用于制造适用于钟表应用的多个发电机的方法与流程

1.本发明涉及多个发电机的制造，其中转子设置有至少一个永久磁体并且定子包括至少一个线圈，转子和定子被布置成允许磁耦合，该磁耦合至少在转子每转一圈时在所述至少一个线圈中感应出电压。


背景技术：

2.结合在钟表中的永磁发电机用于经由在(一个或多个)定子线圈中的感应电压和感应电流产生电能。感应电压通常被整流，可选地通过升压器而增压并施加到电源电容器，该电源电容器输出用于钟表的电子电路的电源电压u
suppl
。
3.例如在专利申请ep 1 109 082中描述了一种时钟型发电机，其定子设置有以120
°
角偏移的三个线圈。在专利申请ep 3 438 763中描述了有利地布置成具有带两个线圈的定子的时钟型发电机。这两种发电机具有转子小齿轮，从而允许包括发条盒和由发条盒驱动的齿轮系的机构使发电机旋转。在特定实施例中，发电机的转速被调节为平均以给定的设定点速度旋转，并且该机构形成设置有模拟时间显示器的机械机芯。因此，发电机具有调整该机构运行以准确显示时间和为电子调节电路供电的双重功能。


技术实现要素：

4.发明人揭示了与包括发电机和旨在驱动该发电机的机械能量源的钟表有关的普遍问题。该普遍问题源于两个对立的因素：一方面是此类钟表的功率储备，另一方面是制造这些钟表的成本。为了增加所讨论类型的钟表的功率储备，有必要减少机构和发电机消耗的功率以及在所确定的电源电压范围内正常工作的电子调节电路消耗的电能。因此，为了减少消耗的电功率，有必要提供尽可能接近上述电源电压范围的最小电压同时保持在最小电压之上的电源电压。然而，为了确保电源电压随后不低于最小电压，有必要为用于钟表应用的多个发电机的生产提供严格的制造公差。然而，对发电机、特别是对此类发电机的转子施加严格的制造公差显著提高了这些发电机的制造价格，并因此增加了所讨论的钟表的生产成本。因此，似乎可推知，有必要在更高的功率储备和相对低的生产成本之间做出选择。
5.本发明的目的是提供被配置用于钟表应用的多个永磁发电机，其中每个发电机由通过机械能量源驱动的机构旋转，并且其中每个发电机为在给定的电源电压范围内工作的电子电路供电，这允许对于给定的钟表应用消耗相对少的电力，因此对于预期的能量源具有相对高的功率储备，同时使多个发电机的生产成本保持相对低，特别是归功于发电机转子的制造公差相对大。
6.为此，本发明涉及一种用于制造多个发电机的方法，该方法包括制造线圈的步骤，制造转子的步骤，然后是将由在制造线圈的步骤期间制造的给定数量的线圈形成的多个定子分别与在制造转子的步骤期间制造的多个转子进行组装以获得多个发电机的步骤。基于限定基准转子的数据以给定的公差执行制造转子的步骤。制造线圈的步骤包括制造n组多个线圈，其中同一组的多个线圈是相似的并且各组的多个线圈之间彼此不同，n是大于1的
整数(n＞1)。在将多个定子与多个转子进行组装的步骤之前，执行将这些转子分类为n类转子的步骤，n类转子中的每一类的多个转子被选择成使得它们与基准定子具有一磁耦合因子，所述基准定子通过相对于每个转子以基准构型放置的给定数量的基准线圈形成，所述磁耦合因子位于一个连续分类值范围内，该连续分类值范围不叠加在其它转子类别的连续分类值范围上。然后，将n组多个线圈分别与n类转子相关联，从而形成n对“多个线圈和相关类别转子”，使得每类转子中的多个转子均与对应的定子具有一磁耦合因子，所述对应的定子由与所考虑类别的转子相关联的多个线圈中的所述给定数量的线圈形成，所述磁耦合因子位于分别与所述n对“多个线圈和相关类别转子”有关的n个优化值范围之中的一个优化值范围内，所述n个优化值范围中的每个优化值范围至少部分地与这些n个优化值范围中的另一个优化值范围重叠；使得所述n个优化值范围的最小值大于所述n个连续分类值范围的最小值，并且这些n个优化值范围的最大值小于所述n个连续分类值范围的最大值；并且使得所述n个优化值范围位于磁耦合因子特有的一个值范围内，该值范围对应于针对旨在用于所述多个发电机的钟表应用的给定电源电压范围。组装步骤最终通过将每一类转子中的多个转子与由相关联的多个线圈中的所述给定数量的线圈形成的定子进行组装而进行，该类转子与所述相关联的多个线圈一起形成所述n对中的一者。
7.根据本发明的一个优选实施例，提供n组多个线圈并且形成n对“多个线圈和相关类别转子”，使得n个优化值范围中的每一个至少部分地与每个其它优化值范围重叠。
附图说明
8.下面将使用以非限制性示例的方式给出的附图更详细地描述本发明，在附图中：
[0009]-图1是根据一个特定实施例的时钟型发电机的顶视图，该时钟型发电机可通过根据本发明的一个实施例的用于制造多个发电机的方法获得；
[0010]-图2是图1的发电机的沿着线“ii-ii”的截面图；
[0011]-图3示出了由结合在钟表中的发条盒提供的力矩的曲线，该钟表包括由通过该发条盒驱动的机构旋转的发电机；以及
[0012]-图4示出了由图3中考虑的钟表的发电机提供的电子调节电路电源的工作电压范围以及在所考虑的本发明的实施例的一个变型中提供的针对三对“多个线圈和相关类别转子”的磁耦合因子优化的三个值范围。
具体实施方式
[0013]
参考附图，将描述根据本发明的用于制造多个发电机的方法的实施例。
[0014]
在图1和2中示出了时钟型发电机的一个实施例。该发电机2包括转子4以及由两个同样的线圈6a和6b形成的定子。线圈为无芯扁平环形线圈。可选地，每个线圈具有介于3.5mm与5.0mm之间的外径、大约1.0mm的内径、和介于0.7mm与1.0mm之间的厚度。对于小于20微米的电线直径，电线的匝数介于4’000匝与6’000匝之间。应当注意，当前的制造技术允许容易地制造多个同样的线圈(也就是说相似，因为无论如何在按相同规格制造的一批线圈中都可能出现小的尺寸偏差)。可以精确地选择电线的直径，并且可以使用管理多个线圈的制造的简单电子控制使该电线的匝数恒定。
[0015]
转子4由轴8以及两个法兰12a和12b形成，每个法兰分别承载六个永久磁体14a和
14b。这些磁体以轴向磁化和相同的极性布置在两个法兰之间的空间中。轴8承载内部小齿轮9，该小齿轮位于两个法兰之间并且被设计成与发电机被结合到其中的手表机构(未示出)的倍增轮啮合。该手表机构包括由齿轮系驱动的模拟时间显示器，该齿轮系又由形成机载机械能量源的发条盒驱动，该发条盒与发电机成运动学关系，该发电机经由与该发电机相关联的电子调节电路(未示出)调整该机构——即齿轮系和模拟显示器——的操作，该电子电路通过施加到发电机的制动脉冲来调节发电机的转速，使得其平均速度等于为没有时间漂移的时间指示设置的设定点速度。轴8通常包括两个枢轴10a和10b，这两个枢轴插入到两个相应的轴承中以使转子枢转。应当注意，永久磁体可以具有另一种形状，特别是椭圆形。在一个特定变型中，由法兰承载的六个永久磁体是连续的，具有限定环形扇段的轮廓，并因此共同形成磁环。在另一变型中，六个磁体由一体式磁环(一体形成)形成，该磁环被磁化以在两个线圈6a和6b于其中延伸的大体中间平面的一侧形成六个磁极，这六个磁极交替地具有主要沿轴向方向离开环形磁体的磁通量。在这种情况下，这是关于多极磁体，也就是说，在其一个面(或在其侧面)上具有多个磁极的磁体。还应注意，位于所述大体中间平面一侧的双极磁体或磁极的数量可以是不同于六个的偶数，例如八个。在具有由磁性材料制成的法兰的替代实施例中，两个法兰中仅一个法兰承载磁体，则另一法兰仅用于封闭由磁体产生的磁通量。
[0016]
转子的制造——特别是鉴于永久磁体14a和14b的小尺寸——相对难以满足具有严格公差的预定规格。实际上，若干参数可累积地变化，使得根据相同规格制造的多个转子与由相对于每个转子以基准构型放置的两个基准线圈形成的基准定子的磁耦合因子可能在相对宽的值范围上延伸，除非提供产生高生产成本的小的公差，所述相对宽的值范围特别是由于许多的永久磁体以及设置有这些磁体的法兰，其由于最终在所提供的公差之外而必须被消除。实际上，磁耦合因子ku特别地可根据以下因素而变化：
–
磁体的几何公差(高度、直径)，
–
永久磁体的磁场br因生产批次的变化，
–
磁体在两个法兰中的每个法兰上的定位公差，
–
磁体的轴向定位公差，
–
承载磁体的两个法兰的平行度公差。
[0017]
图3示出了曲线20，其给出了由发条盒根据其上条水平而提供的力矩m
supplied
。以已知的方式，由发条盒供应的力矩取决于其上条水平，并因此取决于轴与发条盒的条盒轮之间的从发条盒弹簧松弛的退绕角位置起的相对匝数n
trsbar
，称之为“上条匝数”。最大力矩m
max
自然是针对最大上条匝数n
trsmax
提供的。当发条盒弹簧松弛从而发条盒退绕时，由发条盒供应的力矩减小，直到达到对应于一定的剩余上条匝数n
trsbar
的有用力矩m
useful
，该有用力矩是确保钟表——特别是发电机2和与其相关联的机构——正确操作所需的力矩，该机构将发条盒和发电机运动学连接。重要的是要认识到，有用力矩越小，有用的上条匝数——也就是说“n
trsmax
–ntrsmin”——就越大，因此对于时间指示机构来说功率储备就越大，因为发条盒在正常运转中以恒定速度旋转。为钟表——特别是具有机载机械能量源(发条盒)的类型的钟表——提供最大的功率储备是这种钟表的制造商的主要目的，因为这通常符合消费者的愿望。从单独确定和优化该机构的有用力矩这一事实出发，因此可以更具体地关注确保由发电机和与该发电机相关联的电子调节电路形成的组件的操作所需的有用力矩。因此，为了增加结合了所述组件的钟表的功率储备，使该组件的有用力矩最小化是有利的。由于根据定义，有用功率p
useful
等于有用力矩乘以发电机转子的转速，因此针对等于设定点速度的转速使有用功率最小化相当于使有用力矩m
useful
最小化。组件“发电机和该发电机的电
子调节电路”的有用功率p
useful
由以下数学式给出：
[0018]
p
useful
＝p
mec
+p
ic
+p
coil
[0019]
使发电机保持恒定转速的机械功率p
mec
主要取决于该发电机转子的干摩擦和粘滞摩擦。因此寻求使这种摩擦最小化以增加钟表的功率储备。线圈中消耗的电功率p
coil
取决于这些线圈的电阻和在其中流动的电流。特别是考虑线圈的尺寸和与转子磁体的磁耦合——该磁耦合对于能够产生足够高的电源电压和电流是必要的，优化线圈的电阻对于功率储备也是有利的。最后，可以通过减小电子调节电路消耗的电功率p
ic
来增加钟表的功率储备。本发明涉及后一方面。本发明所解决的与电功率p
ic
相关的问题不涉及电子调节电路的制造(电子调节电路将针对其低耗电量的特征而被有利地选择)，而是涉及根据给定规格制造多个发电机，这些发电机都可以提供足够的但尽可能低的电源电压，以便与这些发电机中的每一个相关联的电子调节电路可以在消耗相对较少的电功率的情况下被正确供电。
[0020]
发电机提供的电子电路电源消耗的电功率p
ic
由以下数学式给出：
[0021]
p
ic
＝u
suppl
·iic
＝g
·uind
·iic
[0022]
其中g是有利地提供的升压器的倍增因子，并且u
ind
是在发电机的线圈中感应出并被整流的电压，也就是说在升压器的输入端处供应的电压，该升压器在输出端处连接到提供电源电压u
suppl
的电源电容。感应电压u
ind
等于介于转子的磁体与发电机定子线圈之间的磁耦合因子ku乘以转子的转速ωg(以弧度每秒为单位)，也就是说u
ind
＝ku·
ωg。如图4所示，电子调节电路一般被布置成能够在位于工作范围24内——也就是说在最小电源电压u
supplmin
与最大电源电压之间——的电源电压u
suppl
下正确工作。由于电源电压u
suppl
取决于磁耦合因子ku(u
suppl
＝g
·uind
＝g
·ku
·
ωg)，因此当相关联的发电机的转子和定子之间的磁耦合因子ku位于对应的值范围25内时，电子电路可以正确地工作(在这里描述的变型中，转速是恒定的并且u
suppl
与ku成正比)。
[0023]
如上文所述，生产多个手表型发电机的成本在很大程度上取决于为制造多个转子以形成多个发电机而规定的制造公差。因此，为了使生产成本最小化，本领域技术人员将考虑为所述多个转子提供相对大的制造公差，以远离最小值k
umin
和最大值k
umax
的值以及因此接近与磁耦合因子有关的值范围25的中间值的值作为基准转子(通过由对计划的发电机的转子建立的规范所提供的数据来限定)的磁耦合因子ku的目标值，使得给出以相对低的成本制造的多个发电机的磁耦合因子的分布的高斯曲线基本上位于该相对宽的值范围25内。从这种方法可见，分别与所述多个发电机相关联的所述多个电子电路中的大多数电子电路将消耗相对大量的电功率，也就是说，大多数电子电路的电功率p
ic
的值将远大于最小值p
icmin
＝u
supplmin
·iic
＝g
·kumin
·
ωg·iic
，从而允许正确地为这种电子电路供电。因此，这种降低发电机生产成本的方法使得大多数配备有这些发电机的钟表将由于其电子调节电路的消耗远大于足以运行这种电子电路的最低消耗并因此由于过多的功率消耗而具有减少的功率储备。
[0024]
为了解决这个问题，根据参考图4描述的本发明的变型，提供了一种用于制造多个永久磁体时钟型发电机2的方法，该方法包括制造线圈的步骤、制造转子的步骤，然后是将多个定子分别与多个转子4进行组装以获得多个发电机的步骤，每个定子由在制造线圈的步骤期间制造的两个线圈6a、6b形成，所述多个转子在制造转子的步骤期间制造。基于根据与计划的发电机有关的规范限定基准转子的数据来以给定公差执行制造转子的步骤。制造
线圈的步骤包括制造三组的多个线圈b1、b2和b3，这些线圈在同一组内相似，并且一组的线圈与另一组不同。在一个有利的变型中，三组线圈b1、b2和b3仅在构成这些线圈的电线的匝数方面不同。
[0025]
在将多个定子与多个转子进行组装的步骤之前，执行将多个转子分类为三类转子cr1、cr2和cr3的步骤。为此，将转子带到测试站，其中将每个转子与基准定子暂时进行组装以执行这样为了测量而暂时形成的测试发电机的磁耦合因子的测量。基准定子由两个基准线圈b
ref
形成，这两个基准线圈相对于每个被测试的转子以基准构型放置以形成测试发电机。为了测量磁耦合因子，例如借助于与转子的旋转轴相切的空气射流来使每个测试发电机的转子旋转。然后，通过测量转子的转速和基准定子中感应出的电压，因此可以计算所考虑的测试发电机的磁耦合因子的值，并将该测定值与被测转子相关联。为了限制生产多个发电机的成本，多个转子与在测试站中相对于每个转子以基准构型布置的基准定子的磁耦合因子ku在相对宽的值范围26内延伸，这是因为转子的制造公差相当大。因此，该值范围26是利用由两个基准线圈b
ref
形成的基准定子对所述多个转子e
rot
的测定值k
umeas
(b
ref
；e
rot
)的范围。
[0026]
将转子r1、r2和r3分别分类为三类转子cr1、cr2和cr3是通过将测定值k
umeas
的范围(值范围26)划分为不重叠的三个连续的分类部分来进行的。这三个连续部分旨在是连续的并且覆盖整个值范围26以涵盖多个转子。三个连续的分类部分优选地具有基本上相同的长度，因为在上面给出的数学式中出现的关系是线性关系。由于本发明允许为由基准定子和基准转子形成(根据计划的规范)的基准发电机的磁耦合因子选择相对接近最小值k
umin
的目标值k
utar
，如稍后将容易理解的那样，因此应注意，值范围26具有如下的一部分，该部分的值小于该最小值，并且因此对于基准定子其对应于非功能性且因此未被“授权”的值。
[0027]
然后，将三组的多个线圈——也就是说第一组多个线圈b1、第二组多个线圈b2和第三组多个线圈b3——分别与三类转子cr1、cr2、cr3相关联(因而形成三对“多个线圈和相关类别转子”)，使得每类转子中的多个转子与相应定子具有磁耦合因子ku，所述相应定子由与所考虑的转子类别相关联的多个线圈中的两个线圈形成，所述磁耦合因子ku位于相对于所考虑的力矩的优化值范围内。因此，获得分别与三对“b1，cr1”；“b2，cr2”；“b3，cr3”相关的三个优化值范围28、30、32。这些对“多个线圈和相关类别转子”形成为使得三个优化值范围28、30和32中的每个值范围至少部分地与这三个优化值范围中的另一值范围重叠，并且使得三个优化值范围中的最小值大于三个连续分类部分——也就是说值范围26——的最小值，并且这三个优化值范围的最大值小于三个连续分类部分——也就是说值范围26——的最大值，如图4所示。另外，这三对“多个线圈和相关类别转子”形成为使得三个对应的优化值范围28、30和32中的每个值范围的最小值都大于值范围25的最小值k
umin
，所述值范围25给出了磁耦合因子的功能性的且因此“被授权”的值。
[0028]
在实践中，确定了第一类转子cr1的第一连续分类部分对应于值范围26的下部部分，其中磁耦合因子的值小于目标值k
utar
；确定了第二类转子cr2的第二连续分类部分对应于值范围26的中间部分，其中磁耦合因子的值位于目标值k
utar
附近；并且确定了第三类转子cr3的第三连续分类部分对应于磁耦合因子的值范围26的上部部分，其中磁耦合因子的值大于目标值k
utar
。与第一类转子cr1相关联的第一组多个线圈中的线圈b1的构成它们的电线的匝数大于为基准定子的基准线圈设置的基准数nb
ref
。与第二类转子cr2相关联的第
二组多个线圈中的线圈b2的构成它们的电线匝数等于所述基准数。这些线圈b2因此是基准线圈b
ref
。注意，这种情况在转子的类别数和因此所提供的对数是奇数时是有利的。与第三类转子cr3相关联的第三组多个线圈中的线圈b3的构成它们的电线的匝数小于所述基准数。在一个有利的变型中，其中值范围26被分成三个基本相等长度的连续部分，每个线圈b1的电线的匝数nb1等于基准数nb
ref
加上了优化数nb
opt
，也就是说nb1＝nb
ref
+nb
opt
，每个线圈b2的电线的匝数nb2等于基准数nb
ref
，并且每个线圈b3的电线的匝数nb3等于基准数nb
ref
减去了优化数nb
opt
，也就是说nb3＝nb
ref-n
bopt
。
[0029]
最后，通过将每一类转子中的转子与由相关联的多个线圈中的两个线圈形成的定子进行组装来执行组装步骤，该类转子与所述多个线圈形成三对“b1，cr1”；“b2，cr2”；“b3，cr3”中的一对，也就是说，使得构成所获得的多个发电机的n组发电机中的所有发电机具有位于附图标记为34的全局优化范围pg
opt
内的磁耦合因子ku，所述全局优化范围完全包含在值范围25内，其确保分别由多个发电机和多个电子调节电路形成的多个组件的正常操作。因此，全局优化范围34被包含在值范围26内，并且也在值范围25内。
[0030]
在对应于所描述的有利变型的一个优选变型中，提供三组多个线圈并且形成三对“多个线圈和相关类别转子”，使得三个优化值范围中的每个值范围至少部分地与每个其它优化值范围重叠(参见图4)。在一个最佳变型中，这些优化值范围完全对齐，使得总优化范围pg
opt
对应于这些相同的优化值范围。