一种双机械端口电机的无刷化内转子的制作方法

本发明涉及一种双机械端口电机无刷化内转子。

背景技术：

为了克服现有车辆中内燃机系统单一驱动车辆造成的效率低，尾气排放严重等问题，各种电机、电池和功率变换器被引入车辆驱动系统。CN1945939专利《双机械端口电机及其驱动控制系统》给出了一种新型的电机，即双机械端口电机(DMPM)。美国专利US2004026143，WO0034066和欧洲专利EP1481463等涉及的电机都具有双机械端口电机的主要特征，即具有一个定子和两个转子。

这些专利所涉及的电机的定子和其中一个转子上都布置有电枢绕组。外部的能量通过电枢绕组进入电机，完成机电能量的转化。定子是静止不动的，电流进入定子上的电枢绕组通过简单的接线就可以完成。而由于转子是转动的，因此需要有一个设备，把电流从一个静止的系统传输到旋转的系统。可以完成这种功能的设备主要是两种，第一种是电刷、集电环组合，另一种就是旋转变压器。

在上述专利涉及的电机的内转子无一例外采用了电刷集电环组合。主要原因就在于电刷集电环组合在绕线型异步电机，他励同步交流发电机等电机中广泛采用，技术比较成熟，而且价格比较合理。同时，采用旋转变压器方式受到供电频率的限制。变压器的体积和工作频率有关，只有变压器的工作频率很高时，变压器才可以具有非常紧凑的体积。相反，当变压器工作在低频时不仅体积庞大，更重要的是效率非常低。由于这些原因，旋转变压器方案是不能工作在低频大电流环境下的。

但是，电刷集电环组合也有很严重的问题。第一、电刷属于易损消耗部件，经过一段时间地工作，电刷会被严重磨损，需要补充新的电刷。第二、电刷集电环体积比较大，不适用于空间比较受限制的场合。第三、在电刷和集电环之间存在接触压降，当通过的电流很大时会在电刷集电环之间产生很大的接触损耗。这些损耗最终会变成热量，不仅加重电机整体散热负担，还可能损坏电枢和集电环。第四、电刷和集电环摩擦过程中会产生大量的碳粉，这些碳粉需要及时移除，因此采用电刷和集电环的电机需要比较好的通风条件。而这与双机械端口电机需要密封的要求冲突。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺点。本发明提出一种新的无刷化内转子。这种内转子去除了电刷和集电环，而且不采用旋转变压器原理，因此可以克服这两种技术具有的缺点。

本发明提出的无刷化内转子在结构上分为两部分：转子本体和激励体，这两个组成部分沿轴线方向同心布置。

转子本体由两个对称的转子半体牙嵌组成，每个半体对应一相电流。

转子半体由磁极和集磁环组成，磁极的作用是产生气隙内的主磁通。集磁环的作用是接受来自激励铁心的磁场，并把这个磁场导向到磁极处，产生主磁通。每个转子半体具有两个集磁环和两组磁极。其中一个集磁环和一组磁极构成该转子半体的南极，而另一个集磁环和一组磁极构成该转子半体的北极。两个对称的转子半体之间在空间上相差90电角度。

激励体由两个相同的激励半体组成，每个半体对应一相电流。与一般电机不同，本发明无刷化内转子电枢电流为两相交流电，每个半体中的电流在时间上相差90电角度。两相时间上相差90电角度的交流电产生的磁场，通过两个转子半体的集磁环导向到空间上相差90电角度的磁极上可以合成旋转磁场。

激励半体由激励铁心和激励线圈组成。激励线圈为同心绕制，由此带来的好处是线圈绕制方便，下线也更加方便。激励铁心为截面为“凹字型”的圆环。

本发明的无刷化内转子和现有内转子在结构上完全不同。现有内转子由转子铁心、转子绕组、转子轴以及安装在轴上的集电环和电刷组成。本发明无刷化内转子由激励体和转子本体两部分构成。在功能上，本发明无刷化的激励体相当于现有内转子的电枢绕组，转子本体相当于现有内转子的转子铁心。但是在结构上则完全不同：现有内转子上的电枢绕组安装在转子铁心上，而本发明提出的无刷化内转子的激励体是单独的部件。现有内转子的转子铁心是由冲片叠压而成，整体外形简单规则，本发明无刷化内转子的转子本体是由两个转子半体牙嵌而成，整体外形复杂。

本发明提出的无刷化内转子与现有双机械端口电机内转子相比具有多方面的优点：

1.现有内转子采用电刷和集电环供电，由于这两者之间存在摩擦，因此无论电刷还是集电环都是易损部件，需要定期更换，增加了装载这种新型电机的车辆的维护成本。同时，这种摩擦会带来大量的热量，不仅会威胁电刷和集电环的可靠使用更使整个系统存在一个潜在的安全隐患。本发明的无刷化内转子采用非接触式供电，彻底取消了这种摩擦，使得无论是激励体还是转子本体都不会在使用中磨损，这样大大降低了维护成本。同时，由于摩擦力的消失，由于摩擦带来的安全问题也一起消除了。

2.现有内转子的电刷和集电环占用了大量空间，采用无刷化内转子可以节约这部分空间，从而减小了整个系统的重量和体积。

3.现有内转子的绕组安装在转子本体上，因此转子上的损耗包括铁损耗和绕组产生的铜损耗。由于损耗在转动体上，散热十分困难。本发明提出的无刷化内转子的绕组在静止的激励体上，把转子上由绕组产生的铜损耗转移到静止部分，降低了散热的难度。

附图说明

图1是本发明无刷化内转子零件爆炸图，图中：1激励铁心，2激励线圈，3内集磁环，6外集磁环，4外磁极，5内磁极；

图2是本发明无刷化内转子装配图；

图3是本发明的无刷化内转子半体结构示意图；

图4是本发明的无刷化内转子激励半体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明无刷化内转子由激励体和转子本体构成，转子本体和激励体沿轴线方向同心布置，激励体在外侧、转子本体在内侧。激励体分成左右两个相同的激励半体，每个激励半体由激励铁心1和激励线圈2构成。激励铁心1剖面呈凹字型，中间凹陷部分为槽，两旁的突起是激励环7。槽中放置激励线圈2，激励线圈2同心绕制。激励线圈2中通以交流电，在激励铁心1内部产生交变磁场。为了降低涡流损耗，因此激励铁心1做成叠片结构。

当激励线圈2中通入交流电后，根据安培定律，产生的磁场为环绕激励线圈2的磁场，因此激励铁心1的两个激励环7分别形成了该相电流所产生磁场的南极和北极。

转子本体分成左右两个相同的半体，两个半体对称布置，牙嵌组成转子。每个半体均由外集磁环6、内集磁环3、外磁极4以及内磁极5组成。内集磁环3、外集磁环6与激励环7都是立体圆环状部件，都有圆环状的端面。内集磁环3的圆环状端面与激励环7的内环端面同心相向安装，外集磁环6的圆环状端面与激励环7的外环端面同心相向安装。外集磁环6上安装有外磁极4，内集磁环3上安装有内磁极5。同一个集磁环上的相邻磁极之间相隔360电角度，每个相邻的内集磁环上磁极与外集磁环上磁极之间相差180电角度。集磁环的作用主要有两个，第一、“收集”来自激励环上的激励线圈2产生的磁通，完成电枢能量的“无刷”传输。第二、把来自激励环7上的磁场导向到外磁极4和内磁极5上。

转子半体的每个磁极错开安装，每个相邻的转子半体上的磁极之间相差90电角度。

图2所示为本发明无刷化内转子装配图，两个完全对称的转子半体采用牙嵌的方式错开布置。其中，每个转子半体上都有一系列的外磁极4和内磁极5。

图3所示本发明的无刷化内转子半体。如图3所示，每个转子半体由内集磁环3、外集磁环6、内磁极5和外磁极4构成。内磁极5安装在内集磁环3上，外磁极4安装在外集磁环6上。相邻的内磁极5和外磁极4之间相差180电角度，分别构成这个转子半体的南极和北极。

图4所示为本发明的无刷化内转子激励半体结构。激励半体是内转子的电枢部分。激励铁心1的横断面呈凹字型，中间的凹陷部分为槽，槽中埋入激励线圈2；凹字型两边的突起是激励环7，由激励线圈2产生的磁场在激励环7的两个端面处形成南北极。

本发明无刷化内转子的工作原理是：两个激励线圈2通入时间上相差90度的交流电，交流电流在激励铁心1中产生两个时间相差90电角度的交变磁场。这个交变的磁场通过面对面相向布置的激励环7和内集磁环3，外集磁环6从激励体传入转子本体，完成能量的“无刷化”传输。而且，由于激励环7和内集磁环3，外集磁环6都是立体圆环状物体，因此这种能量的“无刷”传输不受转子本体转动的影响。交变磁场从外集磁环3中导入到外磁极4中，由于来自两个转子半体的相邻磁极之间在空间上相差90电角度，而且每个磁极上的交变磁场在时间上相差90电角度，因此将会合成一个旋转的磁场，这个旋转磁场最终完成电机的能量转化功能。

从本发明无刷化内转子的工作原理可以看出，转子本体中与激励铁心1一样，存在交变磁场，因此为了克服铁损耗，需要把转子本体做成叠片结构。但是，本发明提出的无刷转子结构比较复杂，不同于一般电机定子和转子的相对简单的结构，使用叠片方法制造存在困难。

为了克服上面提到的无刷转子制造困难的问题，本发明采用“复合磁性材料”(SMC)铸造上述无刷内转子。SMC是一种新型的软磁材料，呈粉末状。与传统电机采用的软磁材料硅钢片相比，这种材料具有十分独特的特点。这种材料呈粉末状，可以通过与粘合剂的混合，采用铸造的方法，制成具有复杂三维形状的物体。而硅钢片只适合采用叠压的方法制造外形简单的物体。由于本发明无刷化内转子具有十分复杂的外形，因此用这种材料采用铸造的方法制造。

本发明提出的转子无刷化方法基于磁传导方法，既不同于电刷集电环组合的电传导方法，也不同于旋转变压器的电磁感应方法。因此既克服了电传导方法的接触电阻造成接触损耗的缺点，也克服了电磁感应方法的效率低下的缺点。