Предварительно деформированные роторы для управления зазором между магнитом и статором в машинах с осевым потоком

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в уменьшении массогабаритных показателей. Технический результат достигается за счет предварительной деформации роторных элементов перед сборкой. Первая роторная пластина (406а) зацеплена с валом (408) ротора. Первый магнит (102а) присоединен к первой роторной пластине и имеет первую поверхность (1102), которая является ортогональной к направлению намагничивания первого магнита. Первая роторная пластина и первый магнит сконфигурированы и размещены так, что если они отделены от всех других формирующих магнитное поле компонентов, тогда расстояние между первой плоскостью, которая пересекает первую точку (702) на первой поверхности (1102), и к которой ось вращения является нормалью, и второй плоскостью, которая пересекает вторую точку (704) на первой поверхности, и к которой ось вращения является нормалью, по существу больше нуля. Второй магнит (102b) присоединен ко второй роторной пластине (406b) так, что первый магнитный поток формируется в зазоре (1002) между первым и вторым магнитами. Роторные пластины (406а, 406b) позиционированы так, что первый магнитный поток приводит к тому, что расстояние между первой и второй плоскостями по существу равно нулю. Статор (104) выполнен с возможностью выборочно формировать второй магнитный поток, который взаимодействует с первым магнитным потоком так, чтобы вынуждать вал ротора (408), первую роторную пластину (406а) и первый магнит (102а) вращаться синхронно. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 15 ил.

 

Родственные заявки

Эта заявка заявляет приоритет по отношению к каждой из (A) заявки США порядковый № 15/983,985, озаглавленной Pre-Warped Rotors for Control of Magnet-Stator Gap in Axial Flux Machines, поданной 18 мая 2018 года, (B) предварительной патентной заявки США порядковый № 62/515,251, озаглавленной Pre-Wraped Rotors for Control of Magnet-Stator Gap in Axial Flux Machines, поданной 5 июня 2017 года, и (C) предварительной патентной заявки США порядковый № 62/515,256, озаглавленной AIR CIRCULATION IN AXIAL FLUX MACHINES, поданной 5 июня 2017. Содержимое каждой из вышеупомянутых заявок включено в данный документ по ссылке во всей своей полноте для всех целей.

Уровень техники

Моторы и генераторы с осевым потоком обычно используют статор, который позиционируется в зазоре, сформированном между парой противоположных магнитов, которые формируют магнитный поток, и ротор, который поддерживает магниты и предоставляет возможность им вращаться синхронно относительно статора. Пример такого мотора или генератора 100 с осевым потоком показан на фиг. 1 и 2. Как показано, мотор или генератор 100 включает в себя пару кольцевых магнитов 102a, 102b, расположенных на каждой стороне статора 104. Магниты 102a, 102b поддерживаются соответствующими роторными пластинами 106a, 106b, которые неподвижно присоединены к валу 108. Магниты 102a, 102b, статор 104 и роторные пластины 106a, 106b, все содержатся в корпусе 110. Периметр статора 104 закрепляется между двумя частями 110a, 110b корпуса 110, таким образом, статор 104 остается неподвижным относительно корпуса 110.

Вместе, магниты 102a, 102b, роторные пластины 106a, 106b и вал 108 формируют "узел ротора", который может вращаться относительно статора 104 и корпуса 110. Как показано на фиг. 2, небольшой зазор 112a между верхней стороной роторной пластины 106a и внутренней поверхностью верхней половины 110a корпуса и небольшой зазор 112b между дном роторной пластины 106 и внутренней поверхностью нижней половины 110b корпуса предоставляет возможность узлу ротора вращаться относительно корпуса 110. Аналогично, небольшой зазор 114a между нижней стороной магнита 102a и верхней стороной статора 104 (также как между раскрытым нижним фрагментом роторной пластины 106a и верхней стороной статора 104) и небольшой зазор 114b между верхней стороной магнита 102b и нижней стороной статора 104 (также как между раскрытым верхним фрагментом роторной пластины 106b и нижней стороной статора 104) предоставляет возможность узлу ротора вращаться относительно статора 104. Опорные подшипники 116a, 116b между валом 108 и корпусом 110 предоставляют возможность узлу ротора вращаться свободно относительно статора 104 и корпуса 110 управляемым образом.

Сущность изобретения

В некоторых вариантах осуществления узел для использования в моторе или генераторе с осевым потоком содержит роторную пластину и магнит, причем магнит имеет поверхность, которая является ортогональной направлению намагничивания магнита. Роторная пластина выполнена с возможностью зацеплять вал ротора, который вращается вокруг оси вращения, и магнит присоединяется к роторной пластине. Роторная пластина и магнит конфигурируются и размещаются так, что, если роторная пластина и магнит отделяются от всех других формирующих магнитное поле компонентов, тогда расстояние между первой плоскостью, которая пересекает первую точку на поверхности, и к которой ось вращения является нормалью, и второй плоскостью, которая пересекает вторую точку на поверхности, и к которой ось вращения является нормалью, по существу больше нуля.

В некоторых вариантах осуществления способ для формирования узла для использования в моторе или генератором с осевым потоком содержит присоединение магнита к роторной пластине, магнит имеет поверхность, которая является ортогональной направлению намагничивания первого магнита. Роторная пластина является приспособленной зацеплять вал ротора, который вращается вокруг оси вращения, и конфигурируется так, что, после того как магнит присоединяется к роторной пластине, расстояние между первой плоскостью, которая пересекает первую точку на поверхности, и к которой ось вращения является нормалью, и второй плоскостью, которая пересекает вторую точку на поверхности, и к которой ось вращения является нормалью, по существу больше нуля.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 показывает общий вид в разрезе мотора или генератора с осевым потоком;

Фиг. 2 показывает вид сбоку в разрезе мотора или генератора с осевым потоком, показанного на фиг. 1;

Фиг. 3 показывает вид сбоку в разрезе фрагмента мотора или генератора с осевым потоком аналогичного мотору или генератору, показанному на фиг. 1 и 2, с преувеличенным зазором и отклонением ротора;

Фиг. 4 показывает вид сбоку в разрезе мотора или генератора с осевым потоком, применяющего пример предварительно деформированного роторного элемента, как описано в данном документе;

Фиг. 5A показывает общий вид системы, включающей в себя контроллер в дополнение к компонентам мотора или генератора, показанного на фиг. 4;

Фиг. 5B показывает развернутый вид системы, показанной на фиг. 5A;

Фиг. 6 показывает вид сбоку в разрезе примера роторной пластины, имеющей сужающуюся область, чтобы предоставлять возможность формирования предварительно деформированного роторного элемента, как описано в данном документе;

Фиг. 7 показывает вид сбоку в разрезе примера предварительно деформированного роторного элемента, как описывается в данном документе;

Фиг. 8 показывает вид сверху примера роторной пластины, такой как пластина, показанная на фиг. 6;

Фиг. 9 показывает вид сверху кольцевого магнита, который может быть использован в некоторых вариантах осуществления;

Фиг. 10 показывает вид сбоку в разрезе пары предварительно деформированных роторных элементов, иллюстрирующий то, как роторные элементы могут быть согнуты в желаемую конфигурацию, когда они объединяются в роторный узел;

Фиг. 11 показывает вид сбоку в разрезе примера узла мотора или генератора, объединяющего предварительно деформированные роторные элементы, такие как элементы, показанные на фиг. 7, включающие в себя преувеличенный зазор между соответствующими магнитами;

Фиг. 12 показывает вид сбоку в разрезе другого примера узла мотора или генератора, объединяющего предварительно деформированные роторные элементы, как описывается в данном документе;

Фиг. 13 является фотографией, показывающей верхнюю сторону предварительно деформированного роторного элемента, сконфигурированного, как описано в данном документе; и

Фиг. 14 является фотографией стороны предварительно деформированного роторного элемента, показанного на фиг. 13.

Подробное описание изобретения

Моторы и генераторы с осевым потоком, описанные посредством нескольких патентов, включающих в себя патент США № 7,109,625 ("'625 патент"), который содержится в данном документе по ссылке в своей полноте, отличает, как правило, плоский узел статора на плате печатного монтажа, вставленный между магнитами, намагниченными с чередующимися полюсами север-юг. Эти магниты прикрепляются к валу через "стружколомы" для присоединения к механической нагрузке (или источнику для генератора). Такие стружколомы обеспечивают путь возврата магнитного потока и могут соответствовать, например, роторным пластинам 106a, 106b, показанным на фиг. 1 и 2. Плотность магнитного потока в зазоре по существу зависит от интервала между двумя магнитами. Меньший зазор предоставляет возможность использования меньших, более легких магнитов для одной и той же плотности потока. Размеры зазора до 0,02 дюйма от статора до магнита на той или другой стороне были использованы. Изобретатель признал и оценил, что, когда магниты размещаются в этой конфигурации, круглые роторные элементы сгибаются вследствие силы магнитного притяжения между ними. Это сгибание уменьшает размер зазора на внешнем радиусе магнита, области, уже подверженной стиранию вследствие вариаций размеров где-либо еще. Это может вести к контакту магнита и статора во время работы мотора.

Описываются оборудования и технологии для поддержания согласованного зазора между ротором и статором в моторе или генераторе с осевым потоком без добавления к общей массе или толщине мотора или генератора. В некоторых реализациях механически обработанная поверхность на роторных пластинах (например, стружколомы) может быть использована, чтобы добиваться предварительно деформированного состояния, так что, когда собраны, усилие магнитов сгибает роторные пластины в позицию, которая приводит в результате к желаемому зазору. В некоторых вариантах осуществления, круглая, конусообразная сужающаяся часть может быть обработана на поверхности предварительно плоской поверхности роторной пластины, в результате чего, создается деформированная поверхность, которая, когда собирается в мотор или генератор, и на которую действует магнитная сила, сгибается по существу в параллельное или другое желаемое состояние. Альтернативно, сужающиеся к концу роторные пластины могут быть сформированы посредством отливки роторных пластин в желаемую сужающуюся конфигурацию.

Как отмечено, зазор между магнитами в моторе или генераторе с осевым потоком может быть важным конструкционным параметром в машине. Величина крутящего момента, который может быть создан, для данной плотности тока в статоре, является пропорциональной магнитному полю в зазоре. Размер этого зазора может иметь большое влияние на силу магнитного поля, делая, как правило, желательным уменьшение размера зазора, насколько возможно. Это представляет проблему в том, что, так как размер зазора уменьшается, то же увеличение магнитного поля оказывает большее усилие на роторные пластины, вызывающее сгибание пластин. Фиг. 3 показывает боковой вид в разрезе фрагмента упрощенного мотора или генератора с осевым потоком аналогичного мотору или генератору, показанному на фиг. 1 и 2, но в котором размер зазора и величина отклонения являются преувеличенными, чтобы иллюстрировать природу проблемы. В машинах, которые пытаются уменьшать зазор между ротором и статором, насколько возможно, сгибание этого типа может приводить в результате к несогласованной силе магнитного поля и даже трению магнитов о статор. Это трение может повреждать статор, создавать слышимый скрип и приводить в результате к сниженной эффективности.

Предыдущие решения должны были увеличивать размер зазора или увеличивать силу сгибания роторных пластин. Каждое из этих решений имеют нежелательные последствия. Первое традиционное решение, т.е., увеличение размера зазора, по причинам, изложенным выше, приводит в результате к уменьшению силы магнитного поля для данного размера магнита. Второе традиционное решение, т.е., увеличение силы сгибания ротора, делает необходимым увеличение толщины ротора, которое увеличивает общую массу машины и уменьшает желаемый тонкий форм-фактор. Оно может также делать необходимым использование более сложных производственных процессов, добавляющих к общей стоимости. В моторе или генераторе 100, показанном на фиг. 2, например, каждая из роторных пластин 106a, 106b снабжается ободом 115 и областью 118 увеличенной толщины рядом с центром роторных пластин 106a, 106b. Эти способы все еще приводят в результате к зазору с уменьшающейся шириной как функцией радиуса, устраняющей симптомы вместо проблемы неравномерного зазора.

Как показано на фиг. 1 и 2, в некоторых машинах с осевым потоком, подшипники 116a, 116b используются, чтобы поддерживать роторные пластины 106a, 106b и присоединенные магниты 102a, 102b. Эти подшипники 116a, 116b поддерживаются соответствующими частями 110a, 110b корпуса, которые сходятся вместе, зажимая статор 104 по его периметру. Выравнивание ротор-статор определяется по выравниванию вала 108 относительно подшипников 116a, 116b. Подшипники 116a, 116b имеют некоторую величину радиального биения, которое увеличивается, когда подшипник изнашивается. Дополнительно, часто будет некоторая степень несовмещения между двумя подшипниками 116a, 116b вследствие задания допусков в корпусе 110. Когда собран в тонкий мотор или генератор, какими эти конструкции типично являются, влияния биения и несовмещения увеличиваются на внешнем радиусе зазора между статором и магнитом и могут вести к трению, отмеченному выше. Это изобретение предоставляет способ для непосредственного устранения этой проблемы без уменьшения магнитного поля или увеличения в массе, по меньшей мере, в некоторых вариантах осуществления.

Фиг. 4 - это вид сбоку в разрезе примерного варианта осуществления мотора или генератора 400, объединяющего предварительно деформированные роторные элементы в соответствии с настоящим изобретением. Как может быть видно, мотор или генератор 400 имеет несколько компонентов подобно мотору или генератору 100, показанному на фиг. 1 и 2, но также имеет несколько заметных различий. Одно различие между двумя конструкциями относится к конфигурации втулки 422 в моторе или генераторе 400. Как показано, втулка 422 может быть использована, чтобы связывать роторные пластины 406a, 406b и вал 408, при этом штифты 424a, 424b используются, чтобы индексировать роторные пластины 406a, 406b относительно втулки 422, также как относительно друг друга, и при этом штифт 426 используется, чтобы индексировать втулку 422 относительно вала 408. Кроме того, предварительная деформация роторных элементов перед сборкой (как обсуждается более подробно ниже) предоставляет возможность роторным пластинам 406a, 406b в моторе или генераторе 400 быть менее громоздкими и/или менее сложными по сравнению с роторными пластинами 106a, 106b в моторе или генераторе 100, таким образом, предоставляя возможность мотору или генератору 400 добиваться более тонкого форм-фактора и/или быть менее трудными и/или дорогостоящими для производства. В примерном варианте осуществления, показанном на фиг. 4, например, роторные пластины 406a, 406b не включают в себя обод 115 или область 118 увеличенной толщины рядом с центром роторных пластин 106a, 106b, показанных на фиг. 2.

Узлы, включающие в себя предварительно деформированные роторные элементы, как описано в данном документе, могут быть использованы в любом известном или разработанном в будущем моторе или генераторе, включающем в себя моторы/генераторы с осевым потоком, описанные в '625 патенте, также как моторы и генераторы, описанные в патенте СШ № 9,673,684 и патенте США № 9,800,109, полное содержание каждого из которых включено в данный документ по ссылке.

Фиг. 5A показывает пример системы 500, включающей в себя контроллер 532 в дополнение к узлу 420 мотора или генератора типа узла, показанного на фиг. 4. Развернутый вид, показывающий компоненты узла 420 мотора или генератора и способ, которым они могут быть собраны, показан на фиг. 5B. Как показано, статор 104 может быть расположен в зазоре между двумя предварительно деформированными роторными элементами 534a, 534b, каждый из которых включает в себя магнит 102a, 102b, присоединенный к соответствующей роторной пластине 406a, 406b. Структура магнитных полюсов в магнитах 102a, 102b также является очевидной в развернутом виде на фиг. 5B. Винты или другие крепежные элементы 528 могут быть использованы, чтобы прикреплять роторные элементы 534a, 534b к втулке 422, а штифты 424a, 424b и 426 могут быть использованы для индексации роторных элементов и вала, как обсуждалось выше.

В иллюстрированном варианте осуществления электрические соединения 530 принимаются на внешнем радиусе статора 104, и статор монтируется на каркас или корпус по внешнему периметру. Другая полезная конфигурация, конфигурация "с внешним ротором", подразумевает монтаж статора 104 на внутреннем радиусе, создание электрических соединений 530 на внутреннем радиусе и замену вала 408 проводящим кольцом (не показано), разделяющим половины ротора. Также возможно конфигурировать систему только с одним магнитом, либо 102a, либо 102b, либо вставлять множество статоров между последовательными узлами магнитов. Провода 530 могут также передавать информацию о позиции ротора на основе показаний датчиков на эффекте Холла или аналогичных (не показаны), установленных на статоре. Дополнительно или альтернативно, энкодер (не показан) может быть присоединен к валу 408 и предоставлять позиционную информацию контроллеру 532.

Система 500 на фиг. 5A и 5B может функционировать либо как мотор, либо как генератор, в зависимости от работы контроллера 532 и компонентов, соединенных с валом 408. В качестве системы мотора контроллер 532 может задействовать переключатели, так что токи в статоре 104 создают крутящий момент вокруг вала 408 вследствие магнитного потока в зазоре, происходящего из магнитов 102a, 102b, соединенных с валом 408. В зависимости от конструкции контроллера 532 магнитный поток в зазоре и/или позиция ротора может быть измерена или оценена, чтобы задействовать переключатели, чтобы добиваться вывода крутящего момента на валу 408. В качестве системы генератора источник механической вращательной энергии, соединенный с валом 408, создает формы сигнала напряжения на клеммах статора. Эти напряжения могут быть либо непосредственно приложены к нагрузке, либо они могут быть выпрямлены с помощью трехфазного (или многофазного) выпрямителя в контроллере 532. Реализация выпрямителя может, например, быть "самокоммутированной" с помощью диодов в режиме генератора, или может быть сконструирована с помощью управляемых переключателей контроллера мотора, но работает так, что крутящий момент на валу противостоит крутящему моменту, предоставляемому посредством механического источника, и механическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Таким образом, идентичная конфигурация на фиг. 5A может функционировать и как генератор, и как мотор, в зависимости от того, как работает контроллер 532. Дополнительно, в некоторых вариантах осуществления, контроллер 532 может включать в себя компоненты фильтра, которые смягчают действия переключения, уменьшают EMI/RFI от проводов 530, уменьшают потери и предоставляют дополнительную гибкость в мощности, подаваемой к или предоставляемой от контроллера 532.

Фиг. 6 и 7 иллюстрируют примерный способ для формирования предварительно деформированного роторного элемента 534b, включающего в себя роторную пластину 406b и магнит 102b. Аналогичная технология может быть применена для формирования предварительно деформированного роторного элемента 534a, расположенного на другой стороне зазора, в котором статор располагается (например, см. фиг. 10-12). Примеры технологий для выравнивания магнитов 102a, 102b с роторными пластинами 406a, 406b во время сборки описываются, например, в патенте США № 9,673,688, полное содержание которого включено в данный документ по ссылке.

Как видно на фиг. 6, роторная пластина 406b может быть сформирована, чтобы включать в себя область 604 поверхности, которая сужается относительно плоскости, к которой ось вращения 602 вала ротора является нормалью, также как центральную область 606, имеющую, в целом, плоскую поверхность, которая является параллельной такой плоскости. Вид сверху роторной пластины 406b, включающей в себя сужающуюся область поверхности 604 и центральную область 606, показан на фиг. 8. Роторная пластина 406b может дополнительно включать в себя отверстия 802, чтобы принимать штифты 424a, 424b, отверстия 804, чтобы принимать винты 528, и отверстие 806, чтобы принимать вал 408, все в центральной области 606. Сужающаяся область 604 поверхности может принимать любую из многочисленных форм, и изобретение не ограничивается какой-либо конкретной конфигурацией или типом сужающейся части. В показанном иллюстративном варианте осуществления верхний фрагмент роторной пластины 406 существует в форме правильного, усеченного конуса, при этом верхняя сторона центральной области 606 формирует верхнее основание усеченного конуса. Другие конфигурации, однако, являются возможными и принимаются во внимание.

Как иллюстрировано на фиг. 7, магнит 102b может быть присоединен к верхней поверхности роторной пластины 406b, так что он касается по меньшей мере фрагмента сужающейся области 604 поверхности. В иллюстрированном варианте осуществления магнит 102b имеет кольцевую форму, которая охватывает по существу всю сужающуюся (например, коническую) область 604. Вид сверху кольцевого магнита 102b показан на фиг. 9. Как показано, круглое отверстие 902 в магните 102b имеет радиус R1, измеренный от центральной точки 904, а круглый внешний периметр 906 магнита 102b имеет радиус R2. Присоединение кольцевого магнита 102b к сужающейся области 604, как показано на фиг. 7, будет вынуждать магнит 102b деформироваться и по меньшей мере частично соответствовать форме конической сужающейся области 604. Эта деформация магнита будет оказывать давление и деформировать основную часть роторной пластины 406b.

Как показано на фиг. 7, степень сужения области 604 поверхности может быть измерена посредством идентификации двух точек 702, 704 на поверхности роторной пластины 406b, которая касается нижней поверхности 720 магнита, и определения расстояния D1 между двумя плоскостями 706, 708, к которым ось вращения 602 является нормалью, и которые пересекают первую точку 702 и вторую точку 704, соответственно. В показанном примере нижняя поверхность магнита, которая касается конической сужающейся области 604, является ортогональной направлению намагничивания магнита 102b. В некоторых вариантах осуществления две точки 702, 704 касания магнитов могут быть обнаружены (на внутреннем радиусе R1 и внешнем радиусе R2 магнита, или где-либо еще), для которых расстояние D1 по существу больше нуля. Термин "по существу" в этом контексте предназначается, чтобы исключать легкие отклонения вследствие несовершенств обработки и/или материала в пределах разрешенных допусков. В некоторых реализациях расстояние D1 может, например, быть больше 0,003 дюйма, или больше 0,01 дюйма, или даже больше 0,02 дюйма. Дополнительно или альтернативно, в некоторых вариантах осуществления, две точки 702, 704 касания магнита могут быть обнаружены, так что отношение расстояния D1 к расстоянию между двумя точками и/или к разнице между внутренним радиусом R1 и внешним радиусом R2 магнита, по существу больше нуля. В некоторых реализациях такое отношение может, например, быть больше 0,002, или больше 0,005, или даже больше 0,01.

Как также иллюстрировано на фиг. 7, в некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, одна точка 710 может быть обнаружена на поверхности роторной пластины 106b, которая касается магнита 102b, для которой луч 712, который протягивается от и является нормалью к поверхности, формирует угол α1 с плоскостью, для которой ось вращения 602 является нормалью, который по существу меньше 90 градусов. В некоторых реализациях угол α1 может, например, быть меньше 89,9 градусов, меньше 89,7 градусов или даже меньше 89,5 градусов. Точка 710 может быть расположена на внутреннем радиусе R1 магнита 102b, на внешнем радиусе R2 магнита 102b или в некоторой точке между этими двумя радиусами.

Дополнительно или альтернативно, и как также показано на фиг. 7, степень сужения магнита 102b, когда присоединен к роторной пластине 406b, может быть измерена посредством идентификации двух точек 714, 716 на поверхности магнита 102b, которая является ортогональной направлению намагничивания магнита 102b, например, верхней поверхности 718 магнита 102b, показанной на фиг. 7, и определения расстояния D2 между двумя плоскостями 726, 728, для которых ось вращения 602 является нормалью, и которая пересекает первую точку 714 и вторую точку 716, соответственно. В показанном примере нижняя поверхность 720 магнита, которая касается конической сужающейся области 604, также является ортогональной направлению намагничивания магнита 102b. В некоторых вариантах осуществления две точки 714, 716 поверхности магнитов могут быть обнаружены (на внутреннем радиусе R1 и внешнем радиусе R2 магнита, или где-либо еще), для которых расстояние D2 по существу больше нуля. В некоторых реализациях расстояние D2 может, например, быть больше 0,002 дюйма, или больше 0,005 дюйма, или даже больше 0,01 дюйма. Дополнительно или альтернативно, в некоторых вариантах осуществления, две точки 714, 716 поверхности магнита могут быть обнаружены, так что отношение расстояния D2 к расстоянию между двумя точками и/или к разнице между внутренним радиусом R1 и внешним радиусом R2 магнита, по существу больше нуля. В некоторых реализациях такое отношение может, например, быть больше 0,002, или больше 0,005, или даже больше 0,01.

Как также иллюстрировано на фиг. 7, в некоторых вариантах осуществления по меньшей мере одна точка 722 может быть обнаружена на поверхности магнита 102b, которая является ортогональной направлению намагничивания магнита 102b, например, верхней поверхности 718, для которой луч 724, который протягивается от и является нормалью к поверхности магнита, формирует угол α2 с плоскостью, для которой ось вращения 602 является нормалью, который по существу меньше 90 градусов. В некоторых реализациях угол α2 может, например, быть меньше 89,9 градусов, меньше 89,7 градусов или даже меньше 89,5 градусов. Точка 722 может быть расположена на внутреннем радиусе R1 магнита 102b, на внешнем радиусе R2 магнита 102b или в некоторой точке между этими двумя радиусами.

Как иллюстрировано на фиг. 10, когда два роторных элемента 534a, 534b присоединяются к валу 408 и втулке 422 (не показана на фиг. 10), магнитный поток магнитов 102a, 102b формирует притягивающее усилие в зазоре 1002 между магнитами, которое вынуждает роторные элементы 534a, 534b деформироваться, так что концы роторных элементов 534a, 534b перемещаются по направлению друг к другу. Прерывистые линии на фиг. 10 иллюстрируют то, как роторные элементы 534a, 534b могут быть сформированы, после того как они собираются в мотор или генератор, такой как мотор или генератор, показанный на фиг. 4, 5A и 5B. В некоторых вариантах осуществления роторные элементы 534a, 534b предварительно деформируются перед сборкой, так что поверхности двух магнитов 102a, 102b, которые обращены друг к другу, являются по существу параллельными в собранном моторе или генераторе 400, таким образом, делая ширину зазора 1002 по существу равномерной на всем протяжении. В других реализациях роторные элементы 534a, 534b могут быть слегка "передеформированы", так что, после сборки получается сужение, которое увеличивается как функция радиуса. В то время как это может иметь нежелательный эффект уменьшения зазора при больших радиусах, это предоставляет возможность использования меньшей средней ширины G зазора, таким образом, увеличивая среднюю силу магнитного поля и сохраняя зазор на внешнем радиусе магнитов 102a, 102b.

Как иллюстрировано на фиг. 10, величина деформации, которую роторный элемент 534b испытывает при сборке, может быть измерена посредством идентификации точки 1004, расположенной на внешнем радиусе R2 магнита 102b, и определения расстояния D3, на которое точка перемещается в направлении, совпадающем с осью вращения 602 при сборке. Расстояние D3 может быть измерено, например, посредством идентификации плоскости, которая пересекает точку 1004, и к которой ось вращения 602 является нормалью, и определения расстояния, на которое такая плоскость перемещается относительно другой плоскости, которая пересекает точку в или рядом с центром роторного элемента 534b, и для которой ось вращения 602 также является нормалью. В некоторых вариантах осуществления расстояние D3 больше 0,001 дюйма, или больше 0,005 дюйма, или даже больше 0,01 дюйма. Дополнительно или альтернативно, в некоторых вариантах осуществления, отношение расстояния D3 к средней ширине G зазора 1002 больше 0,01, или больше 0,05, или даже больше 0,1. Дополнительно или альтернативно, отношение расстояния D3 к среднему расстоянию зазора между магнитом 102b и поверхностью статора 104 (не показано на фиг. 10) может быть больше 0,25, 0,5 или даже больше 1. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления, роторный элемент 534b может отклоняться настолько же или больше по сравнению со средним расстоянием зазора между магнитом и статором.

Обращаясь к фиг. 7 вместе с фиг. 10, следует понимать, что, в некоторых вариантах осуществления, роторные элементы 534a, 534b могут быть сконфигурированы и размещены так, что, для каждого роторного элемента, одно или более следующих значений могут уменьшаться на пятьдесят процентов или больше, когда роторные элементы 534a, 534b присоединяются к валу 408 и вынуждаются отклоняться, как иллюстрировано на фиг. 10: (1) расстояние D1 между плоскостями 706 и 708, (2) отношение расстояния D1 к расстоянию между точками 702 и 704 и/или разница между внутренним радиусом R1 и внешним радиусом R2 магнита, (3) расстояние D2 между плоскостями 726 и 728, и (4) отношение расстояния D2 к расстоянию между точками 714 и 716 и/или к разнице между внутренним радиусом R1 и внешним радиусом R2 магнита.

Фиг. 11 показывает узел 420 мотора или генератора, с преувеличенным зазором между магнитами 102a, 102b, где роторные элементы 534a, 534b были предварительно деформированы перед сборкой, так что, при сборке, поверхности 1102, 1104 двух магнитов 102a, 102b, которые обращены друг к другу, являются по существу параллельными.

Фиг. 12 иллюстрирует узел 420 мотора или генератора, в котором применяются предварительно деформированные пластины 406a, 406b, каждая имеет более равномерную ширину на всем протяжении. В такой реализации сужающиеся поверхности, к которым магниты 102a, 102b присоединяются, могут иметь, каждая, форму, аналогичную примеру, показанному на фиг. 6 и 7, но толщины роторных пластин 406a, 406b могут быть по существу постоянными в радиальном направлении. В других реализациях предварительная деформация может быть использована, в то же время изменяя толщины роторных пластин 406a, 406b другими способами по различным причинам, например, чтобы оптимизировать магнитное сопротивление роторных пластин 406a, 406b, чтобы максимизировать производительность мотора или генератора 400.

Использование технологий предварительной деформации, описанных в данном документе, не ограничивается кольцевыми магнитами, как описано и показано выше. Оно может также быть применено, например, к способам, которые используют сегментированные магниты, где каждый роторный элемент содержит множество магнитов, каждый формирует единственный магнитный полюс. Такие конструкции в машинах с осевым потоком являются общепринятыми и страдают от одинаковой проблемы отклонения. Круглая роторная пластина с конической суживающейся частью может быть использована, или каждый магнит может быть помещен в свой собственный карман, каждый индивидуально сужается, так что при сборке в мотор или генератор размер зазора не уменьшается на внешнем радиусе. В этом случае отдельные плоские поверхности вместо единой конической поверхности могут, например, быть реализованы.

Фиг. 13 и 14 являются фотографиями роторного элемента 534, собранного и сконфигурированного, как описано в данном документе. В показанном примере величина сужения (т.е., значение D1, описанное в соединении с фиг. 7) является очень небольшой, с отклонением от плоскости только на 0,005 дюйма на внешнем радиусе, что является незаметным в изображениях. В этом случае компьютерная модель, содержащая анализ методом конечных элементов (FEA), была использована, чтобы определять силу магнитного притяжения и результирующий изгиб роторного элемента 435. Результирующее отклонение было вычислено как 0,002 дюйма. Дополнительные 0,003 дюйма сужения были добавлены, чтобы предоставлять возможность для некоторого радиального биения и несовмещения подшипников 116a, 116b. Фиксатор, механически обработанный для этого применения, был использован, чтобы сгибать ротор в отклоненное на 0,005 дюйма состояние в противоположном направлении, которое он будет испытывать в моторе или генераторе 400. В то время как в этом состоянии поддерживающая магнит поверхность роторной пластины 406 была механически обработанной плоскостью, так что, при разборке из фиксатора она будет иметь желаемое сужение. Плоский кольцевой магнит 102 был затем собран на роторной пластине 406. Когда роторная пластина 406 приблизилась к магниту 102, магнитное притяжение вынудило магнит 406 принимать отклоненную форму роторной пластины 406. Вследствие гораздо более низкого модуля упругости магнита по сравнению со сталью роторная пластина 406 не отклонилась значительно, и механические напряжения, индуцированные в магните, были гораздо более низкими по сравнению с предельным напряжением сдвига.

Как и в примере выше, компьютерные способы, такие как FEA, могут быть использованы, чтобы точно определять усилие, действующее на роторную пластину 406 вследствие магнитного поля, и результирующий профиль отклонения. Типично, простая геометрия ротора с постоянной толщиной приводит в результате к линейной кривой отклонения как функции радиуса в области установки магнита, делая желаемое сужение линейной функцией радиуса, как видно в примерах, обсужденных выше. Это сужение уменьшает прочность при изгибе роторной пластины 406, так как некоторый материал убирается. В то время как будет возможно использовать итеративный способ, чтобы учитывать изменяющиеся свойства, сужение может быть выполнено достаточно незначительным, чтобы это не было необходимым. Компьютерные модели предоставляют возможность прогнозирования величины сгиба для простых и сложных геометрий различных материалов.

Фиксатор для механической обработки, описанный выше, предоставляет воспроизводимый, прогнозируемый способ механической обработки сужающейся части на роторе с использованием обрабатывающего инструмента, который просто механически обрабатывает плоскую поверхность. Будущие сужающиеся роторы могут быть созданы с помощью других способов, в частности, если нелинейное сужение является желательным. Современные инструменты предоставляют возможность разработки точных конструкций и сложных геометрий, которые должны быть механически обработаны, которые могут быть использованы как часть процесса оптимизации машин с осевым потоком.

Сужающиеся роторные элементы типа, описанного в данном документе, были использованы в работающих моторах и продемонстрировали как воспроизводимый, эффективный способ управления размером зазора между магнитом и статором в машинах с осевым потоком. Измерения указывают, что сужающаяся часть в созданных роторных элементах, таких как показанные на фиг. 13 и 14, являются точными, и сборка подтвердила, что магниты 102 совмещаются с сужающейся частью при присоединении к роторным пластинам 406.

Описав, таким образом, несколько аспектов, по меньшей мере, одного варианта осуществления этого изобретения, должно быть понятно, что различные изменения, модификации и улучшения легко придут на ум специалистам в области техники. Такие изменения, модификации и улучшения предполагают быть частью этого изобретения и предполагают быть в духе и рамках изобретения. Соответственно, предшествующее описание и чертежи существуют только в качестве примера.

Различные аспекты настоящего изобретения могут быть использованы отдельно, в сочетании или во множестве компоновок, специально не обсуждаемых в вариантах осуществления, описанных выше, и, следовательно, не ограничиваются в этой заявке деталями и компоновкой компонентов, изложенных в предшествующем описании или иллюстрированных на чертежах. Например, аспекты, описанные в одном варианте осуществления, могут быть объединены любым образом с аспектами, описанными в других вариантах осуществления.

Также, изобретение может быть осуществлено как способ, пример которого был предоставлен. Действия, выполняемые как часть способа, могут быть упорядочены любым подходящим образом. Соответственно, могут быть созданы варианты осуществления, в которых действия выполняются в порядке, отличном от иллюстрированного, который может включать в себя выполнение некоторых действий одновременно, даже если показаны как последовательные действия в иллюстративных вариантах осуществления.

Использование порядковых терминов, таких как "первый", "второй", "третий" и т.д. в формуле изобретения, чтобы модифицировать элемент формулы изобретения, само по себе не являет какой-либо приоритет, предшествование или порядок одного элемента формулы изобретения в отношении другого или временной порядок, в котором действия способа выполняются, а используются просто как метки, чтобы различать один заявляемый элемент, имеющий некоторое наименование, от другого элемента, имеющего такое же наименование (но для использования порядкового термина), чтобы различать элементы формулы изобретения.

Также, фразеология и терминология, применяемая здесь, используется с целью описания и не должна быть расценена как ограничение. Использование фраз “включающий в себя”, “содержащий” или "имеющий", "содержащий в себе", "подразумевающий" и их вариаций в данном документе предназначено, чтобы охватывать элементы, перечисленные после этого, и их эквиваленты, также как и дополнительные элементы.

1. Мотор или генератор с осевым потоком, содержащий:

вал (408) ротора, который вращается вокруг оси вращения;

первую роторную пластину (406а), зацепленную с валом (408) ротора;

первый магнит (102а), присоединенный к первой роторной пластине (406а), причем первый магнит (102а) имеет первую поверхность (1102), которая является ортогональной к направлению намагничивания первого магнита (102а);

при этом первая роторная пластина (406а) и первый магнит (102а) сконфигурированы и размещены так, что если первая роторная пластина (406а) и первый магнит (102а) отделены от всех других формирующих магнитное поле компонентов, тогда расстояние между первой плоскостью, которая пересекает первую точку (702) на первой поверхности (1102), и к которой ось вращения является нормалью, и второй плоскостью, которая пересекает вторую точку (704) на первой поверхности (1102), и к которой ось вращения является нормалью, по существу больше нуля,

и при этом мотор или генератор с осевым потоком дополнительно содержит:

вторую роторную пластину (406b), зацепленную с валом (408) ротора; и

второй магнит (102b), присоединенный ко второй роторной пластине (406b) так, что первый магнитный поток формируется в зазоре (1002) между первым (102а) и вторым (102b) магнитами,

причем первая (406а) и вторая (406b) роторные пластины позиционированы так, что первый магнитный поток приводит к тому, что расстояние между первой и второй плоскостями по существу равно нулю,

и при этом мотор или генератор с осевым потоком дополнительно содержит статор (104), расположенный в зазоре (1002),

причем статор (104) выполнен с возможностью выборочно формировать второй магнитный поток, который взаимодействует с первым магнитным потоком так, чтобы вынуждать вал (408) ротора, первую роторную пластину (406а) и первый магнит (102а) вращаться синхронно.

2. Мотор или генератор с осевым потоком по п. 1, при этом фрагмент первой роторной пластины (406а), к которой присоединен первый магнит (102а), имеет форму правильного усеченного конуса.

3. Мотор или генератор с осевым потоком по любому из пп. 1 или 2, при этом первый магнит (102а) содержит кольцевой магнит с чередующимися магнитными полюсами.

4. Мотор или генератор с осевым потоком по любому из пп. 1 или 2, при этом первый магнит (102а) является одним из множества отдельных магнитов, которые расположены на первой роторной пластине (406а) в соответствующих угловых позициях вокруг оси вращения.

5. Мотор или генератор с осевым потоком по п. 4, при этом:

первая роторная пластина (406а) выполнена из первого материала; и

множество отдельных магнитов разделены и расположены с использованием второго материала, который отличается от первого материала.

6. Мотор или генератор с осевым потоком по любому из пп. 1-5, при этом:

вторая точка (704) находится на большем радиальном расстоянии от оси вращения по сравнению с первой точкой (702),

первая (702) и вторая (704) точки контактируют со второй поверхностью первой роторной пластины (406а) в первом и втором местоположениях, соответственно, и

первая роторная пластина (406а) и первый магнит (102а) дополнительно сконфигурированы и размещены так, что если первая роторная пластина (406а) и первый магнит (102а) отделены от всех других формирующих магнитное поле компонентов, тогда луч, который протягивается от и является нормалью ко второй поверхности во втором местоположении, пересекает первую плоскость.

7. Мотор или генератор с осевым потоком по п. 6, при этом первая роторная пластина (406а) и первый магнит (102а) дополнительно сконфигурированы и размещены так, что если первая роторная пластина (406а) и первый магнит (102а) отделены от всех других формирующих магнитное поле компонентов, тогда угол между лучом и первой плоскостью по существу меньше 90 градусов.

8. Мотор или генератор с осевым потоком по п. 1, при этом:

вторая точка (704) находится на большем радиальном расстоянии от оси вращения по сравнению с первой точкой (702);

первая (702) и вторая (704) точки контактируют со второй поверхностью первой роторной пластины (406а) в первом и втором местоположениях соответственно;

первая (406а) и вторая (406b) роторные пластины позиционированы так, что вторая плоскость находится на первой стороне первой плоскости; и

первая роторная пластина (406а) и первый магнит (102а) дополнительно сконфигурированы и размещены так, что если первая роторная пластина (406а) и первый магнит (102а) были отделены от всех других формирующих магнитное поле компонентов, тогда:

луч, который протягивается от и является нормалью ко второй поверхности во втором местоположении, будет пересекать первую плоскость, и

вторая плоскость будет оставаться на первой стороне первой плоскости.

9. Мотор или генератор с осевым потоком по п. 1, дополнительно содержащий:

корпус (110) по меньшей мере частично окружающий первую роторную пластину (406а), первый магнит (102а), статор (104), вторую роторную пластину (406b), второй магнит (102b) и фрагмент вала (408) ротора, при этом:

первая роторная пластина (406а), первый магнит (102а), вторая роторная пластина (406b), второй магнит (102b) и вал (408) ротора являются подвижными относительно корпуса (110), и

статор (104) зафиксирован относительно корпуса (110).

10. Мотор или генератор с осевым потоком по любому из предшествующих пунктов, при этом:

первая роторная пластина (406а), первый магнит (102а), вторая роторная пластина (406b) и второй магнит (102b) сконфигурированы и размещены так, что отношение расстояния между первой и второй плоскостями и расстояния между первой (702) и второй (704) точками является первым значением; и

первая роторная пластина (406а) и первый магнит (102а) дополнительно сконфигурированы и размещены так, что если первая роторная пластина (406а) и первый магнит (102а) отделены от всех других формирующих магнитное поле компонентов, тогда отношение расстояния между первой и второй плоскостями и расстояния между первой (702) и второй (704) точками является вторым значением, которое по меньшей мере вдвое больше первого значения.

11. Мотор или генератор с осевым потоком по любому из предшествующих пунктов, при этом:

первый магнит (102а) имеет внутренний край, расположенный в первой точке (702);

первый магнит (102а) имеет внешний край, который является противоположным внутреннему краю и расположен во второй точке (704); и

первая роторная пластина (406а) и первый магнит (102а) дополнительно сконфигурированы и размещены так, что если первая роторная пластина (406а) и первый магнит (102а) отделены от всех других формирующих магнитное поле компонентов, тогда отношение расстояния между первой и второй плоскостями и расстояния между первой (702) и второй (704) точками больше 0,002.

12. Способ формирования мотора или генератора с осевым потоком, содержащий этапы, на которых:

присоединяют первый магнит (102а) к первой роторной пластине (406а), причем первый магнит (102а) имеет первую поверхность (1102), которая является ортогональной направлению намагничивания первого магнита (102а), и зацепляют первую роторную пластину (406а) с валом (408) ротора, который вращается вокруг оси вращения, и конфигурируется так, что, после того как первый магнит (102а) присоединяется к первой роторной пластине (406а), расстояние между первой плоскостью, которая пересекает первую точку (702) на первой поверхности (1102), и к которой ось вращения является нормалью, и второй плоскостью, которая пересекает вторую точку (704) на первой поверхности (1102), и к которой ось вращения является нормалью, по существу больше нуля,

и при этом способ дополнительно содержит этап, на котором зацепляют вторую роторную пластину (406b) с валом (408) ротора, причем второй магнит (102b) присоединен ко второй роторной пластине (406b) и первый магнитный поток формируется в зазоре (1002) между первым (102а) и вторым (102b) магнитами,

причем первая (406а) и вторая (406b) роторные пластины зацепляются с валом (408) ротора так, что первый магнитный поток приводит к тому, что расстояние между первой и второй плоскостями по существу равно нулю,

и при этом способ дополнительно содержит этап, на котором зацепляют вторую роторную пластину (406b) с валом (408) ротора так, что статор (104) располагается в зазоре (1002), при этом статор (104) выполнен с возможностью выборочно формировать второй магнитный поток, который взаимодействует с первым магнитным потоком так, чтобы вынуждать вал (408) ротора, первую роторную пластину (406а) и первый магнит (102а) вращаться синхронно.