TW484255B - Rotor construction for controlled-pole electric machines - Google Patents

Description

484255 _案號89108151_年月曰 修正_ 五、發明說明（1) 發明之領域 - 本發明係關於一種機械轉子之構造，其尤指供向速，受 控極電動機械之轉子之構造。在本案中，高速機械一詞將 表示一種旋轉機械，其中機械之旋轉速度及旋轉部份之直 徑在組合後形成該機械結構設計所需之作用在該機械旋轉 部份上之離心力。 相關技藝之說明 本發明揭露一種受控極電動機械，包括一轉子及一定 子，各藉一框架固持在定位，其方式為致使允許轉子相 對於定子之連續機械旋轉。 一般之受控極機械中，轉子及定子之相鄰表面額定為圓 柱形式，彼此間之直徑相似但不相同，此等圓柱形表面 之軸線為彼此同軸，因而在轉子繞此軸線旋轉時，轉子之 表面固定緊靠地通過定子之表面；在該等表面間之間隙部 位，另外稱作空氣隙。受控極機械可為外部轉子構造，有 轉子在空氣隙外面，因而轉子圍繞定子，或其可為内部轉 子構造，有轉子在空氣隙内，因而定子圍繞轉子。 一受控極轉子包括一環形層之永久磁性材料，其一無某 些限制材料（其為本案所說明本發明之一部份）之表面靠近 空氣隙，並界定其一邊界；磁性材料通常安裝在一高磁導 率，低渦流及磁滯耗失材料之心，並附著至一旋轉機械軸丨_ 。在受控極機械之永久磁性材料，一般包含一鐵氧體基， 火加熱陶曼材料，具有適合其受控極用途之很低電導率， 高殘留磁化，及矯頑磁力。 一受控極定子通常包括一種高磁導率，低渴流及磁滯耗

O:\64\64008.ptc 第 7 頁 484255 案號 89108151 年月曰_ 五、發明說明（2) 失材料之結構，有若干插槽額定為沿其在其中插入由若干 電導體所構成之繞組之空氣隙表面軸向延伸；該等電導體 常部份包含若干多圈線圈，並予以旋轉定位及電互相連 接，俾達成所需之電、磁性及機械特徵。另外稱作主繞組 之某些此等繞組，其數量、定位、及電連接為致使在其功 能上可相比於一種習知固定極電動機械之繞組。另外稱作 激勵繞組，並且其為控制極機械所獨有及必要之某些其他 此等繞組，其數量、定位、及電連接為致使在機械操作 時’允許控制轉子之永久磁性材料磁化之方向及量級。

在轉子旋轉時，轉子之永久磁性材料緊靠地經過定子， 並由於此運動、及由於通過激勵繞組之適當量級之交流 電，轉子之永久磁鐵層磁化成一種朝徑向、北及南磁極交 替之型式，該等磁極之有效旋轉速度從而與在激勵繞組之 交流電同步，而不管轉子之旋轉機械速度。隨後，在機械 作為馬達時此等北及南磁極在緊靠主繞組經過時，與在主 繞組自一外源供給之交流所產生之磁場互相作用，藉以產 生轉子扭矩；或者，當機械作為發電機時，在轉子之磁性 層，以一種相似於供馬達之情形所說明之方式，產生交變 型式之北及南磁極，並且一外部供給之扭矩導致轉子之北 及南磁極緊靠主繞組經過，藉以在主繞組產生交流電，並 因此至任何外部連接之電負載，該主繞組電流係與在激勵 繞組之電流同步，而不管轉子之旋轉機械速度。在此兩種 情形中，在激勵繞組之交流電及在主繞組之交流電透過控 制轉子之磁極彼此同步，且與轉子之機械旋轉速度無關， 因此在機械作為同步馬達時，可平滑連續地傳遞扭矩而不

O:\64\64008.ptc 第8頁 484255 案號 89108151 Λ_η 修正 五、發明說明（3) 受速度影響，或在機械 固定頻率之交流電而不 人們常自若干個別件 一層或多層環形層，以 諸件一般藉一種黏結劑 作為同步交流發電機時，連續送出 受速度影響。 之磁性材料， 形成所希望複 諸如一種高 結， 層 0 此 狀況 定極 呈現 新解 轉子 在 直徑 形磁 在受 或更 及在 也獲 電流 材料 ，轉 内0 實際 並黏結至下面之高磁導率 種形式 ，其以 或受控 創新增 答之水 之内部 轉子之 ，並因 性材料 控極機 多。靠 磁性材 得此種 在定子 層所產 子之磁 所有此 固定總 之構造如受 一種對固定 之技 極機械 強之機 準。在 轉子構 磁性材 此具有 層之實械，此 近空氣 料層下 狀況。 心内所 生之磁 性材料 等情況量，及 會， 一種 造之 料之 顯著 際厚 等各 隙之 面之 在受 產生 通量 層， 之組 根據 控極轉 極機械 藝者所 或其升 在空氣 機械’ 二相鄰 不同表 度，便 別圓柱 轉子之 轉子之 控極機 之實際 ，橫越 及轉子 合，亦 其自旋 心，而 子之轉 之操作 未顯而 高至變 隙内有 情形特 圓柱形 面積時 自其出 形表面 而磁導 南磁導 械操作 所有磁 定子之 之南磁 即橫越 轉軸線 以似鑲嵌方式組裝在 合磁性圓柱體，個別 強度環氧樹脂彼此黏 構成轉子之永久磁鐵 子， 不具 易見 為有 轉子 別是 表面 ，導 現一 積常 率心 率心 時， 通量 向磁 導率 該等 之距 其操作 體，並 之方式 問題， ，因而 如此。 層具有 致内部 種如此 相差百 之圓柱 之圓柱 在各定 ，及轉 導率心 心，並 部位之 離’該 造成若干 為精於固 或程度， 並強迫創 定子圍繞 顯著 轉子 之情 分之 形表 形表 子繞 子之 ，空 包含 磁通 等表 不同 之環 形。 二十 面， 面， 組之 磁性 氣隙 在其 量之 面在

O:\64\64008.ptc 第9頁 484255 _案號89108151_年月曰 修正_ 五、發明說明（4) 面積有所改變，導致一種狀況，在該狀況，磁通量密度根 — 據自旋轉軸線之距離，在轉子之磁性材料層之整個容積有 所改變。 另外，雖然在主繞組之電流所產生之磁通量，一般在徑 向或實際徑向橫越磁性層，但在有些實施例，在激勵繞組 之電流所產生之磁通量，在其橫越轉子之磁性材料層之内 部部位時，可能顯著偏離徑向。這可能在磁通密度對進入 磁性層之深度，導致另外之變化，超過以上所說明在激勵 繞組之電流所產生之磁場者，從而導致在激勵繞組電流之 再磁化有效性，隨在磁鐵層之深度而變化。 而且，受控極轉子之性能目的，可能需要一在鐵氧體之· 磁化軸線之方向厚於目前製造技術所能達成之環形磁鐵層 ，從而需要構成磁鐵層如一複合層之磁鐵材料，包含二層 或更多層個別環形磁鐵層。此徑向改變磁場密度及多層磁 鐵材料之組合，提供一種採用磁鐵具有磁性特性適合不同 諸層之每一層，藉以增強受控極機械之操作之創新機會。 在受控極内部轉子之構造，允許創新注意之另一方面， 由於在操作時，機械轉子經歷離心力，如果不存在係由材 料特性及轉子構造所產生之足夠限制向心力，俾完全抵銷 該等離心力，並使諸組件固持在定位，其以一種將會導致 其偏離轉子及其圓形運動路徑之方式，作用在轉子之諸組丨p 件之情況所造成。可能需要另外之結構裝置及/或替代性 材料及構造方法，以保證旋轉機械之安全及可靠高速操 作。受控極機械獨有之若干操作現象及功能需求，對高 速，受控極轉子，特別是對内部轉子受控極機械之設計，

O:\64\64008.ptc 第10頁 484255 案號 89108151 曰 修正 受控極轉子中，永久磁鐵層位於轉 最大、且無任何特別外加之（諸）單 抵銷該離心力、並防止轉子組件分 有原本機構，為藉黏結劑、摩擦、 之磁力所提供者。在操作可能進一 構之有效性之受控極轉子時，可能 五、發明說明（5) 具有重要意義 。 在一内部轉子構造之 子之外周邊、離心力為 獨限制機構之處，提供 開所必要之向心力之僅 及藉諸如可能經常存在 步限制此等原本限制機 發生若干現象。 首先，一般使用在受 因於在其製造時所使用 定為平行於空氣間隙之 且，以下所另外討論之 之此種可能。特別是在 增加磁鐵易受先前所討 之構造必須自其構造識 或包括有一種將會在剝 以適應其磁鐵之可能易 第二，在受控極機械 知固定極永久磁鐵機械 經歷較大及顯著較快速 下予以再磁化時，此為 磁滯耗失之結果，並且 所產生之熱。在受控極 種鐵氧體基陶瓷，具有 心者；此等陶究一般也 控極機械之鐵氧體陶曼 製程之易裂特性，並且 平面，導致磁鐵斷裂或 熱應力之某些方面，可 内部轉子機械，如果發 論離心力損害。從而， 別及消除可能有問題之 離之片段有效操作之限 裂特性。 ，較之在其他方面為同 所經歷，轉子之磁性層 增加。每當其在受控極 在受控極轉子結構之磁 其本身表明為在磁性材 機械所採用之磁性材料 熱膨脹係數明顯不同於 較心具有顯著較低係數 ，常具有起 其可能沿額 剝離。而 能加重剝離 生剝離，便 受控極馬達 磁鐵，及/ 制機構，藉 等設計之習 可能在溫度 或啟動操作 性層所發生 料之主體内 ，一般為一 下面之金屬 之導熱性。

O:\64\64008.ptc 第11頁 484255 案號 89108151 年 月 曰 修正 五、發明說明（6) 所有此等狀況在受控極機械獨特合併，產生在磁性材料與 心之間有實際之剪力，從而增加内部接合應力，並減低接 合之操作限制之可能。從而，受控極馬達之構造必須適應 此種微差熱膨脹，以避免否則在磁性層與心之間所可能導 致之大剪力，及/或包括有另外之機械裝置，以增強環氧 樹脂接合所提供之向心限制力。 此等現象暗示繞磁鐵層之外表面包括另外之（諸）機械裝 置，以增強已存在之向心限制力，在固定極機械曾巳包括 有相似之裝置。然而，在受控極機械，此種裝置必須不僅 計及如以上所討論受控極操作特有之熱機械問題，而且繞 或否則緊靠磁性材料供結構目的所置之任何物體，也必須 計及通常電動機械操作，或特別是控制極機械搡作特有之 某些電磁問題。 首先，插置在磁性層與空氣隙之間供結構目的之任何層 ，其厚度及磁性特性之組合，必須為致使不實質減低自永 久磁鐵層所發出之朝徑向磁通量，及與越過空氣隙之主要 定子繞組之連結。 第二，控制交流在定子激勵繞組所產生之磁場，可能 在任何組件感生渦流，其可能加至受控極轉子，而提供對 磁鐵之機械限制，並且其也為導電，從而在其中導致電阻 性加熱耗失，此種渦流耗失為一般係以層壓鋼或非導電， 磁性軟鐵氧體材料作成機械心之原因，高磁導率也為此等 心之一項合宜特性。 第三，渴流也產生磁場，其相反於感生涡流之磁場。激 勵繞組電流所產生之磁場，其目的為使轉子之永久磁性層

Ck\64\64008.ptc 第12頁 4^4255 案號 89108151 年 月 曰 修正 五、發明說明（7) 再磁化，在插置於磁性層與空 何材料所可發生之任何此種相 内減低再磁化場之強度，從而 第四，在定子之圓柱形表面 況，在此狀況，在轉子之每一 轉子之圓柱形表面之任何既定 緣。在受控極機械操作時，在 之磁場，以及轉子之永久磁性 越定子心之插槽部位時，主要 導率部份。當任何既定點經過 該點在轉子之空氣隙表面，在 變化。如本案所說明之本發明 之有些實施例，可包括靠近空 磁性材料層之一薄層材料，以 限制。如果該限制材料層為可 鋼琴鋼絲等材料之情形，由於 插槽開口之間，在場強度之該 轉子之圓柱形表面之顯著磁場 在每次通過插槽邊緣可能經歷 拉伸強度鋼琴鋼絲等材料代表 層另具有剩餘磁感應及矯頑磁 層内，在插槽邊緣及磁場對應 致磁滯耗失，所有插槽，轉子 緣交叉。在一種不考慮此效應 控極機械，在一此種構造之轉 氣隙 反渦 妨礙 存在 旋轉 點經 主繞 材料 集中 每一 磁場 表明 氣隙 提供 透磁 在插 等差 組份 方向 性之 力之 逆轉 之所 ，在 子之 之間 流場 受控 繞組 時， 過一 組之 在定 在定 插槽 之量 ，受 ，並 磁性 性， 槽間 異， ， 而 之逆 情形 特性 之每 有旋 其他 限制 ，供結 ，可能 極操作 插槽， 轉子之 實際數 電流在 子所產 子心之 邊緣時 級有突 控極内 覆蓋可 材料對 如諸如 南磁導 而可能 且，該 轉。再 ，如果 ，則在 一交叉 轉，均 方面為 金屬線 構目的 在磁性 〇 導致一 旋轉導 量之插 定子所 生者， 插槽間 ，這導 然及實 部轉子 再磁化 抗離心 高拉伸 率心部 導致切 等切向 次如諸 該限制 該限制 處，可 有二此 代表性 層内， 之任 材料 種狀 致在 槽邊 產生 在橫 南磁 致在 際之 機械 永久 力之 強度 位與 向於 組份 如南 材料 材料 能導 種邊 之受 所發

O:\64\64008.ptc 第13頁 484255 案號 89108151 年 月 曰 修正 五、發明說明（8) 生之累積磁滯耗失，可能 此，插置在磁性層與空氣 構造必須在厚度，電導性 限制，而同時提供高拉伸 膨脹之相容性。 在代表性受控極機械’ 料之受控極機械，由於插 徑，及可再磁化永久磁鐵 久磁性材料層時，由於插 槽而在磁場之突然變化減 面變為可忽略。然而，在 層之鑲嵌瓷磚型構造間之 突然變化，並且與在轉子 可能有利採用一種可透磁 料之限制材料，以便磁場 本發明揭露之裝置，克 明為一種供在高速受控極 配置、供在高速受控極電 於現在所使用所有目前轉 速受控極電動機械使用之 。供在高速受控極電動機 表面之轉子心；一第一層 子心外表面，及一第一層 超過機械之總功率百分之一。因 隙間之任何限制機構，其設計及 ，及在磁導率或剩餘磁感應予以 強度，及與轉子之其他組件在熱 特別是在有二 槽之相對幾何 層之厚度，當 槽間向磁導率 低，在數層永 此部位，自諸 間隙所出現之 之表面之情形 性材料，供覆 之總分布平勻 發明之概述 層或更 比例， 該等場 定子心 久磁性 個別磁 磁場， 對照而 蓋任何 多層磁 空氣隙 較深滲 及開啟 材料間 性材料 可能有 言，其 内層磁 性材 直 入永 之插 之界 塊與 局部 於是 性材 前技藝上 機械使用 械使用之 優點，並 及非顯而 用之轉子 磁化永久 度材料將 值得注意 之種種 之轉子 轉子， 且提供 易見之 ，可包 磁性材 第一層 的是， 缺失。本發 。這種創新 不僅提供優 一種供在高 轉子構造 括一有 料位於 可再磁 轉子心 一夕卜 繞轉 化磁 可為

O:\64\64008.ptc 第14頁 484255 案號 89108151 修正 五、發明說明（9) 一層壓鋼轉子心 在使用在較 /可再磁化磁性 時，可能宜於 是，本發明可 第一層可再磁 發明可包括一 之可 料層 含一 複合 料之 在 包含 材料 徑向 而 磁塊 分開 生敎 —九一 j、、、 轉 ，S己 面上 可改 。另 再磁化磁 。此概念 層可再磁 層置於下 總厚度 一多層結 一種在其 ，以便補 方向之變 且，各個 。每〆磁 間隙係經 膨脹 子亦可在 置在各磁 。在本發 進在（諸） 外，因為 小受 材料 包括 包括 化磁 外額 性材 之一 化磁 面之 控極 〇 缺 若干 一層 性材 之高 料層 般性 性材 相似 電動機 而，在 層之可 或多層 料及轉 強度材 黏結至 實施例 料’後 諸複合 械時， 使用在 再磁化 可再磁 子心外 料層， 在其下 所產生 隨一層 層，直 可能 較大 永久 化永 表面 該材 面之 之結 南強 到獲 僅需 受控 磁 久磁 配置 料層 可再 構， 度材 得所

要一單 電動 料。 鐵材料 。而且 將每一 磁化磁 將會導 料之數 需之磁 層之 機械 特別 ，繞 ，本 連續 性材 致包 連續 性材 構中，可 磁性特性 償在磁場 化。 可再磁化材料層 塊可只有一位於 衡量須能 再磁化 逐層略 磁通岔 以允 永久磁性材料之各層，可各 微不同之可再磁化永久磁性 度中整個磁性材料之容積在 可包含許於彼此相鄰之 相鄰磁塊之間之分開間隙。 許各磁塊相對於相鄰磁塊產 各可再磁 塊面向轉 明之構造 層可再磁 高強度層 化磁性材料層中包括一黏合劑層 子心表面、或配置在其旁之磁塊表 使用一種導熱，易彎撓黏合劑 ， 化磁性材料與轉子心間之導熱性 提供必要之黏結力，黏合劑層不須

O:\64\64008.ptc 第15頁 484255 _案號89108151_年月曰 修正_ 五、發明說明（10) 僅依其接合強度特徵而選擇；而是，黏合劑可依其在施用’ 時顯露之低黏性及可濕潤性選擇、以及就其一旦固化時， 之導熱性、柔韌性及抗熱老化性而選擇。 用來黏結每一可再磁化磁性材料層之高強度材料，較佳 為應該呈現相似於常用樂器金屬線之強度特性。樂器金屬 線之拉伸強度範圍一般係自2 2 5，0 0 0 P S I至超過4 0 0，0 0 0 P S I。而且，用以黏結可再磁化磁性材料各内層之高強度 材料，.較佳為應該呈現常用樂器金屬線之磁性特性。特別 是，常用樂器金屬線具有一種低矯頑磁力永久磁鐵之磁性 特性。每一高強度材料内層之磁性特性，可用以跨接在每 一層可再磁化磁性材料之諸單獨磁塊間之間隙，藉以改進❿ 轉子磁通之磁路徑。在較佳實施例中，第一層高強度金屬 線之矯頑磁性，一般可為在約5 0奥斯特（〇 e r s t e d )。另 外，殘留感應可約為一泰斯拉（t e s 1 a )，或1 0，0 0 0高斯。 鄰近定子部分來自最外高強度材料黏結層中之插槽邊緣 磁場變化所感應之磁滯耗之降低非常重要性。此可藉由使 高強度材料外層如碳等採非導電非磁性高強度纖維材料而 達成。要不然，亦可採用一例如由一種諸如某些不銹鋼合 金之材料所構成之適當高電阻、非磁性、高強度金屬線， 每一股金屬線在周邊置於轉子，並且方式為致使在每一相 鄰股金屬線之間留一空間，因而在相鄰股之間無向軸向電 路徑，藉以使外層有效不導電。因此，本發明之一項優 點，為使用南電阻或非導電非磁性層之南強度材料’可減 低在最外黏結材料層由滿流及由插槽邊緣感應之快速磁通 變化，在空氣間隙導致之磁通逆轉所導致之耗失。

O:\64\64008.ptc 第16頁 484255 案號89108151_年月日_優^ 用 使 械 機 動 電 極 控 受 速 高 子 轉 内 一 供 以 子 轉- 11)構 (ί 明 -說種 明一 發一 五 外用 心使 子及 轉， 一料 繞材 於性 位磁 塊化 磁磁 數再 多可 將層 :一 驟第 步成 列形 下塊 含磁 包諸 可， ，置 法設 方面 之表 料多 材許 性使 磁： 化驟 磁步 再列 可下 層含 一包 第另 將可 維法 纖方 或該 線。 屬面 金表 度外 強心 高子 層轉 一至 第結 一 占 一 豸 層度 二強 第高 成性 形磁 塊非 磁電 諸導 ，非 料層 材二 性第 磁用 化使 磁及 再以 可 ·， 層料 一材 第性 繞磁 於化 位磁 塊再 磁可 可者 層藝 一技 第項 至此 結於 黏精 料， 材而 性然 磁。 化面 磁表 再外 可心 層子 二轉 第及 將料 線材 屬性 金磁 或化 維磁 ·~πτ 可但 層 ， 單層 一多 要更 必或 僅層 能二 可要 ,需 械能 機可 極械 控機 受大 小較 較及 在， 然料 雖材 ，性 知磁 察化 會磁 將再 構構 所所 維線 纖屬 或金 線度 屬強 金高 丨 I i f 丨 tL ½¾ 磁磁 非由 ， 亥 =口 電應 導結 非黏 由之 該層 應數 結間 黏中 之何 層任 外及 最， 供成 成 隙 間 開 分 之 間 塊 磁 鄰 相- 每 量 衡 括 包 另 可 驟 步 位 定 量在 衡約 所可 分分 塊， 磁度 一長 每塊 使磁 ，对 及一 以每 ; 供 脹， 膨例 熱施 之實 塊種 磁一 一在 每。 許離 允距 以之 心 子 轉 向 面 在 括 包 另 可 法 方 該 ο 忖 面 表 塊 磁- 每 之 面 表， 之驟 塊步 磁之 鄰層 相劑 前 驟 步 結 黏 在 一合在 1黏持 面撓固 ，彎塊 或 i 面易磁 表埶I 卜導每 一使 加層 施劑 ，合 黏 纖 度 強 高 之 行 平 股 多 或- 對 括 包 另 可 驟 步 結 黏 。後 位最 定 轉再； 當可度 於之緊 大合張 致結之 大被需 度銷所 緊抵力 張來心 其用向 使、大 ，時最 力轉之 張旋受 加速承 預高將 以械期 施機預 絲動層 細電料 線極材 屬控性 金受磁 或在化 維子磁

O:\64\64008.ptc 第17頁 484255 _案號89108151_年月曰 修正_ 五、發明說明（12) 將高強度纖維或（諸）金屬線之一端固著至轉子之一端；以 及，將（諸）細絲包繞於可再磁化磁性材料層，將（諸）細絲 之第二端固著至轉子之第二端，藉以形成許多平行股。當 黏結層使用高強度金屬線時，在高強度金屬線之每一平行 股之間設有一小但清晰之空間可大為增加該層在軸向之電 阻，以使渦電流耗失減低至可接受水準。而且，以一種控 制方式將多數細絲並排捲繞成一單一層次、且若為導電金 屬線時在每一金屬線之間保持一空間、並以類似方式將該 層次細絲包繞於可再磁化磁性材料層、並將該層次之第二 端以相似方式固著，將可減低組裝時間。 附圖之簡要說明 圖1例示一包含本發明實施例之高速内部轉子受控極電 動機械之縱向垂直剖面圖。 圖2例示本發明實施例之縱向剖面圖。 圖3例示如在圖2中所例示之本發明較佳實施例，其一部 份之放大圖。 圖4例示一利用一第二層磁性高強度金屬線之受控極電 動機械^其放大橫向垂直部份剖面之分解剖面圖。 圖4 A例示一利用一第二層非磁性高強度金屬線之受控極 電 動機械，其放大橫向垂直部份剖面之分解剖面圖。 圖5例示本發明之放大橫向垂直部份剖面圖。 圖5 A例示圖5中所例示放大橫向垂直部份剖面之分解剖 面圖。 圖6 A例示本發明有一單股之高強度金屬線部份包繞於 最外層可再磁化磁性材料之俯視圖。

O:\64\64008.ptc 第18頁 484255 _案號89108151_年月曰 修正_ 五、發明說明（13) 圖6 B例示本發明有三股之高強度金屬線部份包繞於最外’ 層可再磁化磁性材料之俯視圖。 較佳實施例之詳細說明 圖式中所示本發明之創新配置之目前較佳實施例，然 而，請瞭解本發明之配置不限於圖示所示之配置及工具。 圖1係一受控極電動機械1所採用之轉子9之較佳實施例。

受控極電動機械1包括一定子心2、一繞組3及一轉子9。轉 子9較佳具有一轉子軸6、一層壓鋼轉子心1 9圍繞轉子軸 6、以及一層或多層之可再磁化磁性材料4包封層壓鋼轉子 心1 9。另外，二轉子端環7較佳為配置在層壓鋼轉子心1 9 之每一端。 U 如圖2中所示，層壓鋼轉子心19可包括插於其内之導體 棒1 0。每一導體棒1 0較佳為予以熔接至每一端環7中。包 圍層壓鋼轉子心19之可再磁化磁性材料4之（諸）層可有一 第一層可再磁化磁性材料13位於層壓鋼轉子心19之外表面 ，及一第二層可再磁化磁性材料1 2靠近可再磁化磁性材料 1 3之第一層。 圖3係如圖2中所例示諸層可再磁化磁性材料4之放大 圖。在較佳實施例中，一第一層磁性高強度金屬線1 5較佳 包繞於第一層之可再磁化磁性材料1 3。高強度金屬線1 5可 設有一如圖所示之圓形剖面，或金屬線1 5可具有一矩形 剖面（未示），其寬度為厚度之一至十倍。其優點是，矩形 剖面允許較大之剖面供既定厚度或空氣間隙突入，藉以提 供對抗離心力之較大限制，同時適當抑制渦電流。而且， 矩形剖面具有多較表面積與下面之磁鐵接觸，以提供對軸

O:\64\64008.ptc 第19頁 484255 _案號89108151_年月日__ 五、發明說明（14) 向滑移之最大阻力，並與該圈金屬線產生可能之電接觸。· 再者，具有矩形剖面之金屬線1 5較不可能滾動，並且較不 受可能因金屬線上之裂口或磨損而使金屬線斷裂。 第一層磁性高強度金屬線1 5較佳經由钱刻在轉子端環 7之凹槽20而連接在轉子之每一端，並且較佳為將第一層 可再磁化磁性材料1 3黏結至層壓鋼轉子心1 9。同樣，當此 例中使用二層磁性材料時，較佳為將第二層高電阻或非導 電，非磁性高強度纖維或金屬線1 4包繞於第二層可再磁 化磁性材料1 2。供在本案中，非磁性纖維或金屬線是一種 具有可忽略之剩餘磁感應（殘留感應）及磁滯之金屬線。第 二層非導電、非磁性高強度纖維或金屬線較佳為在每一端· 緊固至蝕刻在轉子端環7之凹槽2 1 ，將第二層可再磁化磁 性材料1 2黏結至第一層可再磁化磁性材料1 3及層壓鋼轉子 心1 9。因此，第二層非導電，非磁性高強度纖維或金屬線 1 4將第二層可再磁化磁性材料1 2固著至層壓鋼轉子心1 9。 第一層磁性高強度金屬線1 5較佳為具有相似於一般樂器 金屬線之特性。特別是，第一層磁性高強度金屬線較佳為 具有拉伸強度範圍自2 2 5, 0 0 0 PSI至超過4 0 0, 0 0 0 PSI，並 且第一層高強度金屬線1 5較佳為具有低矯頑磁力永久磁鐵 之磁性特性，雖然本發明在此方面並無限制。矯頑磁力較 佳為約在5 0奧斯特，並可具有殘留感應約為1泰斯拉。較 佳為，高強度金屬線1 5之熱膨脹係數予以選擇為與轉子 之膨脹係數特徵相容。 第二層高強度材料14較佳為一由一種不銹鋼之低導電合 金所構成之非磁性高強度金屬線。然而，請予察知，精於

O:\64\64008.ptc 第 20 頁 484255 _案號89108151 _年月曰 修正_ 五、發明說明（15) 此項技藝者可以任何非導電非磁性金屬合金，或非金屬高_ 強度纖維，例如碳纖維代替不銹鋼。使用非導電，非磁性 高強度纖維或金屬線，諸如用以形成第二層高強度材料1 4 之不銹鋼，其優點為減低在此金屬線層之渦電流及磁滯耗 失。精於此項技藝者將會察知，以一種致使排除相鄰金屬 線彼此電接觸之方式形成此層之金屬線，可能促成需要該 金屬線之非導電特性。 圖4顯示在一設有一第二層磁性高強度金屬線29之轉子 受控極電動機械中位於在定子心2 8與第二層可再磁化磁性 材料3 1間之界面之有害效應。在圖4中，精於此項技藝者 將會觀察到一磁通逆轉區2 3，在定子心2 8發生在定子繞組<1 插槽27下面。特別是，圖4代表存在磁通逆轉區23在第二 金屬線層2 9所導致之磁性耗失，其係由於使用第二層磁性 高強度金屬線2 9代替圖3之非磁性層高強度纖維或金屬線 1 4所產生。在第二金屬線層2 9之此等損耗係當磁性金屬線 區段2 9經過一定子繞組插槽2 7時，由在金屬線層2 9相對於 正常轉子磁通30之磁通逆轉所導致。 圖4A示在一有一轉子採用第二層非磁性高強度纖維或金 屬線32之受控極電動機械，無圖4之有害效應。在圖4A中 ，不同於圖4中之情形，由於使用第二層非磁性高強度纖 維或金屬線3 2，代替圖4之高強度金屬線2 9之磁性層，在❶ 定子心28在定子繞組插槽27下面不存在磁通逆轉區。因此 ，如在本發明，在圖4 A之情形，不存在磁性耗失。 圖5示在圖1中所示定子心2、與圖3中，由第二層非磁性 高強度金屬線1 4、第二層可再磁化磁性材料1 2、第一層磁

O:\64\64008.ptc 第 21 頁 484255 _案號89108151_年月日__ 五、發明說明（16) 性高強度金屬線1 5、第一層可再磁化磁性材料1 3、及層壓· 鋼轉子心1 9構成之轉子外部之間之交會部位之部份剖視 圖。第二層可再磁化磁性材料1 2及第一層可再磁化磁性材 料1 3均較佳為由位於繞層壓鋼轉子心1 9同心之許多磁塊1 6 所構成，每一磁塊1 6位於彼此相鄰。精於此項技藝者自圖 5將會明白，第二層可再磁化磁性材料1 2及第一層可再磁 化磁性材料1 3之諸個別磁塊1 6，位於致使在每一磁塊1 6之 間有一很小但清晰之分開間隙1 7。 由圖5可知，在每一磁塊1 6間之分開間隙1 7，自靠近每 一磁塊16基座之最窄間隙32朝向靠近每一磁塊16表面之最 寬間隙3 3漸漸拓寬。分開間隙1 7之分開量較佳予以衡量為<1 在分開1 7之最窄部份，允許空間供每一磁塊1 6相對於層壓 鋼轉子心1 9及相鄰磁塊1 6之獨立熱膨脹。一單一磁塊1 6之 膨脹量，一般為少於每吋磁塊1 6長度· 0 0 2吋。因此，在其 每一側與相鄰 磁塊1 6之間，每一磁塊1 6應該需要少於· 0 0 2吋之空間。 一黏合劑層較佳為配置在每一磁塊1 6表面，面向層壓鋼 轉子心1 9，及面向在該層之任何相鄰磁塊。在本發明之構 造使用一種導熱易彎撓黏合劑，可改進磁塊1 6與層壓鋼轉 子心1 9間之導熱性，並保持磁塊1 6與層壓鋼轉子心1 9間之 導熱性，超過機械之使用期限，而不管在二者之間由於微❿ 差熱膨脹所可能出現之顯著應變。另外，在轉子9操作時 ，因為高強度金屬線14之外層及高強度金屬線15之内層提 供抵抗磁塊1 6所經歷向心力所必要之黏結力，黏合劑層不 需要就其黏結特徵予以選擇。而是，黏合劑可就其一旦固

O:\64\64008.ptc 第 22 頁 484255 _案號89108151_年月日_«_ 五、發明說明（17) 化時之導熱性、柔韋刃性及抗熱老化性，以及就其在施用時— 之黏性及可濕潤性予以選擇。 現請參照圖5 A，本發明之一項特別優點，為由於其磁性 特性，第一層磁性高強度金屬線1 5之厚度不增加第二層可 再磁化磁性材料1 2與第一層可再磁化磁性材料1 3間之有效 π空氣間隙π 。尤其，有效空氣間隙較佳需儘可能小至符合 實用性。一般而言，在受控極電動機械中，一嵌入在定子 繞組插槽（例如如圖5中所示之定子繞組插槽1 8 )之激勵線 圈，在通電時，可能產生交變極性之強磁通量。值得注意 的是，第一層磁性高強度金屬線1 5之磁性特性，用以跨接 第二層可再磁化磁性材料1 2與第一層可再磁化磁性材料1 3 Φ 間之間隙，藉以改進圖1之受控極機械之激勵線圈所呈現 轉子磁通24之磁性路徑。以此方式，轉子磁通24可較均勻 穿透圖1之諸磁性層4，俾較有效控制轉子極。 圖6Α為供施加第二層高強度金屬線14至第二層可再磁化 磁性材料1 2 (及對應施加第一層高強度金屬線1 5至第一層 可再磁化磁性材料1 3 )之一種較佳方法之圖示。在最初 時，可設置磁塊1 6以形成第二層可再磁化磁性材料1 2。隨 後，可藉鍛造、熔接、或任何其他適當方法，將第二層高 強度金屬線1 4附著至蝕刻至端環7中之凹槽2 1 。同樣，如 在圖6Β中使用多股高強度金屬線，每一股高強度金屬線 14Α可附著至與繞端環7Α周圍等距離蝕刻之凹槽21Α。值得 注意的是，在減少生產時間為首要關切之情形，使用多 股高強度金屬線1 4 Α可能變為較佳。 在以第二層高強度金屬線1 4包繞第二層磁性材料前，第

O:\64\64008.ptc 第23頁 484255 案號 89108151 Λ_ 曰 修正 五、發明說明（18) 二層高強度金屬線1 4較佳為予以預張緊至一水準大於第二 層可再磁化磁性材料1 2在轉子9之高速旋轉時所經歷之向 心力。儘管如此，第二層高強度金屬線1 4較佳為予以預張 緊至張力少於第二層高強度金屬線1 4之拉伸強度。特別是 ，第二層高強度金屬線14不預張緊至一水準超過第二層高 強度金屬線14之最大拉伸強度50%。如在圖6Β中，在多股 屬線為較佳之情形，每一股高強度金屬線1 4 Α應該予以個 別張緊。 在任一情形中，為求得最佳結果，重要的是，將第二層 高強度金屬線1 4、1 4 A包繞於整個第二層可再磁化磁性材 料1 2，而在每一平行股高強度金屬線1 4、1 4 A之間僅留一 很小、但清晰之空間2 5，2 5 A。這大大地增加第二層高強 度金屬線1 4、1 4 A之有效電阻，從而消除在第二高強度金 屬線層1 4、1 4 A之可能渦電流，若非如此，則可能影響圖1 之受控極電動機械1之性能。因此，必須在任何位置設置 僅有一單層高強度金屬線1 4、1 4 A。在包繞後，再將第二 層高強度金屬線14、14A固著至至凹槽21 、21A上，該等凹 槽係蝕刻於.一相反於第一端環7、7 A之第二端環7、7 A中。

O:\64\64008.ptc 第24頁 484255 案號 89108151 年 月 曰 修正 圖式簡單說明 元件符號說明 1 2 3 4 6 7, 7A 9 10 12,13 14 15 16 17 18 1920, 21 21 A 23 24 25, 25A 27 28 29 受控 定子 繞組 可再 轉子 轉子 轉子 導體 可再 非導 磁性 磁塊 分開 定子 層壓 凹槽 凹槽 磁通 轉子 空間 定子 定子 磁性 極電動機械 磁化磁性材料 軸 端環 、 棒 磁化磁性材料 電，非磁性高強度纖維或金屬線 高強度金屬線 間隙 繞組插槽 鋼轉子心 « 逆轉區 磁通 繞組插槽 心 高強度金屬線/ 線層 Φ

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Claims (1)

1. 484255 _案號 89108151 1 年 -β I 修正_r I rffftyri 六、申請專利範圍 j 1. 一種供高速受控極電動機械使用之轉子，其中該轉 ^ 子包含 ： 一轉子心，該轉子心有一外表面； 一第一層可再磁化磁性材料，位於繞轉子心外表面；以 及， 一第一層高強度細絲，將第一層可再磁化磁性材料黏結 至轉子心外表面。 2 .如申請專利範圍第1項之轉子，其中該轉子心為一層 壓鋼轉子心。 3.如申請專利範圍第1項之轉子，其中該轉子另包含： 一第二層可再磁化磁性材料，形成在該第一層可再磁 化磁性材料；以及 一第二層高強度細絲，將該第二層可再磁化磁性材料 黏結至第一層可再磁化磁性材料，及黏結至轉子心外表面 〇 4 .如申請專利範圍第1項之轉子，其中該第一層可再磁 化磁性材料另包含位於彼此相鄰之許多磁塊。 5 .如申請專利範圍第3項之轉子，其中該第一層可再磁 化磁性材料及第二層可再磁化磁性材料各另包含位於彼此 相鄰之許多磁塊。 6 .如申請專利範圍第4項之轉子，其中每一該磁塊在每彳| 一相鄰磁塊之間分開一間隙。 7.如申請專利範圍第6項之轉子，其中該分開間隙係經 衡量須允許每一磁塊相對於該等相鄰磁塊產生熱膨脹。

   O:\64\64008.ptc 第27頁 484255 案號 89108151 年 月 修正 六、申請專利範圍 8 .如申請專利範圍第7項之轉子，其中該分開間隙每吋 比該磁塊長度少.0 0 2吋。 9 .如申請專利範圍第1項之轉子，其中該第一層高強度 細絲具有拉伸強度範圍自2 2 5, 0 0 0 PSI至4 0 0, 0 0 0 PSI。 1 0 .如申請專利範圍第3項之轉子，其中該第一層高強 度細絲及第二層高強度細絲各具有拉伸強度範圍自 225, 000 PSI 至400, 000 PSI 。 其中該第一層高強 ，其中該非磁性高強 ，其中該非磁性高強 ，其中該合金為不銹 ，其中該第一層高強 層高強度細絲包含非 1 1.如申請專利範圍第1項之轉子 度細絲包含非磁性高強度金屬線。 1 2.如申請專利範圍第1 1項之轉子 度細絲包含高強度纖維。 1 3.如申請專利範圍第1 1項之轉子 度細絲包含一種合金。 1 4.如申請專利範圍第1 3項之轉子 鋼。 1 5.如申請專利範圍第3項之轉子： 度細絲呈現低矯頑磁特性，及該第 磁性南強度金屬線。 16. —種建構一用於高速受控極電動機械之轉子之方 法，包含下列步驟： 將多數磁塊繞一轉子心外部表面設置，該等磁塊形成 一第一層可再磁化磁性材料；以及 利用一第一層高強度金屬線將第一層可再磁化磁性材 料黏結至轉子心外表面。

   O:\64\64008.ptc 第28頁 484255 _案號89108151_年月曰 修正_ 六、申請專利範圍 1 7 .如申請專利範圍第1 6項之方法，進一步包含下列步_ 驟： 將多數磁塊繞第一層可再磁化材料設置，該多數磁塊 形成一第二層可再磁化磁性材料；以及 利用一第二層高強度細絲，將第二層可再磁化磁性材 料繞第一層可再磁化磁性材料黏結。 1 8 .如申請專利範圍第1 6項之方法，進一步包含將一易 彎撓黏合劑層施加至面向轉子心之每一磁塊表面之步驟， 因此在黏結步驟前，該易彎撓黏合劑層可將每一磁塊固持 在定位。 1 9 .如申請專利範圍第1 6項之方法，其中該定位步驟另❶ 包含： 衡量在每一相鄰磁塊間之分開間隙，用以允許每一磁 塊之熱膨脹；以及 以該衡量得之分開間隙將每一磁塊分開。 2 0 .如申請專利範圍第1 9項之方法，其中該衡量步驟進 一步包含對每一吋磁塊長度提供一 .0 0 2吋之分開間隙。 2 1 .如申請專利範圍第1 6項之方法，其中該黏結步驟進 一步包含： 對一股高強度細絲施以預張緊力，以使其張力大於當 轉子在受控極電動機械高速旋轉時、用來抵銷被黏結之可 再磁化磁性材料層預期承受之最大向心力所需之張緊度； 將該高強度細絲之第一端固著至轉子之第一端； 將該高強度細絲包繞於該層可再磁化磁性材料，而在

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