专利名称：磁性极靴的支座的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及磁性极靴支撑结构的新设计，所述磁性极靴支撑结构用在磁齿 轮和诸如所谓的伪直接驱动机器之类的具有集成的磁齿轮装置的机器上。
背景技术：
与机械齿轮相比，磁齿轮具有显著的优点，比如，没有接触表面、不需要润滑、以及 因此减少了维护并且提高了可靠性、固有的过载保护(由于齿轮在过大转矩(torque)下 无害地进行磁极滑动(pole slide)、以及输入轴和输出轴在物理位置上隔开。在铁损(例 如，由极靴(pole piece)中的涡电流所引起的)能够最小化的情况下，磁齿轮同样是高效 率的。W02007/125284中揭示了一种融合了高转矩传送能力和高效率的磁齿轮拓扑，其内容 整体合并在此处。参考W02007/125^4的图1所示，可转动磁齿轮100具有第一或者内部转子102、 第二或者外部转子104和多个极靴106。第一转子102包括支撑着第一数目的永磁体110 的支座108。在图1所示的磁齿轮中，第一转子102包括被设置来产生在空间上变化的磁 场的8个永磁体或者4个磁极对。第二转子104包括支撑着第二数目的永磁体114的支座 112。图示的第二转子104包括被设置来产生在空间上变化的磁场的46个永磁体或者23 个磁极对。所述永磁体的第一数目和第二数目不同。相应地，在没有磁极靴的情况下，在永 磁体112和114之间几乎没有或者没有有用的磁力耦合或者磁力相互作用，且会没有净转 矩，使得一个转子的转动不会引起另一个转子的连续转动。极靴106用于允许永磁体110和114的磁场耦合在一起传送转矩。极靴106调制 永磁体Iio和114的磁场，使得它们相互作用到一定程度，使一个转子的转动以啮合的方式 感应另一个转子的转动，即，速度会增加或减小，且转矩会减小或者增大。在齿轮内，所述三个元件中有两个是转动的，一个保持静止。所述内部的高速转子 通常是转动的，连接到高速的输入/输出轴上，极靴或者外部磁体两者中的一个可以作为 另一个转子(连接到低速轴上)，另一个保持静止。这两种装置提供了不同的齿轮速比(与 行星齿轮的操作类似)。但是，在所述齿轮已经集成在电机中的伪直接驱动机器中，所述极 靴通常是低速转动的元件，一组磁体在定子上保持静止。在给定第一永磁体110和第二永磁体114的情况下，本领域技术人员明白如何选 择和设计极靴106来实现必要的磁电路或者磁耦合，使得第一转子102和第二转子104之 间产生啮合，例如，可从下述文献理解，K. Atallah，D.Howe，“ A novel high-performance magnetic gear" , IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 37, No. 4, pp. 2844-2846, 2001 禾口 K. Atallah, S. D. Calverley, D.Howe, " Design, analysis and realisation of a high performance magnetic gear" , IEE Proceedings-Electric Power Applications, Vol. 151，pp. 1；35-143，2004，这些内容通过引用整体并入此处。在可替换的实施例中，提供了一种结合有磁齿轮的电机/发电机。另外，包含在该 装置内的极靴可以被固定为定子或者作为转子可以转动。图2显示了这样一种装置的例子，它显示的是这样一种电机200的操作原理。电机200包括具有支撑着第一多个永磁体206的支座204的第一转子或者内部转 子202。在所示的实施例中，使用有10个磁极的永磁体。但是，实施例并不局限于使用这么 多的永磁体。也可以实现使用别的数目的永磁体的其它实施例。电机200包括一个多铁磁 极靴形式的第二转子208。极靴208被设置为，将第一 /内部转子202的永磁体206磁耦合 到固定在各个轮齿214的极靴区域中的绕组定子212的外围的多个永磁体210上，从而形 成定子216。在所示的实施例中，绕组定子212的外围固定有60个永磁体。所述实施例包 括15个轮齿214，各具有绕组定子212的相应的外围。应当理解的是，实施例不局限于这么 多的永磁体和轮齿。可以实现包括其它数目的永磁体和轮齿的实施例。极靴208形成一个可转动的极靴阵列208。也就是说，它们形成为一个转子。内 部转子202是可转动的。轮齿214和相关联的永磁体210是固定的。永磁体206和永磁体 210之间的耦合是使用可转动的极靴208实现的。与定子216相关联的是多个3相绕组1， 1' ,2,2'和3，3'。这些3相绕组及相关的电流被设置以产生磁场，与和内部转子202相 关联的永磁体206的第一或者基础谐波进行耦合，或者与其形成磁力电路。极靴208通常 连接到一个端部片，以将转矩传送到一个中心轴。虽然在当前的例子中，与定子216相关联 是多个3相绕组，但是，大体上可以使用任何多相绕组，诸如5相绕组。在操作的过程中，所述极靴受到大的机械负荷1)所述齿轮或者机器的输出/输入机械转矩(或者反作用转矩)沿圆周 (circumferentially)作用在所述极靴上(也就是说，与运动方向相切)；2)因为磁转子和极靴的转速不同而产生实际上循环的永磁体磁场，并由该磁场产 生的径向磁引力；3)当每个极靴试图将其自身与该复合磁场对齐时，它会受制于围绕着它自己的轴 线的扭力或者转矩。虽然环形结构具有高强度，但是在这里情况并非如此，因为若需要磁性和非磁性 区域进行交替则需要组合不同的材料。由于改变磁场而感应生成的涡电流导致损耗且降低 效率，为了防止/减少这种涡电流，磁性的以及典型的铁磁段通常是层叠的结构(典型的情 况是0. 2到0. 65mm厚的硅铁叠片堆)，这使得该问题恶化。叠片堆优选的是不应当焊接在 一起，因为这样会产生电短路，使感应的电流流动。可替换的是，所述极靴可以由软磁性复 合材料(SMC)制成，其是一个磁属性良好但是电阻率低的热压部件，但是机械性比脱氧钢 (solidsteel)差。因此，这些元件(层叠的或者SMC)整体强度不高。所述极靴中间的非磁性区域优选的是非导电的，排除了非磁性钢和其它金属结 构，同样也是要防止涡电流和与之相关的损耗。因此，所述中间区域优选的是非导电的、非 磁性材料，诸如塑料、碳纤维或者浇铸环氧树脂。前面的齿轮和用磁力啮合的机器的例子使用了模制在或者浇铸在环氧树脂基底 中的极靴。但是，用放射状地在极靴上方和下方的材料完全封闭极靴的话(放射状地包含 着所述的极靴抵抗高磁力)，根据它们的应用方式会有些缺点。例如，磁气隙的扩大会降低 所述齿轮/机器的性能；为消除由于滞后损耗和涡电流所引起的热量而所需要的冷却大幅 减少。理想的情况是，应当暴露出极靴的表面以确保它们在冷却空气流的附近。申请人:之前的一篇专利申请GB0800463. 2中揭示了一种制造具有这种自然属性的极靴转子的方法，该专利申请的内容通过引用全部包含在此。还可能的是，将所述极靴附在一个封头(end-cap)上，以将转矩带到输出/输入轴 或者壳体，然而，随着机器(轴向)长度的增加，这样一种装置更有问题。如果所述极靴连 接到所述轴的一端，它们呈现为简单的悬臂，当施加扭矩时，它们会在圆周方向弯曲，在极 靴区的末端偏斜(deflection)最大。所述极靴可以连接在所述轴的两端，则在机器的中心 处偏斜最大。随着机器的轴向长度增加，端部片处的潜在的锚点(anchor point)之间的距 离增加，导致了较大偏斜的可能。可以进行压缩对叠片堆预加负载来放置极靴，(以减少由圆周形式作用的转矩和 轴向的磁吸力所产生的偏斜)。但是，随着这些负荷的增加，挤压力将变得过大，就会破坏叠 片堆之间的绝缘(导致电击穿和区域性(localised)热点，最终会出现严重的故障)。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种极靴支座，其包括带有间隔开的非磁性支撑 结构阵列的框架，其中，在至少一对相邻的非磁性支撑结构之间设置磁极靴，所述相邻的非 磁性支撑结构沿着其主体的至少一部分支撑着所述磁极靴。优选的实施例在从属权利要求中进行描述。极靴支座适于在磁驱动系统、磁齿轮和电机中使用。优选的是，磁驱动系统包括 三个构件，第一和第二构件形成输入构件和输出构件，这两个构件分别被设置为相对于第 三构件进行转动，其中，所述两个构件具有各自的永磁体组，这两组磁体组具有不同数目的磁 极，另外一个构件包括一个如任何一项独立权利要求和从属权利要求中所描述的极靴支座。
本发明的实施例仅作为示例参考附图来描述，其中图1是根据现有技术的转动磁齿轮的示意图；图2是根据现有技术的结合了电机和磁齿轮的示意图；图3是根据本发明第一实施例的具有一定形状的极靴和具有一定形状的支撑结 构的示意图；图如是根据本发明第一实施例的极靴侧面的示意图；图4b是根据本发明第一实施例与图如的极靴侧面相对应的支撑结构侧面的示意 图；图如至图5c是显示根据本发明第一实施例的具有和不带有相邻支撑结构的极靴 叠片堆的示意图；图6a是根据本发明第一实施例的不带有极靴的极靴支撑结构的示意图；图6b是根据本发明第一实施例的具有极靴的极靴支撑结构的示意图；图7是根据本发明第二实施例的不带有极靴的极靴转子构造的示意图；图8是包含极靴和适当的封头的极靴转子结构的示意具体实施例方式参考图3所示，是根据本发明第一实施例的具有一定形状的极靴和具有一定形状的支撑结构的示意图，包括键接在第一支撑结构302中的具有一定形状的第一极靴300。具 有一定形状的第一极靴300包括一个嵌入部，用于接收第一支撑结构302的延伸部分。磁 模型(modelling)可以识别出，在不显著影响系统的磁性能的情况下，第一极靴300可以形 成多少凹部或者延伸部分，来配合键入在第一支撑结构302中。第一极靴300和支撑结构 302具有相反的凸/凹部分。进一步的例子包括键入在第二支撑结构306中的具有一定形状的第二极靴304。 第二极靴304包括嵌入在第二支撑结构306的凹部中的凸部。第三极靴308包括一个嵌入 部，接收作为加强条形状的第三支撑结构310。第四极靴312沿着其边缘具有一系列的延伸 部分和凹陷部分，对应地与沿着第四支撑结构314的边缘的一系列相反的延伸部分和凹陷 部分进行匹配。与图3相关的支撑结构是非磁性的，由诸如碳纤维或者玻璃纤维之类的复合结构 制成。可替换的是，所述支撑结构可以从现有技术中已知的工程塑料中选择。这样的工程 塑料可以为PEEK(聚醚醚酮)。在特别具体的描述中，所述支撑结构是碳纤维拉挤成型制品 (pultrusion)。通过用模具牵拉碳纤维和适当的树脂制成所述碳纤维挤拉成型制品，以提 供一个网形构件。所述碳纤维和/或细丝(filament)层平行于所述提供显著强度的支持 结构的长度。可替换的是，可以使用交织层叠的碳纤维结构。如图如最佳所示，极靴400包括一个长条状的主体402，沿着其长度方向具有一 个嵌入部404。碳纤维挤拉成型制品支撑结构406包括一个延伸部分408，用于嵌入在极靴 400的嵌入部404中。在支撑结构406中有一个通孔410，用于放入加强条(图4未示)。参考图fe至图5c描述与图3中所描述的装置类似的装置。图fe图示的是本发 明第一实施例，其中极靴500具有层叠片502。层叠片502在其外边缘上具有开口 504。这 样的优点是对磁通路径的影响可忽略。如图恥所示，沿着开口 504具有支撑条506之类， 以加强层叠片502。图5c是图fe的极靴的透视图。在本发明第一实施例中，所述极靴(如上所述可以为一个叠片堆)可以用适当的 粘接剂粘在所述支撑结构上。由于所述层叠堆的表面通常不是光滑的，粘接剂可以作为缝 隙填充物。所述粘接剂可以是牺牲粘接剂，因此不会对支撑结构的整体强度有明显的作用。 可替换的是，粘接剂可以对极靴支撑结构的承重强度起到作用，因此是非牺牲的。在这样的 实施例中，要是粘接剂失效的话，磁极靴由支撑结构夹持住，不会掉出来。在这样的装置中， 在非磁性支撑结构的接触区域和磁极靴的外表面涂覆粘接剂。优选的是，粘接剂所呈现的 厚度为0. 05mm至0. 5mm,更优选的是0. Imm至0. 3mm,极优选的是在大约0. 2mm。根据本发明第一实施例，所述支撑结构和极靴可以由端部圆环承载着，以将转矩 传送到一个输入/输出轴。所述支撑结构可以被配合键入在所述端部圆环中，以辅助定位 和传送转矩。大体而言，所述端部圆环是金属的，诸如铁的，但是可以应用诸如碳纤维或者 玻璃纤维复合材料之类的可替换材料。但是，在许多应用中，由端部圆环所承载着所述支撑结构和极靴的装置可能是不 够的，通过使用穿过第一组支撑结构的拉伸元件可以提供附加的定位、刚度和转矩能力，如 图6a所示，且可以被锚固在所述端部圆环上。这个张力元件典型的是一个碳纤维杆(它具 有优良的拉伸强度)且可以使用拉挤工艺来制造。因此，参考图6a所示，拉伸条600插入在支撑结构602中。用于端接(terminate)支撑条600的技术，即允许应用诸如螺栓或者铆眼之类的标准机械固定装置是众所周知 的。可替换的是，可以通过拼接(splicing)技术来端接支撑条600(其中，所述端部展开在 或者模制在一个凸部特征上或者类似于用绳子进行铆眼端接(eyelet terminations)的方 式来环接(looped))。支撑条600可以高张力进行放置而不必挤压叠片堆，由于挤压是由支撑条600承 受的。因为有主驱动转矩和磁力放射状的吸引力，由于两种主要力量作用下，预先拉伸 支撑条600极大地减少了弯曲。可替换的是，支撑条600可以由诸如高张力钢之类的金属材料制成。主要部分(或 者所有的这些杆)在它们的至少一个端部必须与任何钢结构(例如，钢的端部圆环)隔开， 防止感应生成流通电流。可以通过在所述杆和端部片之间使用绝缘的挡圈(collar)/套 (sleeve)等来实现这一点。但是通过精心设计，多个这些杆的两端可以直接连接到一个导 电端部圆环，而不会引起流通电流(因为它们包含有偶数个南极和北极，链接它们的净磁 通量为零)。可替换的是，如果应用高强度的、非导电的端部环，例如，碳纤维圆环，所述电路 将不会闭合。参考图6b所示，极靴阵列604牢牢地安装在支撑结构606内。1)作用在极靴604上的主驱动转矩也作用在每个极靴604之间的支撑结构上 606，且防止所述结构在圆周方向上弯曲。通过使用穿过支撑结构606的拉伸的支撑条600 使这些偏斜最小化。2)当是叠片堆时，支撑结构606防止极靴604在径向上的运动(由于它具有配合 键入的特征)，并且由于有张力支撑条600，避免了偏斜。3)支撑结构606防止了极靴604由于沿着极靴604的轴向的磁力作用而扭转。随着转矩要求的增大，可能需要增加机器转子以及极靴的轴向长度。潜在地扩展 了拉伸的支撑条600的刚性锚点(anchor point)与支撑结构606和极靴604之间的距离， 使偏斜增加。为了克服偏斜的增加，可以通过环形结构来提供一个中间的支撑结构700。 所述环形结构不是必须固定在一根杆上(使得所述高速转子同心地位于极靴转子内)。这 些中间环状物可以由钢制成，但是这样会潜在地在它的内部感应出会导致较高损耗的涡电 流。因而可以应用碳纤维复合材料或者玻璃纤维的环状物。这个环状物可以具有一个孔阵 列，用于供拉伸的支撑条600穿过(限制它们的径向和圆周运动)，如图7所示。所述环状 物还可以有一个凸缘或者边沿，以给极靴604和支撑结构606提供定位。在较大的机器中， 有利的是，这些环状物是用较小的片段(segment)制造的。参考图8所示，极靴转子的最终组装件800的局部剖视图，包括连接在一个包含极 靴的极靴支座的一端的第一封头802、极靴支撑结构806和中间支撑结构808，以及在极靴 支座另一端的第二封头810。毋庸置疑，本领域技术人员会得出许多其它有效的可替换实施例。应当理解的是， 本发明并不局限于所描述的实施例，它包括在权利要求的精神和范畴内的对于那些本领域 技术人员显而易见的变型。
权利要求
1.一种极靴支座，包括带有间隔开的非磁性支撑结构阵列的框架，其中，在至少一对相 邻的非磁性支撑结构之间设置磁极靴，所述磁极靴被所述相邻的非磁性支撑结构沿着其主 体的至少一部分支撑着。
2.根据权利要求1所述的极靴支座，其中所述的磁极靴的主体包括保持结构，该保持 结构与所述支撑结构的主体中对应的保持结构相匹配。
3.根据权利要求2所述的极靴支座，其中所述的保持结构是凸形或者凹形部分，且与 所述支撑结构的主体内所形成的对应的凸形或者凹形部分相匹配。
4.根据权利要求1所述的极靴支座，其中所述的支撑结构被容放在所述极靴主体内的 开口式保持结构内。
5.根据权利要求4所述的极靴支座，其中所述的支撑结构是大体为圆柱形的条。
6.根据权利要求1所述的极靴支座，其中所述的极靴被容放在所述支撑结构的主体内 的开口式保持结构内。
7.根据前述任意一项权利要求所述的极靴支座，其中至少一个支撑结构包括从所述支 撑结构的主体中伸出来的硬条。
8.根据权利要求7所述的极靴支座，其中所述的硬条保持在张力作用下。
9.根据前述任意一项权利要求所述的极靴支座，其中所述的框架是大体为圆柱形的框架。
10.根据权利要求9所述的极靴支座，其中还具有中间支撑结构，所述中间支撑结构形 成至少部分环绕所述框架的环状结构。
11.根据权利要求10所述的极靴支座，其中所述的环状结构包括孔阵列，所述支撑结 构穿过这些孔被保持着。
12.根据权利要求10或11所述的极靴支座，其中所述的中间结构包括表面，该表面具 有用于定位极靴或者支撑结构的凸缘或者边沿。
13.根据前述任意一项权利要求所述的极靴支座，其中所述的支撑结构形成为挤拉成 型制品。
14.根据前述任意一项权利要求所述的极靴支座，其中所述的支撑结构包括碳纤维挤 拉成型制品。
15.根据权利要求13或14所述的极靴支座，其中所述的挤拉成型制品具有配合键入相 邻的磁极靴内的形状，且所述挤拉成型制品进一步包括保持在张力作用下延伸穿过所述挤 拉成型制品的主体的加强条。
16.根据前述任意一项权利要求所述的极靴支座，其中所述的支撑结构的两端连接到 端部支座。
17.根据前述任意一项权利要求所述的极靴支座，其中在所述磁极靴和端部支座之间 具有间隙。
18.根据前述任意一项权利要求所述的极靴支座，其中在接触区域涂覆粘接剂，所述磁 极靴在所述接触区域沿着其主体的至少一部分由所述相邻的非磁性支撑结构支撑着。
19.根据权利要求18所述的极靴支座，其中所述的粘接剂具有0.05mm至0. 5mm的厚 度，优选的是0. Imm至0. 3mm的厚度，更优选的是约0. 2mm的厚度。
20.一种磁驱动系统，包括三个构件，第一和第二构件形成输入构件和输出构件，这两个构件分别被设置为相对于第三构件进行转动，其中，所述构件中的两个具有各自的永磁 体组，这两组磁体组具有不同数目的磁极，另外一个构件包括前述任意一项权利要求所述 的极靴支座。
21.根据权利要求20所述的磁驱动系统，其中所述的极靴支座是可转动的。
22.根据权利要求21所述的磁驱动系统，其中在磁极靴和其它朝向所述磁极靴的构件 中的一个构件之间具有间隙。
23.一种包括集成式磁齿轮装置的电机，所述集成式磁齿轮装置具有如前述任意一项 权利要求所述的极靴支座和两组具有不同磁极数的永磁体；其中相对于所述集成式磁齿轮 装置设置绕组，使得该绕组与关联于所述集成式磁齿轮装置的永磁体组中一组的磁场的基 础谐振磁性地互动。
24.根据权利要求23所述的电机，其中所述的极靴支座可以转动。
全文摘要
一种极靴支座，包括带有间隔开的非磁性支撑结构(606)阵列的框架，其中，在至少一对相邻的非磁性支撑结构(606)之间所设置磁极靴(604)，磁极靴沿着其主体的至少一部分由相邻的非磁性支撑结构(606)支撑着。
文档编号H02K1/06GK102077442SQ200980126084
公开日2011年5月25日 申请日期2009年5月12日 优先权日2008年5月12日
发明者大卫·詹姆斯·鲍威尔, 斯图尔特·大卫·卡尔弗利 申请人:马格诺麦克斯有限公司