本申请要求于2015年9月23日提交的美国专利申请no.14/863,377的优先权，其内容通过引用包含于此。
本发明一般而言涉及电动机器。更具体地，本发明涉及用于圆锥形气隙电动机器的刚性转子结构。
背景技术：
已知圆锥形气隙电动机在低输出功率和高输出功率环境中均具有在电动机工业平均水平之上的功率效率。美国专利8,330,316和8,330,317公开了此类结构。这些专利同样为本申请的申请人拥有，并通过引用包含于此。
用于此类电动机的转子的设计目前依靠部件磁体来支承和定位面对气隙的导磁极。这样，这些磁体的机械强度是重要的设计考虑。随着电动机的功率需求增加，施加到部件磁体上的力也增加。
因此，存在对减轻部件磁体上的作用力的用于导磁极的支承结构的需求。
技术实现要素：
一种用于圆锥形气隙电动机器的转子结构具有布置在旋转轴线上的一个或多个转子组件。该一个或多个转子组件中的每一个均包括关于旋转轴线径向定位的导磁结构。导磁结构包括面朝圆锥形气隙且定向成与旋转轴线成一角度的第一面，以及与旋转轴线成一角度的相邻的第二面。相邻的第二面配置成在径向上比第一面更靠近旋转轴线。一个或多个磁性结构组包括磁性材料。所述一个或多个磁性结构组包括与导磁结构交错设置的第一磁性结构组，第二磁性结构组，以及邻近第二磁性结构组布置的磁通导体屏蔽物。磁通导体屏蔽物配置成提供用于第二磁性结构组的磁通返回路径。毂结构轴向定位在旋转轴线上，该毂结构具有邻近导磁结构的相邻的第二面且与其共同延伸的配合面。导磁板布置在垂直于旋转轴线的平面中，导磁板的至少一部分构造为盘片。
附图说明
通过结合下面带有附图的详细说明来更好地了解本发明，其中：
图1是根据本发明的一个实施例配置的包括转子组件的转子结构的截面图。
图2示出了与转子组件相关联的磁性结构。
图3a-3c示出了根据本发明的一个实施例配置的毂部件。
图4a-4b示出了根据本发明的一个实施例配置的内环。
图5是根据本发明的一个实施例配置的转子结构的爆炸图。
图6a-6b示出了用于根据本发明的一个实施例中的导磁板。
图7示出了用于根据本发明的一个实施例中的磁通导体屏蔽物。
在附图的若干视图中，同样的附图标记指示对应的部件。
具体实施方式
下面的定义适用于关于一些实施例所描述的一些元件。这些定义在本文中可同样地进行扩展。
如在本文中所用的，在至少一个实施例中，术语“气隙”指代磁体表面与相对的极面之间的空间或间隙。磁体表面的示例包括磁性材料的任一表面(例如，永磁体的表面)，内置式永磁体(“ipm”)——例如是磁通(例如，由磁性材料产生的磁通)通过其的导磁材料——的表面，或者“产生磁场的体”的任一表面或任一表面部分。此空间可在物理上被描述为至少由磁体表面和极面的区域限定出的体积。气隙发挥作用以实现转子和定子之间的相对运动，并限定出磁通相互作用区域。尽管气隙通常填充有空气，但是其并不限于这样。
如在本文中所用的，在至少一个实施例中，术语“铁磁性材料”指的是通常显示出磁滞现象且其磁导率取决于磁化力的材料。术语“铁磁性材料”还可指代这样的导磁材料：其相对磁导率大于1且取决于磁化力。
如在本文中所用的，在至少一个实施例中，术语“发电机”通常是指构造成将机械能转化为电能而不管例如其输出电压波形如何的电动机器。由于“交流发电机”可被类似地定义，因此术语发电机的定义中包括交流发电机。
如在本文中所用的，在至少一个实施例中，术语“毂”指代其轴线与旋转轴线对齐的通常为多边形的形状。特别地，毂在其外部具有配合面，配合面与布置在毂外部的部件的表面配合，以为此类部件提供机械支承。配合面通常沿周向均匀地间隔。
如在本文中所用的，在至少一个实施例中，术语“磁体”指代产生外部磁场的物体。这样，术语磁体包括永磁体、电磁体等。术语磁体还可指代内置式永磁体(“ipm”)、表贴式永磁体(“spm”)等。
如在本文中所用的，在至少一个实施例中，术语“电动机”通常是指构造成将电能转化为机械能的电动机器。
如在本文中所用的，在至少一个实施例中，术语“导磁(magneticallypermeable)”是描述性术语，通常是指在磁通密度(“b”)和所施加磁场(“h”)之间具有磁性可限定关系的那些材料。进一步地，术语“导磁”意图作为宽泛的术语非限制性地包括任何的铁磁性材料——例如常规的叠片钢、冷轧晶粒定向(crgo)钢、粉末金属、软磁性复合物(“smc”)等。
如在本文中所用的，在至少一个实施例中，术语“软磁性复合物”(“smc”)指的是部分地由磁性绝缘颗粒构成的那些材料，例如能被模制以形成转子结构的元件的涂覆有绝缘物的含铁粉末金属材料。
图1是根据一些实施例的包括转子组件的转子结构100的截面图。各种实施例一般而言涉及电动机器等，并且更具体地涉及用于电动机器的转子组件和转子结构，包括但不限于外转子组件和/或内转子组件。在一些实施例中，用于电动机器的转子包括转子组件。
参见图1，转子组件100具有构成磁极的导磁结构102。毂106(也示出于图3a、3b、5)与内环107(也示出于图4a、4b、5)接合。转子组件还具有磁性结构104和105的布置结构。
图1还示出了具有相应的外部元件108和111的磁通导体屏蔽物103和110。图1还示出了非磁性间隔件109。
图2示出了磁性结构104、105和201的布置结构。图3a是毂106的透视图。毂106具有毂面301。图3b是毂106的侧视图。图3c示出了具有面302的导磁结构102。面302(或其一部分)相对于旋转轴线成一个或多个角而共同延伸(或基本上共同延伸)。在示出的示例中，转子组件100的一个或多个导磁结构102可布置在圆锥形空间(例如，与以旋转轴线为中心的圆锥形气隙相连的圆锥形空间)的一部分的外部。
图3c还示出了面对圆锥形气隙的第一面304。第一面304与旋转轴线成一角度。面302是相邻的第二面，也与旋转轴线成一角度。相邻的第二面配置成相比第一面304在径向上更靠近旋转轴线。图3c还示出了非对向面306；即，不面对圆锥形气隙的面。
可以看出，图3a中的毂面301与图3c中的导磁结构102的相邻的第二面302邻近且共同延伸。毂面301和相邻的第二面302均为平坦的。在一些实施例中，毂面301和相邻的第二面302例如相对于旋转轴线在径向上弯曲。第一面304内凹以与圆锥形气隙的形状相匹配。在毂面301之间的区域限定出间隙308。热固性塑料或热塑性塑料可引入间隙308中，以提供强度和稳定性。
图3a也示出了可选的管状通道(孔)307，其从毂106的内表面延伸至外表面。在制造中，此类通道允许从毂106的内部空间将热固性或热塑性材料注入到转子结构100的空的区域。
在本发明之前，导磁结构102的布置可以被安装到、附接至或以另外的方式约束于支承结构、例如磁性结构104和105，该支承结构又被屏蔽结构103或110支承。屏蔽结构103和110被外侧的元件108和111支承。在此类在先技术的实施例中，屏蔽结构103和110配置为支承抵抗由转子组件100绕旋转轴线的旋转而产生径向力受压的导磁结构102。此类压紧力也作用在磁性结构105上。
在图1和图4中示出了内环107。本发明减小了在磁体104和屏蔽物103上的一些力。内环107位于毂106和导磁结构102之间。内环107也布置在导磁结构之间的气隙中。
参见图1，导磁结构102相对于外侧的元件108(也称作背板108)的机械轴向位置可由在毂106和内环107之间、以及因此在内环107和导磁结构102之间的楔塞作用而控制。
图3a中的毂面301可压紧在图4a的内环面401的一部分上，该内环面又通过图4b中对应的内环面402可压紧在图3c中的导磁结构102的面302上。通过这种方式，毂106的轴向位移通过内环107引起了在导磁结构102上的轴向力和径向力。所述力因此能将导磁结构102相对于背板108锁定在期望的轴向和径向位置。内环107也用于使布置有磁性结构的那些区域相对于气隙密封。
在至少一些情况下，磁通导体屏蔽物103和110提供磁通路径。例如，磁通导体屏蔽物103和110能包括导磁材料以完成在转子组件100的磁极(例如，磁性区域和/或磁体)之间的磁通路径。应注意，磁通导体屏蔽物110无需限制为示例所示的那样，而是可为具有任意形状和/或能用以至少对在旋转期间受压的磁性结构105和导磁结构102进行支承的多种设计功能的各种结构。导磁结构区域102可由磁性材料(例如，永磁体)或导磁材料或其组合形成，但是并不限于那些结构。在一些实施例中，图1中的导磁结构102可由作为形成转子组件100的极(例如，磁极)的面磁体代表，由此能——例如使用磁性材料和/或一个或多个磁体(例如，永磁体)或其它等同的材料——形成一个或多个面磁体。在一些实施例中，术语“磁性材料”可用于指代产生磁场的结构和/或成分(例如，磁体，如永磁体)。在各种实施例中，图1中的磁性区域100可由作为用于形成转子组件100的极102的一个或多个内置式永磁体(“ipm”)(或其一部分)代表，由此能——例如使用磁性材料(例如，使用一个或多个磁体，如永磁体)和导磁材料或其它等同的材料——形成一个或多个内置式永磁体。根据至少一些实施例，术语“内置式永磁体”(“ipm”)可指代产生磁场的结构(或任意表面或其表面部分)，包括磁通(例如，由磁性材料产生的磁通的至少一部分)通过其中的磁性材料和导磁材料的ipm(或其部分)。
参见图5，示出了ipm配置的示例，其中磁性材料201沿周向交错设置在相邻的极102(导磁结构)之间。磁性材料201可视为与导磁结构102交错设置的第一磁性结构组。该图还示出了第二磁性结构组105。磁通导体屏蔽物110邻近第二磁性结构组，并配置成为第二磁性结构组提供磁通返回路径。
来自磁性材料104、105和201的磁通在每一极102叠加地组合，以形成ipm配置。在各种实施方式中，导磁区域102的磁性材料能被其它导磁材料覆盖，以使覆盖的导磁材料置于导磁结构102的面(或其部分)和相应的气隙和/或极面之间。在至少一些情况下，术语“内置式永磁体”(“ipm”)可与术语“内嵌式永磁体”互换使用。
应注意在一些实施例中，加强磁体能被施加为用于提高流经磁性区域和极面之间的磁通量，由此通过一个或多个加强磁体提高的磁通量能影响导磁结构的角度和/或表面积。加强磁体可包括置于离开主磁通路径定向的导磁材料102的非对向面上的磁性材料。加强磁体可包括轴向和径向加强磁体，例如轴向磁体104和径向磁体105。形成加强磁体的磁体材料的类型、加强磁体的表面积以及邻近加强磁体的导磁材料的表面积能影响或改变通过导磁结构的磁通量。
在各种例子中，磁性材料或者导磁结构的一个或多个面在内径维度上可为弯曲的或直的(或者可由多个直的部分形成为近似弯曲面)。
在一些实施例中，磁性结构105可称为径向加强磁体，而磁性结构104可称为轴向加强磁体。根据一些实施例，径向加强磁体能产生平行于或沿着相对于一轴线的径向方向的磁通。例如，径向加强磁体能产生垂直于(或基本垂直于)旋转轴线的磁通。根据一些实施例，轴向加强磁体能产生平行于或沿着轴向方向的磁通。例如，轴向加强磁体能产生平行于(或基本平行于)旋转轴线的磁通。注意，所示出的磁性结构和导磁结构不限于示出的那些形状，也不限于平的面。注意，加强磁体能由布置在转子组件的导磁材料之间的相同的磁性材料或不同的磁性材料制成。此外，加强磁体可具有与导磁材料的相邻面相同或不同的表面积尺寸。
图5还示出了毂106和内环107。此外，该图示出了磁通导体屏蔽物103和背板108。
回到图1，转子组件100包括磁通导体屏蔽物103和110的示例。转子组件100还包括磁性材料104和105(或者其结构，例如磁体)以及导磁材料102、103和110。转子组件100还可包括外侧的径向加强磁体105和轴向加强磁体104。图1中还示出了磁通导体屏蔽物103和110，其配置成为一个或多个磁体提供磁通返回路径(或其一部分)，该磁通返回路径部分位于磁通导体屏蔽物中或横贯磁通导体屏蔽物。在一些实施例中，磁通返回路径部分位于经过置于导磁材料102之间的磁性材料——诸如磁性材料104、105和201——的磁通路径或磁通路径部分的外部。磁通导体屏蔽物减少或消除与磁体——例如加强磁体——有关的磁通(例如，杂散磁通)，否则这些磁通可能扩散到转子组件100或其部件的外部。因此，磁通导体屏蔽物能最小化或捕捉磁通，不然这些磁通可能经过外部材料从而导致损失，例如涡电流损失或磁滞损失。因此，由于位于外转子组件100外部的结构，磁通导体屏蔽物能最小化或抵消磁相关的损失。在一些实施例中，磁通导体屏蔽物能通过为加强磁体提供相比其它可能的情况而言最优的磁返回路径来增强磁通。例如，磁通导体屏蔽物能提供具有比其它可能情况(例如，通过空气、电动机壳体、或者任意其它外部实体)低的磁阻的磁返回路径。磁阻的降低改善了可用磁通量(例如，由加强磁体产生的磁通量)。元件111是由约束材料构成的包绕结构以支承屏蔽结构110抵抗由转子组件绕旋转轴线旋转产生的力。
图6a是背板108的示意图。背板限定了构造成容纳毂106的一端的特征部602(例如，孔)。在装配之际，毂106的该端可通过包括熔焊在内的任意数量的附接工艺附接至背板。
图7是构造为轴向盘片的磁通导体屏蔽物103的示意图。具体示出的是可堆叠以形成图1和图5中的磁通导体屏蔽物103的多个导磁叠片中的一个。
因此，公开了一种高效的圆锥形气隙电动机器。在一个实施例中，该机器使用陶瓷永磁体来产生整体的马力范围。陶瓷永磁体通常为脆性的，并会显示出由所施加的力导致的缺陷。所公开的机器通过机械支承和其它方式分散了力，以改善电动机部件的稳定性。
以上与附图一起提供了对一个或多个示例的详细说明。这一详细说明结合这样的示例来提供，但是并不限于任何特定的示例。范围仅由权利要求限定，并涵盖了多种替代例、修改例和等同例。为提供透彻的理解，阐述了多种具体的细节。这些细节作为示例提供，并且所描述的技术可根据权利要求实施，而无需一些或全部附随的细节。为清楚起见，并未对与示例有关的在技术领域中已知的技术资料进行详细地描述，以在说明中避免不必要的晦涩。
出于解释的目的，之前的说明中使用了特定的术语来为本发明提供透彻的解释。然而，对所属领域技术人员来说为了实施本发明显然无需那样具体的细节。因此，之前的对本发明的具体实施例的说明在此是为了阐述本发明。它们并非穷举式的或者将本发明限制在所公开的精确的形式；显而易见的是，根据上述教导，许多修改例和变型例都是可行的。选择以上实施例进行描述是为了最好地解释本发明的原理和其实际应用，由此使得所属领域技术人员能最好地使用本发明、以及适于预期的特定用途的带有各种修改的各种实施例。希望由所附的权利要求及其等同内容来限定本发明的范围。