專利名稱：用于電機的永久磁鐵轉(zhuǎn)子部分的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
總的來說，本發(fā)明涉及一種用于交通工具中以提供電力來驅(qū)動輔助設(shè)備和為電池充電的交流發(fā)電機。特別是，本發(fā)明涉及一種用于交流發(fā)電機和其他電機的改進(jìn)的永久磁鐵轉(zhuǎn)子部分。
背景技術(shù)：
美國專利Nos.5,693,995，5,710,471，5,747,909和5,753,989公開了用于交流發(fā)電機的通常的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。
發(fā)明描述一方面，本發(fā)明涉及一種用于電機的轉(zhuǎn)子，它包括沿環(huán)向設(shè)置成交替結(jié)構(gòu)的多個獨立磁極和永久磁鐵，使得每一永久磁鐵設(shè)于相繼或者連續(xù)的一對獨立磁極之間的形式。永久磁鐵和獨立磁極的這種設(shè)置確定出了一個外部轉(zhuǎn)子周邊和一個用于容納軸的中央開口，轉(zhuǎn)子在所述軸上旋轉(zhuǎn)。每一獨立磁極都具有大致為三角形的截面，所述三角形截面確定了一個頂點部分和一個端部，所述頂點部分正對著中央開口，而所述端部形成了外部轉(zhuǎn)子周邊的一部分。每一永久磁鐵都具有面對著中央開口的第一端部和形成外部轉(zhuǎn)子周邊的一部分的第二端部。每一永久磁鐵從第一端部向著第二端部逐漸變細(xì)。在這里，每一永久磁鐵的這種特定幾何形狀被稱為“反梯形”。本發(fā)明轉(zhuǎn)子的重要特征是由轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的離心力沿徑向推動每一永久磁鐵遠(yuǎn)離中央開口。另外，上述離心力與獨立磁極和永久磁鐵的形狀配合，以進(jìn)一步提高位于相應(yīng)的成對連續(xù)獨立磁極之間的每一永久磁鐵的完全容納。每一對連續(xù)的獨立磁極都由一個空間分隔，所述空間的形狀與位于空間內(nèi)的相應(yīng)永久磁鐵的形狀一致。
本發(fā)明的轉(zhuǎn)子還包括一對軸轂。永久磁鐵和獨立磁極位于軸轂之間。獨立磁極以下述方式安裝在軸轂上，即在獨立磁極的頂點部分之間沒有互聯(lián)，以能夠感應(yīng)其方向大致垂直于轉(zhuǎn)子半徑的磁力。
永久磁鐵是由從鐵氧體、釹、陶瓷和釤-鈷等中選擇的磁性材料制成的。
在相關(guān)方面，本發(fā)明涉及一種用于電機的轉(zhuǎn)子，包括以交替結(jié)構(gòu)設(shè)置的至少兩個獨立的磁極和至少兩個永久磁鐵，使得每一永久磁鐵位于接連的或者連續(xù)的一對獨立磁極之間的形式。永久磁鐵和獨立磁極的這種設(shè)置確定了一個外部轉(zhuǎn)子周邊和一個用于容納軸的中央開口，轉(zhuǎn)子在所述軸上旋轉(zhuǎn)。每一獨立磁極都具有正對著中央開口的第一端部和形成外部轉(zhuǎn)子周邊的一部分的第二端部。每一獨立磁極的第二端部都具有一對唇緣，所述唇部與在該處確定的外部轉(zhuǎn)子周邊的限定曲線一致。每一永久磁鐵都具有正對著中央開口的第一端部和形成外部轉(zhuǎn)子周邊的一部分的第二端部。每一獨立磁極的第二端部的每一唇部都抵靠著相應(yīng)的永久磁鐵的第二端部的一部分，由此，由轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的離心力沿徑向推動每一永久磁鐵遠(yuǎn)離中央開口，并且，上述離心力與獨立磁極和永久磁鐵配合，以進(jìn)一步提高了位于相應(yīng)的成對連續(xù)獨立磁極之間的每一永久磁鐵的完全容納。每一對相繼的或者連續(xù)的獨立磁極都由一個空間分隔，所述空間的形狀與位于空間內(nèi)的相應(yīng)永久磁鐵的形狀一致。在一個實施例中，每一永久磁鐵都具有反梯形的截面。在另一實施例中，每一永久磁鐵都具有大致為矩形的截面。
附圖簡要描述應(yīng)認(rèn)為本發(fā)明的特征是新穎的。下面的附圖僅是示意性的并且沒有按比例繪制。但是，本發(fā)明本身，即其結(jié)構(gòu)和操作方法，能夠結(jié)合附圖并參照下面的詳細(xì)描述更好地得以理解，其中
圖1是已有技術(shù)的永久磁鐵轉(zhuǎn)子部分的分解圖。
圖2是圖1所示的磁極的頂視圖。
圖3是本發(fā)明的永久磁鐵轉(zhuǎn)子部分的分解圖。
圖4是圖3所示的永久磁鐵的側(cè)面剖視圖。
圖5是沿圖4所示5-5剖開的視圖。
圖6是沿圖4所示6-6剖開的視圖。
圖7是圖4所示永久磁鐵的立體圖。
圖8是本發(fā)明的永久磁鐵轉(zhuǎn)子部分的立體圖。
圖9表示了圖8所示永久磁鐵轉(zhuǎn)子部分的一部分以及穿過該轉(zhuǎn)子部分的磁通路徑。
圖9A是圖3、8和9所述的磁極的頂部平面視圖。
圖10是圖表，它示出了由本發(fā)明所述的永久磁鐵轉(zhuǎn)子部分的結(jié)構(gòu)所獲得的聚集磁通路徑的特性。
具體實施例方式在描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例時，可以參照附圖1-10，其中相似的序號表示本發(fā)明中相似的元件。
為了便于理解和認(rèn)識本發(fā)明的永久磁鐵轉(zhuǎn)子部分的優(yōu)點，首先參考圖1和圖2對典型的已有技術(shù)的永久磁鐵轉(zhuǎn)子部分進(jìn)行描述。
參見圖1，該圖表示了已有技術(shù)的轉(zhuǎn)子裝置10。裝置10通常包括軸轂12、螺釘13、軸轂14和磁極結(jié)構(gòu)16。螺釘13設(shè)置為穿過磁極結(jié)構(gòu)16上的對應(yīng)開口并旋入軸轂14中的螺紋孔17中。
當(dāng)安裝在電機中時，轉(zhuǎn)子10相對于定子(未表示)轉(zhuǎn)動。在普通許可的美國專利5,693,995，5,710,471，5,747,909和5,753,989中描述了用于交流發(fā)電機的典型結(jié)構(gòu)，這些專利公開的內(nèi)容作為參考文獻(xiàn)包含在本文中。
參見圖2，十個(10)轉(zhuǎn)子場磁極18從轉(zhuǎn)子芯20上沿徑向延伸。轉(zhuǎn)子16由高磁導(dǎo)率材料制成。轉(zhuǎn)子16可由單獨的固體件構(gòu)成，或者由具有圖2所示截面的多個疊層件構(gòu)成。磁極18之間的空間22的尺寸制成能夠容納具有切向磁力的永久磁鐵(未表示)。為了在制造時能夠插入磁鐵，在空間22的尺寸和磁鐵尺寸之間需要有機械公差。這種構(gòu)造的結(jié)果是產(chǎn)生了一個降低電機性能的“伴生”(機械)氣隙。另外，在鐵芯20處產(chǎn)生了無用的磁通路徑或者磁通泄漏路徑。這種無用的磁通路徑會導(dǎo)致明顯的“磁通泄漏”而降低電機的效率和性能。已有技術(shù)的永久磁鐵轉(zhuǎn)子部分具有上述缺點，而本發(fā)明所示的永久磁鐵轉(zhuǎn)子部分則能避免這些缺點。
參見圖3，該圖表示了本發(fā)明所述的永久磁鐵轉(zhuǎn)子部分50的分解圖。轉(zhuǎn)子部分50通常包括軸轂52和54、永久磁鐵56、獨立磁極58、緊固螺栓60和62。每一磁極58還包括多個沿軸向延伸且尺寸制成能夠容納對應(yīng)螺栓60的開口63。軸轂52和54具有用于容納螺栓62的螺紋開口64。軸轂52和54由非磁性材料(低磁導(dǎo)率材料)制成。獨立磁極58和緊固螺栓60由高磁導(dǎo)率材料制成。
參見圖3、4-7和8，在優(yōu)選實施例中，永久磁鐵56具有特定的結(jié)構(gòu)和取向，這里被稱為“反梯形”。每一對相繼的或者連續(xù)的磁極58之間的空隙都具有與相應(yīng)的永久磁鐵56配合的形狀，所述相應(yīng)的永久磁鐵56位于成對的相繼或者連續(xù)磁極58之間的空隙中。每一磁鐵56都具有寬度為W1的端部66和寬度為W2的端部68，所述寬度W2小于寬度W1。磁鐵56還包括一對側(cè)面，其中之一用序號70指示，另一個沒有表示。參見圖8，本發(fā)明的一個重要特征是磁極58的特定形狀和布局以及位于磁極58之間的空隙中的每一磁鐵56的布置。參見圖9和9A，每一磁極58都制成扇形并具有大致為三角形的截面，其中每一磁極58的頂點71都指向轉(zhuǎn)子中心或者指向軸(未表示)，轉(zhuǎn)子50在該軸上旋轉(zhuǎn)。每一磁極58的形狀和每一磁極58相對于其他磁極58的位置提供了在每一對相繼的磁極58之間的大致為梯形的空間。每一磁鐵56都插入每一對相繼或者連續(xù)的磁極58之間的對應(yīng)空間中。因此，每一磁鐵的端部68都大致位于轉(zhuǎn)子50的外徑或圓周上。與圖2所示的已有技術(shù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比，圖3、4-7和8所示的磁鐵和磁極結(jié)構(gòu)的一個重要特征是，在內(nèi)部直徑水平面上，三角形磁極58的頂點71并不互相結(jié)合。本發(fā)明的磁鐵和磁極結(jié)構(gòu)的結(jié)果是，箭頭72(見圖4)指示的磁化作用方向大致垂直于轉(zhuǎn)子50的半徑。也就是說，磁鐵56和磁極58的結(jié)構(gòu)和布局迫使磁通聚焦在轉(zhuǎn)子和定子(未表示)之間的作用氣隙上。最終的磁通路徑顯示在圖9中并用序號74指示。
磁鐵56和磁極58的形狀配合起來能夠防止磁鐵56從磁極58之間的空間移出。在轉(zhuǎn)子50運轉(zhuǎn)過程中，離心力作用在磁鐵56上，并在直徑方向上擠壓和鎖緊轉(zhuǎn)子50。因此，通過本發(fā)明轉(zhuǎn)子50的永久磁鐵56和磁極58的特定結(jié)構(gòu)和布局，能夠避免產(chǎn)生在圖2所示的已有技術(shù)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，由磁極18的互聯(lián)而形成無用磁通路徑所帶來的問題和缺點。在這種方式下，從實際上消除了“伴生”氣隙。參見圖9A，在優(yōu)選實施例中，每一磁極58都包括唇部75和76以進(jìn)一步固定磁鐵56，并防止每一磁鐵56沿徑向向外運動到轉(zhuǎn)子50和定子(未表示)之間的作用氣隙中。在替換實施例中，向每一磁鐵56和鄰近磁極58之間的接觸表面施加了粘接膜。
在替換實施例中，也可以用矩形磁鐵代替磁鐵56。在該結(jié)構(gòu)中，每對連續(xù)或者相繼的獨立磁極之間的空間都大致為矩形，并且獨立磁極具有沿徑向束縛矩形磁鐵的唇部(類似唇部75和76)。在矩形磁鐵和磁極58之間的接觸表面上還施加了粘接膜。
在轉(zhuǎn)子50的組裝過程中，最好有一個步驟是旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子50，以在平衡轉(zhuǎn)子50之前使離心力沿徑向推動磁鐵56。
參見圖10，該圖表示了Φ與mmf(磁通與電機磁力)和等效電路的圖表，它表示了由磁鐵56和磁極58的結(jié)構(gòu)和布局形成的磁通路徑的特性。等效電路中所示的符號具有以下含義Rgap電機氣隙磁阻；Rpgap在每一磁鐵56和磁極58之間的伴生氣隙磁阻；Rlk存在于磁鐵末端的泄漏磁阻；Rmg0由磁鐵厚度決定的內(nèi)部磁阻；Φr內(nèi)部磁通，在磁路中相當(dāng)于理想電流源(Φr＝BrAmg表示了永久磁鐵的殘余磁通密度與垂直于磁化作用方向的面積的乘積)；Φm由磁鐵產(chǎn)生的磁通；Φgap電機氣隙內(nèi)的磁通。
參見圖10，每一永久磁鐵56都被離心力沿徑向推壓，因此，伴生氣隙減小，使得Rpgap的值接近零。這反映在Φ與mmf的圖表中是使得負(fù)載線靠近磁通線。結(jié)果是氣隙磁通更高了。因此，采用獨立磁極58以及防止磁通找到更短的路徑將從實質(zhì)上減小泄漏磁阻。
由于獨立磁極58之間在內(nèi)部直徑層面上沒有連接處，所以與已有技術(shù)的永久磁鐵轉(zhuǎn)子部分相比，減小了主要泄漏途徑。在采用反梯形的磁鐵56的結(jié)構(gòu)中，這些磁鐵能夠從實質(zhì)上減小伴生氣隙，而這些氣隙是將已有技術(shù)的矩形磁鐵插入對應(yīng)的矩形空間時所需要的(由于裝配誤差)。由于下述事實，即當(dāng)轉(zhuǎn)子50旋轉(zhuǎn)時，獨立磁極58在軸轂52和54、緊固螺栓60和62作用下沿徑向被固定，而永久磁鐵56沿徑向被離心力推壓。因此，從實質(zhì)上減小了伴生氣隙。
從上面的描述中可以看出，轉(zhuǎn)子50比已有技術(shù)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更簡單。另外，應(yīng)該理解到，盡管將轉(zhuǎn)子50描述為應(yīng)用在交流發(fā)電機或混合交流發(fā)電機中，轉(zhuǎn)子50也能應(yīng)用于任何采用永久磁鐵的電機中。
上述說明描述了本發(fā)明的原理、優(yōu)選實施例和操作方式。本發(fā)明意欲保護(hù)的內(nèi)容不應(yīng)被解釋為只限于這里公開的特定形式，這些實施例應(yīng)認(rèn)為是示意性的而不是限制性的。在不脫離本發(fā)明精神的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明做出多種變形。因此，上述描述應(yīng)認(rèn)為是示例性的，并不是對所附權(quán)利要求所述的發(fā)明的范圍和精神進(jìn)行限制。
權(quán)利要求
1.一種用于電機的轉(zhuǎn)子，包括沿圓周方向以交替結(jié)構(gòu)設(shè)置多個獨立磁極和永久磁鐵，使得每一永久磁鐵位于一對相繼的獨立磁極之間，永久磁鐵和獨立磁極的這種設(shè)置確定了一個外部轉(zhuǎn)子周邊和一個用于容納軸的中央開口，轉(zhuǎn)子在所述軸上旋轉(zhuǎn)，每一獨立磁極都具有大致為三角形的截面，所述三角形截面確定了一個頂部和一個端部，所述頂部正對著中央開口，而所述端部形成了外部轉(zhuǎn)子周邊的一部分，每一永久磁鐵都具有反梯形截面、正對著中央開口的第一端部和形成外部轉(zhuǎn)子周邊的一部分的第二端部，每一永久磁鐵都從第一端部向著第二端部逐漸變細(xì)，由此，由轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的離心力沿徑向推動每一永久磁鐵遠(yuǎn)離中央開口，并且離心力與獨立磁極和永久磁鐵的形狀配合，進(jìn)一步使位于相應(yīng)的成對相繼獨立磁極之間的每一永久磁鐵的更完全卡緊。
2.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，還包括一對軸轂，永久磁鐵和獨立磁極位于軸轂之間，獨立磁極以下述方式安裝在軸轂上，即在獨立磁極的頂部之間沒有互聯(lián)，以便能夠感應(yīng)方向大致垂直于轉(zhuǎn)子半徑的磁力。
3.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其中每一獨立磁極的端部都確定了一對唇部，所述唇部與外部轉(zhuǎn)子周邊在該處確定的曲線一致，每一唇部都抵靠著相應(yīng)的永久磁鐵。
4.如權(quán)利要求1所述的永久磁鐵轉(zhuǎn)子，其中每一獨立磁極都具有沿軸向延伸的、其尺寸適于容納緊固螺栓的孔。
5.如權(quán)利要求4所述的永久磁鐵轉(zhuǎn)子，其中獨立磁極和緊固螺栓由磁導(dǎo)率相對高的材料制成。
6.如權(quán)利要求1所述的永久磁鐵轉(zhuǎn)子，其中每一磁鐵都是由從鐵氧體、釹、陶瓷和釤鈷等中選擇出的磁性材料制成的。
7.如權(quán)利要求1所述的永久磁鐵轉(zhuǎn)子，其中每一對獨立磁極都由一個空間分隔，所述空間的形狀與設(shè)于空間內(nèi)的相應(yīng)永久磁鐵的形狀一致。
8.一種用在永久磁鐵轉(zhuǎn)子中的獨立磁極，所述永久磁鐵轉(zhuǎn)子具有用于容納軸的中央開口，轉(zhuǎn)子在所述軸上旋轉(zhuǎn)；一個外部轉(zhuǎn)子周邊；和至少兩個永久磁鐵，獨立磁極具有大致為三角形的截面，該三角形截面確定了一個頂部和一個端部，所述頂部正對著中央開口，所述端部形成了外部轉(zhuǎn)子周邊的一部分。
9.如權(quán)利要求8所述的獨立磁極，其中每一獨立磁極的端部都確定出了一對唇部，所述唇部與外部轉(zhuǎn)子周邊在該處限定的曲線一致，每一唇部都抵靠著相應(yīng)的永久磁鐵。
10.如權(quán)利要求8所述的獨立磁極，其中每一獨立磁極都具有沿軸向延伸且其尺寸制成適于容納緊固螺栓的孔。
11.如權(quán)利要求8所述的獨立磁極，其中每一獨立磁極都由磁導(dǎo)率相對高的材料制成。
12.一種永久磁鐵，它構(gòu)造成位于轉(zhuǎn)子上成對的相繼獨立磁極之間，其中每一獨立磁極都具有大致為三角形的截面，轉(zhuǎn)子具有用于容納軸的中央開口和外部轉(zhuǎn)子周邊，轉(zhuǎn)子在所述軸上旋轉(zhuǎn)，永久磁鐵具有反梯形截面、正對著中央開口的第一端部和形成外部轉(zhuǎn)子周邊的一部分的第二端部，永久磁鐵從第一端部向著第二端部逐漸變細(xì)。
13.如權(quán)利要求12所述的永久磁鐵，其中永久磁鐵是由從鐵氧體、釹、陶瓷和釤-鈷等中選擇出的磁性材料制成的。
14.一種用于電機的轉(zhuǎn)子，包括以交替結(jié)構(gòu)設(shè)置的至少兩個獨立磁極和至少兩個永久磁鐵，使得每一永久磁鐵位于成對相繼的獨立磁極之間，永久磁鐵和獨立磁極的這種設(shè)置確定了一個外部轉(zhuǎn)子周邊和一個用于容納軸的中央開口，轉(zhuǎn)子在所述軸上旋轉(zhuǎn)，每一獨立磁極都具有正對著中央開口的第一端部和形成外部轉(zhuǎn)子周邊的一部分的第二端部，每一獨立磁極的第二端部都具有一對唇部，所述唇部與外部轉(zhuǎn)子周邊的在該處限定的曲線一致，每一永久磁鐵都具有面對著中央開口的第一端和形成外部轉(zhuǎn)子周邊的一部分的第二端，每一獨立磁極第二端的每一唇部都抵靠著相應(yīng)的永久磁鐵的第二端部的一部分，由此，由轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的離心力沿徑向推動每一永久磁鐵遠(yuǎn)離中央開口，并且所述離心力與獨立磁極和永久磁鐵的形狀配合，進(jìn)一步使位于相應(yīng)的成對連續(xù)獨立磁極之間的每一永久磁鐵更完全地卡緊。
15.如權(quán)利要求14所述的永久磁鐵轉(zhuǎn)子，其中每一對相繼的獨立磁極都由一個空間分隔，所述空間的形狀與位于空間內(nèi)的相應(yīng)永久磁鐵的形狀一致。
16.如權(quán)利要求15所述的永久磁鐵轉(zhuǎn)子，其中每一永久磁鐵都具有反梯形的截面。
17.如權(quán)利要求15所述的永久磁鐵轉(zhuǎn)子，其中每一永久磁鐵都具有大致為矩形的截面。
全文摘要
一種用于電機的轉(zhuǎn)子,包括:多個具有三角形截面的獨立磁極(58)和具有梯形截面形狀的永久磁鐵(56)。獨立磁極和永久磁鐵的形狀相互配合,使永久磁鐵更完全卡緊。
文檔編號H02K1/27GK1375122SQ00813143
公開日2002年10月16日 申請日期2000年9月19日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月20日
發(fā)明者C·伊夫林 申請人:?？瓢瑺柟?br>