低成本低齿槽效应的永磁电的制造方法
【专利摘要】永磁体电动机和发电机主要由于其高转矩电流比以及高转矩体积比，越来越多地使用在各种各样的高性能应用中，例如工业驱动、机器人学、计算机外围设备以及汽车应用。本发明利用定子模块化，通过以几种方式显著降低定子铁芯的制造成本，以及线圈成型和夹具成本，实现成本效益。从将成本降至最小，延伸至不需要通常的封装结构的新颖、轻质的支承结构。该方法描述了通过流行的方法减小齿槽效应转矩的挑战；因此开发出新颖的防齿槽效应方法，其是模块化设计的自然结果，而不是消极地受其影响。结果是具有低齿槽效应转矩的低成本的永磁体机械设计。
【专利说明】低成本低齿槽效应的永磁电机
[0001]本发明的支持
[0002]本文描述的发明由小企业创新研究计划(SBIR)支持，依据美国农业部(USDA)国家食品与农业协会的竞争准许号2011-33610-30858。
【技术领域】
[0003]本发明大体上涉及永磁电动机和发电机，特别涉及到使这样的永磁电机的成本和
齿槽转矩最小化。
【背景技术】
[0004]主要由于其高转矩电流比以及高转矩体积比，永磁(PM)电动机和发电机越来越多地使用在各种各样的高性能应用中，例如工业驱动、机器人学、计算机外围设备以及汽车应用。永磁体安装在转子上，转子是机器的旋转部件，而定子是机器的固定部件，定子包括绕定子齿部缠绕的线圈，定子齿部经由定子铁芯相互连接。实际上，定子齿部和铁芯的组合被称为芯体；术语“铁芯”贯穿全文使用，通常表示任何具有高磁导率的材料。通常靴部与齿部一起使用。如该领域内所知晓的，靴部是位于齿尖的加宽区域，其通过最小化对转子磁铁的磁引力的间断性，而将齿槽转矩最小化。齿部之间的间隔被称作槽，相邻靴部之间至槽的开口被称作槽缺口。
[0005]一模块化的(或分段的)定子为一种在其内细分为独立分组件的定子，然后可组合该分组件以构成整体的定子结构。模块化的定子其本身不具备新颖性，但其用于促进低成本线圈固定则具备新颖性，因为使用该模块化的定子可允许经济的永磁电机设计，例如在下文中对本发明作的更详细的描述。
[0006]本方法利用单独成型及随后相互连接的定子模块，通过用若干方式显著降低定子铁芯制造成本，以及线圈成型和固定成本来实现成本效益。(a)第一，模块化大大减少了材料的浪费问题，因为在制造转子空腔时定子铁芯的圆形形状并不一定要在钢坯中成型。作为替代，该形状和空腔仅仅在任何金属成型之后的组装期间成型。这对于环型布置是尤其重要的，因为，由定义可知，其环型的形状为广延地挖空得来的。(b)第二，形成完整的定子叠片所需要的更大更昂贵的层压冲压设备和模具可替换为较小较廉价的模具和设备用于形成小得多的独立的芯体模块。(c)第三，对于每一模块包括单个齿部的情形，线圈可在定子组装前直接由通用的绕线器绕制，从而克服最耗成本的生产步骤。为了充分地使线圈与齿部绝缘，在定子端部上使用刚性或半刚性的绝缘体，当与其他绝缘部分啮合以关于齿部保持稳固时，其将线圈从具体的模块部分移开。
[0007]本发明还利用了 一新颖的定子模块支撑结构。除了每一模块上的楔形榫头连接以夕卜，还有贯通模块铁芯部分的刚性销将其固定至框架。此外，通过一工序，例如环氧粘接、焊接、楔子加固，或通过在每一叠片内成型的凹座实现的叠片互锁进一步提高了刚性。这些连接机构还有利于新颖的轻质外壳，其中支撑结构主要地由端板支承，所述支撑结构直接或间接地连接至销。不同于其它设计，精密成型的圆柱壳体(当发电机直径增加时其成本显著增加)不是必要的，而是可选的。一隔圈在定子模块和端板之间延伸，以维持预设的间隔，并与定子模块和端板一起完全将机器内部从元件中封闭。
[0008]齿槽转矩为克服定子上凸出齿部磁力最大处相对的优选位置处转子上的PM对齐的趋势所需要的力矩。我们的防齿槽效应设计是模块化布局的自然结果，而不是消极地受其影响。高度模块化的结构使得利用流行的偏斜(skewing)防齿槽效应技术基本上不可能。而其它的防齿槽效应技术，例如优化靴部宽度、电极宽度，和极一齿数比、靴部和不同宽度电极的配对、磁体的形状、对齿部刻槽和对电极移位均不足以提供所需的相对于最大发电机转矩的两个量级的较低齿槽效应转矩。本发明解决该挑战的一个方面是利用半闭(或部分闭合)的槽，其可降低齿槽效应的趋向。半闭槽具有比相邻靴部上相似点之间的间隔(即槽距)小得多的槽隙宽度，且对应本专利的目的，我们限定半闭槽宽不大于槽距的15%。然而，这样狭窄的槽口的一个缺点是未必有足够的间隔来形成并固定围绕齿部的线圈。基本上，半闭槽使得线圈穿过相邻靴部末端之间的缝隙插入变得不切实际，从而就需要利用针式绕线器围绕齿部“缝”线圈。本发明解决该问题的一个版本是利用单个齿部的模块化结构，其允许利用简单的绕线器直接将线圈绕齿部缠绕。
[0009]部分闭合槽的技术不具备新颖性，但本发明提供了新颖的多段靴部设计，其能够更好地调整靴部内的磁饱和，并提供用于最小化齿槽转矩的更有利的磁导率改变。
[0010]为了进一步降低齿槽转矩，本发明使用极端狭窄的小于槽距8%的靴部末端间隙，从而使齿槽效应转矩进一步减小。对于这样的狭窄靴部末端间隙，为降低相邻靴部末端之间过多的磁通泄漏，实质上使用了非常尖的靴部末端，且尽管这引起了末端内的基本上的磁饱和，该新颖的多段靴部设计能更好地调整整个靴部内的磁饱和，并提供用于最小化齿槽转矩的更有利的磁导率改变(此处的非常尖限定为靴部末端具有比连接至定子齿部的端部小得多的远端)。
[0011]通过利用具有斜边(而不是90度的边缘)的磁体也使齿槽效应转矩最小化。除了适宜用于半闭槽上，该技术还促进了一新颖的安装机构，其中销用于固定磁体，使其不能沿转子铁芯的表面作平移运动，而沿倾斜磁体表面和磁体之间使用粘着剂以约束其它相对运动。如此，磁体的配合表面和转子铁芯之间的粘着剂就不是必须的而是可选的了。
【发明内容】
[0012]本发明利用定子模块化，通过以几种方式显著降低定子铁芯的制造成本以及线圈成型和夹具的成本来实现成本效益。成本最小化延伸出一不需要通常的箱状结构的新颖、轻质的支承结构。该方法描述了通过流行的方法减小齿槽转矩的挑战；因此开发出一新颖的防齿槽效应的方法，其是模块化布局的自然结果，而不是消极地受其影响。结果是具有低齿槽效应转矩的低成本的PM机械设计。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]虽然本说明书通过权利要求具体指出并毫无疑义地要求保护构成本发明的主题，但是我们相信，结合附图，通过以下的【具体实施方式】将能够更好地理解本发明，其中相同的附图标记代表相同的结构和其他元件，其中:
[0014]图1所示为现有技术的定子设计；[0015]图2所示为本发明的24-槽、32-极、3-相的实施例；
[0016]图3所示为本发明的30-槽、36-极的实施例；
[0017]图4所示为本发明的28-槽、36-极的实施例；
[0018]图5所示为一整体的图表，其显示了本发明的许多特征；
[0019]图6所示为依据当前发明的教导，在一细长末端型定子结构上的叠置等高线和曲面图；
[0020]图7所示为依据当前发明的教导，中等末端型定子结构上的叠置等高线和曲面图；
[0021]图8所示为依据当前发明的教导，细长末端型定子结构上的叠置等高线和曲面图；
[0022]图9所示为本发明的3相外部定子的基本单元；
[0023]图10所示为在一外壳内本发明的转子和定子的360度视图；
[0024]图11所示为本发明的转子-定子总成的一优选实施例；
[0025]图12所示为依据当前发明的原理的一优选的钢壳部件的结构，其以密排关系在结构上支承转子和定子；
[0026]图13所示为依据当前发明的教导的另一优选的钢壳部件的结构，其以密排关系在结构上支承转子和定子；
[0027]图14所示为依据当前发明的教导的另一优选的钢壳部件的结构，其以密排关系在结构上支承转子和定子；
[0028]图15所示为依据当前发明的教导安装在定子模块上的定子模块绝缘端板的2D和3D视图，其为定子模块绝缘纸的形式；以及
[0029]图16a和16b分别显示一树脂盘和一定子总成，其用于将定子封装进一热固性聚合物内。
【具体实施方式】
[0030]现在下文将参照附图对本发明进行更完整的描述，其中附图所示为本发明的优选实施例。然而，当然应当理解，本发明可实施为许多不同的形式且不应解释为局限于本文所述的实施例；相反，提供这些实施例将使本公开内容彻底和完整，以及将完全地向本领域的技术人员传达本发明的范围。因此应理解，在不违背本发明的范围的情况下，可利用其它实施例以及进行结构改变。
[0031]图1为现有技术的定子设计，显示了半闭的槽27。齿部22经由定子铁芯23连接，其与定子靴部21 —起构成定子(未显示线圈)。具有转子磁铁的转子在此处未显示(请看以下的附图)，但当永磁体(PM)的数目和槽的数目之间的比值为小数时，可优化不同的PM-靴部对之间的异相引力，以通过优化靴部宽-槽距比减小齿槽转矩，可以通过改变靴部宽度或槽距来改变靴部宽-槽距比。此处重要的是，靴部为典型的单段式设计，其不允许在随时间变化的PM磁场内，靴部内磁导率变量优化至可具有本发明的多段式靴部的程度。
[0032]图2所示为本发明的基本单元的24-槽、32-极的实施例，其在每一单元内具有三个齿部和四个磁体。齿部42经由定子铁芯43连接，所述齿部42与定子靴部41和定子线圈48 —起构成定子。该定子为模块化的类型，其中每一模块包含单个齿部以便形成有点像“I”的形状。这允许直接将线圈绕制在定子上(线圈之下围绕齿部的电气绝缘体图中未显示)。这些I型芯体模块经由楔形榫头接口 43a相互连接，楔形榫头接口 43a有助于维持刚性的定子结构。铁芯部分内的安装孔此处未作显示，但在更详细的图11的示意图中有所显示。该转子包含转子磁铁44和转子铁芯45，并通过磁性气隙46与定子隔开。靴部的根部区域40经由具有大斜坡49的突变区域连接至末端区域47。靴部末端区域具有比根部区域小得多的径向长度，以便为根部提供比末端大得多的磁导率和磁导，且该突变提供急剧的磁导转变，其促进了优化抵消齿槽效应转矩。在根部构成整个靴部(即没有靴部末端)的假设下，根部的弧线宽度首先通过靴部宽度的最优化处理来确定。确定根部的厚度，以使其刚刚足够防止磁饱和。随后，添加靴部末端，其弧线宽度几乎接触相邻的末端，一厚度与在该点处约为根部一半的根部截面邻接，和一实质上非常尖的靴部末端。然后，整个靴部的尺寸通过有限元分析进行微调。而且，通过众所周知的分析和有限元分析，磁体尺寸和磁体边缘的倒圆也可优化至使齿槽效应转矩最小化。
[0033]图3和图4为对图2的进一步描述。图3所示为每一单元内具有5个齿部和6个磁体的本发明的基本单元的30-槽、36-极的实施例，而图4所示为每一单元内具有7个齿部和9个磁体的本发明的基本单元的28-槽、36-极的实施例。齿部52、62分别经由定子铁芯53、63连接，齿部52、62分别与定子靴部51、61和定子线圈58、68 —起构成定子。转子包含转子磁铁54、64和转子铁芯55、65，且通过磁性气隙56、66与定子隔开。靴部的根部区域50、60通过具有大斜坡59、69的突变区域连接至末端区域57、67。图3的定子铁芯优选地为不分段的。作为替代，齿部经由锁入接口 53a插进铁芯且可从铁芯移除，以便促进线圈固定。图4的定子铁芯在一个位置处经由不同于图2的锁入接口 63a分段。在这种情况下优选地绕齿部缝上线圈。
[0034]图5为定子和转子的各部分的一般图示，其带有已标记的点以便于更详细的描述。附图标记71为定子靴部，82为定子齿部，且81为分隔它们的虚线。磁性气隙76分隔靴部与钕铁硼永磁体74。磁性气隙内的表面84a大体上从圆周方向经由曲面84b过渡至一大体上的径向表面84c。为降低磁场转变的突变(这会减小齿槽效应转矩)，84c的曲率半径必须大于气隙。在这种情况下，其约为0.40英寸且优选地通过有限元分析计算优化。靴部71包括直接在齿部82之下的齿部区域85、连接至齿部区域的根部区域86、靴部远端处的末端区域88，以及连接根部和末端区域(虚线用于划分区域)的过渡区87。根部区域86a的上部剖面具有平均的根部斜率，过渡区87a的上部剖面具有平均的过渡斜率，且末端区域88a的上部剖面具有平均的末端斜率，其中平均的过渡斜率的绝对值远大于(约为两倍)平均的根部斜率的绝对值和平均的末端斜率的绝对值。
[0035]表I提供了与图2、3和4的机器关联的额定转矩和齿槽效应转矩，在所有的三种情况中，比额定转矩差不多小3个量级的量值。在现有技术的半闭槽设计中，根部、过渡和末端区域的上部剖面的坡度均类似(基本上不存在三个明显不同的区域)，其结果是齿槽效应转矩比该表格中的数值大一个量级的量值。
[0036]表I
[0037]
【权利要求】
1.一种永磁发电机/电动机，包括: 至少一个具有多个永磁体的转子，以及至少一个具有多个由软磁性材料制成的定子齿部的定子，所述定子齿部围绕有定子线圈， 其中，在其中一个所述定子齿部上的一点通过一槽距角与相邻定子齿部上的一相似点分隔， 由软磁性材料制成的定子靴部，其连接至所述定子齿部的端部， 其中所述靴部包括直属于所述齿部的齿部区域、连接至所述齿部区域的根部区域、位于靴部远端的末端区域，以及将所述根部区域连接至所述末端区域的过渡区域， 其中所述根部区域具有一上部型面，其具有大体平均的根部斜率，所述过渡区域的上部型面具有大体平均的过渡斜率，且所述末端区域的上部型面具有大体平均的末端斜率，且 其中所述平均过渡斜率的绝对值比所述平均根部斜率的绝对值大两倍且比所述平均末端斜率的绝对值大两倍。
2.根据权利要求1所述的永磁发电机/电动机，其中所述至少一个定子为分段的。
3.根据权利要求2所述的永磁发电机/电动机，其中所述分段的定子包括单个齿部分段。
4.根据权利要求3所述的永磁发电机/电动机，其中所述末端区域的末端大体为尖的，且其通过小于所述槽距角的8%的一槽间隙角从相邻定子靴部的末端隔开。
5.根据权利要求3所述的永磁发电机/电动机，其中所述单个齿部分段安装在一发电机框架内部， 所述分段包括通孔和完全贯穿所述通孔的刚性销，且 所述销与发电机框架啮合以便显著地约束所述单个齿部分段相对于所述发电机框架的运动。
6.根据权利要求3所述的永磁发电机/电动机，其中所述单个齿部分段包括一铁芯段和一靴部段，且 其中，所述定子齿部具有圆周面和轴向面，所述圆周面具有指向主导圆周方向的法向向量，且所述轴向面具有指向主导轴向方向的法向向量， 其中沿所述轴向面在所述线圈之下设置有轴向绝缘机构，且沿所述圆周面在所述线圈之下设置有圆周绝缘机构，且 其中所述轴向绝缘机构包括支承所述定子线圈将其从所述铁芯段和所述靴部段分隔开的翼片。
7.根据权利要求6所述的永磁发电机/电动机，其中所述轴向绝缘机构包括啮合槽，所述啮合槽与所述圆周绝缘机构啮合，以便使所述轴向及圆周绝缘机构均大体保持在围绕所述单个齿部分段的适当位置处。
8.根据权利要求6所述的永磁发电机/电动机，其中所述轴向绝缘机构具有至少两倍于所述圆周绝缘机构的挠曲强度。
9.根据权利要求1所述的永磁发电机/电动机，其中所述至少一个转子和所述至少一个定子之间的磁性相互作用产生一齿槽效应转矩， 其中所述靴部内的周期性磁饱和按照所述磁体相对于所述靴部的位置的函数发生，以使所述靴部的末端区域的所有范围相继周期地经历该磁饱和，且 其中所述平均末端斜率的变化趋向于增大所述齿槽效应转矩，其中所述平均末端斜率降低所述磁饱和的程度。
10.根据权利要求9所述的永磁发电机/电动机，其中将圆周方向上的磁体宽度调整为降低所述齿槽效应转矩，以便使相对于所述磁体宽度较小的所述磁体宽度内的变化趋向于导致所述齿槽效应转矩的数量级增大。
11.根据权利要求1所述的永磁发电机/电动机，其中所述至少一个转子和所述至少一个定子由至少一个磁性气隙所分隔，该磁性气隙具有分隔所述转子磁体和所述定子靴部的径向厚度， 其中，所述永磁体的磁性气隙内的表面经由一具有一型面的连接表面从一大体圆周的方向过渡至大体径向的方向，该型面具有比所述气隙径向厚度更大的平均曲率半径。
12.根据权利要求1所述的永磁发电机/电动机，其中所述末端区域的末端通过不超过约所述槽距角的15%的槽间隙角从相邻的定子靴部末端隔开。
13.根据权利要求1所述的永磁发电机/电动机，其中所述至少一个定子为完全封装至和部分封装至至少热固性塑料和热塑性塑料的其中一个内的定子的至少其中一个。
14.根据权利要求13所述的永磁发电机/电动机，其中所述至少一个定子为分段的且包括单个齿部分段。
15.根据权利要求1所述的永磁发电机/电动机，其中所述末端区域的末端大体为尖的，且通过一小于所述槽距角约8%的槽间隙角与相邻定子靴部的末端隔开。
16.根据权利要求1所述的永磁发电机/电动机，其中所述永磁发电机/电动机由施加到所述永磁发电机/电动机的上 表面部分的粘着剂保持。
17.—种永磁发电机/电动机，包括: 至少一个具有多个永磁体的转子，以及至少一个具有多个定子齿部的定子，所述多个定子齿部通过一铁芯段连接， 其中所述至少一个定子分段为定子模块， 其中所述发电机/电动机具有一外壳结构，所述外壳结构将所述转子和所述定子保持为一紧密间隔的关系， 其中所述定子模块包括通孔和贯穿所述通孔的刚性销，所述销与所述外壳结构啮合，以便约束所述定子模块相对于所述外壳结构的运动。
18.根据权利要求17所述的永磁发电机/电动机，其中所述分段的定子包括单个齿部模块。
19.根据权利要求18所述的永磁发电机/电动机,其中,其中一个所述定子齿部上的一点通过一槽距角与相邻定子齿部上的一相似点分隔，且 进一步包括:由软磁性材料制成的定子靴部，其连接至所述定子齿部的端部， 其中所述靴部包括一在所述靴部远端的末端区域，且 其中所述末端区域的末端大体为尖的，且通过一小于所述槽距角8%的槽间隙角与相邻的定子靴部末端隔开。
20.根据权利要求18所述的永磁发电机/电动机，其中所述单个齿部模块包括铁芯段和靴部段，其中所述定子齿部具有圆周面和轴向面，所述圆周面具有指向主导圆周方向的法向向量，且所述轴向面具有指向主导轴向方向的法向向量， 其中沿所述轴向面在所述线圈之下设置有轴向绝缘机构，且沿所述圆周面在所述线圈之下设置有圆周绝缘机构， 其中所述轴向绝缘机构包括支承所述定子线圈使其从所述铁芯段和所述靴部段分隔开的翼片，且 其中所述轴向绝缘机构还包括啮合槽，通过所述啮合槽所述轴向绝缘机构与所述圆周绝缘机构啮合，以使所述轴向及圆周绝缘机构均大体保持在围绕所述单个齿部分段的适当位置处。
21.根据权利要求17所述的永磁发电机/电动机，进一步包括: 围绕所述定子齿部的靴部，且具有至少一个磁性气隙，所述磁性气隙具有分隔所述转子磁体和所述定子靴部的径向厚度， 其中所述永磁体的所述磁性气隙内的表面通过一具有一型面的连接表面从大体圆周的方向过渡至大体径向的方向，所述型面具有比所述气隙径向厚度更大的平均曲率半径，其中所述永磁发电机/电动机由施加到所述永磁发电机/电动机的上表面部分的粘着剂保持，且 其中所述永磁发电机/电动机另外还由至少一个其它保持机构保持，所述其它保持机构从由至少一个保持销和至少一个螺栓所组成的群组中选择。
22.根据权利要求17所述的永磁发电机/电动机，其中所述至少一个定子为完全封装至和部分封装至至少热固性塑料和热塑性塑料的其中一个内的定子的至少其中一个。
23.根据权利要求22所述的永磁发电机/电动机，其中所述分段的定子包括单个齿部分段。
24.—种永磁发电机/电动机，包括: 至少一个具有多个永磁体的转子，以及至少一个具有多个定子齿部的定子，所述定子齿部具有集成的靴部， 其中至少一个磁性气隙通过一径向厚度分隔所述转子磁体和所述定子靴部， 其中所述永磁体的所述磁性气隙内的表面经由具有一型面的连接表面从大体圆周的方向过渡至大体径向的方向，该型面具有比所述气隙的径向厚度更大的平均曲率半径，且其中所述永磁发电机/电动机由施加到所述永磁发电机/电动机的上表面部分的粘着剂保持。
25.根据权利要求24所述的永磁发电机/电动机，其中所述永磁发电机/电动机另外还由至少一个其它保持机构保持，所述其它保持机构从由至少一个保持销和至少一个螺栓组成的群组中选择。
26.—种永磁发电机/电动机，包括: 至少一个具有多个永磁体的转子，以及至少一个具有多个由软磁性材料制成的定子齿部的定子，所述定子齿部围绕有定子线圈， 其中所述定子齿部经由一铁芯段连接， 其中所述铁芯段为分段的，且 其中所述至少一个定子为完全封装至和部分封装至至少热固性塑料和热塑性塑料的其中一个内的定子的至少其中一个。
27.根据权利要求26所述的永磁发电机/电动机，其中所述至少一个定子包括单个齿部分段。
28.一种方法，其用于具有至少一个定子和至少一个转子的一发电机/电动机，所述定子具有多个由软磁性材料制成的定子齿部，所述转子具有通过一小的磁性气隙从所述定子齿部分隔开的转子磁体，该方法包括: 通过对所述定子齿部的成形降低所述定子齿部和所述转子磁体之间的齿槽效应转矩，以及 朝向所述齿部的远端区域生成低磁导区域，以使相邻齿部上的所述低磁导区域紧密接近， 其中所述低磁导区域由所述转子磁体周期性地激励至磁饱和，以使所述磁饱和的空间范围减少引起齿槽效应转矩实质上的增加。
29.根据权利要求28所述的方法，进一步包括: 将所述定子分段为定子模块， 其中每一模块包括所述多个定子齿部中的至少一个和一铁芯段，以便当所述模块组合时，所述铁芯段提供连接所述定子齿部中的任何两个或更多的低磁阻通道。
30.根据权利要求29所述的方法，其中每一模块仅包括所述多个定子齿部中的一个。
31.根据权利要求30所述 的方法，进一步包括: 对所述永磁体成形，以便所述磁性气隙内的所述磁体的表面以比所述磁性气隙更大的平均曲率半径从大体圆周的方向过渡至大体径向的方向。
32.根据权利要求29所述的方法，进一步包括: 将所述定子模块封装或部分封装至至少热固性塑料和热塑性塑料的其中一个内。
【文档编号】H02K21/02GK103493337SQ201280018935
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2012年6月22日 优先权日:2011年6月30日
【发明者】D·R·麦金托什 申请人:D·R·麦金托什