批量生产内磁体旋转机器的方法及内磁体旋转机器的制作方法

专利名称：批量生产内磁体旋转机器的方法及内磁体旋转机器的制作方法
技术领域：
本发明涉及象电动机和发电机这样的内磁体旋转机器，特别是涉及一种以低的成本批量生产内磁体旋转机器的方法及由此方法生产出的内磁体旋转机器。
内磁体旋转机器在本领域中是众所周知的，它包括内磁体电动机和发电机。内磁体旋转机器是一种永久性磁体旋转机器，它通常包括一个其内部装有磁体的转子。在美国专利第4，700，097和4，486，678中可以看到内磁体旋转机器的例子。
人们已对内磁体旋转机器进行了广泛的研究，这是因为这种独特的转子结构是在采用永久磁体的实心转子中结合了同步和感应特性。内磁体机器可用于不同的场合，可使用交流或直流电，而且它们在整个的转速范围内一般提供恒定的转矩输出，由于内磁体转子的结构，它的转速可以达到非常高。另外，由于在转子和定子之间存在着不接触的二维(垂直于转子轴线)磁路，所以内磁体机器也是比较好的。
在开发内磁体机器之前，旋转机器的特征是在转子上绕上电力线圈，利用滑环或电刷来适配线圈的转动或使电流换向，并保持旋转的电连接。这种先有的机器要求转子与定子电接触。所以，尽管由于电刷接触电阻所造成的能量损失和电刷在转子上滑动所产生的机械摩擦损失而会降低工作效率，但还必须使用滑环和电刷。转子上的线圈还会显著地增加转子的质量，这就必然导致其转动速度较低或要从原动机获取更多的能量。另外，线圈的恒定转动、发热和经受的磁性力以及它们的绝缘会使它们随时间的延长而疲劳、破裂、性能下降和最终失效。
内磁体机器通过在转子上安装永久磁体而不是电磁铁就可以解决上述问题。它不需要旋转的电连接，节省了以往激励磁场所花费的电力，减小了内部发热量并提高了能量密度。
虽然内磁体机器具有上述优点，但它仍未被广泛地使用，其原因是至今为止尚未获得一种能以低成本批量生产内磁体机器的行之有效的方法。例如参见美国专利第4，725，750号，它描述了一种具有一个芯骨的内磁体转子，该芯骨其周边具有一组长槽形开口，这些开口平行于转子芯骨的轴线延伸并位于芯骨的中心部位。在每个转子芯骨的开口中都插入一根相应的长槽形永久磁体。
遗憾的是，美国专利第4，725，750中的转子难于有效地批量生产，原因是需要在转子的中心部位加工长槽形开口。具体地说，转子芯骨必须利用模制工艺一次一个地制造出来，或者，每个长槽形开口都必须逐个地从转子芯骨的中心部位切挖出来。这种模制和切挖工艺本身就很费时和费钱，因此不能高效率地批量生产转子。
另外，除了不能高效地进行批量生产以外，该美国专利描述的机器的效率也是不高的，这是因为中心设置的长槽形磁体存在着漏磁通路。如本领域的普通技术人员所周知的那样，磁力线的泄漏引起磁滞损失、涡流损失、发热和形成工作在非饱和状态下的磁路，其结果是降低了能量密度，增加了体积和重量。另外，即使是可能的话，也非常难于均匀地磁化这些长槽形磁体，尤其是在它们的两端。
因此，本发明的目的就是提供一种改进的内磁体旋转机器。
本发明的另一个目的是提供生产内磁体旋转机器的一种改进的方法。
本发明的再一个目的是提供一种高效、低成本、可批量生产的内磁体旋转机器。
本发明的又一个目的是提供这样一种内磁体旋转机器，它不需要逐个地模制出位于转子芯骨的中心部位用于装纳相应形状的永久磁体的长槽形开口。
本发明的另一个目的是提供这样一种内磁体旋转机器，它不需要逐个地切挖位于转子芯骨的中心部位用于装纳相应形状的永久磁体的长槽形开口。
本发明的又一个目的是提供一种能降低漏磁、磁滞损失、涡流损失和发热的内磁体旋转机器。
本发明的再一个目的是提供这样一种内磁体旋转机器，它采用能被均匀磁化的、低成本、可批量生产的磁体。
本发明的这些及其它目的和优点是利用本发明的制造转子的方法来实现的。此方法是成型出一种其周边上带有平行于其纵轴线的沟槽的长构件;将所述长构件切成具有预定长度和具有从其一端延伸到另一端的所述沟槽的转子芯骨;将磁体放置在所述沟槽中;并可将极靴放置在所述沟槽中的磁体上。沟槽、极靴和磁体可以呈U形、V形或其它形状。磁体的外壁面与沟槽的表面相吻合，而极靴与磁体的内壁面相吻合。
将会看到，本发明的方法能够连续地(最好是用挤压法)成型出大量的转子芯骨，而成型出的转子芯骨本身就带有从其一端延伸到另一端的沟槽，而不必从转子芯骨的中部逐个地模制或切挖出沟槽。可采用传统的挤压和切割工具来成型出转子芯骨。因此，可提供出成本低且能批量生产的转子。
通过应用本发明的方法，就能生产出具有高效转子结构的内磁体机器。特别是，这种转子结构具有一个带有从其一端延伸到另一端的沟槽的转子芯骨。每条沟槽中可设有一或多块不同形状的磁体。
通过不只是在转子芯骨的中部而是设置从其一端延伸到另一端的沟槽和磁体，本发明的转子能有效地确立磁路，以防止不希望有的漏磁，从而获得非常高的能量密度。实质上不存在磁滞和涡流损失，发热也被大大地降低了。基本上所有的导磁路径在任何时候都处于充分饱和状态，降低了用铁量、体积和重量，同时却提高了功率-重量比。
上面已对本发明的一些特征和优点做了说明，而其它的特征和优点可从结合附图所做的描述中了解到。
附图中

图1是表示制造本发明具有沟槽的长构件的方法的透视图，图2是图1所示的长构件的部分平面图，表示的是该构件已切成本发明的转子芯骨。
图3是图2所示的一个转子芯骨的部分分解放大图，表示了本发明的将磁体和极靴定位在沟槽中的一个实施例，图4为图3所示的沟槽中装有磁体和极靴的转子芯骨的平面剖视图，其中在转子芯骨的两端装有端盖，图5为一台旋转机器的平面剖视图，该机器具有一个设置在常规的环形定子组件中的封闭式转子，采用的是图4所示的在沟槽中装有磁体和极靴的转子，
图6是沿图5中的线6-6所截取的旋转机器的横剖面图，其中包括驱动电路，图7是图3所示转子的部分放大横剖面图，表示了沟槽和磁体为V形的本发明的第二个实施例，图8是图3所示转子的部分放大横剖面图，表示了沟槽和磁体为U形的本发明的第三个实施例，图9是图3所示转子的部分放大横剖面图，表示了在每条沟槽中设置一对磁体的本发明的第四个实施例，图10是图3所示转子的部分放大横剖面图，表示了在每条沟槽中设置三块磁体的本发明的第五个实施例，图11是图3所示转子的部分放大横剖面图，表示了本发明的第六个实施例，其中沟槽和磁体紧密地保持在一起，而且非磁性盖几乎与转子芯骨的外周面对齐地连接在每块磁体的顶端，图12是两极内磁体旋转机器的横剖面图，该机器带有一块位于一对转子芯骨之间的磁体。
虽然下面将具体地结合附图对本发明加以说明，但可以理解，本领域的技术人员可以对所描述和图示的具体结构做出修改而仍能达到本发明所希望的结果。因此，这里所做的说明和图示应被看做是给本领域的技术人员一个广泛的指导性公开，而不应视为用于限制本发明的范围。
图1表示了正在利用常规的挤压机20通过口模30成型的一根整体式长构件15。挤压机20可以是一种常规型的，例如由Sutton工程公司制造的。挤压机20最好应用热或冷拉拔工艺。根据所采用的挤压工艺，有时还需对构件15进行机械加工，以使它们落在合适的公差范围内。
挤压口模30的形状能使得挤出构件15时在构件15的圆周上成型出平行于其纵轴线的沟槽16。挤压口模30可由工具钢制成。一种适用的挤压口模30是由普利茅斯管道公司plymouth Tube Company)制造的，它具有100吨的尺寸。为改变沟槽16(或尤其是改变其数量)和构件15，也可采用不同形状的口模。挤压构件15的优选长度为12英寸至30英尺。
除了用常规的挤压技术进行挤压之外，还可用锻造、或由经过机加工的棒材、冲压、或用砂型铸造、熔模铸造或压铸技术来成型长构件15。构件15沿其周边11可呈圆柱形或其它任何形状。例如，在不同的应用场合，构件15可以是香肠形、烤饼形或方形。
构件15最好用软铁、低碳钢或其它具有高导磁率的软铁磁性材料制成。构件15沿其轴线12可有一条中心孔(未示出)，以便于让一根轴插入其中。然而，构件15也可以在预定的位置进行加工，以成型出轴42。
参见附图2，在充分冷却之后，对长构件15沿纵轴12的横向在锯缝45处进行切割或切段，形成多个具有预定长度的转子芯骨40。常规的切割技术，如带锯或带有金属开槽锯刀的卧式铣床(如LeBlond，Mazak和Makino公司制造的)都可采用。每个切段的长度取决于使用这种转子结构的象电动机或发电机这样的旋转机器的类型。
图3表示了一个具有从其一端延伸到另一端的沟槽16的转子芯骨40。在一个沟槽16中放置一块磁体17。本领域的技术人员已经知道，每块磁体17都可由两块或更多块磁体构成，并且可以和沟槽一同延伸。最好在每条沟槽16中的磁体17的内壁面17b上设置可导磁的极靴18，极靴18沿着转子芯骨40的周边11与转子芯骨40对齐而形成一个圆柱面。为便于组装和拆卸，磁体17、沟槽16和极靴18彼此可解脱地相连。或者，在构件15成型之后且在它被切成单个的转子芯骨40之前，将磁体17和极靴18设置在每个相应的沟槽中。
沟槽16具有靠近周边11的侧表面16b和靠近轴线12的底表面16a。如图3和图7至图11所示的各种形状的沟槽16，多少使表面16a和16b发生变化。应该理解，这里所用的侧表面和底表面这样的术语仅仅是为了在描述沟槽16的各种形状时利于辨认的目的。
沟槽16在靠近侧表面16b的地方具有一个扩大部16c。具有图3、9和11所示形状的各种沟槽16也可以不带有扩大部16c。沟槽16还可以具有凸出部96，下面将要对此加以说明。
极靴18可利用挤压、层压或其它工艺单独地制成。这些极靴18是可导磁的，并可由软铁、低碳钢或其它任何软的铁磁性材料构成。
下面结合图3和图7至图11对磁体17的形状和构造进行说明。磁体17可由下列已知的材料制成铁氧体(铁素体)磁铁、稀土磁体、钢磁体、铝镍钴永磁合金、铁-铬-钴合金和Lodex(电镀铁-钴磁铁)，或类似材料。铁氧体磁铁和稀土磁体是通过烧结工艺生产的，这种工艺利用加热(而不是熔化)形成均质的材料。对磁体17均匀励磁的较好方式是使其内外壁面17a和17b具有不同的极性。换句话说，外壁面17a可以具有南极磁性，而且它设置成与沟槽16接触，以便在两材料16和17之间构成导磁回路。磁体17的内壁面17b具有北极磁性，并且通常设置成与导磁极靴18接触，以便在材料17和18之间构成导磁回路。因此，本发明的这个优选实施例具有作为北极的极靴18和作为南极的转子芯骨40。不过，上述极性也可以颠倒过来，照样能实现相同的机器性能。
恒定的磁场强度以及采用适当形状和间隔设置的转子的导磁部分可产生更均匀的转矩或电压输出，即实质上不存在高的谐波畸变。南、北极沿转子芯骨40的周边11的表面积最好是相等的。
现在参照图4，其中在带有磁体17和极靴18的转子芯骨40(在本实施例中，它们装配起来后呈圆柱形)的两相对端装有端盖50。端盖(或端板)50可利用紧固件51连到转子芯骨40(或极靴18)上。紧固件51可装在螺纹孔82中。端盖50用不导磁的材料制成。端盖50适用于较高的速度和较大的转子芯骨40，并且装配和拆卸都很方便。高速转子还要求围绕着转子芯骨40的周边设置保持环。轴42可连到端盖50上，并被插接到沿转子芯骨40的轴线12延伸的孔(未示出)中;或者如前面所述的那样，直接从转子芯骨40上加工出轴42。
图5表示了取自图4的完整的转子芯骨40，它由常规的定子组件60包围并设定在机器70的外壳65中。此转子由轴42上的轴颈轴承59支承，以利于旋转。
图6表示了装配好的转子芯骨40和定子组件60的横剖面图。定子组件60包围着转子芯骨40，并在其间形成一个小的气隙80。气隙80使装配好的转子芯骨40与定子组件60热绝缘，以便降低由于温度升高而引起的磁体70的性能下降。定子上具有定子齿85，定子齿85由电力线圈86(仅示出一个)环绕。此外，电力驱动电路87以本领域的技术人员众所周知的方式连到电力线圈86。可以采用一个适用的驱动电路87，例如本领域常用的由Reliance制造的No.AC2105型驱动电路。众所周知，驱动电路87可根据需要提高或降低磁通量。驱动电路87还可被有选择地用于抑制电压尖峰或冲击。另外，驱动电路87以及阻尼线圈可以提高启动转矩，并在负载变化期间消除不希望的振颤。另外，驱动电路87通过和一个变换器连接还能将转子芯骨40锁定到速度为零的同步状态，并将该转子芯骨40带动到所需的高速。这可以制成可变速的旋转机器。此外，驱动电路87可以单相或多相结构连接，以使它对于复杂的应用(如利用工业废热发电)表现出更大的通用性。
图7是图3所示完整的转子芯骨40的部分放大横剖面图。具体地说，沟槽16具有位于角顶处的底表面16a和侧表面16b。磁体17的外壁面17a贴靠在沟槽表面16a和16b上。在此实施例中，沟槽表面16a与16b以及磁体的外壁面17a都呈V形，并且配合在一起。也可以使用两块或更多块磁体来构成V形磁体17。另外，极靴18与转子芯骨40沿其周边11呈圆柱形对齐。在磁体17的顶端与转子芯骨40的周边11之间，存在着气隙90，它对磁通泄漏来说是个阻隔体(即它的导磁性低，故无法构成磁路)，并有助于引导磁力线穿过适当的转子和定子组件，由此使能量密度提高。
图8是图3所示完整的转子芯骨40的部分放大横剖面图。在这个实施例中，磁体17和沟槽16都是U形的，而且它们的对应表面如图7所示的那样相互配合。
图9是图3所示完整的转子芯骨40的部分放大横剖面图。其中一对磁体17W和17X分别贴靠在沟槽表面16b上。具体地说，本实施例采用两块具有普通棒形或矩形的小磁体来取代上例中的U形磁体。这样，在沟槽底表面16a上就存在着一个气隙32。
图10是图3所示完整的转子芯骨40的部分放大横剖面图，其中在每个沟槽16中有三块磁体，即设置了两块侧磁体17y和一块底磁体17z。底磁体17z位于沟槽底表面16a上，而侧磁体17y位于沟槽侧表面16b上。磁体17y和17z可具有任何形状，只要它们能插配到沟槽16中即可。
图11是图3所示完整的转子芯骨40的部分放大横剖面图，其中沟槽16、磁体17和极靴18紧密地装在一起，并且在磁体17的顶端和周边11之间设置了非磁性盖95。转子芯骨40的凸出物96和极靴18上的凸出物97相应地与具有适当形状的非磁性盖95相配合，以便将磁体17和盖95保持在转子芯骨40上。这样，转子芯骨40旋转时产生的离心力将不会使这些必备部件运动，也不会中断运转。
对于低速机器来说，这些非磁性盖95不是必备的。这是因为此时的气隙90能够象非磁性盖95一样很好地阻止磁通泄漏。然而对于高速机器来说，最好采用非磁性盖95，以防止出现不希望有的磁通泄漏路径或磁性回路，并防止偏心力对转子结构的物理破坏。这些非磁性盖95由非磁性或低导磁性材料(如铝或木材)制成。
磁体17最好与沟槽16的表面相吻合，如图7、8、10和11所示形状的磁体。由于转子芯骨40和磁体17是接触的，或者说是构成一条低磁阻回路，所以可以制成具有很低漏磁量的实心结构。因此，生产一个转子只需要较少的磁性材料，其结果是降低了电动机的成本。
转子芯骨40还可具有许多不同的磁极结构。一种8极转子结构具有位于转子芯骨40的0°、90°、180°和270°圆周位置上的极靴18(最好作为北极即N极)，而相对的极靴(最好是南极即S极)设置在转子芯骨40的外边缘上，并位于大约45°、135°、225°和315°的圆周位置上。如前所述，在一个合适的结构中，磁体17是这样被励磁的让贴着极靴18的磁体内壁面17b具有北极(N)磁力线取向，而让磁体外壁面17a具有南极(S)磁力线取向。
与8极机器相对的一种4极机器，具有设置在0°和180°圆周上的N极和设置在90°和270°圆周上的S极。如本领域的技术人员所周知的那样，可以为内磁体旋转机器提供2极、4极、8极、16极、32极或其它极数的设计。
现在参见图12，它表示了一种2极内磁体电动机的实施例。如图12所示，转子110包括上部和下部转子芯骨111和112，以及一块位于其间的磁体114。转子芯骨111和112的周边113最好是圆形的，当然也可以形成其它形状的周边。在一个优选实施例中，磁体114具有顶部和底部端面117和118，它们分别被极化成相反的极性并且最好是平端面。分别在上部和下部转子芯骨111和112上的相应平端面115和116构成了一条高导磁性磁路。磁体114也具有侧壁119和120，它们从周边113向内凹陷，以便分别形成气隙121和122。或者磁体114的侧壁119和120伸到周边113的外面。图12所示的实施例表明，上部和下部转子芯骨是相同的，然而，本领域的技术人员也将理解，这两个转子芯骨也可以是不对称的，以使得一个转子芯骨111或112能够具有一个装纳一根轴的孔(未示出)。或者，端盖(未示出)带有一根轴。
本领域的技术人员还能理解，图12所示的转子可以用结合图1-5所描述的方法来制造。换句话说，可以利用挤压或其它工艺成型出第一和第二根细长构件，然后将构件切成预定的长度，再将磁体放置在其间以构成转子。本领域的技术人员将会理解，虽然图12涉及到上部和下部转子芯骨，但是这两个转子芯骨是以和上述其它实施例中的转子芯骨和极靴相同的方式发挥功能的。
在运转过程中，磁力线从最接近的N极传输到最接近的S极，如图6所示的两维磁路100那样。两维磁路意味着磁力线在垂直于纵轴线12(而不是平行于轴线12)的机器平面内传输。因此，从极靴18的N极发出的磁力线穿过气隙80，流入并流出定子齿85和电力线圈86，再穿过气隙80，最后到达最接近的转子芯骨40的S极。实际上，磁力线与电力线圈86交相感应，以产生能量(如发电机)，或者由励磁线圈86发出的磁力线作用在转子芯骨40上，产生使之旋转的力(即电动机，图中未示出磁路)。根据电动机或发电机的运行方式，转子芯骨40在静止的定子组件中，从一个弧度位置转到另一个弧度位置。
在附图和说明书中，举出了批量生产内磁体旋转机器的方法及由此方法生产出的内磁体旋转机器的几个优选实施例。这种内磁体机器可以是永久磁体凸极同步型，无刷直流(DC)永久磁体型或其它任何在转子芯骨40、气隙80和定子60之间具有两维磁路的电动机或发电机。带有线圈86的定子组件60和驱动电路87可以是已知的用于单相、两相和三相感应和同步机器的那些类型，但绝不仅限于此。
尽管在本说明书中采用了具体的技术术语，但这只是出于描述的目的，而不是要限制本发明。本发明的范围由权利要求限定。
权利要求
1.一种用于旋转机器的转子结构，包括一个具有从其一端延伸到另一端的沟槽的转子芯骨，和位于各自的一条所述沟槽中的至少一块磁体。
2.根据权利要求1的转子结构，其中所述转子芯骨是整体式的。
3.根据权利要求1的转子结构，其中所述转子芯骨是一个大致圆柱形的、可导磁的转子芯骨。
4.根据权利要求1的转子结构，其中所述沟槽和所述至少一块磁体选自下列组合a.U形沟槽和至少一块U形磁体，b.V形沟槽和至少一块V形磁体，c.任意形状的沟槽和位于每条沟槽中的一对磁体，这两块磁体分别沿着沟槽的相应侧面放置，并与沟槽的底部分开，以便在沟槽的底部形成一个气隙，和d.任意形状的沟槽和位于每条沟槽中的三块磁体，第一块磁体放置在每条沟槽的底面上，而另两块磁体放置在每条沟槽的相应侧面上。
5.根据权利要求1的转子结构，其中所述至少一块磁体具有一个内壁面和一个外壁面，所述磁体的外壁面贴装在所述沟槽中，所述转子结构还包括共同延伸地放置在所述磁体的内壁表面上的至少一个极靴。
6.根据权利要求1的转子结构，还包括设置在所述转子芯骨的至少一端的至少一个端盖。
7.根据权利要求1的转子结构，它结合于一个包围在所述沟槽中带有至少一块磁体的所述转子芯骨的定子组件，以此构成一个旋转机器。
8.根据权利要求1的转子结构，还结合于一个连接到所述定子组件的电力驱动电路。
9.一种生产用于旋转机器的转子的方法，包括以下步骤成型出一种其周边上带有平行于其纵轴线的沟槽的长构件，将所述长构件切成具有预定长度和具有从其一端延伸到另一端的所述沟槽的转子芯骨，将磁体放置在所述沟槽中。
10.根据权利要求9的方法，其中所述成型长构件的步骤包括挤压出一种其周边上带有平行于其纵轴线的沟槽的长构件。
11.根据权利要求9的方法，其中所述放置磁体的步骤包括将磁体共同延伸地放置在所述长构件的所述沟槽中。
12.根据权利要求9的方法，其中所述放置磁体的步骤包括将磁体共同延伸地放置在所述转子芯骨的所述沟槽中。
13.根据权利要求9的方法，其中所述磁体具有内壁面和外壁面，所述磁体的外壁面贴装在所述沟槽中，所述方法还包括将至少一个极靴放置到所述磁体的内壁面上。
14.根据权利要求9的方法，还包括将至少一个端盖放置到所述转子芯骨的至少一端上。
15.根据权利要求9的方法，还包括将沟槽中具有磁体的所述转子芯骨设定在一个定子组件中，以此构成一个旋转机器。
16.一种生产用于旋转机器的转子的方法，包括以下步骤成型出各自具有一条纵轴线的第一和第二长构件，将所述第一和第二长构件切成具有预定长度的段，以形成上部和下部转子芯骨，和将一块磁体放置在所述第一和第二长构件之间。
17.一种用于旋转机器的转子，包括上部和下部转子芯骨，和一块位于所述上部和下部转子芯骨之间的磁体。
全文摘要
内磁体旋转机器如电动机和发电机的转子，由成型出长构件来批量生产。长构件的周边上有平行于其纵轴线的沟槽。将长构件切成具有预定长度和从其一端延伸到另一端的沟槽的转子芯骨。在沟槽中放置磁体，在沟槽中的磁体上放置极靴。由此法生产出的内磁体旋转机器具有由带有沟槽的转子芯骨构成的转子和位于各自的一条沟槽中的至少一块磁体。这样就能为内磁体旋转机器提供一种有效的、成本低的、可批量生产的和易于装配的转子。
文档编号H02K1/27GK1052976SQ9010997
公开日1991年7月10日 申请日期1990年12月15日 优先权日1989年12月15日
发明者小弗莱德里克·布拉德福德·雷特尔, 布拉德·克劳德·科尔布林格, 丹尼尔·韦恩·麦克吉, 瓦马拉朱·斯利·拉马·穆尔西, 约翰·斯蒂芬·德拉皮 申请人:美国运动系统公司