CN101127464A - 电机转子和用于降低转矩脉动的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电机转子。该转子包括：数个第一空腔，所述第一空腔定位成接近转子的圆周表面，每个第一空腔能容纳至少一个永磁体；以及数个大体上定位在在圆周方向上相邻的第一空腔之间的第二空腔。

Description

电机转子和用于降低转矩脉动的方法
相关申请
本申请是2006年8月4日申请的美国专利申请第60/835,811号的正式申请，所述美国专利申请的内容通过引用而全部结合在本申请中。
背景技术
电机通常使用定位在转子内的永磁体，其中所述转子在定子的中心钻孔内旋转，以将机械能转换为电能或者将电能转换为机械能。
在单个的永磁体内以及在邻近的永磁体之间，磁通线在极性相反的磁极之间延伸。这些磁通线的路径和密度会对转矩与电机的转子的旋转角度的关系造成显著影响。例如，转子在电机中的旋转期间，转子周边附近的通量线的不均匀分布会导致通常称为转矩脉动的较高级别和较低级别的转矩。所述转矩脉动由于某些原因而造成不利影响，例如可听噪音、效率损失以及增大部件磨损。
通量线行进的路径部分地由定位在相反磁极之间及其附近的材料以及这些材料的几何构形确定。相对于硬磁性材料和材料空隙(materialvoids)，通量线优先将其自身定位在软磁性材料内。因此，转子的设计能够对所形成的通量线路径产生显著的影响。
因此，在所属领域中，希望能够实现对转子设计进行改进，所述改进能够减少转矩脉动以及与此相关的副作用。
发明内容
本发明公开了一种电机转子。该转子包括：数个第一空腔，所述第一空腔定位成接近转子的圆周表面，每个第一空腔能容纳至少一个永磁体；以及数个大体上定位在在圆周方向上相邻的第一空腔之间的第二空腔。
本发明还公开了一种电机转子组件。该组件包括：一转子；形成于转子内并接近转子的圆周表面的数个第一空腔；数个永磁体，所述数个永磁体中的每个永磁体固定地附着到转子上并位于所述数个第一空腔中的一个内；以及形成于转子内的数个第二空腔，所述数个第二空腔中的每一个定位在在圆周方向上相邻的第一空腔之间。
本发明还公开了一种用于使电机的转矩脉动达到最小化的方法，该方法包括：通过阻断转子中的通量倾向于通过的(prone to flux passage)选定区域，在电机转子处于运动状态时抑制自然通量线的形成，所述阻断是通过在该区域中插入一个或更多的空腔来完成；以及引导通量线绕过转子中的所述一个或更多的空腔.
本发明还公开了一种制造用于电机的转子的方法，该方法包括：形成具有数个第一孔和数个第二孔的转子，所述第一孔能容纳磁体，所述第二孔用于定形(sculpting)通量线。
附图说明
以下的具体实施方式部分决不可视为起到限制作用。在所述附图中，相同元件以相同标号进行标记，其中所述附图为：
图1绘出的是本发明所示电机的局部横剖面视图。
具体实施方式
参看图1，图中绘出本发明所披露的电机(dynamoelectric machine)6的局部横剖面图。转子10具有固定地定位在第一空腔18内的永磁体14，其中所述第一空腔18形成于所述转子10中。转子10同心位于定子22内，并且绕着转子轴线(未示出)旋转。转子10的外圆周表面26和定子22的内圆周表面30之间的间隙形成一位于两者之间的径向气隙34(air gap)。特意使气隙34保持较小，以使电机6的性能达到最大化。
定子22包括固定地定位在形成于所述定子22中的槽道42内的绕线线圈38。线圈38由被绝缘的导电材料缠绕而成(wound)，例如铜。电流流过定子22的线圈38以产生磁场，在电机6转换能量期间，所述磁场与转子10中的永磁体14的磁场相互作用。例如，所述能量转换可以从机械能到电能或者从电能到机械能。能量转换的性能和效率部分取决于来自于转子10中的永磁体14的通量线的形状和分布。
永磁体14的磁场形状部分地受到转子10的材料和几何构形的限定。磁通线倾向于集中在软磁性材料中并且倾向于避开硬磁性材料和软磁性材料中的材料空隙，比如气眼以及空腔或者具有非磁性填充物的空腔。因此，转子10特意由软磁性材料制成，例如硅钢或粉末金属，使得通量线的形状能够由转子10的几何形状确定。
磁通线在极性相反的磁极之间延伸。例如，通量线在第一磁体48的南极(S极)46和第一磁体48的北极(N极)49之间延伸，同时地，漏出的通量线在第一磁体48的S极46和第二磁体58的N极59之间延伸。位于邻近磁极46和59之间的转子材料的数量将对磁极46和59之间的通量线的路线和转子10中的该区域的磁场强度产生影响。因此，转子10的几何形状的设计能够影响转子10周边附近的磁场强度，形成具有局部较强磁场和局部较弱磁场的区域。
在转子10周边附近具有局部较强以及局部较弱的磁场，借此，在转子10相对于定子22旋转时，能够引起电机6的转矩发生变化。所述转矩变化通常称作转矩脉动。例如，转矩脉动能够在转子10的每一完整旋转中，引起转子10的转速发生变化。所述转速变化能够造成部件磨损率的增大，所述部件如传动皮带和轴承。转矩脉动还能造成振动以及从电机6发出令人不快的可听噪音。另外，转矩脉动已经显示出对电机的效率具有不利影响。因此，通常希望降低转子10周边附近的磁场的变化，从而降低与此相关的转矩脉动。
如上所说，通量线倾向于避开形成于软磁性材料中的空腔。因而，可以采用对软磁性材料中的空腔进行精致定位来有利地对磁通线进行定形(sculpt)，以优化能量转移并且使转矩脉动达到最小化。披露于本发明中的第二空腔64定位在通量线倾向于变短(shorted)的区域中。更加具体地，第二空腔64定位在转子10中并位于两个邻近的磁极46和59之间。第二空腔64的这种定位引起通量线绕过(route around)第二空腔64，由此，延长了通量线的路径长度并且减少了原本将会变短的总通量线。因此，第二空腔64能够用来提高转子10周边附近的磁场强度的均匀度。转子10周边附近的磁场强度的均匀度的提高能够降低转矩脉动的大小以及减少如上所述的与此相关的问题。第二空腔64通过减少转子10内的邻近的磁极46、59之间的变短的通量线的数量来提高磁场强度的均匀度。空腔64迫使更多的通量线穿过气隙34，在该处，所述通量线与由定子线圈38所产生的磁场的通量线连接。来自于永磁体14的磁通量与来自于定子线圈38的磁通量之间的互相作用对于有效的机电能量转换是关键因素。
尽管第二空腔64不需要完全延伸穿过转子10的轴向长度，但是，第二空腔64完全延伸穿过转子10的实施方式仍为上选，以便使第二空腔64相对于磁体14形成轴向对称。在圆周方向上，第二空腔64是对称的，如图所示。这样的设计可提供磁场强度的均匀度，而不论转子10行进的旋转方向如何，因而，这样的设计对于希望能沿任一方向旋转的应用情形来说属于优选设计。供选择地，对于转子10仅沿一个单一旋转方向行进的应用情形，会希望具有非对称的第二空腔。这样的非对称第二空腔可以在与相对方向相反的单一方向上提供更加均匀的通量线分布，并相应地提供减少的转矩脉动。
第二空腔64在转子10内的径向定位同样将会影响通量线的路线。在并未实际连接到表面26的情况下，第二空腔64应当被定位成尽可能接近圆周表面26但未实际连接到圆周表面26，从而在第二空腔64和表面26之间形成一软磁性材料的桥部68。桥部68应当薄到使得所述桥部68处于通量线饱和状态，因而使得另外的通量线改道穿过气隙34并且进入到定子22内。然而，桥部68还应当厚到足以维持结构的完整性，如果采用如下所述的机械加工，则还要厚到足以维持进行机械加工之后的结构的完整性。与第二空腔64连接到表面26上从而成为一切口或凹槽的方案相反，桥部68的存在使得具有连续的圆周表面26。在延长用在其上的切削工具的寿命的同时，圆周表面26的连续性明显改进表面26的机械加工性。
可能需要对表面26进行机加工，以消除在转子10制造之后，有可能存在于表面26上的局部突起和凹陷。例如，这样的机械加工可在车床上进行，另外，所述机械加工能够改进圆周表面26相对于转子10的旋转轴线的同心度。所述改进的同心度可以使气隙34更小，并且使得效率得到相关的改进。转子10可由不同的方法制造，所述方法中的一个是将几个单独并且大体上相同的片状件(lamination)堆叠并且固定在一起。例如，所述片状件可通过从金属片上冲压出所述片状件而制成。另一制造方法涉及对粉末金属进行压缩，随后再对粉末金属进行烧结，以使转子10形成为实心的垛(solid stack)。在该实施方式中，将片状件或实心的垛制成使其具有形成于其内的第一空腔18和第二空腔64。因此，在制造过程当中，对空腔18和64的轴向对准进行控制。在片状件的例子中，转子10的片状件堆叠过程要对片状件的彼此对准进行控制(controls)，这会影响到形成于圆周表面26上的任何突起或凹陷的大小。不论采用何种制造转子10的制造方法，局部突起和凹陷均会以一定的规模存在，从而需要通过随后的机加工过程将其消除。
尽管已经参照一或多个示例性实施方式对本发明进行描述，但是所属领域的技术人员应可理解，在不偏离本发明范围的情况下，可进行各种改变以及可用等同物替代其元件。另外，在不偏离本发明实质范围的情况下，按照本发明的教导，可进行许多修改以适应特定情形或材料。因此，本发明并未旨在受限于披露作为用于实施本发明的最佳方式的特定实施方式，相反，本发明将包括所有落入权利要求书范围内的实施方式。

Claims (20)

1.一种电机转子，包括：
数个第一空腔，所述第一空腔定位成接近转子的圆周表面，每个第一空腔容纳至少一个永磁体；以及
数个第二空腔，所述第二空腔大体定位在在圆周方向上相邻的第一空腔之间。
2.根据权利要求1所述的电机转子，其中，所述转子由软磁性材料制成。
3.根据权利要求1所述的电机转子，其中，所述数个第二空腔完全地延伸穿过转子的轴向长度。
4.根据权利要求1所述的电机转子，其中，所述数个第二空腔被包围在转子内并且没有连接到转子的圆周表面。
5.根据权利要求1所述的电机转子，其中，所述数个第二空腔在圆周方向上是对称的。
6.根据权利要求1所述的电机转子，其中，所述数个第二空腔在圆周方向上是非对称的。
7.根据权利要求1所述的电机转子，其中，所述数个第二空腔中的每一个大体上对称地定位在在圆周方向上相邻的第一空腔之间。
8.一种电机转子组件，包括：
一转子；
形成于转子内并接近转子的圆周表面的数个第一空腔；
数个永磁体，所述数个永磁体中的每个永磁体固定地附着到转子上并位于所述数个第一空腔中的一个内；以及
形成于转子内的数个第二空腔，所述数个第二空腔中的每一个定位在在圆周方向上相邻的第一空腔之间。
9.根据权利要求8所述的电机转子组件，其中，所述转子由软磁性材料制成。
10.根据权利要求8所述的电机转子组件，其中，所述数个第二空腔完全地延伸穿过转子的轴向长度。
11.根据权利要求8所述的电机转子组件，其中，所述数个第二空腔被包围在转子内并且没有连接到转子的圆周表面。
12.根据权利要求8所述的电机转子组件，其中，所述第二空腔在轴向方向上延伸于转子的整个长度。
13.根据权利要求8所述的电机转子组件，其中，所述数个第二空腔在圆周方向上是对称的。
14.根据权利要求8所述的电机转子组件，其中，所述数个第二空腔在圆周方向是非对称的。
15.根据权利要求8所述的电机转子组件，其中，所述数个第二空腔中的每一个大体上对称地定位在在圆周方向上相邻的第一空腔之间。
16.一种用于使电机的转矩脉动达到最小化的方法，包括：
通过阻断转子中的通量倾向于通过的选定区域，在电机转子处于运动状态时抑制自然通量线的形成，所述阻断是通过在该区域中插入一个或更多的空腔来完成；以及
引导通量线绕过转子中的所述一个或更多的空腔。
17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括将所述空腔在在圆周方向上相邻的永磁体之间。
18.一种制造用于电机的转子的方法，包括：
形成具有数个第一孔和数个第二孔的转子，所述第一孔能容纳磁体，所述第二孔用于定形通量线。
19.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括在转子的形成过程中对粉末金属进行压缩和烧结。
20.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括：
从片材冲压出片状件；以及
在转子的形成过程中，将片状件彼此堆叠和固定在一起，使得第一孔轴向对准并且使得第二孔轴向对准。
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C10 Entry into substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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