模块化可控磁通量永磁式电机的制作方法

专利名称：模块化可控磁通量永磁式电机的制作方法
技术领域：
本实用新型一般涉及电机，如电动机、交流发电机、发电机等。更具体地说，本实用新型涉及永磁式电机的模块化组件和磁通量控制组件，上述模块化组件具有带内部永久磁铁的转子组件。
背景技术：
利用永久磁铁的电磁机器的一种限制是永久磁铁提供恒定不变的磁通量，该恒定不变的磁通量不一定相应于所预计的电磁机器工作条件的最理想的通量。这种限制在电磁机器可能以非常不同的工作模式工作的情况下特别重要。例如，恒定不变的磁通量限制在些洗衣机应用中特别重要，在这些应用中电机是以高速/低转矩工作模式(比如，在洗衣机的旋转期间)和以低速/高转矩的工作模式工作。
在过去和在使上述恒定磁通量限制的副作用减至最低的努力中，制定了许多折衷方案。例如，在洗衣机等应用中，预计电机是以高速/低转矩模式工作，电机常常被设计成在每个相绕组中具有最少的绕组匝数。尽管利用这种最少匝数会保证理想的以高速/低转矩模式工作，但如果电机以高转矩/低速模式工作产生问题，因为电机以这种模式的有效运转要求在电机绕组中产生比较大的电流。为了提供这种电流，驱动电机的功率器件，如变换器必须足够大，以便处理这种大电流，结果造成变换器费用和复杂性增加。
美国专利5,530,307公开了一种用于动态调节无刷永磁电机中磁通量的解决方案，以便电机可以用不同的工作模式工作，并且可以优化驱动电机的变换器费用和复杂程度。该美国专利被整体引入作为参考。所公开的解决方案能用常规设计的变换器完成电机的相转换。
在本申请的图1中，示出了一种在美国专利5,530,307中所公开的无刷永磁电机的部件10。部件10包括转子组件20和磁通量控制组件40。转子组件20设置在电机的定子组件(未示出)内，并包括转子轴22，所述转子轴22具有多个安装于其上的层叠式转子叠片24。各转子叠片24形成多个向外的凸极26a，26b。永久磁铁30a，30b磁附着在转子叠片24上。永久磁铁30a，30b是细长的长面包形状。磁铁的第一弓形表面磁附着到各叠片24上。磁附着产生这样的交替转子组件，其中由转子叠片24所形成的每个极26a，26b现在是相同类型的极。例如，由转子叠片24所形成的所有极26a，26b可以都是南(S)极，而转子组件20的北(N)极由对应的磁铁30a，30b形成。
磁通量控制组件40用来控制耦合在电机的转子组件20和定子组件之间的磁通量。磁通量控制组件40包括磁装配夹具42，线圈44，笼50和支腿52a，52b。磁装配夹具42通过附着件48附着到电机的一个端壁(未示出)上，线圈44安装在磁装配夹具42上。因此，线圈44围绕转子轴22装配，以便以它们之间形成一个气隙(看不到)。笼50是管状，并且围绕磁装配夹具42和线圈44设置。在装配夹具42和管状笼50的内径之间形成另一个气隙G3。
笼50上的支腿52a，52b延伸转子组件20叠片组的长度。支腿52a，52b具有弓形外表面54和弓形内表面，上述弓形外表面54面向定子组件，而上述弓形内表面磁附着到永久磁铁30a，30b的第二表面34上。随着支腿52a，52b附着到永久磁铁30a，30b上，以及磁铁附着到转子组件20上，笼50围绕夹具42悬置并可与转子同步旋转。磁通量控制组件40可以提供一个换向磁通路径，该换向磁通路径与转子组件20和定子之间的主磁通路径不同。换向的磁通量可以根据加到线圈44上的电流流动方向增加地或是操作地与主磁通量结合。这样，通过控制流到线圈44的电流可以控制所公开的电机的磁通量。利用磁通量控制组件40，例如，可以减少电机的转矩，尤其是在高速下降低电机的转矩，并降低对电机的电流要求。
尽管美国专利5,530,307的机器能很好工作并具有优于常规设计的优点，但仍有改进余地。例如，笼50的支腿52a，52b的坚固而细长的构造导致铁损，并可能产生不希望有的齿槽效应转矩。
本发明目的是克服或至少减少上述问题中的一个或多个的影响。
发明概述本实用新型公开了一种电磁机器的模块化组件。该模块化组件包括转子组件和磁通量控制组件。转子组件具有一个轴，和多个安装在轴上的转子叠片。转子叠片限定至少四个凸转子极。至少一个永久磁铁埋置在至少两个凸转子极中每一个的转子叠片中。可供选择地，至少两个永久磁铁成层地埋置在至少两个凸转子极中的每一个中。转子组件可以具有交替磁极式或非交替磁极式安排，并且永久磁铁可以安装在限定与多个转子叠片的磁铁保持槽中。磁通量控制组件具有围绕轴设置的固定线圈，支承在转子组件上，用于在线圈和至少两个带埋置式磁铁的凸转子极之间传输磁通量。在一个实施例中，支承件安装在轴上并将笼支承于其上。支承件可以由磁性或非磁性材料构成。另外，支承件可以包括多个支承叠片。各支承叠片可以限定若干用于支承磁铁端部的磁铁保持槽。在另一个实施例中，将支承件或连接器连接在笼和至少两带埋置式磁铁的转子极之间，以便将笼支承在转子组件上。连接器可以是连接到至少两个凸转子极和笼中的孔上的分立元件，或者可以式笼的整体部件。在还有另一个实施例中，永久磁铁的末端可以支承在支承叠片上，所述若干支承叠片安装在转子轴上，并且笼可以支承在永久磁铁的末端上。
上述概述并不是总结每个可能的实施例或所公开的主题的每个方面。


通过阅读结合附图参照特定实施例的详细说明，将更好地理解上述概述、优选实施例、和这里所公开的主题的其它方面，其中图1示出了根据现有技术的一种可控磁通量电机转子组件的透视图；
图2示出了根据本公开的教导的用于电机的模块化组件第一实施例的透视图；图3A是所公开的电机的截面图，示出了定子组件、图2的模块化组件及穿过电机的换向磁通路径；图3B是图3A所公开的电机端部截面图，示出了穿过电机的主磁通路径；图4示出了用于图3A-B所公开的电机的笼，线圈装配夹具，及支承件的实施例透视图；图5示出了用于根据本公开的教导所述的、具有一支承件或轴向连接器的电机的模块化组件的一个实施例截面图；图6示出了用于图5所公开的电机的一种笼的实施例的透视图；图7示出了用于根据本公开的教导所述的、具有一轴向磁通构件的电机的模块化组件的截面图；图8示出了用于根据本公开的教导所述的、具有多个埋入式磁铁和一个叠片式支承件的电机的模块化组件实施例的截面图；图9A-B示出了用于图8所公开的电机的、具有交替式转子极和多个埋入式磁铁的转子叠片实施例；图10A示出了用于图8叠片式支承件的支承叠片的一个实施例的平面图；图10B示出了用于图8叠片式支承件的支承叠片的另一个实施例的平面图；图11示出了用于根据本公开的教导的电磁机器的、具有带露出端部的磁铁的模块化组件的一个实施例的截面图；图12A示出了图11所公开的机器的截面图；图12B为图11所公开的机器的另一个截面图；图13示出了用于根据本公开的教导的电磁机器的6极叠片和分段式定子叠片实施例的平面图；图14A-C示出了用于图13所公开的电机的一种笼的实施例的各种视图；图15示出了一种具有交替磁极式安排和双磁通量控制组件的可控磁通量永磁电机实施例的截面图；图16A-B示出了用于所公开的电机的线圈、装配夹具、绕线架188和盖环的一个实施例的截面图和前视图；图17示出了用于所公开的电机的一种优选盖环的截面图；图18示出了一种非交替磁极式安排和双磁通控制的可控磁通量永磁电机实施例的侧视图；及图19示出了用于图18转子组件的一种具非交替式转子极和多个埋入式电极的叠片的实施例的平面图。
尽管所公开的电机容许各种修改和可供选择的形式，但已在附图中作为例子示出它们的特定实施例，并在本文中详细作了说明。附图和文字说明不打算以任何方式限制本发明的思想。相反，提供附图和文字说明为的是通过特定的实施例向本领域的技术人员举例说明发明思想。
详细说明参见图2-4，图2-4示出了根据本实用新型某些教导的电机100的一个实施例的各个部件。在图2中，以透视图形式示了用于所公开的电机100的模块化组件106。在图3A-B中，以沿着图1的线段A-A和B-B的截面图形式示出了模块化组件106，并且其位于所公开的电机100的定子组件内。在图4中，以透视图形式示出了笼17和支承件180的实施例。为清楚起见，在图2-4中均未示出所公开的电机100的一些附加部件，如轴承、壳体和绕组等。
如图2中最佳示出的，模块化组件106包括转子组件120和磁通量控制组件140。转子组件120包括转子轴122，多个向外的凸转子极126a-d，及多个永久磁铁130a，130c。转子组件120属于内部永久磁铁(IPM)类型，并可以例如在无刷永磁电动机中使用。尽管在各附图中示出的转子组件120为一种4极转子，但应该理解，所公开的电机的其它转子组件一般可以具有多个转子极，而优选的是具有大于或等于4的偶数转子极。转子组件120优选的是由转子叠片组124形成，上述转子叠片组124用已知的技术(比如，通过若干互锁的夹具、胶、连接器等)连接在一起，并通过已知的技术安装在与它们一起旋转的轴上。多个叠层式转子叠片124限定多个向外的凸转子极126a-d。
永久磁铁130a，130c埋置在凸转子极126a，126c之内。永久磁铁130a，130c被安装成其外极彼此径向相对，并且在径向方向上位于由高导磁性的叠片124形成的凸极126b，126d的两侧。由于永久磁铁130a，130c的极性彼此相反和相互排斥，所以它们被埋置于其中的转子极126a，126c根据一个极性方向如N极被极化，而侧面的凸转子极126b，126d被极化到相反的方向如S极。在这种安排情况下，完全相反的磁极的相互排斥使转子具有比永久磁铁数多一倍的磁极。
如在图3A截面图中最佳示出的，每个转子叠片124都具有一个磁块保持槽128，所述磁铁保持槽128被限定在凸转子极126a，126c中。在转子叠片124组中，各槽128基本上对准，以便它们在轴向上沿着凸转子极126a，126c的长度从转子组件120的一端延伸到另一端。永久磁铁130a，130c被安装这些槽128中，并且转子叠片124的外表面在径向上夹持磁铁130a，130c，以便它们不因高速旋转而移位。因此，完全不需要用于覆盖和夹持磁铁130a，130c外周边的一种外部构件或支腿，如在背景技术部分所述的现有技术电机中所用的支腿。另外，可以避免由于这种坚固构件如现有技术支腿所引起的任何铁损。
在所公开的机器的本实施例中，永久磁铁130a，130c优选的是具有基本上是矩形横截面的块状磁铁，并且构造简单，容易制造。例如，块状磁铁130a，130c不需要高精度地精整它们的表面。
在所公开的机器中所用的永久磁铁130a，130c可以包括本领域已知的任何不同的类型和材料。例如，永久磁铁130a，130c可以是铸造、烧结或树脂粘合型，并可以是，但不限于，缺氧体磁铁，铝镍钴磁铁，留意合金磁铁，稀土钕磁铁，稀土钐钴磁铁，或钕铁硼化合物。若用高性能磁铁，如稀土磁铁，则能使所公开的机器的永久磁铁130a，130c变得比较薄，这在所公开的机器埋置式磁铁转子组件120的性能和制造方面是有利的。
可以用胶或其它技术将永久磁铁130a，130c固定在磁铁保持槽128内。可供选择地，可以将永久磁铁130a，130c加工成一定尺寸，以便通过磨擦配合安排将其保持在磁铁保持槽128内。例如，在所公开的机器100的一个实施例中，可以用一种特殊构造的磁铁保持槽结构128来帮助使磁铁130a，130c定位保持在磁铁保持槽128内，并阻止在高速和/或高电流下磁铁130a，130c在槽128内的不希的移动(经常叫做磁铁“震颤”)，尽管磁铁130a，130c的尺寸和磁铁保持槽精密尺寸有很小变化。磁铁保持槽128的合适构造的说明已在美国专利申请10/229826中公开(2002年8月28日提交，标题为“Interior Permanent Magnet Motor for Use in WashingMachines”)，该申请的内容被结合在此作为参考。利用这种特殊构造可以使供所公开的机器100更安静地运转，并可用于增加磁铁130a，130c和磁铁保持槽128的尺寸容差，以便可能降低与制造所公开的机器100有关的成本。
如图3A的截面图所示，所公开的机器100的定子组件110可以由基本上相同的定子叠片114形成，上述定子叠片114具有多个向内的凸极，在图3A中只示出其中的两个凸极116a，116c。定子极116限定一个中心孔112，转子组件120设置在上述中心孔112中。如图3B末端部分中所最佳示出的，定子组件110可以不分段，因此每个定子叠片114都限定定子极116之一。在本例中，对4极转子组件120示出了6个定子极116。然而，一般来说，所公开的机器100的定子组件110可以包括多个定子极，并可具有分布或集中绕组(未示出)。例如，在一个实施例中，所公开的机器100可以包括一个4极转子和一个具有集中绕组的12极定子。
由于组件106是模块化的，所以转子组件120可以在没有磁通量控制组件140安装在机器中的情况下，安装在所公开的机器100内，并可以充分起作用。因此，在没有磁通量控制组件140的情况下，可以获得本文中更详细说明的转子组件120的好处。然而，为了控制磁通量，磁通量控制组件140也可以安装在所公开的机器100中。有许多例外，所公开的机器的磁通量控制组件140基本上与美国专利5,530,307中所公开的相同，该美国专利被整体引入作为参考。如图2中最佳示出的，磁通量控制组件140包括线圈装配夹具150，线圈160，和笼170。装配夹具150由磁性材料构成并形成一个环形壳体152。线圈160通常由卷绕的铜线形成，该线圈160安装在装配夹具150的环形壳体152中。当安装在所公开的机器100中时，装配夹具150靠近叠层式转子叠片124的一端安装。如图3A的截面图中最佳示出的，装配夹具150的环形壳体152具有一个开口端154，所述开口端154面向转子组件120。装配夹具150的闭合端156在158处安装到所公开的机器100的电机壳体或结构的一个壁或平面W上，以便装配夹具150相对于转子组件120的旋转是固定的。装配夹具150具有一个内径，所述内径大于转子轴122的直径，以便在装配夹具150和轴122之间形成图3A所示的气隙G2。
笼170支承在转子组件120上。如图2最佳示出的，该笼170包括一个用于绕装配夹具150悬置的管状体部分172。笼170还包括多个边缘部分(在图2中只示出176a)，用于接触具有埋置式磁铁130a，130c的相应的凸转子极126a，126。当笼170安装在所公开的机器100中时，管状体部分172绕固定的装配夹具150和线圈160悬置，以便在装配夹具150和管状体部分172的内表面之间形成气隙G3。
如图3A最佳示出的，笼170的边缘部分176a，176c是管状部分172的圆周边缘的延伸部分，所述延伸部分分别从管状体部分172延伸一个比较短的距离。各边缘部分176a，176c的末端基本上与具有埋置式磁铁130a，130c的转子极126a，126c接触。如下面更详细说明的，各边缘部分176a，176c和管状体部分172能使换向的磁通量在带有埋置式磁铁130a，130c的转子极126a，126c和线圈160之间传输。在本实施例中，支承件180安装在靠近转子叠片124一端的转子轴122上。支承件180把笼170支承在轴122上，并保持管状体部分172绕固定装配夹具150和线圈160悬置。另外，支承件180保持边缘部分176a，176c基本上与带埋置式磁铁130a，130c的转子极126a，126c接触。
在图4中，以透视图示出了用于图2-3B所公开的机器的笼170，装配夹具150和支承件180。支承件180基本上是一个径向构件并限定一个中心孔182，所述中心孔182用于利用本领域的已知技术安装在转子轴122上。支承件180具有端面186，该端面支承笼170的至少一个表面。在本实施例中，端面186是弓弧形，用于基本上在边缘部分176a，176c处支承笼170的内表面。
对其中两个极带有本实施例的埋置式磁铁的4极转子组件，支承件180可以类似于图中所示的那样。对在三个交错极中埋置磁铁的6极转子组件，笼可以具有三个边缘部分，并且支承件可以例如类似于一种3极安排。可供选择地，支承件180可以具有一个完整的圆盘形状，其一个径向表面用于接触和支承笼170的边缘部分176a，176c的内表面。优选的是，使支承件180的厚度T1减至最小，以便节省相邻的转子组件(未示出)，固定的装配夹具150和线圈(未示出)之间的空间。此外，笼170的边缘部分176a，176c的长度L1优选的是和基本上等于支承件180的厚度T1，以节省空间。
可以用本领域已知的机构或技术将支承件180的端面186安装或连接到边缘部分176a，176c上。例如，可以用一种胶或粘合剂将支承件两端186和边缘部分176a，176c固定在一起。支承件180可以由多种材料构成，并且可以是一种材料的整体部件或由多个叠片形成。例如，在本实施例中，支承件180可以由非磁性材料如铝或塑料的单一部件构成。如上所述，例如，支承件的其它实施例可以由磁性材料的多个叠片形成并安装在轴上。
笼170可以由高导磁率的粉状金属挤压等形成，以便提供一种坚固而稳定的构件，它可以承受当所公开的机器100高速运转时所产生的离心力。边缘部分176a，176c和管状体部分172的厚度T2优选的是选择为使多个变量优化，所述变量包括组件120和140的部件的饱和程度、磁铁13的磁通密度及笼1780的结构整体性等。在一个例子中，边缘部分176的长度L1和支承件180的厚度T1可以如此选定，以使装配夹具150和线圈160的可利用空间量达到最大，还能得到合适的结构整体性，足够的磁通量转向及笼170的最佳饱和程度。笼170和边缘部分176a，176c的厚度T2可以为约0.120英寸。边缘部分176a，176c的长度L1基本上等于支承件18-的厚度T1。长度L1和厚度T1可以近似地在例如约0.100-0.350英寸的范围内。应该理解，这里所提供的数值仅是示例性的，并且特定值的选择取决于实施所公开的机器100的专用标准。
为了用磁通量控制组件140控制所公开的机器100的磁能量，可以在运行期间将直流(DC)电流加到线圈160上。在图3A和3B中用虚线表示两种分离开的磁通量通路P1和P2。在图3B中示出了主磁通量通路P1，它贯穿凸转子极126a，126c、贯穿永久磁铁130a，130c、跨过气隙G1，贯穿定子110并返回。
相反，在图3A中示出了转向磁通量通路P2。来自线圈160的磁通量桥接装配夹具150和转子轴122之间的气隙G2。磁通量通过转子轴122传输到叠层式转子叠片124上。磁通量流过转子叠片124和永久磁铁130，然后在转子叠片之间流动到笼170的边缘部分176a，176c。即使转子极126a，126c叠加，磁通量也可以在叠片124之间流动，因为在它们之间有许多金属与金属的接触点。转子叠片124之间的微小气隙可能往往会减少叠片124之间的转向磁通量流动，但在很大程度上不妨碍所公开的磁通量控制组件140的操作。
如上所述，笼170的边缘部分176a，176c实际上与转子组件120叠层式叠片124的末端接触。它们之间的接触使转向磁通量能从凸转子极126a，126c传输到笼170上。因此，边缘部分176a，176c的远端和转子组件120叠层式转子叠片124的末端优选的是具有最大的金属与金属的接触量，在此处它们彼此触及或邻接。此外，边缘部分176a，176c的远端优选的是齐平并基本上垂直于笼170的中心轴，而转子叠片优选的是基本上垂直于轴122安装。
在边缘部分176a，176c接触转子极126a，126c的情况下，磁通量从转子极126a，126c传输到边缘部分176a，176c并进入管状体部分172。然后，磁通量桥接气隙G3，并通过装配夹具150流回到线圈160。转向磁通量P2根据电流流过线圈160的方向或是相加式或是操作式与通过主通路P1的磁通量结合。这样，可以通过控制流到固定线圈160的电流进行控制所公开的机器100的最终磁通量。磁通量控制组件140可以减小转矩，尤其是在高速下，并可以降低对所公开的机器各电子元件(未示出)如变换器的电流要求。
如这里所证明的，所公开的机器100有许多优于图1现有技术机器的好处。一方面，转子组件120可以与所公开的机器100中的磁通量控制组件140无关使用。另一方面，与图1现有技术机器的铁损相比，可以减少具有转子和磁通量控制组件120和140的所公开的机器100的铁损。尤其是，图1的现有技术机器具有长的、坚固的材料支腿，可能造成比理想情况更大的铁损。相反，所公开的机器100具有完全叠加在一起的凸转子极126，从而减少了铁损。
另一方面，磁通量控制组件140可以与转子组件120上斜叠层的转子叠片124一起使用，此处每个叠片124都以依次不同的取向安装在轴122上。在依次斜放叠片124的情况下，在每叠中的磁铁保持槽128形成一种用于永久磁铁130的基本上是螺旋形的槽。因此，永久磁铁130可以用本领域已知的技术直接在转子10中螺旋形槽内形成。例如，永久磁铁130可以由压入螺旋形槽中的磁粉和环氧树脂粘合剂形成。如图1所示的307专利的电磁机器的笼上的长的坚固的支腿和大的长面包状磁铁使这种斜式转子制造现有技术电机不实用。
在还有另一方面，所公开的机器100改善了现有技术机器的性能和操作。在图1的现有技术机器中，笼的长的、坚固的支腿包括若干外表面，所述外表面限定基本上均匀的弧，因为制造困难和费用高可能禁止用任何其它方法成形这些表面。因此，在现有技术机器中各支腿和定子极之间所形成的气隙基本上是同心的或均匀的。相反，所公开的机器100的带有埋置式永久磁铁130a，130c的凸转子极126a，126c由叠层式的叠片124形成。因此，这些转子极126a，126c和其它转子极126b，126d的端面可以很容易形成轮廓或向外扩张，以便在有或没有安装磁通量控制组件140的情况下改善所公开的机器100的性能和操作。例如，所有转子极126a-d的端面都可以形成轮廓，以便减少所公开的机器100的齿槽效应转矩。在机器100中有或没有安装磁通量控制组件140都可以得到所公开的转子组件120的这些和另一些好处。
所公开的机器100可用于许多应用中。例如，所公开的机器100可能特别适用于作为一种电器电机，作为一种牵引电动机传动装置，或作为机动车中的一种同步交流发电机/发电机。作为交流发电机/发电机，例如，根据本公开的教导所述的可控磁通量电机可以具有某些优于机动车中目前所用的典型交流发电机/发电机的优点。随着对机动车性能和乘客舒适要求的增加，需要有一种能提供更大电力的交流发电机/发电机。在这个领域，一个特殊的问题是交流发电机/发电机的输出必须在很大的运转速度范围内恒定不变。根据本公开的一些教导的可控磁通量电机，与合适的微处理器或类似控制装置一起使用，可以满足电流要求，而不管交流同步发电机/发电机运转有多快。
当用所公开的机器100作为交流发电机/发电机时，在运行期间的大部分时间内没有电流加到磁通量控制组件140的固定线圈160上。磁通量控制组件140主要是用于间断的状况。例如，当发动汽车时，可以把最大电流加到磁通量控制组件140的线圈160上，以便在所公开的机器100中产生最大的起动转矩。在所公开的机器100的交流发电机模式，在机动车例如在3000-4000rpm之间的正常运转期间，没有电流可以加到线圈160上，并且具有转子组件120有利特点的所公开的机器100可以在比现有技术中所证明的更好效率的情况下运转。在例如6000rpm的高速下，可以将抵消电流加到磁通量控制组件140的线圈160上，以便减少汽车蓄电池组充电过度。
参见图5-6，图5-6示出了根据本发明教导的一种可控磁通量永磁电机100的另一个实施例的各部件。在图5的局部截面图中，所公开的机器100具有一个壳体，所述壳体由第一和第二部分102和104形成，不过也可以使用其它的壳体构造。所公开的机器100的本实施例的许多部件基本上与上述实施例的相同，因此，采用相同的标号。另外，所公开的机器100的本实施例的某些操作上的特点可基本上与上述实施例的相同。
在图5的局部截面图中，定子组件110安装在机器100中，而具有转子组件120和磁通量控制组件140的模块化组件106也安装在电机100中。转子组件120包括四个凸转子极126(图5只示出其中一个)。磁通量控制组件140的装配夹具150具有安装于其中的线圈160并在158处安装到机器100的壳体104上。优选的是，将由金属构成的衬套123安装在转子组件120的轴122上。衬套123圈绕装配线圈150所在的这部分轴122设置。因此，在转子叠片124叠层的另一侧上的轴122外面部分没有这种衬套。通过减小轴122和安装配夹具150之间的气隙及通过增加轴122的总直径，衬套123增加气隙导磁性并降低轴122的磁通密度。
在图6中详细示出了笼170，该笼170被靠近转子组件120安装。笼170的边缘部分176从管状体部分172中延伸，并实际与凸转子极126接触，所述凸转子极126具有埋置于其中的永久磁铁130。在笼176的边缘部分176和具有埋置的磁铁130的凸转子极126之间采用一个或多个支承件或轴向连接器190。轴向连接器190可以是例如一种销钉或其它突出的构件。靠近叠片124的叠层一端的许多转子叠片124包含在其中形成的孔或镗孔。轴向连接器190设置在具有埋置式磁铁130的凸转子极126内所形成的部分孔中，并可以例如通过磨擦配合固定于其中。
在图6的详图中，轴向连接器190的另一端可以在边缘部分176上在178处整体式形成，或者可以设置在边缘部分末端中于178处所形成的一个镗孔中。轴向连接器190优选的是从边缘部分176的两端延伸约0.3-0.4英寸的长度L2。因此，当装配在转子组件上时，轴向连接器190a可以定位在许多转子叠片所形成的孔中。
一方面，图5和6的轴向连接器190将笼170支承在转子组件120上。因此，轴向连接器190可以由非磁性材料构成。另一方面，轴向连接器190可以起具有埋置式磁铁的凸转子极126各叠片124之间的导体作用，并因此可以帮助将磁通流从转子极126转移到磁通量控制组件140的笼170中。在这种情况下，轴向连接器190可能缩减一部分它通过的转子叠片124，因此，可能损失在一部分凸转子极126上具有叠层式转子叠片124的好处。因此，轴向连接器190通过的转子叠片124的数目优选的是保持最少，以便减少转子叠片124的数目，所述转子叠片124的数目可以缩减，而使连接器190还能为笼170提供结构支承件。
一般来说，笼170的边缘部分176和立体部分172的厚度T2优选的是不大于从磁铁130到定子附近磁极126末端的距离。否则，边缘部分176和笼170可能干扰定子的绕组或其它部件(未示出)。由于轴向连接器190支承笼170，并可以帮助在转子极126和磁通量控制组件140之间转移磁通量，所以与这里所公开的其它实施例相比，厚度T2可以减小，上述其它实施例具有用另外方法和技术支承的边缘部分176，如上述参照图2-3B安装到轴上的基本上径向的构件。
参见图7，图7以截面图形式部分地示出了根据本公开的教导所述的可控磁通量永磁电机100的另一个实施例的各部件。所公开机器100的本实施例具有一轴向磁通量构件192。所公开机器100的本实施例的许多部件基本上与上述实施例中的相同，因此，采用相同的标号。另外，所公开的机器100的某些操作特点可基本上与上述实施例的那些特点相同。
如上所述，转子组件120包括四个凸转子极126(图7中只示出其中一个)。笼170的边缘部分176从管状体部分172延伸，并实际与永久磁铁130设置于其中的凸转子极126接触。一个或多个轴向导体192设置在转子极126中。轴向导体192可以例如是一个销钉或其它细长的构件。轴向导体192通过许多凸转子极126的转子叠片124中所形成的孔或镗孔设置。轴向导体192起转子极126的转子叠片124之间的导体的作用，并因此帮助将磁通流从极126转移到笼170和磁通量控制组件140。为进一步方便磁通量的转移，轴向导体192的一端可以邻接笼170的边缘部分176。
如上所述，轴向导体192可以缩减一部分它通过的转子叠片124，因此，必须注意其尺寸，以便在不过分妨碍所公开的机器100磁通量路径的情况下，方便磁通量的转移。上述笼170由与本文所公开的那些相同的支承件180支承。由于轴向导体192帮助在转子极126和磁通量控制组件140之间转移磁通量，与其它实施例相比，笼170的边缘部分176和主体部分172的厚度T2可以减小。
参见图8-10B，图中示出了根据本公开的教导所述的可控磁通量永磁电机100的另一个实施例的部件。所公开的机器100的本实施例具有多个转子叠片200，多个埋入式永久磁铁240，242，及多个支承叠片220。所公开的机器100的本实施例的许多部件基本上与上述实施例的相同，因此，采用相同的标号。另外，所公开的机器100的某些操作特点可基本上与上述实施例的那些特点相同。
在图8的局部截面图中，转子组件120包括四个凸转子极(图8中只示出一个凸转子极126)。凸转子极126由多个叠层式叠片200形成，上述叠层式叠片200安装在轴122上。用于所公开的机器100的转子叠片200的一个实施例参见图9A-B进行详细说明。多个永久磁铁成一层埋入或埋置在凸转子极内。在本实施例中，示出了两个永久磁铁240，242成一层埋入凸转子极126中。永久磁铁240和242被转子叠片200的隔离部分或层214分开，并且优选的是稀土钕磁铁或稀土钐钴磁铁。
笼170的边缘部分176从笼170的主体部分172延伸，并且实际上与用于传输转向磁通量的转子叠片200接触。与上述各实施例相反，边缘部分176被一支承件支承，所述支承件由多个安装在轴122上的支承叠片形成。永久磁铁240和242的末端延伸到在这些支承叠片220内所形成的磁铁保持槽中。用于所公开的机器100的支承叠片220的一些实施例参照图10A-B进行详细说明。
在图9A中，以平面图的形式示出了用于图8的所公开的机器的转子叠片200的一个实施例。转子叠片200包括中心开口202，所述中心开口202供用本领域已知的技术安装在转子轴(未示出)上。在转子叠片200中形成多个极槽204，同时产生多个凸转子极206a-d。极槽204如此形成，以使每个转子极都具有一个端面部分208，所述端面部分208显著宽于极206的颈部209。凸极206a，206c各具有磁铁保持槽210和212，所述磁铁保持槽210和212被限定在其颈部209中。磁铁保持槽210和212基本上是平坦的和平行的，并被叠片材料隔离部分或层214分开。这两个凸极206a，206c各具有多个埋入式永久磁铁240和242，所述永久磁铁240和242安装在磁铁保持槽210和212中，以便提供一种交替磁极安排。
有了内部磁铁240和242，转子叠片200的材料形成朝向磁铁保持槽210和212末端的互连材料桥216。这些桥216提供极206a，206c的结构支承件，但也可以造成磁铁240和242在保持槽210和212中的“短路”。例如，从槽210和212中永久磁铁240和242的N极出来的一部分磁通量，可以通过桥216到达同样磁铁240和242的S极。通过桥216的这部分磁通量决不会通过转子叠片200外部的空间。因此，该磁通量不与所公开的机器的定子相交，并且该磁通量不产生旋转驱动转子的力。通过使穿过桥216的磁通量减至最少，可以高效利用槽210和212中磁铁240和242的磁力。穿过桥216的磁通量部分取决于桥216的截面积。因此，桥216的截面积优选的是选择使穿过它的磁通量达到最少，但还保持转子极206a，206c的结构完整性。
在图9B中，示出了图9A的转子叠片200的极槽204和两个相邻转子极206a，206d的详图。转子极206的宽端面部分208对四极转子限定一个约60-75°的角宽度θ1，上述四极转子具有以约90°安排的极。极槽204优选的是在加宽的端面208之间限定一个约25-30°的互补角宽度θ2。这些值是图9A-B的实施例中的四极转子的示例。一般来说，优选的是转子极具有若干端面部分，所述端面部分限定一个角宽度θ1，它为360°/n角宽度的约67-83％，并被互补角宽度θ2分开，所述互补角宽度θ2为360°/n角宽度的约33-27％(此处n是转子中所形成的凸极数)。形成转子叠片200凸极206的极槽204增强了极206的凸极性。利用多个埋入式磁铁240和242也帮助增加凸转子极206a，206b的凸极性比，上述凸转子极206a，206b具有埋置于其中的永久磁铁240和242。此外，槽210和212之间的隔离部分或层214还提供凸转子极的结构支承件，所述凸转子极具有埋置的磁铁240和242。在转子叠片200的一个实施例中，转子的各凸转子极206a-d可以具有的凸极性比Xd∶Xg为约1.5-1。
为了减小所公开的机器的齿槽效应转矩，转子叠片200的端面部分208优选的是具有扩张的面，所述扩张的面可以减少所公开的机器的齿槽效应转矩，并可以使反EMF更正弦形。在图9B中，由定子组件的定子极(未示出)所形成的基本上均匀的镗孔112用虚线示出。每个面部分208的各极面如此扩张，以使面的前沿和后沿限定一个比面部分208中心区中所限定的气隙Gd更大的气隙Ge。在转子叠片200的一个实施例中，气隙之比Ge∶Gd可以为约1.5∶1-3∶1。
对具有近似半径为1.75英寸的转子叠片，槽210和212中用的块状磁铁240和242可以具有约0.057-0.068英寸的示例性高度。块状磁铁240和242也可以具有约0.84英寸的宽度并可以长达1.1英寸。块状磁铁240和242通常比它们装入其中的磁铁保持槽210和212小。磁铁保持槽210和212优选的是具有圆形的末端，并具有超过磁铁240和242宽度的宽度W1。理想情况是磁铁的槽210和212之间的隔离部分或层214尽可能小，以便减少在磁铁240和242处磁动势损失。然而，隔离部分或层214大到足以提供极的结构完整性和增加极的凸极性也是理想的。优选的是，槽210和212之间层的分开部分215至少是转子叠片200厚度的三倍，所述分开部分215通常是在约0.018-0.035英寸厚之间。
当装配转子组件时，块状磁铁240和242通过磁铁保持槽210和212被设置在凸转子极206a，206c上，如图9A所示。与本实施例的叠片200一起用的合适的磁铁包括稀土钕磁铁或稀土钐钴磁铁。形成转子极206a-d的极槽204不仅增加其凸极性，而且当制造组件时还方便磁铁的初始磁对准。为说明的目的，在图9A中用虚线示出了如果转子叠片200在叠片组中是最后，则笼组件的边缘部分176a和176c接触转子叠片200的位置。由于边缘部分176a，176c的接触是在极206a，206c的面部分208的面附近进行，所以永久磁铁240和242必须进一步埋置到转子叠片200的主体中，以便磁铁保持槽210和212与这些转子极206a，206c的面隔开。这与常规的永磁电机上的磁铁相反，常规永磁电机上的磁铁通常是靠近转子材料的面设置或是设置在转子材料的面上。如果不是由于上述极槽204的好处，在本实施例的转子叠片200中进一步埋置永久磁铁240和242将使在制造操作期间对准各磁铁的极很困难。
为说明起见，对准线圈MC的磁铁，如在所公开的机器的转子组件制造中所用的，被设置在极槽204之一中。在很深地限定极槽204的情况下，从用来给转子极206a，206c中磁铁240和242极定向的线圈MC中发出的磁通线，可以很容易到达磁铁保持槽210和212中另外埋置的磁铁240和242。如图9B中最佳示出的，将极槽204以与磁铁保持槽212中另进一步埋置的磁铁242基本相等的深度限定在转子叠片200的主体中。换句话说，从叠片200的中心C到极槽204深度的径向距离d2优选的是基本上等于从中心C到保持槽212中埋置的磁铁242的径向距离d3。
如上所述，图8中所公开的机器100的实施例包括多个用于支承笼170的支承叠片220。在图10A中，以平面图的形式示出了用于图8中笼170的支承叠片220的实施例。支承叠片220由用于转子叠片200的那种磁性材料构成。支承叠片220限定用于安装在转子轴(未示出)上的中心开口222。叠片220的第一和第二端226a和226c支承笼(未示出)的至少一个表面。例如，第一和第二端226a和226c限定用于接触和支承图8中笼的弓形表面。优选的是，第一和第二端226a和226c在笼的边缘部分(未示出)处支承笼，这样节省了空间。
如上所述，在转子叠片200情况下，支承叠片220限定用于夹持多个埋入式磁铁端部241和243的磁铁保持槽230和232。磁铁保持槽230和232被叠片材料的隔离部分或层234分开，并具有桥236，所述桥236用与图9A-B中转子叠片200相同的方式在无论哪一端上形成。由于支承叠片220由磁性材料构成，所以不能希望支承叠片具有与上述转子叠片200相同的形状。优选的是，支承叠片220具有与带埋置式磁铁的凸转子极和笼的边缘部分数目相同的末端226的数目。换句话说，优选的是，如本实施例中的支承叠片220类似于用于所公开的四转子极机器的两极叠片。支承叠片220上的任何磁性材料“附加极”都可以起凸极作用，所述凸极可以“缩减”接触支承叠片220的笼，同时减少所公开的机器的控制组件的实用性。
在图10B中，以平面图的形式示出了支承叠片220’的另一个实施例。在这个实施例中的支承叠片220’基本上与图10A的支承叠片220相同。然而，为了支承笼，支承叠片220’将凹槽228a和228c限定在端部226t 226c中。当被装配在所公开的机器中时，这些凹槽228a和228c容纳从笼的边缘延伸的边缘部分(未示出)，并可以对其提供进一步支承。
参见图11-12B，图11-12B示出了根据本发明教导所述的可控磁通量永磁电机100的另一个实施例的部件。所公开的机器的上述实施例包括结构上薄、磁性强的磁铁，如稀土钕磁铁或稀土钐钴磁铁，所述磁铁被埋置在转子叠层中。相反，所公开的机器100的本实施例利用磁性较弱的永久磁铁260，如铁氧体磁铁。由于永久磁铁260比较弱，所以它们必须更大。所公开的机器100的本实施例的许多部件基本上与上述各实施例的相同，因此，采用相同的桔。另外，所公开的机器100的某些操作特点可基本上与上述各实施例的那些特点相同。
在图11的局部截面图中，转子组件120的转子极256由多个具有埋置于其中的永久磁铁260的叠层式转子叠片250形成。永久磁铁260的一端延伸到转子叠片250的叠层之外，并且多个支承叠片270支承永久磁铁260的端部266。笼170的边缘部分176被支承在永久磁铁260的端部266上，并因此也被支承叠片270支承。边缘部分176的远端实际上与具有埋置式永久磁铁260的转子极256的叠层式转子叠片250的端部接触或触及转子叠片250的端部。
在图12A中，沿着图11线段A-A的截面图示出了用于图11机器的转子叠片250。转子叠片250包括用于轴122的中心孔252并包括两个凸转子极254。转子叠片250还具有两个凸转子极256，各限定一个磁铁保持槽262用作较大永久磁铁260的通道，所述较大永久磁铁260是长面包似的形状。即使在本实施例中使用了比较大的面包似的磁铁260，凸转子极254，256由叠层式转子叠片250形成的事实使转子极的端面部分258能改善反EMF特性并减小所公开的机器的齿槽效应转矩。由于永久磁铁260埋置在转子叠片250的材料中，所以将永久磁铁260两侧上形成的叠层材料的桥264适当地定尺寸，以防止磁铁260短路，但仍保持转子极256的结构完整性。在所公开的机器的一个实施例中，转子叠片250可以限定从圆心到极面258的半径为大约15/8英寸。磁铁保持槽262可沿这个半径限定最大高度为大约0.6英寸。朝向磁铁260两侧的桥264可以限定高度为大约0.3英寸和宽度为大约0.03英寸。
在图12B中，沿着图11线B-B的截面图示出了支承叠片270，用于支承永久磁铁260露出的端部266和笼的边缘部分176。支承叠片270限定轴122用的中心孔272，并包括凸转子极274。永久磁铁260的端部266在276处支承在支承叠片270上。在本实施例中，支承叠片270还可包括侧面部分及顶部部分，用于进一步封闭永久磁铁260。笼170边缘部分176的弯曲的下侧支承在永久磁铁260的一部分弧形表面上。
在图2-12B的实施例中，公开了具有交替磁极式结构的模块化组件的转子组件。例如，公开了转子组件具有四个凸转子极，其中两个凸转子极具有一个或多个埋置于其中的永久磁铁。因此，磁通量控制组件的笼具有两个边缘部分，每个用于具有埋置于其中的磁铁的各凸转子极的边缘部分。然而，一般来说，根据本公开教导所述的转子组件可具有多个凸转子极，并可具有多个带有埋置于其中的一个或多个磁铁的凸转子极。因此，磁通量控制组件的笼还可以包括多个边缘部分，用于接触每个具有永久磁铁的转子极。优选的是，每个具有埋置式永久磁铁的转子极也与笼的相应边缘部分接触，这样提供所公开的机器的对称性，并防止被磁通量控制组件可控制的换向式磁通量可能消失。此外，优选的是，用于转子极与单个磁通量控制组件接触的各永久磁铁都具有相同的极性取向。另外，优选的是，埋置式永久磁铁是围绕转子组件凸转子极的至少一半对称地或交错地排列。例如，对于具有六个转子极的机器的转子组件，优选的是为三个交错转子极设置相同极性取向的永久磁铁，然后，笼具有三个接触这些带埋置式磁铁的转子极的边缘部分。因此，同样的对称性可以应用到具有8，10，12，或更多凸转子极和一个磁通量控制组件的所公开的机器的其它实施例。
参见图13-14C，图中示出了根据本公开教导所述的可控磁通量永磁电机100另一个实施例的部件。在图13中，以平面图的形式示出了用于所公开的机器100的六极叠片280的实施例，并示出其位于定子叠片110中。本实施例的定子叠片110由多个分段118构成，每个分段118都具有定子齿119。因此，用于所公开的机器的定子组件可以在用已知技术将多个分段连接在一起的情况下，用分段的方式形成。在本例中，示出九个分段，因此，定子叠片110包括九个向内的凸定子齿119。分段式定子叠片110与另其它这样的定子叠片叠层，以便形成用于所公开的机器的定子组件。优选的是将集中绕组技术用于定子组件的绕组。合适的集中绕组技术的说明已在美国专利申请10/229,506中公开(2002年8月28日提交，题为“Permanent Magnet Machine”，该美国专利申请的内容被在此引入作为参考。
用于所公开的机器的叠片280被设置在定子叠片110的内孔中。叠片280限定一个用于安装在转子轴(未示出)上的开口282。叠片280还限定多个极槽284，以便叠片280包括六个凸转子极286a-f。三个交错式转子极286a，286c和286e限定磁铁保持槽210和212，用于将多个埋入式磁铁(未示出)夹持于其中。另外，交错式转子极286a，286c和286e各在其中限定一个支承保持槽288，用于支承一个笼，如下所述。当叠片280用来支承磁通量控制组件的笼时，这些支承保持槽288设置在所述叠片280中。因此，只有邻近转子组件一端的叠片280可以具有这些在其中形成的支承保持槽288。所公开的机器的其它叠片可以与图13所示的叠片280基本上相同，但可以不限定各支承保持槽。
参见图14A-C，其中以不同的视图示出了用于具有图13的叠片280的所公开的机器的笼290的一个实施例。在图14A的端视图中，笼290包括管状体部分292和三个边缘部分296a，296c和296e，上述三个边缘部分296a，296c和296e绕管状体292的圆周以约120°的间隔设置。每个边缘部分296a，296c和296e都包括一个支承件或在其上整体形成的轴向连接器298。如在图14B局部透视图中最佳示出的，边缘部分296从管状体部分292的圆周边缘293延伸，并且优选的是具有与主体部分292相同的厚度。支承件290从边缘部分296的末端延伸，并且优选的是具有比边缘部分296小的厚度。此外，支承件298优选的是具有与边缘部分296相同的弓形末端部分，不过这不是必须的。为了将笼290支承在转子组件上，这些支承件298被装配到图13的叠片280内的支承保持槽288中。
下面将论述所公开的笼290的示例性尺寸。如图14C局部截面图所最佳示出的，笼290的内部圆筒形壁从管状体部分292的中心具有的半径R2为约1.408英寸，外部圆筒壁具有的半径R3为1.528英寸。因此，管状体部分292的厚度为大约0.120英寸。管状体部分292和边缘部分296的长度L3为大约1.68英寸，边缘部分296优选的是延伸长度L3的约0.150英寸。支承件298延伸的长度L4为大约0.350英寸。因此，支承件298优选的是装配在支承件保持槽288中，所述支承件保持槽288在图13所示转子组件的许多叠片280中形成。因此，转子组件其余的叠片280不需要支承件保持槽。凸出构件298的厚度T3优选的是小于管状体部分292的0.120英寸的厚度。如图14A最佳示出的，支承件298的宽度W3为大约0.395英寸。应该理解，这些尺寸对所公开的机器的特定实施仅是示例性的。
在图2-14C的实施例中，已经说明了用于可控磁通量永磁电机的模块化组件的实施例，并且示出了只有一个磁通量控制组件与一个转子组件一起用。参见图15，图15以截面图的形式示出了可控磁通量永磁电机100的一个实施例，它具有一种交替磁极式安排和双磁通量控制组件140和140’。所公开的机器100的本实施例的许多部件基本上与上述那些实施例的部件相同，因此，采用相同的标号。所公开的电机100的某些操作特点可基本上与上述实施例的那些操作特点相同。
安装在轴122上的转子叠片200具有四个向外式凸转子极(只以局部截面图示出两个极206a，206c)，它们可基本上与上述参照图9A-B的那些凸转子极相同。转子叠片的叠层200和定子叠片的叠层114可具有约0.950英寸的轴向长度L5。凸转子极206a，206c各具有多个埋入式永久磁铁240和242，成层埋置在凸转子极中，而其它凸转子极没有磁铁。因此，转子叠片200具有一种交替磁极式安排。
然而，与上述实施例相反，图15所公开的机器100包括双控制组件140和140’，而不是如其它所公开的实施例中所述的只有一个组件。磁通量控制组件140和140’包括装配夹具150和150’，线圈160和160’，及笼170和170’，所述笼170和170’安装在转子120的两端上。第一笼170的边缘部分176a和176c分别在转子极206a，206c的一端处与叠片200实际接触。同样，第二笼170’的边缘部分176a’和176c’分别在同一转子极206a，206c的另一端处与转子叠片200实际接触。因此，可以用两个磁通量控制组件140和140’来控制相同转子极206a，206c的磁通量。笼170和170’用多个支承叠片220和220’支承在转子120的两端上，如上参见图10A-B所述。优选的是，将衬套123和123’在转子叠片200的叠层两侧安装在轴122上。如上所述，衬套123和123’增加了具有装配夹具150和150’的气隙透磁率，并减少了轴122的磁通密度。
当用双组件140和140’操作所公开的机器100时，为控制磁通量所加的电流分配到线圈160和160’上。通过将电流分配到两个线圈160和160’上，所公开的机器100具有双倍的铜面积。为了达到相同的磁通控制量，每个线圈只需要通常在只有一个磁通量控制组件的机器中所需电流的一半。因此，与只有一个磁通量控制组件的机器相比，具有本实施例中双笼安排的所公开的机器100可以有利地具有约一半铜损。
图15所公开的机器100还包括用于装配夹具150和150’和线圈160和160’的优选安排，以方便其制造和传热特点。参见图16A-B，其中以截面图和前视图示出了用于所公开的机器的装配夹具150和线圈160的优选安排。安排包括板180和线圈架188，以方便组件的制造并改善传热特点。绕线架188限定一个具有一个内壁和两个侧壁的环，并且优选的是用塑料等制造。当制造组件时，用于线圈160的金属线首先缠绕在与夹具150分开的绕线架上。这可用于线圈160的精密绕组，以便当安装在装配夹具150中时提高密度或充满线圈。此外，缠绕在绕线架188中的线圈160可以在真空压力下浸透漆或其它材料，以便改善已绕好的线圈160的热特性。
装配夹具150由磁性材料构成，并且限定一个环形空间154用于定位绕线架188和线圈160。利用绕线架188便于将线圈160安装在环形空间154中。可以将胶带或其它技术应用在线圈160的金属线上用于线圈160和金属夹具150之间的绝缘。一旦绕线架188和线圈160安装好，就将板180安装到夹具150上，以便夹持绕线架188和线圈160。在图17中，示出的是板180安装到装配夹具150上之前的情况。板180由非磁性材料构成。优选的是，非磁性板180朝向其周边向内倾斜或弯曲。因此，当板180被安装到装配夹具150上时，随着它变平，它可以推在线圈160上，同时提高密度和充满线圈160，并节省本公开的机器中的空间。非磁性板180还改善了组件的热特性。用一个或多个紧固件，如螺钉、铆钉、驱动螺钉、楔形销等将板180固定到装配夹具150上。板180限定一个在尺寸上基本等于装配夹具的内径153的内孔182。
参见图18-19，其中示出了根据本公开教导所述的可控磁通量永磁电机100另一个实施例的部件。在图18的侧视图中，示出了用于所公开的机器的模块化组件306的实施例。与前述实施例一样，模块化组件306包括转子组件320，所述转子组件320具有转子轴322和若干凸转子极326(在本例中是四个)，上述转子组件由多个叠层式转子叠324形成。上述若干凸转子极326各具有一个或多个埋置于其中的磁铁330，因此，转子组件320具有非交错磁极式安排。转子极326a具有一个或多个永久磁铁330a，转子极326b具有一个或多个永久磁铁330c，另一个转子极(看不到)也具有一个或多个永久磁铁(看不到)。
在图19中，以平面图的形式示出了用于图18的转子组件320的转子叠片340一个实施例，所述转子叠片340具有非交错的转子极安排和多个埋入式磁铁(未示出)。转子叠片340限定一个供转子轴(未示出)用的中心孔342，并限定多个极槽344，所述多个极槽344形成四个凸转子极346a-d。当然，叠片340也可以具有四个以上的极。如上述各实施例一样，凸转子极326a-d都形成为具有宽的端面部分348和窄的颈部349。所有凸转子极346a-d都基本上相同。每个凸转子极346a-d都具有限定在颈部349中的双磁铁保持槽350和352，用于夹持多个埋入式磁铁(未示出)，如稀土钕磁铁或稀土钐钴磁铁，并具有一个互连材料的分开部分356。形成凸转子极346a-d的极槽204都被深深地限定，以增加凸极性和当制造转子组件时便于永久磁铁的初始磁性对准。在本实施例中，永久磁铁这样安排，以使转子极的极性取向与每个相邻的转子极上永久磁铁的极性取向相反，因此，磁铁在极性交错的转子组件外部形成磁极。
如图15的实施例一样，图18的模块化组件306具有两个磁通量控制组件340和340’。然而，在所公开的组件306的本实施例中，转子320具有非交替磁极安排，并将磁通量控制组件340和340’安排成控制交错的转子极组磁通量。第一组件340邻近转子叠片324的一端设置。第一组件340用于第一凸转子极组326，其中包括极326b和另一个极(看不到)，所述另一个极具有一种极性取向的磁铁。第二组件340’邻近转子叠片324的另一端设置，并用于其余的凸转子极326a，326组，所述凸转子极326a，326具有另一种极性取向的磁铁330a，330c。磁通量控制组件340和340’各包括装配夹具350和350’，线圈360和360’及笼370和370’。
第一磁通量控制组件340的笼350(在图18中叠片左侧上)具有两个边缘部分，其中包括边缘部分376b和另一个在图15中看不到的边缘部分，上述边缘部分376b延伸到转子极326b，上述看不到的边缘部分延伸到也看不见的相对的转子极。第二磁通量控制组件340’的笼350’(在图18中叠片的右侧上)具有两个边缘部分，其中包括边缘部分376a和边缘部分376c，上述边缘部分376a延伸到转子极326a，而边缘部分376c延伸到对面的转子极326c。在双笼中，图18的非交替磁极安排与上述实施例中所公开的一个笼的安排相比，可以用两个DC线圈360和360’来有利地分布铜损并减少电感。
为了说明，相对于转子组件320示出了转子极116a和116c。在两个磁通量控制组件340和340’情况下，可以减少转子叠片324的叠层长度。尤其是，转子组件320可以由较少的转子叠片324制成，以便将笼370和370’的边缘部分376部分地设置在由定子极116所形成的孔112内。优选的是，边缘部分376和376’设置在孔112中距离不大于它们的长度，对每个边缘部分376，所述距离为约0.150英寸。因此，它可以使转子叠片324的总叠层长度减少最大量为例如0.300英寸，上述最大量包括边缘部分376和376’二者的长度。这可使叠层长度减少例如多至15个叠片。能减少转子叠片324的总叠层长度可以导致至少整个机器的尺寸减少，所以这是有利的。然而，如果叠层长度减少量大于边缘部分376和376’的长度，则笼370和370’的管状部分373和373’将部分地设置在电子极116所形成的孔112内，这种情况可能由于让磁通量在笼和定子极之间传输而使笼短路。
上述优选实施例和其它实施例的说明并不是要限制或约束申请人所表达的发明思想的范围或适用性。在换取公开本文所公开的发明思想时，申请人要求由所附权利要求书所提供的专利权。因此，本实用新型包括在下面权利要求或等同范围内的所有修改和变化。
权利要求1.一种可控磁通量电磁机器，包括具有轴和凸转子极的转子，所述凸转子极中埋置有永久磁铁；用于控制磁通量的线圈，该线圈围绕上述轴设置；及用于传输磁通量的笼，所述笼围绕线圈设置，其一部分实际上与带埋置式磁铁的凸转子极接触。
2.根据权利要求1的电磁机器，其中所述转子包括多个安装在轴上的转子叠片。
3.根据权利要求2的电磁机器，其中所述转子叠片限定用于永久磁铁的磁铁保持槽。
4.根据权利要求2的电磁电机器，还包括穿过一个或多个在带有埋置式磁铁的凸转子极中的转子叠片的导体。
5.根据权利要求1的电磁机器，其中所述笼包括一个主体，该主体具有第一表面和第二表面，上述第一表面邻近带有埋置式磁铁的凸转子极的一端，而上第二表面邻近线圈。
6.根据权利要求5的电磁机器，其中实际与带埋置式磁铁的凸转子极接触的笼的部分包括主体第一表面朝向带埋置式磁铁的凸转子极方向的端部延伸。
7.根据权利要求1的电磁机器，还包括将笼支承在转子上的支承件。
8.根据权利要求7的电磁机器，其中所述支承件安装在转子轴上，并在其上支承至少一个笼的表面。
9.根据权利要求7的电磁机器，其中所述支承件包括多个支承叠片。
10.根据权利要求9的电磁机器，其中所述支承叠片包括磁性材料。
11.根据权利要求9的电磁机器，其中所述支承叠片限定若干用于永久磁铁一端的磁铁保持槽。
12.根据权利要求10的电磁机器，其中所述支承件包括多个支承叠片，所述多个支承叠片安装在轴上，并将永久磁铁的一端支承于其上，所述永久磁铁的末端支承笼的至少一个表面于其上。
13.根据权利要求7的电磁机器，其中所述支承件连接在笼和带埋置式磁铁的凸转子极之间。
14.根据权利要求13的电磁机器，其中所述支承件的一端设置在第一保持槽中，所述第一保持槽至少部分地限定在带埋置式磁铁的凸转子极中。
15.根据权利要求14的电磁机器，其中所述支承件的另一端整体式连接到笼的一部分上。
16.根据权利要求14的电磁机器，其中支承件具有设置在笼的其中一部分内第二保持槽中的另一端。
17.根据权利要求1的电磁机器，其中永久磁铁是从包括铁氧体磁铁、铝镍钴磁铁、镨合金磁铁、稀土钕磁铁、稀土钐钴磁铁和钕铁硼化合物的一组磁铁中选定的。
18.根据权利要求1的电磁机器，其中所述永久磁铁包括块状磁铁，所述块状磁铁具有基本上是矩形的横截面。
19.根据权利要求1的电磁机器，其中所述永久磁铁包括第一和第二永久磁铁，所述第一和第二永久磁铁彼此相邻埋置在凸转子极中。
20.根据权利要求19的电磁机器，其中转子中心到层的第一永久磁铁的第一径向距离约等于从转子中心到转子中的极槽限定转子极的边缘的第二径向距离。
21.根据权利要求19的电磁机器，其中所述转子中的极槽限定转子极并容纳磁化线圈，用于在制造转子期间给第一和第二永久磁铁定向，极槽能使从磁化的线圈出来的磁力线基本上垂直于埋置在转子极中的永久磁铁通过。
22.根据权利要求19的电磁机器，其中所述第一和第二永久磁铁被一层凸转子极的材料分开。
23.根据权利要求1的电磁机器，其中所述转子包括交替磁极式安排它具有多个第一凸转子极和多个第二凸转子极，所述多个第一凸转子极具有埋置于其中的永久磁铁，而所述述多个第二凸转子极没有永久磁铁。
24.根据权利要求23的电磁机器，其中所述笼包括多个第一部分，所述多个第一部分实际上与带有埋置式磁铁的第一凸转子极接触。
25.根据权利要求23的电磁机器，还包括第二线圈，用于控制磁通量并围绕邻近转子的另一端的轴设置；及第二笼，用于传输磁通量并围绕第二线圈设置，并具有多个第二部分，所述多个第二部分实际上与带有埋置式磁铁的第一凸转子极接触。
26.根据权利要求1的电磁机器，其中所述转子包括非交替磁极式安排，它具有多个第一凸转子极和多个第二凸转子极，所述多个第一凸转子极具有一种极性构造的磁铁埋置于其中，所述多个第二凸转子具有另一种极性构造的磁铁埋置于其中。
27.根据权利要求26的电磁机器，其中所述笼包括实际上与带有埋置式磁铁的各第一凸转子极接触的多个第一部分。
28.根据权利要求26的电磁机器，还包括第二线圈，用于控制磁通量并邻近转子的另一端绕轴设置；及第二笼，用于传输磁通量并围绕第二线圈设置并具有多个第二部分，所述多个第二部分实际上与带有埋置式磁铁的各第二凸转子极接触。
29.一种可控磁通量电磁机器，包括具有轴和多个安装在轴上的转子叠片的转子，所述转子叠片限定多个凸转子极；至少一个永久磁铁，埋置在至少两个凸转子极中每一个的转子叠片中；用于控制磁通量的固定线圈，邻近转子的一端围绕轴设置；及用于传输磁通量的可旋转的笼，它围绕线圈设置，笼的至少两部分中的每个部分都实际上与至少两个带埋置式磁铁的转子极中相应的一个上的转子端部接触。
30.根据权利要求29的电磁机器，其中所述多个转子叠片限定用于磁铁的磁铁保持槽。
31.根据权利要求29的电磁机器，还包括一个导体，所述导体穿过一个或多个转子叠片设置在至少两个带埋置式磁铁的凸转子极中。
32.根据权利要求29的电磁机器，其中所述笼包括一个主体，所述主体具有邻近转子末端的边缘和邻近线圈的内表面。
33.根据权利要求32的电磁机器，其中所述笼的至少两个部分中的每一个都包括主体的边缘的延伸部分，该延伸部分在至少两个带埋置式磁铁的凸转子极相应处朝向转子端部。
34.根据权利要求29的电磁机器，还包括将笼支承在转子上的支承件。
35.根据权利要求34的电磁机器，其中所述支承件安装在转子的轴上，并将笼的至少一个表面支承于其上。
36.根据权利要求34的电磁机器，其中所述支承件包括多个支承叠片。
37.根据权利要求36的电磁机器，其中所述支承叠片包括磁性材料。
38.根据权利要求36的电磁机器，其中所述支承叠片限定用于永久磁铁端部的磁铁保持槽。
39.根据权利要求34的电磁机器，其中所述支承件包括多个支承叠片，所述支承叠片安装在轴上，并将永久磁铁的端部支承于其上，及其中永久磁铁的端部将笼的内表面支承于其上。
40.根据权利要求34的电磁机器，其中所述支承件包括连接器，所述连接器连接在笼的一部分和带有埋置式磁铁的若干凸转子之一之间。
41.根据权利要求40的电磁机器，其中所述连接器具有一个设置在第一保持槽中的端部，该第一保持槽至少部分地被限定在带有埋置式磁铁的凸转子极中。
42.根据权利要求41的电磁机器，其中所述连接器具有整体式连接到笼的一部分上的另一端部。
43.根据权利要求41的电磁机器，其中所述连接器具有设置在笼的一部分内的第二保持槽中的另一端部。
44.根据权利要求29的电磁机器，其中永久磁铁是从包括铁氧体磁铁、铝镍钴磁铁、镨合金磁铁、稀土钕磁铁、稀土钐钴磁铁和钕铁硼化合物的一组磁铁中选定的。
45.根据权利要求29的电磁机器，其中所述永久磁铁包括具有基本上是矩形的横截面的块状磁铁。
46.根据权利要求29的电磁机器，其中所述永久磁铁包括第一和第二永久磁铁，所述第一和第二永久磁铁彼此相邻埋置在至少两个凸转子极中的每一个中。
47.根据权利要求46的电磁机器，其中转子中心到层的第一永久磁铁的第一径向距离约等于从转子中心到转子中的极槽限定转子极的边缘的第二径向距离。
48.根据权利要求46的电磁机器，其中转子中的多个极槽限定凸转子极并容纳磁化线圈，所述磁化线圈用于在制造转子期间给第一和第二永久磁铁定向，及其中极槽使从磁化线圈中发出的磁力线基本上垂直于埋置在凸转子极中的永久磁铁通过。
49.根据权利要求46的电磁机器，其中所述第一和第二永久磁铁被一层转子叠片材料分开。
50.根据权利要求49的电磁机器，其中所述层大约是转子叠片宽度的至少3倍。
51.根据权利要求29的电磁机器，其中转子包括非交替磁极式安排，它具有多个第一凸转子极和多个第二凸转子极，所述多个第一凸转子极具有埋置于其中的永久磁铁，而所述多个第二凸转子极没有永久磁铁。
52.根据权利要求51的电磁机器，其中所述笼具有多个第一部分，所述多个第一部分实际上与第一凸转子极接触。
53.根据权利要求51的电磁机器，还包括第二线圈，用于控制磁通量并邻近转子的另一端绕轴设置；及第二笼，用于传输磁通量并围绕第二线圈设置并具有多个第二部分，所述多个第二部分实际上与带有埋置式磁铁的各第二凸转子极接触。
54.根据权利要求29的电磁机器，其中所述转子包括非交替磁极式安排，它具有多个第一凸转子极和多个第二凸转子极，所述多个第一凸转子极具有埋置于其中的一种极性的永久磁铁，而所述多个第二凸转子极具有埋置于其中的另一种极性的永久磁铁。
55.根据权利要求50的电磁机器，其中所述笼具有多个第一部分，所述多个第一部分实际上与各第一凸转子极接触。
56.根据权利要求54的电磁机器，还包括第二线圈，用于控制磁通量并邻近转子的另一端绕轴设置；及第二笼，用于传输磁通量并围绕第二线圈设置并具有多个第二部分，所述多个第二部分实际上与带有埋置式磁铁的各第二凸转子极接触。
57.一种用于电磁机器的模块化组件，包括具有轴和多个安装在轴上的转子叠片的转子，所述转子叠片限定至少四个向外的凸转子极，及至少两个永久磁铁，埋入凸转子极中至少两个的每一个内的层中。
58.根据权利要求57的模块化组件，其中永久磁铁是从包括铁氧体磁铁、铝镍钴磁铁、镨合金磁铁、稀土钕磁铁、稀土钐钴磁铁和钕铁硼化合物的一组磁铁中选定的。
59.根据权利要求57的模块化组件，其中所述永久磁铁安装在限定于各转子叠片内的磁铁保持槽中。
60.根据权利要求57的模块化组件，其中所述永久磁铁包括具有基本上是矩形的横截面的块状磁铁。
61.根据权利要求57的模块化组件，其中至少两个永久磁铁被一层转子叠片材料分开，上述一层转子叠片材料约是转子叠片宽度的至少3倍。
62.根据权利要求57的模块化组件，其中所述向外的凸转子极的凸极性比大于或等于约1.5。
63.根据权利要求57的模块化组件，其中所述向外的凸转子极各包括一个端面部分和一个颈部，端面部分通过颈部连接到转子叠片的中心主体部分上，并且大大宽于颈部。
64.根据权利要求63的模块化组件，其中将若干层永久磁铁埋入至少两个凸转子极的颈部中。
65.根据权利要求63的模块化组件，其中端面部分限定一个约为360°/n角宽度的67-83％的角宽度，并且其中在转子叠片中的极槽限定一个约为360°/n角宽度的33-27％的互补角宽度，其中n是转子中的凸极数。
66.根据权利要求57的模块化组件，其中转子中心到层的第一永久磁铁的第一径向距离约等于从转子中心到转子中的极槽限定转子极的边缘的第二径向距离。
67.根据权利要求57的模块化组件，其中所述转子中的多个极槽限定凸转子极并容纳磁化线圈，用于在制造转子期间给第一和第二永久磁铁定向，及其中极槽使从磁化线圈出来的磁力线基本上垂直于埋置在各凸转子极中的永久磁铁通过。
68.根据权利要求57的模块化组件，还包括磁通量组件，所述磁通量组件具有一个线圈和一个笼，上述线圈用于控制磁通量并围绕轴设置，而上述笼安装在转子上，用于在转子和线圈之间传输磁通量。
69.根据权利要求68的模块化组件，还包括一个导体，所述导体穿过一个或多个转子叠片设置在至少两个带埋入的磁铁的凸转子极中。
70.根据权利要求68的模块化组件，其中所述笼包括一个主体，所述主体围绕线圈设置并具有至少两个部分，所述至少两个部分实际上与至少两个带埋入式磁铁的转子极其中相应一个接触。
71.根据权利要求68的模块化组件，其中磁通量组件包括安装在轴上并将笼支承于其上的支承件。
72.根据权利要求71的模块化组件，其中所述支承件包括非磁性材料。
73.根据权利要求68的模块化组件，其中所述磁通量组件包括多个安装在轴上并将笼支承于其上支承叠片。
74.根据权利要求73的模块化组件，其中所述支承叠片限定用于永久磁铁端部的磁铁保持槽。
75.根据权利要求68的模块化组件，其中所述磁通量组件包括多哥支承叠片，所述多个支承叠片安装在轴上，并将永久磁铁端部支承于其上，及其中永久磁铁端部将笼支承于其上。
76.根据权利要求68的述模块化组件，其中所述磁通量组件包括一个导体，所述导体连接在笼和至少两个带埋置式磁铁的凸转子极之一之间。
77.根据权利要求76的模块化组件，其中导体具有第一末端，所述第一末端设置在第一保持槽中，所述第一保持槽至少部分地被限定在带埋置式磁铁的凸转子极中。
78.根据权利要求77的模块化组件，其中所述导体具有第二末端，所述第二末端整体式连接到所述笼上。
79.根据权利要求77的模块化组件，其中所述导体具有第二末端，所述第二末端设置在笼内的第二保持槽中。
80.根据权利要求68的模块化组件，其中所述转子包括非交替磁极式安排，它具有多个向外的第一凸转子极和多个向外的第二凸转子极，所述第一向外的凸转子极具有埋置于其中的永久磁铁，而所述第二向外的凸转子极没有永久磁铁。
81.根据权利要求54的模块化组件，还包括第二线圈，用于控制磁通量并邻近转子的另一端绕轴设置；及第二笼，用于传输磁通量并围绕第二线圈设置并具有多个第二部分，所述多个第二部分实际上与带有埋置式磁铁的各第二凸转子极接触。
82.根据权利要求68的模块化组件，其中所述转子包括非交替磁极式安排，它具有多个第一向外的凸转子极和多个第二向外的凸转子极，所述多个第一向外的凸转子极具有若干层埋入其中的一种极性的永久磁铁，而所述多个第二向外的凸转子极具有若干层埋入其中的另一种极性的永久磁铁。
83.根据权利要求83的模块化组件，其中所述笼具有多个第一部分，上述多个第一部分实际上与若干第一凸转子极接触。
84.根据权利要求83的模块化组件，还包括第二磁通量组件，所述第二磁通量组件具有第二线圈和第二笼，所述第二线圈用于控制磁通量并围绕轴的另一端设置，而所述第二笼支承在转子组件的另一端上，用于在多个第二凸转子极和第二线圈之间传输磁通量。
85.一种具有转子的电磁机器，包括用于将永久磁铁埋置在转子中的装置；用于控制转子磁通量的装置；及用于在转子和控制转子磁通量的装置之间传输磁通量的装置。
专利摘要一种用于电机的模块化组件。模块化组件包括转子组件和磁通量控制组件。转子组件具有轴和多个安装在轴上的转子叠片。转子叠片限定至少四个凸转子极。至少一个永久磁铁被埋置在至少两个凸转子极的每一个中。磁通量组件具有绕轴设置的固定线圈，用于控制所公开的电机的磁通量。磁通量组件还具有一个笼，所述笼支承在转子组件上，用于在至少两个带埋置式磁铁的凸转子极和线圈之间传输磁通量。在一个实施例中，支承件安装在轴上，并将笼支承于其上。在另一个实施例中，支承件连接在笼和至少两个带埋置式磁铁的转子极之间。
文档编号H02K1/27GK2706952SQ20042000747
公开日2005年6月29日 申请日期2004年3月22日 优先权日2003年3月27日
发明者G·E·霍斯特 申请人:美国艾默生电气公司