轴向磁通旋转电机及用于其的定子芯和支架制造技术

本公开的实施例涉及将定子附接到轴向磁通旋转电机的端铃，一种轴向磁通旋转电机，包括：端铃；由磁性复合材料制成的定子芯，所述定子芯包括：多个齿，每个齿传输来自磁路的磁通并且通过狭槽与相邻的齿隔开，基部，所述基部连接所述多个齿并且使磁路短路，以及从所述基部延伸的唇缘；和支架，所述支架附接到所述端铃并且与所述唇缘接合以在所述端铃中将单件定子保持固定。

【技术实现步骤摘要】
轴向磁通旋转电机及用于其的定子芯和支架
本技术总体上涉及旋转电机，例如马达和发电机。
技术介绍
已知以各种不同的类型和几何形状存在的旋转电机(诸如马达和发电机)。例如，一些旋转电机依赖于磁极件的永磁体。由于性能原因，这些永磁体通常包括稀土元素，例如钕、钐、铈、铽、镨、钆和镝。永磁同步电机通常是理想的，因为它们表现出高的起动转矩，高效率和高功率密度。然而，高性能永久旋转电机所依赖的稀土金属主要仅由世界上少数地区的矿场生产。用于磁铁的稀土元素会显著增加电机的成本，并且开采它们的过程几乎总是对环境造成破坏。稀土元素在供应链中引入了漏洞。最后，加热时，存在稀土元素可能会失去它们的磁性能的风险。永磁旋转电机的替代物是感应旋转电机。感应电机不依赖于永磁体。取而代之的是，感应电机使用通过改变电流产生的感应磁场进行操作。感应电机的芯可以简单地是铁或其它可导磁的材料。尽管感应电机避免了对稀土的需求，但是由于广泛可用的感应电机的较低的功率密度和较低的起动转矩，因此该广泛可用的感应电机被认为不适用于许多应用。通常，旋转电机存在两种几何形状：径向和轴向。径向磁通马达垂直于马达轴传输磁通。利用这些径向磁通马达，转子(该马达中旋转的部件)和定子(该马达中保持固定的部件)两者往往都是圆柱形的，并且彼此同心。例如，定子可以包围转子并且朝向转子向内传输磁通。该磁通向转子施加转矩，使其转动。一个示例是常规的鼠笼式马达。相反，轴向磁通马达平行于马达轴传输磁通。代替作为同心圆柱体，在轴向磁通马达中，转子和定子可以是彼此平行且垂直于马达轴安装的盘。定子通过转子施加磁通，从而产生转矩。在Pyrhonen等人在标题为“AxialFluxInductionElectricMachine(轴向磁通感应电机)”的美国专利公开第2008/0001488号中公开了这种轴向磁通马达的示例。通常，轴向磁通马达倾向于比具有相同功率的径向磁通马达更紧凑。换句话说，轴向磁通几何形状倾向于产生更高的功率密度。在包括轴向长度在内的所有其它条件都相等的情况下，增加径向磁通马达的半径可以按照半径差的平方来增加功率输出。相反，在所有其它条件都相等的情况下，增加轴向磁通马达的半径可以按照半径差的立方来增加功率输出。结果是，与使用等效功率的径向电机相比，使用更少的材料可以实现更大的功率输出。在电动汽车中，由于永磁电机的高功率密度、优异的起动转矩和紧凑的尺寸，常规上使用永磁电机。永磁马达通常被认为比感应马达提供更大的起动转矩，因为永磁体已经被励磁。但是，由于(例如根据法拉第定律)在定子线圈中感应的反电动势(backEMF)(电磁通)，永磁马达在给定励磁电压下的转矩与转子转速成反比。更具体地说，虽然永磁(PM)马达的效率最初随转速(从零开始)提高，但是一旦接近额定速度，由于缺少(来自反电动势的)转矩和增加铁损(磁滞和涡电流损)，效率将急剧下降。因此，在高速下，永磁电机的效率会急剧下降，这可能导致电力浪费和转矩受限。这是转矩随速度变化的(几乎)线性损失，然而，这是在牵引电机应用(例如电动汽车)中永磁马达的主要设计限制。实际上，由于这个原因，一些电动车辆使用一对马达：用于低行驶速度的永磁马达和用于高行驶速度的感应马达。常规上，感应电机被认为具有较差的起动转矩。尽管在高转速下感应电机通常比永磁马达更优选，但是常规上，难以设计出在锁定的转子状态下提供大约40％的满载转矩的感应电机。部分原因是感应电机在高转差率下倾向于表现不佳。涡电流可以存在于任何类型的旋转电机中，但是常规上被认为在轴向电机中特别成问题。涡电流是以类似于河流中涡旋的涡流的方式在导电材料内部循环的电流。它们会在系统中尤其是在高频应用中产生不期望的损耗(并因此产生热量)。例如，一些涡电流可以是随着交流电流产生变化的磁通而由变化的磁场在金属芯材料本身中感应的电流。另外，大导体中的涡电流可能是由于与其它导体的相互作用以及旋转电机中的电流回路而引起的。为了减少涡电流，在转子和定子组件中使用了叠片堆。叠片堆包括多个薄钢层以及它们之间的绝缘层，该绝缘层在垂直于该绝缘层的方向上增加磁性材料的电阻率同时在其它方向上保持叠片材料的磁性能。层压材料可以是例如铁或永磁材料。这种叠片堆既可以用在转子盘中，例如用在转子芯中，也可以用做定子芯。但是，叠片堆降低了材料的密度，从而劣化了所需的磁性能。它们还会造成故障点，从而由于应力和疲劳而降低电机的耐用性和可靠性。例如，当电动踏板车和电动自行车撞上街道障碍物(诸如坑洼)时，电动踏板车和电动自行车中的马达可能会经受瞬时的高加速力。如果加速度和颠簸足够大，则这些高加速度(“gee”)力会导致将叠片固定在一起的焊接部经受疲劳或者甚至脆性破坏。如果层叠焊接部失效，则马达本身将停止运行。这会造成严重的安全危害。近来，软磁性复合材料(SMC)材料变得可用。这些软磁性复合材料是涂覆有电绝缘层(通常是蒸汽形成的氧化物)的铁磁粉末颗粒和非金属粘合剂(例如磷)的混合物。这些复合材料可以形成复杂的几何形状。结果是具有各向同性特性的电阻性铁磁材料。与叠片堆不同，各向同性特性使它可以在材料内部的所有方向上承载磁通。而且，与使用较低电阻率的解决方案(例如叠片堆)相比，SMC的高电阻率使磁性系统的设计人员能够更精确地引导磁性系统内的电流的流动。这种复合材料的一个示例是从瑞典的的AB可获得的SOMALOY复合粉末。然而，这些软磁性粉末不能被适当地加工。即，它们难以用常规方法进行加工，并且根本不能通过放电方法(线材(wire)和冲模EDM)进行加工。它们普遍具有非常低的抗拉强度、冲击强度和抗弯模数。当受到大量压缩力时，它们有从固结形式变回成粉末或碎屑或碎片的趋势。因此，尽管这些磁性材料已经用于马达的定子中，但是其用途受到限制。定子通常具有在其上缠绕有线材的齿，称为绕组。绕组可以彼此绝缘，从而允许电流仅沿着线材流动。这种绝缘降低了导电材料的密度，并且最终会限制旋转电机的功率密度。常规上，定子齿在其顶部处具有朝向相邻齿迫近的尖端，从而使齿在顶部处变宽而在底部处变窄，并且使定子狭槽部分地封闭。这被认为是向气隙提供了特殊的磁阻。尖端被认为可以允许磁通以更干净的正弦波传输。远离该正弦波的任何谐波都会在转子中造成额外的损耗。与部分封闭的狭槽一致，用于轴向感应电机的绕组通常用手缠绕。这样做会带来许多问题。首先，这是一个劳动密集型过程，占电机成本的很大一部分。其次，这引入了出错的机会。第三，可固定到定子齿之间的内部环形空间中或其内部的绕组的数目和绕组的类型受到操作人员的技能以及线材的几何形状、线材的绝缘以及定子内部的限制。绕组过程中可能会发生扭结，从而增加不期望的电阻，并显著增加绕组中机械和热机械疲劳失效的风险。对于轴向定子而言尤其如此，因为线圈所需的端匝具有较小的弯曲半径。定子狭槽的填充系数也降低了，因此限制了狭槽中可能产生的H场的数量(总磁化强度)。这限制了最终电机的功率密度。需要相对于现有电机产生更好的效率、功率密度、成本有效性和耐用性的旋转电机。技术内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轴向磁通旋转电机，其特征在于，所述电机包括：/n端铃；/n由磁性复合材料制成的定子芯，所述定子芯包括：/n多个齿，每个齿传输来自磁路的磁通并且通过狭槽与相邻的齿隔开，/n基部，所述基部连接所述多个齿并且使磁路短路，以及/n从所述基部延伸的唇缘；和/n支架，所述支架附接到所述端铃并且与所述唇缘接合以在所述端铃中将单件定子保持固定。/n

【技术特征摘要】
20191030 US 62/928,2821.一种轴向磁通旋转电机，其特征在于，所述电机包括：
端铃；
由磁性复合材料制成的定子芯，所述定子芯包括：
多个齿，每个齿传输来自磁路的磁通并且通过狭槽与相邻的齿隔开，
基部，所述基部连接所述多个齿并且使磁路短路，以及
从所述基部延伸的唇缘；和
支架，所述支架附接到所述端铃并且与所述唇缘接合以在所述端铃中将单件定子保持固定。


2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述磁性复合材料是软磁性复合材料。


3.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述磁性复合材料是铁磁粉末，其中，所述铁磁粉末的各个颗粒彼此绝缘。


4.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述磁性复合材料是各向同性的。


5.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述支架被配置成将所述唇缘与所述端铃保持齐平。


6.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述支架被配置成将所述定子唇缘与所述端铃保持齐平。


7.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述磁性复合材料具有第一膨胀系数，其中，所述支架包括：
磁中性金属，所述磁中性金属具有不同于所述第一膨胀系数的第二膨胀系数；和
涂层，所述涂层在所述磁中性金属和所述唇缘之间，使得在不同的所述第一膨胀系数和所述第二膨胀系数的情况下，所述定子芯在所述电机的给定的工作温度范围内保持附接到所述端铃。


8.根据权利要求7所述的电机，其特征在于，所述涂层由硫化橡胶制成。


9.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，进一步包括螺栓，所述螺栓拧入到所述支架中并将所述支架保持到所述端铃。


10.根据权利要求9所述的电机，其特征在于，还包括螺母，所述螺母将所述螺栓附接到所述端铃。


11.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述端铃包括第一引导件，所述第一引导件与所述支架匹配以保持所述支架并且围绕所述电机的轴以第一定向对准所述支架，并且所述支架包括第二引导件，所述第二引导件与所述唇缘匹配以保持所述定子芯并且围绕所述电机的所述轴以第二定向对准所述定子芯。


12.根据权利要求11所述的电机，其特征在于，进一步包括：
第一定子绕组，所述第一定子绕组通过所述定子芯产生所述磁路，所述第一定子绕组包括缠绕在第一定子芯中的所述多个齿的相应齿周围的线圈；
转子，所述转子包括：
多个芯；
转子绕组，所述转子绕组被配置为传输感应电流并产生洛伦兹力；
第二端铃，所述第二端铃被配置成与所述端铃接合以形成用于包围所述电机的壳体；
支架，所述支架附接到所述第二端铃并且与所述唇缘接合以在所述端铃中将所述单件定子保持固定；
第二定子芯，所述第二定子芯由磁性复合材料制成并且与所述定子芯相对地定向，所述第二定子芯包括：
多个齿，所述多个齿中的每个齿都传输来自第二磁路的磁通并且被狭槽隔开，
基部，所述基部连接所述多个齿并且使所述磁路短路，以及
从所述基部延伸的唇缘，
第二定子绕组通过所述第二定子芯产生所述第二磁路，所述第二定子绕组包括缠绕在所述第二定子芯中的所述多个齿的相应齿周围的线圈；
其中，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔·坎宁安，马克西姆·普里马克，
申请(专利权)人：麦克斯韦汽车公司，
类型：新型
国别省市：美国;US