CN102301571A - 旋转电机 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于轴向通量永磁体旋转电机的转子盘。转子盘（12）包括沿径向通过转子盘的多个叠片和径向地穿过相继叠片以便容纳永磁体（14）的多个缝槽。转子盘可以由螺旋缠绕的材料条形成或由多组叠片形成。

Description

旋转电机

技术领域

本发明涉及轴向通量永磁体旋转电机。

背景技术

诸如电动机和发电机的旋转电机通常包括转子和定子，其被布置为使得在两者之间逐渐产生磁通量。在永磁体（PM）式电机中，通常在转子上安装许多永磁体，而定子提供有定子绕组。永磁体促使磁通量流过转子与定子之间的气隙。在发电机操作的情况下，当用原动机来使转子旋转时，旋转磁场导致在定子绕组中流动的电流，从而生成输出电力。在电动机操作的情况下，向定子绕组供应电流，并且这样产生的磁场促使转子旋转。

永磁体式电机具有许多优点，包括高功率密度、高效率、紧凑的尺寸和容易制造。然而，永磁体电机的明显缺陷是在电机内缺乏场控制。当电机作为发电机操作时，场控制的缺乏能够导致输出电压随着负载电流而变。此不良电压调节对于一些负载类型而言是不可接受的，限制永磁体电机的应用。

当永磁体电机作为电动机操作时，在电动机内产生的电动势（emf）随着速度而增加。给电动机的供应电压被要求大于此内部产生的emf，这要求更大且更昂贵的转换器并要求更高的DC总线电压。用于使转换器成本最小化的已知策略是通过经由确定由电枢电流产生的电枢场的方向来抑制电机内的场而减少内部产生的emf。这称为‘场削弱’控制。

对于诸如牵引应用之类的要求电动机/发电机操作的组合的应用而言，控制场的能力变得越来越重要。例如，可以通过增加电机内的场而不是增加电枢电流来适应过载条件，从而使转换器成本最小化。另外，可以实现系统效率改善，因为对于不同的操作速度和转矩，场控制的灵活性能够使电机和转换器内的损耗最小化。

轴向通量旋转电机与常规径向通量电机的不同之处在于转子与定子之间的磁通量与机械轴平行地行进。轴向通量电机相比于径向通量电机能够具有多个优点，包括紧凑的电机构造、与引擎的更好集成、高功率密度和更稳健的结构。

WO 02/056443（其主题被通过引用结合到本文中）公开了一种用于轴向通量永磁旋转电机的转子盘。该转子盘包括多个永磁体，所述多个永磁体借助于由诸如尼龙的可弹性形变材料形成的辐射式固定装置（spider）保持就位。

EP 1503478（其主题被通过引用结合到本文中）公开了一种与WO 02/056553类似的布置，另外包括楔形部件以固定住磁体并适应任何公差。

所期望的是提供一种轴向通量永磁体旋转电机，其中，磁体即使在高离心力下也是机械牢固的。还期望的是提供一种轴向通量永磁体旋转电机，其有助于电机中的通量水平的控制。另外，还期望的是提供一种轴向通量永磁体旋转电机，其中，可以改善磁体的通量集中。

发明内容

本发明的一个目的是解决与轴向通量永磁体电机的转子有关的电磁和机械问题。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于轴向通量永磁体旋转电机的转子盘，所述转子盘包括沿径向通过转子盘的多个叠片和径向地穿过相继叠片以便容纳永磁体的多个缝槽。

本发明可以提供的优点是，通过在缝槽内容纳永磁体，可以实现更大的机械稳定性。本发明还可以提供的优点是，在使用场削弱技术的情况下可以实现更好的场削弱范围。此外，本发明可以允许有其中能够增加通量集中的磁体布置，这可以得到增加的气隙通量密度。这可以允许增加电机的功率密度，而这可以减小电机的总重量和尺寸。另外，本发明可以避免磁体拐角的碎裂，这种情况否则可能由于磁体的机械加载而发生。

通过提供层叠转子盘，可以减少转子盘中的铁损，特别是通过减小涡流。通过提供沿径向通过转子盘的多个叠片，相继叠片可以沿着垂直于主磁场的方向，这可以帮助减少涡流的产生。此外，层叠设计可以通过允许将磁体的尺寸调整为满足要求的规格来提供灵活性。

在一个实施例中，缝槽径向地穿过转子盘的内部，这可以允许将永磁体装入转子盘内。

在转子盘的外圆周处，缝槽可以是开放的。这能够允许将永磁体径向地插入预成形的转子盘中，这可以有利于转子的制造。

层叠转子盘可以由例如螺旋缠绕的材料（诸如铁或钢）的条形成。这可以促进层叠转子盘的制造。可以将材料条冲压以在形成层叠转子盘之前制作用于磁体的凹穴（pocket）。材料条可以包括树脂涂层，这可以帮助填充组装转子盘中的任何空隙，并提供机械强度。

优选地，提供用于将相继叠片保持在一起的装置。例如，径向螺栓或销可以穿过相继叠片，或者可以使用激光焊接来将相继叠片结合在一起。可替换地或另外，叠片可以包括突出到相邻叠片中的空间中的突出体。例如，突出体可以突出到由相邻叠片中的相应突出体产生的空间中。这可以允许将相继叠片相互锁定，这可以帮助防止叠片之间的滑动。

缝槽可以沿着轴向和/或圆周方向被至少部分地封闭。在一个实施例中，缝槽沿着轴向和圆周方向两者被封闭，使得磁体被装入叠片中。

缝槽可以具有与磁体的轮廓（profile）相对应的轮廓。例如，在磁体具有矩形轮廓的情况下，缝槽的轮廓也可以是矩形的。然而，可以在拐角处使缝槽向外变圆。这可以消除转子盘中的叠片上的应力，并且可以帮助防止在磁体被插入缝槽中时对磁体拐角的损坏。

根据本发明的另一方面，提供了一种转子，其包括任何上述形式的转子盘和转子盘中的缝槽中的多个永磁体。

优选地，将永磁体装入转子盘中，这可以帮助保证高离心力下的机械稳定性。

转子还可以包括环绕转子盘的圆周的保持环。对于缝槽在转子盘的外圆周处开放的情况，保持环能够用来将磁体保持在缝槽内。保持环优选地由诸如不锈钢的非磁性材料制成。可以借助于径向螺栓或销或其它固定装置将保持环固定于转子盘，或者可以在不使用任何附加固定装置的情况下将保持环紧固在转子盘周围。

保持环可以包括多个磁性元件。这可以使得能够实现位置感测技术，例如霍尔效应位置感测技术。这可以允许确定转子的位置，以便相对于定子电枢通量定位转子位置。可替换地，转子可以包括具有多个隆起的磁性外环以使得能够实现霍尔效应位置感测技术。

为了产生层叠转子设计，可以将转子盘螺旋缠绕到转子毂上。因此，转子还可以包括转子毂，并且可以将转子盘螺旋缠绕到转子毂上。这可以提供制造转子的方便方式。

转子还可以包括穿过转子盘到达转子毂的多个径向螺栓。此布置可以将转子盘固定到转子毂，并将相继叠片相互固定。在一个实施例中，径向螺栓穿过保持环，通过转子盘并进入转子毂中。这可以允许使用一组螺栓将保持环、磁体、转子盘和转子毂保持在一起。在另一实施例中，径向螺栓穿过转子盘并进入转子毂中，但是不穿过保持环。此布置可以减少保持环上的应力，同时将叠片保持在一起。

转子毂和转子盘可以提供有被彼此互锁在一起的相应突出体和缺口。例如，转子毂可以提供有与转子盘中的缺口互锁的城堡状突起（castellation），或者反之亦然。这可以帮助防止转子盘相对于转子毂的任何周界滑动和/或任何轴向移动。另外，这可以帮助保证叠片被锁定在一起。

转子毂可以在其外表面上提供有台阶，并且可以使（螺旋缠绕的）叠片的端部抵靠所述台阶。优选地，台阶的深度近似等于叠片的厚度。台阶可以轴向地或以一定角度行进，并且优选地对应于叠片端部的轮廓。这能够允许螺旋缠绕的转子盘在转子毂的整个圆周周围完全由转子毂支撑，这可以增加转子盘的稳定性。

转子还可以在缝槽中包括填充剂。该填充剂可以改善转子的机械刚性，并且可以帮助避免磁体拐角的碎裂。该填充剂可以是铁磁填充剂，其可以帮助保证用于磁通量的低磁阻路径。然而，如果填充剂具有被朝着磁体吸引的磁性颗粒，则可能难以控制填充过程，因此，可以优选非磁性空隙填充剂。填充剂优选地具有弹性和耐高温的性质，并且不与转子或磁体材料反应。

在常规轴向通量永磁体电机中，永磁体的磁极沿着轴向方向定向。按照惯例使用此设计，使得永磁体面对定子。然而，在本发明的实施例中，永磁体具有在转子盘内沿着圆周方向定向的磁极。已经发现这能够允许增加磁体的厚度，对于给定转子厚度，这可以增加气隙通量密度。这可以增加电机的功率密度，而这可以允许减小总重量和总尺寸。

还可以独立地提供本发明的以上特征，因此，根据本发明的另一方面，提供了一种用于轴向通量永磁体旋转电机的转子，该转子包括至少一个转子盘和多个永磁体，其中，永磁体具有沿着圆周方向定向的磁极。

在一个实施例中，转子盘中的缝槽在背对定子的转子盘的一侧是开放的，并且转子还包括封闭缝槽的背板。背板可以减少漏通量的量，因此，本实施例与一些先前的设计相比可以提供漏通量的减少。此外，该设计可以更容易制造，并且可以得到机械上更稳定的转子。

背板优选地由非磁性材料形成，诸如铝、塑料或任何其它合适材料。这能够允许减少来自磁体的漏通量，因为在远离定子的转子的一侧存在非磁性材料。

可以将背板铸造到叠片上。这可以提供制造转子的方便方式，并帮助保证机械稳定性。

叠片和背板可以包括用于将叠片和背板保持在一起的突出部和相应的凹部。例如，背板可以包括多个突出部，并且叠片可以包括多个相应的凹部，反之亦然。凹部可以具有比开口的宽度更大的内部宽度，而突出部可以在底座处较窄，以便提供互锁特征。

在一个实施例中，叠片被形成为绕着转子毂圆周地间隔开的多组叠片，并且每个永磁体位于两组叠片之间。因此，在本实施例中，缝槽形成在相邻的多组叠片之间。可以在远离定子的转子的一侧提供背板。此布置与一些先前的设计相比可以提供漏通量的减少。其还可以允许减小磁体质量，从而减小转子的惯性。此外，该设计可以更容易制造，并且可以得到机械上更稳定的转子。

在上述实施例中，缝槽可以在面对定子的转子的一侧是至少部分地开放的。多组叠片可以在面对定子的转子的一侧包括凸缘，以便保持永磁体。

永磁体可以呈锥形，具有朝着转子的中心减小的圆周宽度。这可以允许减小总磁体质量，从而减小转子的惯性。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于轴向通量永磁体旋转电机的转子盘，该转子盘包括绕着转子毂圆周地间隔开的多组叠片、多个永磁体（每个位于两组叠片之间）和封闭转子的一侧的转子背板。

在任何上述布置中，转子可以包括用于同轴地安装在定子的每一侧的两个转子盘。

根据本发明的另一方面，提供了一种轴向通量永磁体旋转电机，其包括任何上述形式的定子和转子。

该电机可以在定子与转子之间包括气隙，并且定子可以包括定子绕组。在这种情况下，该电机还可以包括用于调整定子绕组中的电流相位的装置，以便控制气隙中的通量。这可以允许通量削弱操作。

该电机还可以包括用于确定转子相对于定子的位置的霍尔效应传感器。

根据本发明的另一方面，提供了一种制造用于轴向通量永磁体旋转电机的转子盘的方法，该方法包括由沿径向穿过转子盘的多个叠片来形成转子盘，所述叠片具有径向地穿过相继叠片以便容纳永磁体的多个缝槽。

该方法可以包括将材料条螺旋地缠绕到转子毂上。可替换地，该方法可以包括由多组叠片形成转子盘。

缝槽可以在转子盘的外圆周处是开放的，并且该方法还可以包括沿着径向将永磁体插入缝槽中。

该方法还可以包括将背板铸造到转子盘上。

本发明的一方面的特征可以应用于任何其它方面。任何设备特征均可设置为方法特征，反之亦然。

附图说明

现在将参考附图纯粹以示例的方式来描述本发明的优选特征，在附图中： 

图1示出用于轴向通量永磁体旋转电机的转子的各部分； 

图2示出图1的转子的各部分； 

图3A和3B示出用于容纳永磁体的缝槽的轮廓； 

图4示出轴向通量永磁体旋转电机的一部分的端视图； 

图5示出轴向通量永磁体旋转电机的一部分的截面图； 

图6示出保持环； 

图7示出三个霍尔效应传感器的位置； 

图8示出用于感测转子的位置的替代技术； 

图9示出转子毂的各部分和相应转子盘的轮廓； 

图10A、10B和10C示出叠片的各部分； 

图11示出通过另一轴向通量电机的各部分的截面图； 

图12示出通过转子的截面图； 

图13用通过转子切割的截面示出转子的部分； 

图14示出转子的内环的细节； 

图15示出具有附加铁磁环的组装转子； 

图16至19示出供在制造转子时使用的各种组装阶段中的钻床夹具的各部分； 

图20示出磁体插入工具的各部分； 

图21示出另一实施例中的层叠转子盘的线化图； 

图22示出另一实施例中的轴向通量旋转电机的各部分； 

图23示出图22的布置中的转子中的一个的各部分； 

图24示出组装电机的剖视图； 

图25示出转子的剖视图；以及 

图26示出通过组装电机的截面图。

具体实施方式

图1示出用于轴向通量永磁体旋转电机的转子的各部分。参考图1，转子包括转子毂10、转子盘12和多个永磁体14。在图1中，永磁体14被示出在转子盘外面。在转子的制造期间，将永磁体插入转子盘中的缝槽16中。通过将磁体装入转子盘中，磁体能够即使在高离心力下也是机械安全的，诸如当转子正在以高速旋转时和/或当转子的直径大时。

在图1的布置中，转子盘12由被缠绕为螺旋的金属条形成，以便产生层叠转子盘。这可以允许减少转子盘中的铁损。转子盘中的缝槽16穿过相继的叠片层，并在每侧被封装。在缠绕之前将金属条冲压以制作用于磁体的缝槽。在缠绕之前向金属条施加树脂上油漆（paint-on-resin）的薄涂层，以便填充组装转子盘中的任何空隙，并提供机械强度。

图1还示出了多个螺栓18。螺栓18径向地穿过转子盘12并进入转子毂10中，以便将转子盘保持在转子毂上。螺栓还用于将转子叠片保持就位。

图2示出在永磁体14和螺栓18就位情况下的转子的各部分。在图2中，未示出转子盘12，以便示出永磁体14和螺栓18的位置。然而，应认识到实际上永磁体和螺栓将在转子盘内部。

在图2中，保持环20被示出在转子盘的外圆周周围。一旦永磁体就位，则将保持环放置在转子盘周围，并将永磁体保持在转子盘中的缝槽内。保持环由诸如不锈钢的非磁性材料制成。

在图2的布置中，一旦保持环就位，则插入螺栓18。螺栓18穿过保持环20和转子盘12并进入转子毂10。这样，螺栓18能够用来将由保持环、层叠转子盘、永磁体和转子毂组成的整个转子组件保持在一起。

图3A是示出用于容纳永磁体的缝槽的轮廓的图示。参考图3A，缝槽16具有基本上矩形的轮廓，具有沿着圆周方向被变圆的拐角。

变圆的拐角帮助消除叠片上的应力，并且防止在磁体被插入缝槽中时对磁体拐角的损坏。图3B示出缝槽的替代轮廓。在图3B中，缝槽16也具有基本上矩形的轮廓，但是具有沿着圆周和轴向方向被变圆的拐角，以提供进一步的应力消除。图3A和3B还示出用于容纳螺栓18的螺栓孔22。

在图1、2和3所示的布置中，将铁磁填充剂插入具有磁体的缝槽中。铁磁填充剂避免磁体与缝槽之间的气隙，这能够帮助保证用于由磁体产生的通量的低磁阻路径。此外，填充剂改善了转子的机械刚性，并且帮助避免磁体拐角的碎裂。

图1、2和3所示的转子盘被设计成轴向通量永磁体旋转电机的一部分，该轴向通量永磁体旋转电机包括位于定子的每一侧的两个转子盘。

图4示出轴向通量永磁体旋转电机的一部分的线化端视图。参考图4，电机包括在定子28的每一侧的两个转子盘24、26，从而形成两个气隙32、34。每个转子盘24、26包括位于盘内的缝槽38中的多个永磁体36。定子28包括容纳定子绕组（未示出）的缝槽30。水套31位于定子的中心处，并用于冷却。

在图4中，用虚线示出由各永磁体产生的磁通量，由箭头来指示通量的方向。可以看到永磁体36的磁极在各自转子盘内沿着圆周方向定向。这与常规轴向通量电机形成对比，在常规轴向通量电机中，永磁体的磁极沿着轴向方向定向。通过使磁极沿着圆周方向定向，能够增加磁体的厚度，这能够允许使得气隙通量密度更高。这能够增加电机的功率密度，而这能够允许减小总重量和总尺寸。

图5示出轴向通量永磁体旋转电机的一部分的截面图。参考图5，两个转子盘24、26位于定子28的每一侧。每个转子盘24、26包括被嵌入盘内的多个永磁体36。保持环40、42位于各自转子盘24、26的外部周围。

本实施例的轴向通量电机被设计为实行通量削弱技术。此技术向电机的磁极的直轴（direct axis）施加电流，使得由永磁体提供的每个磁极的平均通量减小。这经由控制通过定子绕组的电流角度控制来实现。通过引入反凸极使得交轴中的电感比在直轴中大，当施加负的直轴电流时，电机在产生磁体转矩同时产生正磁阻转矩。

已经发现将永磁体装入转子芯中允许实现更大的通量削弱范围。此外，由于转子由叠片制成，所以在场削弱条件下使由于转子中的高次谐波而引起的铁损得以最小化。

为了实行通量削弱技术，必须知道转子的角位置。在图5的布置中，这通过使用保持环42的外表面上的许多磁性元件44来实现。在电机外壳47中提供了霍尔效应传感器46以感测磁性元件的位置。

图6更详细地示出本实施例的保持环。保持环42在其外表面上提供有许多磁性元件44。相邻磁性元件44分离360空间电角度（即通过定子绕组的电流的循环的360°）。因此，磁性元件44的数目等于磁极的数目除以二。每个磁性元件的跨距对应于180空间电角度。因此，磁性元件44和磁性元件之间的空隙是相同的尺寸。在本实施例中，保持环42由非磁性材料制成。可以例如通过使用低温等离子体喷涂产生铁层来产生磁性元件。

图6所示的磁性元件44使得能够实现三霍尔效应位置感测方法。在电机外壳中提供了三个霍尔效应传感器46以感测磁性元件的位置。在图7中示出霍尔效应传感器46的位置。霍尔效应传感器46之间的角度对应于120空间电角度。使用传感器单元（未示出）以从来自霍尔效应传感器46的信号推导转子的位置。

与在保持环的外表面上提供磁性元件44不同，可以替代地在保持环42的外面周围提供附加的外环。例如，外环可以是磁性环，该磁性环在其表面上具有许多隆起。

图8示出另一实施例中的电机的一部分的截面图。在这种情况下，磁性元件b被提供在固定到转子毂的环上。

如上文参考图1和2所讨论的，在一个实施例中，电机的转子包括转子毂10和转子盘12。必须保证转子盘正确地位于转子毂上，并且防止周界滑动。这可以通过在转子毂上提供城堡状突起特征来实现。

图9示出转子毂的实施例以及相应转子盘的轮廓。参考图9，转子毂50在其外表面的一侧周围包括多个城堡状突起52。这些城堡状突起52与转子盘56中的缺口54相符。互锁的城堡状突起和缺口将转子盘锁定到转子毂，以便防止任何周界滑动。此外，互锁的城堡状突起和缺口防止由于磁性吸引而引起的轴向力导致转子盘相对于转子毂的任何轴向移动。另外，在转子盘被层叠的情况下，互锁的城堡状突起和缺口保证叠片被锁定在一起。

作为城堡状突起特征的替代或除此之外，可以提供通过转子盘和转子毂的滚销（roll pins）。

图10A、10B和10C示出了叠片的实施例的各部分。在图10A中，叠片是连续环路，虽然实际上叠片可以是螺旋缠绕的叠片的一部分。参考图10A-10C，叠片60包括容纳永磁体的多个缝槽62。叠片还包括多个突出体或“舌头”64。每个突出体突出到由相邻叠片中的相应突出体产生的空间中。这样，相继的叠片被相互锁定。这防止叠片之间的滑动。

图11示出另一实施例中的轴向通量电机的各部分的截面图。参考图11，电机包括夹在两个转子之间的定子芯70，每个转子包括内环72、层叠转子盘74和外环76。两个转子都位于中心毂78上。

在图11中，定子芯包括被布置为冷却定子内部的冷却套管80。冷却套管可以例如如在国际专利申请号PCT/GB2009/001781中描述的那样，该申请的内容被通过引用结合到本文中。冷却套管上的向外径向突出体82用来将定子组件固定于电机外壳。冷却套管的径向向外和向内外围表面具有曲线轮廓以补充定子绕组的垂悬物的曲率。这样，减小了绕组与冷却套管之间的平均余隙，因此改善从绕组到冷却套管的热传递。

在图11的布置中，外环76由非磁性材料制成，以便限制径向漏通量。为了允许位置感测，附加环84被设置在外环中的一个的外部周围。附加环84由磁性材料制成，并且具有用来感测转子位置的隆起86。

图12示出通过在转子中的一个的截面图。如在前述实施例中一样，永磁体88位于层叠转子盘74中的径向缝槽中。螺栓或销90穿过层叠转子盘74并进入内环72中，以便将层叠转子铁芯保持就位。在本实施例中，螺栓90不穿过外环76。在一些情况下，这可能是优选的，以减少外环上的应力，并因此降低故障的可能性。

图13用通过转子切割而暴露螺栓90的截面示出转子的部分。每个螺栓90穿过层叠转子盘74并进入内环72，但是不穿过外环76。

作为螺栓的替代，可以使用固定转子叠片的其它手段。例如，可以使用销或螺钉或用激光焊接来固定转子叠片。

图14示出内环72的细节。内环在其外表面上包括台阶92，其具有与层叠转子盘74中的叠片的厚度近似相等的深度。在转子制造期间，转子盘74被螺旋缠绕到内环72上。在缠绕过程开始时，叠片的端部抵靠台阶92。这样，层叠转子盘74在内环72的整个圆周周围完全被内环72支撑，这增加了转子盘的稳定性。

图15示出带有具有隆起86的附加铁磁环84的组装转子。在组装电机中，如上所述，可以使用电机外壳中的霍尔效应传感器来感测隆起86的位置。

图16至19示出可以用来钻用于径向螺栓90的孔的各种组装阶段中的钻床夹具的各部分。钻床夹具的目的是准确地对螺栓孔进行定位，从而使得螺栓能够向转子板提供机械稳定性。

参考图16，底板94被首先固定到钻孔机的机床。底板使用两个暗榫定位在机床上，并且随后被夹持就位。然后，分度板96被放置在底板94上，随后是中心毂78。分度板96和中心毂78具有允许其绕着转子轴线旋转的中心轴承。分度板96在其圆周周围具有分度槽98。

参考图17，内环72被放置在中心毂78周围，并且层叠转子盘74被螺旋缠绕在内环周围。

参考图18，夹持环100被紧固在层叠转子盘周围以防止钻孔期间的叠片分离。使用配合到磁体槽中的一个中的锥形栓以及穿过顶部夹板102的定位销将夹持环100定位于转子盘上。将夹板102放置在转子盘的顶部上，并使用进入分度板的外圆周中的螺钉103以及进入中心毂中的螺钉104来夹持夹板102。

通过将分度销106插入分度板96中的分度槽98中的一个来对被夹持的转子组件进行定位。中心螺母108随后被紧固以将组件固定就位。然后可以穿过转子盘钻螺栓孔并钻入内环中。可以通过放松中心螺母108、抽回分度销106并将组件旋转至下一个缝槽位置来对每个后续孔进行定位以便钻孔。然后重新插入分度销并重新紧固中心螺母。

在图19中示出通过组件的截面图。对相同的部分给定与先前相同的附图标记。

图20示出用于将永磁体88插入缝槽中的磁体插入工具的各部分。钻床夹具底板94和分度板96被用于插入磁体。具有分度销112的磁体导块112被组装到底板94上。使用安装螺钉116和弹簧将尼龙夹块114组装到导块110，该弹簧在安装螺钉下面以在插入过程期间施加负荷来限制磁体88。然后将磁体88径向地推入转子盘中的缝槽中。使用空隙填充化合物来填充每个磁体周围的任何空隙以防止电机操作期间的移动。

在任何上述实施例中，由于在尺寸确定时所设置的用于适应公差变化的容差，在磁体与缝槽之间可能存在空隙。因此，可能期望在缝槽中包括空隙填充剂。为了提供用于磁通量的低磁阻路径，具有磁性性质的空隙填充剂将是有益的。然而，如果填充剂具有被朝着磁体吸引的磁性颗粒，则可能难以控制填充过程。因此，非磁性空隙填充剂可能是优选的。空隙填充剂优选地具有弹性和耐高温的性质，并且不与转子或磁体材料反应。弹性性质允许缓冲磁体在缝槽内的移动。

由于转子盘包括叠片，所以永磁体的重心的径向位置至多偏移了叠片的厚度。可以向缝槽中引入可变厚度隔离物，以将磁体的重心保持在相同的半径处。

在上述任何实施例中，可以将电机设计为用作牵引式电动机—发电机来操作。可以通过场削弱来实现宽的恒定输出功率速度范围。电机可以通过具有被嵌入转子盘中的永磁体而采用反凸极电磁设计。层叠设计通过允许调整磁体的尺寸以满足要求的规格来提供灵活性。另外，层叠设计减少了转子中的铁损。可以通过将转子盘螺栓连接到转子中心毂来增加转子的机械刚性。外保持环使机械预加负荷到转子叠片的分布均衡。一个不同任选方案为每个磁体提供一对缺口特征，其将叠片互锁并避免切向移动，使得整个结构被保持在机械预加负荷下。

电机的各种实施例的一些优点如下： 

· 电机拓扑结构允许借助于场削弱来调整电参数（电感、凸极比）以满足对牵引驱动的特定要求；

· 由于转子由叠片制成，所以可以调整转子或磁体形状以进行微调（例如，气隙的可变轮廓）；

· 由于层叠转子结构而使得铁损减少；

· 与实心砖子板拓扑结构相比，更高水平的机械阻尼；

· 磁体拐角周围的应力消除特征；

· 铁磁填充剂抑制否则将由应力消除特征以及磁体与转子之间的余隙引起的气隙；此外，填充剂改善转子的机械刚性，因为其有效地将磁体粘合到转子；此外，其帮助避免可能由于磁体的机械加载而发生的磁体拐角的碎裂；

· 外保持环在层叠转子组合件的顶部上收缩，并将磁体保持在其位置上，以及增加转子组件的硬度；

· 对于三霍尔效应位置感测方法而言，在保持环上可以有额外特征；

· 还可以利用通过使用低温等离子体喷涂形成的铁层而在非磁性外环的顶部上产生用来感测位置的特征；

· 转子叠片被均等地分布在电机的圆周周围的一组螺栓固定到转子毂；

· 转子毂上的城堡状突起特征和缠绕叠片上的相应缺口将叠片与毂锁定在一起以便阻止任何周界滑动，并限制由于因磁性吸引导致的轴向力而引起的任何轴向移动；

· 还可以通过具有滚销来实现用城堡状突起特征所实现的功能；这在简单的制造过程方面可能是有利的；

· 转子叠片上的缺口特征可以通过叠片的互锁来克服螺栓的功能性要求；

· 径向放置的螺栓将保持环、转子叠片、磁体和转子毂的转子组件保持在一起。

在典型的转子设计中，转子具有开放磁路。这可能使转子的制造复杂，因为来到转子附近的任何磁性元件（诸如在制造过程期间使用的工具）将被吸引到转子。开放磁路还可能促进漏通量。

一些先前考虑的转子设计是相对复杂的，使制造变得困难。因此所期望的是提供简单的转子设计。还期望提供一种转子设计，其具有能够被用作用于其它部件（诸如离合器）的界面的表面。还期望在可能的情况下减小转子的惯性。

图21至26示出一些替代性转子设计的细节。这些转子设计被设计为解决上述问题中的至少一些。

图21示出另一实施例中的层叠转子盘的线化图。层叠转子盘120包括容纳永磁体124的缝槽122。在此布置中，层叠转子盘中的缝槽122在背对定子的转子的一侧是开放的，并且在面朝定子的一侧是封闭的。提供背板126以便封闭缝槽。背板可以由铸铝或任何其它适当的非磁性材料制成。背板具有配合到叠片中的相应凹部中的突出体，以便将两者保持在一起。

用图21的布置，可以减少来自磁体的漏通量，因为在远离定子的转子的一侧存在非磁性材料。此外，此布置可以帮助提供给转子机械稳定性。

图22示出另一实施例中的轴向通量旋转电机的各部分。该电机包括夹在两个转子132、134之间的水冷式定子130。每个转子由具有铸铝背板的多组钢叠片组成。

图23示出图22的布置中的转子中的一个的各部分。该转子包括沿圆周位于转子毂135周围的多组叠片136。多个永磁体138被插在多组叠片136之间。在此布置中，永磁体138是锥形的。外环140缩配合在叠片136和磁体138周围。

图24示出组装电机的剖视图。参考图24，定子130包括定子芯142、在定子芯内部的水套热沉144和定子绕组145。转子132包括多组层叠钢条136、磁体138、外环140和背板146。

图25示出转子的剖视图，更详细地示出转子设计。在图25的布置中，多组叠片136包括燕尾槽特征148。每个燕尾槽特征是叠片中的凹部，具有远离其开口增加的宽度。背板146具有相应的突出体，其具有朝着根部减小的宽度。此布置能够帮助保证机械稳定的设计。

在图25的布置中，多组叠片136在面对定子的转子的一侧具有凸缘137。每个凸缘被用来保持永磁体。然而，在此布置中，凸缘未完全地封闭其中容纳了磁体的缝槽。因此，磁体在面对定子的转子的一侧被部分地暴露。

图26示出通过组装电机的截面图，示出了燕尾槽特征148。

在上述布置中，可以将背板146铸造到部分形成的转子上。这可以通过使用部分形成的转子作为模具的一部分来实现。例如，可以将部分形成的转子部分地浸没到熔融铝中，并允许铝固化。这可以促进燕尾槽特征的形成，并允许将叠片牢固地固定于背板。

与一些前述设计相比，图21至26所示的布置可以提供漏通量的减少。其还可以允许减小磁体质量，从而减小转子的惯性。此外，该设计可以更容易制造，并且可以得到机械上更稳定的转子。另外，背板可以提供诸如离合器的其它部件能够被附接到的表面。

Claims (39)

1.一种用于轴向通量永磁体旋转电机的转子盘，所述转子盘包括沿径向通过所述转子盘的多个叠片和径向地穿过相继叠片以便容纳永磁体的多个缝槽。

2.根据权利要求1所述的转子盘，其中，所述缝槽径向地穿过所述转子盘的内部。

3.根据权利要求1或2所述的转子盘，其中，所述缝槽在所述转子盘的外圆周处是开放的。

4.根据前述权利要求中任一项所述的转子盘，其中，所述转子盘由螺旋缠绕的材料条形成。

5.根据权利要求4所述的转子盘，其中，所述材料条被冲压以在形成层叠转子盘之前制作用于所述磁体的凹穴。

6.根据权利要求4或5所述的转子盘，其中，所述材料条包括树脂涂层。

7.根据前述权利要求中任一项所述的转子盘，还包括用于将相继叠片保持在一起的装置。

8.根据前述权利要求中任一项所述的转子盘，其中，叠片包括突出到相邻叠片中的空间中的突出体。

9.根据前述权利要求中任一项所述的转子盘，其中，所述缝槽沿着轴向和/或圆周方向被至少部分地封闭。

10.根据前述权利要求中任一项所述的转子盘，其中，所述缝槽在拐角处被向外变圆。

11.一种转子，所述转子包括根据前述权利要求中任一项所述的转子盘和在所述转子盘中的缝槽中的多个永磁体。

12.根据权利要求11所述的转子，其中，所述永磁体被装入所述转子盘中。

13.根据权利要求11或12所述的转子，还在所述转子盘的圆周周围包括保持环。

14.根据权利要求13所述的转子，其中，所述保持环被借助于径向螺栓固定于所述转子盘。

15.根据权利要求13或14所述的转子，其中，所述保持环包括多个磁性元件。

16.根据权利要求11至15中任一项所述的转子，还包括具有多个隆起的磁性外环。

17.根据权利要求11至16中任一项所述的转子，还包括转子毂，其中，所述转子盘被螺旋缠绕到所述转子毂上。

18.根据权利要求17所述的转子，还包括穿过所述转子盘到达所述转子毂的多个径向螺栓。

19.根据权利要求17或18所述的转子，其中，所述转子毂和转子盘提供有彼此互锁的相应突出体和缺口。

20.根据权利要求17至19中任一项所述的转子，其中，所述转子毂在其外表面上提供有台阶，并且叠片的端部抵靠所述台阶。

21.根据权利要求11至20中任一项所述的转子，还包括在所述缝槽中的填充剂。

22.根据权利要求11至21中任一项所述的转子，其中，所述永磁体具有在所述转子盘内沿着圆周方向定向的磁极。

23.根据权利要求11至22中任一项所述的转子，其中，所述转子盘中的缝槽在背对所述定子的转子盘的一侧是开放的，并且所述转子还包括封闭所述缝槽的背板。

24.根据权利要求23所述的转子，其中，所述背板由非磁性材料形成。

25.根据权利要求23或24中任一项所述的转子，其中，所述背板被铸造到所述叠片上。

26.根据权利要求23至25中任一项所述的转子，其中，所述叠片和背板包括用于将所述叠片和背板保持在一起的突出体和相应凹部。

27.根据权利要求11至26中任一项所述的转子，其中，所述叠片形成为绕着转子毂在圆周上间隔开的多组叠片，并且每个永磁体位于两组叠片之间。

28.根据权利要求27所述的转子，其中，所述缝槽在面对所述定子的转子的一侧是至少部分开放的。

29.根据权利要求27或28所述的转子，其中，所述多组叠片在面对所述定子的转子的一侧包括凸缘，用于保持所述永磁体。

30.根据权利要求27至29中任一项所述的转子，其中，所述永磁体是锥形的。

31.根据权利要求11至30中任一项所述的转子，其中，所述转子包括用于共轴地安装在定子的每一侧的两个转子盘。

32.一种轴向通量永磁体旋转电机，其包括定子和根据权利要求11至31中任一项所述的转子。

33.根据权利要求32所述的电机，其中，所述电机包括所述定子与所述转子之间的气隙，并且其中，所述定子包括定子绕组，所述电机还包括用于调整所述定子绕组中的电流相位的装置，以便控制所述气隙中的通量。

34.根据权利要求32或33所述的电机，还包括用于确定所述转子相对于所述定子的位置的霍尔效应传感器。

35.一种制造用于轴向通量永磁体旋转电机的转子盘的方法，所述方法包括由沿径向通过转子盘的多个叠片形成所述转子盘，所述叠片具有径向地穿过相继叠片以便容纳永磁体的多个缝槽。

36.根据权利要求35所述的方法，所述方法包括将材料条螺旋缠绕到转子毂上。

37.根据权利要求35所述的方法，所述方法包括由多组叠片形成所述转子盘。

38.根据权利要求35至37中任一项所述的方法，其中，所述缝槽在所述转子盘的外圆周处是开放的，并且所述方法还包括沿径向将永磁体插入所述缝槽中。

39.根据权利要求35至38中任一项所述的方法，还包括将背板铸造到所述转子盘上。

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