磁性极靴的支座的制作方法
【专利说明】
[0001]本申请为2009年05月12日提交的CN200980126084.0发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明大体上涉及磁性极靴支撑结构的新设计，所述磁性极靴支撑结构用在磁齿轮和诸如所谓的伪直接驱动机器之类的具有集成的磁齿轮装置的机器上。
【背景技术】
[0003]与机械齿轮相比，磁齿轮具有显著的优点，比如，没有接触表面、不需要润滑、以及因此减少了维护并且提高了可靠性、固有的过载保护(由于齿轮在过大转矩(torque)下无害地进行磁极滑动(pole slide)、以及输入轴和输出轴在物理位置上隔开。在铁损(例如，由极靴(pole piece)中的祸电流所引起的)能够最小化的情况下，磁齿轮同样是高效率的。W02007/125284中揭示了一种融合了高转矩传送能力和高效率的磁齿轮拓扑，其内容整体合并在此处。
[0004]参考W02007/125284的图1所示，可转动磁齿轮100具有第一或者内部转子102、第二或者外部转子104和多个极靴106。第一转子102包括支撑着第一数目的永磁体110的支座108。在图1所示的磁齿轮中，第一转子102包括被设置来产生在空间上变化的磁场的8个永磁体或者4个磁极对。第二转子104包括支撑着第二数目的永磁体114的支座112。图示的第二转子104包括被设置来产生在空间上变化的磁场的46个永磁体或者23个磁极对。所述永磁体的第一数目和第二数目不同。相应地，在没有磁极靴的情况下，在永磁体112和114之间几乎没有或者没有有用的磁力耦合或者磁力相互作用，且会没有净转矩，使得一个转子的转动不会引起另一个转子的连续转动。
[0005]极靴106用于允许永磁体110和114的磁场親合在一起传送转矩。极靴106调制永磁体110和114的磁场，使得它们相互作用到一定程度，使一个转子的转动以啮合的方式感应另一个转子的转动，即，速度会增加或减小，且转矩会减小或者增大。
[0006]在齿轮内，所述三个元件中有两个是转动的，一个保持静止。所述内部的高速转子通常是转动的，连接到高速的输入/输出轴上，极靴或者外部磁体两者中的一个可以作为另一个转子(连接到低速轴上)，另一个保持静止。这两种装置提供了不同的齿轮速比(与行星齿轮的操作类似)。但是，在所述齿轮已经集成在电机中的伪直接驱动机器中，所述极靴通常是低速转动的元件，一组磁体在定子上保持静止。
[0007]在给定第一永磁体110和第二永磁体114的情况下，本领域技术人员明白如何选择和设计极靴106来实现必要的磁电路或者磁耦合，使得第一转子102和第二转子104之间产生嗤合，例如，可从下述文献理解，K.Atallah, D.Howe, 〃A novel high-performancemagnetic gear"，IEEE Transact1ns on Magnetics, Vol.37，N0.4，pp.2844-2846，2001和 K.Atallah，S.D.Calverley，D.Howe，"Design，analysis and realisat1n of a highperformance magnetic gear〃，IEE Proceedings-Electric Power Applicat1ns，Vol.151,pp.135-143，2004，这些内容通过引用整体并入此处。
[0008]在可替换的实施例中，提供了一种结合有磁齿轮的电机/发电机。另外，包含在该装置内的极靴可以被固定为定子或者作为转子可以转动。图2显示了这样一种装置的例子，它显示的是这样一种电机200的操作原理。
[0009]电机200包括具有支撑着第一多个永磁体206的支座204的第一转子或者内部转子202。在所示的实施例中，使用有10个磁极的永磁体。但是，实施例并不局限于使用这么多的永磁体。也可以实现使用别的数目的永磁体的其它实施例。电机200包括一个多铁磁极靴形式的第二转子208。极靴208被设置为，将第一 /内部转子202的永磁体206磁耦合到固定在各个轮齿214的极靴区域中的绕组定子的外围212的多个永磁体210上，从而形成定子216。在所示的实施例中，绕组定子的外围212固定有60个永磁体。所述实施例包括15个轮齿214，各具有绕组定子的相应的外围212。应当理解的是，实施例不局限于这么多的永磁体和轮齿。可以实现包括其它数目的永磁体和轮齿的实施例。
[0010]极靴208形成一个可转动的极靴阵列208。也就是说，它们形成为一个转子。内部转子202是可转动的。轮齿214和相关联的永磁体210是固定的。永磁体206和永磁体210之间的耦合是使用可转动的极靴208实现的。与定子216相关联的是多个3相绕组1，1’，2，2’和3，3’。这些3相绕组及相关的电流被设置以产生磁场，与和内部转子202相关联的永磁体206的第一或者基础谐波进行耦合，或者与其形成磁力电路。极靴208通常连接到一个端部片，以将转矩传送到一个中心轴。虽然在当前的例子中，与定子216相关联是多个3相绕组，但是，大体上可以使用任何多相绕组，诸如5相绕组。
[0011]在操作的过程中，所述极靴受到大的机械负荷:
[0012]I)所述齿轮或者机器的输出/输入机械转矩(或者反作用转矩)沿圆周(circumferentially)作用在所述极靴上(也就是说，与运动方向相切)；
[0013]2)因为磁转子和极靴的转速不同而产生实际上循环的永磁体磁场，并由该磁场产生的径向磁引力；
[0014]3)当每个极靴试图将其自身与该复合磁场对齐时，它会受制于围绕着它自己的轴线的扭力或者转矩。
[0015]虽然环形结构具有高强度，但是在这里情况并非如此，因为若需要磁性和非磁性区域进行交替则需要组合不同的材料。由于改变磁场而感应生成的涡电流导致损耗且降低效率，为了防止/减少这种涡电流，磁性的以及典型的铁磁段通常是层叠的结构(典型的情况是0.2到0.65mm厚的硅铁叠片堆)，这使得该问题恶化。叠片堆优选的是不应当焊接在一起，因为这样会产生电短路，使感应的电流流动。可替换的是，所述极靴可以由软磁性复合材料(SMC)制成，其是一个磁属性良好但是电阻率低的热压部件，但是机械性比脱氧钢(solid steel)差。因此，这些元件(层叠的或者SMC)整体强度不高。
[0016]所述极靴中间的非磁性区域优选的是非导电的，排除了非磁性钢和其它金属结构，同样也是要防止涡电流和与之相关的损耗。因此，所述中间区域优选的是非导电的、非磁性材料，诸如塑料、碳纤维或者浇铸环氧树脂。
[0017]前面的齿轮和用磁力啮合的机器的例子使用了模制在或者浇铸在环氧树脂基底中的极靴。但是，用放射状地在极靴上方和下方的材料完全封闭极靴的话(放射状地包含着所述的极靴抵抗高磁力)，根据它们的应用方式会有些缺点。例如，磁气隙的扩大会降低所述齿轮/机器的性能；为消除由于滞后损耗和涡电流所引起的热量而所需要的极靴冷却大幅减少。理想的情况是，应当暴露出极靴的表面以确保它们在冷却空气流的附近。
[0018]申请人之前的一篇专利申请GB0800463.2中揭示了一种制造具有这种自然属性的极靴转子的方法，该专利申请的内容通过引用全部包含在此。
[0019]还可能的是，将所述极靴附在一个封头(end-cap)上，以将转矩带到输出/输入轴或者壳体，然而，随着机器(轴向)长度的增加，这样一种装置更有问题。如果所述极靴连接到所述轴的一端，它们呈现为简单的悬臂，当施加扭矩时，它们会在圆周方向弯曲，在极靴区的末端偏斜(deflect1n)最大。所述极靴可以连接在所述轴的两端，贝lJ在机器的中心处偏斜最大。随着机器的轴向长度增加，端部片处的潜在的销点(anchor point)之间的距离增加，导致了较大偏斜的可能。
[0020]可以进行压缩对叠片堆预加负载来放置极靴，(以减少由圆周形式作用的转矩和轴向的磁吸力所产生的偏斜)。但是，随着这些负荷的增加，挤压力将变得过大，就会破坏叠片堆之间的绝缘(导致电击穿和区域性(localised)热点，最终会出现严重的故障)。
【发明内容】
[0021]根据本发明的第一方面，提供了一种极靴支座，其包括带有间隔开的非磁性支撑结构阵列的框架，其中，在至少一对相邻的非磁性支撑结构之间设置磁极靴，所述相邻的非磁性支撑结构沿着其主体的至少一部分支撑着所述磁极靴。
[0022]优选的实施例在从属权利要求中进行描述。
[0023]极靴支座适于在磁驱动系统、磁齿轮和电机中使用。优选的是，磁驱动系统包括三个构件，第一和第二构件形成输入构件和输出构件，这两个构件分别被设置为相对于第三构件进行转动，其中，所述两个构件具有各自的永磁体组，这两组磁体组具有不同数目的磁极，另外一个构件包括一个如任何一项独立权利要求和从属权利要求中所描述的极靴支座。
【附图说明】
[0024]本发明的实施例仅作为示例参考附图来描述，其中:
[0025]图1是根据现有技术的转动磁齿轮的示意图；
[0026]图2是根据现有技术的结合了电机和磁齿轮的示意图；
[0027]图3是根据本发明第一实施例的具有一定形状的极靴和具有一定形状的支撑结构的不意图；
[0028]图4a是根据本发明第一实施例的极靴侧面的示意图；
[0029]图4b是根据本发明第一实施例与图4a的极靴侧面相对应的支撑结构侧面的示意图；
[0030]图5a至图5c是显示根据本发明第一实施例的具有和不带有相邻支撑结构的极靴叠片堆的示意图；
[0031]图6a是根据本发明第一实施例的不带有极靴的极靴支撑结构的示意图；
[0032]图6b是根据本发明第一实施例的具有极靴的极靴支撑结构的示意图；
[0033]图7是根据本发明第二实施例的不带有极靴的极靴转子构造的示意图；
[0034]图8是包含极靴和适当的封头的极靴转子结构的示意图；
【具体实施方式】
[0035]参考图3所示，是根据本发明第一实施例的具有一定形状的极靴和具有一定形状的支撑结构的示意图，包括键接在第一支撑结构302中的具有一定形状的第一极靴300。具有一定形状的第一极靴300包括一个嵌入部，用于接收第一支撑结构302的延伸部分。磁模型(modelling)可以识别出，在不显著影响系统的磁性能的情况下，第一极靴300可以形成多少凹部或者延伸部分，来配合键入在第一支撑结构302中。第一极靴300和支撑结构302具有相反的凸/凹部分。
[0036]进一步的例子包括键入在第二支撑结构3