TWI525963B - 用於一內部轉子經調極電機之轉子及包含該轉子之電機 - Google Patents

Description

用於一內部轉子經調極電機之轉子及包含該轉子之電機

本發明係關於一種用於諸如一馬達之經調極電機之轉子，且更特定而言係關於一種用於可容易大量製造且適於以高速操作之經調極電機之轉子。

多年以來，諸如經調極電機(例如，爪極式電機、倫德爾(Lundell)式電機及橫向磁通電機(TFM))等電機設計已變得愈來愈引人關注。早在約1910年Alexandersson及Fessenden曾揭示使用此等電機之原理之電機。愈來愈引人關注之最主要原因中之一者係該設計相對於(舉例而言)感應電機、開關磁阻電機及甚至永久磁體無刷電機而達成一極高之轉矩輸出。此外，此等電機係有利的，此乃因線圈通常易於製造。然而，該設計之缺點中之一者係其製造起來通常相對昂貴且其經歷導致一低功率因數及對更多磁性材料之一需求之一高洩漏磁通。該較低功率因數需要一經電力大小增加之電子電路(或電力供應器，當同步使用該電機時)，其亦增加總驅動裝置之體積、重量及成本。

經調極電機定子基本上特徵在於使用將磁性地給由一軟磁鐵心結構形成之多個齒饋電之一中心單線圈。然後圍繞該線圈形成該軟磁鐵心，而對其他常見電機結構而言，該線圈係圍繞該鐵心區段之一齒而形成。經調極電機拓撲之實例有時被認為係(例如)爪極式、鴉爪式(Crow-feet)、倫德爾式或TFM式電機。具有隱埋磁體之經調極電機進一步特徵在於包含由轉子極區段分離之複數個永久磁體之一作用轉子結構。

WO 2007/024184揭示由偶數數目個段構建之一作用轉子結構，而一半數目之段由軟磁性材料製成且另一半數目之段由永久磁體材料製成。該等永久磁體經配置以使得該等永久磁體之磁化方向實質上係周向的，亦即，北極與南極分別指向一實質上周向方向。

通常期望為一經調極電機提供在生產及組裝上相對便宜之一轉子。進一步期望提供具有良好效能參數(諸如高結構穩定性、低磁阻、高效磁通路徑引導、低重量及慣性等)之此一轉子。

隱埋磁體電機可用於高功率、高速度電機，例如，在電動車輛及混合動力車輛中使用之電機。此等電機提供優於替代技術之顯著的重量、大小、效率及成本優點。該等益處中之一者與用於驅動電機之變流器之額定功率(且因此成本)減少有關，該額定功率減少係因在電機具有由磁阻效應導致之顯著轉矩時出現之電流減少而產生。當相隔一半極距之軸中存在不同磁阻時產生磁阻轉矩。具有此特徵之電機闡述為具有凸極性。

此等電機之一共同組態係定子與轉子之間的氣隙放置於一周向/軸向平面中。定子與轉子兩者中出現改變磁場且因此可期望對定子與轉子兩者中之磁鐵心採用提供電絕緣以避免因由此等改變磁場在該鐵心中感應之渦電流將出現之高損耗之材料。

在使用隱埋磁體之某些高速永久磁體電機中，一限制因素可係由旋轉所致之離心力所導致之機械應力。該等力施加於通常抗拉強度弱之磁體上及疊片式轉子鐵心上。

根據一第一態樣，本文中揭示一種用於一內部轉子經調極電機之轉子，該轉子經組態以產生一轉子磁場以用於與該經調極電機之一定子之一定子磁場相互作用，其中該轉子經調適以圍繞該轉子之一縱向軸旋轉，該轉子在旋轉期間界定環繞該縱向軸之一圓柱形外部表面；其中該轉子包括：

-複數個永久磁體，其圍繞該縱向軸周向配置，每一永久磁體沿一磁化方向磁化以便產生一磁通，

-複數個軸向磁通引導部件，其各自經調適以為由該複數個永久磁體中之一各別永久磁體產生之該磁通提供一至少二維磁通路徑，該二維磁通路徑包括一軸向分量；

-一支撐結構，其包括自該複數個永久磁體徑向向內配置之一內部管狀支撐部件；及

-至少一個外部磁通引導部件，其經調適以為由該複數個永久磁體中之一或多者產生之該磁通提供沿至少一徑向方向之一路徑。

因此，本文中揭示一永久磁體轉子之若干實施例，該等實施例展示在使用沿徑向方向之一主要氣隙磁通路徑之一設計中之沿電機之軸向方向之一高效磁通路徑。

此外，本文中所揭示之轉子之實施例具有一高凸極性，亦即，該等實施例展示總磁通路徑磁阻在一適合表示之一直軸(d)與一正交軸(q)之間顯著變化，因此提供顯著的額外磁阻轉矩。在隱埋磁體電機中，可藉由使用層壓式磁性材料以沿與其磁化呈直角(在電學上，亦即，與其磁化呈等於一個極距之一半之一角度)之一軸導引磁通經過磁體來促進磁阻差異。

此外，甚至在轉子之高旋轉速度下，本文中所闡述之轉子之實施例亦提供一經明確界定之氣隙。

複數個永久磁體可經配置以使得沿磁化方向反轉圍繞圓周之每一第二磁體。藉此個別轉子極區段可僅與展示同樣極性之磁體介接。

在某些實施例中，永久磁體安裝於內部管狀支撐部件之一外部安裝表面上。

轉子可包括諸如2與200之間、5與60之間或10與30之間的任一數目個永久磁體。內部管狀支撐部件及/或一外部管狀支撐部件可具有任一軸向長度。在某些實施例中，內部管狀支撐部件及/或外部管狀支撐部件之軸向長度對應於永久磁體及/或軸向磁通引導部件之軸向長度。

轉子(例如，支撐結構)可包括用於傳遞藉由轉子與定子之間的相互作用而產生之轉矩之構件。在某些實施例中，該支撐結構連接至用於傳遞該所產生轉矩之一轉軸。

在某些實施例中，軸向磁通引導部件由一軟磁性材料(諸如軟磁粉末)製成，藉此簡化轉子之製造，且提供一高效磁通集中，在該軟磁性材料中利用允許徑向、軸向及周向磁通路徑分量之有效三維磁通路徑之優點。藉此該等軸向磁通引導部件可藉由使用一粉末形成方法在相同操作中高效地製成，其中該形成可在一單個壓實工具設置中進行。此外，可減少轉子之徑向厚度，此乃因所有三個維度中之磁通路徑可高效地提供於一單個磁通引導部件中。此進一步允許切向較寬之磁體，此乃因該等永久磁體然後可以一較大周界置於一較大直徑上且氣隙直徑保持恆定。此可允許使用較不昂貴之磁體(例如，肥粒鐵)，同時增加其厚度及剖面面積以便遞送一充足磁場強度。

軟磁粉末可(例如)係一軟磁鐵粉末或含有Co或Ni之粉末或含有該等粉末之部分之合金。軟磁粉末可係具有已塗佈有一電絕緣之不規則形狀粒子之一實質上純水霧化鐵粉末或一海綿鐵粉末。在此上下文中，術語「實質上純」意指粉末應實質上無夾雜物且雜質O、C及N之量應保持於一最小值。平均粒子大小通常低於300 μm且高於10 μm。

然而，使用任一軟磁金屬粉末或金屬合金粉末，只要軟磁性質充足且粉末適於模壓即可。

粉末粒子之電絕緣可由一無機材料製成。尤其適合的係US 6348265(其藉此以引用方式併入)中所揭示之絕緣類型，US 6348265涉及由具有一含氧及磷之絕緣障壁之基本上純鐵組成之一基礎粉末之粒子。具有絕緣粒子之粉末係可購得的，如可自瑞典Hoganas AB購得之Somaloy 500、Somaloy 550或Somaloy 700。

外部磁通引導部件提供一徑向磁通路徑及徑向向外面向轉子之一作用氣隙之一界面表面，從而允許磁通經由該作用氣隙與定子連通。外部磁通引導部件可進一步提供一周向磁通路徑；特定而言，外部磁通引導部件可在徑向/周向平面中提供一至少二維磁通路徑。當外部磁通引導部件包括環繞永久磁體及軸向磁通引導部件之一外部管狀支撐結構時，轉子結構之強度得到增加因此允許經改良之高速操作。

軸向磁通引導部件提供一軸向磁通路徑。在某些實施例中，轉子包括軸向磁通引導部件，其可(例如)形成為由金屬粉末製造之軟磁組件或形成為基本上在平行於轉子之軸向方向之一平面(例如，徑向/軸向平面或周向/軸向平面)中定向之壓層。軸向磁通引導部件可在軸向/周向平面或軸向/徑向平面中提供一至少二維磁通路徑，因此允許一軸向磁通集中及同時軸向磁通引導部件與外部磁通引導部件之間的磁通路徑之一高效連通。因此，軸向磁通引導部件可經放置以便致使轉子中出現某些或全部軸向磁返迴路徑。因此，在一經調極電機之實施例中，可避免定子中之一軸向磁路徑，因此允許一較簡單且較不昂貴之定子構造，且避免在未鏈接磁體及線圈之情況下可以其他方式僅圍繞線圈及僅圍繞磁體出現之不需要之磁洩漏路徑。

軸向磁通引導部件可提供為不同於外部磁通引導部件之單獨組件。軸向磁通引導部件可安置於自磁體徑向向外或切向毗鄰於磁體之一區中。此等軸向磁通引導部件可安置於沿徑向/周向定向配置之其他壓層內之槽或開口中以提供正確定向從而使由磁場之周向分量所導致之渦電流最小化。軸向磁通引導部件可放置於其中磁場實質上係徑向及/或軸向(或其中磁場實質上係恆定)(例如，靠近於磁體)之一區中。當軸向磁通引導部件形成為壓層時，該等壓層可與沿磁體之磁化方向之方向配置之壓層之平面一起定向。

軸向磁通引導部件可在轉子鐵心之軸向端處(例如)藉由端板予以箝製抵抗離心力。在某些實施例中，轉子包括在轉子之每一軸向端處之端板；且每一軸向磁通引導部件之至少一部分軸向延伸穿過該等端板之各別孔。另一選擇係或另外，軸向磁通引導部件可耦合至轉子鐵心之各別軸向端處之其他支撐結構以用於沿一徑向方向支撐軸向磁通引導部件抵抗離心力。然後，軸向磁通引導部件變成承受其自己之離心應力以及磁體之離心應力之樑，從而解除此作用之徑向/周向壓層中之輻條。箝製軸向磁通引導部件之一進一步之益處係可移除或至少減少徑向/周向壓層中之輻條。此減少或甚至避免磁分路效應，其又允許使用較小(且因此較便宜)磁體，因此產生一較小(且因此較便宜)電機。

由於轉子之磁結構未因軸向磁通引導部件之引入甚至亦未因使此等件之徑向尺寸變大而受損，因此可存在本文中所界定之轉子結構之實施例之處置離心力之能力之一大改良。其意謂著一既定尺寸之電機可實質上運行得更快，從而引起特定輸出之一成比例增加及大小、重量、效率及成本之一必然減少。亦意謂著促進以一既定速度運行之大得多的轉子(用於更高輸出應用)。

在某些實施例中，當軸向磁通引導部件如上文所闡述經箝製抵抗離心力時，軸向磁通引導部件可又(例如)藉由將軸向磁通引導部件放置於徑向/周向壓層中之一孔中來箝製轉子之徑向/周向壓層之至少一部分。此允許速度及/或轉子直徑之一進一步增加。

本文中所闡述之配置中的軸向磁通引導部件(其可在鐵心之軸向端處受箝製)與徑向/周向壓層之組合大大地改良機械完整性及因此速度/大小限制，而同時提供一良好軸向磁路徑而未招致大量渦電流損耗。

轉子中之一良好軸向磁路徑允許減少或甚至消除定子(亦即，爪)中之軸向磁返迴路徑，從而意謂著一大小減少，但更重要的係，一良好軸向路徑有益於保留凸極性且因此達成顯著磁阻轉矩。若該電機將在其係由換流器驅動時具有競爭性，則此係一高度期望特徵。

當永久磁體藉由各別輻條部件而彼此周向分離時，轉子結構之強度進一步增加。當輻條部件進一步經調適以至少沿一徑向方向提供一磁通路徑時，提供一高效且緊湊轉子結構。輻條部件可由層壓式金屬板製成。

在某些實施例中，管狀支撐部件由在徑向-切向平面中提供一磁通路徑之層壓式金屬板製成；永久磁體沿徑向方向磁化；且每一軸向磁通引導部件形成為自永久磁體中之一者沿徑向方向向外延伸且經調適以實質上在徑向/軸向平面中提供一磁通路徑之一金屬板層壓式齒本體部件；且轉子包括複數個外部磁通引導部件，其各自形成為自金屬板層壓式齒本體部件中之一各別齒本體部件向外徑向延伸且經調適以在徑向-切向平面中提供一磁通路徑之一金屬板層壓式齒尖端部件。金屬板壓層可係一鋼板壓層。

在某些實施例中，管狀支撐部件由沿至少徑向方向提供一磁通路徑之層壓式金屬板製成；且永久磁體沿徑向方向磁化；且軸向磁通引導部件中之每一者形成為自永久磁體中之一者沿徑向方向向外延伸且經調適以在所有三個維度(徑向、切向/周向、軸向)中提供一磁通路徑之由一軟磁組件(例如，軟磁粉末組件)製成之一齒本體部件。外部磁通引導部件可形成為環繞該齒本體部件之層壓式金屬板之一連續管狀結構，例如，一套筒。

在某些實施例中，永久磁體沿周向方向磁化；每一永久磁體可沿周向方向夾於軸向磁通引導部件中之兩者之間；且軸向磁通引導部件中之每一者可形成為經調適以提供具有至少一周向分量及一軸向分量之一磁通路徑之一金屬板層壓式部件。外部磁通引導部件可由形成環繞永久磁體及軸向磁通引導部件之一管狀結構之層壓式金屬板形成。形成外部磁通引導部件之層壓式金屬板可進一步包括自外部管狀部件向內徑向延伸之輻條部件。每一輻條部件可沿周向方向使夾於各別軸向磁通引導部件之間的永久磁體中之兩者分離。

在某些實施例中，轉子可包括兩個外部磁通引導部件，其各自具有比永久磁體及/或軸向磁通引導部件之軸向長度小之一軸向長度。在此一實施例中，外部磁通引導部件可定位於接近轉子之各別軸向端處，從而在其間留下一周向間隙。因此，在軸向磁通引導部件允許朝外部磁通引導部件之軸向位置之一軸向磁通集中時，外部磁通引導部件不需要覆蓋永久磁體之整個軸向範圍。因此，可在不顯著損害磁性質之情況下減小轉子結構之慣性之權重及/或力矩。在某些實施例中，外部磁通引導部件之軸向範圍及位置可經限制以對應於轉子與定子之間的作用氣隙之軸向寬度。在某些實施例中，該間隙可至少部分地由箝製永久磁體及/或軸向磁通引導部件抵抗離心力之一環形支撐部件(例如，一帶狀物、一套筒或一管)填充。環形支撐部件可由非磁性材料(例如，鋁、鎂合金、一基於聚合物之材料、一複合材料、一纖維材料(諸如玻璃纖維、碳纖維或諸如此類)或以上材料之組合)製成。

根據另一態樣，本文中揭示一旋轉電機，例如，一經調極電機，該電機包括如本文中所闡述之一定子及一轉子。該定子可係具有或不具有部分重疊定子極爪之一定子。

在某些實施例中，定子包括：一第一定子鐵心區段，其實質上係圓形且包含複數個齒；一第二定子鐵心區段，其實質上係圓形且包含複數個齒；一線圈，其配置於該等第一及第二圓形定子鐵心區段之間，其中該第一定子鐵心區段、該第二定子鐵心區段、該線圈及轉子正包圍由該轉子之縱向軸界定之一共同幾何軸，且其中該第一定子鐵心區段與該第二定子鐵心區段之該複數個齒經配置以朝轉子突出；其中該第二定子鐵心區段之齒係相對於該第一定子鐵心區段之齒而周向位移。

本發明之不同態樣可以包含上文所闡述之轉子及旋轉電機之不同方式實施且可實施於以下及其他裝置及產品構件中，每一者產生結合上文所闡述之態樣中之至少一者所闡述之益處及優點中之一或多者，且每一者具有對應於結合上文所闡述及/或隨附申請專利範圍中所揭示之態樣中之至少一者所闡述之較佳實施例之一或多個較佳實施例。此外，應瞭解，結合本文中所闡述之態樣中之一者所闡述之實施例可同樣適用於其他態樣。

參考附圖藉由以下對本發明之實施例之說明性且非限制性詳細說明將進一步闡明本發明之以下及/或額外目標、特徵及優點。

在以下說明中，參考藉由圖解說明之方式展示可如何實踐本發明之附圖。

本發明係在一經調極電機100之領域中，圖1a中以一示意性分解透視圖展示經調極電機100之一項實例。經調極電機定子10基本上特徵在於使用將磁性地給由軟磁鐵心結構形成之多個齒102饋電之一中心單線圈20。然後圍繞線圈20形成定子鐵心，而對其他常見電機結構而言，該線圈係圍繞個別齒鐵心區段而形成。經調極電機拓撲之實例有時被認為係(例如)爪極式、鴉爪式、倫德爾式或TFM式電機。更特定而言，所示經調極電機100包括兩個定子鐵心區段14、16，其各自包含複數個齒102且實質上係圓形；一線圈20，其經配置於第一圓形定子鐵心區段與第二圓形定子鐵心區段之間；及一轉子30，其包含複數個永久磁體22。此外，定子鐵心區段14、16、線圈20及轉子30包圍一共同幾何軸103，且兩個定子鐵心區段14、16之複數個齒經配置以朝轉子30突出以用於形成一閉路磁通路徑。圖1中之電機係徑向型的，此乃因在此情形下，定子齒朝轉子沿一徑向方向突出，其中定子環繞轉子。然而，定子同樣可相對於轉子放置於內部，其類型亦在以下各圖中之某些圖中予以圖解說明。如以下所呈現之發明範疇並不限於任一特定類型之經調極電機。舉例而言，本發明並不限於單相電機，而同樣可適於多相電機。

作用轉子結構30由偶數數目個段22、24構建而成，而一半數目之段(亦稱為轉子極區段24)由軟磁性材料製成且另一半數目之段由永久磁體材料22製成。目前技術水平之方法係將此等段生產為個別組件。通常段之數目可係相當大，通常約為10至50個個別區段。永久磁體22經配置以使得該等永久磁體之磁化方向實質上係周向的，亦即，北極與南極分別面向一實質上周向方向。此外，周向計數之每一第二永久磁體22經配置而使其磁化方向相對於其他永久磁體沿相反方向。所期望電機結構中之軟磁極區段24之磁功能係完全三維的且要求軟磁極區段24能夠沿所有三個空間方向高效地運載具有高磁導率之變化的磁通。

圖1b展示與來自圖1之徑向經調極電機相同之徑向經調極電機但以所組裝電機之一剖面圖更清晰地展示定子齒102如何朝轉子延伸且兩個定子鐵心區段14、16之定子齒如何相對於彼此旋轉位移。

圖2展示用於一經調極電機之一定子之一實例之一示意圖。圖3展示用於一經調極電機之一定子之另一實例之一示意圖。兩個定子皆包括兩個定子鐵心區段14、16及夾於該等定子鐵心區段之間的一線圈20；且該等定子鐵心區段各自具有複數個徑向延伸之齒102以使得兩個定子鐵心區段14、16之定子齒相對於彼此旋轉位移；全部如結合圖1所闡述。雖然圖2之定子類似於結合圖1所闡述之定子，但圖3之定子之齒102形成為爪極，亦即，其具有軸向延伸之爪極區段302。爪極區段302自徑向突出之齒102之尖端朝線圈及各別其他定子極區段軸向延伸。爪極部分地跨越定子之軸向長度軸向延伸。

在下文中，將更詳細地闡述可用作圖1a至圖1b中所示之經調極電機之一部分及/或與圖2及圖3中所示之定子中之一者組合之轉子之實例。應理解，本申請案中所闡述之轉子可與不同於上文所闡述之經調極電機之類型之經調極電機之定子一起使用。

圖4展示用於一經調極電機之一轉子之一實例。特定而言，圖4a展示一轉子之一透視圖而圖4b展示一經調極電機之該轉子與一對應定子(例如，圖2中所示之一定子)之一剖面圖。圖4之轉子包括環繞轉子之一縱向軸404之一管狀中心支撐部件403。該管狀支撐部件界定用於接納欲由轉子驅動之一轉軸或軸之一中心開口405。管狀支撐結構403由沿軸向方向堆疊之層壓式環形鋼板製成，亦即，該壓層界定平行於一徑向/周向平面之平面。轉子進一步包括圍繞管狀支撐部件403之外部周向表面均勻分佈之偶數數目個永久磁體422。每一永久磁體沿管狀支撐結構之軸向長度軸向延伸。在該實例中，該等永久磁體形成為具有相對矩形表面之相對薄板。將一徑向向內表面連接(例如，黏結、機械固定或諸如此類)至該管狀支撐部件之外部表面。該等永久磁體沿轉子之徑向方向磁化且提供沿徑向方向延伸穿過永久磁體(亦即，穿過徑向向內表面及與該徑向向內表面相對之徑向向外表面)之一磁通。該等永久磁體配置有交替極性以使得每一永久磁體之鄰近永久磁體(沿一周向方向所見)具有與其鄰近之該永久磁體不同之其一磁場定向。

轉子進一步包括提供至少一軸向磁通路徑之複數個軸向磁通引導部件401，其各自安置於永久磁體中之一各別永久磁體之徑向向外表面上。每一軸向磁通引導部件形成為一層壓式鋼板區塊。該等鋼板沿周向方向堆疊以便形成具有實質上與該等永久磁體相同之軸向及切向尺寸之一區塊且界定沿軸向及實質上徑向方向之平面之矩形板。

轉子進一步包括複數個外部磁通引導部件402a及402b以使得兩個外部磁通引導部件402a、402b安置於軸向磁通引導部件401中之每一者之徑向向外表面上。因此，軸向磁通引導部件與外部磁通引導部件一起形成各別徑向延伸之轉子齒或極，其中軸向磁通引導部件形成齒本體而外部磁通引導部件形成齒尖端。外部磁通引導部件形成為沿軸向方向堆疊之層壓式鋼板區塊。該等板具有一大體梯形形狀，而其中梯形之平行側中之較長者形成為一彎曲線。該等板配置於垂直於轉子之縱向軸之平面中，亦即，其在周向/徑向平面中界定平面。此外，層壓式板配置有其徑向向外之彎曲側以使得外部磁通引導部件一起界定一圓形圓周。外部磁通引導部件具有小於轉子之軸向尺寸之一軸向長度，且其成對配置於軸向磁通引導部件401上以使得其沿軸向方向由一中心間隙406分離。

如圖4b中所圖解說明，當組裝為一旋轉電機之一部分時，外部磁通引導部件與一定子之定子鐵心區段中之一者之齒14、16軸向對準。當外部磁通引導部件與各別齒周向對準時，轉子提供一個三維磁通路徑，其中延伸穿過永久磁體422之徑向磁通軸向集中於軸向磁通引導部件401中且藉由外部磁通引導部件朝作用氣隙409及定子之一對應之齒徑向饋電。內部支撐部件403提供一徑向及周向磁通路徑以便允許磁通自一個永久磁體傳送至一鄰近永久磁體。圖4中所示之轉子極適於用於包括圖2中所示之一定子(即具有不帶有(或至少相對小)爪極之齒(亦即，僅沿定子(一單相區段)之軸向範圍之一部分(例如，小於一半)延伸之齒)之一定子)之一經調極電機。

因此，內部支撐部件403、軸向磁通引導部件401及外部磁通引導部件402a、402b中之壓層之不同定向經挑選以支撐轉子中包含一至少軸向磁通集中之一個三維磁通路徑。

圖5展示用於一經調極電機之一轉子之另一實例。特定而言，圖5a展示一轉子之一透視圖而圖5b展示一經調極電機之該轉子及一對應定子(例如，圖3中所示之一爪極定子)之一剖面圖。圖5之轉子類似於圖4之轉子且包括一板層壓式管狀內部支撐部件503、圍繞內部支撐部件503之圓周以交替極性安置之複數個經徑向磁化之永久磁體522、自每一永久磁體徑向向外配置之板層壓式軸向磁通引導部件501，全部如結合圖4所闡述。

圖5之轉子進一步包括類似於圖4之外部磁通引導部件402a、402b，但沿轉子之整個軸向長度或轉子之軸向長度之至少一大部分軸向延伸之板層壓式外部磁通引導部件502。因此，在圖5之實例中，僅一單個外部磁通引導部件連接至每一軸向磁通引導部件501。

因此，圖5之轉子尤其極適於與一爪極定子(例如，如圖3中所示之一定子)組合，如圖5b中所圖解說明。

圖6展示用於一經調極電機之一轉子之另一實例。圖6之轉子類似於圖5之轉子，此乃因其包括一板層壓式管狀內部支撐部件603及圍繞內部支撐部件603之圓周以交替極性安置之複數個經徑向磁化之永久磁體622，全部如結合圖5所闡述。

圖6之轉子進一步包括複數個軸向磁通引導部件601，其各自安置於永久磁體622中之一各別永久磁體之徑向向外表面上。每一軸向磁通引導部件形成為(例如)使用一適合之粉末冶金製程由一軟磁粉末製成之一軟磁性材料之一區塊。由於軟磁組件不包含將有效地把磁通路徑限制於二個維度之壓層平面，因此軟磁軸向磁通引導部件601促進所有三個維度中之一磁通路徑。因此，軟磁軸向磁通引導部件601將圖5之軸向磁通引導部件501及外部磁通引導部件502之磁通引導性質組合於一單個組件中。

然而，圖6之轉子包括形成為由沿軸向方向堆疊及層壓之環形鋼板製成之一管狀結構或套筒之一外部磁通引導部件602。外部磁通引導部件602環繞軸向磁通引導部件601且提供一高效徑向磁通路徑以及轉子之一經增加機械穩定性兩者，此乃因其使在轉子之高速旋轉期間作用於永久磁體及軸向磁通引導部件上之離心力平衡。

此外，使用一軟磁組件作為軸向磁通引導部件601允許減少軸向磁通引導部件之徑向厚度，與圖4及圖5之實例中之齒本體與齒尖端之徑向厚度之總和相比。此允許切向較寬之磁體，此乃因永久磁體可以一較大周界置於一較大直徑上而放且氣隙直徑保持恆定。此可允許使用具有一經增大厚度及剖面面積之較便宜磁體(例如，肥粒鐵)來遞送同樣的磁場強度。

管狀外部磁通引導部件602具備周向定位於鄰近軸向磁通引導部件601之間(亦即，與間隙611周向對準)的軸向延伸之凹槽612。凹槽612導致管狀結構之一經減少厚度，因此導致沿周向方向之一經增加磁阻，因此減少磁通洩漏。

一電機(諸如一經調極電機)之轉矩與橫越定子組件與轉子組件之間的氣隙之磁通有關。磁通路徑始終展示一連續閉路。

在一經調極電機中，磁通由永久磁體及定子之線圈中之電流感應。端視轉子與定子之相對旋轉位置，可區分兩種類型之轉矩：同步轉矩及磁阻轉矩。

圖7及圖8圖解說明本文中所揭示之分別提供同步轉矩與磁阻轉矩之轉子之實施例之磁通路徑。圖7及圖8圖解說明如圖4中所示之一轉子之磁通路徑。應瞭解，本文中所闡述之轉子之其他實施例提供類似磁通路徑。

圖7展示與如圖2中所示之一定子組合之圖4之轉子。特定而言，在圖7中，轉子經周向定位以使得每一其他外部磁通引導部件402a、402b與定子齒中之一對應齒周向對準。剩餘外部磁通引導部件與定子齒之間的各別間隙對準。因此，在圖7中所示之位置中，每一永久磁體具有經由軸向磁通引導部件中之一者連接至其且經由作用氣隙409與定子之一單個定子齒102連接之一磁通路徑。此位置中之磁通路徑稱為同步轉矩磁通路徑。同步轉矩磁通路徑之一實例在圖7中圖解說明為線707。

一般而言，同步轉矩磁通路徑707穿過轉子永久磁體422。此磁通在其中定子齒與轉子極彼此周向對準之所謂的d軸位置處達到峰值。此位置圖解說明於圖7中。因此，同步轉矩之源係永久磁體磁通與線圈磁通兩者。

圖8展示與圖2中所示之一定子組合之圖4之轉子。特定而言，在圖8中，轉子經周向定位以使得每一定子齒102與兩個鄰近外部磁通引導部件402a、402b之間的一間隙周向對準以使得每一定子齒與兩個鄰近外部磁通引導部件402a、402b之各別部分具有一共同氣隙。此位置中之磁通路徑稱為磁阻轉矩磁通路徑。磁阻轉矩磁通路徑之一實例在圖8中圖解說明為線807。

通常，磁阻轉矩磁通路徑807僅穿過轉子之軟磁鋼結構。此磁通在其中所有定子齒正同時面向轉子極之所謂的q軸位置處(亦即，當兩個轉子極之間的一槽居中於一定子齒之中間時)達到峰值，如圖8中所圖解說明。此形成可導致額外電機轉矩之具有低磁阻之一短磁通路徑。磁阻轉矩之源係定子線圈20之線圈磁通。

圖9展示用於一經調極電機之一轉子之另一實例。圖9之轉子類似於圖5之轉子，此乃因其包括一板層壓式管狀內部支撐部件903、圍繞內部支撐部件903之圓周以交替極性安置之複數個經徑向磁化之永久磁體922、自每一永久磁體922徑向向外配置之板層壓式軸向磁通引導部件901，全部如結合圖5所闡述。

圖9之轉子進一步包括類似於圖5之外部磁通引導部件502之板層壓式外部磁通引導部件902。然而，雖然圖5之外部磁通引導部件502藉由各別氣隙511而彼此周向分離，但外部磁通引導部件902藉由軸向延伸之橋部分912而彼此連接以便形成環繞軸向磁通引導部件901之一連續周向結構。此外，該連續周向結構藉由沿鄰近軸向磁通引導部件之間的氣隙延伸之徑向延伸之輻條923而連接至內部支撐部件903。因此，內部支撐部件903、外部磁通引導部件902及輻條923可藉由由沿軸向方向堆疊之大體環形鋼板形成之一單個板層壓式結構形成，該等大體環形鋼板各自具有提供用於一轉軸之一中心開口之一中心切口及用於接納永久磁體及軸向磁通引導部件之經周向分佈之切口。因此，提供一尤其易於製造之轉子結構，該轉子結構甚至在其中輻條防止外部磁通引導部件之連續周向結構變形之高旋轉速度下亦提供高效磁通路徑及高機械強度。

在橋部分912處，周向結構具備一經減少厚度以便減少磁通洩漏。

儘管展示圖9之實施例具有類似於圖5之實例之軸向連續外部磁通引導部件，但應瞭解，圖9之實施例可經修改以便類似於圖4之實施例為每一永久磁體提供一對經軸向分離之外部磁通引導部件。為此，形成內部支撐部件、外部磁通引導部件及輻條之鋼層壓式結構可由不同形狀之鋼板形成，其中中心板僅提供一內部環形部件且軸向週邊板具有圖9中所示之形式。

圖10展示用於一經調極電機之一轉子之另一實例。圖10之轉子類似於圖6之轉子，此乃因其包括一板層壓式管狀內部支撐部件1003、圍繞內部支撐部件1003之圓周以交替極性安置之複數個經徑向磁化之永久磁體1022、自每一永久磁體1022徑向向外配置之軟磁軸向磁通引導部件1001及形成為由沿軸向方向堆疊及層壓之環形鋼板製成之一管狀結構之一外部磁通引導部件1002，全部如結合圖6所闡述。

此外，管狀結構1002藉由沿鄰近之軸向磁通引導部件1001之間的間隙延伸之徑向延伸之輻條1023而連接至內部支撐部件1003。因此，內部支撐部件1003、外部磁通引導部件1002及輻條1023可藉由由沿軸向方向堆疊之大體環形鋼板形成之一單個板層壓式結構形成，該等大體環形鋼板各自具有提供用於一轉軸之一中心開口之一中心切口及用於接納永久磁體及軸向磁通引導部件之經周向分佈之切口。

因此，圖4至圖10之轉子全部包括沿該等轉子之徑向方向(如由圖4至圖6、圖9至圖10中之虛線箭頭所圖解說明)磁化且提供沿該徑向方向延伸穿過永久磁體(亦即，穿過徑向向內表面及與徑向向內表面相對之徑向向外表面)之一磁通之永久磁體。該等永久磁體配置有交替極性以使得每一永久磁體之鄰近永久磁體(沿一周向方向所見)具有與其鄰近之該永久磁體不同之其一磁場定向。

圖11展示用於一經調極電機之一轉子之另一實例。圖11之轉子包括環繞轉子之一縱向軸之一管狀中心支撐部件1103。該管狀支撐部件界定用於接納欲由該轉子驅動之一轉軸或軸之一中心開口。通常，管狀支撐結構1103可由例如非磁性材料(例如，鋁、鎂合金、一基於聚合物之材料、一複合材料、一纖維材料(諸如玻璃纖維、碳纖維或諸如此類)或以上材料之組合)之任一適合材料製成，此乃因支撐結構1103並非該轉子之磁路之部分。該轉子進一步包括圍繞管狀支撐部件1103之外部周向表面分佈之偶數數目個永久磁體1122。每一永久磁體沿該管狀支撐結構之軸向長度軸向延伸。在圖11之實例中，永久磁體形成為具有相對矩形表面積側壁之相對薄板。一徑向向內側壁鄰接且可連接(例如，黏結或以其他方式機械固定)至管狀支撐部件之外部表面。永久磁體沿轉子之周向方向磁化且提供沿如虛線箭頭所圖解說明之周向/切向方向延伸穿過永久磁體(亦即，穿過矩形表面)之一磁通。該等永久磁體配置有交替極性以使得每一永久磁體之鄰近永久磁體(沿一周向方向所見)具有與其鄰近之該永久磁體不同之其一磁場定向。在圖11之實例中，內部支撐部件包括永久磁體安置於其上之軸向延伸之隆脊1133，例如，內部支撐部件之徑向突出擠壓物。該等隆脊支撐轉矩負載。該等磁體可黏結至此結構，但由於較大層壓式環沿徑向方向支撐該等磁體及軸向磁通部件，因此該等磁體之一額外固定可非必需的。每一永久磁體沿周向方向夾於兩個軸向磁通引導部件1101a、1101b之間。每一軸向磁通引導部件形成為一層壓式鋼板區塊。該等鋼板係經堆疊以便形成具有實質上與永久磁體相同之軸向及徑向尺寸之一區塊且沿軸向及切向方向(在永久磁體之位置處係切向)界定平面之矩形板。因此，軸向磁通引導部件1101a、1101b給沿周向方向出/入永久磁體之磁通提供一軸向及切向磁通路徑。

轉子進一步包括形成為一管狀結構之一外部磁通引導部件1102，該管狀結構包含自該管狀支撐結構徑向向內延伸且分離鄰近之永久磁體與軸向磁通引導部件組之輻條部件1123。外部磁通引導部件及輻條部件由沿軸向方向堆疊及層壓之環形鋼板製成。外部磁通引導部件1102環繞軸向磁通引導部件1101a、1101b及永久磁體且提供一高效徑向及周向磁通路徑以及轉子之一經增加機械穩定性兩者，此乃因其使在轉子之高速旋轉期間作用於永久磁體及軸向磁通引導部件上之離心力平衡。隆脊1133具有一楔形剖面，其具有一窄基底及一較寬徑向向外部分。輻條1123具有一對應較寬徑向向內端，因此允許該等輻條嚙合該等隆脊且由該等隆脊箝製。另一選擇係或另外，該等輻條可以另一方式耦合至內部支撐部件1103。

在本文中所闡述之各種實施例中，軸向磁通引導部件可在轉子鐵心之軸向端處(例如)藉由端板予以箝製抵抗離心力，如圖12a至圖12d中所圖解說明。

圖12a至圖12d展示一轉子之不同實施例在一徑向-軸向平面中之剖面圖。

圖12a展示圖5之轉子在一徑向-軸向平面中之一剖面圖，該轉子包括一板層壓式管狀內部支撐部件1203、圍繞內部支撐部件1203之圓周以交替極性安置之複數個經徑向磁化之永久磁體1222、自每一永久磁體徑向向外配置之板層壓式軸向磁通引導部件1201及板層壓式外部磁通引導部件1202，全部如結合圖5所闡述。圖12a進一步圖解說明轉子可安裝至其上之一中心轉軸1244。

圖12b展示類似於圖12a之轉子之一轉子在一徑向-軸向平面中之一剖面圖，但其中軸向磁通引導部件1201軸向延伸超過永久磁體1222及外部磁通引導部件1202。該轉子包括永久磁體1222及外部磁通引導部件1202沿軸向方向夾於其間之端板1245。軸向磁通引導部件1201軸向凸出穿過端板1245中之對應孔。該等端板可由一非磁性材料(例如，鋁、鎂合金、一基於聚合物之材料、一複合材料、一纖維材料(諸如玻璃纖維、碳纖維或諸如此類)或以上材料之組合)製成。該等端板在高速及負載下機械地支撐轉子結構。

圖12c展示類似於圖12b之轉子之一轉子在一徑向-軸向平面中之一剖面圖，但其中軸向磁通引導部件1201具有：一窄部分1201a，其具有與外部磁通引導部件相同之軸向長度；及一延伸部分1201b，其軸向凸出穿過端板1245中之對應孔。在圖12c之實例中，該窄部分係徑向向外且該延伸部分係徑向向內。在圖12c之實例中，端板1245具有徑向覆蓋外部磁通引導部件及軸向磁通引導部件之窄部分之環形板之形式。該等端板及該等部分軸向延伸之軸向磁通引導部件在高速及負載下機械地支撐轉子結構。

圖12d展示類似於圖12c之轉子之一轉子在一徑向-軸向平面中之一剖面圖，但其中外部磁通引導部件1202由一軸向延伸銷1246進一步支撐。銷1246延伸穿過外部磁通引導部件之層壓式板中之對應孔以及端板1245中之對應孔。因此，該銷由該等非磁性端板支撐。

應瞭解，儘管已參考圖5之轉子圖解說明瞭對磁通引導部件之一軸向箝製，但本文中所闡述之一轉子之其他實施例之磁通引導部件可以相同方式予以箝製。

舉例而言，當將非磁性端板添加至圖9之轉子時，橋923上之負載減少，此乃因橋923然後僅需要支撐壓層924。

圖13a及圖13b展示用於一經調極電機之一轉子之另一實例。圖13a至圖13b之轉子類似於圖11之轉子且因此將不再次詳細闡述。圖13a至圖13b之轉子不同於圖11之轉子，此乃因圖13a至圖13b之轉子包括配置於接近轉子之各別軸向端處因此在其間留下一周向間隙1331之兩個外部磁通引導部件1102a及1102b。該兩個磁通引導部件中之每一者形成為一管狀結構，該管狀結構包含自該管狀結構徑向向內延伸且分離鄰近之永久磁體與軸向磁通引導部件組之輻條部件1123。外部磁通引導部件及輻條部件由沿軸向方向堆疊及層壓之環形鋼板製成。外部磁通引導部件1102a至1102b中之每一者環繞軸向磁通引導部件1101a、1101b及永久磁體1122且提供一高效徑向及周向磁通路徑以及轉子之一經增加機械穩定性兩者，此乃因其使在轉子之高速旋轉期間作用於永久磁體及軸向磁通引導部件上之離心力平衡。每一外部磁通引導部件之軸向寬度可經選擇以便匹配與定子一起形成之作用氣隙之軸向寬度。

圖14a及圖14b展示用於一經調極電機之一轉子之另一實例。圖14a至圖14b之轉子類似於圖13a至圖13b之轉子且因此將不再次詳細闡述。特定而言，圖14a至圖14b之轉子亦包括配置於接近轉子之各別軸向端處因此在其間留下一周向間隙之兩個外部磁通引導部件1102a及1102b。在圖14a至圖14b之實例中，一周向套筒1431配置於外部磁通引導部件之間的間隙中。套筒1431箝製該等永久磁體及/或軸向磁通引導部件抵抗離心力。套筒1431可由一非磁性材料(諸如鋁、鎂合金、一基於聚合物之材料、一複合材料、一纖維材料(諸如玻璃纖維、碳纖維或諸如此類)或以上材料之組合)製成。因此，該套筒增加轉子之機械穩定性而不消極影響磁通。

儘管已詳細闡述及展示某些實施例，但本發明並不限定於該等實施例，且亦可在以下申請專利範圍中所定義之標的物範疇內以其他方式體現。特定而言，應理解，可利用其他實施例並可在不背離本發明之範疇之情況下作出結構及功能修改。

本文中所揭示之本發明實施例可用於一電動腳踏車或其他電驅動車輛(特定而言，一輕型車輛)之一直接輪驅馬達。此等應用可加強對高轉矩、相對低速及低成本之需求。此等需求可藉由在一緊湊幾何結構中具有一相對高之極數目之一馬達使用一小體積之永久磁體及線圈來符合及滿足由經增強之轉子組裝常式產生之成本需求而實現。

在列舉數個構件之裝置請求項中，此等構件中之數個構件可由一個構件及同一硬體項來體現。在互不相同之附屬請求項中陳述且在不同實施例中闡述某些措施之事實本身並不指示不能有利地使用此等措施之一組合。

應強調，術語「包括(comprise/comprising)」當用於此說明書中時係指定存在所陳述之特徵、整數、步驟或組件，但並不排除存在或添加一或多個其他特徵、整數、步驟、組件或其群組。

10．．．經調極電機定子

14．．．定子鐵心區段(齒)

16．．．定子鐵心區段(齒)

20．．．線圈

22．．．永久磁體

24．．．轉子極區段

30．．．轉子

100．．．經調極電機

102．．．齒

103．．．幾何軸

302．．．爪極區段

401．．．軸向磁通引導部件

402a．．．外部磁通引導部件

402b．．．外部磁通引導部件

403．．．管狀中心支撐部件

404．．．縱向軸

405．．．中心開口

406．．．中心間隙

409．．．作用氣隙

422．．．永久磁體

501．．．板層壓式軸向磁通引導部件

502．．．板層壓式外部磁通引導部件

503．．．板層壓式管狀內部支撐部件

511．．．氣隙

522．．．永久磁體

601．．．軸向磁通引導部件

602．．．外部磁通引導部件

603．．．內部支撐部件

611．．．間隙

612．．．凹槽

622．．．永久磁體

901．．．板層壓式軸向磁通引導部件

902．．．板層壓式外部磁通引導部件

903．．．內部支撐部件

912．．．橋部分

922．．．永久磁體

923．．．輻條

924．．．支撐壓層

1001．．．軟磁軸向磁通引導部件

1002．．．外部磁通引導部件

1003．．．板層壓式管狀內部支撐部件

1022．．．永久磁體

1023．．．輻條

1101a．．．軸向磁通引導部件

1101b．．．軸向磁通引導部件

1102．．．外部磁通引導部件

1102a．．．外部磁通引導部件

1102b．．．外部磁通引導部件

1103．．．內部支撐部件

1122．．．永久磁體

1123．．．輻條部件

1133．．．隆脊

1201．．．板層壓式軸向磁通引導部件

1201a．．．窄部分

1201b．．．延伸部分

1202．．．板層壓式外部磁通引導部件

1203．．．板層壓式管狀內部支撐部件

1222．．．永久磁體

1244．．．中心轉軸

1245．．．端板

1246．．．銷

1331．．．周向間隙

1431．．．周向套筒

圖1a展示一先前技術之經調極電機之一分解透視圖。

圖1b展示一先前技術之經調極電機之一剖面圖。

圖2展示用於一經調極電機之一定子之一實例之一示意圖。

圖3展示用於一經調極電機之一定子之另一實例之一示意圖。

圖4至圖6展示用於一經調極電機之一轉子之實例。

圖7至圖8展示相對於彼此在不同位置中之用於一經調極電機之一轉子與一定子之一實例。

圖9至圖11展示用於一經調極電機之一轉子之其他實例。

圖12a至圖12d展示一轉子之不同實施例在一徑向-軸向平面中之剖面圖。

圖13a至圖13b及圖14a至圖14b展示用於一經調極電機之一轉子之其他實例。

14．．．定子鐵心區段(齒)

16．．．定子鐵心區段(齒)

20．．．線圈

102．．．齒

401．．．軸向磁通引導部件

402a．．．外部磁通引導部件

402b．．．外部磁通引導部件

403．．．管狀中心支撐部件

404．．．縱向軸

405．．．中心開口

406．．．中心間隙

409．．．作用氣隙

422．．．永久磁體

Claims (20)

1. 一種用於一內部轉子經調極電機之轉子，該轉子經組態以產生一轉子磁場以用於與該經調極電機之一定子之一定子磁場相互作用，其中該轉子經調適以圍繞該轉子之一縱向軸旋轉；其中該轉子包括：複數個永久磁體，其圍繞該縱向軸周向配置，每一永久磁體沿一磁化方向磁化以便產生一磁通，複數個軸向磁通引導部件，其各自經調適以為由該複數個永久磁體中之一各別永久磁體產生之該磁通提供一至少二維磁通路徑，該二維磁通路徑包括一軸向分量，一支撐結構，其包括自該複數個永久磁體徑向向內配置之一內部管狀支撐部件；及至少一個外部磁通引導部件，其經調適以為由該複數個永久磁體中之一或多者產生之該磁通提供沿至少一徑向方向之一路徑，其中該軸向磁通引導部件係為不同於該外部磁通引導部件之單獨組件。
2. 如請求項1之轉子，其中該外部磁通引導部件包括環繞該等永久磁體及該等軸向磁通引導部件之一外部管狀支撐結構。
3. 如請求項2之轉子，其進一步包括在該外部管狀支撐結構與該內部管狀支撐部件之間徑向延伸之複數個輻條部件。
4. 如請求項3之轉子，其中該等輻條部件形成為該外部磁通引導部件與該支撐結構中之至少一者之整合部分。
5. 如請求項3或4之轉子，其中該等永久磁體藉由各別輻條部件而彼此周向分離。
6. 如請求項3或4之轉子，其中該等輻條部件進一步經調適以提供至少沿一徑向方向之一磁通路徑。
7. 如請求項3或4之轉子，其中該等輻條部件由層壓式金屬板製成。
8. 如請求項7之轉子，其中形成該等輻條部件之該等層壓式金屬板配置於各別徑向-周向平面中。
9. 如請求項1至4中任一項之轉子，其中該外部磁通引導部件由層壓式金屬板製成。
10. 如請求項9之轉子，其中形成該外部磁通引導部件之該等層壓式金屬板配置於各別徑向-周向平面中。
11. 如請求項1至4中任一項之轉子，其中該支撐結構由層壓式金屬板製成。
12. 如請求項11之轉子，其中形成該支撐結構之該等層壓式金屬板配置於各別徑向-切向平面中。
13. 如請求項1至4中任一項之轉子，其中該管狀支撐結構由一非磁性材料製成。
14. 如請求項1至4中任一項之轉子，其中該複數個軸向磁通引導部件中之每一者由層壓式金屬板製成。
15. 如請求項14之轉子，其中形成該複數個軸向磁通引導部件中之每一者之該等層壓式金屬板配置於具有至少一軸向範圍及一周向範圍之各別平面中。
16. 如請求項14之轉子，其中形成該複數個軸向磁通引導部 件中之每一者之該等層壓式金屬板配置於具有至少一軸向範圍及一徑向範圍之各別平面中。
17. 如請求項1至4中任一項之轉子，其中該複數個軸向磁通引導部件中之每一者由提供一個三維磁通路徑之一軟磁性材料製成。
18. 如請求項1至4中任一項之轉子，其中該等永久磁體之該磁化方向具有至少一徑向分量。
19. 如請求項1至4中任一項之轉子，其中該等永久磁體之該磁化方向具有至少一周向分量。
20. 一種電機，其包括如請求項1至19中任一項之一定子及一轉子。