專利名稱：一種雙機(jī)械端口電機(jī)的無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙機(jī)械端口電機(jī)無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子。
技術(shù)背景為了克服現(xiàn)有車輛中內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)單一驅(qū)動車輛造成的效率低，尾氣排放嚴(yán)重等問題，各 種電機(jī)、電池和功率變換器被引入車輛驅(qū)動系統(tǒng)。CN1945939專利《雙機(jī)械端口電機(jī)及其驅(qū) 動控制系統(tǒng)》給出了一種新型的電機(jī)，即雙機(jī)械端口電機(jī)(DMPM)。美國專利US2004026143， WO0034066和歐洲專利EP1481463等涉及的電機(jī)都具有雙機(jī)械端口電機(jī)的主要特征，即具 有一個定子和兩個轉(zhuǎn)子。這些專利所涉及的電機(jī)的定子和其中一個轉(zhuǎn)子上都布置有電樞繞組。外部的能量通過電 樞繞組進(jìn)入電機(jī)，完成機(jī)電能量的轉(zhuǎn)化。定子是靜止不動的，電流進(jìn)入定子上的電樞繞組通 過簡單的接線就可以完成。而由于轉(zhuǎn)子是轉(zhuǎn)動的，因此需要有一個設(shè)備，把電流從一個靜止 的系統(tǒng)傳輸?shù)叫D(zhuǎn)的系統(tǒng)?？梢酝瓿蛇@種功能的設(shè)備主要是兩種，第一種是電刷、集電環(huán)組 合，另一種就是旋轉(zhuǎn)變壓器。在上述專利涉及的電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子無一例外釆用了電刷集電環(huán)組合。主要原因就在于電刷 集電環(huán)組合在繞線型異步電機(jī)，他勵同步交流發(fā)電機(jī)等電機(jī)中廣泛采用，技術(shù)比較成熟，而 且價(jià)格比較合理。同時(shí)，采用旋轉(zhuǎn)變壓器方式受到供電頻率的限制。變壓器的體積和工作頻 率有關(guān)，只有變壓器的工作頻率很高時(shí)，變壓器才可以具有非常緊湊的體積。相反，當(dāng)變壓 器工作在低頻時(shí)不僅體積龐大，更重要的是效率非常低。由于這些原因，旋轉(zhuǎn)變壓器方案是 不能工作在低頻大電流環(huán)境下的。但是，電刷集電環(huán)組合也有很嚴(yán)重的問題。第一、電刷屬于易損消耗部件，經(jīng)過一段時(shí) 間的工作，電刷會被嚴(yán)重磨損，需要補(bǔ)充新的電刷。,^第二,、.電刷集電環(huán)# 比較大，不適用 于空間比較受限制的場合。第三、在電刷和集電環(huán)之間存在接觸壓降，當(dāng)通過的電流很大時(shí) 會在電刷集電環(huán)之間產(chǎn)生很大的接觸損耗。這些損耗最終會變成熱量，不僅加重電機(jī)整體散 熱負(fù)擔(dān)，還可能損壞電樞和集電環(huán)。第四、電刷和集電環(huán)摩擦過程中會產(chǎn)生大量的碳粉，這 些碳粉需要及時(shí)移除，因此采用電刷和集電環(huán)的電機(jī)需要比較好的通風(fēng)條件。而這與雙機(jī)械端口電機(jī)需要密封的要求沖突。 發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。本發(fā)明提出一種新的無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子。這種內(nèi)轉(zhuǎn)子去除了電刷 和集電環(huán)，而且不采用旋轉(zhuǎn)變壓器原理，因此可以克服這兩種技術(shù)具有的缺點(diǎn)。本發(fā)明提出的無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子在結(jié)構(gòu)上分為兩部分轉(zhuǎn)子本體和激勵體，這兩個組成部分 沿軸線方向同心布置。轉(zhuǎn)子本體由兩個對稱的轉(zhuǎn)子半體牙嵌組成，每個半體對應(yīng)一相電流。轉(zhuǎn)子半體由磁極和集磁環(huán)組成，磁極的作用是產(chǎn)生氣隙內(nèi)的主磁通。集磁環(huán)的作用是接 受來自激勵鐵心的磁場，并把這個磁場導(dǎo)向到磁極處，產(chǎn)生主磁通。每個轉(zhuǎn)子半體具有兩個 集磁環(huán)和兩組磁極。其中一個集磁環(huán)和一組磁極構(gòu)成該轉(zhuǎn)子半體的南極，而另一個集磁環(huán)和 一組磁極構(gòu)成該轉(zhuǎn)子半體的北極。兩個對稱的轉(zhuǎn)子半體之間在空間上相差90電角度。激勵體由兩個相同的激勵半體組成，每個半體對應(yīng)一相電流。與一般電機(jī)不同，本發(fā)明 無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子電樞電流為兩相交流電，每個半體中的電流在時(shí)間上相差90電角度。兩相時(shí) 間上相差卯電角度的交流電產(chǎn)生的磁場，通過兩個轉(zhuǎn)子半體的集磁環(huán)導(dǎo)向到空間上相差90 電角度的磁極上可以合成旋轉(zhuǎn)磁場。激勵半體由激勵鐵心和激勵線圈組成。激勵線圈為同心繞制，由此帶來的好處是線圈繞 制方便，下線也更加方便。激勵鐵心為截面為"凹字型"的圓環(huán)。本發(fā)明的無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子和現(xiàn)有內(nèi)轉(zhuǎn)子在結(jié)構(gòu)上完全不同?，F(xiàn)有內(nèi)轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子 繞組、轉(zhuǎn)子軸以及安裝在軸上的集電環(huán)和電刷組成。本發(fā)明無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子由激勵體和轉(zhuǎn)子本 體兩部分構(gòu)成。在功能上，本發(fā)明無刷化的激勵體相當(dāng)于現(xiàn)有內(nèi)轉(zhuǎn)子的電樞繞組，轉(zhuǎn)子本體相當(dāng)于現(xiàn)有內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子鐵心。但是在結(jié)構(gòu)上則完全不同現(xiàn)有內(nèi)轉(zhuǎn)子上的電樞繞組安裝在 轉(zhuǎn)子鐵心上，而本發(fā)明提出的無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子的激勵體是單獨(dú)的部件?，F(xiàn)有內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子鐵心 是由沖片疊壓而成，整體外形簡單規(guī)則，本發(fā)明無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子本體是由兩個轉(zhuǎn)子半體 牙嵌而成，整體外形復(fù)雜。本發(fā)明提出的無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子與現(xiàn)有雙機(jī)械端口電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子相比具有多方面的優(yōu)點(diǎn) 1、現(xiàn)有內(nèi)轉(zhuǎn)子采用電刷和集電環(huán)供電，由于這兩者之間存在摩擦，因此無論電刷還是 集電環(huán)都是易損部件，需要定期更換，增加了裝載這種新型電機(jī)的車輛的維護(hù)成本。同時(shí)， 這種摩擦?xí)泶罅康臒崃浚粌H會威脅電刷和集電環(huán)的可靠使用更使整個系統(tǒng)存在一個潛 在的安全隱患。本發(fā)明的無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子采用非接觸式供電，徹底取消了這種摩擦，使得無論 是激勵體還是轉(zhuǎn)子本體都不會在使用中磨損，這樣大大降低了維護(hù)成本。同時(shí)，由于摩擦 的消失，由于摩擦帶來的安全問題也一起消除了。2、 現(xiàn)有內(nèi)轉(zhuǎn)子的電刷和集電環(huán)占用了大量空間，采用無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子可以節(jié)約這部分空 間，從而減小了整個系統(tǒng)的重量和體積。3、 現(xiàn)有內(nèi)轉(zhuǎn)子的繞組安裝在轉(zhuǎn)子本體上，因此轉(zhuǎn)子上的損耗包括鐵損耗和繞組產(chǎn)生的 銅損耗。由于損耗在轉(zhuǎn)動體上，散熱十分困難。本發(fā)明提出的無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子的繞組在靜止的 激勵體上，把轉(zhuǎn)子上由繞組產(chǎn)生的銅損耗轉(zhuǎn)移到靜止部分，降低了散熱的難度。


圖i是本^:明無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子零件爆炸圖，圖中l(wèi)激勵鐵心，2激勵線圈，3'內(nèi)集磁環(huán)， 6外集磁環(huán)，4外磁極，5內(nèi)磁極；圖2是本發(fā)明無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子裝配圖；圖3是本發(fā)明的無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子半體結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子激勵半體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說明本發(fā)明。如圖1所示，本發(fā)明無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子由激勵體和轉(zhuǎn)子本體構(gòu)成，轉(zhuǎn)子本體和激勵體沿軸線 方向同心布置，激勵體在外側(cè)、轉(zhuǎn)子本體在內(nèi)側(cè)。激勵體分成左右兩個相同的激勵半體，每 個激勵半體由激勵鐵心1和激勵線圈2構(gòu)成。激勵鐵心1剖面呈凹字型，中間凹陷部分為槽， 兩旁的突起是激勵環(huán)7。槽中放置激勵線圈2，激勵線圈2同心繞制。激勵線圈2中通以交 流電，在激勵鐵心1內(nèi)部產(chǎn)生交變磁場。為了降低渦流損耗，因此激勵鐵心1做成疊片結(jié)構(gòu)。當(dāng)激勵線圈2中通入交流電后，根據(jù)安培定律，產(chǎn)生的磁場為環(huán)繞激勵線圈2的磁場， 因此激勵鐵心1的兩個激勵環(huán)7分別形成了該相電流所產(chǎn)生磁場的南極和北極。轉(zhuǎn)子本體分成左右兩個相同的半體，兩個半體對稱布置，牙嵌組成轉(zhuǎn)子。每個半體均由 外集磁環(huán)6、內(nèi)集磁環(huán)3、外磁極4以及內(nèi)磁極5組成。內(nèi)集磁環(huán)3、外集磁環(huán)6與激勵環(huán)7 都是立體圓環(huán)狀部件，都有圓環(huán)狀的端面。內(nèi)集磁環(huán)3的圓環(huán)狀端面與激勵環(huán)7的內(nèi)環(huán)端面 同心相向安裝，外集磁環(huán)6的圓環(huán)狀端面與激勵環(huán)T的外環(huán)端面同'心相向安裝。外集磁環(huán)6 上安裝有外磁極4，內(nèi)集磁環(huán)3上安裝有內(nèi)磁極5。同一個集磁環(huán)上的相鄰磁極之間相隔360 電角度，每個相鄰的內(nèi)集磁環(huán)上磁極與外集磁環(huán)上磁極之間相差180電角度。集磁環(huán)的作用 主要有兩個，第一、"收集"來自激勵環(huán)上的激勵線圈2產(chǎn)生的磁通，完成電樞能量的"無 刷"傳輸。第二、《把來自激勵環(huán)7上的磁場導(dǎo)向到外磁極4科內(nèi)磁極5上。
轉(zhuǎn)子半體的每個磁極錯開安裝，每個相鄰的轉(zhuǎn)子半體上的磁極之間相差90電角度。 圖2所示為本發(fā)明無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子裝配圖，兩個完全對稱的轉(zhuǎn)子半體采用牙嵌的方式錯開布置。其中，每個轉(zhuǎn)子半體上都有一系列的外磁極4和內(nèi)磁極5。圖3所示本發(fā)明的無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子半體。如圖3所示，每個轉(zhuǎn)子半體由內(nèi)集磁環(huán)3、外集磁環(huán)6、內(nèi)磁極5和外磁極4構(gòu)成。內(nèi)磁極5安裝在內(nèi)集磁環(huán)3上，外磁極4安裝在外集磁環(huán)6上。相鄰的內(nèi)磁極5和外磁極4之間相差180電角度，分別構(gòu)成這個轉(zhuǎn)子半體的南極和北極。圖4所示為本發(fā)明的無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子激勵半體結(jié)構(gòu)。激勵半體是內(nèi)轉(zhuǎn)子的電樞部分。激勵 鐵心l的橫斷面呈凹字型，中間的凹陷部分為槽，槽中埋入激勵線圈2;凹字型兩邊的突起 是激勵環(huán)7，由激勵線圈2產(chǎn)生的磁場在激勵環(huán)7的兩個端面處形成南北極。本發(fā)明無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子的工作原理是兩個激勵線圈2通入時(shí)間上相差90度的交流電， 交流電流在激勵鐵心1中產(chǎn)生兩個時(shí)間相差90電角度的交變磁場。這個交變的磁場通過面 對面相向布置的激勵環(huán)7和內(nèi)集磁環(huán)3，外集磁環(huán)6從激勵體傳入轉(zhuǎn)子本體，完成能量的"無 刷化"傳輸。而且，由于激勵環(huán)7和內(nèi)集磁環(huán)3，外集磁環(huán)6都是立體圓環(huán)狀物體，因此這 種能量的"無刷"傳輸不受轉(zhuǎn)子本體轉(zhuǎn)動的影響。交變磁場從外集磁環(huán)3中導(dǎo)入到外磁極4 中，由于來自兩個轉(zhuǎn)子半體的相鄰磁極之間在空間上相差90電角度，而且每個磁極上的交 變磁場在時(shí)間上相差90電角度，因此將會合成一個旋轉(zhuǎn)的磁場，這個旋轉(zhuǎn)磁場最終完成電 機(jī)的能量轉(zhuǎn)化功能。從本發(fā)明無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子的工作原理可以看出，轉(zhuǎn)子本體中與激勵鐵心l一樣，存在交變 磁場，因此為了克服鐵損耗，需要把轉(zhuǎn)子本體做成疊片結(jié)構(gòu)。但是，本發(fā)明提出的無刷轉(zhuǎn)子 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不同于一般電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的相對簡單的結(jié)構(gòu)，使用疊片方法制造存在困難。為了克服上面提到的無刷轉(zhuǎn)子制造困難的問題，本發(fā)明采用"復(fù)合磁性材料"(SMC) 鑄造上述無刷內(nèi)轉(zhuǎn)子。SMC是一種新型的軟磁材料，呈粉末狀。與傳統(tǒng)電機(jī)采用的軟磁材 料硅鋼片相比，這種材料具有十分獨(dú)特的特點(diǎn)。這種材料呈粉末狀，可以通過與粘合劑的混 合，采用鑄造的方法，制成具有復(fù)雜三維形狀的物體。而硅鋼片只適合采用疊壓的方法制造 外形簡單的物體。由于本發(fā)明無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子具有十分復(fù)雜的外形，因此用這種材料采用鑄造 的方法制造。本發(fā)明提出的轉(zhuǎn)子無刷化方法基于磁傳導(dǎo)方法，既不同于電刷集電環(huán)組合的電傳導(dǎo)方 法，也不同于旋轉(zhuǎn)變壓器的電磁感應(yīng)方法。因此既克服了電傳導(dǎo)方法的接觸電阻造成接觸損 耗的缺點(diǎn)，也克服了電磁感應(yīng)方法的效率低下的缺點(diǎn)。
權(quán)利要求
1、一種雙機(jī)械端口電機(jī)的無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子，其特征在于，無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子由激勵體和轉(zhuǎn)子本體構(gòu)成，轉(zhuǎn)子本體和激勵體沿軸線方向同心布置，激勵體在外側(cè)、轉(zhuǎn)子本體在內(nèi)側(cè)；激勵體分成左右兩個相同的激勵半體，每個激勵半體對應(yīng)一相電流；激勵半體由激勵鐵心(1)和激勵線圈(2)構(gòu)成；激勵鐵心(1)剖面呈凹字型，中間凹陷部分為槽，兩旁的突起是激勵環(huán)(7)，槽中放置激勵線圈(2)，激勵線圈(2)同心繞制；激勵鐵心(1)為疊片結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子本體分成左右兩個相同的半體，牙嵌組成；每個半體對應(yīng)一相電流，兩個半體對稱布置，每個半體均由外集磁環(huán)6、內(nèi)集磁環(huán)3、外磁極4以及內(nèi)磁極5組成。內(nèi)集磁環(huán)3、外集磁環(huán)6與激勵環(huán)7均為立體圓環(huán)狀部件，內(nèi)集磁環(huán)3的圓環(huán)狀端面與激勵環(huán)7的內(nèi)環(huán)端面同心相向安裝，外集磁環(huán)6的圓環(huán)狀端面與激勵環(huán)7的外環(huán)端面同心相向安裝。外集磁環(huán)6上安裝有外磁極4，內(nèi)集磁環(huán)3上安裝有內(nèi)磁極5。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的雙機(jī)械端口電機(jī)的無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子，其特征在于，激勵線圈(2) 中通以交流電，在激勵鐵心(1)內(nèi)部產(chǎn)生環(huán)繞激勵線圈(2)交變磁場，激勵鐵心(1)的 兩個激勵環(huán)(7)分別形成了該相電流所產(chǎn)生磁場的南極和北極。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙機(jī)械端口電機(jī)的無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子，其特征在于，轉(zhuǎn)子半體每 個相鄰的內(nèi)集磁環(huán)上磁極與外集磁環(huán)上磁極分別構(gòu)成這個轉(zhuǎn)子半體的南極和北極；每個相鄰 的內(nèi)集磁環(huán)上磁極與外集磁環(huán)上磁極之間相差180電角度，同一個集磁環(huán)上的相鄰磁極之間 相隔360電角度，兩個對稱的轉(zhuǎn)子半體之間在空間上相差卯電角度。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙機(jī)械端口電機(jī)的無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子，其特征在于，無刷化內(nèi)轉(zhuǎn) 子采用復(fù)合磁性材料鑄造。
全文摘要
一種雙機(jī)械端口電機(jī)的無刷化內(nèi)轉(zhuǎn)子，由激勵體和轉(zhuǎn)子本體構(gòu)成，轉(zhuǎn)子本體和激勵體沿軸線方向同心布置，激勵體在外側(cè)、轉(zhuǎn)子本體在內(nèi)側(cè)。激勵體分成左右兩個相同的激勵半體，每個激勵半體對應(yīng)一相電流；激勵半體由激勵鐵心(1)和激勵線圈(2)構(gòu)成；激勵鐵心(1)剖面呈凹字型，中間凹陷部分為槽，兩旁的突起是激勵環(huán)(7)，槽中放置激勵線圈(2)。轉(zhuǎn)子本體分成左右兩個相同的半體，兩個半體對稱布置，牙嵌組成轉(zhuǎn)子。每個轉(zhuǎn)子半體具有兩個集磁環(huán)和兩組磁極。其中一個集磁環(huán)和一組磁極構(gòu)成該轉(zhuǎn)子半體的南極，另一個集磁環(huán)和一組磁極構(gòu)成該轉(zhuǎn)子半體的北極。兩個對稱的轉(zhuǎn)子半體之間在空間上相差90電角度。
文檔編號H02K16/02GK101154862SQ200710121260
公開日2008年4月2日 申請日期2007年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月3日
發(fā)明者溫旭輝, 濤 范 申請人:中國科學(xué)院電工研究所