專利名稱：：用于旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明總體上涉及電機的轉(zhuǎn)子疊片的設(shè)計。對于具有相對少量的凸極的疊片，例如通常用在磁阻電機和一些永磁電機上的疊片，本發(fā)明是尤其有利的。
背景技術(shù)：
：電機通常由電工鋼片的疊片構(gòu)成，形成的結(jié)構(gòu)用來攜帶所述電機為了它的操作而依靠的磁通量。所述結(jié)構(gòu)被形成疊片以減少渦流的影響，所述渦流由于磁通量的時間變化率而在鋼中流動。通常僅僅具有恒定磁通量的電機具有非疊層的結(jié)構(gòu)。例如，dc電機的場結(jié)構(gòu)能是非疊層的(也就是，由整塊金屬制成)，即使在這些電機中，為了在電機遭受新的操作狀態(tài)時減少瞬態(tài)響應(yīng)也通常采用疊層結(jié)構(gòu)。疊層的程度通常取決于電機中磁通量變化的頻率。例如，在直接從50或60Hz的市電電源供給電壓并且以比方說1500或1800rev/min的轉(zhuǎn)速操作的電機中，通常采用0.50或0.65mm厚的疊片。對于在400Hz的電源上操作的并且以12000reV/min的速度運行的電機來說，可以選擇0.20mm厚的疊片。疊片被堆疊以提供所期望長度的組裝件(pack)或芯。固定疊片形成定子芯并且典型地被插入在框架中或者被提供有一些其它結(jié)構(gòu)以將它固定從而抵抗操作期間所經(jīng)歷的轉(zhuǎn)矩反作用。移動疊片形成轉(zhuǎn)子芯并且典型地安裝在收納于軸承系統(tǒng)中的軸上。使用這種配置的電機的一個例子是開關(guān)磁阻電機。在多種教科書中能找到包括開關(guān)磁阻電機的電驅(qū)動的通常的處理，舉例來說，2001年Newnes出版的JTEMiller的"ElectronicControlofSwitchedReluctanceMachines”，其以引用的方式被結(jié)合到這里。在1993年6月21-24日在紐倫堡(Niirnberg)的PCIM，93中乂印！^仙。!!和Blake的論文"Thecharacteristics,designandapplicationofswitchedreluctancemotorsanddrives”中提供了更多細節(jié)，其以引用的方式被結(jié)合到這里。圖1示出了用于開關(guān)磁阻電機的典型的轉(zhuǎn)子和定子疊片。兩種疊片都具有凸極并且所述定子磁極的一些或全部攜帶有線圈，所述線圈互連在一起以形成一個或多個相繞組。在所示的例子中，所述轉(zhuǎn)子疊片16具有四個極14，所述定子疊片10具有六個極11，所述六個極11具有相對地成對連接在一起的六個線圈13以形成三個相繞組A，B和C。所述轉(zhuǎn)子疊片安裝在軸18上。如同本領(lǐng)域中眾所周知的那樣，定子和轉(zhuǎn)子極的數(shù)量、線圈的數(shù)量和相繞組的數(shù)量能廣泛地變化并且能由設(shè)計者選擇以適合手頭上的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。所述轉(zhuǎn)子疊片的凸極從轉(zhuǎn)子疊片的芯部分徑向向外地延伸。所述芯部分包括用于容納軸18的切口。所述凸極的根部部分鄰近所述芯部分。所述疊片的外輪廓或外形限定在所述根部部分處，將所述凸極平滑地連接到所述芯部的圓角半徑；在所述凸極的徑向外面處的極面；和典型地在所述極面和所述凸極的各側(cè)上的圓角半徑之間的直側(cè)。典型地，所述凸極的中心線與通過轉(zhuǎn)動軸線的半徑一致。典型地，所述轉(zhuǎn)子不攜帶任何繞組，從而轉(zhuǎn)子組件通常是比用于其它類型的具有安裝在所述轉(zhuǎn)子上的繞組或磁體的電機的轉(zhuǎn)子組件更健壯。盡管這個特性能使所述轉(zhuǎn)子以比設(shè)計者通常將期望的速度更高的速度操作，有仍然需要更高速度的應(yīng)用，舉例來說，用于飛輪、渦輪和材料測試裝備的驅(qū)動。離心力在所述疊片中引起的應(yīng)力典型地限制開關(guān)磁阻電動機的轉(zhuǎn)子的有用速度。盡管疊片鋼的彈性應(yīng)力的極限從一種等級的鋼到另一種等級的鋼變化是很小的，典型的屈服應(yīng)力在350MPa附近，使得設(shè)計者將可能設(shè)計大約^OMPa的峰值以允許合適的安全裕度。圖2示出了具有8個轉(zhuǎn)子極的轉(zhuǎn)子疊片的應(yīng)力分析的結(jié)果。通過設(shè)立疊片的一部分的有限元模型并且求解離心應(yīng)力來執(zhí)行這個分析。這個特定疊片具有145mm的內(nèi)側(cè)(軸)直徑和37/堆疊長度的質(zhì)量。在圖2中示出了轉(zhuǎn)速為10，000rev/min時單位為MPa的應(yīng)力等值線。所述分析示出了最高應(yīng)力區(qū)域是圍繞軸的區(qū)域，其具有大約ISOMPa的應(yīng)力。這將表明所述材料未被用到它的最大性能并且能減少轉(zhuǎn)子的質(zhì)量。實現(xiàn)這些目標(biāo)的一種已知的方法是增加軸的直徑并且使它是中空的。圖3示出了用這種方式修改的圖2的疊片，其中軸直徑從145mm增加到197mm。這減少了疊片的質(zhì)量，并且盡管使用實心軸將簡單地將總質(zhì)量維持在大約相同的程度，中空軸的使用仍將產(chǎn)生組件的質(zhì)量的凈減少。圖3示出了所述軸的直徑已經(jīng)被增加到了這樣的程度，S卩，在轉(zhuǎn)速為10，OOOrev/min時所述轉(zhuǎn)子疊片中的峰值應(yīng)力現(xiàn)在在它的最大設(shè)計水平，也就是，大約270MPa。極限區(qū)域是所述極的根部處的兩個區(qū)域。根據(jù)已知的方法，這表示能使用的最大軸直徑。軸直徑的進一步的增加，盡管減少了疊片的質(zhì)量，將帶來極根部處的峰值應(yīng)力的不可接受的增加，如同在圖4中所示的那樣，其中軸直徑已經(jīng)增加到了210mm。在圖4中，極本體中的應(yīng)力等值線的值與圖3中的一樣，但是在轉(zhuǎn)速為10，000reV/min時，極的根部處的應(yīng)力現(xiàn)在在300MPa以上，其對于安全設(shè)計來說是不可接受的。US3956678披露了一種具有這樣的凸極的電機，所述凸極在極面附近具有孔以提供不對稱的取決于飽和的通量模式。在06年10月08-12日在佛羅里達(Florida)的坦帕(Tampa)舉辦的第41屆AnnualMeetingoftheIndustrialApplicationsSociety的會議論文集中K.Y.Lu等人的“AnewLow-CostHybridSwitchedReluctanceMotorforAdjustableSpeedPumpApplications”中披露了一種為了同樣的目的而在極面附近具有圓周的、狹槽形孔的混合式開關(guān)磁阻和永磁電動機。在它們的接近極面的位置中，這些孔不影響凸極的根部部分中或其附近處的峰值應(yīng)力。在2000年10月08-12日在意大利羅馬舉辦的IAS2000,Thirty-fifthAnnualMeetingandWorldConferenceonIndustrialApplicationsofElectricalEnergy中第一卷第107-113頁中M.Sanada等人的“NovelRotorPoleDesignofSwitchedReluctanceMotorstoReducetheAcousticNoise"子凸極的根部部分附近具有長方形窗的開關(guān)磁阻電動機。極的根部部分附近或極的根部部分處的峰值應(yīng)力區(qū)域中的長方形孔的銳利的轉(zhuǎn)角用來增加，而不是減少轉(zhuǎn)子中的峰值應(yīng)力。因此有對于這樣的凸極轉(zhuǎn)子疊片的設(shè)計的需求，S卩，所述凸極轉(zhuǎn)子疊片保持在疊片的設(shè)計峰值應(yīng)力范圍之內(nèi)，同時基本上維持電機的電磁性能的質(zhì)量。
發(fā)明內(nèi)容在本發(fā)明的第一方面中，提供一種用于旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)子。所述轉(zhuǎn)子具有限定從芯4部分向外地伸出的多個凸極的外形。所述芯部分限定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動軸線。各極具有由閉合輪廓限定的孔。所述孔被布置成在轉(zhuǎn)子圍繞所述軸線轉(zhuǎn)動時減少所述轉(zhuǎn)子中的峰值應(yīng)力。與直覺相反地，發(fā)明人已經(jīng)認識到通過從轉(zhuǎn)子極中去除掉材料能減少旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)子中的峰值應(yīng)力或最大應(yīng)力。人們相信，這使得轉(zhuǎn)子的剛性減小因此減少了給定轉(zhuǎn)動速度時轉(zhuǎn)子材料所承受的峰值(或最大)應(yīng)力，從而能以更高的轉(zhuǎn)動速度驅(qū)動除此以外相同的轉(zhuǎn)子或者能使用不同的、更少強度的材料。為了避免懷疑，通過與受到對應(yīng)于名義(notional)轉(zhuǎn)動速度的力的除此以外相同的轉(zhuǎn)子進行比較來評估峰值應(yīng)力的減少。例如，能使用有限元分析法來計算由于對應(yīng)于名義轉(zhuǎn)動速度，例如10，000轉(zhuǎn)每分(rev/min)的力而在轉(zhuǎn)子中形成的應(yīng)力(在有和沒有一個或多個孔的情況下)，從而估算這一點。限定孔的閉合輪廓可以具有大體上三角形的形狀并且可以具有連接閉合輪廓的三個側(cè)邊的圓形轉(zhuǎn)角。所述閉合輪廓可以具有橫過它各自的極的底部和從所述底部向外地朝向彼此延伸的兩個側(cè)部。所述底部和所述兩個側(cè)部可以通過所述輪廓的圓形部分連接在一起?？蛇x地，所述閉合輪廓可以是基本上圓形的。所述閉合輪廓可以是平滑的以避免引入新的峰值應(yīng)力區(qū)域，如果所述輪廓具有任何尖銳的轉(zhuǎn)角將產(chǎn)生這種新的峰值應(yīng)力區(qū)域，例如，對于長方形的輪廓將是這種情形。換句話說，所述輪廓的沿著所述輪廓的切線方向的變化率(在理想情形中)是有限的，并且實際上小于制造在轉(zhuǎn)子疊片中的長方形輪廓的變化率。優(yōu)選為，各極和各自的孔居中地位于各自的通過轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動軸線的半徑上。所述轉(zhuǎn)子可以由一堆疊片制成。所述轉(zhuǎn)子優(yōu)選為在各極中具有單個孔以使峰值應(yīng)力減少，但是可替換地，可以在各極中具有一個或多個另外的孔以使峰值應(yīng)力減少。在本發(fā)明的第二方面中，提供一種轉(zhuǎn)子疊片，所述轉(zhuǎn)子疊片用于堆疊以制造如同上面所描述的轉(zhuǎn)子。在本發(fā)明的第三方面中，提供一種電機，其包括定子和如同上面所描述的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子被布置成在所述定子之內(nèi)轉(zhuǎn)動。優(yōu)選地，孔或多個孔被布置成使得由于閉合輪廓或多個閉合輪廓之內(nèi)的可磁化材料的缺少而導(dǎo)致的電機的轉(zhuǎn)矩輸出的測量值的減少不超過沒有所述孔或多個孔時的轉(zhuǎn)矩輸出的10%，優(yōu)選為5%。在一些情形中，20%的減少是可接受的。而且，使用如同下面詳細描述的那樣的有限元分析法能估算轉(zhuǎn)矩減少的測量值。所述測量值可以是電機的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩輸出，例如，平均靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的測量值，平均靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是響應(yīng)于給定激勵電流在例如電極節(jié)距角的一半之上的多個點處估算的并且然后平均的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。以規(guī)定激勵電流估算轉(zhuǎn)矩，優(yōu)選為使電機中的磁通量水平達到其應(yīng)用中所經(jīng)歷的最高水平的激勵電流。能使用的一種特定激勵電流是1000A。所述電機可以是開關(guān)磁阻電機。在本發(fā)明的第四方面中，提供一種用于制造轉(zhuǎn)子或者堆疊成轉(zhuǎn)子的疊片的方法。所述轉(zhuǎn)子具有限定多個從芯部分向外地伸出的凸極的外形，所述芯部分限定轉(zhuǎn)動軸線。所述方法包括在各極中制造一個或多個孔，由此在轉(zhuǎn)子圍繞所述軸線轉(zhuǎn)動時減少轉(zhuǎn)子中的峰值應(yīng)力?？梢岳缛缤厦嫠枋龅哪菢拥毓浪惴逯祽?yīng)力。所述方法可以包括準(zhǔn)備轉(zhuǎn)子或疊片的設(shè)計。這可以包括改變孔的徑向位置和大小以減少峰值應(yīng)力從而符合電機輸出的測量值，諸如平均靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的最小需求。所述設(shè)計的準(zhǔn)備可以額外地包括改變孔的形狀。例如，使用圓形孔的設(shè)計方法可以包括增加給定直徑的孔的中心與轉(zhuǎn)動軸線的距離直到發(fā)現(xiàn)峰值應(yīng)力的局部最小值，增加孔的直徑并重復(fù)這些步驟，只要電機輸出的測量值大于閾值，例如沒有孔的電機輸出的一部分。另一設(shè)計方法包括增加給定直徑的圓形孔的中心與轉(zhuǎn)動軸線的距離以發(fā)現(xiàn)峰值應(yīng)力的局部最小值并且然后增加孔的直徑同時調(diào)節(jié)位置，使得孔輪廓的徑向最內(nèi)部點保持在大體上固定的位置處以進一步使得峰值應(yīng)力最小化，直到轉(zhuǎn)矩輸出的測量值，諸如沒有孔的電機的轉(zhuǎn)矩輸出的一部分，下降到最小可接受的值。另一設(shè)計方法可以包括設(shè)計非圓形的孔(NCH)以減少峰值應(yīng)力。所述方法可以包括確定孔的邊界上的關(guān)鍵點。通過從轉(zhuǎn)子的中心向外移動孔，比方說具有在極寬度的50到75%之間的直徑的孔，直到發(fā)現(xiàn)峰值應(yīng)力的局部最小值，從而確定點R。然后點R被認為是NCH的最內(nèi)部的點。然后進一步向外移動圓形孔直到轉(zhuǎn)矩輸出開始落入到最小需求之下，將點S作為在那個位置的圓形孔的最外部的點。然后，在極的根部處的極中心線上的點上構(gòu)建一系列同心圓，并且確定相應(yīng)于轉(zhuǎn)矩輸出的測量值的減少為可接受的極限的直徑。那個圓與極根部處的線的交叉點確定被NCH留下的距離極的外輪廓的最小寬度的軌跡。所述極的根部處的線可以例如定位在這樣的點處，即，極的直側(cè)過渡到將極連接到芯部分的圓角半徑的點。這種設(shè)計方法提供非圓形孔的內(nèi)、外和側(cè)向邊界，非圓形孔這些邊界之內(nèi)其能形成多種形狀。然而，應(yīng)當(dāng)避免尖銳的內(nèi)轉(zhuǎn)角以避免引入新的峰值應(yīng)力，并且使得易于制造。極的剩余部分的徑向長度，其是如同上面所描述的那樣的最小寬度，應(yīng)當(dāng)保持為相對短以使得支撐疊片中的磁通量所需要的磁動勢(mmf)的增加最小化。因此，合適的形狀是具有圓形轉(zhuǎn)角和橫過極(例如垂直于極的中心半徑)的底部并且位于上面所描述的界限之內(nèi)的大體上三角形的孔。本發(fā)明不限定到疊層材料，因為對于由例如被機加工成最終形狀的整塊材料或模制和燒結(jié)以生成最終部件的軟磁復(fù)合材料(SMC)構(gòu)成的非疊層轉(zhuǎn)子來說，它能提供相應(yīng)的好處。在參考附圖閱讀了轉(zhuǎn)子疊片的示例的下面的詳細描述之后，這里所披露的設(shè)備和方法的其它方面和好處將變得是顯而易見的，其中圖1示出了用于開關(guān)磁阻電機的典型轉(zhuǎn)子和定子疊片；圖2示出了具有8個轉(zhuǎn)子極的現(xiàn)有技術(shù)的轉(zhuǎn)子疊片的應(yīng)力分析結(jié)果，數(shù)值表示在轉(zhuǎn)速為10，000rev/min時單位為MPa的應(yīng)力等值線；圖3示出具有增加的軸直徑的修改后的轉(zhuǎn)子疊片的應(yīng)力分析結(jié)果，數(shù)值表示在轉(zhuǎn)速為10，000rev/min時單位為MPa的應(yīng)力等值線；圖4示出了具有進一步增加的軸直徑的轉(zhuǎn)子疊片的應(yīng)力分析結(jié)果，數(shù)值表示在轉(zhuǎn)速為10，000rev/min時單位為MPa的應(yīng)力等值線；圖5示出了根據(jù)一個實施方式的在凸極中具有孔的轉(zhuǎn)子疊片的一部分以及轉(zhuǎn)子疊片的應(yīng)力分析結(jié)果，數(shù)值表示在轉(zhuǎn)速為10，000rev/min時單位為MPa的應(yīng)力等值線；圖6示出了峰值應(yīng)力與轉(zhuǎn)動軸線到疊片的孔的徑向距離的函數(shù)曲線，其表示圖5的轉(zhuǎn)子疊片的應(yīng)力分析結(jié)果；圖7示出了一范圍內(nèi)的孔大小和位置的峰值應(yīng)力的曲線；圖8示出了圖7的曲線的包絡(luò)線和單位為Nm的平均靜態(tài)轉(zhuǎn)矩值；圖9示出了沿著圖7的曲線的代表性的優(yōu)化路徑；圖10示出了用在另一優(yōu)化方法中的結(jié)構(gòu)；圖11示出了確定邊界上的點的方法；圖12示出了確定邊界上的進一步的點的軌跡的構(gòu)造方法；圖13示出了凸極中的代表性非圓形孔(NCH)；圖14示出了圖13的轉(zhuǎn)子疊片的應(yīng)力分析結(jié)果，數(shù)值表示在轉(zhuǎn)速為10，000rev/min時單位為MPa的應(yīng)力等值線；圖15示出了近似于圖13的孔的兩個圓形孔的組合；和圖16示出了圖15的轉(zhuǎn)子疊片的應(yīng)力分析結(jié)果，數(shù)值表示在轉(zhuǎn)速為10，000rev/min時單位為MPa的應(yīng)力等值線。具體實施例方式圖5示出了根據(jù)一實施方式的轉(zhuǎn)子疊片的一部分。所述疊片的主要尺寸與圖3的疊片的那些尺寸相同，其中極寬是觀.6mm。已經(jīng)將圓形孔50引入到轉(zhuǎn)子極52中?？椎闹行?3放置在極的中心線M上，并且在這個例子中，所述孔的直徑為16mm。能使用其它大小的圓或其它幾何形狀以形成孔，這將在下面討論。盡管可能預(yù)期，減少極的根部附近的材料的橫截面將具有增加給定操作狀況下疊片中的應(yīng)力的效果，但是圖5中的應(yīng)力等值線顯示并不是這樣。應(yīng)力值的分析顯示峰值應(yīng)力實際上減少了大約17%。這是違反直覺的，但是認為由極的剛度降低而產(chǎn)生的，極的剛度降低進而減少應(yīng)力。在疊片設(shè)計者的控制下能改變從疊片的中心到孔的中心的徑向距離并且這個位置會影響峰值應(yīng)力水平。圖6示出了峰值應(yīng)力與孔的中心到疊片中心的距離的曲線圖。在這個例子中，所述孔直徑也是16mm。能夠看到，當(dāng)孔的位置遠離疊片中心地移動時應(yīng)力幾乎線性地下降到最小值然后從那之后僅僅緩慢地上升。這為設(shè)計者提供了選擇孔的位置以使得疊片中的應(yīng)力水平最小化的可能。在這個情形中，大約138mm的距離對于給出最低峰值應(yīng)力的好處來說將是合適的。顯然地，通過將孔引入到轉(zhuǎn)子疊片能減少峰值應(yīng)力或者能增加操作速度直到峰值應(yīng)力達到安全限度?？蛇x地，在不超過以前的峰值應(yīng)力的情況下能增加疊片的孔直徑并且所述好處能被認為是減少轉(zhuǎn)子的質(zhì)量。通過這個實施方式進一步的好處現(xiàn)在是顯而易見的。除了減少峰值應(yīng)力，從疊片去除掉材料不僅減少轉(zhuǎn)子的質(zhì)量，而且因為去除是在距離轉(zhuǎn)子的中心相當(dāng)距離處，很大地減少了轉(zhuǎn)子的慣量。這個慣量的減少增加了電機的瞬變性能，并且是通過將去除材料的孔放置在轉(zhuǎn)子的芯部分中不能獲得的好處。圖5中示出的代表性的疊片的分析表明轉(zhuǎn)子的慣量減少了圖3中的疊片的慣量的大約10%?？紤]的進一步的因素是孔的直徑。對于一范圍的孔直徑的中的每一個，在圖7中構(gòu)建和示出了與圖6中所示的曲線相對應(yīng)的曲線，以示出峰值應(yīng)力如何作為徑向位置和孔大小的函數(shù)而變化。將會看到，可以繪制通過各曲線的最小應(yīng)力值的包絡(luò)線72并且這個包絡(luò)線表示任何給定孔位置可獲得的最小應(yīng)力。包絡(luò)線上的最低點表示任何孔大小和位置可獲得的最小應(yīng)力并且表示迄今這種類型的轉(zhuǎn)子的設(shè)計者不了解的重要新設(shè)計參數(shù)。盡管為了詳細地解釋已經(jīng)呈現(xiàn)了圖7中的所有信息，實際上計算所有的這些曲線不是必需的。知道曲線和包絡(luò)線72的大體上的形狀，能采用優(yōu)化法，使得所述方法將從給定的開始點而找到所需要的峰值應(yīng)力的最小值。這將在下面論證。盡管已經(jīng)示出了通過由于提供一個或多個孔而從轉(zhuǎn)子極的特定位置去除掉材料能減少疊片中的峰值應(yīng)力，設(shè)計者關(guān)心的是除了峰值應(yīng)力之外的其它疊片設(shè)計特征。因為轉(zhuǎn)子極攜帶電機的主要工作磁通量，它提供給通量的橫截面確定通量密度，其進而確定所需要的激勵和與通量相關(guān)的鐵損(ironloss)。清楚地，如果將峰值應(yīng)力將減少到非常低的水平對于電機來說有少量的凈好處，但是隨之發(fā)生的增加的通量密度惡化降低了電機的整體性能。多種數(shù)量能被用作整體性能的量度(measure)，但是一個有用的量度是在激勵電流被維持在恒定值時在半個轉(zhuǎn)子極節(jié)距上得到的平均轉(zhuǎn)矩。在上面所引用的Miller和Mephenson的參考文獻中示出和描述了轉(zhuǎn)矩曲線的典型形狀。這個曲線上的點通常被稱作電機的“靜態(tài)”轉(zhuǎn)矩，因為它是在轉(zhuǎn)子被鎖定在某個位置并且施加激勵時形成的轉(zhuǎn)矩。在半個轉(zhuǎn)子極節(jié)距上取平均值，因為這代表在所選擇的方向上得到的轉(zhuǎn)矩。所選擇的激勵電流的值不是關(guān)鍵的，但是最好選擇在正常的電機操作期間遇到的相電流的最高值處或在其附近，因為這將更清楚地揭露設(shè)計中的不同。如果定子和轉(zhuǎn)子疊片的尺寸是已知的，則有限元分析法能用來估算任何轉(zhuǎn)子位置處的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，例如對于圖1中所示的那樣的電機。建立表示疊片、激勵線圈和周圍空氣的三角形元的網(wǎng)格并且然后用電磁分析領(lǐng)域中的技術(shù)人員眾所周知的方法找到給定激勵的磁通路線。有幾種使用磁通模式給出轉(zhuǎn)矩的方法并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)Maxwell應(yīng)力分析法對于典型地在開關(guān)磁阻電機中的疊片形狀是尤其有用的，因為甚至當(dāng)極面之間的氣隙很小時它也給出良好的收斂。這種分析法允許找到一個轉(zhuǎn)子位置處的轉(zhuǎn)矩。通過依次地少量地移動轉(zhuǎn)子并且再次運行分析法，能限定半個極節(jié)距之上的各點處的轉(zhuǎn)矩。然后計算平均值就是簡單的事情了，該平均值與電機的啟動性能密切相關(guān)并且在較高速度時在單脈沖操作下也給出良好的性能量度。圖8示出了這種估算的結(jié)果，其中在圖7的包絡(luò)線上對于多個位置標(biāo)出對于選擇的1000A激勵電流時半個電極節(jié)距上的平均靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，在所述多個位置中的各個位置處圖7的各個曲線達到最小值。為了比較，對于沒有孔的情形平均靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是1505Nm。將會看到，當(dāng)孔直徑增加(也就是，包絡(luò)線從左向右移動時)，電機的轉(zhuǎn)矩輸出減少。知道這種關(guān)系，對于所需要的平均轉(zhuǎn)矩來說，找到能給出疊片中的最小應(yīng)力的孔大小和孔位置將是可能的。盡管通過圖7和8的檢查能獲得這個結(jié)果，但是它需要在多個點處的應(yīng)力和轉(zhuǎn)矩樞轉(zhuǎn)的解算。這可能是費力的和耗時的。用優(yōu)化圖表來執(zhí)行這個任務(wù)是可能的，并且優(yōu)化程序領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到能使用許多不同的方法，舉例來說，蒙特卡羅方法(MonteCarlo)，爬山算法(hill-climbing)等等。圖9中示出了專門設(shè)計的方法(bespokemethod)，其中示出了圖7的一部分的放大圖。從所選擇的開始點，點A，其中孔尺寸小且位置相對接近疊片中心，計算遠離疊片中心地移動(也就是，從點A朝下向右側(cè)前進)的孔的一系列位置的應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力開始增加時，已經(jīng)通過了最小應(yīng)力，因此能在前面的點B的位置處計算平均靜態(tài)應(yīng)力。假如這個平均靜態(tài)轉(zhuǎn)矩高于所需要的，能對于稍微更大的孔直徑而計算點C處的應(yīng)力，并且通過徑向向外地移動孔，沿著曲線向下程序繼續(xù)執(zhí)行，到點D處的最小應(yīng)力，在那里能計算平均靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。如果平均靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是或者大約是最小可接受的，那么點D將代表最佳設(shè)計。如果平均靜態(tài)轉(zhuǎn)矩仍高于所需要的值，能從點E到點F地用更大的孔重復(fù)程序，并且能估算點F處的最終平均靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。優(yōu)化程序領(lǐng)域的技術(shù)人員能動態(tài)地調(diào)節(jié)沿著所述曲線和在所述曲線之間的步長以用減少數(shù)量的計算點可靠地找到曲線上的最小點。通過注意到有助于圖7中的包絡(luò)線的形狀的孔的圓周在極的中心線上是幾乎重合的(co-incident)，能開發(fā)出確定孔的最佳尺寸和位置的一稍微不同的方法。圖10中示出了這一點，其中在那里示出了處于給出最低峰值應(yīng)力的位置處的圖7中的各孔直徑。圓周在緊鄰點M處與極中心線交叉。由此可以得出結(jié)論，通過采用任何孔尺寸和簡單地改變距離疊片中心的位置直到發(fā)現(xiàn)最小峰值應(yīng)力能接近地得到點M的位置。然后能改變孔的直徑，同時將圓周保持在點M上并且計算平均轉(zhuǎn)矩。當(dāng)轉(zhuǎn)矩下降到最小可接受值時，確定孔的位置和尺寸。這種方法將不是與上面所描述的第一優(yōu)化方法完全一樣精確的，但是可能導(dǎo)致計算數(shù)量減少并且在軟件程序中編碼更簡單。到目前為止所描述的實施方式使用極本體中的一個圓形孔獲得使疊片應(yīng)力、質(zhì)量和慣量最小化的設(shè)計目標(biāo)。然而，本發(fā)明不限于使用一個孔或者使用圓形孔。然而，因為多個孔和/或非圓形孔需要更多的參數(shù)以精確地描述它們的大小和位置，它們的使用使得設(shè)計過程更復(fù)雜。處理這種復(fù)雜性的一個方式是在考慮它們的實際形狀之前確定孔的邊界上的關(guān)鍵點?，F(xiàn)在將通過描述能如何確定非圓形孔(NCH)的參數(shù)示范這一點。如果首先選擇中等大小的圓形孔，比方說，直徑在極寬度的50%和75%之間的圓形孔，如同在圖11中所示的那樣，如同上面所描述的那樣通過在孔從所述轉(zhuǎn)子的中心向外移動時連續(xù)地計算應(yīng)力和確定最小峰值應(yīng)力能建立點R。點R能被認為是NCH的內(nèi)邊界，因為向內(nèi)移動它將增加峰值應(yīng)力。如果現(xiàn)在進一步向外移動所述圓形孔，能計算各點處的平均轉(zhuǎn)矩并且將點S確定為這樣的點，即，當(dāng)轉(zhuǎn)矩開始下降到任何顯著的程度時孔的最外側(cè)部分在S點處切割所述極的中心線。點S能被認為是NCH的最外側(cè)的邊界，因為進一步向外移動它將降低電機的輸出。將會注意到極面不被點S破壞。現(xiàn)在考慮圖12，其中線120已經(jīng)被選擇成垂直于極的中心線并且是外形端的圓角半徑和平行側(cè)的極部分開始的位置。點T是該線與極中心線交叉的地方?，F(xiàn)在能用點T作為它們的中心構(gòu)建一系列同心圓。對于各個孔直徑，能計算平均靜態(tài)轉(zhuǎn)矩并且將它與可接受的最小值相比較。當(dāng)平均靜態(tài)轉(zhuǎn)矩達到可接受的最小值時，孔圓周與線120的交叉點，也就是，點U和點V被認為這樣的點，從疊片外形到該點的距離限定寬度W，寬度W表示應(yīng)當(dāng)被用作NCH的側(cè)部處的疊片部分的最小寬度。在所述極的各側(cè)上，能繪制從外形偏移寬度W的軌跡122、124。NCH的側(cè)邊界能被認為是在這些軌跡上。應(yīng)注意，NCH的邊界全部位于所述極的外形之內(nèi)。在附圖中，孔尺寸采用了大的增量以示出如何建立點R、S、U和V。這純粹是為了清楚地示出，因為實際上能使用更小的增量以更精確地定位所述點。本領(lǐng)域技術(shù)人員將熟悉動態(tài)步長的使用以在遠離目標(biāo)時使用大步長并且當(dāng)接近目標(biāo)時連續(xù)地使用更小的步長?？紤]點R，點S和軌跡122、124，現(xiàn)在能選擇NCH的形狀。盡管能夠想到多種形狀，但是應(yīng)當(dāng)緊記一些其它考慮事項。例如，在點R處，優(yōu)選為使用盡可能平坦的邊界，以避免應(yīng)力的任何不必要的增加。在點S處，尖銳的內(nèi)轉(zhuǎn)角將不易于制造，因此應(yīng)當(dāng)選擇圓角的。在側(cè)部邊界處，寬度W的部分的長度應(yīng)當(dāng)保持的相對短，以使支撐疊片中的磁通量的磁動勢(mmf)的增加最小化。NCH的邊界應(yīng)當(dāng)優(yōu)選為是平滑的(沿著所有的邊界的切線方向變化率有限)以避免在尖銳轉(zhuǎn)角處增加新的峰值應(yīng)力區(qū)域。圖13中示出了考慮了這些原則的形狀?？椎淖罱K形狀(并且因此所述凸極的內(nèi)輪廓)接近具有圓角的或圓形的轉(zhuǎn)角的三角形。限定孔的內(nèi)輪廓具有在根部部分附近在轉(zhuǎn)子極上延伸的底部和徑向向外并且朝著彼此延伸的兩個側(cè)部。在一些實施方式中，因為上面所描述的原因，所述底部和側(cè)部通過圓形部分連接在一起。在一些實施方式中，最終形狀是平滑的，例如沿著內(nèi)輪廓所述內(nèi)輪廓的切線方向的變化率是有限的。所述形狀的側(cè)部，并且尤其是向外延伸的側(cè)部不需要是直的，而是，在一些實施方式中，可以是彎曲的或弧形的，例如在一些實施方式中，兩個向外延伸的側(cè)部通過內(nèi)凹弧形來連接圓形轉(zhuǎn)角。圖14中示出了這種形狀的應(yīng)力分析。應(yīng)力等值線的檢查顯示在極的根部處、在NCH的轉(zhuǎn)角處和在疊片的中心孔處平衡了峰值應(yīng)力。這顯示疊片在應(yīng)力方面非常平衡，其中沒有一個區(qū)域是形成極限的原因。也應(yīng)當(dāng)指出，由于孔的底部的平坦的外形不導(dǎo)致應(yīng)力增加，峰值應(yīng)力降低至小于用單個圓形孔實現(xiàn)的應(yīng)力。可以預(yù)料得到，能通過使用兩個或多個圓形孔模擬圖13中的NCH的效果，為了簡單其將是優(yōu)選的，它們能帶來疊層加工的設(shè)計和構(gòu)建。圖15中示出了這種模擬，然而，對于這種排列的應(yīng)力分析，圖16中所示的，顯示小孔的存在不以任何材料方式改變應(yīng)力等值線，從而通過大孔的大小和放置控制應(yīng)力。能推斷出來，圖13中所示的形狀可接近于在不顯著影響峰值轉(zhuǎn)矩的情況下提供最佳的峰值應(yīng)力減少。在本發(fā)明的所有實施方式中，通過本發(fā)明引入的一個或多個孔的存在不影響轉(zhuǎn)子的外形或者用于軸的切口的(內(nèi))外形或輪廓。去除掉的材料全部來自于外形面和內(nèi)形面之間的轉(zhuǎn)子的內(nèi)部并且因此形成的孔具有閉合輪廓。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認識到，在不脫離權(quán)利要求的范圍的情況下，所披露的設(shè)置，尤其是關(guān)于所示的孔的大小和位置的變化是可能的。因此，作為例子進行幾個實施方式的上面的描述并且不是為了限定。本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚，能在不顯著改變上面所描述的益處和操作的情況下較小地修改所述排列。所主張的保護范圍旨在僅僅由下面的權(quán)利要求限定。權(quán)利要求1.一種用于旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有限定從芯部分向外地伸出的多個凸極的外形，所述芯部分限定所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動軸線，各極具有由閉合輪廓限定的孔，所述孔被布置成在所述轉(zhuǎn)子圍繞所述軸線轉(zhuǎn)動時減少在所述轉(zhuǎn)子中的峰值應(yīng)力。2.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，所述閉合輪廓具有橫過各極的底部和從所述底部向外地朝向彼此延伸的兩個側(cè)部。3.如權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)子，所述底部和所述兩個側(cè)部通過所述輪廓的圓形部分相互連接。4.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，所述閉合輪廓基本上是圓形的。5.如前述權(quán)利要求中任一項所述的轉(zhuǎn)子，所述閉合輪廓是平滑的。6.如前述權(quán)利要求中任一項所述的轉(zhuǎn)子，各極和各自的孔居中地位于通過所述軸線的各自半徑上。7.如前述權(quán)利要求中任一項所述的轉(zhuǎn)子，包括形成所述轉(zhuǎn)子的一堆疊片。8.如前述權(quán)利要求中任一項所述的轉(zhuǎn)子，對于每個極具有單個孔。9.如權(quán)利要求1到7中任一項所述的轉(zhuǎn)子，各極具有一個或多個另外的孔。10.一種轉(zhuǎn)子疊片，用于堆疊在一起以制造如前述權(quán)利要求中任一項所述的轉(zhuǎn)子。11.一種電機，包括定子和如權(quán)利要求1到9中任一項所述的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子被布置成在所述定子之內(nèi)轉(zhuǎn)動。12.如權(quán)利要求11所述的電機，孔或多個孔被布置成使得由于所述閉合輪廓或多個閉合輪廓之內(nèi)不存在可磁化材料而引起的所述電機的轉(zhuǎn)矩輸出的測量值的減少不超過10%。13.如權(quán)利要求11或12所述的電機，所述電機是開關(guān)磁阻電機。14.一種制造轉(zhuǎn)子或用于堆疊成轉(zhuǎn)子的疊片的方法，所述轉(zhuǎn)子具有限定從芯部分向外地伸出的多個凸極的外形，所述芯部分限定轉(zhuǎn)動軸線，所述方法包括在每個極中形成一個或多個孔，由此在所述轉(zhuǎn)子圍繞軸線轉(zhuǎn)動時減少所述轉(zhuǎn)子中的峰值應(yīng)力。15.如權(quán)利要求14所述的方法，包括通過改變孔的徑向位置、尺寸、并且優(yōu)選改變孔的形狀以減少峰值應(yīng)力并符合電機輸出的測量值的最小需求而準(zhǔn)備所述轉(zhuǎn)子或疊片的設(shè)計。全文摘要一種用于旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子由具有凸極的疊片構(gòu)成。所述極具有一個或多個孔，該一個或多個孔被設(shè)置成減少轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時所述疊片所承受的峰值應(yīng)力。根據(jù)所披露的設(shè)計方法選擇所述孔，對于電機的輸出的給定限制，所述設(shè)計方法給出了峰值應(yīng)力的減少。文檔編號H02K1/24GK102255408SQ20111013014公開日2011年11月23日申請日期2011年5月19日優(yōu)先權(quán)日2010年5月20日發(fā)明者保羅.A.塞克斯,希拉克.R.杜萊拉杰,菲利普.G.迪金森,諾曼.N.富爾頓申請人:尼德克Sr驅(qū)動器有限責(zé)任公司