專利名稱：具有軟磁性齒的電機(jī)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)一種在氣隙表面上具有軟磁性齒的電機(jī)及其制造方法。
在氣隙表面上具有軟磁性齒的電機(jī)在名稱為步進(jìn)電機(jī)或開關(guān)式磁阻電機(jī)之下已知有多種結(jié)構(gòu)形式。通過這些齒，在轉(zhuǎn)子運(yùn)動時磁阻對導(dǎo)經(jīng)氣隙的磁通發(fā)生變化?？捎玫牧θQ于齒的幾何形狀、軟磁材料的可磁化性以及氣隙的磁通密度。
一種以其簡單的繞組技術(shù)而特別出眾的結(jié)構(gòu)形式是橫向磁通電機(jī)。軟磁體在圓周方向上具有空隙，它們對應(yīng)于大約一半的板寬。在空隙中，流經(jīng)線匝的電流僅產(chǎn)生弱的磁場，這樣這些圓周段更多地是產(chǎn)生損耗功率而不是產(chǎn)生有用功率。
從DE 43 25 740 C1中已知有一種橫向磁通電機(jī)，其中圍繞著線匝配置有U形軟磁鐵芯，其切向?qū)挾入S半徑增大而不成比例地增加。由此在圓周方向上鐵芯的徑向內(nèi)端部之間產(chǎn)生空隙，它們的寬度大于鐵芯寬度。
在DE-OS 28 05 333和DE 40 40 116 C2中描述了分段式軟磁體，其中齒芯疊層垂直于磁軛鋼片疊層。
從DE 34 14 312 A1中已知一種具有電磁鐵組的永磁電機(jī)，它們在運(yùn)動方向上在兩端部具有未繞制的半極。通過在電極裝置間的一空隙則可形成相移。磁極和半極具有極靴，它們以一種平的氣隙表面僅留出窄的槽隙用于安放線圈繞組。電磁鐵組的電磁鐵芯回路被做成單件式的。
此外，從DE 42 41 085 A1中已知用燕尾榫接合將極靴連接到極芯上。
本發(fā)明的任務(wù)是進(jìn)一步發(fā)展一種根據(jù)磁阻原理工作的電機(jī)，使之在合理的制造費(fèi)用下來增大與氣隙面積有關(guān)的切向力并降低電阻損耗和磁損耗。
這一任務(wù)是通過在權(quán)利要求1、4、6、8或9中的特征所描述的發(fā)明來解決的。
根據(jù)本發(fā)明，與氣隙表面相鄰接的軟磁性齒是由這樣一種材料所組成，該材料相對普通的軟磁體在同樣的磁場強(qiáng)度條件下具有更高的磁通密度和/或更高的磁飽和磁通密度。優(yōu)選地在齒中采用晶粒取向的電工鋼片或一種鈷鋼合金。
為不損壞效率提高的效果，普通的軟磁體在磁通方向上整體上具有比與氣隙鄰接的齒表面積總和更大的截面。
例子通過采用鈷鐵合金，齒中的磁通密度在流經(jīng)電機(jī)的相同電流條件下可最大提高20％(替代1.9T的值而為2.3T)。在相同的氣隙表面或約相同的電機(jī)大小情況下，電機(jī)的效率提高為44％。
作為替代或補(bǔ)充方案，其中配置有導(dǎo)線線圈的軟磁體由單個預(yù)先加工好的極段組成，這些極段優(yōu)選地由晶粒取向的電工鋼片制造而成。每個第二極是未繞制的且由兩半極所組成，兩半極經(jīng)一非磁性保持件相連接。在被繞制極的氣隙表面上的齒數(shù)對應(yīng)于一半極的雙倍齒數(shù)。優(yōu)選地為T形形狀的保持件由一種具有低導(dǎo)磁和導(dǎo)電性的材料所組成且阻礙半極在氣隙中磁通方向上的運(yùn)動。半極則又將被繞制的磁極零件固定在其位置上。
這種模塊式結(jié)構(gòu)對應(yīng)于本發(fā)明的第二個基本思想且同樣能優(yōu)越性地采用晶粒取向材料，其中在氣隙范圍和在那些導(dǎo)線材料和鐵芯材料間必須分配空間的電機(jī)范圍內(nèi)，則可最佳地利用這種好的可磁化性。有關(guān)磁阻的對電機(jī)效率的顯著性提高發(fā)生在晶粒取向的磁極段中首先在約1.9T的磁通密度時。與之相對，同樣的磁阻的提高在非晶體取向電工鐵片中則在1.6T時便已產(chǎn)生，只有采用了較之已有技術(shù)為新型的對被繞制體的分段技術(shù)才能在磁極槽范圍內(nèi)最佳地利用晶粒取向性。
極中的高磁通密度使之能在相同的氣隙直徑和相同的磁勢之下來增大槽寬，且該增加的槽空間又能降低繞組損耗。此外，磁極繞組必須不被一種狹窄的槽隙所穿過。
例子從一常規(guī)的電機(jī)出發(fā)，該電機(jī)的磁極寬＝槽范圍中央的槽寬，則通過用晶粒取向的電工鋼片來制造磁極段則在氣隙中相同的磁通密度時將極寬降低15％。另外，由于采用更有利的繞制技術(shù)，磁極繞組也能以65％的疊層系數(shù)而不是50％的疊層系數(shù)來加以制造?？偲饋韯t可得到每槽50％的銅截面增加，且繞組損耗下降了33％。
這種改進(jìn)的主要之點(diǎn)是對在已繞制磁極和未繞制半極中的已繞制軟磁體的分段，其中半極形成至少一個在氣隙中的齒。已繞制磁極和兩與之在磁軛范圍內(nèi)相連接的半極形成一磁單元，該磁單元經(jīng)非磁保持元件與相鄰的具有相同結(jié)構(gòu)的磁單元隔離。由保持件隔開的半極的齒在運(yùn)動方向上具有比磁單元內(nèi)部的齒更大的間距且因此在相鄰的電磁單元間產(chǎn)生一相移。
非磁性保持件避免了因不希望的雜散磁通而產(chǎn)生的恢復(fù)力且因此也提高了電機(jī)的力密度。次級氣隙的負(fù)影響經(jīng)磁極段的相互壓入來加以避免，而過渡面積的明顯提高也可經(jīng)一斜截面來加以進(jìn)一步避免。此外，還可避免在磁軛區(qū)中磁阻的提高，當(dāng)槽深方向上的磁軛密度對應(yīng)于被繞制極的約75％的寬度時。下述效應(yīng)的結(jié)合-經(jīng)晶粒取向的磁極段達(dá)到更有利的磁化，-磁極線圈的緊湊性繞制技術(shù)，-經(jīng)磁隔離的單元達(dá)到短的磁通路程和相位間的解耦，導(dǎo)致功率密度的明顯提高。
除了改善功率和取得更低的繞組損耗之外，根據(jù)本發(fā)明的分段方法也避免了所需沖壓刀具的復(fù)雜性和沖壓邊角料，對磁極線圈的繞制變得簡單且通過許多預(yù)制的磁極件而帶來的附加安裝費(fèi)用也通過使用柔性安裝自動機(jī)變得合理。根據(jù)本發(fā)明的這種雙凸極電機(jī)的分段適用于帶徑向和軸向氣隙磁場的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)形式且也適用于線性驅(qū)動機(jī)構(gòu)，采用斜向軋制的鋼片同樣有助于更好地利用旋轉(zhuǎn)電機(jī)、尤其是橫向磁通導(dǎo)向的電機(jī)中的空間和材料。迄今為止在電機(jī)制造中無一例外地均采用具有恒厚度的電工鋼片。根據(jù)本發(fā)明的第三個基本思想，鋼片在沖壓前、中或后在鋼片厚度上發(fā)生變形。這一點(diǎn)優(yōu)選地進(jìn)行在沖壓前的一軋制過程中，其中電工鋼帶具有一梯形截面。
該梯形帶可優(yōu)越地應(yīng)用在橫向磁通電機(jī)中，其中用兩不同的鋼片截面可將一完整的鐵芯環(huán)配置在線匝周圍。磁通則僅僅在靠近磁作用氣隙的地方集中在齒中，這些齒則優(yōu)選地由一種鈷鐵合金制成。采用具有梯形截面的電工鋼疊片在徑向磁通型和軸向磁通型電機(jī)中、尤其是在中間定子和中間轉(zhuǎn)子中也是有優(yōu)越性的。
在附圖中示出了本發(fā)明的具有優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施形式。
圖1示出一具有外轉(zhuǎn)子帶極靴罩和組合轉(zhuǎn)子環(huán)的步進(jìn)電機(jī)的截面的一部分圓周段，圖2示出一橫向磁通電機(jī)的半個截面，該電機(jī)使用一種鈷鐵合金齒，圖3示出圖2中橫向磁通電機(jī)的軟磁體的軸向側(cè)視圖的局部。
圖1示出一根據(jù)本發(fā)明的磁阻電機(jī)1的截面的一段，該電機(jī)由各具有四個齒3的六個結(jié)構(gòu)相同的電磁單元2組成。在該局部圖中僅示出了一個電磁單元，它由一被繞制的磁極段4和兩個相同結(jié)構(gòu)的、未繞制的半極段5組成。磁極段和半極段由軸向相繼疊層的晶粒取向電工鋼片組成，其中優(yōu)選方向?yàn)閺较驅(qū)?zhǔn)的。半極在指向氣隙6的表面上具有一齒3。24個定子齒3與轉(zhuǎn)子8的齒段7相對而立。相鄰半極5的齒3的間距要大于一電磁單元內(nèi)部的齒間距。每個電磁單元的齒數(shù)可以是4、8、12、16(或4×k，其中k為整數(shù))而電磁單元數(shù)可以是相數(shù)的任意倍數(shù)字。
為不使轉(zhuǎn)子齒7在定子齒3之前就已產(chǎn)生提高了的磁阻，因此它們同樣由晶粒取向的電工鋼片組成。與此相對，轉(zhuǎn)子環(huán)9則由非晶粒取向的電工鋼片組成。切向疊切的轉(zhuǎn)子齒7具有一輕微成梯形的橫截面。該截面通過采用梯形軋制的電工鋼帶來實(shí)現(xiàn)。這些鋼帶被作為疊裝條壓入一加熱了的轉(zhuǎn)子磁軛環(huán)中，經(jīng)過冷卻使轉(zhuǎn)子環(huán)9對轉(zhuǎn)子齒7的壓力升高，這樣能保證一穩(wěn)定的配合。此外，在轉(zhuǎn)子齒之間的切向空間用一種機(jī)械性能穩(wěn)定的絕緣材料10加以充滿，該材料同樣也對穩(wěn)定性有所貢獻(xiàn)。
在定子中，不同電磁單元的相鄰齒3之間的空間由T形保持件11的寬端部所充填。保持件同樣也由一具有低電導(dǎo)率和高機(jī)械強(qiáng)度的非磁性材料組成。
磁極線圈12在一之前加工步驟中被繞制在極段4上。在此經(jīng)過將受拉應(yīng)力作用的導(dǎo)線作精確的放置，比之經(jīng)過槽隙13來安放繞組來說可實(shí)現(xiàn)一高得多的疊裝系數(shù)。接下來將兩鄰接的半極5切向壓下且由此優(yōu)選地經(jīng)粘接加以連接。已裝配好的電磁單元2現(xiàn)在被軸向推入預(yù)熱過的保持體14中。經(jīng)過冷卻，T形保持件11收縮且產(chǎn)生一預(yù)應(yīng)力，該預(yù)應(yīng)力使得電磁單元的該三件式軟磁體即使在磁法向力產(chǎn)生大的波動時也能穩(wěn)定在氣隙中。另外該結(jié)構(gòu)在裝配之后被澆注。另外也可在磁極段的槽中嵌接一爪形體(圖中未示出)來進(jìn)一步加強(qiáng)穩(wěn)定性。
圖2中示出一兩相橫向磁通電機(jī)15的半個截面。在由非晶粒取向的電工鋼片組成的鋼片截面16中連接有鈷鐵合金組成的小齒接頭17。在運(yùn)動方向上與同樣由一鈷鐵合金組成的轉(zhuǎn)子段18相對立的始終只有齒接頭或槽19。與之相對，鋼片截面16在線匝20的整個圓周上環(huán)抱住線匝20且磁通密度也在最大的磁通密度時在普通的軟磁體21的齒接頭17中被限制在有利于磁損耗功率的1.2～1.4T的值上。由于軟磁體21將線匝20無空隙地在切向上三面埋入，因此電流在整個導(dǎo)線長度上可均勻地產(chǎn)生磁場。僅僅在磁通的臨界收縮處才使用十分昂貴的高導(dǎo)磁率材料。
轉(zhuǎn)子段和齒接頭在軟磁體重量上占的份額可通過根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)形式被降至10～20％。由此在差不多相同的功率條件下材料的費(fèi)用相對于完全由鈷鐵合金組成的常規(guī)結(jié)構(gòu)形式的電機(jī)要有很大的節(jié)省。
對將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榇拍芊矫娴男阅芨纳圃谶@里也通過采用具有可變厚度的電工鋼片而達(dá)到。圖3中可見一無空隙的軟磁體環(huán)21是如何通過將具有梯形截面的電工鋼片22作切向疊裝來制造出來的。
如圖1中轉(zhuǎn)子齒所示的那樣，具有梯形截面的電工鋼片也可具有優(yōu)點(diǎn)地被用在徑向磁通電機(jī)中。這種經(jīng)過改造的電工鋼片進(jìn)一步也可被用來更好地利用分段式軸向磁通電機(jī)的空間并由此來提高該電機(jī)的效率。
在軟磁性齒之間的空間中也可將永磁鐵使用成磁扼流圈。本發(fā)明并不僅僅局限于一種磁阻式電機(jī)，而且也包括混合式電機(jī)和發(fā)電機(jī)，它們除了具有在氣隙上的軟磁齒結(jié)構(gòu)外還具有永磁鐵、鼠籠繞組或勵磁繞組。
權(quán)利要求
1.一種電機(jī)，它具有至少兩個相對運(yùn)動的組件(2，8)，它們經(jīng)一氣隙(6)被相互隔離且它們各自具有至少一個軟磁體(4，5，7，21)，其中該至少兩個組件(2，8)的指向氣隙(6)的表面的部分區(qū)域具有對于磁通非均勻的性質(zhì)，其特征在于至少一個軟磁體(21)具有在氣隙(6)附近的一部分區(qū)域(7，17)，該區(qū)域(7，17)由這樣一種材料組成，該材料與屬于相同磁回路的軟磁體(21)的另一配置在離開氣隙處的部分區(qū)域(9，16)相比具有更高的可磁化性和/或更高的飽和磁通密度。
2.如權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其特征在于至少一個軟磁體在氣隙上具有由晶粒取向的電工鋼片組成的齒(7)且軟磁體的至少另一部分(9)由非晶粒取向的電工鋼片組成。
3.如權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其特征在于一軟磁體(21)在氣隙上具有由一種鈷鐵合金制成的齒(17)且軟磁體(21)的至少另一部分(16)由一種另外的鐵合金組成。
4.一種電機(jī)，它具有至少兩個相對運(yùn)動的組件(2，8)，它們經(jīng)一氣隙(6)被相互隔離且它們各自具有至少一個軟磁體(4，5，7，21)，其中該至少兩個組件(2，8)的指向氣隙(6)的表面的部分區(qū)域具有對于磁通非均勻的性質(zhì)，其特征在于至少一個軟磁體(21)具有可變鋼片厚度的電工鋼片。
5.如權(quán)利要求4所述的電機(jī)，其特征在于在一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，軟磁體(21)在切向上被疊裝且鋼片厚度隨半徑一起增加。
6.一種電機(jī)，它具有至少兩個相對運(yùn)動的組件(2，8)，它們經(jīng)一氣隙(6)被相互隔離且它們各自具有至少一個軟磁體(4，5，7)，其中該至少兩個組件(2，8)的指向氣隙(6)的表面的部分區(qū)域具有對于磁通非均勻的性質(zhì)，其特征在于至少一個組件具有至少兩個電磁單元(2)，它們由至少一個已繞制的磁極段(4)和兩個未繞制的半極段(5)所組成且半極段(5)在磁軛區(qū)平躺在至少一個磁極段(4)上。
7.如權(quán)利要求6所述的電機(jī)，其特征在于在兩相鄰的半極段(5)之間配置有一T形保持件，該保持件將電磁單元(2)磁性隔離開且阻礙靠在其上的半極段(5)的一種運(yùn)動。
8.用于制造一種電機(jī)的方法，該電機(jī)具有至少兩個相對運(yùn)動的組件(2，8)，它們經(jīng)一氣隙(6)被相互隔離且它們各自具有至少一個軟磁體(4，5，7，21)，其中該至少兩個組件(2，8)的指向氣隙(6)的表面的部分區(qū)域具有對于磁通非均勻的性質(zhì)，其特征在于電工鋼片在沖壓前、中或后被變形，其變形的形式是鋼片厚度改變。
9.用于制造一種電機(jī)的方法，該電機(jī)具有至少兩個相對運(yùn)動的組件(2，8)，它們經(jīng)一氣隙(6)被相互隔離且它們各自具有至少一個軟磁體(4，5，7，21)，其中該至少兩個組件(2，8)的指向氣隙(6)的表面的部分區(qū)域具有對于磁通非均勻的性質(zhì)，其特征在于一磁極段的軟磁體獨(dú)立于軟磁體的其它部分被預(yù)加工且在涂敷鐵芯絕緣層之后用張緊的導(dǎo)線加以繞制，且在該預(yù)加工的已繞制的磁極上緊接著從不同的兩側(cè)連接上兩個未繞制的半極。
全文摘要
按磁阻原理工作的電機(jī)在其運(yùn)動和靜止部件之間具有做成齒形的氣隙表面。齒的可磁化性直接影響到電機(jī)的效率。根據(jù)本發(fā)明,突出于氣隙中的齒由這樣一種材料所組成,它相對于普通的軟磁體具有一更有利的可磁化性和/或一更高的飽和磁通密度。該材料優(yōu)選地為一種晶粒取向的電工鋼片或一種鈷鐵合金。替代性地或補(bǔ)充性地可將該其中配置有線圈的軟磁體經(jīng)一種合適的分段也完全由晶粒取向的材料來制造,其中每個第二磁極未被繞制且由兩個半極組成,該兩半極由一非磁性保持件所隔離。利用斜向軋制的鋼片同樣也有助于在旋轉(zhuǎn)電機(jī)、尤其是在橫向磁通導(dǎo)向情況下更好地利用空間和材料。根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)形式特征在較小的沖壓邊角料條件下可提高在氣隙表面上具有軟磁齒的電機(jī)的效率且降低其損耗。
文檔編號H02K3/00GK1261992SQ98806795
公開日2000年8月2日 申請日期1998年7月2日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月2日
發(fā)明者沃爾夫?qū)は?申請人:沃爾夫?qū)は?br>