外轉子永磁電機、用于該電機的轉子及該轉子的制造方法
【專利摘要】永磁電機包括定子和轉子，定子上繞有線圈，轉子上裝有永磁元件。定子與轉子之間存在氣隙，該氣隙的邊界由永磁元件和定子上的、在特定位置與上述的永磁元件對齊的導磁齒確定。轉子包括轉子鐘（rotor?bell），轉子鐘是由多層樹脂纖維復合材料制成的、是包括轉子管和轉子底座的一體結構、且在轉子底座區域中設有至少一根絲束。所述至少一根絲束從轉子底座中心伸出、大致沿著虛構的半徑或切線延伸至超出轉子底座的外邊緣、在轉子底座的外邊緣處折彎、并沿轉子管的軸向和/或與轉子管的中縱軸成一定角度不間斷地進入轉子管中并穿過轉子管直至延伸到轉子管的自由邊緣區域。
【專利說明】外轉子永磁電機、用于該電機的轉子及該轉子的制造方法
【技術領域】
[0001]下面將介紹一種外轉子永磁電機，特別是由定子和轉子組成的一種橫向磁場電機。其中該定子繞有定子線圈，該轉子裝有永磁元件。此外，本文還將介紹該電機的轉子及該轉子的制造方法。
[0002]概念定義
[0003]“電機”是指內向電流、外向電流電動機或發電機。如果該電機是旋轉電動機或直線電動機則并不在本文的討論范圍內。
【背景技術】
[0004]在外轉子永磁電機中，裝有永磁元件的轉子是塑料材質的轉子鐘。該轉子鐘包括玻璃纖維或碳纖維增強型塑料轉子管和金屬轉子底座(例如鋁、鋼或鈦)。因此，永磁元件才能粘在該轉子鐘內。
[0005]轉子管大致為沿切線方向的玻璃纖維或碳纖維，以確保為運行中轉子產生的離心力提供足夠的牢固性。安裝在轉子管上的轉子底座可由鋁或鈦制成。選擇這種材料就保證了轉子底座的長半徑牢固性。出于成本和降低轉子慣性的考慮，轉子底座通常會選擇鋁制材料。但由于鋁與玻璃纖維或碳纖維的熱膨脹系數不同，因此鋁并不適合制造大型轉子鐘。鈦由于熱膨脹系數低和質量極小，可以成為鋁的替代品，但由于其昂貴的成本所以并未納入考慮之內。
[0006]該外轉子永磁電機、用于該電機的轉子及該轉子制造方法的技術背景詳見德國專利 DE 10 2009 021 Al 和 DE 199 60 182 Al 和美國專利 US 2001/0 036 565 Al 和 US2007/0 297 905 Al。
【發明內容】
[0007]摶術問是頁
[0008]本發明的目的是提供一種結構緊湊、效率高的電機。
_9] 技術方案
[0010]在一種技術方案中，永磁電機包括定子和轉子，定子上繞有線圈，轉子上裝有永磁元件。定子與轉子之間存在氣隙，該氣隙的邊界是由永磁元件和定子上的、在特定位置與永磁元件對齊的導磁齒來確定。轉子包括轉子鐘，轉子鐘由多層(玻璃、芳族聚酰胺或碳)纖維復合材料制成、是包括轉子管和轉子底座的一體結構、且轉子底座區域至少設有一根絲束。所述至少一根絲束從轉子底座中心伸出、大致沿虛構的(auf gedachten Sekanten)半徑或切線延伸至超出轉子底座的外邊緣、在轉子底座的外邊緣折彎、沿轉子管的軸向和/或與轉子管的中縱軸成一定角度不間斷地進入轉子管中并穿過轉子管直至到達轉子管的自由邊緣區域。在轉子鐘的轉子管的內側或外側裝有永磁元件，永磁元件是嵌在樹脂纖維復合材料中的。
[0011]這種技術方案為批量生產所需的最佳裝配提供了一種高功率密度的永磁電機。這種永磁電機的轉子鐘具有抵抗作用于它的力和扭矩的高剛度(eine hohe Steifigkeit),生產簡單、效率高，成形性好。此外，所述絲束是一層或多層長度不限的纖維，既可以一起折彎，也可以單獨分束。
[0012]電機、轉子和轉子制造方法的特性和設計方案
[0013]這種永磁電機的轉子鐘的結構十分牢固，具有很高的模具精度和可重復性。纖維的高剛性和韌性在電機轉子鐘的縱向成形中得到了最佳應用。由于轉子管與轉子底座之間沒有結合件，轉子鐘是均質的一體式結構，因此轉子鐘結構牢固，能夠應對電機運行中產生的力和扭矩，形狀穩定。下面所述設計方案的方法與上述特點協同發揮作用。它們是電機、相應轉子及轉子最佳制造方法的技術和經濟總體布局。
[0014]所述至少一根絲束對稱地纏繞在螺紋、栓或螺紋套管等固定部件的周圍。固定部件安裝在轉子底座中心或中心附近。轉子鐘借助這些固定部件與機軸或類似物體聯結。用樹脂浸潤所述至少一根絲束，待時效硬化反應發生之后，固定部件將永久正確地固定在轉子鐘內。所述至少一根絲束可由10至1000層玻璃纖維、碳纖維或芳族聚酰胺纖唯?杓成。為了提高轉子鐘的成形穩定性，所述至少一根絲束也可以縫合或粘在一起。
[0015]轉子鐘的轉子底座的外邊緣是圓形或多邊形，轉子底座也可以是多邊形盤或圓盤、多邊形靶環或圓形靶環。原則上，轉子鐘的轉子底座既可以是平整的，也可以是拱形的。
[0016]轉子鐘的轉子管有一點與轉子底座相似，即轉子管切面也是圓形或多邊形，而轉子底座包括至少一個大致沿虛構的切線或半徑放置的、大致平行移動的絲束，且該絲束至少一端伸至超出轉子底座的外邊緣，在轉子底座的外邊緣折彎并穿過轉子管。
[0017]轉子鐘的壁厚分布不均勻，和/或該轉子鐘是全部由樹脂纖維復合材料制成。
[0018]轉子鐘可以由至少一個成螺線狀纏繞的絲束、長絲或環狀纖維編織層和/或大致平行移動的絲束構成，該絲束在分層上至少部分重疊。
[0019]轉子鐘在朝向氣隙的一側設有嵌入樹脂纖維復合材料中的永磁元件。這些永磁元件可以只需在承受小于90%相應永磁元件最大流動磁通量的位置上仿形(DiePermanetmagnet-Elemente konnen an den Stellen, an denen sie weniger als90%des
durch das jeweilige Permantmagnet-Element maximal fIieBenden magnetischenFlusses tragen, konturiert sein.)。
[0020]永磁元件在遠離氣隙的一側和/或朝向氣隙的邊緣上仿形，形成卷曲或階梯狀的空隙(Die Permanentmagnet-Elemente konnen auf ihrer vom Luftspalt abliegenden
Seite und/oder an ihren dem Luftspalt zugewandten Randern konturiert, gewellt
oder mit stufenformigen Aussparungen versehen sein.)。這種結構降低了轉子的質
量，節省了磁性材料。
[0021]生產適合上述永磁電機的轉子鐘，可以使用以下方法:
[0022]提供型芯，包括第一模座、第二模座和組合模具的圓柱形中間件；用至少一根絲束纏繞型芯，絲束在分層上至少部分重疊，為了生成兩個邊緣區域相鄰的轉子鐘，所述至少一根絲束不間斷地沿圓柱形中間件纏繞第一模座和第二模座上，其中所述至少一根絲束從第一模座中心伸出，大致沿虛構的半徑或切線延伸至超出第一模座的外邊緣；所述至少一根絲束(FB)然后在第一模座的外邊緣折彎、不間斷地順著型芯圓柱形中間件沿圓柱形中間件的軸向和/或與圓柱形中間件中心縱軸成一定角度移動、直至超出第二模座；橫向對應于圓柱形中間件的中心縱軸，纖維復合物分裂成兩個單獨的轉子鐘，兩個單獨的轉子鐘從型芯上脫模。
[0023]將至少一根絲束安裝在型芯上時或在此之前，可先用樹脂浸潤。這個由至少一根絲束和樹脂共同構成的纖維復合體在纖維復合體分裂前發生時效硬化反應。
[0024]采用有效的制造方法一次能夠至少生產兩個永磁電機的轉子鐘，所述至少一根絲束在實際應用中作為無限長絲束重復纏繞在第一模座、第二模座和圓柱形中間件上。與此同時，型芯連續或不間斷地圍繞其中心縱軸旋轉。作為替代選擇或額外補充，至少一個引導所述至少一根絲束(FB)至型芯的線頭大致沿平行于所述型芯中心縱軸或與型芯中心縱軸成尖角的方向來回移動。纖維復合物的生成受到型芯圍繞中心縱軸的旋轉運動或所述至少一根絲束圍繞型芯的運動軌跡的旋轉運動的影響，根據未來運行的磁通量和扭矩的要求由該纖維復合物切出轉子鐘。
[0025]一個型芯同時成型兩個轉子鐘極大地降低了生產費用。采用上述制造方法，所述至少一根絲束彎曲形成一個均質“型泡”，而后同時制造出兩個相對的轉子鐘。如果型泡是由用樹脂浸潤的絲束彎曲而成，那么樹脂時效硬化之后型泡就能從中心裂開。但只由絲束和可能的固定原件構成的、未浸潤的型泡也能從中心裂開，僅在后續加工過程中才會使用樹脂。兩種方法都能在一次彎曲過程中得到兩個轉子鐘，幾乎不會產生廢料。在纏繞所述至少一根絲束之前，作為內模的線芯軸或型芯可以先裝載永磁元件。型泡退火后劇烈分裂成兩個轉子鐘，然后線芯軸可以重新裝載永磁元件，再纏繞所述至少一根絲束。根據轉子鐘的幾何形狀/結構的要求，所述至少一根絲束持續纏繞在線芯軸上，同時線芯軸圍繞軸旋轉和擺動，由此生成型泡。型泡最好采用濕法復合方法制造，這樣型泡在絲束纏繞之后僅需退火即可。目前即使在現有技術中提到的采用類似對稱性的著名結構中也沒有人推薦“同時”生產兩個轉子鐘的制造方法。這種“同時”生產兩個轉子鐘的制造方法產生的生產效率及收益是十分顯著的。
[0026]此外，該制造方法的變型方案包括以下步驟:
[0027]將纏繞至少一根絲束的型芯引入至少一個模具模殼中，由此形成腔，所述至少一根絲束位于腔中；將模腔密封；將樹脂注入模腔；由所述至少一根絲束和已注入的樹脂共同構成的至少兩個轉子鐘發生時效硬化反應；至少兩個轉子鐘從模腔中脫模。
[0028]在制造方法的變型方案中需要額外執行以下步驟:在型芯上纏繞所述至少一根絲束之前，先將永磁元件裝載在型芯上，或在將纏繞至少一根絲束的型芯引入至少一個模殼之前，將永磁元件裝載在模殼上。
[0029]采用這種方法無需任何預制套、預浸料或其他剪裁。此外，絲束可以根據要求沿軸向或切線方向纏繞在型芯上，由此生成的轉子可獲得最佳的剛性和韌性。
[0030]經過持續的纏繞過程，轉子鐘在生產中幾乎不產生廢料。線芯軸僅作為簡單工具重復使用。型芯的絲束纏繞可由自動化繞線機完成，實現了過程控制化和生產自動化，省去了人工步驟。
[0031]生產至少兩個轉子鐘的方法也可能包含以下步驟:將在分層上至少部分重疊的至少一根絲束作為由長絲或環狀纖維編織層構成的螺紋線頭、和/或至少將一個大致平行移動的絲束纏繞在型芯或所述至少一個模殼上，以形成兩個轉子鐘的轉子底座和/或轉子管。
[0032]由未旋轉、伸長的長絲構成的絲束例如可以松弛地纏繞在型芯上，浸入樹脂之后，樹脂時效硬化和樹脂纖維復合物的對半分裂，生產運行中的磁通量和扭矩合理的轉子鐘。
[0033]作為替代選擇，絲束可作為拉應力作用下的長絲纏繞在型芯上，絲束在纏繞型芯之前首先用樹脂浸潤，樹脂發生時效硬化之后樹脂纖維復合物對半分裂，由樹脂纖維復合物生成運行中的磁通量和扭矩合理的轉子鐘。
[0034]所述至少一個長絲纏繞的型芯可被引入一體的或組合模具模殼，由此形成模腔，所述至少一根絲束就位于模腔中。然后密封、關閉該模腔。接下來，通過第一輸入管道將注滿樹脂的外部儲備容器與模具連通。此外，通過第二輸入管道將低壓泵與模具氣動聯接。將低壓施加在第二輸入管道和/或將高壓施加在注滿樹脂的儲備容器上，使得外部儲備容器中的塑料樹脂經第一輸入管道進入模具內。這樣兩個轉子鐘的型泡-纖維半成品才能被樹脂浸潤。最終，制作完成的兩個轉子鐘僅留有少量極小的滯留氣泡。
[0035]合適的加熱部件對模具和所述被樹脂浸潤的至少一根絲束加熱，受熱后樹脂開始時效硬化反應，這樣型泡-纖維復合物的單個纖維能夠在內部相互結合在一起。由型泡-纖維復合物構成的轉子鐘發生時效硬化反應之后分裂，轉子鐘從模腔中脫模。將模具部件清洗干凈后，模具可再次用于生產新的轉子鐘。
[0036]在型泡纏繞型芯之前，先將永磁元件裝載在型芯上，或將纏繞型泡-纖維復合物的型芯引入模殼之前，先將永磁元件裝載在模殼上，這種方法就可以生成由樹脂纖維復合材料制成的完整的轉子鐘。
[0037]為了使組裝的纖維半成品達到磁通量和扭矩要求，絲束或纖維束中未扭曲的、伸長的長絲通過編織、刺繡和/或縫制相互結合在一起。同時也可直接將纖維纏繞在型芯上。這種方法能夠自動生產出由纖維復合材料制成的廉價轉子鐘。例如，與預浸潤或手工疊層的方法相比，該方法的優勢是轉子鐘的質量更佳，重現性好，適合大批量生產，并具有獨特的特性，例如耐沖擊性高，通過編織達到纖維纏繞的特殊磁通量要求，和長絲得到加強。
[0038]轉子底座和轉子管具有長絲結構，用塑料樹脂浸潤和硬化之后，電機運行時產生的離心力、傾覆力矩、傾斜力和扭矩等對轉子、轉子與機軸的對準以及電機定子的模具穩定性的影響因素得到最佳補償，由此將所述至少一根絲束纏繞在型芯上。
[0039]永磁電機的定子具有最佳的機械張力，為三維立體樹脂纖維復合材料結構，具有很高的牢固性。批量生產可通過絲束來實現。其他部件可在類似過程中在轉子鐘內分層。
[0040]而相對于傳統的要求，在本發明中，部件和連接過程減少，質量和慣性力矩減小，牢固性增強。由于轉子底座和轉子管內是整體、相似和均質的物質，因此不會產生因為材料特性不同而引發的分層危險。例如永磁元件等的功能部件可在制造過程中分層。不需要其他粘接過程。
[0041]根據模具結構和材料選擇可以量化生產。因此大多數情況下可避免昂貴、成本密集的部件加工。
[0042]在較典型的結構中，永磁元件單獨粘在預制轉子上或轉子內。轉子鐘、永磁元件、膠黏劑及其安裝誤差在氣隙方向上合在一起。該誤差范圍在軸向上可能為0.5mm左右或更高，由此導致永磁元件將進入氣隙中，從而可能造成永磁元件與定子相撞。此外，由于氣隙尺寸的不同，電機的勵磁相差較大從而導致電機的調整不穩定。氣隙增大還可導致扭矩和效率損失的增大。為了避免這些問題，去掉永磁元件的多余尺寸，轉子磨平至額定尺寸。這意味著損失了約10%的永磁元件，需要昂貴的額外工藝過程，還必須對轉子鐘執行昂貴的清洗以去除磁性磨料粉。此外，永磁元件的防腐蝕保護層也被磨掉，需要重新涂抹。
[0043]因此，絲束纏繞型芯之前先將永磁元件安裝在型芯上或將纏繞絲束的型芯引入模殼之前先將永磁元件安裝在模殼上。
[0044]對于外轉子電機，在型芯上纏繞所述至少一根絲束之前，先將永磁元件安裝在鐵磁型芯上。對于內轉子電機，將纏繞至少一根絲束的型芯引入模殼之前，先將永磁兀件安裝在模殼上。其中，永磁兀件因其磁吸力而穩定固定在型芯或模殼上。無磁性磁鐵由于永磁元件、電磁鐵或低壓的牽引力而固定在型芯或模殼上，同時磁體分層，生成轉子鐘成品。定位芯軸用作線芯軸。
[0045]型芯和模殼在此處形成理想的氣隙直徑。所有可能出現的誤差均聚集在永磁元件遠離電機氣隙的一側，因此不會對氣隙造成影響。永磁元件遠離氣隙一側的尺寸誤差不會對電機功能造成影響。因為這些誤差隨著永磁元件嵌入樹脂纖維復合材料中得到補償。因此省去了昂貴的轉子鐘再加工過程。
[0046]采用如上所述的誤差補償方法，即使永磁元件的尺寸誤差很大，也能以低成本生產出高精度的轉子鐘。因此，本發明提供的永磁電機可以使用價格低廉、未打磨的永磁元件。這種高尺寸精度、形狀穩定的轉子鐘能夠形成一個極小的氣隙，提高了勵磁，節省了磁性材料，磁性材料的防腐蝕保護層也保留了下來，不必因為再加工過程(磨光)而被磨掉。通過轉子鐘內的分層省去了粘合的過程，甚至省去了再加工所需的轉子鐘清潔。
[0047]復合結構的樹脂纖維復合材料具有很高的纖維體積含量。用樹脂浸潤所述至少一根干燥絲束，型泡-纖維樹脂復合物發生時效硬化反應，脫模之后生成成品轉子鐘。這種方法是一種封閉的過程，涉及部件重量、纖維體積含量和部件尺寸的加工誤差很小。
[0048]轉子的永磁元件可以是由鋁鎳合金或鋁鎳金合金、鋇鐵氧體或鍶鐵氧體、釤鈷合金或釹鐵硼合金或其他類型材料制成的鑄件、沖壓件或剪切件。高能源產品(BH)最高也能達到150°C至180°C的溫度區間。
[0049]為了增強機械穩定性，永磁元件作為粉末顆粒嵌入耐熱塑料粘合劑中，例如含有聚酰胺、聚苯硫醚、熱固塑料、環氧樹脂或其他類似物質。耐熱塑料粘合劑也可以是甲基丙烯酸酯膠粘劑、環氧樹脂膠粘劑、聚氨酯膠粘劑或酚醛樹脂膠粘劑、纖維加強的環氧樹脂或疏水性的環氧樹脂。
[0050]永磁元件實質上可以是方形結構，也可以本質上與磁通軛的結構相匹配；從俯視氣隙面上看，永磁元件也可以是矩形、梯形、三角形、菱形或類似形狀。此外，永磁元件也可設計為環段或整環。為了使得氣隙的間隙持續恒定，可以將定子輪廓以鏡面方式添入永磁元件中。
[0051]永磁電機的轉子包括轉子鐘。該轉子鐘由多層樹脂纖維復合材料制成、是包括轉子管和轉子底座的一體結構。轉子鐘在轉子底座區域設有至少一根絲束，該絲束由轉子底座中心伸出、沿虛構的半徑或切線延伸至超出轉子底座的外邊緣；所述至少一根絲束在轉子底座的外邊緣折彎、不間斷地沿轉子管的軸向和/或與轉子管成一定角度進入轉子管并穿過轉子管直至到達轉子管的自由邊緣區域。轉子鐘的轉子底座的外邊緣是圓形或多邊形，轉子底座也可以是多邊形盤或圓盤，多邊形靶環或圓形靶環。轉子鐘的轉子管有一點與轉子底座相似，即轉子管切面也是圓形或多邊形、和/或包括螺紋狀纏繞的長絲或環狀的纖維編織層。轉子底座包括至少一個大致沿虛構的切線或半徑放置的、大致平行移動的絲束，且該絲束的至少一端伸至超出轉子底座的外邊緣、在轉子底座的外邊緣折彎并不間斷地穿過轉子管。轉子鐘的壁厚分布不均勻和/或完全由樹脂纖維復合材料制成。在轉子鐘的轉子管的內側或外側裝有永磁元件，永磁元件是嵌在樹脂纖維復合材料中的。轉子鐘由所述至少一根絲束組成，絲束在分層上至少部分重疊。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0052]在后續說明中會結合附圖為本領域技術人員介紹其他的特征、性能、優點和可能的變化。
[0053]圖1是永磁電機的縱截面的側視示意圖；
[0054]圖2是轉子鐘的側透視示意圖；
[0055]圖3是圖2所示的轉子鐘的俯視示意圖；
[0056]圖3a是圖2所示的轉子鐘變型的俯視示意圖；
[0057]圖4至圖6是同時生產兩個圖2所示的轉子鐘的過程示意圖；
[0058]圖7是含永磁元件的轉子展平的橫截面圖；
[0059]圖8是含永磁元件的轉子展平的縱截面圖。
【具體實施方式】
[0060]圖1是一種永磁電機的縱截面的側視示意圖，是一種外轉子電機。該圖及后續闡述的圖同樣適用于內轉子電機。電機10包括定子12和轉子14。轉子14與定子12之間形成氣隙16。定子12由氣隙16隔離，周圍環繞著鐘形的轉子14，轉子的端面有一個帶開口18a的轉子底座18，主動軸20在開口 18a中與轉子14抗扭地連接在一起。轉子14的球軸承或滾子軸承將不在這里圖解說明。
[0061]定子12繞有線圈28，即兩個空心圓柱形線圈28a和28b,線圈沿橫向磁場電機10的中心縱軸M同軸方向設置。每個空心圓柱型線圈28a，28b都是由橫截面大致呈矩形的帶狀材料纏繞而成。每個空心圓柱型線圈28a，28b均包括內側面30、外側面32、下端面34和上端面36。空心圓柱型線圈28a，28b容納在定子12中。定子12在上述結構形式中是組合結構，但也可以設計成一體結構，因此需要將線圈28的線圈28a，28b納入外殼部件，該外殼部件作為磁通軛30。每個磁通軛在朝向轉子一側的齒面上有許多齒42，這些齒沿中心縱軸M相互平行排列。在內轉子電機中，磁通軛30的齒42安裝在空心圓柱型線圈的內側面上，而在外向電流電機中(如上述所示范例)則安裝在空心圓柱型線圈28a，28b的外側面上。
[0062]永磁元件50安裝在轉子14上、通過氣隙16與周圍的齒42沿徑向隔開，永磁元件根據氣隙16的磁取向進行相應變換。圖示中用不同的陰影線標記不斷變換的極化。當轉子14位于與定子12對應的特定位置上時，轉子14軸向上的永磁元件50與定子12軸向上的齒42對齊。
[0063]如圖1所示，實際上，永磁元件50的結構與齒42的結構相適配；永磁元件50朝向齒一側的側面可以是矩形、梯形、三角形、菱形或其他類似形狀。在轉子鐘14內周上相鄰排列的永磁元件50具有不同的磁取向。因此對立取向的永磁元件50成棋盤狀變化排列。[0064]轉子14包括轉子鐘20。轉子鐘20由多層樹脂纖維復合材料制成。轉子鐘是由轉子管20a和轉子底座20b (見圖2、圖3)組成的一體結構。轉子鐘20在轉子管20a區域內設有沿轉子管20b切線方向的環狀絲束FB。如圖2所示，為了更好地圖解描述，圖2中只顯示了部分內容。絲束FB在轉子鐘20的轉子底座20b區域分層分布。絲束從轉子底座20b的中心伸出，大致沿虛構的半徑或切線延伸至超出轉子底座20b的邊緣20c ;絲束FB在轉子底座20a的外邊緣折彎、不間斷地穿過轉子管20a。圖2中為了獲得更好的圖示說明，因此只顯示了部分。絲束FB含有2至50根長絲，例如20根，對稱地纏繞在螺紋、栓或螺紋套筒上，而這些螺紋、栓或螺紋套筒則位于轉子底座20b的中心或中心附近。絲束FB在每個固定部件處以70°至110°的角度折彎，而后繼續纏繞，由此形成了層疊結構，這樣形成的轉子鐘20的轉子底座20a外邊緣20c是圓形結構，轉子底座的結構也變成了圓盤。
[0065]圖3a介紹的變型結構是不含螺紋套筒22的。在這種結構中，絲束FB在轉子底座上方沿靠近中心處的切線方向纏繞，在通道處折彎進入轉子管并不間斷地穿過轉子管20a。機軸的固定部件既可以按照圖3a的模式，也可以按照圖3的模式補充安裝。
[0066]轉子鐘20的轉子管20a有一點與轉子底座20b相似，即橫截面是圓形的。絲束FB包括螺紋狀纏繞的玻璃纖維。這種結構使得轉子鐘的結構符合磁通和扭矩的要求。
[0067]轉子鐘20完全由樹脂纖維復合材料制成，壁厚取決于纖維復合物的厚度，薄厚不一。在轉子鐘20的轉子管內側(見圖7、8)或外側設置有永磁元件50，永磁元件是嵌在樹脂纖維復合材料中的。
[0068]制造至少兩個這樣的永磁電機轉子鐘的制造方法包含以下步驟:提供組合模具，模具包括型芯，型芯包括第一模座，第二模座和圓柱形中間部件(見圖4)。在前面所講的變型技術方案中，型芯是一體成型的。將所述至少一根絲束纏繞在型芯上，絲束在分層上至少部分重疊，并形成兩個轉子鐘，兩個轉子鐘的兩側邊緣區域在圓柱形中間件的中心處臨近。絲束FB將不間斷地越過第一模座沿著圓柱形中間件纏繞在第二模座上。絲束由第一模座的中心或中心附近伸出，大致沿虛構的半徑或切線延伸至超出第一模座的外邊緣。絲束在第一模座的外邊緣折彎、不間斷地沿著型芯的圓柱形中間件且與型芯中心縱軸成一定角度向前延伸直至到達第二模座。重復以上過程，同時型芯沿其中心縱軸M旋轉，引導絲束FB的線頭沿橢圓或圓形線頭軌跡WKB圍繞型芯的橫軸Q旋轉，直到纖維體制成為止。經過這兩組互相重疊的運動的協同作用形成了兩個轉子鐘的轉子底座和轉子管。絲束在依照圖示模式纏繞在型芯上之后用樹脂浸潤。為此需要將組合模具的2個外殼部件F2移至型芯FK上，由此形成了模腔，而纖維體就位于腔內。然后借助低壓作用將樹脂注入腔內(見圖5)，與纖維體結合在一起。由絲束FB和樹脂構成的纖維復合物發生時效硬化反應之后，纖維復合物沿型芯FK圓柱形中間件的中心縱軸M的方向橫向分裂，由此獲得兩個單獨的轉子鐘。最后一步將兩個單獨的轉子鐘從型芯上脫模下來(圖6)。
[0069]在一種未在此處詳細介紹的方法模式中，生產轉子時也可以配備多個引導絲束FB的線頭。不僅節省了生產時間，也提高了方法的經濟性。
[0070]在另一種未在此處詳細介紹的方法模式中，生產外轉子電機的轉子時，永磁兀件可在絲束FB纏繞型芯之前先安裝在型芯上。生產內轉子電機的轉子時，在將纏繞至少一根絲束的型芯引入型殼之前可先安裝永磁元件。
[0071]同時永磁元件50可在遠離氣隙的一側(被樹脂纖維復合物吸入的側面)仿形，例如卷曲或留出階梯狀的空隙(見圖7、8)。這將提高整體結構的牢固性。此外，永磁元件50可以在纖維復合物纏繞之前通過定位固定在轉子管的切線或縱向方向上。永磁元件50為方形時，永磁元件50遠離氣隙一側和面向氣隙的邊緣區域都不能或只能承受少量磁通量。與此不同，仿形的側面借助階梯狀的留白可以實現轉子內磁體在正確位置的進給和定位，允許磁體形狀優化，且機器扭矩不存在重大損失；允許仿形永磁元件的幾何形狀優化，此外還允許轉子內磁體的識別和定位。因為永磁元件是棱鏡幾何形狀，因此模具不需要很高的復雜性。該轉子的變型降低了磁質量，但未降低電機扭矩，由此減少了稀土金屬的費用。此夕卜，還實現了轉子質量和轉子轉動慣量的下降。因此，可以實現機械和光學位置識別以及磁體在轉子鐘內的自動定位。
[0072]上述變型及其制造只是為了幫助更好地理解所述技術方案的結構、作用原理和特點；但方法不僅局限于設計范例。圖表是部分示意圖，清晰并放大地展示了部分主要的特性和影響，明晰了功能、作用原理、技術設計和特性。
[0073]圖表或文中介紹的每種作用方式、原理、技術設計和特性可以與文中或其他圖中的所有要求、每個特性相結合，本發明中含有或衍生出的其他作用方式、原理、技術設計和特性可以自由結合，因此所有組合都屬于上述技術方案。同時，各種組合也存在于文中所有單個設計中，這意味著存在于說明的每個段落和要求中。各種組合也存在于文中不同變體、要求和圖表中。
[0074]前面論述的結果細節和方法細節相互之間存在聯系；但它們之間既可以互不影響，也可以相互任意結合。在圖中介紹的每個部件和段落之間的比例，及其尺寸和比例是不受限的。每種尺寸和比例與示例相比可能有較大偏差。即使是權利要求也并不限制所有上述特性的公布和組合可能性。所示特性是明確的，可單獨或與其他特性一起公開。
【權利要求】
1.永磁電機(10)，包括定子(12)和轉子(14)，其特征在于，所述定子(12)繞有線圈(28)，所述轉子(14)裝有永磁元件(50)，所述定子(12)與所述轉子(14)間形成有氣隙(16)，所述氣隙的邊界由所述永磁元件(50)和所述定子(12)上的、與所述永磁元件在特定位置上對齊的導磁齒確定，其中， 所述轉子(14)包括轉子鐘(20)，所述轉子鐘: 由多層樹脂纖維復合材料制成； 包括轉子管(20a)和轉子底座(20b)的一體結構， 且所述轉子底座(20b)區域至少設有一根絲束(FB)，所述至少一根絲束(FB): 由所述轉子底座(20b)中心伸出，大致沿虛構的半徑或切線延伸至超出所述轉子底座(20b)的外邊緣(20c)； 并在所述轉子底座(20b )的外邊緣(20c )上折彎，不間斷地沿所述轉子管(20a)的軸向和/或與所述轉子管(20a)的中心縱軸成一定角度進入所述轉子管(20a)中并穿過所述轉子管(20a)延伸至所述轉子管的自由邊緣區域， 在所述轉子鐘的轉子管(20a)的內側或外側裝有所述永磁元件(50)，所述永磁元件是嵌在所述樹脂纖維復合材料中的。
2.根據權利要求1所述的永磁電機(10)，其特征在于，所述轉子(14)的所述至少一根絲束(FB)以對稱方式纏繞在固定部件(22)周圍，所述固定部件安裝在或靠近所述轉子底座(20b)的中心，` 和/或所述轉子(14)的所述至少一根絲束(FB)以對稱方式沿虛構的切線纏繞在所述轉子底座(20b)中心或中心附近。
3.根據權利要求1所述的永磁電機(10)，其特征在于，由所述至少一根絲束(FB)、纖維編織層或纖維無紡布構成，沿轉子管(20a)的切線方向放置的螺紋或環狀包扎帶安裝在轉子管(20a)的區域內。
4.根據上述任意一項權利要求所述的永磁電機(10)，其特征在于，所述轉子底座(20b)包括沿虛構的切線或半徑放置的、平行移動的絲束(FB)，其中所述絲束的至少一端伸至超出所述轉子底座(20b)的外邊緣(20c)、在所述轉子底座(20b)的外邊緣折彎并穿過所述轉子管(20a)。
5.根據上述任意一項權利要求所述的永磁電機(10)，其特征在于， 所述轉子鐘(20)的壁厚不均勻，和/或完全由所述樹脂纖維復合材料制成； 和/或在所述轉子鐘(20)的轉子管(20a)的內側或外側裝有所述永磁元件(50)，所述永磁元件是嵌在樹脂纖維復合材料中的； 和/或所述轉子鐘(20)是由 (i)至少一個螺紋狀纏繞的絲束(FB)、纖維編織層或纖維無紡布，和/或(ii)至少一個大致平行移動的絲束(FB)構成，所述絲束在分層上至少部分重疊。
6.根據上述任意一項權利要求所述的永磁電機(10)，其特征在于，所述轉子鐘(20)在面向所述氣隙(16)的一側裝設嵌在樹脂纖維復合物中的所述永磁兀件(50),這些永磁兀件只需在承受小于90%的相應永磁元件的最大流動磁通量的位置上仿形； 和/或所述永磁元件(50)在遠離所述氣隙的一側和/或朝向所述氣隙的邊緣上仿形，形成卷曲或階梯狀的空隙。
7.生產至少兩個根據上述任意一項權利要求所述的永磁電機轉子鐘的制造方法，其特征在于，包括步驟如下: 提供型芯，所述型芯包括第一模座、第二模座和組合模具的圓柱形中間件； 用至少一根絲束(FB)纏繞所述型芯，所述絲束在分層上至少部分重疊，以便生成兩個邊緣區域相鄰的所述轉子鐘，所述至少一根絲束(FB)不間斷地沿所述圓柱形中間件纏繞在所述第一模座和所述第二模座上，其中所述至少一根絲束(FB)從所述第一模座中心伸出、大致沿虛構的半徑或切線延伸至超出所述第一模座的外邊緣，然后所述至少一根絲束(FB)在所述第一模座的外邊緣折彎、不間斷地順著所述型芯的圓柱形中間件沿所述圓柱形中間件的軸向和/或與所述圓柱形中間件的中心縱軸(M)成一定角度移動直至超出第二模座；由所述至少一根絲束(FB)和樹脂構成的纖維復合物發生時效硬化反應； 橫向對應于所述圓柱形中間件的中心縱軸，所述纖維復合物分裂成兩個單獨的所述轉子鐘； 兩個單獨的所述轉子鐘從所述型芯上脫模。
8.根據上述權利要求所述的生產至少兩個永磁電機轉子鐘的制造方法，其特征在于， 所述至少一根絲束(FB)在纏繞所述型芯之前、之中或之后用樹脂浸潤，和/或所述至少一根絲束(FB)在浸潤樹脂之前、之中或之后施以張緊力。
9.根據上述任意一項權利要求所述的生產至少兩個永磁電機轉子鐘的制造方法，其特征在于，所述至少一根絲束(FB)作為無限長絲束(FB)重復纏繞在所述第一模座、所述第二模座及所述圓柱形中間件上，所述型芯連續或不間斷地圍繞所述型芯的中心縱軸旋轉； 和/或一個將所述至少一根絲束(FB)引至所述型芯的線頭大致沿與所述型芯中心縱軸平行或與所述型芯中心縱軸成尖角的方向來回移動。
10.根據上述任意一項的權利要求所述的生產至少兩個永磁電機轉子鐘的制造方法，其特征在于，包括步驟如下: 將纏繞所述至少一根絲束(FB)的型芯引入至少一個模具模殼中，由此形成模腔，所述至少一根絲束(FB)位于所述模腔中； 將所述模腔密封； 將樹脂注入所述模腔； 由所述至少一根絲束(FB)和已注入的樹脂共同構成的至少兩個所述轉子鐘發生時效硬化反應； 至少所述兩個轉子鐘從所述模腔中脫模。
11.根據上述方法權利要求所述的生產符合上述任意一種設備權利要求所述的永磁電機轉子的制造方法，其特征在于，包括步驟如下: 將在分層上至少部分重疊的(i)所述至少一根絲束(FB)作為由長絲或環狀纖維編織層構成的螺紋線頭和/或(ii)至少一個大致平行移動的絲束， 纏繞在所述型芯或所述至少一個模殼上，以形成兩個所述轉子鐘的轉子底座(20)和/或轉子管。
12.根據上述方法權利要求所述的生產符合上述任意一種設備權利要求所述的永磁電機轉子的制造方法，其特征在于，包括步驟如下: 在所述至少一根絲束纏繞在型芯上之前，將永磁元件纏繞在型芯上；或在將纏繞至少一根絲束的型芯引入所述模殼之前，將所述永磁元件纏繞在模殼上。
13. 根據上述方法權利要求所述的生產符合上述任意一種設備權利要求所述的永磁電機轉子的制造方法，其特征在于，包括步驟如下: 對于外轉子電機，在所述型芯上纏繞所述至少一根絲束之前，先將永磁元件裝載在鐵磁型芯上； 和/或對于內轉子電機，將纏繞至少一根絲束的型芯引入模殼之前，先用所述永磁兀件裝載在模殼上； 其中，所述永磁兀件因其磁吸力穩定固定在型芯或模殼上；無磁性磁鐵由于永磁兀件、電磁鐵或真空的牽引力固定在型芯或模殼上；同時磁體分層。
14.永磁電機的轉子(14)，其特征在于，所述轉子包括轉子鐘(20)，所述轉子鐘: 由多層樹脂纖維復合材料制成； 是包括轉子管(20a)和轉子底座(20b)的一體結構； 且所述轉子底座(20b)區域至少設有一根絲束(FB)，其中所述至少一根絲束(FB): 由所述轉子底座(20b)中心伸出，大致沿虛構的半徑或切線延伸至超出所述轉子底座(20b)的外邊緣(20c)； 并在所述轉子底座(20b )的外邊緣(20c )上折彎，不間斷地沿所述轉子管(20a)的軸向和/或與所述轉子管(20a)中心縱軸成一定角度進入所述轉子管(20a)并穿過所述轉子管(20a)延伸至所述轉子管的自由邊緣區域； 其中，所述轉子鐘的轉子底座的外邊緣成圓形或多邊形，所述轉子底座是多邊形盤或圓盤、多邊形靶環或圓形靶環； 和/或所述轉子鐘的轉子管有一點與所述轉子底座相似，即所述轉子管切面也是圓形或多邊形； 和/或所述轉子管的切面包括螺紋狀纏繞的長絲或環狀的纖維編織層和/或包括至少一個沿虛構半徑或切線放置、實質上平行移動的絲束，所述至少一根絲束的一端伸出所述轉子底座的外邊緣、在所述外邊緣處折彎并不間斷地穿過所述轉子管； 和/或所述轉子鐘的壁厚分布不均勻，和/或所述轉子鐘是完全由樹脂纖維復合材料制成； 和/或在所述轉子鐘(20)的轉子管(20a)的內側或外側裝有所述永磁元件(50)，所述永磁元件是嵌在所述樹脂纖維復合材料中的； 和/或所述轉子鐘由所述至少一根絲束組成，所述絲束在分層上至少部分重疊。
【文檔編號】H02K15/03GK103620916SQ201280024193
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年5月21日 優先權日:2011年5月19日
【發明者】安德里亞斯·格魯恩德爾, 伯恩哈德·霍夫曼, 約翰·桑特海姆 申請人:康派克特動力有限公司