的磁場通過導體，并產(chǎn)生電流。實際上，定子采用的導體線圈的寬度與相鄰磁體之間的間距相同。這樣的效果是使線圈的各側(cè)將經(jīng)歷相反方向的磁場，從而使得電流在線圈的一側(cè)沿徑向向外的方向流動，而在線圈的另一側(cè)沿徑向向內(nèi)的方向流動。因此，在任何時間點，電流將繞線圈沿順時針方向或逆時針方向被驅(qū)動。這是同步軸向場電機的公共情況。
為了減小在轉(zhuǎn)子盤中的渦電流損失，希望使得在定子中用于轉(zhuǎn)子中的每個磁體對的線圈數(shù)目最大。當線圈簡單地并排布置時，因為線圈的寬度與磁體間距相同，因此將限制可布置的線圈的數(shù)目。解決該問題的方法是使線圈環(huán)繞定子交疊，這樣，一個線圈的左手側(cè)邊在相鄰線圈的右手側(cè)邊的上面或下面。不過，這樣的結(jié)構(gòu)有多個缺點它的制造復雜，且線圈很難冷卻，因為需要支承定子的外表面的線圈。
顯然，這樣的電機可以為發(fā)電機或電動機，且磁體可以布置在轉(zhuǎn)子上或定子上。
這樣的電機(為電動機形式)由US-A-4551645可知，該文獻表示了多種線圈結(jié)構(gòu)。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種同步軸向場電機，它克服或至少改善了上述缺點。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種同步軸向場電機，它包括第一基本平面部件以及布置成與該第一基本平面部件基本平行的第二基本平面部件，該第一和第二部件可繞公共軸線彼此相對旋轉(zhuǎn)，該公共軸線基本垂直于該第一和第二部件的平面，其中，該第一部件提供有環(huán)形組磁體，該環(huán)形組磁體與公共軸線同軸，并提供通過第二部件的基本軸向的磁場，且該第二部件提供有第一環(huán)形組的扁平線圈，該組線圈與公共軸線同軸，并基本并排地布置成第一層，該第二部件還提供有第二環(huán)形組的扁平線圈，該組線圈與公共軸線同軸，并基本并排地布置成第二層，該第二組線圈相對于第一組線圈沿周向偏離。
磁體可以包括永磁體和/或電磁體。
第一平面部件可以包括轉(zhuǎn)子組件，而第二平面部件可以包括定子組件。
第一平面部件可以由單個部件形成。也就是，第一平面部件可以并不分層。
第一平面部件可以由軟磁材料形成，例如鋼，如軟鋼。
磁體和線圈可以布置在離公共軸線基本相同徑向距離處。
第一平面部件可以包括第一和第二同軸板，它們彼此間隔開。磁體可以布置在各第一和第二板的、對著另一板的面上。第一和第二板可以繞它的外周區(qū)域固定在一起。第二部件可以布置在第一和第二板之間的氣隙中。
第一和第二組扁平線圈可以布置在支承部件的相對面上。支承部件可以由非磁性、非導電材料例如玻璃纖維增強塑料制成。該支承部件可以為環(huán)形，并可以通過輻條與軸連接?；蛘撸С胁考梢耘c軸連接，并可以提供有用于使冷卻空氣通過的孔。
線圈可以埋入樹脂材料例如環(huán)氧樹脂中。
可以提供有一層或多層線圈。
各層線圈可以彼此偏離，偏離量基本等于相鄰線圈的節(jié)距除以層數(shù)。例如，可以提供有兩層線圈，一層線圈相對于另一層線圈偏離，該偏離量基本等于相鄰線圈的節(jié)距的一半。
同步軸向場電機可以為發(fā)電機或電動機的形式。
為了更好地理解本發(fā)明和更清楚地表示怎樣實現(xiàn)本發(fā)明，下面將參考附圖并通過實例來介紹，附圖中

圖1是本發(fā)明的同步軸向場電機的一個實施例的定子組件部分的平面圖；圖2是沿圖1中的線A-A的剖視圖；圖3是圖1和2中所示的定子組件部分的透視圖，該定子組件部分安裝在主軸上，以便形成定子組件；圖4是本發(fā)明的同步軸向場電機的一個實施例的轉(zhuǎn)子組件的透視圖，該同步軸向場電機為永磁體電機的形式，其中，為了清楚，頂部板進行了局部切除，且省略了定子組件；圖5是本發(fā)明的同步軸向場電機的透視圖，表示了圖4的轉(zhuǎn)子組件和圖1至3的定子組件，其中，為了清楚，對轉(zhuǎn)子組件的頂部板進行了局部切除；圖6是同步軸向場電機的一個實施例的示意圖，該同步軸向場電機設(shè)置為發(fā)電機，其中，對多相輸出進行整流，以便產(chǎn)生直流電輸出；以及圖7是同步軸向場電機的另一實施例的視圖，該同步軸向場電機設(shè)置為發(fā)電機，其中，對一個輸出相進行整流，以便產(chǎn)生直流電輸出。
圖1至5示出了呈永磁體電機形式的同步軸向場電機，其構(gòu)成發(fā)電機，其中，永磁體設(shè)置在轉(zhuǎn)子組件上。然而，可以理解，容易以多種方式將該電機改變。例如，可以容易地將該電機用作電動機，可將永磁體設(shè)在定子組件上。還可理解，可用電磁體代替永磁體。
圖1和2表示了發(fā)電機的定子組件部分，它包括玻璃纖維增強塑料(或其它適當非磁性和非導電材料)制成的環(huán)形本體3。單層扁平導體線圈1粘在該環(huán)形本體3的一面上，該導體線圈1成銅線氣芯線圈(air coil)的形式，且該線圈1基本并排地布置成與環(huán)形本體3的軸線同軸的環(huán)形結(jié)構(gòu)。另一單層扁平導體線圈2粘在環(huán)形本體3的另一面上，該導體線圈2也成銅線氣芯線圈的形式。該線圈2基本并排地布置成與環(huán)形本體3的軸線同軸的環(huán)形結(jié)構(gòu)，且半徑基本與該層線圈1相同。環(huán)形本體3和該層線圈1和2的組件埋入樹脂材料4例如環(huán)氧樹脂或其它塑料樹脂材料中，以便形成定子組件部分，其中，樹脂材料用于線圈的定位、保護和電絕緣。
如圖1所示，兩層扁平線圈1和2彼此沿周向偏離，該偏離量對應(yīng)于線圈的周向尺寸的一半，也就是，該偏離量基本對應(yīng)于相鄰線圈的節(jié)距除以層數(shù)。
需要時，定子組件可以在其軸向面提供有薄壁，以便保護線圈和增強該定子組件，同時不會明顯降低該線圈通過氣流冷卻的能力。
如圖3所示，通過利用輻條式定子輪轂6將圖1和2的定子部件固定在主軸5上而形成定子組件，該定子輪轂6通過合適的固定裝置而固定在圖1和2的定子部件上。該定子輪轂6的輻條允許空氣通過定子組件的任意一側(cè)，以便進行冷卻。
圖4表示了轉(zhuǎn)子組件，該轉(zhuǎn)子組件包括兩個平行板9和10，這兩個平行板9和10通過多個分隔件12而環(huán)繞它的外周固定在一起，這樣，板9和10不能彼此相對旋轉(zhuǎn)。該板9和10通過軸承11而可環(huán)繞主軸5的公共軸線旋轉(zhuǎn)。板9和10分別由單件軟磁材料例如軟鋼制成。
多個永磁體7固定在板9上，并在對著板10的面上，該磁體7并排布置成與主軸5的軸線同軸的環(huán)形組，且半徑基本等于線圈1和2的半徑。磁體7沿徑向布置成這樣，即在鄰接磁體中，相反極性的磁極相鄰。
同樣多個永磁體8固定在板10上，并在對著板9的面上，該磁體8并排布置成與主軸5的軸線同軸的環(huán)形組，且半徑基本等于磁體7以及線圈1和2的半徑。磁體8沿徑向布置成這樣，即在鄰接磁體中，相反極性的磁極相鄰，且各磁體8在相反極性的磁極彼此相對的情況下對著相應(yīng)磁體7。因此，磁體7和8在定子組件中產(chǎn)生基本軸向的磁場。
圖5表示了圖3的定子組件，該定子組件定位在圖4的轉(zhuǎn)子組件中，其中，線圈1和2以預定氣隙定位在固定于板9和10上的磁體7和8的兩個環(huán)形組之間。
線圈1和2設(shè)置成扁平線圈，且線圈定位成平鋪在環(huán)形本體3的相對面上，這使得線圈能夠定位成靠近永磁體7和8，從而使氣隙尺寸能夠保持最小，同時使各線圈的基本整個表面區(qū)域都能夠冷卻。環(huán)形本體的厚度可以為使得尺寸穩(wěn)定所需的厚度，同時通過在露出面散熱而不減小線圈的冷卻能力。
對于各板9和10使用單件軟磁材料(也就是該板并不分層)的優(yōu)點是該板9和10能夠經(jīng)濟地制造，并有足夠強度，以便支承其它部件，例如風輪機的葉片。不過，板9和10的單體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生在板內(nèi)的渦電流損失。通過使兩層扁平線圈彼此周向偏離的量等于線圈周向尺寸的一半，可以減小該渦電流損失。
圖1至5中所示的機器為三相電機，其中，在相鄰線圈之間的角距為相鄰磁體之間的角距的一又三分之一倍(這時，角距定義為在相鄰線圈或磁體中心之間繞旋轉(zhuǎn)軸線測量的角度)。因此，在所示實施例中，有12個線圈1、12個線圈2以及16個磁體7和16個磁體8。線圈1和2連接成使得相位在兩層線圈之間交替。因此，第一相可以是線圈1，這時第二相為與第一相的線圈1局部交疊的線圈2，第三相為與第一相的線圈1相鄰且與第二相的線圈2局部交疊的線圈1。然后，該模式繼續(xù)，其中第一相為與第二相的線圈2相鄰且與第三相的線圈1局部交疊的線圈2，如此類推。
需要時，通過選擇相鄰線圈的角距與相鄰磁體的角距之間的合適比例，電機可以產(chǎn)生任意數(shù)目的相。
上面所述圖1至5所示的電機可以以多種方式變化。例如，多個電機可以布置在公共軸線上，一個電機在另一個電機的后面。而且，電機可以作為電動機，而代替作為發(fā)電機。還有，永磁體可以由電磁體代替。在另一變化形式中，磁體可以布置在定子組件上，線圈可以布置在轉(zhuǎn)子組件上。而且，單組磁體可以布置在兩層線圈之間，一層線圈相對于另一層線圈如上所述沿周向偏離。
線圈的層數(shù)并不局限于兩層，可以有三層或更多層線圈。相數(shù)可以通過合適地選擇線圈的層數(shù)以及在相鄰線圈和相鄰磁體之間的角距比例而進行選擇。這樣，電機可以是多相電機，也就是三相或更多相。而且，特別是當電機為發(fā)電機形式時，交流電輸出可以進行整流，以便提供直流電輸出。
圖6是星形結(jié)構(gòu)的發(fā)電機的示意圖，這時將產(chǎn)生三相，不過該相數(shù)并不重要。這樣的一個實例是當相數(shù)等于線圈數(shù)時。相同相的線圈1和2可以成組地串聯(lián)或并聯(lián)連接，且各組交流電輸出通過二極管13整流，以便產(chǎn)生直流電輸出14。
圖7是表示各線圈1或2或者串聯(lián)或并聯(lián)連接的相同相線圈組與其它線圈電絕緣時的示意圖。發(fā)電機的交流電輸出例如使用橋形整流器15整流，以便產(chǎn)生直流電輸出14。由多個整流器輸出的直流電可以連接在一起。應(yīng)當知道，需要時也可以使用圖6中所示的整流器結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種同步軸向場電機，包括第一基本平面部件(9、10)以及與該第一基本平面部件基本平行的第二基本平面部件(3)，該第一和第二部件可繞一公共軸線彼此相對旋轉(zhuǎn)，該公共軸線基本垂直于該第一和第二部件的平面，其特征在于該第一部件(9、10)提供有環(huán)形組磁體(7、8)，該環(huán)形組磁體與公共軸線同軸，并用于提供通過第二部件的基本軸向的磁場，且該第二部件(3)提供有第一環(huán)形組的扁平線圈(1)，該組線圈(1)與公共軸線同軸，并基本并排地布置成第一層，該第二部件還提供有第二環(huán)形組的扁平線圈(2)，該組線圈(2)與公共軸線同軸，并基本并排地布置成第二層，該第二組線圈(2)相對于第一組線圈(1)沿周向偏離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機，其特征在于磁體(7、8)包括永磁體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電機，其特征在于磁體(7、8)包括電磁體。
4.根據(jù)前述任意一個權(quán)利要求所述的電機，其特征在于第一平面部件(9、10)包括轉(zhuǎn)子組件，而第二平面部件(3)包括定子組件。
5.根據(jù)前述任意一個權(quán)利要求所述的電機，其特征在于第一平面部件(9、10)由單個部件形成。
6.根據(jù)前述任意一個權(quán)利要求所述的電機，其特征在于第一平面部件(9、10)由軟磁材料形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電機，其特征在于該軟磁材料包括鋼，如軟鋼。
8.根據(jù)前述任意一個權(quán)利要求所述的電機，其特征在于磁體(7、8)和線圈(1、2)布置在離公共軸線基本相同徑向距離處。
9.根據(jù)前述任意一個權(quán)利要求所述的電機，其特征在于第一平面部件包括第一和第二同軸板(9、10)，它們彼此間隔開。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電機，其特征在于磁體(7、8)布置在各第一和第二板的(9、10)的、對著另一板的面上。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的電機，其特征在于第一和第二板(9、10)繞它的外周區(qū)域固定在一起。
12.根據(jù)權(quán)利要求9、10或11所述的電機，其特征在于第二部件(3)布置在第一和第二板(9、10)之間的氣隙中。
13.根據(jù)前述任意一個權(quán)利要求所述的電機，其特征在于第一和第二組扁平線圈(1、2)布置在支承部件(3)的相對面上。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電機，其特征在于支承部件(3)由非磁性、非導電材料制成。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電機，其特征在于支承部件(3)由玻璃纖維增強塑料制成。
16.根據(jù)權(quán)利要求13至15中任意一個所述的電機，其特征在于該支承部件(3)為環(huán)形，并可以通過輻條(6)與軸(5)連接。
17.根據(jù)權(quán)利要求13至15中任意一個所述的電機，其特征在于該支承部件(3)與軸(5)連接，并提供有用于使冷卻空氣通過的孔。
18.根據(jù)前述任意一個權(quán)利要求所述的電機，其特征在于線圈(1、2)埋入樹脂材料(4)例如環(huán)氧樹脂中。
19.根據(jù)前述任意一個權(quán)利要求所述的電機，其特征在于提供有一層或更多層線圈(1、2)。
20.根據(jù)前述任意一個權(quán)利要求所述的電機，其特征在于各層線圈(1、2)彼此偏離，偏離量基本對應(yīng)于相鄰線圈的節(jié)距除以層數(shù)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的電機，其特征在于提供有兩層線圈(1、2)，一層線圈(1)相對于另一層線圈(2)偏離，該偏離量基本對應(yīng)于相鄰線圈之間的節(jié)距的一半。
22.如前述任意一個權(quán)利要求所述的永磁體電機，它為發(fā)電機形式。
23.如權(quán)利要求1至21中任意一個所述的永磁體電機，它為電動機形式。
全文摘要
一種同步軸向場電機，包括第一基本平面部件(9、10)以及布置成與該第一基本平面部件基本平行的第二基本平面部件(3)，該第一和第二部件可繞公共軸線彼此相對旋轉(zhuǎn)，該公共軸線基本垂直于該第一和第二部件的平面，其特征在于該第一部件(9、10)提供有環(huán)形組磁體(7、8)，該環(huán)形組磁體與公共軸線同軸，并提供通過第二部件的基本軸向磁場，且該第二部件(3)提供有第一環(huán)形組的扁平線圈(1)，該組線圈與公共軸線同軸，并基本并排地布置成第一層，該第二部件還提供有第二環(huán)形組的扁平線圈(2)，該組線圈與公共軸線同軸，并基本并排地布置成第二層，該第二組線圈相對于第一組線圈(1)沿周向偏離。
文檔編號H02K1/27GK1599970SQ02824115
公開日2005年3月23日 申請日期2002年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月1日
發(fā)明者約翰·C·巴爾森, 戴維·歐文, 羅伯特·J·卡恩, 邁克爾·A·瓦斯特林 申請人:伊斯克拉風力渦輪機制造有限公司