轉子以及用於製造轉子的方法與流程

2023-06-15 22:30:16

本發明涉及轉子，特別地涉及磁阻馬達的轉子，及其製造方法。

背景技術：

凸極轉子設計具有簡單且剛性的結構，但具有導致性能較差的低凸極比。軸向層疊的轉子設計具有良好的凸極比和性能，但是因軸向層疊導致的渦流損耗較大。然而，對於工業製造而言，至少對於四極電機的工業製造而言，機械設計極其複雜，其中，片材必須被彎曲並用螺栓連接。然而，軸向層疊的兩極電機更容易製造，因為電氣片材是直的。軸向層疊的兩極結構也可以通過爆炸接合來產生。

在實踐中，橫向層疊的轉子設計對於工業製造而言是最佳選擇，因為與軸向層疊的結構相比，類似的片材可以被容易地衝壓並且轉子中的材料損耗可以減少。然而，橫向層疊的轉子設計因抵抗高離心力的耐久性低以及不同的轉子方向上的磁導率問題而沒有被用於高速應用。因此，存在改進的需求。

技術實現要素：

本發明試圖提供一種改進。根據本發明的一個方面，提供了如權利要求1中所規定的轉子。

根據本發明的另一方面，提供了權利要求19中的轉子。

根據本發明的另一方面，提供了權利要求20中的製造方法。

從屬於獨立權利要求的實施方式在從屬權利要求中公開。

本發明具有優勢。轉子具有簡單的凸極設計以及剛性且簡單的結構。轉子還因轉子的氣隙形狀而具有低凸極比和低摩擦損耗。

附圖說明

下面參照附圖僅通過示例來描述本發明的示例性實施方式，在附圖中：

圖1示出了四極轉子的轉子元件的示例；

圖2A示出了四極轉子的堆疊件的示例；

圖2B示出了在轉子的旋轉軸線的方向上觀察到的四極轉子的堆疊件的示例；

圖3示出了具有突出元件的轉子元件的示例；

圖4示出了包括具有突出元件的轉子元件的轉子的示例；

圖5示出了在扇形元件部分中具有矩形拐角的轉子元件的示例；

圖6A示出了在第二扇形元件部分中具有波狀外輪廓的轉子元件的示例；

圖6B示出了具有圖6A的轉子元件的轉子的示例；

圖7示出了在第二扇形元件部分中以弧線作為外輪廓的轉子元件的示例；

圖8示出了在扇形元件部分中具有矩形拐角的用於兩極馬達的轉子元件的示例；

圖9示出了具有大突出元件的轉子元件的示例；

圖10示出了氣隙磁通根據轉子元件的順序而變化的示例；以及

圖11示出了轉子的製造方法的流程圖的示例。

具體實施方式

下列實施方式僅為示例。儘管本說明書可能在若干處涉及「一個」實施方式，但這不必意味著每次提及都針對相同的實施方式，也不意味著該特徵僅適用於單個實施方式。不同實施方式的單個特徵也可以被組合以提供其他實施方式。此外，詞語「包括」和「包含」應當被理解為不將所描述的實施方式限制為僅由已經被提到的 那些特徵組成，並且這些實施方式還可以包含沒有被具體提到的特徵/結構。

應當指出的是，儘管附圖示出了各種實施方式，但其為僅示出了一些結構形狀的簡圖。對於本領域技術人員而言顯而易見的是，除了附圖和文本所描述的結構和形狀之外，所描述的裝置也可以包括其它結構和形狀。應當理解的是，用於操作和/或控制的一些結構和形狀的細節與實際發明無關。因此，它們在本文不需要被更詳細地討論。

圖1示出了磁阻馬達的四極轉子100的轉子元件102的示例，並且圖2A和圖2B示出了四極轉子100的堆疊件1000的示例。圖1、圖2A和圖2B在下列解釋中使用，並且該解釋作必要的修正後適用於任何極數的磁阻馬達。在圖2A中，轉子扇區110中彼此間隔90°的實線表示轉子100的極。圖2B示出了在轉子100的旋轉軸線104的方向上觀察的轉子100的堆疊件1000。

磁阻馬達為電動馬達，而電動馬達又為將電能轉換成機械能的裝置。磁阻馬達的軸線104旋轉並且其旋轉基於由轉子100中的磁阻引起的扭矩。在操作期間，磁阻馬達感應由鐵磁材料製成的轉子100上的非永久性磁極。例如，鐵磁材料可以包括鐵、層疊矽鋼或其可以由粉末金屬製成。

在現有技術中，轉子具有橫向層疊的結構，該結構具有在整個轉子中在相同位置擠壓在一起的類似的轉子元件。本申請中的轉子100包括堆疊件1000，堆疊件1000的接續的轉子元件102相對於彼此在空間上移位。還可以認為多個轉子元件102的堆疊件1000類似於橫向轉子元件的堆疊件。轉子元件102的堆疊件1000並非完全突出的或軸向層疊的，但仍具有類似於它們的一些特徵。多個轉子元件102中的每個轉子元件可以是平坦的。在實施方式中，轉子元件102可以具有恆定的厚度。在實施方式中，轉子元件102的平坦表面的法向平行於轉子元件102的旋轉軸線，轉子元件102的旋轉軸線也是轉子100的旋轉軸線104。

在實施方式中，轉子元件102可以是在一端處具有一個厚度而在另一端中具有另一厚度的楔形件。在實施方式中，轉子元件102 可以是彎曲的。彎曲的角度可以小於極角的一半並且彎曲的角度可以根據角度方向——即，自旋轉軸線104的扇形元件部分——而改變。在任何情況下，轉子元件102的面向彼此並彼此壓靠的表面具有匹配在一起的形狀。

轉子元件102中的每個轉子元件均包括多個第一扇形元件部分106和多個第二扇形元件部分108。第二扇形部分108可以是氣隙或填充有非鐵磁性材料。通常，轉子元件包括至少兩個第一扇形元件部分106和至少兩個第二扇形元件部分108。即，不同的扇形元件部分106、108確定轉子元件100中的不同的元件扇區1060、1080，並且因此扇形元件部分106、108中的每個扇形元件部分均處於從位於轉子100的旋轉軸線104中的中心點1040開始展開的其自身的元件扇區1060、1080中。扇形元件部分106、108兩者均圍繞轉子100的旋轉軸線104交替地分布。即，每隔一個的元件扇區1060具有扇形元件部分106，並且剩餘的每隔一個的元件扇區1080具有扇形元件108。第二扇形元件部分108都不與轉子100的旋轉軸線104接觸。

第一扇形元件部分106部分地或完全地為實體的(參見圖3和圖4)。第二扇形元件部分108可以是非實體的或由非鐵磁性材料製成。例如，非鐵磁性材料可以是樹脂或塑料，但不限於這些示例。

對於第一扇形元件部分106而言，任何轉子元件102的外輪廓距轉子100的旋轉軸線104的中心點1040的距離是恆定的。相應地，距軸孔103的中心點1040的距離也是恆定的。換言之，第一扇形元件部分106的外輪廓距轉子100的旋轉軸線104的距離是恆定的。

第一扇形元件部分106的外輪廓與轉子100的外輪廓是一樣的。第一扇形元件部分106的外輪廓為轉子100的外周。該外周在沿旋轉軸線104的方向觀察時為轉子100的突出部的周向邊界線。

對於第二扇形元件部分108而言，外輪廓距轉子100的旋轉軸線104中的中心點1040的距離比第一扇形元件部分106的外輪廓距中心點1040的距離短。換言之，第二扇形元件部分108的外輪廓距旋轉軸線104的距離比第一扇形元件部分106的外輪廓距旋轉軸線104的距離短。

在圖1和圖2的示例中，第一扇形部分106與第二扇形部分108之間的外輪廓至少近似沿半徑方向定向。通常，外輪廓可以不同地定向。在第二元件扇區1080中的徑向方向之間，外輪廓可以具有不同的形式。例如，外輪廓在第二元件扇區1080中可以類似圖1中那樣為弧形的，或為直線。

沿旋轉軸線104的方向觀察，轉子元件102中的每個轉子元件的第二扇形元件部分108中的每個第二扇形元件部分均與第一扇形元件部分106中的一個或更多個第一扇形元件部分完全交疊。一個第二扇形元件部分108可以被一個第一元件部分106疊蓋，該第二扇形元件部分108的轉子元件與該第一扇形元件部分106的轉子元件不同。

替代性地，可以要求不止一個第一扇形元件部分106來完全地疊蓋一個第二扇形元件部分108。一個第二扇形元件部分108因此可以被不止一個第一元件部分106疊蓋，該第二扇形元件部分108的轉子元件與該不止一個第一扇形元件部分106的轉子元件不同，並且不止一個第一扇形元件部分106彼此不同。

以此方式，轉子100的突出部具有圓形的周緣。即，轉子元件102中的每個轉子元件的第二扇形元件部分108中的每個第二扇形元件部分均與轉子元件102中的至少一個其他轉子元件的第一扇形元件部分106中的一個或更多個第一扇形元件沿旋轉軸線104的方向觀察時部分交疊，以使轉子100的突出部具有圓形的周緣。

此處，交疊表示當沿旋轉軸線104的方向從轉子100的任一側觀察時，非實體的任何第二扇形元件部分108由第一扇形元件部分106中的至少一個第一扇形元件部分的材料(也參見圖3和圖4)覆蓋。

第二扇形元件部分108與第一扇形元件部分106中的一個或更多個第一扇形元件部分沿轉子100的旋轉軸線104的方向觀察時完全交疊。更詳細地，轉子元件102中的每個轉子元件的第二扇形元件部分108中的每個第二扇形元件部分均與轉子元件102中的至少一個其他轉子元件的第一扇形元件部分106中的一個或更多個第一扇形元件部分沿旋轉軸線104的方向觀察時完全交疊，以使轉子100 的突出部具有圓形的周緣。

當第二扇形元件部分108以此方式與第一扇形元件部分106中的一個或更多個第一扇形元件部分完全交疊時，轉子100的突出部具有圓形的周緣。

在實施方式中，第二扇形元件部分108與第一扇形元件部分106中的一個或更多個第一扇形元件部分的實體部312沿旋轉軸線104的方向觀察時完全交疊，以使轉子100的突出部具有圓形的周緣(參見圖3和圖4)。實體部312可以包括金屬或由金屬製成。由於第二扇形元件部分108與轉子100的外周相關聯，因此該交疊也發生在轉子100的外周上或轉子100的外周處。

應當指出的是，旋轉軸線104與旋轉軸104』平行，旋轉軸104』可以是用於實現轉子100的旋轉的杆狀機械結構。

在實施方式中，轉子100可以具有多個轉子扇區110、112。轉子扇區110受限於自轉子100的旋轉軸線104起的半徑以及作為轉子元件102的外輪廓的弧線。

每隔一個的轉子扇區110至少部分地包括第一扇形元件部分106，而根本不包括第二扇形元件部分108。即，這些每隔一個的轉子扇區110中不具有完整的或部分的第二扇形元件部分108。以此方式，沿著轉子100的旋轉軸線在所述每隔一個的轉子扇區110中形成連續表面。

剩餘的轉子扇區112包括第二扇形元件部分108並且還部分地包括第一扇形元件部分106。所述剩餘的轉子扇區112包括與不具有第二扇形元件部分108的每隔一個的轉子扇區110不同的剩餘的每隔一個的轉子扇區。

在實施方式中，第二扇形元件部分108的張角α可以比360°除以馬達的極數所得的值小以實現全金屬轉子扇區110的形成。在數學理論上，α≤A/P，其中，A為小於360°但大於0°的值，P為極數。類似的原理也適用於弧度的張角。不同的第二扇形元件部分108可以具有不同的張角α。不同的第二扇形元件部分108的張角α在一個轉子元件100中相對於彼此可以是任意的或確定的。不同轉子元件100的第二扇形元件部分108的張角α在轉子元件100不相同時相對 於彼此可以是任意的。否則不同轉子元件100的第二扇形元件部分108的張角α可以是確定的。

以類似的方式，第一扇形元件部分106的張角可以比360°除以馬達的極數所得的值小。不同的第一扇形元件部分106也可以具有不同的張角。

在實施方式中，第一扇形元件部分106和第二扇形元件部分108可以相對於轉子100的旋轉軸線104以旋轉非對稱的方式繞轉子100的旋轉軸線104交替地分布。

在實施方式中，第一扇形元件部分106中的至少一個第一扇形元件部分的周向長度可以與至少一個第二扇形元件部分108的周向長度不同。在實施方式中，第一扇形元件部分106中的至少兩個第一扇形元件部分的周向長度可以彼此不同。在實施方式中，第二扇形元件部分108中的至少兩個第二扇形元件部分的周向長度可以彼此不同。以這些方式，可以實現旋轉非對稱性。

在實施方式中，轉子元件102是相同的。即，轉子元件102在該實施方式中具有相同的形狀和尺寸。

在除圖1、圖2A和圖2B之外還利用圖3示出的實施方式中，堆疊件1000可以包括至少一個子堆疊件200、202，並且子堆疊件200、202中的每個子堆疊件均可以以類似的方式堆疊。

在實施方式中，在每個子堆疊件200、202中，轉子元件102中的每個轉子元件的第二扇形元件部分108中的每個第二扇形元件部分均可以與轉子元件102中的至少一個其他轉子元件的第一扇形元件部分106中的一個或更多個第一扇形元件部分完全交疊。

在實施方式中，每個子堆疊件200、202中的轉子元件102的順序可以如下。首先，所有轉子元件102位於相同位置，如同沿旋轉軸線104的方向觀察，圖1、圖3、圖5、圖6A、圖7、圖8和圖9呈現出多個轉子元件102的子堆疊件。然而，轉子元件102還可以相對於彼此位於其他已知位置。第一轉子元件102A接續有第二轉子元件102B。第二轉子元件102B繞第一軸線250轉動，第一軸線250相對於轉子100的旋轉軸線104是垂直的。可以認為第二轉子元件102B被翻轉。如果第二轉子元件102B具有鏡像對稱性，則第 一軸線250也與轉子元件102B的鏡像對稱軸線252偏離並且與垂直於鏡像對稱軸線252的軸線254偏離。否則第一軸線250的方向可以是任意的。第一軸線250的方向在某一順序優選的情況下還可以根據經驗來選擇。

第三轉子元件102C繞轉子100的旋轉軸線104旋轉90°，並且第三轉子元件102C也繞第二軸線256轉動，第二軸線256相對於第一軸線250和轉子100的旋轉軸線104是垂直的。

第四轉子元件102D繞第一軸線250旋轉並且繞轉子100的旋轉軸線104轉動90°。

如果堆疊件1000具有多個子堆疊件202，下一個子堆疊件202的第一轉子元件102A直接跟隨前面的子堆疊件200的第四轉子元件102D。所有堆疊件200、202可以以與第一堆疊件200相同的方式布置。這種堆疊例如可以應用於兩極馬達。

在轉子元件102繞垂直於旋轉軸線104的第一軸線轉動的實施方式中，扇形轉子部分110、112的數目相對於馬達的極數可以是雙倍的。

在轉子元件102不圍繞垂直於旋轉軸線104的第一軸線轉動的實施方式中，扇形轉子部分110、112的數目可以與馬達的極數相同。

在實施方式中，堆疊件1000可以包括轉子元件102、102A、102B、102C、102D，轉子元件102、102A、102B、102C、102D僅圍繞轉子100的旋轉軸線104旋轉，而不圍繞相對於轉子100的旋轉軸線104垂直的例如第一軸線250的軸線轉動。例如，這種堆疊可以應用於四極馬達。

在實施方式中，每個轉子元件102、102A、102B、102C、102D均可以具有與在第二元件扇區1080中切除至少兩個周緣區域的圓對應的橫截面形狀。周緣區域對應於第二元件扇區1080中的第二扇形元件部分108。

在實施方式中，具有轉子100的馬達可以是同步電動馬達。

圖3示出了在第一扇形元件部分106中的每個第一扇形元件部分的相反的扇形側部處具有突出元件300、302的轉子元件的示例。

圖4示出了具有四個轉子元件的轉子100的示例，其中，轉子元件具有突出元件300、302。通常，轉子100可以具有更多數目的轉子元件或更少數目的轉子元件。

在圖3和圖4中示出的實施方式中，第一扇形元件部分106中的每個第一扇形元件部分均包括兩個突出部300、302，所述兩個突出部300、302位於轉子100的周緣處並且朝向第二扇形部分108遠離彼此定向，第二扇形部分108之間定位有第一元件扇區106。

在實施方式中，每個突出部300、302的輪廓均由轉子100的外周以及位於中心點1040與外周之間的外輪廓的彎折部304形成。彎折部304和外周可以在突出部300、302中的每個突出部的末端306處相接或鄰近末端306相接。彎折部304遠離第一扇區1060與鄰近第一扇區1060的第二扇區1080之間的半徑彎曲。半徑與突出部300、302的末端306接觸。

在實施方式中，第一扇形元件部分106包括由彎折部304限定的部分敞開的孔口結構310以及實體部312和非實體部310。孔口結構310為非實體的。孔口結構位於第一扇區1060與鄰近第一扇區1060的第二扇區1080之間的半徑與彎折部304之間。

在實施方式中，所有孔口結構310可以布置成在堆疊件1000中彼此交疊或接觸。以此方式，在轉子100中或貫穿轉子100可以存在至少一個孔316，孔316由轉子元件102的孔口結構310的組合形成。另外，當沿轉子100的旋轉軸線104的方向觀察轉子100時，轉子100的突出部具有由第一扇形元件部分106形成的連續的圓形的周緣。這意味著可以通過至少一個孔316看穿轉子。

在圖4中示出的實施方式中，轉子100包括轉子元件102，轉子元件102中的每個轉子元件均包括突出部300、302，並且在周緣處貫穿轉子100的線接觸或穿過不同的轉子元件102的至少兩個突出部300、302。

在圖4中，值小於10的數字示出了當沿轉子100的旋轉軸線104的方向觀察時有多少個轉子元件位於彼此之上。在自旋轉軸線104起的某些角度方向上，所有轉子元件在周緣附近交疊。在一些其他角度方向上，少量轉子元件是交疊的。作為角度方向的離散函數， 交疊的轉子元件的數目在0至轉子100中的所有轉子元件的數目的取值範圍內逐個轉子元件地改變。

圖5示出了具有用於螺栓的孔500的轉子元件102的示例，螺栓用於將堆疊件1000擠壓在一起。圖5還示出了軸孔103，其中，轉子100的旋轉軸104』定位在軸孔103中以便將轉子元件102附接至旋轉軸104』。

圖6A示出了第二扇形元件部分108的形狀的示例。在該示例中，第二扇形元件部分108的外輪廓以不同於90°的角度接觸轉子100的外周。在圖6A的示例中，第二扇形元件部分108的外輪廓在第二扇形元件部分108的中間部分中還具有微小的弧度。該轉子元件用於兩極馬達。圖6A還示出了軸線X和軸線Y，在製造轉子100時，轉子元件102可以圍繞軸線X和軸線Y旋轉(也參見關於圖3的解釋)。

圖6B示出了轉子100在以圖6A的轉子元件102製造時的結構的示例。圖6B還包括結合圖2A解釋的子堆疊件200的參考數目的第一轉子元件102A、第二轉子元件102B、第三轉子元件102C和第四轉子元件102D。圖6B還以虛線示出了其他轉子元件的前面的最後的轉子元件的一個第二扇形元件部分108。

圖7示出了第二扇形元件部分108的形狀的示例。在該示例中，第二扇形元件部分108的外輪廓為弧線。該轉子元件用於兩極馬達。圖7還示出了軸線X和軸線Y，在製造轉子100時，轉子元件102可以圍繞軸線X和軸線Y旋轉(也參見關於圖3的解釋)。另外，轉子元件102可以圍繞旋轉軸線104旋轉。

圖8示出了第二扇形元件部分108的形狀的示例。在該示例中，除第二扇形元件部分108的數目為兩個之外，形狀類似於圖1的示例。該轉子元件102用於兩極馬達。

圖9示出了第二扇形元件部分108的形狀的示例。該示例類似於圖3和圖4中的示例，所不同的是末端306處的曲線具有大的曲率半徑，使得突出部300具有與第二扇形元件部分108相同或至少幾乎相同的半徑高度。

圖10示出了在具有八個轉子元件的轉子中根據轉子元件的順序 而變化的氣隙磁通的示例。空氣-元件材料比(air-element material-ratio)相對於轉子100的旋轉角度正弦變化。這使磁導率在不同的旋轉角度中變得不同。轉子磁導率即磁阻以平滑的正弦曲線的方式從d軸變化至q軸。

對於四極轉子而言，與兩極轉子相比，磁導率可以通過利用類似的轉子元件以及圍繞不同的軸線的不同的轉子元件旋轉組合而更平滑地調整。然而，在使磁導率更平滑時，氣隙表面的硬度降低。極數越高，磁導率的調節可以越平滑。以類似的方式，氣隙表面的硬度隨著增加極數而降低。

總而言之，提出的解決方案給出了使轉子更輕且更堅固的可能性。同時，轉子元件中的切口(第二扇形部分)節約材料。

圖11示出了用於形成具有多個平坦的轉子元件102的磁阻馬達的轉子100的方法的示例，首先，所述多個平坦的轉子元件102位於相同的位置，並且所述多個平坦的轉子元件102中的每個轉子元件均包括多個第一扇形元件部分106和多個第二扇形元件部分108，所述扇形元件部分106、108均圍繞轉子100的旋轉軸線104交替地分布。第一扇形元件部分106的外輪廓距轉子100的旋轉軸線104的距離是恆定的。第二扇形元件部分108的外輪廓距旋轉軸線104的距離比第一扇形元件部分106的外輪廓距旋轉軸線104的距離短。

在步驟1100中，轉子元件102中的每個轉子元件的第二扇形元件部分108中的每個第二扇形元件部分沿旋轉軸線104的方向觀察時均與轉子元件102中的至少一個其他轉子元件的第一扇形元件部分106中的一個或更多個第一扇形元件部分完全交疊以使轉子100的突出部具有圓形的周緣。

在實施方式的另一步驟1102中，至少部分地利用第一扇形元件部分106而不利用第二扇形元件部分108來填充相對於轉子扇區的旋轉軸線104形成的多個轉子扇區110、112中的每隔一個的轉子扇區110，以沿著轉子100的旋轉軸線在所述每隔一個的轉子扇區110中具有連續表面。在實施方式的另一步驟1104中，利用第二扇形元件部分108並且部分地利用第一扇形元件部分106來填充剩餘的轉子扇區112。

對於本領域技術人員而言顯而易見的是，隨著技術的進步，本發明的概念可以以各種方式實施。本發明及其實施方式不限於上述示例性實施方式，而是可以在權利要求的範圍內改變。