一种电动机

摘要

本发明涉及一种磁极布置，包括沿纵向延伸的旋转轴线X背靠背布置的多个磁极组件。每个磁极组件将磁通提供给气隙G。每个磁极组件包括一个或多个磁极片和两个磁通部件。第一磁通部件由以周向延伸阵列布置的多个轴向位移的轴向磁化的磁铁提供。第二磁通部件由围绕旋转轴线X周向间隔的多个周向磁化磁铁提供。

权利要求

1.一种磁极装置(300)，具有纵向延伸的旋转轴线X，所述磁极装置(300)包括沿所述纵向延伸的旋转轴线X背靠背布置的多个磁极组件(110)，并且每个磁极组件将磁通提供给气隙(G)，其中每个磁极组件(110)包括一个或多个磁极片(30)和两个磁通部件(40、50)，其中：每个磁极片(30)包括第一轴向面(32A)、第二轴向面(32B)、第一周向面(34A)、第二周向面(34B)、径向内表面(36A)以及径向外表面(36B)，其中：所述第一磁通部件(40)包括轴向位移的轴向磁化磁铁(40)的多个第一轴向位移的轴向磁化磁铁(40A)和第二轴向位移的轴向磁化磁铁(40B)，所述轴向位移的轴向磁化磁铁(40)具有北侧N和南侧S，并且所述轴向位移的轴向磁化磁铁(40)被布置成与所述一个或多个磁极片(30)的相应的第一轴向面(32A)和第二轴向面(32B)相邻的相应的周向延伸阵列；

以及

所述第二磁通部件(50)包括多个周向磁化磁铁(50)，每个周向磁化磁铁(50)具有北侧N和南侧S，并且所述多个周向磁化磁铁(50)相对于彼此围绕所述轴线X周向间隔，并且所述多个周向磁化磁铁(50)分别位于与每个磁极片(30)的相应的第一周向面(34A)和相应的第二周向面(34B)相邻。

2.根据权利要求1所述的磁极装置(300)，其中每个磁极组件(10)包括第一周向和径向延伸磁板(100A)以及第二周向和径向延伸磁板(100B)，所述第一板(100A)在相应的第一周向延伸的轴向磁化磁铁(40A)之间接触并延伸，所述第二板(100B)在相应的第二周向延伸的轴向磁化磁铁(40B)之间接触并延伸。

3.根据权利要求2所述的磁极装置(300)，其中第一极组件(10)的所述第一板(100A)也形成相邻的下一个极组件(110)的所述第二板(100B)。

4.根据权利要求1所述的磁极装置(300)，还包括多个第三磁通部件(60)，每个第三磁通部件(60)包括具有北侧N和南侧S的径向磁化磁铁，并且每个第三磁通部件(60)被提供为与所述磁极片(30)的所述相应的径向内表面(36A)相邻、或与所述磁极片(30)的所述相应的径向外表面(36B)相邻。

5.根据权利要求4所述的磁极装置(300)，还包括附接至所述径向磁化磁铁60的铁磁管

101。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的磁极装置(300)，其中所述第一磁通部件(40A、

40B)中的每个第一磁通部件包括多个轴向磁化的周向间隔的中心磁铁(97F或97S)和多个周向磁化的周向间隔的侧磁铁(98F、98S)，并且其中所述中心磁铁(97F或97S)和相应的侧磁铁(98F、98S)以Halbach阵列被布置。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的磁极装置(300)，其中在每个磁极组件(110)中的周向相邻极片(30)以南北磁极交替被布置。

8.根据权利要求7所述的磁极装置(300)，其中在每个磁极组件(110)中的轴向相邻极片(30)以南北磁极交替被布置。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的磁极装置(300)，其中在每个磁极组件(110)中的轴向相邻极片(30)相对于彼此周向倾斜或偏移。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的磁极装置(300)，其中所述轴向和径向延伸的周向磁化的第二磁通部件(50)轴向延伸超过所述轴向位移的轴向磁化磁铁(40)的所述多个第一轴向位移的轴向磁化磁铁(40A)和所述第二轴向位移的轴向磁化磁铁(40B)的内面(40i)。

11.根据权利要求1和3至10中任一项所述的磁极装置(300)，包括所述第一磁通部件(40)和所述第二磁通部件(50)的组合源(92)，所述组合源(92)包括三角形截面结构，所述三角形截面结构具有面对相邻的极片(31)的轴向、径向和周向延伸的第一表面(92A)，并且其中所述极片(31)具有沿轴向方向A变化的周向宽度W。

12.根据权利要求1和3至10中任一项所述的磁极装置(300)，包括所述第一磁通部件(40)和所述第二磁通部件(50)的组合源(93)，所述组合源(93)包括四边形截面磁铁，所述四边形截面磁铁具有面对相邻的极片(33)的相对面向的第一轴向表面(93A)和第二轴向表面(93B)，并且所述四边形截面磁铁具有沿轴向方向A变化的周向宽度W，并且所述多个极片(33)各自具有六边形横截面结构，所述六边形横截面结构具有相对面向的轴向、径向和周向延伸的端部表面(33A、33B)，所述端部表面(33A、33B)各自面对相邻磁通部件(93)的相应面(93A或93B)。

13.根据权利要求1和3至10中任一项所述的磁极装置(300)，其中所述磁极片(33)包括六边形截面结构，所述六边形截面结构具有相对面向的轴向位移的第一端部表面(33A)和第二端部表面(33B)、以及相对面向的周向位移的第一侧表面(33C)和第二侧表面(33D)，并且所述第一磁通部件(40)和所述第二磁通部件(50)的所述组合源包括六边形截面结构(94)，所述六边形截面结构(94)具有相对面向的轴向、径向和周向延伸的端部表面(94A、

94B)、以及相对面向的径向和周向延伸的空白端部(94C、94D)，并且所述组合源还包括多个径向和轴向延伸的周向间隔的补充磁铁(51)，所述多个补充磁铁(51)中的每个补充磁铁具有相对面向的第一轴向端部51A和第二轴向端部51B以及相对面向的侧表面(51C、51D)，其中所述磁通源(94)的所述空白端部(94C、94D)面对所述补充磁铁(51)的相应的第一轴向端部(51A)和第二轴向端部(51B)，以及其中所述极片(33)的所述侧表面(33C、33D)面对所述补充磁铁(51)的相应的相对面向的侧表面(51C、51D)。

14.根据权利要求1至15中任一项所述的磁极装置(300)，其中每个极片(30)包括极靴(34)，所述极靴(34)远离不与径向磁通源(60)相邻的径向表面(36A或36B)延伸，并且其中所述极靴(38)包括极面(38F)，所述极面(38F)相对于所述极片(30)径向且周向偏移。

说明书

一种电动机

技术领域

[0001] 本发明涉及旋转电动机，特别地但不限于径向磁场电动机和用于此类电动机的转子布置，该转子布置将产生的磁通聚焦，并且能够允许多个转子组件的轴向堆叠。

背景技术

[0002] 在采用磁铁作为激励源的旋转电动机转子中的磁通聚焦可以通过使用各种磁路布置(拓扑、设计)来实现。磁通聚焦的目的是在定子与转子之间的气隙中实现高磁通密度，甚至可能高于磁铁的剩余磁通密度。Boulder Wind Power公司的(US2016247616(A1):2016-08-25)介绍了几种不同的利用了磁通聚焦的概念的磁铁和极片布置，可将其纳入各种电动机拓扑中。传统地，径向磁场电动机的磁通聚焦是使用嵌入在层叠电工钢制的转子中的一个或多个磁铁阵列来实现的。众所周知的实际实现方式是轮辐或V型转子拓扑，其中连续的磁铁被磁化，使得它们彼此极性相对。在轮辐布置中，磁铁沿周向磁化，而在V型转子中，离开磁铁的磁通具有周向和径向分量。为了限制磁通泄漏并进一步提高气隙磁通密度，可以在两种拓扑结构中添加径向方向磁化的附加磁铁。径向聚焦磁通的转子示例公开于：
美登沙电气制造有限公司(Meidensha Electric Mfg Co.Ltd)(JP2016082733(A)：2016-
05-16)、沃尔夫冈沃尔克朗(Wolfgang Volkrodt)(US4127786(A)：1978-1 1-28)、三星电子有限公司(Samsung Electronics Co.Ltd)。(US2014375162(A1)：2014-12-25)和JTEKT集团(JP2017055493(A)：2017-03-16)。虽然轮辐型拓扑是一维磁通聚焦的示例，其中磁铁只提供周向方向的磁通，而V型转子可以看作是二维聚焦，因为磁铁提供周向和径向方向的磁通。二维磁通聚焦也可以通过将周向磁化的磁铁阵列与沿转子旋转轴线的方向磁化的磁铁(轴向磁化磁铁)阵列组合来实现。由K.Atalah和J.Wang公开了这一概念(一种具有轴向和周向磁化永磁铁的转子(A rotor with axially and circumferentially magnetized permanent magnets,IEEE Transactions on Magnetics)，IEEE磁学事务(IEEE Transactions on Magnetics)，2012年11月)。由两个阵列的磁铁产生的磁通由磁极片引导向电动机气隙。因为磁通以周向和轴向方向进入磁极片并沿径向方向离开磁极片，所以磁通路径明显是三维的。相似的，磁端板(为由轴向磁化磁铁生成的磁通提供返回路径)以三维方式引导磁通。

[0003] 由K.Atalah和J.Wang(一种具有轴向和周向磁化永磁铁的转子(A rotor with axially and circumferentially magnetized permanent magnets,IEEE Transactions on Magnetics)，IEEE磁学事务(IEEE Transactions on Magnetics)，2012年11月)示出，针对二维磁通聚焦布置，当转子轴向长度较短时，在气隙中的磁通密度最高。这是因为来自轴向磁场的贡献。针对许多应用，要求转子具有小外径和高轴向长度(例如，如果需要低惯性)。

[0004] 本发明介绍了用于电动机转子的三维磁通聚焦的概念。在电动机转子极片中的磁场是由磁通源激励的，磁通源在全部三个方向上提供磁通，从而实现三维磁通聚焦。本文档公开了各种三维聚焦布置的具体实施方式。由于三维磁通聚焦，所以气隙磁通密度可以远高于在转子中所采用的磁铁的剩余磁通密度，从而使低成本、低剩余磁通密度的非稀土磁铁的使用成为可能。

[0005] 此外，磁通源可以防止磁通在它们的相应的方向上从磁极片泄漏，因为磁通源会主动地反对磁通泄漏。在磁通通过转子轮毂/轴(其中转子轮毂/轴通常需要由非磁性和潜在地昂贵材料制成)径向方向泄漏的情况下，这尤其有益。三维磁通聚焦通过最小化径向磁通泄漏来消除该问题。由于极片和转子毂可以由相同的磁性材料制成，因此也可以作为单个主体来被制造，从而减少在组件中的部件数量。还示出了如何使用单片磁铁在所有三个方向上提供磁通，从而有益于显著减少待组装和约束的部件数量。

[0006] 在本文档中展示的三维磁通聚焦和轴向叠加的概念使得即使在使用弱磁通源的情况下，能够在装配有该转子的电动机中实现高气隙磁通密度。因此，可以采用低成本的永磁体(诸如铁氧体)，而不是目前普遍存在的高性能稀土永磁体(这些永磁体受到供应链问题的困扰，而且价格要贵得多)。使用该概念的电动机示出实现与基于稀土的电动机类似的效率和功率密度的潜力，并且改善性能超越当前最先进的(SoA)非稀土技术。因此，所展现的转子技术特别适用于要求高性能、低成本和鲁棒性的应用。此外，铁氧体磁铁的稳定供应能够实现相对低风险的大批量生产。由于所有这些优点，本发明具有加速环保技术的广泛应用的潜力。最有可能受益于本发明的应用是减少排放的或零排放汽车牵引和可再生能源发电。

[0007] 本发明公开了在转子磁极周围的所有三个维度中聚焦磁通，以改善通过磁极的磁通密度，从而改善转子的性能的概念。该概念通过使用新颖的磁铁拓扑或磁铁阵列来实现，使得当放在一起时，在转子的周向、轴向以径向方向上提供磁通，并将聚焦通过转子的磁极的磁通。

[0008] 本发明还公开了一种在不影响性能的情况下减小转子径向尺寸，并潜在地提高所生成的扭矩的方法。这种方法涉及在转子的轴向方向上磁通聚焦单元的堆叠。

发明内容

[0009] 根据本发明的第一方面，一种磁极装置具有纵向延伸的旋转轴线X并且包括沿所述纵向延伸的旋转轴线X背靠背布置的多个磁极组件。每个磁极组件将磁通提供给气隙G。每个磁极组件可以包括一个或多个磁极片和两个磁通部件。每个磁极片可以包括第一轴向面、第二轴向面、第一周向面、第二周向面、径向内表面和径向外表面。所述第一磁通部件可以包括轴向位移的轴向磁化磁铁的多个第一轴向位移的轴向磁化磁铁和第二轴向位移的轴向磁化磁铁。所述轴向磁化磁铁具有北侧N和南侧S，所述轴向磁化磁铁可以与所述一个或多个磁极片的相应第一轴向面和第二轴向面相邻的相应的周向延伸阵列。所述第二磁通部件可以包括多个周向磁化磁铁。每个具有北侧N和南侧S的多个周向磁化磁铁可以相对于彼此围绕所述轴线X周向间隔。周向磁化磁铁可以与每个磁极片的相应的第一周向面和相应的第二周向面相邻。

[0010] 根据本发明的另一方面，每个磁极组件可以包括第一周向和径向延伸的磁性板以及第二周向和径向延伸的磁性板。所述第一板可以在相应的第一周向延伸的轴向磁化磁铁之间接触和延伸。所述第二板可以在相应的第二周向延伸的轴向磁化磁铁之间接触和延伸。

[0011] 所述第一极组件的第一板也可以形成相邻的下一个极组件的第二板。

[0012] 磁极布置还可以包括多个第三磁通部件。每个第三磁通部件可以包括具有北侧N和南侧S的径向磁化磁铁，并且第三磁通部件都可以被提供为与磁极片的所述相应的径向内表面或所述相应的径向外表面相邻。

[0013] 磁极布置还可以包括附接到所述径向磁化磁铁的铁磁管。

[0014] 所述第一磁通部件中的每个第一磁通部件可以包括多个轴向磁化的周向间隔的中心磁铁和多个周向磁化的周向间隔的侧磁铁。其中，所述中心磁铁和相应的侧磁铁可以以Halbach阵列被布置。

[0015] 根据本发明的另一方面，磁极布置可以包括周向相邻的极片，其中每个磁极组件以南北磁极交替被布置。

[0016] 在每个磁极组件中的轴向相邻磁极片可以以南北磁极交替被布置。

[0017] 在每个磁极组件中的轴向相邻磁极片可以相对于彼此周向倾斜或偏移。

[0018] 轴向和径向延伸的周向磁化的第二磁通部件可以轴向延伸超过所述轴向位移的轴向磁化磁铁的多个第一轴向位移的轴向磁化磁铁和第二轴向位移的轴向磁化磁铁的内面。

[0019] 布置可以包括所述第一磁通部件和第二磁通部件的组合源。第一磁通部件和第二磁通部件的所述组合源可以包括三角形横截面结构，其中所述三角形横截面结构可以具有面对相邻的极片的轴向、径向和周向延伸的第一表面，并且所述极片可以具有沿轴向方向A变化的周向宽度W。

[0020] 备选布置可以包括所述第一磁通部件和第二磁通部件的组合源，组合源可以包括四边形横截面磁铁，该四边形横截面磁铁具有相对面向的第一轴向表面和第二轴向表面，并且其中所述第一磁通部件和所述第二磁通部件的组合源可以具有沿轴向方向A变化的周向宽度W。多个极片可以各自具有六边形横截面结构，六边形横截面结构具有相对面向的轴向、径向和周向延伸的端部表面，端部表面各自面对相邻磁通部件的相应面。

[0021] 在额外备选布置中，所述磁极片可以包括六边形横截面结构，六边形横截面结构具有相对面向的轴向位移的第一端部表面和第二端部表面，以及相对面向的周向位移的第一侧表面和第二侧表面，并且所述第一磁通部件和所述第二磁通部件的所述组合源可以包括六边形横截面结构，六边形横截面结构具有相对面向的轴向、径向和周向延伸的端部表面，以及相对面向的径向和周向延伸的空白端部，并且组合源还包括多个径向和轴向延伸的周向间隔的补充磁铁，每个补充磁铁具有相对面向的第一轴向端部和第二轴向端部，以及相对面向的侧表面。

[0022] 所述磁通源的空白端部可以面对所述补充磁铁的相应的第一轴向端和第二轴向端，所述极片的所述侧表面可以面对所述辅助磁铁的相应的相对面向的侧表面。

[0023] 每个极片可以包括远离径向表面延伸的极靴。极靴可以不与径向磁通源相邻。所述极靴包括极面，该极面相对于极片径向且周向偏移。

附图说明

[0024] 现在将仅通过示例的方式参考附图来描述本发明，其中：

[0025] 图1a图示了通过使用来自三个方向的输入磁通的磁极片(引导元件)的磁通聚焦。

[0026] 图1b示出了用于磁极片的环形阵列的三个方向(轴向、径向和周向)。

[0027] 图2a展示了一个磁极组件的部件，其具有使用一个磁极片和五个块状永磁铁的三维磁通聚焦。如在图2b、图9a和图9b中示出的，该布置可以被用于构建径向场内部转子单元。

[0028] 图2b示出了来自图2a的磁极组件的环形阵列，以构建径向场内部转子单元。

[0029] 图2c示出了图2b的径向场内部转子单元，其包括铁磁端板和磁性轴向延伸管状结构。

[0030] 图2d展示了一个磁极组件的部件，其具有使用一个磁极片和五个块状磁铁的三维磁通聚焦。如在图2e、图10a和如10b中示出的，该布置可以被用于构建径向磁场外部转子单元。

[0031] 图2e示出了来自图2d的磁极组件的环形阵列，以构建径向场外部转子单元。

[0032] 图2f展示了一个磁极组件的部件，其具有使用一个磁极片和五个磁通源的三维磁通聚焦，其中使用承载电流的线圈来构建磁通源。

[0033] 图2g展示了图2f的磁极组件的轴向和径向横截面。

[0034] 图2h展示了使用图2f和图2g的多个磁极片的电动机的转子130的横截面，以及图2f和图2g的磁通源的线圈的电源。

[0035] 图3a展示了一个磁极组件的部件，其具有使用提供径向和周向磁通的单一磁通源以及提供轴向磁通的磁通源组的三维磁通聚焦。

[0036] 图3b示出了来自图3a的磁极组件的环形阵列，以构建径向场内部转子单元。

[0037] 图4a展示了一个磁极组件的部件，其具有使用提供径向和轴向磁通的单一磁通源以及提供周向磁通的周向磁通源组的三维磁通聚焦。

[0038] 图4b示出了来自图4a的磁极组件的环形阵列，以构建径向场内部转子单元。

[0039] 图5a展示了一个磁极组件的部件，其具有使用提供轴向和周向磁通的单一磁通源的三维磁通聚焦。

[0040] 图5b示出了来自图5a的磁极组件的环形阵列，以构建径向场内部转子单元。

[0041] 图6a示出了具有将磁通提供给磁极片的单一磁通源的磁极组件的截面图。场边缘发生在两个边沿处。

[0042] 图6b示出了具有到磁极片的三个磁通源的磁极组件的截面图。场边缘发生在每个磁铁的两个边沿处。

[0043] 图7示出了径向场内部转子单元，其中使用磁极片和在全部三个方向上提供磁通的单个杯型单一磁通源来构建每个磁极组件。

[0044] 图8a示出了具有两个转子单元的径向场内部转子单元。针对转子单元的每个转子单元，示出了磁极片、轴向磁化磁铁和周向磁化磁铁。转子单元包括多个磁极组件，其中每个磁极片包括从径向表面延伸的极靴。极靴径向和周向偏移径向表面，并且该周向偏移的方向与针对相邻的转子单元是不同的。

[0045] 图8b示出了图8a的径向场内部转子单元的截面图，其中每个极靴在方向C上提供每个极片的外部面的周向偏移。

[0046] 图8c示出了图8a的径向场内部转子单元的截面图，其中每个极靴在与方向C相对的方向上提供每个极片的外部面的周向偏移。

[0047] 图9a示出了形成包括铁磁端板的径向场内部转子单元的磁极组件的环形阵列，包括层叠定子的定子组件，以及多个电磁铁，它们一起形成了电动机。

[0048] 图9b示出了图9a的电动机的轴向截面图。

[0049] 图10a示出了形成包括轴向延伸管状结构的截面的径向场外部转子单元的磁极组件的环形阵列，包括定子的定子组件，以及多个电磁铁，它们一起形成了电动机。

[0050] 图10b示出了图10a的电动机的轴向截面图。

[0051] 图11a示出了在轴向方向上的转子堆叠。

[0052] 图11b是当沿着径向方向观看时的径向场内部转子的部分外部视图。其示出了具有磁极片、磁通源和铁磁板的两个转子单元。

[0053] 图12a是当沿着径向方向观看时径向场内部转子的部分外部视图。其示出了磁极片、板、周向磁化的磁铁和以Halbach模式布置的轴向磁化的磁铁。

[0054] 图12b是当沿着径向方向观看时径向场内部转子的部分外部视图。其示出了磁极片、板、延伸的周向磁化磁铁和轴向磁化磁铁。

[0055] 图13是当沿着径向方向观看时径向场内部转子的部分外部视图。其示出了具有四边多边形横截面的磁极片以及具有三角形横截面的磁铁。

[0056] 图14a是当沿着径向方向观看时径向场内部转子的部分外部视图。其示出了具有六边形横截面的磁极片以及具有三角形或四边多边形横截面的磁铁。

[0057] 图14b是当沿着径向方向观看时径向场内部转子的部分外部视图。其示出了具有六边形横截面的磁极片以及具有六边形横截面并且具有块状的周向磁化磁铁。

[0058] 图15a是当沿着径向方向观看时径向场内部转子的部分外部视图。其示出了具有磁极片和磁铁的两个转子单元，转子单元以创建在相邻转子单元之间的磁极的倾斜的方式被布置。

[0059] 图15b是当沿着径向方向观看时径向场内部转子的部分外部视图。其示出了具有磁极片、块状磁铁和平行四边形横截面磁铁的两个转子单元，转子单元被磁化使得在相邻的转子单元的磁极之间存在倾斜。

[0060] 图15c是当沿着径向方向观看时径向场内部转子的部分外部视图。其示出了具有磁极片、块状磁铁和平行四边形横截面磁铁的三个转子单元，转子单元被磁化使得在相邻的转子单元的磁极之间存在倾斜。

具体实施方式

[0061] 本发明涉及三维磁通聚焦极，能够在电动机的气隙中创建超过1特斯拉(Tesla)的磁通密度。

[0062] 图1a图示了在三个不同方向上将磁通提供给被称为极片30的磁引导元件的方法的三维磁通聚焦的概念，该磁引导元件将三方向磁通组合到单个流中，并将磁通引导向电动机的气隙G。在优选实施例中的磁极片由铁磁性材料形成。在另一实施例中，极片可以由任何软磁材料形成。磁通在x、-x、y、z和-z方向中的一个或多个方向上被提供。极片30的相对轴面32(z轴线)在相对方向上受到磁通的影响。极片30的相对圆周面34(x轴线)在相对方向上受到磁通的影响。在径向面36(y轴线)中，第一面可以受到磁通的影响，并且第二面将输出磁通提供给气隙G。在提供磁通的面上，被提供的磁通的方向相对于面的方向是相同的。从等效磁路的视角来看，在所有方向上的磁通40、50、60的源是平行的，使得总磁通是由每个源提供的磁通总和。因此，利用几个相对较弱的磁通源，仍然能够达到较高的气隙磁通密度。用于极片30的磁通源40、50、60的每个磁通源必须被定向使得其贡献用于极片30的总输出磁通20。每个磁通源也主动抑制在其相应方向上的磁通泄漏。例如，在轴向A上提供磁通的磁通源作用于抵抗在轴向方向A上的磁通的泄漏。

[0063] 在图1a中示出的三维磁通是参照笛卡尔坐标系在x、y和z轴方向上提供的。如在图1b示出的，如果参考圆柱坐标系或极坐标系，则磁通分别在周向C、径向R和轴向A(分别等效于x、y和z)的方向上被提供。

[0064] 图1b示出以环形模式或阵列布置的多个磁极片30。示出的实施例包括八个磁极片，但将被理解的是，一个或多个磁极片是可能的。磁极片30可以具有径向和周向延伸的轴向面32，轴向面32包括第一轴向面32A和第二轴向面32B。磁极片30还可以具有轴向和径向延伸的周向面34，周向面34包括第一周向面34A和第二周向面34B。磁极片30还可以具有轴向和周向延伸的径向表面36，径向表面36包括径向内表面36A和径向外表面36B。

[0065] 图2a示出了简单的三维磁通聚焦极的部件。该部件包括引导元件(磁极片30)和附接在磁极件30的五侧上的五个块状磁铁40、50、60。存在在轴向和周向方向上提供磁通的两个磁铁(轴向磁化磁铁40和周向磁化磁铁50)以及在径向方向上提供磁通的一个磁铁(径向磁化磁铁60)。不具有磁铁附接的极片30的第六侧是与气隙相邻的侧。如在图2b中图绘的，在电动机中，此类配置将表示单极，并将与其他外观类似的元件组合到圆形阵列中(提供磁极的数量)。如在图2b中示出的，磁极的极性(N或S)取决于磁铁40、50、60的磁化方向。为了清楚起见，在本文档中我们将此环形阵列称为“转子单元”120。在后文示出的一些实施例中，数个这些“转子单元”120在轴向方向上堆叠。在本文档中，该堆叠的组件被称为“转子”。

[0066] 图2a和图2d示出了磁通源40、50、60的可能实施例，磁通源40、50、60被布置在磁极片30周围，以形成用于将聚焦磁通提供给气隙G的磁极组件110。第一磁通源40包括第一径向和周向延伸段40A和第二径向和周向延伸段40B，第二径向和周向延伸段40B沿X轴线从第一径向和周向延伸段40A位移。相应的磁通源40A、40B与极片30的相应轴向面32A、32B相邻。第二磁通源50包括第一轴向和径向延伸的周向段50A和第二轴向和径向延伸的周向段50B，周向段50A、50B与极片30的相应周向面34A、34B相邻。第三磁通源60包括周向和轴向延伸的第一径向段60A和第二径向段60B，径向段60A、60B相对于彼此径向位移，并且径向段60A、
60B与极片30的相应第一径向面36A和第二径向面36B相邻。上述布置允许磁通从一个或多个磁通源40、50、60流入一个或多个磁极片30，其方式是以在多个图形中通过轮廓箭头所示的方式将磁通集中。将被理解的是，所述箭头表示在磁铁内从南极到北极的磁通流(其中箭头表示北极方向)。在图2a中，径向段60A被提供在极片30的径向内表面上，而在图2d中，径向段被提供在极片30的径向外表面上。将被理解的是，可以根据组件的布局来使用这两种布置的一种或另一种布置，但两者不能一起使用，因为一起使用这两种布置将不允许磁通聚焦。

[0067] 图2a和图2b示出由极片30提供的磁通以及在组装状态中的磁通源40、50、60。极片30各自具有彼此径向位移的北侧N和南侧S。一个或多个第一轴向磁通源40包括轴向磁化磁铁，其北侧N和南侧S沿轴线X彼此轴向位移。一个或多个第二周向磁通源50包括周向磁化磁铁，其北侧N和南侧S围绕轴线X彼此周向位移。一个或多个第三周向磁通源60包括径向磁化磁铁，其北侧N和南侧S相对于彼此径向位移。所述磁通源40、50、60与极片30展现在气隙的一侧相邻，即如果极片将其北侧N展现给气隙，则磁通源将处于其北侧与极片相邻。

[0068] 一个或多个磁通源40、50、60与极片30一起形成单个磁极组件110。多个磁极组件110被布置为以圆形模式或阵列围绕旋转轴线X，创建径向场转子单元120。在优选实施例中，多个磁极组件110包括多个极片30，连续的极片具有如在图2b中显示的交替磁极。在备选布置中，多个磁极组件110包括多个极片30，磁极片的磁极性每隔其他极片交替布置。极片30通常以这种方式被用于电动机中，以提供电磁激励。

[0069] 图2a示出了适于在图2b中示出的径向场内部转子单元中使用的磁极组件110。在本实施例中，一个或多个磁通源与径向内表面36A相邻，而不是与径向外表面36B相邻。当被用在如图9a和图9b示出的电动机中时，径向外表面36B被布置为与气隙G相邻。

[0070] 图2d示出适于在图2e中示出的径向场外部转子单元中使用的磁极组件110。在本实施例中，一个或多个磁通源与径向外表面36B相邻，而不是与径向内表面36A相邻。当被用在如图10a和图10b中示出的电动机中时，径向内表面36A被布置为与气隙G相邻。

[0071] 磁通源被布置为使极片30的磁通聚焦、并远离不具有相邻磁通源的径向表面36，从而进入气隙G。

[0072] 在优选实施例的3D聚焦磁极组件中利用的一个或多个磁通源40、50、60是如在图2a至图2e中示出的永磁铁。然而，在备选布置中，如在图2f至图2h中示出的，一个或多个磁通源40、50、60是包括承载电流的线圈400、500、600的电磁铁。在另一实施例中，磁通40、50、
60的源是承载电流的线圈400、500、600和永磁铁的组合，或者可以使用任何其他磁通源。线圈400、500、600可以被缠绕在磁性材料410、510、610的磁芯的周围。线圈400、500、600可以由来自电流源700的电流供电。所述电流通过碳刷810和滑环820组件800的方式从电流的定子源700传递到在转子磁极组件110上的线圈400、500、600。

[0073] 尽管在图2b和图2c中示出了径向场内部转子单元120，但相同的三维磁通聚焦概念也可以用于构造在图2e中示出的径向场外部转子单元120。在图2d中，描绘了用于径向场外部转子单元的一个极其中在极片30的内半径处的面与气隙相邻，并且径向磁化磁铁60被放置在位于极片30的外半径的面上。具有交替磁极性的此类极的环形阵列创建在图2e中示出的转子单元120。

[0074] 除了磁通源40、50、60和磁通导向元件或磁极片30，还可以提供其他的磁性元件，以进一步改善三维磁通聚焦的效应。例如，铁磁板100(在图2c和图9a中示出)可以提供针对由轴向磁通源或磁化磁铁40生成的磁通的返回路径，并且该返回路径有效地降低了针对任何磁通源的磁通路径的磁阻。在一个实施例中，所述铁磁板100沿径向和周向延伸。铁磁板100可以包括第一铁磁板100A和第二铁磁板100B。所述第一铁磁板100A和第二铁磁板100B可以各自具有第一面100A1、100B1。第一板100A和第二板100B的相应的第一面100A1、100B1与相应的第一段40A和第二段40B相邻。还可以包括诸如铁磁轴向延伸管状结构101的其他附加部件，以提供针对磁通的返回路径并减少磁通路径的磁阻。例如，在图2c、图10a和图
10b中示出的实施例中，铁磁性轴向延伸的管状结构101与径向磁通源60相邻。必须确定板
100和管101的尺寸，以使通过它们的磁通不会引起过饱和。

[0075] 此外，单个部件或结构可以在一个或多个方向上提供多个磁通源40、50、60。

[0076] 在图3a中示出的其他实施例展现了与具有五个磁通源的布置不同的备选布置。单片单个结构71提供第二周向磁通源50和第三径向磁通源60，并替换了五个单独磁通源中的三个磁通源，从而将提供磁通源的部件数量减少到三个，以便创建磁极。此处，单片单个结构71在三个方向中的两个方向上提供磁通。分隔的轴向磁通源40在轴向方向上将磁通提供给每个极，从而实现用于极片30的三维磁通聚焦。如在图3b中描绘的，该布置可以以环形阵列组合以构建径向场内部转子单元120。

[0077] 类似地，图4a展现了当使用单片单个结构72来提供第一轴向磁通源40和第三径向磁通源60时的磁极组件110的另一其他实施例。由单独的周向磁通50源提供在圆周方向上的磁通源。这种布置的环形阵列如在图4b中示出。

[0078] 在图5a中示出了磁极组件110的另一备选实施例，其中单片单个结构73提供第一轴向磁通源40和第二周向磁通源。分隔的径向磁通源60为每个极提供径向方向的磁通。在图5b中示出了这种布置的环形阵列。

[0079] 在图7中示出的其他实施例展现了备选布置，其中磁极组件110中磁铁的磁化拓扑和方向使得单片单个结构74在所有三个方向(轴向、径向和周向)上提供磁通源40、50、60。所示出的拓扑跨内半径和转子单元110周向和轴向的面将磁极片30包围。

[0080] 在图3、图4、图5和图7中示出实施例的概念的优点在于，它趋于减少由于靠近磁铁边沿的场边缘而导致的有用磁通损失。在图6中示出了这种现象。在两个方向上提供磁通的单片磁铁只在两个边沿出现场边缘(图6a)，不同于具有3个分隔磁铁块其中6个边沿出现场边缘(图6b)的类似装置。场边缘导致磁阻增加、磁通密度损失和磁通聚焦效应降低。

[0081] 尽管，在这些实施例(图3b、图4b、图5b和图7)中示出了径向场内部转子单元120，三维磁通聚焦的相同概念可以被用于通过改变磁铁的形状或位置来构建与在图2e中所图示的类似的径向场部外转子单元120，使得聚焦的径向磁通被提供在极片30的外半径处的面上。

[0082] 尽管，在图2、图3、图4、图5和图7的这种实施例中示出了径向场内部转子单元120，三维磁通聚焦的相同概念可以被用于通过改变磁铁的形状或位置来构建与在图2e中所图示的类似的径向场部外转子单元120，使得径向磁通被提供在极片30的外半径处的面上。

[0083] 图11a示出了在图2b中示出的单独转子单元120堆叠的简单示例，以及在轴向方向X上堆叠时包括沿着所述纵向延伸的旋转轴线X背靠背布置的多个磁极组件110。

[0084] 磁极布置300的实施例包括由磁性或铁磁性材料制成的径向和周向延伸板100A、100B，所述第一板100A在相应的第一周向延伸的轴向磁化磁铁40A之间接触和延伸，并且所述第二板100B在相应的第二周向延伸的轴向磁化磁铁40B之间接触和延伸。转子的有效长度被定义为磁通通过其进入气隙的转子的部分。由磁极件30的轴向尺寸提供有效长度(在图11b中图示)。包含板100和轴向磁化磁铁40的轴向长度在气隙中不提供径向磁通。如在图
12a中示出的，为了增加转子130相对于其总长度的有效长度，第一板100A也可以形成相邻的下一个磁极组件110的第二板100B。

[0085] 在任一实施例中，如果针对由径向磁化磁铁60生成的磁通60的多个第三径向部件提供磁性返回路径，则对磁极布置300是有益的。这种返回路径可以由轴向延伸的管状结构101、由磁性或铁磁性材料制成的轮毂或轴提供。所述轴向延伸的管状结构101可以被包括在内部转子实施例图2c或外部转子实施例图9a和图9b中。

[0086] 还可以实现转子单元120的倾斜，使得在相邻转子单元中的极不轴向对准。这可以通过整个转子单元120绕转子的轴线的旋转来实现。这个倾斜角度可以根据转子的期望性能而调整。

[0087] 在本实施例中的每个转子单元120具有放置在如图11a中示出的磁极片30的内半径(在图11b中示出的磁极片30的下方)处的径向磁化磁铁60的阵列。这将进一步在改善转子与定子之间的气隙中的磁通密度。

[0088] 尽管，在本实施例中示出了径向场内部转子(图11a和图11b)，但是三维磁通聚焦的相同概念可以使用类似于图2e所图示的转子单元120的转子单元120，通过改变径向磁化磁铁60的位置来构建径向场外部转子，使得磁通60的径向部分被提供在极片30的外半径处的面上。

[0089] Halbach阵列的概念可以被用于减小由两个或更多个转子单元120构成的转子的轴向长度，并改善转子的磁主动与被动长度之比。Halbach阵列是一种磁铁阵列，其中的布置方式使得一侧(强侧)的磁场增强，另一侧(弱侧)的磁场减弱到接近零的磁通密度。这通过具有空间旋转的磁化模式来实现。Halbach阵列包括永磁铁的旋转模式，永磁铁的旋转模式可以无限地连续并具有相同的效果。该序列将每个永磁铁的磁场旋转90度。由在图12a中的线96图示了这种效果，其中线94示出通过Halbach阵列的磁通流。磁通40A、40B的所述第一部件中的每个第一组件可以包括多个以Halbach阵列布置的周向间隔的轴向磁化的中心磁铁97F或97S以及周向间隔的周向磁化的多个侧磁铁98F、98S，使得在每个磁极组件110中的周向相邻极片30以南北磁极交替被布置。如所示出的，所述侧磁铁98F、98S插入在所述中心磁铁97F或97S中的相应侧磁铁之间，并且所述侧磁铁98F、98S在相对的圆周方向E1、E2上磁化，而中心磁铁97F、97S在不同的轴向方向D1、D2上交替磁化。所述中心磁铁(97F、97S)和所述侧磁铁(98F、98S)的组合磁效应在图12a或图12b的箭头96的方向上被施加到相应的相邻极片30上。所述多个中心磁铁97F或97S和多个侧磁铁98F，98S可以在重复的周向序列中布置。该序列可以包括交替的中心磁铁97F、97S和侧磁铁98F、98S。中心磁铁97F、97S的北侧可以被布置为与向气隙G展现北侧的磁极片30相邻。中心磁铁97F，97S的南侧可以被布置为与向气隙G展现南侧的磁极片30相邻。在所述序列中的侧磁铁98F、98S可以被定向为将磁通从具有与磁极片30相邻的南侧的中心磁铁97F、97S引导至具有与磁极片30相邻的南侧的中心磁铁97F、97S。在所述序列中，每个顺序的磁铁的磁场从最后一个磁铁的磁场旋转90度，并且从再之前的磁铁旋转180度。由于在Halbach阵列弱侧的磁通密度几乎为零，因此不需要由磁性材料制成的板100以针对在阵列中由磁铁91生成的磁通提供返回路径。因此，可以消除板100，从而减小转子的轴向长度。虽然可以消除板100，但它们仍然可以被包括以提供针对转子的机械支撑。然而，板的100厚度并不是由引导磁通的需要决定的。此外，因为与仅由轴向磁化磁铁40产生的场相比，Halbach阵列91A的强侧上的场被增强，所以Halbach阵列的磁铁91的厚度(轴向尺寸)可以小于在先前实施例(图11a和图11b)中示出的轴向磁铁40的厚度。

[0090] 磁极布置300还可以使用如在图12b中示出的轴向较长的周向磁化磁铁50来实现Halbach阵列概念。在该布置中，所述轴向和径向延伸的周向磁化的第二磁通部件50可以轴向延伸穿过所述轴向位移的轴向磁化磁铁40的多个第一轴向位移的轴向磁化磁铁40A和第二轴向位移的轴向磁化磁铁40B的内表面40i。尽管在这些实施例中未示出，径向磁化磁铁也可以由具有与极片相邻的强侧的径向Halbach阵列代替。

[0091] 在本实施例中的每个转子单元120可以具有被放置在磁极片30的内半径(在图12a和图12b中示出的磁极片30下方)处的径向磁化磁铁60阵列(如图11a所示)。这将进一步改善在转子与定子之间的气隙中的磁通密度。

[0092] 尽管，在这些实施例中示出了径向场内部转子(图12a和图12b)，但是三维磁通聚焦的相同概念可以使用类似于在图2e中图示的转子单元120的转子单元120通过改变径向磁化磁铁的位置来构建径向场外部转子，使得径向磁通被提供在极片30的外半径处的面上。

[0093] 图13示出了旨在减少由多于一个的转子单元120构成的转子的轴向长度的实施例。在这种情况下，由所述第一磁通40和第二磁通50的组合源92代替轴向磁化磁铁和周向磁化磁铁。该组合源92可以具有三角形的径向截面结构。所述组合源92可以被磁化以提供如在图13中由箭头图绘的磁通的第一轴向40和第二周向50部件。组合源92可以具有面对相邻极片31的轴向、径向和周向延伸的第一表面92A。其中，极片31可以具有沿轴向A变化的周向宽度W，并且在本实施例中，极片31可以是菱形。三角形横截面的磁铁92可以具有垂直于其提供磁通的极面的磁化方向。这意味着进入磁极片31的磁通密度向量具有周向和轴向部件，因此在两个方向上提供磁通。由于磁通通过三角形横截面磁铁92从一个磁极引导到另一个磁极，因此不需要额外的返回路径，这种布置消除了针对板100的需要(如在图11中示出的)。虽然从磁性的角度来看，板100是不必要的，但是它们可以被包括在备选实施例中，以提高转子的机械鲁棒性。然而，它们的厚度并不是由引导磁通的需要决定的。在本实施例中的每个转子单元120可以具有被放置在磁极片31的内半径(在图13中示出的磁极片31的下方)处的径向磁化磁铁60的阵列(如图11a所示)。这将进一步改善在转子与定子之间的气隙的磁通密度。

[0094] 尽管，在本实施例(图13)中示出了径向场内部转子，但是三维磁通聚焦的相同概念可以使用类似于在图2e中图示的转子单元120的转子单元120通过改变径向磁化磁铁的位置来构建径向场外部转子，使得径向磁通被提供在极片31的外半径处的面上。

[0095] 类似于在图13中示出的磁极布置300的先前的实施例，在图14a和图14b中绘制的其他备选实施例示出了具有多于一个的转子单元120的磁极布置300，所述转子单元120包括多个磁极片33，每个磁极片33具有六边形截面结构(周向宽度随轴向长度而变化)。磁极片33还可以具有相对面向的轴向、径向和周向延伸的端部表面33A、33B以及相对面向的周向位移的第一侧表面(33C)和第二侧表面(33D)。在这些实施例中，第一磁通部件40和第二磁通部件50由组合源提供。

[0096] 磁极布置300的备选布置在图14a中示出，并且其中所述组合源93包括具有沿轴线方向X变化的周向宽度W的四边形横截面磁铁93。所述磁铁93可以具有与磁极33相邻的相对面向的第一轴向表面93A和第二轴向表面93B。磁极件33端部表面33A、33B各自面对相邻的磁通部件93的相应面93A或93B。

[0097] 在图14中示出了在磁极布置300中的另一备选布置，并且其中所述组合源94包括六边形横截面结构磁铁94。所述六边形横截面结构94可以具有相对面向的轴向、径向和周向延伸的端部表面94A、94B和相对面向的径向和周向延伸的空白端部94C、94D。磁通的组合源还可以包括多个周向间隔的径向和轴向延伸的补充磁铁51。所述磁铁51各自具有相对面向的第一轴向端51A和第二轴向端51B和相对面向的第一侧面51C和第二侧面51D。磁通源94的空白端部94C、94D可以面对所述补充磁铁51的相应的第一轴向端51a和第二轴向端51b，而所述极片33的所述侧表面33C、33D可以面对所述补充磁铁51的相应的相对面向的侧表面51c、51d。磁铁93、94仅在圆周方向上磁化，但由于它们的定向以及它们与磁极片33的接口方式，进入磁极片33的磁通密度向量具有轴向和周向部件。

[0098] 在相邻磁极件33之间的周向间隙是限制极间磁通泄漏所必须的。图14a示出了该周向间隙。如在图14b中示出的，可以将周向磁化磁铁50放置在相邻磁极件33之间的间隙中。附加周向磁化磁铁50将限制极间磁通泄漏，并提供附加磁通，提高转子的磁性能。

[0099] 虽然从磁性的角度来看，板100(如在图11中示出的)是不必要的，但是板100可以被包括以提高转子的机械鲁棒性。然而，它们的厚度并不是由引导磁通的需要决定的。

[0100] 在任何实施例中，转子单元120可以具有径向磁化磁铁60的阵列(如在图5和图6中示出的)，该径向磁化磁铁60的阵列被放置在磁极片30的内半径处。这将进一步改善在转子与定子之间的气隙中的磁通密度。

[0101] 尽管，在本实施例(图13)中示出了径向场内部转子(图12a和图12b)，但是三维磁通聚焦的相同概念可以使用与在图2e中图示的转子单元120类似的转子单元120被用于通过改变径向磁化磁铁的位置来构建径向场外部转子，使得径向磁通被提供在极片30的外半径处的面上。

[0102] 在图15a中示出的包括磁极片30、轴向磁化磁铁40和周向磁化磁铁50的其他备选实施例中，属于两个不同转子单元120的在每个磁极组件110中的轴向相邻磁极片30可以仅由一个轴向磁化磁铁40连接。因此，轴向相邻的极片30可以以南北磁极交替布置。这将创建具有阶梯倾斜的转子130。转子130的此类阶梯倾斜是一种众所周知的减少在电动机中的扭矩脉动的方法。

[0103] 在图15b中的实施例示出平行四边形横截面的磁铁95可以被用于连接转子单元120，在每个磁极组件110中提供轴向相邻的极片30，这些磁极片组件彼此周向倾斜或偏移。
因此，允许转子单元120在圆周方向上相对于彼此偏移，从而减小倾斜角。在极端情况下，偏移角度可以使得在所有转子单元120中的南极和北极完全对准倾斜角～0。根据所需的性能，该倾斜角度可以改变。

[0104] 该倾斜的概念在图15c中示出的具有三个转子单元的实施例中被进一步延伸。

[0105] 在径向视图中，在转子单元120之间，磁铁95具有平行四边形横截面。在第一转子单元120a和第二转子单元120b之间的平行四边形横截面磁铁95的阵列与在第二转子单元120b和第三转子单元120c之间的平行四边形横截面磁铁95的阵列相比具有不同的定向和磁化方向。此类布置再次改变了在转子单元之间的倾斜角度。在转子单元120之间只具有一个磁铁阵列95，减少了转子130的轴向长度，并且提高了主动与被动轴向长度比。

[0106] 由磁性材料制成的板100仅用于由在转子130的轴向端部处的轴向磁化磁体40生成的磁通提供返回路径。还可以在转子单元120之间包括板以提高转子的机械鲁棒性。

[0107] 在图8a中图绘的实施例包括第一轴向磁通源40、第二周向磁通源50，并且每个磁极片30包括极靴38。由于属于两个相邻转子单元120a和120b的磁极片30仅由一个轴向磁化磁体40阵列连接，因此在轴线方向上形成南北磁极交替。在图8中的极靴38用于在圆周方向和直径方向二者上相对于磁极片30偏移极面38F，以使由转子单元120a和120b创建的南极和北极对准。磁极的轴向对准可以是完美的或可以具有倾斜。图8b和图8c分别示出了针对转子单元120a和120b的部分轴向横截面视图。在轴线方向上，创建交替的磁极。

[0108] 如在图11b中绘制的，因为极靴在圆周方向上偏移，所以相邻转子单元的极在转子的外半径处对准。

[0109] 应当理解的是，本实施例允许有利地减小转子130的轴向长度和最大化由图15的转子布置给出的主动与被动轴向长度比，其益处是能够独立地改变由序列转子单元120展现给气隙G的磁通的倾斜。

[0110] 在本实施例中的每个转子单元120可以具有被放置在磁极片30的内半径(在图8中示出的磁极片30的下方)处的径向磁化磁铁60的阵列(如在图2b中示出的)。这将进一步改善在转子和定子之间气隙的磁通密度。

[0111] 图9a示出了在图2c中示出的作为电动机的一部分的径向场内部转子单元120。除了前文描述的径向场内部转子单元120，机器还包括定子200。所述定子200包括多个电磁铁220。多个电磁铁包括磁芯210的多个指224，多个指224周围有多个可以由电流供电的线圈
222。电磁铁220被布置在围绕旋转轴线X的圆周方向C上。图9b示出了图9a的电动机的轴向部分。图9a和图9b的电动机示出了包括四组线圈的四个电磁铁，但可以理解的是，在所述附图中并未示出电动机的特定实施例的所有电磁铁220。在其他实施例中，定子200可以包括任意多个电磁铁220。

[0112] 图10a示出了在图2e中示出的径向场内部转子单元120，其中添加了作为电动机的一部分的轴向延伸管状结构101的剖视图。除了前文描述的径向场外部转子单元120，机器还包括定子200。所述定子200包括多个电磁铁220。多个电磁铁包括磁芯210的多个指224，多个指224周围有多个可以由电流供电的线圈222。电磁铁220被布置在围绕旋转轴线X的圆周方向C上。图10b示出了图10a的电动机的轴向部分。图10a和图10b的电动机示出了包括四组线圈的四个电磁铁，应当理解的是，在所述附图中并未示出电动机的特定实施例的所有电磁铁220。在其他实施例中，定子200可以包括任意多个电磁铁220。