专利名称：用于磁极调制式机器的转子的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于诸如电动机之类的磁极调制式机器的转子，且更具体而言涉及用于可方便地大量制造且适于以高速工作的磁极调制式机器的转子。
背景技术：
这些年来，诸如磁极调制式机器(例如爪式磁极电机、伦德尔式电机以及横向磁通电机(TFM))的电机已经变得越来越受到关注。使用这些电机的原理的电机最早约在1910年由Alexandersson和Fessenden公开。感兴趣程度不断增加的最重要原因之一在于，该设计能够实现例如与感应电机、开关磁阻机器以及甚至永磁体无刷机器相关的极高扭矩输出。而且，这种机器的优点在于:线圈通常容易制造。然而，这种设计的缺点之一在于它们制造起来通常相对昂贵且它们经历大泄漏通量，这导致低功率因子和需要更多磁性材料。低功率因子需要尺寸增大的功率电子电路(或当同步使用机器时需要尺寸增大的电源)，这也增加总驱动的体积、重量和成本。磁极调制式机器定子的基本特征在于使用中心单线圈，该中心单线圈将磁性馈入软磁芯结构形成的多个齿。软磁芯然后围绕线圈形成，而对于另一一般电机结构，线圈围绕芯部分的齿形成。磁极调制式机器拓扑的示例有时被识别为爪式磁极、鸟足、伦德尔式或TFM机器。具有内埋式磁体的磁极调制式机器进一步的特征在于，包括多个永磁体的有效(active)转子结构被转子磁极部分分离。W02007/024184公开了由偶数个片段构建的有效转子结构，但是一半数目的片段由软磁材料制成且另一半数目的片段由永磁体材料制成。永磁体布置为使得永磁体的磁化方向基本是圆周的，即北磁极和南磁极分别指向基本圆周的方向。一般地，希望在生产和组装时提供相对便宜的磁极调制式机器的转子。还希望提供这种转子:其具有诸如高结构稳定性、低磁阻、高效通量导引、低重量和惯性等良好的性能参数。内埋式磁体机器可以用于高功率高速电机，例如在电混合动力车辆中使用的机器。这些机器提供优于备选技术的明显的重量、大小、效率和成本优势。益处之一涉及用于驱动机器的转换器的额定值(以及因此成本)的减小，这源于当机器具有由磁阻效应带来的明显扭矩时出现的电流减小。当以半磁极间距分开的轴上出现不同磁阻时，导致磁阻扭矩。具有该特征的机器被描述为具有凸极性。这些机器的一个一般配置是定子和转子之间的气隙位于圆周/轴向平面中。变化的磁场在定子和转子二者中出现，且因而可能希望在定子和转子中均采用磁芯材料，这提供电学绝缘以避免高损耗，该高损耗可能从这些变化场在磁芯中感应的涡流产生。在使用内埋式磁体的一些高速永磁体机器中，限制因素可能是源于旋转的离心力导致的机械应力。所述力施加在张力通常弱的磁体上以及层叠的转子芯上
发明内容
根据第一方面，此处公开了一种用于内转子磁极调制式机器的转子，该转子配置成产生用于与磁极调制式机器的定子的定子磁场相互作用的转子磁场，其中所述转子适于围绕转子的纵轴旋转，该转子限定在旋转期间环绕纵轴的圆柱形外表面；其中该转子包含:一围绕所述纵轴圆周地布置的多个永磁体，每个永磁体在磁化方向上磁化从而产
生磁通量，一多个轴向通量引导部件，每个适于提供用于多个永磁体中相应一个产生的磁通量的至少二维通量路径，该二维通量路径包含轴向部分；一支撑结构，包含从多个永磁体径向向内布置的内部管状支撑部件；以及一至少一个外部通量引导部件，适于为所述多个永磁体中一个或更多个产生的磁通量提供至少径向方向上的路径。因此，此处公开了永磁体转子的实施例，其显示了在使用径向方向上的主气隙通量路径的设计中的机器的轴向上的高效磁通量路径。此外，此处公开的转子的实施例具有高凸极性，即它们显示出适当表达的直接(d)和积分(q)轴之间整体通量路径磁阻的明显差异，因而提供显著的附加的磁阻扭矩。在内埋式磁体机器中，磁阻的差异可以通过使用层叠的磁性材料减轻，以引导磁通量在与其磁化成直角(即，等于一个磁极距的一半的角度)的轴上经过磁体。此外，此处描述的转子的实施例既使在转子的高旋转速度时也提供良好限定的气隙。多个永磁体可以布置为使得围绕圆周每隔一个磁体在磁化方向上相反。由此各个转子磁极部分仅可以与显示相同极性的磁体相互配合。在一些实施例中，永磁体安装在内部管状支撑部件的外部安装表面上。转子可以包含任意数目的永磁体，诸如2到200个、5到60个或10到30个。内部和/或外部管状支撑部件可以具有任意轴向长度。在一些实施例中，内部和/或外部管状支撑部件的轴向长度对应于永磁体和/或轴向通量引导部件的轴向长度。转子(例如支撑结构)可以包含用于传输转子和定子之间的相互作用产生的扭矩的装置。在一些实施例中，支撑结构连接到用于传输产生的扭矩的轴杆。在一些实施例中，轴向通量引导部件由诸如软磁粉末的软磁材料制成，由此利用了软磁材料中允许径向、轴向和圆周通量路径分量的有效三维通量路径的优点，简化转子的制造，且提供高效磁通量集中。由此，轴向通量引导部件可以通过使用粉末形成方法在相同操作中高效地制备，其中所述形成可以在单个压紧工具设备中进行。此外，转子的径向厚度可以减小，因为所有三个维度中的通量路径可以在单个通量引导部件中高效地提供。这还允许切向更宽的磁体，因为永磁体然后可以放置在更大直径(具有更大圆周)上，且气隙直径保持不变。这可以允许使用较不昂贵的磁体(例如铁氧体)，而同时增加其厚度和截面积从而传递足够的磁场强度。软磁粉末例如可以是软磁铁粉末或包含Co或Ni的粉末或包含含有上述的一部分的合金的粉末。软磁粉末可以是基本纯水细铁粉末或具有被覆盖了电学绝缘材料的不规则形状颗粒的海绵铁粉末。在本上下文中，术语“基本纯”意味着粉末应当基本没有内含物，且杂质0、C和N的数量应当保持在最小值。平均颗粒大小一般低于300 μ m且高于10 μ m。
然而，只要软磁属性充分且粉末适于冲模压紧，可以使用任意磁性金属粉末或金属合金粉末。粉末颗粒的电学绝缘可以由无机材料制成。尤其合适的是US6348265中公开的绝缘类型(此处通过引用结合)，其涉及由具有绝缘氧化物和含磷阻挡物的基本纯铁组成的基本粉末颗粒。具有绝缘颗粒的粉末可以是从瑞典的Hflganas AB购得的Soma1y 500，Somaloy 550 或 Soma I oy 700。外部通量引导组件提供径向磁通量路径和径向向外面对转子的有效气隙的界面，允许磁通量经由有效气隙与定子相通。外部通量引导部件还可以进一步提供圆周通量路径；尤其是，外部通量引导部件可以在径向/圆周平面中提供至少二维通量路径。当外部通量引导部件包含环绕永磁体和轴向通量引导部件的外部管状支撑结构时，转子结构的强度增加，因而允许改善的高速操作。轴向通量引导部件提供轴向磁通量路径。在一些实施例中，转子包含轴向通量引导部件，该轴向通量引导部件例如可以形成为由金属粉末制造的软磁组件或者形成为实质上在平行于转子的轴向方向的平面(例如，径向/轴向平面或圆周/轴向平面)中取向的叠层。轴向通量引导部件可以在轴向/圆周平面或轴向/径向平面中提供至少二维通量路径，因而允许轴向通量集中且同时允许轴向通量引导部件和外部通量引导部件之间的通量路径之间的高效连通。轴向通量引导部件因而可以布置为导致轴向磁返回路径中的一些或全部在转子中出现。因此，在磁极调制式机器的实施例中，可以避免定子中的轴向磁路径，因而允许更简单且更不昂贵的定子构造，且避免不希望的磁泄漏路径(否则，该磁泄漏路径可能仅围绕线圈且仅围绕磁体出现)而无需链接磁体和线圈。轴向通量引导部件可以作为不同于外部通量引导部件的单独部件提供。轴向通量引导部件可以放置在从磁体径向向外或与磁体相切邻近的区域中。这些轴向通量引导部件可以放置在径向/圆周方向上布置的其他叠层内的槽或开孔中，以提供正确的取向从而最小化源于场的圆周分量的涡流。轴向通量引导部件可以放置在场基本是径向和/或轴向(或其中场基本恒定)的区域中，例如靠近磁场的区域中。当轴向通量引导部件形成为叠层时，叠层可以以在磁体的磁化方向上布置的叠层的平面取向。例如可以通过端板，在转子芯的轴端部限制轴向通量引导部件以对抗离心力。在一些实施例中，转子在转子的每个轴端部包含端板；且每个轴向通量引导部件的至少一部分穿过端板的相应孔轴向延伸。替代地或附加地，轴向通量引导部件可以在转子芯的相应轴端部耦合到其他支撑结构，用于在径向方向上对抗离心力地支撑轴向通量引导部件。轴向通量引导部件然后变成承担它们自己的离心应力以及磁体的离心应力的梁，解除轴向/圆周叠层中轮辐的该角色。限制轴向通量引导部件的另一益处在于径向/圆周叠层中的轮辐可以被去除或至少减小。这减小或甚至避免了磁分流效应，这进而允许使用更小(因此更便宜)的磁体，因而导致更小(因此更便宜)的机器。因为转子的磁性结构基本不受轴向通量引导部件的引入的影响或甚至不受这些部件的径向维度影响，在此处限定的转子结构的实施例的对于处理离心力的能力可以有很大改善。这意味着:假设特定输出的成比例的增加，给定尺寸的机器可以快得多地运转，并且因此大小、重量、效率和成本减小。这还意味着有利于在给定速度运行的大得多的转子(用于更高输出的应用)。
在一些实施例中，当如上所述地轴向通量引导部件受到限制以对抗离心力时，例如通过在径向/圆周叠层中的孔中放置轴向通量引导部件，轴向通量引导部件进而可以限制转子的径向/圆周叠层的至少一部分。这允许速度和/或转子直径的进一步增加。 在此处描述的布置中，轴向通量引导部件(其可在磁芯的轴端部受到限制)与径向/圆周叠层的组合，极大地改善了机械完整性且因此改善了速度/大小限制，同时提供良好的轴向磁路而不导致显著的涡流损耗。转子中良好的轴向磁路允许减小或甚至消除定子(即爪)中的轴向磁返回路径，意味着尺寸减小，但是更重要的是，良好轴向路径有益于保持凸极性且因此实现显著的磁阻扭矩。如果在被逆变器驱动时机器要具有竞争性，这是十分希望的特征。当永磁体通过相应轮辐部件彼此圆周地分离时，转子结构的强度进一步增加。当轮辐部件还适于至少在径向方向上提供磁通量路径时，提供了高效且紧凑的转子结构。轮辐部件可以由层叠的金属片材制成。在一些实施例中，管状支撑部件由在径向-切向平面中提供磁通量路径的层叠金属片材制成；永磁体在径向方向上磁化；且每个轴向通量引导部件形成为在径向方向上从永磁体之一向外延伸的金属片材层叠齿体部件，且适于基本在径向/轴向平面中提供磁通量路径；且转子包含多个外部通量引导部件，每个形成为从金属片材层叠齿体部件中的相应一个径向向外延伸的金属片材层叠齿尖部件，且适于在径向-切向平面中提供磁通量路径。所述金属片材叠层可以是不锈钢叠层。在一些实施例中，管状支撑部件由在至少径向方向上提供磁通量路径的层叠金属片材制成；且永磁体在径向方向上磁化；且轴向通量引导部件中的每一个形成为在径向方向上从永磁体之一向外延伸的由软磁成分(例如，软磁粉末成分)制成的齿体部件，且适于在所有三个维度(径向、切向/圆周、轴向)上提供磁通量路径。外部通量引导部件可以形成为连续管状结构，例如环绕齿体部件的叠层金属片材制成的套。在一些实施例中，永磁体在圆周方向上磁化；每个永磁体可以在圆周方向上夹置在两个轴向通量引导部件中之间；且轴向通量引导部件中的每一个可以形成为适于提供至少具有圆周和轴向分量的磁通量路径的金属片材层叠部件。外部通量引导部件可以由层叠金属片材形成，该层叠金属片材形成环绕永磁体和轴向通量引导部件的管状结构。形成外部通量弓I导部件的层叠金属片材还可以包含从外部管状部件径向向内延伸的轮辐部件。每个轮辐部件可以在圆周方向上将夹置在相应轴向通量引导部件之间的永磁体中的两个分开。在一些实施例中，转子可以包含两个外部通量应当部件，每个具有小于永磁体和/或轴向通量引导部件的轴向长度的轴向长度。在这种实施例中，外部通量引导部件可以靠近转子的相应轴端部布置，在它们之间留下圆周间隙。因此，因为轴向通量引导部件允许轴向通量向着外部通量引导部件的轴向位置集中，所以外部通量引导部件不需要覆盖永磁体的整个轴向范围。因此，转子结构的重量和/或转动惯量可以减小，而不明显影响磁属性。在一些实施例中，外部通量引导部件的轴向范围和位置可能受限为对应于转子和定子之间的有效气隙的轴向宽度。在一些实施例中，所述空隙可以至少部分地被对抗离心力限制永磁体和/或轴向通量引导部件的环形支撑部件(例如带、套或管)填充。环形支撑部件可以由非磁性材料制成，所述非磁性材料例如是铝、镁合金、基于聚合物的材料、复合材料、诸如玻璃纤维、碳纤维等的纤维材料或上述材料的组合。根据另一方面，此处公开了一种旋转电机，例如磁极调制式机器，所述机器包含此处所述的定子和转子。定子可以是具有或不具有部分交叠定子磁极爪的定子。在一些实施例中，定子包含:第一定子芯部分，其基本是圆形的且包括多个齿;第二定子芯部分，其基本是圆形的且包括多个齿；线圈，布置在第一和第二圆形定子芯部分之间，其中第一定子芯部分、第二定子芯部分、线圈和转子环绕由转子的纵轴限定的公共几何轴，且其中第一定子芯部分和第二定子芯部分的多个齿布置为向转子凸出；其中第二定子芯部分的齿相对于第一定子芯部分的齿在圆周上移位。本发明的不同方面可以以包括上文和下文中描述的转子和旋转电机以及其他设备和生产装置的不同方式实施，每种方式都产生结合上述方面至少一个描述的益处和优点中的一个或更多个，且每种方式具有对应于结合上文描述和/或所附权利要求书中公开的方面中的至少一个描述的优选实施例的一个或更多优选实施例。此外，应当意识到，结合此处描述的方面之一描述的实施例可以等同地应用于其他方面。
参考附图，将通过本发明实施例的下面的说明性而非限制性的详细描述进一步阐明本发明的上述和/或附加目的、特征和优点，附图中:图1a示出现有技术磁极调制式机器的分解透视图。图1b示出现有技术磁极调制式机器的剖面图。图2示出磁极调制式机器的定子的示例的示意图。图3示出磁极调制式机器的定子的另一示例的示意图。图4-6示出用于磁极调制式机器的转子的示例。图7-8示出彼此处于不同相对位置的磁极调制式机器的转子和定子的示例。图9-11示出磁极调制式机器的转子的其他示例。图12a_d示出转子的不同实施例的径向-轴向平面中的剖面图。图13a_b和14a_b示出磁极调制式机器的转子的其他示例。
具体实施例方式在下面的描述中，参考附图，附图以说明方式示出可以如何实践本发明。本发明属于磁极调制式电机100的领域，其一个示例在图1a中以示意性分解透视图示出。磁极调制式电机定子10的基本特征在于使用中心单线圈20，该中心单线圈20磁性馈入由软磁芯结构形成的多个齿102。定子芯然后围绕线圈20形成，而对于其它一般电机结构，线圈围绕各个齿芯部分形成。磁极调制式机器拓扑的示例有时被识别为爪式磁极、鸟足、伦德尔式机器或TFM机器。更具体而言，所示的磁极调制式电机100包含:两个定子芯部分14、16，每个包括多个齿102且基本是圆形的；线圈20，布置在第一和第二圆形定子芯部分之间；以及转子30，包括多个永磁体22。而且，定子芯部分14、16、线圈20和转子30环绕公共几何轴103，且两个定子芯部分14、16的多个齿布置为向转子30凸出以用于形成封闭回路通量路径。图1中的机器属于径向类型，因为定子齿在径向方向上向转子凸出，在这种情况中，定子环绕转子。然而，定子也可以等同地相对于转子在内部放置，这也是下面的一些图中示出的类型。下文中提及的本发明的范围不限于任何特定类型的磁极调制式机器。例如，本发明不限于单相机器，而是也可以等同地应用于多相机器。有效(active)转子结构30由偶数个片段22、24构建，也称为转子磁极部分24的一半数目的片段由软磁材料制成，且另一半数目的片段由永磁体材料22制成。现有技术方法是将这些片段制造为独立的部件。通常，片段的数目可能相当大，典型地为10-50个独立部分的量级。永磁体22布置为使得永磁体的磁化方向基本是圆周的，即北磁极和南磁极分别朝向基本圆周的方向。而且，在圆周上数的每隔一个永磁体22布置成使其磁化方向在与其他永磁体相反的方向上。所需机器结构中的软磁极部分24的磁功能性是完全三维的且这要求软磁极部分24也能够高效地承载变化的磁通量，且在所有三个空间方向上都有高的导磁率。图1b以组装机器的剖面图示出图1的同一径向磁极调制式电机，更清晰地示出定子齿102如何向转子延伸且两个定子芯部分14、16的定子齿如何相对于彼此旋转地布置。图2示出磁极调制式机器的定子的示例的示意图。图3示出磁极调制式机器的定子的另一示例的示意图。两个定子包含两个定子芯部分14、16以及夹置在定子芯部分之间的线圈20 ;且定子芯部分均具有多个径向延伸齿102，使得两个定子芯部分14、16的定子齿相对于彼此旋转地布置；全都与结合图1的描述一样。尽管图2的定子类似于结合图1描述的定子，图3的定子的齿102形成为爪式磁极，即它们具有轴向延伸的爪式磁极部分302。爪式磁极部分302从径向凸出齿102的尖部轴向地朝线圈和相应其他定子磁极部分延伸。爪式磁极部分地跨越定子的轴向长度轴向延伸。在下文中，将更详细地描述可以用作如图la-b所示的磁极调制式机器的一部分和/或与图2和3中示出的定子之一组合的转子的示例。应当理解，在本申请中描述的转子可以与不同于上面描述的类型的磁极调制式机器的定子一同使用。图4示出磁极调制式机器的转子的示例。具体而言，图4a示出转子的透视图而图4b示出磁极调制式机器的转子和相应定子(例如，如图2所示的定子)的剖面图。图4的转子包含环绕转子的纵轴404的管状中心支撑部件403。该管状支撑部件限定用于接收要被转子驱动的轴杆或轴的中心开口 405。管状支撑结构403由在轴向方向上堆叠的层叠环形钢片材制成，即该叠层限定了平行于径向/圆周平面的平面。转子还包含围绕管状支撑部分403的外圆周表面均匀分布的偶数个永磁体422。每个永磁体沿着管状支撑结构的轴向长度轴向延伸。在本示例中，永磁体形成为具有相反矩形表面的相对薄的板。径向向内的表面连接(例如胶合、机械固定等)到管状支撑部件的外表面。永磁体在转子的径向方向上磁化且提供在径向方向上延伸穿过永磁体(即穿过径向向内表面和与径向向内表面相对的径向向外表面)的磁通量。永磁体布置有交替的极性，使得在圆周方向看，每个永磁体的相邻永磁体与其相邻的永磁体具有磁场的不同取向。转子还包含提供至少轴向磁通量路径的多个轴向通量引导部件401，每个部件401布置在永磁体中相应一个的径向向外的表面上。每个轴向通量引导部件形成为层叠钢片材块。钢片材是在圆周方向上堆叠的矩形片材，从而形成具有与永磁体基本相同的轴向和切线尺寸的块且限定在轴向和基本径向的方向上的平面。转子还包含多个外部通量引导部件402a和402b，使得两个外部通量引导部件402a、b布置在轴向通量引导部件401中的每一个的径向向外表面上。因此，轴向通量引导部件和外部通量引导部件一同形成相应的径向延伸转子齿或磁极，其中轴向通量引导部件形成齿体，而外部通量引导部件形成齿尖。外部通量引导部件形成为在轴向方向上堆叠的层叠钢片材块。所述片材具有大致梯形的形状，但是梯形的平行边中的较长一个形成为曲线。所述片材布置在与转子的纵轴垂直的平面中，即它们限定在圆周/径向平面中的平面。此外，层叠的片材布置成使得他们的弯曲面径向向外，使得外部通量引导部件一起限定圆形圆周。外部通量引导部件具有比转子的轴向尺寸小的轴向长度，且它们成对布置在轴向通量引导部件401上,使得它们在轴向方向上分开中心空隙406。如图4b所示，当组装为旋转电机的一部分时，外部通量引导部件与定子的定子芯部分之一的齿14、16轴向对准。当外部通量引导部件与相应齿圆周对准时，转子提供三维通量路径，其中延伸穿过永磁体422的径向通量在轴向通量引导部件401中轴向集中且被外部通量引导部件向有效气隙(active air gap)409和定子的相应齿径向馈入。内部支撑部件403提供径向和圆周通量路径，从而允许磁通量从一个永磁体传递到相邻永磁体。图4中示出的转子很适于在包含图2中示出的定子的磁极调制式机器中使用，所述定子即有齿定子，所述齿没有(或具有至少相对小的)爪式磁极，即所述齿仅沿着定子(的单相部分)的轴向范围的一部分(例如小于其一半)延伸。因此，内部支撑部件403、轴向通量引导部件401和外部通量引导部件402a、b中的叠层的不同取向被选择以支持包括至少轴向通量集中的转子中的三维通量路径。图5示出用于磁极调制式机器的转子的另一示例。具体而言，图5a示出转子的透视图而图5b示出磁极调制式机器的转子和相应定子(如图3所示的爪式定子)的剖面图。图5的转子类似于图4的转子且包含片材层叠的管状内部支撑部件503、围绕内部支撑部件503的圆周以交替极性布置的多个径向磁化永磁体522、从每个永磁体径向向外布置的片材层叠轴向通量引导部件501，全都与结合图4的描述一样。图5的转子还包含类似于图4的外部通量引导部件402a、b但是沿着转子的整个轴向长度或至少转子的轴向长度的相当大部分轴向延伸的片材层叠的外部通量引导部件502。此处，在图5的示例中，仅单个外部通量弓I导部件连接到每个轴向通量弓I导部件501。如图5b所示，图5的转子因而尤其适于与例如图3中示出的定子的爪式磁极定子组合。图6示出用于磁极调制式机器的转子的另一示例。图6的转子与图5的转子的相似之处在于，它包含片材叠层的管状内部支撑部分603和围绕内部支撑部件603的圆周以交替极性布置的多个径向磁化永磁体622,全都与结合图5的描述一样。图6的转子还包含多个轴向通量弓I导部件601，每个布置在永磁体622中相应一个的径向向外表面上。每个轴向通量引导部件形成为软磁材料块，例如使用适当的粉末冶金工艺由软磁粉末制成的软磁材料块。软磁轴向通量引导部件601因而有利于所有三个维度上的通量路径，因为软磁部件不包括有效地将通量路径限制到两个维度的层叠平面。因此，软磁轴向通量引导部件601在单个部件中组合了图5的轴向通量引导部件501和外部通量引导部件502的通量引导属性。然而，图6的转子包含形成为由在轴向方向上堆叠和层叠的环形钢片材制成的管状结构或套的外部通量弓I导部件602。外部通量弓I导部件602环绕轴向通量弓I导部件601，且提供高效径向磁通量路径以及转子的增加的机械稳定性，因为在转子高速旋转期间它反平衡作用在永磁体和轴向通量引导部件上的离心力。此外，与图4和5的示例中的齿体和齿尖的径向厚度的总和相比，软磁部件用作轴向通量引导部件601，允许轴向通量引导部件的径向厚度减小。这允许切向上更宽的磁体，因为永磁体可以放置在更大直径(具有更大周长)上且气隙直径保持不变。这可以允许使用具有更大厚度和横截面积的较便宜的磁体(例如铁氧体)以传递相同的磁场强度。管状外部通量引导部件602设置有圆周地布置在相邻轴向通量引导部件601之间即与空隙611圆周地对准的轴向延伸凹槽612。凹槽612导致管状结构的厚度减小，因而导致圆周方向上的磁阻增加，因而减小通量泄漏。诸如磁极调制式机器的电机的扭矩与跨过定子和转子部件之间的气隙的磁通量有关。磁通量路径总是显示闭合连续回路。在磁极调制式机器中，磁通量由永磁体以及定子的线圈中的电流感应。取决于转子和定子的相对旋转位置，可以区分两个类型的扭矩:同步扭矩和磁阻扭矩。图7和8示出了此处公开的分别提供同步和磁阻扭矩的转子的实施例的通量路径。图7和8示出如图4所示的转子的通量路径。应当意识到，类似的通量路径通过此处描述的转子的其他示例提供。图7示出与如图2所示的定子组合的图4的转子。具体而言，在图7中，转子圆周地布置，使得每隔一个外部通量引导部件402a、b与定子齿的相应一个圆周地对准。剩余的外部通量引导部件与定子齿之间的相应空隙对准。因此，在图7中示出的位置中，每个永磁体具有经由与之相连的轴向通量引导部件之一并且经由与定子的单个定子齿102的有效气隙409的通量路径。该位置中的磁通量路径被称为同步扭矩通量路径。同步扭矩通量路径的示例在图7中以线707示出。一般地，同步扭矩通量路径707经过转子永磁体422。在所谓的d轴位置该通量达到峰值，并且转子磁极圆周地彼此对准。该位置在图7中示出。用于同步扭矩的源因而既是永磁通量也是线圈通量。图8示出与如图2所示的定子组合的图4的转子。具体而言，在图8中，转子被圆周地布置，使得每个定子齿102与两个相邻外部通量引导部件402a、b之间的空隙圆周地对准，从而每个定子齿相对于两个相邻外部通量引导部件402a、b的相应部分具有公共气隙。该位置中的磁通量路径被称为磁阻扭矩通量路径。磁阻扭矩通量路径的示例在图8中以线807示出。一般地，磁阻扭矩通量路径807仅经过转子的软磁钢结构。在所谓的q轴位置，通量达到峰值，在该位置所有定子齿同时面对转子磁极，即此时两个定子磁极之间的槽在定子齿的中间居中。这产生了具有低磁阻的短通量路径，这可以导致机器的附加扭矩。用于磁阻扭矩的源是定子线圈20的线圈通量。图9示出用于磁极调制式机器的转子的另一示例。图9的转子与图5的转子的相似之处在于它包含片材层叠的管状内部支撑部件903、围绕内部支撑部件903的圆周以交替极性布置的多个径向磁化永磁体922、从每个永磁体922径向向外布置的片材层叠的轴向通量引导部件901，全都与结合图5描述的一样。类似于图5的外部通量引导部件502，图9的转子还包含片材层叠的外部通量引导部件902。然而，尽管图5的外部通量引导部件502以相应空隙511彼此圆周地分离，夕卜部通量引导部件902通过轴向延伸的桥部分912彼此连接，从而形成环绕轴向通量引导部件901的连续圆周结构。此外，该连续圆周结构通过沿着相邻轴向通量延伸部件之间的空隙延伸的径向延伸轮辐923连接到内部支撑部件903。因此，内部支撑部件903、外部通量弓I导部件902以及轮辐923可以通过单个片材层叠结构形成，该片材层叠结构由在轴向方向上堆叠的大致环形钢片材形成，它们每一个具有提供用于轴杆的中心开口的中心切口以及用于容纳永磁体和轴向通量引导部件的圆周分布的切口。因此，提供了特别容易制造的转子结构，该转子结构即使在高旋转速度下也能够提供高效通量路径和高机械强度，其中轮辐防止外部通量引导部件的连续圆周结构变形。在桥部分912，圆周结构具有减小的厚度以减小通量泄漏。尽管示出图9的实施例具有轴向连续外部通量引导部件，类似于图5的示例，应当理解，图9的实施例可以修改为类似于图4，为每个永磁体提供一对轴向分离的外部通量引导部件。为此，形成内部支撑部件、外部通量引导部件和轮辐的钢层叠结构可以由具有不同形状的钢片材形成，其中，中心片材仅提供内部环形部件且轴向外围片材具有图9中示出的形式。图10示出用于磁极调制式机器的转子的另一示例。图10的转子与图6的转子的相似之处在于，它包含片材层叠的管状内部支撑部件1003、围绕内部支撑部件1003的圆周以交替极性布置的多个径向磁化永磁体1022、从每个永磁体1022径向向外布置的软磁轴向通量引导部件1001以及形成为在轴向方向上由堆叠且层叠的环形钢片材制成的管状结构，全都与结合图6的描述一样。此外，管状结构1002通过沿着相邻轴向通量延伸部件1001之间的空隙延伸的径向延伸轮辐1023连接到内部支撑部件1003。因此，内部支撑部件1003、外部通量引导部件1002和轮辐1023可以由单个片材层叠结构形成，该片材层叠结构由在轴向方向上堆叠的大致环形钢片材形成，它们中的每一个具有提供用于轴杆的中心开口的中心切口和用于容纳永磁体和轴向通量引导部件的圆周分布的切口。因此，图4-10的转子全都包含在转子的径向方向上磁化(如图4-6、9_10中的点箭头所示)的永磁体，且提供在径向方向上延伸穿过永磁体，即穿过径向向内表面和与径向向内表面相对的径向向外表面的磁通量。永磁体极性交替地布置，使得在圆周方向看，每个永磁体的相邻永磁体与其相邻的永磁体具有磁场的不同取向。图11示出用于磁极调制式机器的转子的另一示例。图11的转子包含环绕转子的纵轴的管状中心支撑部件1103。该管状支撑部件限定用于容纳要被转子驱动的轴杆或轴的中心开口。一般地，该管状支撑结构1103可以由任意合适的材料制成，例如是:非磁性材料，例如铝；镁合金；基于聚合物的材料；复合材料；诸如玻璃纤维、碳纤维等的纤维材料或上述材料的组合，因为支撑材料1103不是转子的磁路的一部分。该转子还包含围绕管状支撑部分1103的外部圆周表面均匀分布的偶数个永磁体1122。每个永磁体沿着管状支撑结构的轴向长度轴向延伸。在图11的示例中，永磁体形成为具有相对的矩形表面和侧壁的相对薄的板。径向向内侧壁毗邻且可以连接(例如胶粘或机械固定)到管状支撑部件的外表面。永磁体在转子的圆周方向上磁化且提供如点箭头所示在圆周/切线方向上延伸穿过永磁体(即，穿过矩形表面)的磁通量。永磁体极性交替地布置，使得在圆周方向看，每个永磁体的相邻永磁体与其相邻的永磁体具有磁场的不同取向。在图11的不例中，内部支撑部件包含其上布置永磁体的轴向延伸脊1133，例如内部支撑部件的径向凸出挤压部。所述脊支撑扭矩负载。磁体可以胶合到该结构，因为大层叠环在径向方向上支撑磁体和轴向通量部件，磁体的附加固定可能是不需要的。每个永磁体在圆周方向上夹置在两个轴向通量引导部件1101a、b之间。每个轴向通量引导部件形成为层叠钢片材块。钢片材是堆叠的矩形片材，从而形成与永磁体基本具有相同的轴向和径向尺度的块且限定在轴向和切线方向(永磁体的位置处的切线)上的平面。因此，轴向通量引导部件1101a、b在圆周方向上向离开/进入永磁体的磁通量提供轴向和切向通量路径。该转子还包含形成为包括轮辐部件1123的管状结构的外部通量引导部件1102，该轮辐部件从管状支撑结构径向向内延伸且将相邻的永磁体和轴向通量引导部件的组分开。外部通量引导部件和轮辐部件由在轴向方向上堆叠和层叠的环形钢片材制成。外部通量引导部件1102环绕轴向通量引导部件1101a、b和永磁体1122，且提供高效径向和圆周磁通量路径以及转子的增加的机械稳定性，因为在转子高速旋转期间它反平衡作用在永磁体和轴向通量引导部件上的离心力。脊1133具有楔形剖面，该楔形剖面具有狭窄的底部和较宽径向向外部分。轮辐1123具有相应较宽的径向向内端部，因而允许轮辐与脊啮合且被脊限制。替代地或另外地，轮辐可以以其他方式耦合到内部支撑部件1103。在此处描述的各个实施例中，在转子芯的轴端部，轴向通量引导部件可以例如通过端板限制来对抗离心力，如图12a_b所示。图12a_d示出转子的不同实施例的径向-轴向平面上的剖面图。图12a示出图5的转子的径向-轴向平面上的剖面图，该转子包含片材层叠的管状内部支撑部件1203、围绕内部支撑部件1203的圆周以交替极性布置的多个径向磁化永磁体1222、从每个永磁体径向向外布置的片材层叠的轴向通量引导部件1201以及片材层叠的外部通量引导部件1202，全都与结合图5的描述一样。图12a还示出了其上可以安装所述转子的中心轴1244。图12b示出与图12a的转子类似的转子的径向-轴向平面上的剖面图，但是其中轴向通量引导部件1201轴向延伸超出永磁体1222和外部通量引导部件1202。该转子包含端板1245，端板之间在轴向方向上夹置有永磁体1222和外部通量引导部件1202。轴向通量引导部件1201穿过端板1245中的相应孔轴向凸出。端板可以由非磁性材料制成,所述非磁性材料例如是铝、镁合金、基于聚合物的材料、复合材料、诸如玻璃纤维、碳纤维等的纤维材料或上述材料的组合。端板在高的速度和负载下机械地支撑转子结构。图12c示出与图12b的转子类似的转子在径向-轴向平面上的剖面图，但是其中轴向通量引导部件1201具有与外部通量引导部件具有相同轴向长度的狭窄部分1201a，以及穿过端板1245中的相应孔轴向凸出的延伸部分1201b。在图12c的示例中，狭窄部分径向向外且延伸部分径向向内。在图12c的示例中，端板1245具有径向覆盖外部通量引导部件和轴向通量引导部件的狭窄部分的环形板的形式。端板和部分轴向延伸的轴向通量引导部件在高的速度和负载下机械地支撑转子结构。图12d示出与图12c的转子类似的转子的径向-轴向平面上的剖面图，但是其中外部通量引导部件1202还由轴向延伸销1246支撑。销1246延伸穿过外部通量引导部件的层叠片材的相应孔以及端板1245中的相应孔。因此，所述销由非磁性端板支撑。应当意识到，尽管参考图5的转子说明了通量引导部件的轴向限制，此处描述的转子的其他实施例的通量弓I导部件可以以相同的方式限制。例如，当非磁性端板被添加到图9的转子时，桥923上的负载减小，因为桥923仅需要支撑叠层924。图13a和13b示出用于磁极调制式机器的转子的另一示例。图13a_b的转子类似于图11的转子且因而并不再次做详细描述。图13a-b的转子与图11中的转子的不同之处在于，图13a-b的转子包含两个外部通量引导部件1102a和1102b，它们靠近转子的相应轴向端部布置，因而在其间留下圆周空隙1331。两个通量引导部件中的每一个都形成为包括轮辐部件1123的管状结构，该轮辐部件从管状结构径向向内延伸且将相邻的永磁体和轴向通量引导部件的组分开。外部通量引导部件和轮辐部件由在轴向方向上堆叠和层叠的环形钢片材制成。外部通量引导部件1102a-b中的每一个环绕轴向通量引导部件1101a、b和永磁体1122，且提供高效径向和圆周磁通量路径以及转子的增加的机械稳定性，因为在转子高速旋转期间它反平衡作用在永磁体和轴向通量引导部件上的离心力。每个外部通量引导部件的轴向宽度可以被选择为匹配与定子形成的有效气隙的轴向宽度。图14a和14b示出用于磁极调制式机器的转子的另一示例。图14a_b的转子类似于图13a_b的转子且因而并不再次做详细描述。具体而言，图14a_b的转子还包含靠近转子的相应轴向端部布置的两个外部通量引导部件1102a和1102b，因而在其间留下圆周空隙。在图14a-b的示例中，圆周套1431布置在外部通量引导部件之间的空隙中。套1431限制永磁体和/或轴向通量引导部件以对抗离心力。套1431可以由非磁性材料制成，所述非磁性材料例如是铝、镁合金、基于聚合物的材料、复合材料、诸如玻璃纤维、碳纤维等的纤维材料或上述材料的组合。因此，所述套增加转子的机械稳定性而不负面影响磁通量。尽管详细描述和示出了一些实施例，本发明不限于此，而是可以在下面的权利要求限定的主旨的范围内以其他方式实施。具体而言，应当理解，可以使用其他实施例，且可以在不偏离本发明的范围的条件下做出结构或功能修改。此处公开的本发明的实施例可以用于电动自行车或其他电驱动车辆、尤其是轻重量的车辆的直接轮驱动电动机。这种应用可能强加对于高扭矩、相对低的速度和低成本的需求。可以通过在使用少量永磁体和线圈的紧凑几何结构中具有相对高的磁极数目的电动机满足这些需求，以符合且满足增强的转子组件常规的成本需求。在枚举若干装置的设备权利要求中，这些装置其中若干个可以由一个且相同的硬件项来实施。在互不相同的从属权利要求中陈述了或在不同实施例中描述了某些措施这一纯粹事实并不表示这些措施的组合不能用作优势。应当理解，当在本说明书中使用时，术语“包含”及其动名词旨在指定陈述的特征、整体、步骤和/或组件的存在，但是不排除一个或更多其他特征、整体、步骤、组件和/或其组合的存在或添加。
权利要求
1.一种用于内转子磁极调制式机器的转子，该转子配置成产生用于与该磁极调制式机器的定子的定子磁场相互作用的转子磁场，其中所述转子适于绕该转子的纵轴旋转；其中该转子包含: -围绕所述纵轴圆周地布置的多个永磁体,每个永磁体在磁化方向上磁化从而产生磁通量， 一多个轴向通量引导部件，每一个都适于提供用于所述多个永磁体中相应一个产生的磁通量的至少二维通量路径，该二维通量路径包含轴向部分； 一支撑结构，包含从所述多个永磁体径向向内布置的内部管状支撑部件；以及一至少一个外部通量引导部件，适于为所述多个永磁体中一个或更多个产生的磁通量提供至少径向方向上的路径。
2.根据权利要求1所述的转子，其中该外部通量引导部件包含环绕所述永磁体和所述轴向通量引导部件的外部管状支撑结构。
3.根据权利要求2所述的转子，还包含在所述外部管状支撑部件和所述内部管状支撑部件之间径向延伸的多个轮辐部件。
4.根据权利要求3所述的转子，其中所述轮辐部件形成为所述外部通量引导部件和所述支撑结构中至少一个的整体部分。
5.根据权利要求3或4所述的转子，其中所述永磁体通过相应轮辐部件彼此圆周地分离。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的转子，其中所述轮辐部件进一步适于至少在径向方向上提供磁通量路径。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的转子，其中所述轮辐部件由层叠金属片材制成。
8.根据权利要求7的转子，其中形成所述轮辐部件的层叠金属片材布置在相应径向-圆周平面中。
9.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其中所述外部通量引导部件由层叠金属片材制成。
10.根据权利要求9的转子，其中形成外部通量引导部件的层叠金属片材布置在相应径向-圆周平面中。
11.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其中所述支撑结构由层叠金属片材制成。
12.根据权利要求11的转子，其中形成支撑结构的层叠金属片材布置在相应径向-圆周平面中。
13.根据权利要求1至10中任一项所述的转子，其中所述支撑结构由非磁性材料制成。
14.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其中多个轴向通量引导部件中的每一个由层叠金属片材制成。
15.根据权利要求14的转子，其中形成多个轴向通量引导部件中的每一个的层叠金属片材布置在至少具有轴向和圆周范围的相应平面中。
16.根据权利要求14的转子，其中形成多个轴向通量引导部件中的每一个的层叠金属片材布置在至少具有轴向和径向范围的相应平面中。
17.根据权利要求1至13中任一项所述的转子，其中多个轴向通量引导部件中的每一个由提供三维通量路径的软磁材料制成。
18.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其中所述永磁体的磁化方向至少具有径向分量。
19.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其中所述永磁体的磁化方向至少具有圆周分量。
20.一种电机，包含根据权利`要求1至19中任意一个所限定的定子和转子。
全文摘要
本发明涉及用于磁极调制式机器的转子。一种用于内转子磁极调制式机器的转子，该转子配置成产生用于与磁极调制式机器的定子的定子磁场相互作用的转子磁场，其中所述转子适于绕转子的纵轴旋转；其中该转子包含围绕所述纵轴圆周地布置的多个永磁体，每个永磁体在磁化方向上磁化，从而产生磁通量；多个轴向通量引导部件，每个适于为多个永磁体中相应一个产生的磁通量提供至少二维通量路径；支撑结构，包含从多个永磁体径向向内布置的内部管状支撑结构；以及至少一个外部通量引导部件，适于为所述多个永磁体中一个或更多个产生的磁通量提供至少径向方向上的路径。
文档编号H02K1/27GK103119831SQ201180044501
公开日2013年5月22日 申请日期2011年9月14日 优先权日2010年9月17日
发明者G·阿特金森, A·杰克, L-O·彭纳德 申请人:霍加纳斯股份有限公司