磁性極靴的支座的制作方法
【專利說明】
[0001]本申請為2009年05月12日提交的CN200980126084.0發(fā)明專利申請的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明大體上涉及磁性極靴支撐結(jié)構(gòu)的新設(shè)計，所述磁性極靴支撐結(jié)構(gòu)用在磁齒輪和諸如所謂的偽直接驅(qū)動機器之類的具有集成的磁齒輪裝置的機器上。
【背景技術(shù)】
[0003]與機械齒輪相比，磁齒輪具有顯著的優(yōu)點，比如，沒有接觸表面、不需要潤滑、以及因此減少了維護并且提高了可靠性、固有的過載保護(由于齒輪在過大轉(zhuǎn)矩(torque)下無害地進行磁極滑動(pole slide)、以及輸入軸和輸出軸在物理位置上隔開。在鐵損(例如，由極靴(pole piece)中的禍電流所引起的)能夠最小化的情況下，磁齒輪同樣是高效率的。W02007/125284中揭示了一種融合了高轉(zhuǎn)矩傳送能力和高效率的磁齒輪拓撲，其內(nèi)容整體合并在此處。
[0004]參考W02007/125284的圖1所示，可轉(zhuǎn)動磁齒輪100具有第一或者內(nèi)部轉(zhuǎn)子102、第二或者外部轉(zhuǎn)子104和多個極靴106。第一轉(zhuǎn)子102包括支撐著第一數(shù)目的永磁體110的支座108。在圖1所示的磁齒輪中，第一轉(zhuǎn)子102包括被設(shè)置來產(chǎn)生在空間上變化的磁場的8個永磁體或者4個磁極對。第二轉(zhuǎn)子104包括支撐著第二數(shù)目的永磁體114的支座112。圖示的第二轉(zhuǎn)子104包括被設(shè)置來產(chǎn)生在空間上變化的磁場的46個永磁體或者23個磁極對。所述永磁體的第一數(shù)目和第二數(shù)目不同。相應(yīng)地，在沒有磁極靴的情況下，在永磁體112和114之間幾乎沒有或者沒有有用的磁力耦合或者磁力相互作用，且會沒有凈轉(zhuǎn)矩，使得一個轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動不會引起另一個轉(zhuǎn)子的連續(xù)轉(zhuǎn)動。
[0005]極靴106用于允許永磁體110和114的磁場親合在一起傳送轉(zhuǎn)矩。極靴106調(diào)制永磁體110和114的磁場，使得它們相互作用到一定程度，使一個轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動以嚙合的方式感應(yīng)另一個轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，即，速度會增加或減小，且轉(zhuǎn)矩會減小或者增大。
[0006]在齒輪內(nèi)，所述三個元件中有兩個是轉(zhuǎn)動的，一個保持靜止。所述內(nèi)部的高速轉(zhuǎn)子通常是轉(zhuǎn)動的，連接到高速的輸入/輸出軸上，極靴或者外部磁體兩者中的一個可以作為另一個轉(zhuǎn)子(連接到低速軸上)，另一個保持靜止。這兩種裝置提供了不同的齒輪速比(與行星齒輪的操作類似)。但是，在所述齒輪已經(jīng)集成在電機中的偽直接驅(qū)動機器中，所述極靴通常是低速轉(zhuǎn)動的元件，一組磁體在定子上保持靜止。
[0007]在給定第一永磁體110和第二永磁體114的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員明白如何選擇和設(shè)計極靴106來實現(xiàn)必要的磁電路或者磁耦合，使得第一轉(zhuǎn)子102和第二轉(zhuǎn)子104之間產(chǎn)生嗤合，例如，可從下述文獻理解，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，這些內(nèi)容通過引用整體并入此處。
[0008]在可替換的實施例中，提供了一種結(jié)合有磁齒輪的電機/發(fā)電機。另外，包含在該裝置內(nèi)的極靴可以被固定為定子或者作為轉(zhuǎn)子可以轉(zhuǎn)動。圖2顯示了這樣一種裝置的例子，它顯示的是這樣一種電機200的操作原理。
[0009]電機200包括具有支撐著第一多個永磁體206的支座204的第一轉(zhuǎn)子或者內(nèi)部轉(zhuǎn)子202。在所示的實施例中，使用有10個磁極的永磁體。但是，實施例并不局限于使用這么多的永磁體。也可以實現(xiàn)使用別的數(shù)目的永磁體的其它實施例。電機200包括一個多鐵磁極靴形式的第二轉(zhuǎn)子208。極靴208被設(shè)置為，將第一 /內(nèi)部轉(zhuǎn)子202的永磁體206磁耦合到固定在各個輪齒214的極靴區(qū)域中的繞組定子的外圍212的多個永磁體210上，從而形成定子216。在所示的實施例中，繞組定子的外圍212固定有60個永磁體。所述實施例包括15個輪齒214，各具有繞組定子的相應(yīng)的外圍212。應(yīng)當理解的是，實施例不局限于這么多的永磁體和輪齒?？梢詫崿F(xiàn)包括其它數(shù)目的永磁體和輪齒的實施例。
[0010]極靴208形成一個可轉(zhuǎn)動的極靴陣列208。也就是說，它們形成為一個轉(zhuǎn)子。內(nèi)部轉(zhuǎn)子202是可轉(zhuǎn)動的。輪齒214和相關(guān)聯(lián)的永磁體210是固定的。永磁體206和永磁體210之間的耦合是使用可轉(zhuǎn)動的極靴208實現(xiàn)的。與定子216相關(guān)聯(lián)的是多個3相繞組1，1’，2，2’和3，3’。這些3相繞組及相關(guān)的電流被設(shè)置以產(chǎn)生磁場，與和內(nèi)部轉(zhuǎn)子202相關(guān)聯(lián)的永磁體206的第一或者基礎(chǔ)諧波進行耦合，或者與其形成磁力電路。極靴208通常連接到一個端部片，以將轉(zhuǎn)矩傳送到一個中心軸。雖然在當前的例子中，與定子216相關(guān)聯(lián)是多個3相繞組，但是，大體上可以使用任何多相繞組，諸如5相繞組。
[0011]在操作的過程中，所述極靴受到大的機械負荷:
[0012]I)所述齒輪或者機器的輸出/輸入機械轉(zhuǎn)矩(或者反作用轉(zhuǎn)矩)沿圓周(circumferentially)作用在所述極靴上(也就是說，與運動方向相切)；
[0013]2)因為磁轉(zhuǎn)子和極靴的轉(zhuǎn)速不同而產(chǎn)生實際上循環(huán)的永磁體磁場，并由該磁場產(chǎn)生的徑向磁引力；
[0014]3)當每個極靴試圖將其自身與該復(fù)合磁場對齊時，它會受制于圍繞著它自己的軸線的扭力或者轉(zhuǎn)矩。
[0015]雖然環(huán)形結(jié)構(gòu)具有高強度，但是在這里情況并非如此，因為若需要磁性和非磁性區(qū)域進行交替則需要組合不同的材料。由于改變磁場而感應(yīng)生成的渦電流導(dǎo)致?lián)p耗且降低效率，為了防止/減少這種渦電流，磁性的以及典型的鐵磁段通常是層疊的結(jié)構(gòu)(典型的情況是0.2到0.65mm厚的硅鐵疊片堆)，這使得該問題惡化。疊片堆優(yōu)選的是不應(yīng)當焊接在一起，因為這樣會產(chǎn)生電短路，使感應(yīng)的電流流動?？商鎿Q的是，所述極靴可以由軟磁性復(fù)合材料(SMC)制成，其是一個磁屬性良好但是電阻率低的熱壓部件，但是機械性比脫氧鋼(solid steel)差。因此，這些元件(層疊的或者SMC)整體強度不高。
[0016]所述極靴中間的非磁性區(qū)域優(yōu)選的是非導(dǎo)電的，排除了非磁性鋼和其它金屬結(jié)構(gòu)，同樣也是要防止渦電流和與之相關(guān)的損耗。因此，所述中間區(qū)域優(yōu)選的是非導(dǎo)電的、非磁性材料，諸如塑料、碳纖維或者澆鑄環(huán)氧樹脂。
[0017]前面的齒輪和用磁力嚙合的機器的例子使用了模制在或者澆鑄在環(huán)氧樹脂基底中的極靴。但是，用放射狀地在極靴上方和下方的材料完全封閉極靴的話(放射狀地包含著所述的極靴抵抗高磁力)，根據(jù)它們的應(yīng)用方式會有些缺點。例如，磁氣隙的擴大會降低所述齒輪/機器的性能；為消除由于滯后損耗和渦電流所引起的熱量而所需要的極靴冷卻大幅減少。理想的情況是，應(yīng)當暴露出極靴的表面以確保它們在冷卻空氣流的附近。
[0018]申請人之前的一篇專利申請GB0800463.2中揭示了一種制造具有這種自然屬性的極靴轉(zhuǎn)子的方法，該專利申請的內(nèi)容通過引用全部包含在此。
[0019]還可能的是，將所述極靴附在一個封頭(end-cap)上，以將轉(zhuǎn)矩帶到輸出/輸入軸或者殼體，然而，隨著機器(軸向)長度的增加，這樣一種裝置更有問題。如果所述極靴連接到所述軸的一端，它們呈現(xiàn)為簡單的懸臂，當施加扭矩時，它們會在圓周方向彎曲，在極靴區(qū)的末端偏斜(deflect1n)最大。所述極靴可以連接在所述軸的兩端，貝lJ在機器的中心處偏斜最大。隨著機器的軸向長度增加，端部片處的潛在的銷點(anchor point)之間的距離增加，導(dǎo)致了較大偏斜的可能。
[0020]可以進行壓縮對疊片堆預(yù)加負載來放置極靴，(以減少由圓周形式作用的轉(zhuǎn)矩和軸向的磁吸力所產(chǎn)生的偏斜)。但是，隨著這些負荷的增加，擠壓力將變得過大，就會破壞疊片堆之間的絕緣(導(dǎo)致電擊穿和區(qū)域性(localised)熱點，最終會出現(xiàn)嚴重的故障)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種極靴支座，其包括帶有間隔開的非磁性支撐結(jié)構(gòu)陣列的框架，其中，在至少一對相鄰的非磁性支撐結(jié)構(gòu)之間設(shè)置磁極靴，所述相鄰的非磁性支撐結(jié)構(gòu)沿著其主體的至少一部分支撐著所述磁極靴。
[0022]優(yōu)選的實施例在從屬權(quán)利要求中進行描述。
[0023]極靴支座適于在磁驅(qū)動系統(tǒng)、磁齒輪和電機中使用。優(yōu)選的是，磁驅(qū)動系統(tǒng)包括三個構(gòu)件，第一和第二構(gòu)件形成輸入構(gòu)件和輸出構(gòu)件，這兩個構(gòu)件分別被設(shè)置為相對于第三構(gòu)件進行轉(zhuǎn)動，其中，所述兩個構(gòu)件具有各自的永磁體組，這兩組磁體組具有不同數(shù)目的磁極，另外一個構(gòu)件包括一個如任何一項獨立權(quán)利要求和從屬權(quán)利要求中所描述的極靴支座。
【附圖說明】
[0024]本發(fā)明的實施例僅作為示例參考附圖來描述，其中:
[0025]圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的轉(zhuǎn)動磁齒輪的示意圖；
[0026]圖2是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)合了電機和磁齒輪的示意圖；
[0027]圖3是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的具有一定形狀的極靴和具有一定形狀的支撐結(jié)構(gòu)的不意圖；
[0028]圖4a是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的極靴側(cè)面的示意圖；
[0029]圖4b是根據(jù)本發(fā)明第一實施例與圖4a的極靴側(cè)面相對應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)側(cè)面的示意圖；
[0030]圖5a至圖5c是顯示根據(jù)本發(fā)明第一實施例的具有和不帶有相鄰支撐結(jié)構(gòu)的極靴疊片堆的示意圖；
[0031]圖6a是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的不帶有極靴的極靴支撐結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0032]圖6b是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的具有極靴的極靴支撐結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0033]圖7是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的不帶有極靴的極靴轉(zhuǎn)子構(gòu)造的示意圖；
[0034]圖8是包含極靴和適當?shù)姆忸^的極靴轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的示意圖；
【具體實施方式】
[0035]參考圖3所示，是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的具有一定形狀的極靴和具有一定形狀的支撐結(jié)構(gòu)的示意圖，包括鍵接在第一支撐結(jié)構(gòu)302中的具有一定形狀的第一極靴300。具有一定形狀的第一極靴300包括一個嵌入部，用于接收第一支撐結(jié)構(gòu)302的延伸部分。磁模型(modelling)可以識別出，在不顯著影響系統(tǒng)的磁性能的情況下，第一極靴300可以形成多少凹部或者延伸部分，來配合鍵入在第一支撐結(jié)構(gòu)302中。第一極靴300和支撐結(jié)構(gòu)302具有相反的凸/凹部分。
[0036]進一步的例子包括鍵入在第二支撐結(jié)構(gòu)3