專利名稱：電機(jī)轉(zhuǎn)子和用于降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法
電機(jī)轉(zhuǎn)子和用于降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法5相關(guān)申請(qǐng)本申請(qǐng)是2006年8月4日申請(qǐng)的美國專利申請(qǐng)第60/835，811號(hào)的正式 申請(qǐng)，所述美國專利申請(qǐng)的內(nèi)容通過引用而全部結(jié)合在本申請(qǐng)中。
背景技術(shù)：
電機(jī)通常使用定位在轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁體，其中所述轉(zhuǎn)子在定子的中心 鉆孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能或者將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。在單個(gè)的永磁體內(nèi)以及在鄰近的永磁體之間，磁通線在極性相反的 磁極之間延伸。這些磁通線的路徑和密度會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)矩與電機(jī)的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn) 角度的關(guān)系造成顯著影響。例如，轉(zhuǎn)子在電機(jī)中的旋轉(zhuǎn)期間，轉(zhuǎn)子周邊 附近的通量線的不均勻分布會(huì)導(dǎo)致通常稱為轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的較高級(jí)別和較低 級(jí)別的轉(zhuǎn)矩。所述轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)由于某些原因而造成不利影響，例如可聽噪 音、效率損失以及增大部件磨損。通量線行進(jìn)的路徑部分地由定位在相反磁極之間及其附近的材料以 及這些材料的幾何構(gòu)形確定。相對(duì)于硬磁性材料和材料空隙(material voids)，通量線優(yōu)先將其自身定位在軟磁性材料內(nèi)。因此，轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì) 能夠?qū)λ纬傻耐烤€路徑產(chǎn)生顯著的影響。因此，在所屬領(lǐng)域中，希望能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，所述改 進(jìn)能夠減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以及與此相關(guān)的副作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種電機(jī)轉(zhuǎn)子。該轉(zhuǎn)子包括數(shù)個(gè)第一空腔，所述第 一空腔定位成接近轉(zhuǎn)子的圓周表面，每個(gè)第一空腔能容納至少一個(gè)永磁 體；以及數(shù)個(gè)大體上定位在在圓周方向上相鄰的第一空腔之間的第二空 腔。5 本發(fā)明還公開了一種電機(jī)轉(zhuǎn)子組件。該組件包括 一轉(zhuǎn)子；形成于轉(zhuǎn)子內(nèi)并接近轉(zhuǎn)子的圓周表面的數(shù)個(gè)第一空腔；數(shù)個(gè)永磁體，所述數(shù)個(gè)永磁體中的每個(gè)永磁體固定地附著到轉(zhuǎn)子上并位于所述數(shù)個(gè)第一空腔中的一個(gè)內(nèi)；以及形成于轉(zhuǎn)子內(nèi)的數(shù)個(gè)第二空腔，所述數(shù)個(gè)第二空腔中的每一個(gè)定位在在圓周方向上相鄰的第一空腔之間。10 本發(fā)明還公開了一種用于使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)達(dá)到最小化的方法，該方法包括通過阻斷轉(zhuǎn)子中的通量傾向于通過的(prone to flux passage) 選定區(qū)域，在電機(jī)轉(zhuǎn)子處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)抑制自然通量線的形成，所述阻 斷是通過在該區(qū)域中插入一個(gè)或更多的空腔來完成；以及引導(dǎo)通量線繞 過轉(zhuǎn)子中的所述一個(gè)或更多的空腔. 15 本發(fā)明還公開了一種制造用于電機(jī)的轉(zhuǎn)子的方法，該方法包括形成具有數(shù)個(gè)第一孔和數(shù)個(gè)第二孔的轉(zhuǎn)子，所述第一孔能容納磁體，所述 第二孔用于定形(sculpting)通量線。


以下的具體實(shí)施方式
部分決不可視為起到限制作用。在所述附圖中， 相同元件以相同標(biāo)號(hào)進(jìn)行標(biāo)記，其中所述附圖為圖l繪出的是本發(fā)明所示電機(jī)的局部橫剖面視圖。
具體實(shí)施方式
參看圖l，圖中繪出本發(fā)明所披露的電機(jī)(dynamoelectric machine) 6的局部橫剖面圖。轉(zhuǎn)子10具有固定地定位在第一空腔18內(nèi)的永磁體14， 其中所述第一空腔18形成于所述轉(zhuǎn)子10中。轉(zhuǎn)子10同心位于定子22內(nèi)， 并且繞著轉(zhuǎn)子軸線(未示出)旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子10的外圓周表面26和定子22的 內(nèi)圓周表面30之間的間隙形成一位于兩者之間的徑向氣隙34 (air gap)。 特意使氣隙34保持較小，以使電機(jī)6的性能達(dá)到最大化。定子22包括固定地定位在形成于所述定子22中的槽道42內(nèi)的繞線線 圈38。線圈38由被絕緣的導(dǎo)電材料纏繞而成(wound)，例如銅。電流流 過定子22的線圈38以產(chǎn)生磁場，在電機(jī)6轉(zhuǎn)換能量期間，所述磁場與轉(zhuǎn)子 10中的永磁體14的磁場相互作用。例如，所述能量轉(zhuǎn)換可以從機(jī)械能到 電能或者從電能到機(jī)械能。能量轉(zhuǎn)換的性能和效率部分取決于來自于轉(zhuǎn) 子10中的永磁體14的通量線的形狀和分布。永磁體14的磁場形狀部分地受到轉(zhuǎn)子10的材料和幾何構(gòu)形的限定。 磁通線傾向于集中在軟磁性材料中并且傾向于避開硬磁性材料和軟磁性 材料中的材料空隙，比如氣眼以及空腔或者具有非磁性填充物的空腔。 因此，轉(zhuǎn)子10特意由軟磁性材料制成，例如硅鋼或粉末金屬，使得通量 線的形狀能夠由轉(zhuǎn)子10的幾何形狀確定。磁通線在極性相反的磁極之間延伸。例如，通量線在第一磁體48的 南極(S極)46和第一磁體48的北極(N極)49之間延伸，同時(shí)地，漏出 的通量線在第一磁體48的S極46和第二磁體58的N極59之間延伸。位于鄰 近磁極46和59之間的轉(zhuǎn)子材料的數(shù)量將對(duì)磁極46和59之間的通量線的路 線和轉(zhuǎn)子10中的該區(qū)域的磁場強(qiáng)度產(chǎn)生影響。因此，轉(zhuǎn)子10的幾何形狀 的設(shè)計(jì)能夠影響轉(zhuǎn)子10周邊附近的磁場強(qiáng)度，形成具有局部較強(qiáng)磁場和 局部較弱磁場的區(qū)域。
在轉(zhuǎn)子10周邊附近具有局部較強(qiáng)以及局部較弱的磁場，借此，在轉(zhuǎn)子10相對(duì)于定子22旋轉(zhuǎn)時(shí)，能夠引起電機(jī)6的轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化。所述轉(zhuǎn)矩變 化通常稱作轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。例如，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)能夠在轉(zhuǎn)子10的每一完整旋轉(zhuǎn)中， 引起轉(zhuǎn)子10的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。所述轉(zhuǎn)速變化能夠造成部件磨損率的增大， 所述部件如傳動(dòng)皮帶和軸承。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)還能造成振動(dòng)以及從電機(jī)6發(fā)出令 人不快的可聽噪音。另外，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)已經(jīng)顯示出對(duì)電機(jī)的效率具有不利 影響。因此，通常希望降低轉(zhuǎn)子10周邊附近的磁場的變化，從而降低與 此相關(guān)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。如上所說，通量線傾向于避開形成于軟磁性材料中的空腔。因而， 可以采用對(duì)軟磁性材料中的空腔進(jìn)行精致定位來有利地對(duì)磁通線進(jìn)行定 形(sculpt)，以優(yōu)化能量轉(zhuǎn)移并且使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)達(dá)到最小化。披露于本 發(fā)明中的第二空腔64定位在通量線傾向于變短(shorted)的區(qū)域中。更 加具體地，第二空腔64定位在轉(zhuǎn)子10中并位于兩個(gè)鄰近的磁極46和59之 間。第二空腔64的這種定位引起通量線繞過(route around)第二空腔 64，由此，延長了通量線的路徑長度并且減少了原本將會(huì)變短的總通量 線。因此，第二空腔64能夠用來提高轉(zhuǎn)子10周邊附近的磁場強(qiáng)度的均勻 度。轉(zhuǎn)子10周邊附近的磁場強(qiáng)度的均勻度的提高能夠降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的大 小以及減少如上所述的與此相關(guān)的問題。第二空腔64通過減少轉(zhuǎn)子10內(nèi) 的鄰近的磁極46、 59之間的變短的通量線的數(shù)量來提高磁場強(qiáng)度的均勻 度?？涨?4迫使更多的通量線穿過氣隙34，在該處，所述通量線與由定 子線圈38所產(chǎn)生的磁場的通量線連接。來自于永磁體14的磁通量與來自 于定子線圈38的磁通量之間的互相作用對(duì)于有效的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換是關(guān)鍵 因素。盡管第二空腔64不需要完全延伸穿過轉(zhuǎn)子10的軸向長度，但是，第 二空腔64完全延伸穿過轉(zhuǎn)子10的實(shí)施方式仍為上選，以便使第二空腔64
相對(duì)于磁體14形成軸向?qū)ΨQ。在圓周方向上，第二空腔64是對(duì)稱的，如圖所示。這樣的設(shè)計(jì)可提供磁場強(qiáng)度的均勻度，而不論轉(zhuǎn)子io行進(jìn)的旋轉(zhuǎn)方向如何，因而，這樣的設(shè)計(jì)對(duì)于希望能沿任一方向旋轉(zhuǎn)的應(yīng)用情形來說屬于優(yōu)選設(shè)計(jì)。供選擇地，對(duì)于轉(zhuǎn)子io僅沿一個(gè)單一旋轉(zhuǎn)方向行進(jìn)的應(yīng)用情形，會(huì)希望具有非對(duì)稱的第二空腔。這樣的非對(duì)稱第二空腔可 以在與相對(duì)方向相反的單一方向上提供更加均勻的通量線分布，并相應(yīng) 地提供減少的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。第二空腔64在轉(zhuǎn)子10內(nèi)的徑向定位同樣將會(huì)影響通量線的路線。在 并未實(shí)際連接到表面26的情況下，第二空腔64應(yīng)當(dāng)被定位成盡可能接近 圓周表面26但未實(shí)際連接到圓周表面26，從而在第二空腔64和表面26之 間形成一軟磁性材料的橋部68。橋部68應(yīng)當(dāng)薄到使得所述橋部68處于通 量線飽和狀態(tài)，因而使得另外的通量線改道穿過氣隙34并且進(jìn)入到定子 22內(nèi)。然而，橋部68還應(yīng)當(dāng)厚到足以維持結(jié)構(gòu)的完整性，如果采用如下 所述的機(jī)械加工，則還要厚到足以維持進(jìn)行機(jī)械加工之后的結(jié)構(gòu)的完整 性。與第二空腔64連接到表面26上從而成為一切口或凹槽的方案相反， 橋部68的存在使得具有連續(xù)的圓周表面26。在延長用在其上的切削工具 的壽命的同時(shí)，圓周表面26的連續(xù)性明顯改進(jìn)表面26的機(jī)械加工性。可能需要對(duì)表面26進(jìn)行機(jī)加工，以消除在轉(zhuǎn)子10制造之后，有可能 存在于表面26上的局部突起和凹陷。例如，這樣的機(jī)械加工可在車床上 進(jìn)行，另外，所述機(jī)械加工能夠改進(jìn)圓周表面26相對(duì)于轉(zhuǎn)子10的旋轉(zhuǎn)軸 線的同心度。所述改進(jìn)的同心度可以使氣隙34更小，并且使得效率得到 相關(guān)的改進(jìn)。轉(zhuǎn)子10可由不同的方法制造，所述方法中的一個(gè)是將幾個(gè) 單獨(dú)并且大體上相同的片狀件(lamination)堆疊并且固定在一起。例 如，所述片狀件可通過從金屬片上沖壓出所述片狀件而制成。另一制造 方法涉及對(duì)粉末金屬進(jìn)行壓縮，隨后再對(duì)粉末金屬進(jìn)行燒結(jié)，以使轉(zhuǎn)子
IO形成為實(shí)心的垛(solid stack)。在該實(shí)施方式中，將片狀件或?qū)嵭?的垛制成使其具有形成于其內(nèi)的第一空腔18和第二空腔64。因此，在制 造過程當(dāng)中，對(duì)空腔18和64的軸向?qū)?zhǔn)進(jìn)行控制。在片狀件的例子中， 轉(zhuǎn)子10的片狀件堆疊過程要對(duì)片狀件的彼此對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行控制(controls)， 這會(huì)影響到形成于圓周表面26上的任何突起或凹陷的大小。不論采用何 種制造轉(zhuǎn)子10的制造方法，局部突起和凹陷均會(huì)以一定的規(guī)模存在，從 而需要通過隨后的機(jī)加工過程將其消除。盡管已經(jīng)參照一或多個(gè)示例性實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，但是所 屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)可理解，在不偏離本發(fā)明范圍的情況下，可進(jìn)行各 種改變以及可用等同物替代其元件。另外，在不偏離本發(fā)明實(shí)質(zhì)范圍的 情況下，按照本發(fā)明的教導(dǎo)，可進(jìn)行許多修改以適應(yīng)特定情形或材料。 5因此，本發(fā)明并未旨在受限于披露作為用于實(shí)施本發(fā)明的最佳方式的特 定實(shí)施方式，相反，本發(fā)明將包括所有落入權(quán)利要求書范圍內(nèi)的實(shí)施方 式。
權(quán)利要求
1、一種電機(jī)轉(zhuǎn)子，包括數(shù)個(gè)第一空腔，所述第一空腔定位成接近轉(zhuǎn)子的圓周表面，每個(gè)第一空腔容納至少一個(gè)永磁體；以及數(shù)個(gè)第二空腔，所述第二空腔大體定位在在圓周方向上相鄰的第一空腔之間。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電機(jī)轉(zhuǎn)子，其中，所述轉(zhuǎn)子由軟磁性材料 制成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電機(jī)轉(zhuǎn)子，其中，所述數(shù)個(gè)第二空腔完全 地延伸穿過轉(zhuǎn)子的軸向長度。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電機(jī)轉(zhuǎn)子，其中，所述數(shù)個(gè)第二空腔被包 圍在轉(zhuǎn)子內(nèi)并且沒有連接到轉(zhuǎn)子的圓周表面。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電機(jī)轉(zhuǎn)子，其中，所述數(shù)個(gè)第二空腔在圓 周方向上是對(duì)稱的。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電機(jī)轉(zhuǎn)子，其中，所述數(shù)個(gè)第二空腔在圓 周方向上是非對(duì)稱的。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電機(jī)轉(zhuǎn)子，其中，所述數(shù)個(gè)第二空腔中的 每一個(gè)大體上對(duì)稱地定位在在圓周方向上相鄰的第一空腔之間。
8、 一種電機(jī)轉(zhuǎn)子組件，包括 一轉(zhuǎn)子；形成于轉(zhuǎn)子內(nèi)并接近轉(zhuǎn)子的圓周表面的數(shù)個(gè)第一空腔；數(shù)個(gè)永磁體，所述數(shù)個(gè)永磁體中的每個(gè)永磁體固定地附著到轉(zhuǎn)子上5并位于所述數(shù)個(gè)第一空腔中的一個(gè)內(nèi)；以及形成于轉(zhuǎn)子內(nèi)的數(shù)個(gè)第二空腔，所述數(shù)個(gè)第二空腔中的每一個(gè)定位 在在圓周方向上相鄰的第一空腔之間。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的電機(jī)轉(zhuǎn)子組件，其中，所述轉(zhuǎn)子由軟磁性10材料制成。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的電機(jī)轉(zhuǎn)子組件，其中，所述數(shù)個(gè)第二空腔完全地延伸穿過轉(zhuǎn)子的軸向長度。15
11、根據(jù)權(quán)利要求8所述的電機(jī)轉(zhuǎn)子組件，其中，所述數(shù)個(gè)第二空腔被包圍在轉(zhuǎn)子內(nèi)并且沒有連接到轉(zhuǎn)子的圓周表面。
12、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的電機(jī)轉(zhuǎn)子組件，其中，所述第二空腔在 軸向方向上延伸于轉(zhuǎn)子的整個(gè)長度。20
13、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的電機(jī)轉(zhuǎn)子組件，其中，所述數(shù)個(gè)第二空 腔在圓周方向上是對(duì)稱的。
14、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的電機(jī)轉(zhuǎn)子組件，其中，所述數(shù)個(gè)第二空 25腔在圓周方向是非對(duì)稱的。
15、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的電機(jī)轉(zhuǎn)子組件，其中，所述數(shù)個(gè)第二空 腔中的每一個(gè)大體上對(duì)稱地定位在在圓周方向上相鄰的第一空腔之間。
16、 一種用于使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)達(dá)到最小化的方法，包括 通過阻斷轉(zhuǎn)子中的通量傾向于通過的選定區(qū)域，在電機(jī)轉(zhuǎn)子處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)抑制自然通量線的形成，所述阻斷是通過在該區(qū)域中插入一個(gè)或更多的空腔來完成；以及弓1導(dǎo)通量線繞過轉(zhuǎn)子中的所述一個(gè)或更多的空腔。
17、根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其進(jìn)一步包括將所述空腔在在圓周方向上相鄰的永磁體之間。
18、 一種制造用于電機(jī)的轉(zhuǎn)子的方法，包括形成具有數(shù)個(gè)第一孔和數(shù)個(gè)第二孔的轉(zhuǎn)子，所述第一孔能容納磁體，所述第二孔用于定形通量線。
19、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其進(jìn)一步包括在轉(zhuǎn)子的形成過程中對(duì)粉末金屬進(jìn)行壓縮和燒結(jié)。
20、根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其進(jìn)一步包括從片材沖壓出片狀件；以及在轉(zhuǎn)子的形成過程中，將片狀件彼此堆疊和固定在一起，使得第一 孔軸向?qū)?zhǔn)并且使得第二孔軸向?qū)?zhǔn)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種電機(jī)轉(zhuǎn)子。該轉(zhuǎn)子包括數(shù)個(gè)第一空腔，所述第一空腔定位成接近轉(zhuǎn)子的圓周表面，每個(gè)第一空腔能容納至少一個(gè)永磁體；以及數(shù)個(gè)大體上定位在在圓周方向上相鄰的第一空腔之間的第二空腔。
文檔編號(hào)H02K1/02GK101127464SQ20071014014
公開日2008年2月20日 申請(qǐng)日期2007年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月4日
發(fā)明者大衛(wèi)·富爾頓, 威廉·蔡 申請(qǐng)人:雷米國際有限公司