CN101978578A - 集成的转子磁极件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用作电旋转机械的活动的转子结构(301)的一部分的转子磁极件结构，其中所述的活动的转子结构(301)为圆形、包括磁极件和沿转子结构周向方向磁化的永磁体(307)，其中所述转子磁极件结构(303，305)为单体结构，具有至少两个由集成桥连接的被独立地隔开的磁极件。本发明还涉及一种制造转子磁极件结构(303，305)和用于电机的带有转子磁极件结构(303，305)的转子(301)的方法。通过这些根据本发明的转子磁极件结构(303，305)，明显地改善了磁体(307)往磁极件的组装。

Description

集成的转子磁极件

技术领域

本发明涉及一种用于电动旋转机械的转子。本发明还涉及一种制造用于电旋转机械的、具有转子磁极件结构的转子的方法。通过这些根据本发明的转子磁极件结构明显地改善了磁体在磁极件上的组装。

背景技术

在近年来，从调极电机、爪极式电机、伦德尔(Lundell)式电机和横向磁通电机(TFM)发展而来的电机设计已变得越来越受关注。使用这些机械的原理的电机早在约1910年即由Alexandersson和Fessenden公开。越来越受关注的重要原因之一在于所述设计能够实现相对于例如感应电机、开关磁阻电机以及甚至永磁无刷电机的非常高的扭矩输出。此外，这种机械的优点在于线圈通常易于制造。然而，所述设计的缺点之一在于其制造通常相当昂贵，并且漏磁很高，这导致低的功率因数并需要更多的磁性材料。低功率因数需要较大的电力电路(或当电机同步地使用时需要较大的电力供应)，这也增加了整个驱动装置的体积、重量和成本。

调极电机定子的基本特征在于使用中心单一绕组，该绕组可给由软磁磁芯结构形成的多个齿供磁。软磁磁芯围绕绕组形成，而对于其它普通的电机结构，绕组围绕齿型磁芯部段形成。调极电机结构/布局(topology)的示例有时认为是例如爪极式电机、角座式电机(crow-feet-)、伦德尔式电机或TFM电机。具有埋入式磁体的调极电机的特征还在于活动的(active)转子结构，该结构包括多个由磁极部段分开的永磁体。活动的转子结构由偶数个部段构建而成，其中半数部段由软磁材料制成，而另半数部段由永磁材料制成。永磁体布置成使得永磁体的磁化方向基本上为周向的，即北极和南极分别基本上周向方向地指向。

现有技术的方法将相当多数量的转子部段——通常为10-50个单独构件——作为单独的部件进行生产。由于在组装期间永磁体部段的相反的极化方向会趋于使磁极部段之间相互排斥，这些部段的组装变得更加复杂。在所期望的电机结构中，软磁极部段的磁功能为全三维的，并且要求软磁极部段能够有效地在所有的三个空间方向上都可以高导磁性地传导磁通量。使用层压钢板的传统设计在垂直于钢板平面的方向上未能显示出所需的高导磁性，这里有利地使用与现有技术层压钢板结构相比示出较高的磁通量各向同性的软磁结构和材料。

发明内容

本发明的实施方式提供了一种解决上面提到的一个或多个问题的转子。

这通过一种用于电旋转机械的转子结构来实现，其中所述转子结构呈管状、具有圆形横截面，该转子结构包括转子磁极部段和沿所述转子结构的周向方向磁化的永磁体，其中两个相邻的永磁体在周向方向上通过一转子磁极部段分开。转子结构的实施方式包括一个或多个转子磁极件结构，每个转子磁极件结构的形式为单体结构，其中至少两个被独立地隔开的转子磁极部段的相应部分通过集成桥连接。

在一些实施方式中，在组装到磁有效的永磁体上后，所有被连接和集成的转子磁极部段都显示出相同的磁极性，并因此不会由于在同一集成结构的磁极部段之间的集成桥而存在任何额外的磁泄漏。

由于永磁体产生转子磁场，并且由于永磁体与相应的转子磁极部段直接地磁耦合，因此集成桥仅用作转子磁极部段彼此之间的机械连接，以便提供转子磁极部段的稳定布置以及它们之间的良好地限定的距离，从而便于永磁体在形成于转子磁极部段之间的槽缝中的快速和精确布置。不需要集成桥传导磁通量，并且通常甚至不期望集成桥传导磁通量，当永磁体为转子结构的唯一磁源、例如在无线圈转子结构中时尤为如此。因此，集成桥的形状和尺寸可大得足以为磁极件结构提供足够的机械强度，以允许将永磁体布置在转子磁极部段之间。另外，集成桥的形状和尺寸可小得足以使任何磁通泄漏最小化。

位于磁极部段之间的集成桥可与转子磁极部段、尤其是另一相应的具有相反极性的磁极件结构的转子磁极部段物理上隔开，使得具有相反极性的磁极件结构之间的泄漏可最小化；从而使穿过气隙的有效磁通量的减少最小化、以及可能的电机扭矩的减小最小化。

在一实施方式中，可通过首先定位和固定转子磁极件结构、并接下来将永磁体塞入形成于转子磁极件结构的磁极部段之间的槽缝内而将转子磁极件结构组装成转子。由于软磁极部段在集成的转子磁极件结构中的几何预定位，因此磁体往磁极部段的组装被明显地改善。在一实施方式中，可通过粘合或由磁极件结构的集成几何特征所产生的机械互锁来锁定永磁体。

在已进行组装后，转子已为使用作好准备，因而可例如通过机加工切断以去除集成桥，这会减少完成的转子的重量。在一实施方式中，可通过将一个转子磁极件结构用作一半的磁极部段、然后分别加入永磁体和另外的磁极部段来形成转子。

在一实施方式中，所述结构由诸如软磁性粉末的软磁性材料制成。通过由软磁性粉末制成磁极部段，可使转子的制造简化，同时，利用有效的三维磁通量路径的优点，可使磁通量更有效地集中。

在一实施方式中，该结构为圆形，包括连接被独立地隔开的转子磁极部段的圆/环形的集成桥。从而仅需要两个结构来形成转子，这使转子的组装进一步改善。

在一实施方式中，所述结构为包括集成桥的圆形子部段，其形式为连接至少两个磁极部段的环形节段。从而仅需制造较小和较不复杂的元件，因此降低了制造复杂性。

取决于结构的制造工艺和所期望的磁通量需求，集成桥可相对于所述磁极部段隔开一径向距离或相对于所述磁极部段隔开一轴向距离。具有径向距离的集成桥与具有轴向距离的集成桥相比产生较短但较宽的转子。所述转子可用于轴向和径向旋转机械二者。

在一实施方式中，磁极部段的宽度小于所述磁极部段之间的距离。从而，磁极件结构可与类似的磁极件结构一起使用以形成转子的至少一部分，并在组装后为永磁体留下空间。

在一些实施方式中，至少两个转子磁极件中的每一个都被分成相应的第一和第二子部段，每个转子磁极部段的相应的子部段为相应的转子磁极件结构的一部分，即，两个转子磁极部段中的第一个的第一子部段经由第一集成桥连接至两个转子磁极部段中的第二个的第一子部段，第一转子磁极部段的第二子部段经由第二集成桥连接至第二转子磁极部段的第二子部段。每个转子磁极件结构提供一个或多个用于接纳永磁体之一的至少一部分的槽缝，所述槽缝至少部分地由通过集成桥彼此连接的子部段限定。

因此，在此实施方式中，集成桥连接和集成在与永磁体组装后具有不同的磁极性的转子磁极部段的子部段。尽管这种布置导致一定量的磁泄漏，此实施方式提供用于接纳永磁体的槽缝，其中槽缝至少在周向方向上的尺寸由单个集成转子磁极件结构的尺寸限定，而不是通过不同磁极件结构的组装来限定。因此，可以较高的精度对转子结构的部件进行组装。

在一些实施方式中，转子磁极件结构包括两个磁极子部段，所述两个磁极子部段沿永磁体的相应的横向侧在轴向方向上延伸，子部段在各端部处通过相应的集成桥彼此连接，以便在轴向和周向方向上围绕永磁体，而同时留出在径向方向上延伸贯穿磁极件结构的开口以用于接纳永磁体。磁极件结构的横向外侧面抵接另一相同磁极件结构的相应的侧面以形成转子。在一个实施方式中，侧面平行于轴向方向，而在另一个实施方式中，转子磁极件的横向侧面相对于轴向方向成一角度地布置，以便形成一楔形的磁极件结构。因此，从轴向方向观察，楔形磁极件结构的其中一个端部在周向方向上比另一个端部宽。这种楔形的结构可交替朝向地布置，即第一磁极件结构的宽端邻近相应的相邻楔形磁极件结构的窄端布置。此实施方式的优点在于，由于可通过施加轴向压力使各磁极件结构相对于彼此对齐，因而进一步便于转子的组装。特别地，转子磁极件结构的轴向对齐确保了在周向方向上相互间具有精确的磁距。另外，可将永磁体塞入相应磁极件结构的槽缝内。

本发明还涉及一种本文所公开的转子的制造方法。转子磁极件结构可通过使用工具压实软磁性粉末而形成为一体件。

软磁性粉末可以是基本上纯的经水雾化处理的铁粉或海绵铁粉，所述经水雾化处理的铁粉或海绵铁粉为涂覆有电绝缘层的不规则形状颗粒。在本文中，术语“基本上纯的”意味着所述粉末应基本上不具有夹杂物，并且杂质O、C和N的量应保持最少。平均颗粒尺寸一般低于300μm并高于10μm。

然而，可使用任何软磁性金属粉末或合金粉末，只要它们具有足够的软磁性能并且粉末适合用于模压制。

粉末颗粒的电绝缘层可由无机材料制成。尤其适合的是在专利US6348265(其通过参引的方式结合入本文中)中所公开的类型的绝缘层，其涉及由具有含氧和磷的绝缘层的基本上纯的铁构成的基粉颗粒。具有绝缘颗粒的粉末为可从瑞典

公司获得的Somaloy

500、Somaloy

550或Somaloy

700。

从而，通过使用粉末成型方法以相同的操作有效地制成集成的磁极部段，其中，所述成型在单一压制工具设备中进行。

这里所描述的方法的实施方式包括如下步骤：

-结合第一磁极件结构和第二磁极件结构，第一磁极件结构和第二磁极件结构中的每一个都具有由集成桥连接的被独立地隔开的转子磁极部段，其中所述结构结合形成位于其磁极部段之间的槽缝，

-在第一和第二磁极件结构之间布置至少一个永磁体。

附图说明

下面，将参照附图对本发明的优选实施例进行描述，其中：

图1是现有技术的径向调极电机和现有技术的转子/定子设计的示意性的分解透视图；

图2是图1中的径向调极电机的剖视图；

图3a示出根据本发明的用于电机的转子；

图3b示出根据本发明的用于电机的转子；

图4a、4b和4c示出将转子磁极件结构组装形成转子的组装原理的实施例；

图5示出具有沿轴向移位的集成桥的转子磁极件结构的实施例；

图6示出具有沿径向移位的集成桥的转子磁极件结构的实施例；

图7示出另一个将转子磁极件结构组装形成转子的组装原理的实施例；

图8示出转子的又另一个实施例；

图9示出转子的又另一个实施例。

为了本发明的目的，术语轴向、周向和径向总体上指的是转子的几何结构，即术语轴向方向指的是转子的轴向方向等。

具体实施方式

本发明属于调极电机100的领域，调极电机的一个示例在图1中以示意性的分解透视图示出。调极电机定子10的基本特征在于使用中心单一绕组20，该绕组可给由软磁磁芯结构形成的多个齿102供磁。定子磁芯围绕绕组20形成，而对于其它普通的电机结构，绕组围绕单个的齿型磁芯部段形成。调极电机结构/布局的示例有时认为是例如爪极式电机、角座式电机、伦德尔式电机或TFM电机。更具体地，所示的调极电机100包括两个定子磁芯部段14和16、线圈20和转子30，每个所述磁芯部段都包括多个齿102并基本上为圆形，线圈20布置在第一和第二圆形定子磁芯部段之间，转子30包括多个永磁体22。此外，定子磁芯部段14和16、线圈20和转子30围绕共同的几何轴线103，并且两个定子磁芯部段14和16的多个齿布置成朝转子30突出，以形成闭合的磁通回路。图1中的电机为径向类型，因为在这种情况下定子的齿在径向方向上朝转子突出、同时定子围绕转子。然而，定子同样可相对于转子定位在内部，这种类型也在下面的某些附图中示出。如在下面阐述的本发明的范围不限于任何特定类型的调极电机，而是可同样应用于轴向以及径向类型、且定子相对于转子定位在内部以及外部的电机。类似地，本发明不限于单相电机而可同样应用于多相电机。

活动的转子结构30由偶数个部段22和24构建而成，其中半数部段——也称为转子磁极部段24——由软磁材料制成，而另半数部段由永磁体材料22制成。现有技术的方法将这些部段作为单独的部件进行生产。部段的数量通常可非常大，通常为10-50个单独部段的量级。永磁体22布置成使得永磁体的磁化方向基本上为周向，即北极和南极分别朝向基本沿周向的方向。此外，沿周向计数每隔一个永磁体22布置成相对于另一永磁体具有相反的磁化方向。在所期望的电机结构中，软磁极部段24的磁功能为全三维的，并且要求软磁极部段24能够有效地在所有的三个空间方向上都可以高导磁性地传导变化的磁通量。使用层压钢板的传统设计在垂直于钢板平面的方向上不能显示出所需的高导磁性，这里有利地使用与现有技术层压钢板结构相比示出较高的磁通量各向同性的软磁结构和材料。

图2示出了与图1相同的径向调极电机，但以组装好的电机的剖视图示出，其更清楚地示出定子齿102如何朝转子延伸及两个定子磁芯部段14、16的定子齿如何相对于彼此旋转地移位。

在图3a中示出根据本发明的实施例的用于电机的转子301。该转子包括第一和第二转子磁极件结构303、305，所述第一和第二转子磁极件结构各具有转子的一半转子磁极部段，并且，在分别属于第一和第二转子磁极件结构的相邻的转子磁极部段之间的槽缝中设置有永磁体307。

转子磁极件结构的磁极部段通过集成桥连接。集成桥可呈环形元件或环形节段的形式。在此实施例中，每个转子磁极件结构连接具有相同的相应极性的磁极件。

在图3a中，各转子磁极件结构为一集成的元件，由此两个结构连同若干永磁体对于形成转子是必需的，但在替代实施例中，每个结构可通过若干相互连接的转子磁极件结构形成。

图3b示出了使用若干相互连接的转子磁极件结构形成转子的实施例。四个相互连接的转子件结构309、311、313、315现在构成在图3a中示出的转子磁极件结构303。

图4a、4b和4c中示出将转子磁极件结构组装形成转子的组装原理。

图4a中示出转子磁极件结构或部分的转子磁极件结构401；该转子磁极件结构包括通过集成桥407连接的磁极部段403、405。通过根据箭头所示地插入来加入类似转子磁极件结构409的磁极部段。在图4b中，磁极件结构已被定位并固定，其中转子磁极部段之间的距离和转子磁极部段的尺寸确保在磁极部段之间存在槽缝411。在图4c中，已将永磁体413塞入形成于磁极部段之间的槽缝内。

磁极部段之间的集成桥与磁极部段物理地隔开，使得具有相反极性的磁极件结构之间的泄漏能够最小化；从而使穿过气隙的有效磁通量的减少被最小化，并使可能的电机扭矩的减小被最小化。在图4的示例中，集成桥407从另一磁极件结构409的转子磁极部段沿轴向移位，留出防止泄漏的气隙414。为此，转子磁极部段405包括工作部分415和连接部分416，所述工作部分与永磁体413之一直接磁连接，所述连接部分不与永磁体413直接接触并且连接到集成桥407。

图5中示出具有沿轴向移位的集成桥的转子磁极件结构的实施例。在此实施例中，集成桥507为环形结构，具有两个横向/水平环形侧面和径向上位于内侧和外侧的圆周面。转子磁极部段503连接到横向侧面之一并从该横向侧面沿轴向延伸。

图6中示出具有沿径向移位的集成桥的转子磁极件结构的实施例。在此实施例中，集成桥607为环形结构，具有两个横向/水平环形侧面和径向上位于内侧和外侧的圆周面。转子磁极部段603连接到圆周面之一并从该圆周面沿轴向延伸，在此示例中为从位于径向内侧的表面延伸。转子磁极部段603具有L形的结构，该L形的结构包括轴向部分615和连接部分616，所述轴向部分在被组装到转子中时与永磁体接触，所述连接部分从轴向部分沿径向延伸并连接到集成桥607上。应当理解，连接部分616可以不同于90度的角度从轴向部分615延伸。

图7示出另一个将转子磁极件结构组装形成转子的组装原理的实施例。在此实施例中，转子磁极件结构701和709与永磁体713一起布置形成转子。转子磁极件结构701和709类似于在图4至6中所描述的转子磁极件结构。然而，在此实施例中，磁极件703和705的轴向长度与永磁体713的轴向长度相比较短，使得转子磁极件703和705组合在一起的长度与永磁体的轴向长度相等或大于永磁体的轴向长度。另外，在图7的实施例中，同一转子磁极的磁极部段之间的周向距离基本上与永磁体713的宽度相等。在组装好的转子中，转子磁极件结构701和709布置成使得转子磁极件结构701的磁极部段705的远端面720抵接转子磁极件结构709的磁极部段703的相应端面，以便形成用于永磁体703的槽缝。

图8示出转子的又另一个实施例。图8a示出一俯视图，即从转子磁极件结构的实施例的径向方向观察，该转子磁极件结构总体上用801标示。图8b示出转子磁极件结构801的剖视图，图8c示出从径向方向观察的转子的一部分的俯视图，该转子包括四个相似的磁极件结构801，而图8d示出这部分转子的剖视图。

此实施例的转子由若干磁极件结构801和相同数量的永磁体813布置成。每个磁极件结构801包括使两个永磁体在周向方向上分开的磁极部段的子部段802。为此，磁极件结构包括两个在轴向方向上彼此平行延伸的伸长的侧部部分802。在它们的端部部分处，侧部部分802通过集成桥803彼此连接，并在侧部部分802之间留出一槽缝804，用于接纳永磁体813。因此，在此实施例中，相邻磁极件结构彼此抵接处的表面820均与轴向方向平行。

图9示出转子的又另一个实施例。图9a示出一俯视图，即从转子磁极件结构的实施例的径向方向观察，该转子磁极件结构总体上用901标示。图9b示出转子磁极件结构901的剖视图，图9c示出从径向方向观察的转子的一部分的俯视图，该转子包括四个相似的磁极件结构901，而图9d示出这部分转子的剖视图。

此实施例的转子由若干磁极件结构901和相同数量的永磁体913以与图8的转子相类似的方式布置成。与在图8中一样，图9的实施例的每个磁极件结构901包括两个伸长的侧部部分902，所述侧部部分具有相应的在轴向方向上彼此平行延伸的相对的内侧面。在它们的端部部分处，侧部部分902通过集成桥903a和903b彼此连接，并在侧部部分902之间留下槽缝904，用于接纳永磁体913。然而，虽然图8的磁极件结构801在它们的整个轴向长度上沿周向方向具有相同的宽度，但是磁极件结构901的宽度从宽端903b向窄端903a逐渐变化，从而导致一楔形结构。如在图9c和9d中所示，楔形结构901交替朝向地布置以形成一管状的转子结构。因此，在此实施例中，相邻磁极件结构抵接处的表面920布置成相对于轴向方向成一角度。

Claims (17)

1.一种用于电旋转机械的转子，所述转子构造成产生转子磁场以与所述电旋转机械的定子的定子磁场相互作用，其中，所述转子呈管状，并包括沿管状转子的周向布置的永磁体，且沿所述转子的周向方向磁化以产生所述转子磁场，所述永磁体通过沿轴向延伸的转子磁极部段在所述转子的周向方向上彼此分开，以使得由所述永磁体产生的转子磁场指向径向方向，其特征在于，至少两个所述转子磁极部段的相应部分通过集成桥彼此连接，以便形成单体结构。

2.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述单体结构由诸如软磁性粉末的软磁性材料制成。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的转子，其特征在于，所述至少两个转子磁极部段中的每一个都具有沿轴向延伸的工作部分和从所述有效部分延伸并相对于所述永磁体移位的连接部分，所述工作部分与两个所述永磁体磁耦合，所述连接部分连接至所述集成桥。

4.根据权利要求3所述的转子，其特征在于，所述连接部分相对于所述工作部分成一角度地延伸，使得所述集成桥相对于所述磁极部段的工作部分成一径向距离地定位。

5.根据权利要求3所述的转子，其特征在于，所述连接部分从所述工作部分沿轴向方向延伸，使得所述集成桥相对于所述磁极部段的工作部分成一轴向距离地定位。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的转子，其特征在于，所述连接部分具有用于使所述集成桥与所述至少两个转子磁极部段断开的预定的断开点。

7.根据权利要求1至6所述的转子，其特征在于，所述转子磁极部段中的至少两个沿所述转子的周向彼此隔开。

8.根据权利要求1至7所述的转子，其特征在于，所述集成桥为环形的集成桥，所述至少两个转子磁极部段从所述集成桥沿所述转子的轴向方向延伸。

9.根据权利要求1至7所述的转子，其特征在于，所述集成桥为连接至少两个磁极部段的环形节段。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的转子，其特征在于，所述转子磁极部段的宽度小于所述转子磁极部段之间的距离。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的转子，其特征在于，包括第一磁极件结构和第二磁极件结构，所述第一磁极件结构和第二磁极件结构中的每一个都具有通过集成桥连接的独立地隔开的转子磁极部段，其中，所述转子磁极部段的宽度小于所述磁极部段之间的距离，并且所述第一磁极件结构和第二磁极件结构布置成在它们的磁极部段之间形成槽缝，其中至少一个永磁体布置在所述第一磁极件结构和第二磁极件结构之间。

12.根据权利要求11所述的转子，其特征在于，每个永磁体都具有第一磁极和第二磁极，其中所述第一磁极件结构的转子磁极部段与相应的永磁体的第一磁极磁耦合，所述第二转子磁极件结构的转子磁极部段与相应的永磁体的第二磁极磁耦合。

13.根据权利要求1至9中任一项所述的转子，其特征在于，包括多个磁极件结构，其中至少两个转子磁极件中的每一个都被分成相应的第一子部段和第二子部段，每个转子磁极部段的相应子部段形成为相应的转子磁极件结构的一部分。

14.根据权利要求13所述的转子，其特征在于，所述多个磁极件结构中的每一个都包括两个磁极子部段，所述两个磁极子部段沿所述永磁体之一的相应的横向侧在轴向方向上延伸，所述子部段在各端部处通过相应的集成桥彼此连接，以便在轴向和周向方向上围绕所述永磁体。

15.根据权利要求13或14所述的转子，其特征在于，所述多个磁极件结构中的每一个都呈楔形。

16.一种制造转子的方法，所述转子包括多个在周向方向上通过沿轴向延伸的转子磁极部段彼此分开的永磁体，所述转子磁极部段由软磁性材料制成，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

-结合至少第一磁极件结构和第二磁极件结构，所述至少第一磁极件结构和第二磁极件结构中的每一个都具有由集成桥连接的被独立地隔开的磁极部段，其中所述结构结合形成位于相应的转子磁极部段之间的槽缝，

-在形成于所述第一磁极件结构和第二磁极件结构之间的每个槽缝中布置至少一个永磁体。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括在布置所述至少一个永磁体后去除所述集成桥中的一个或多个。

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