CN101006635B - 轴向磁通感应电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轴向磁通感应电机，所述电机包括框架、轴承安装到所述框架上的轴(1)、被支撑到所述轴上的圆盘状转子(2)、包括定子绕组(3)和被所述转子的第一侧上的所述框架支撑在轴向方向上的定子(4)。所述圆盘状转子(2)包括由具有高电导率的材料制成的非铁磁转子框架(8)，所述圆盘状转子(2)包括均匀的内周(9)和外周(10)以及由相同的材料制成并且电连接到所述内周和外周的导体棒(11)，除所述转子框架外，所述导体棒与所述内周和外周还共同形成所述转子的鼠笼式绕组。此外，在所述内周和所述外周之间配置多个延伸通过所述框架板的铁磁工件(12)，所述铁磁工件以适当的距离彼此分隔，从而所述径向导体棒适当的定位在所述工件之间。根据本发明，所述圆盘状转子框架(8)包括至少一个由加工硬化的金属板制成的环状板。
Description
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1的前序中所定义的轴向磁通感应电机。主要研究本发明作为电动机进行工作，但是也可以讨论不同的发电机实施例。
背景技术
由于当在电机中仅有几个电极(两个，或最多四个)时，感应式电机的特征通常是最佳的，因此这种轴向磁通电机本质上不是非常适用于作为高速感应式电机。然而，因为在两极电机中，定子绕组的端部绕组配置不总是实用的解决方案，因此两极的解决方案通常不适用于轴向磁通电机。因此，高速轴向磁通电机通常也必须设计为至少四极结构。在这种情况下，定子磁轭中的磁通量和绕组中的电机电流必须沿切线方向流过电机的内周和外周的四分之一，而不产生扭矩。
然而，轴向磁通感应电机是与各种致动器结合的令人感兴趣的替换方案，在这种情况下该构造的价格变得比以前的价格更低。
已知存在几种类型的轴向磁通电机。这些轴向磁通电机的优点在于借助于缠绕能够由条带制成定子，因此材料的损失就变得非常小。轴向磁通电机的另一个优点在于电机变得非常短小。在实际的实施例中特别使用永磁轴向磁通电机。
在美国专利号为3296475的专利中提出了本发明所属领域中的公知技术。前述专利描述了通过铸造制成的具有圆盘式转子的轴向磁通电机。该结构简单并且易于构造，但是其主要缺点是当其已经处于适当高的旋转速度时，耐用性较低。因此该结构仅适用于低的旋转速度，该速度通常低于3000rpm。
发明内容
本发明的目的在于消除前述的缺点。特别地，本发明的目的在于提出一种新的轴向磁通感应电机，所述电机结构简单紧凑；能够经受大于10000rpm、甚至大于30000rpm的高速旋转；并且能够方便地与诸如泵、鼓风机和压缩机的各种电动工具结合在一起。
本发明的轴向磁通感应电机的特征在于权利要求1将提出的特征。
本发明的轴向磁通感应电机包括框架、轴承安装到所述框架上的轴、被支撑到所述轴上的圆盘状转子、包括定子绕组并被所述转子的第一侧上的所述框架支撑在轴向方向上的定子。所述圆盘状转子包括由具有高电导率的材料制成的非铁磁转子框架，所述圆盘状转子包括均匀的内周和外周以及由相同的材料制成并且电连接到所述内周和外周的导体棒，除所述转子框架外，所述导体棒与所述内周和外周还共同形成所述转子的鼠笼式绕组。在转子的所述内周和所述外周之间配置多个延伸通过所述框架板的铁磁工件，所述铁磁工件以适当的距离彼此分隔，从而所述转子的所述径向导体棒被适当地定位在所述工件之间。根据本发明，所述圆盘状转子框架包括至少一个由加工硬化的金属板制成的环状板。
所述转子框架优选地由轧制的或其它加工硬化的铝合金板制成，其具有良好的电导率，例如尽可能地接近于纯铝的电导率，35MS/m，并且通常在15-28MS/m之间变化，其相对磁导率约为1。适当的铝合金不但耐用而且具有良好的电导率。纯铝的电导率优于铝合金的电导率，但是在机械上易破裂，因此其在高速电机中的应用是不合理的。
相反在通常的感应电动机中，在铸造电机的转子的鼠笼式绕组中通常尽可能地采用纯铝。本发明的一个令人吃惊的特征在于在电导结构中和实际的转子框架结构中适当地使用合成的铝合金。在本发明中，也可以类似地讨论使用合适的铜合金。在这种转子中，将钢用作磁通量的路径，而在通常已知的技术中，钢部件包括所述转子的承重结构。当在整个转子中采用结实的铝或铜时，即，在所述转子结构和短路环中实现稳固的结构，所述结构能够很好地经受住所述转子中的所述铁磁部件产生的离心力。
加工硬化的框架板的材料也被限定为优选地由结实的、非铁磁材料、相对磁导率约为1并且具有尽可能高的电导率的材料制成。
所述转子框架优选地包括两个或多个连接在一起的加工硬化板。特定情况的板数量也可以更高，例如甚至在10-20个板之间。为了增加所述转子的耐用性，可以在所述转子表面上或者优选地在所述转子的所述板之间采用碳纤维板。而且，在所述碳纤维板中，优选地定向所述纤维以承受作用在所述转子半径方向上的离心力。而且，如我们所熟知的，当碳纤维温度升高时就会收缩，因此在工作期间更加在径向方向上紧固所述转子结构。
在本发明的一个实施例中，在所述转子框架的表面上和/或在所述转子中板之间，配置叶片或其他相应的电动机部件，以产生冷却气流。为了这一目的，在所述转子中可以有轴向的孔，通过所述孔空气可以流动到定位在所述转子板之间的所述叶片或者流动到其他相应的通风管道。由于存在生成的气流，因此就能够有效地冷却定子、转子，以及所述电动机的其他部件。
同时还能够将鼓风机叶片集成到所述转子的表面，在这种情况下所述鼓风机和旋转其的所述电动机共同具有尽可能少的旋转表面。因此能够将表面摩擦降低到最小，这在高速旋转的情况下显著地改进了整体结构的效率。
在优选实施例中，所述转子的铁磁工件由普通的结构钢，例如Fe52制成。这种钢种的饱和磁通密度很高，因此适用于传送所述磁通量通过所述转子。对所属领域技术人员明显的是，可以讨论具有高的磁导率和高的饱和磁通密度的任何材料，以实现这种磁通量通过所述转子。所述材料还可以是具有上述电磁特征的一些适当的复合材料。优选地所述铁磁部件具有低的电导率。然而，通常由于钢中的电导率更低，磁通密度也更低，因此需要找到令人满意的折中方案。为了降低铁的损耗，也可以用层压板材料代替实心钢部件。在那种情况下，借助于层压电气钢板的小的工件来构造通过所述转子的所述磁通量的路径。
优选地所述铁磁工件在所述转子的半径方向上延伸，并且表现为截平的窄扇形。
在本发明的实施例中，用于传导所述磁通量的所述组件是由铁磁材料制成的层压的圆环或圆盘。优选地这种圆环或圆盘组件被支撑到所述电机框架上，换句话说，所述组件是固定的并且距离所述旋转转子适当的小的气隙。如果在所讨论的所述组件中不存在绕组，则所述组件实际上包括所述转子的磁性背面部件，所述磁通量经由所述组件通过磁极距，并随即通过所述转子返回到所述实际的定子。
所述组件的优点在于因为几乎相同的磁通量流过所述电机的两个气隙，因此当使用所述组件时，所述电机产生非常小的轴向力。
用于传导所述磁通量的所述圆环或圆盘组件也能够被支撑到所述转子上，也就是说，所述圆环或圆盘组件是所述旋转转子的一部分。如果需要，代替层压板的组件，实心钢转子磁轭可固定到上述转子的背面上，其中所述转子磁轭的功能是传送所述转子中的所述磁通通过所述磁极距，从而所述磁通能够返回到所述定子。在这种情况下，生成了相当大的轴向力，但是在一些实施例中这种轴向力是可以接受的。由于这种事实，即在这种转子结构中，可以将例如鼓风机叶片或泵叶片直接固定到所述选择转子磁轭上，从而生成充分完整的电机方案，因此这种结构受到了特别的关注。从电磁学的观点看来，实心转子磁轭是一种不利的解决方案，然而，如果所述转子绕组是由铝制成的话，就可以将所述转子的滑差频率保持得非常低，从而将所述实心转子磁轭的不利降低到最低。
在本发明的实施例中，通过采用两个固定的定子，在所述转子的两侧都有一个所述定子，从而使所述电机的所述磁通量流过两个气隙，在这种情况下，在所述电机中仅产生少量的净余的轴向磁引力。这就显著地简化和减轻了所述电机中需要的支撑物。然而这种类型的力平衡的前提是不允许所述磁通量在所述转子圆盘中切线地流动。在本发明中，借助于各向异性转子结构来满足这一前提。实际上，所述磁通量径直地流过所述转子，但是成切线地几乎非铁磁地流过所述转子。在所述转子中，仅配置引导所述磁通量在轴向方向上从一个定子到另一个定子通过所述转子的铁磁工件。
与已知技术相比较，本发明的结构具有显著的优点。机器结构整体上变得非常短小，易于与电动工具相结合，并且易于制造。与传统的转子结构相比，本发明的转子非常耐用，并且能够承受高的旋转速度。
附图说明
现在借助于参考附图的例子更详细地描述本发明，其中：
图1是本发明的电机的第一实施例的侧视图和从另一个方向观看其转子的示意图；
图2是类似于图1的示图，其表示本发明的第二实施例；
图3表示图1中电机的电流和磁通路径；
图4表示本发明转子的鼠笼式绕组；
图5表示固定到图4中鼠笼式绕组的铁磁工件的第一实施例；
图6表示固定到图4中鼠笼式绕组的铁磁工件的第二实施例；
图7是类似于图1的示图，其表示本发明的第三实施例；以及
图8表示本发明的转子的侧视图。
具体实施方式
图1表示本发明的电机，其中配置关于电机框架旋转的轴1和被支撑到轴上的圆盘式转子2，同时从侧面观看该转子。在轴1在转子2的第一侧面的方向上配置被支撑到电机框架上的定子4，并且包括定子绕组3。在转子2和定子4之间存在小的气隙14，在转子的另一个侧面上的相应的气隙15后面，配置传导磁通量的组件，在该实施例中该组件是相对于框架固定的转子磁轭5。转子磁轭5可以由适当的复合材料制成，或者可以是由电气钢板制成的螺旋形层压板。转子框架板8由合适的铝合金或铜合金的加工硬化的轧制板制成。
在图2的第二实施例中，转子2和定子4类似于图1中的实施例。作为替换，传导磁通量的组件6是相应于定子4的结构，其包括定子绕组13。
在图3中表示图1电机的机械结构中的磁通量的路径和电流路径。
图4表示本发明的转子实施例的更详细的示图，所述转子包括两个连接在一起的板。例如通过精确冲压加工硬化的铝合金板来制造所述板。由鼠笼式绕组形成的框架板8包括一致的内周9和一致的外周10和相同材料制成的导体棒11，导电棒11电连接内周和外周。导电棒是在转子半径的方向上延伸的相同大小的棒，其以相同的距离被定位在内周和外周之间。因此在内周和外周以及导电棒之间，在转子半径的方向上以相同的距离形成多个细长的孔，与孔的形状相应的铁磁工件12被插入在孔中，并在轴向的方向上产生通过转子2的其它的非铁磁框架板8的磁通量的路径。
图5a表示铁磁工件12的可替换的结构。所述工件与转子上孔的形状类似，在转子半径的方向上向内逐渐变小。工件包括将被插入在转子上的孔中的实心腹板16，包括实心支撑凸缘17的腹板的另一端表面关于腹板固定并且其宽度大于腹板的宽度。因此能够将腹板装配在转子上的孔中，从而腹板完全填充所述孔，同时支撑凸缘阻止腹板通过孔的移动。在孔的另一侧，相应于支撑凸缘的紧固凸缘18被固定到腹板上，紧固凸缘将铁磁工件12紧固到其位置。同样地，可以借助于任何适当的方法，例如借助于焊接、螺纹连接和/或粘合的方法，实现紧固凸缘18到腹板16的紧固。
图6a表示铁磁工件12的第二可替换结构。在该实施例中，使用薄的H形状的钢层压板，相继地堆叠层压板到转子的孔中。可以转动多数层压板并将其设置在锁定位置，仅有最后几个层压板必须是T形状的，以将其设置在位置中。
图5b和6b还表示铁磁工件12可替换结构。由于转子中铁的相对比例朝外周增加，因此通量密度朝外周明显地降低，铁部件的离心力还会引起铝部件的不必要的应力将转子保持在一起。因此可以减轻铁工件的重量，而不会损害发电机的电磁特征。因此图5b和6b表示腹板16中的扇形的向内逐渐变小的减轻重量的孔23或空腔，从而沿空腔的全部长度在空腔的两侧腹板都是均匀的厚度。
可替换的方法是将腹板构造为均匀的厚度，但是在那种情况下，支撑凸缘17和紧固凸缘18将变得明显宽于外周上的腹板，在这种情况下将会损害机械特征和磁特征。
图7还以相应于图1和2的方式表示本发明的第三实施例，其中被装配在铝质转子的孔中的具有齿状物的实心铁磁钢板被固定到转子2的与定子4相对一侧的表面上，以作为传导磁通量的组件7。因此通过转子的铝质笼状结构突出的铁磁齿状物和从定子处观看定位在转子背面上的均匀的铁磁板共同形成磁通量的路径。
图7中的虚线进一步表示本发明的实施例，其中叶片19被布置在钢板7的外表面上，并靠近其外周布置。这些叶片可以被制成钢板，或者可以是以适当的方法固定到钢板7上的分离结构。通过使适当的框架20与结构相结合，可以容易地和简单地实现高效的鼓风机，其中旋转表面产生的表面摩擦被降至最小。在那种情况下，综合的方案明显地变得比传统的径向磁通结构更加廉价。
参照图8所示，在存在几个层的层压框架板8中，能够移去中间的一张或几张板，并被诸如径向延伸的叶片20的适当的隔离物代替。因此在框架板中产生径向延伸的管道，所述管道实现了有效地冷却该结构的整体鼓风机。在那种情况下，配置有在靠近轴的轴向方向上最佳地延伸通过转子的管道21，所述管道作为空气的进口。
图8还表示本发明的第二实施例，其中在金属板之间定位两个碳纤维板22。这些板增加了转子的径向刚度，支撑周围的金属板，特别是当板中的碳纤维主要在径向方向上适当地定向时尤其如此。因此，转子能够经受更高的转速。因此在本发明的多个金属板的层压板的转子结构中，金属板作为在径向方向上共同保持转子的承重结构，而布置为延伸通过板中的孔的图5和6中的铁磁工件在轴向的方向上共同保持这些板。
本发明不限于上述作为例子的实施例，而是在权利要求所限定的本发明的原理的范围内，许多变化都是可能的。
Claims (33)
1.一种轴向磁通感应电机，所述电机包括框架、轴承安装到所述框架上的轴(1)、被支撑到所述轴上的圆盘状转子(2)、包括定子绕组(3)和被所述转子的第一侧上的所述框架支撑在轴向方向上的定子(4)，其中所述圆盘状转子(2)包括由具有高电导率的材料制成的、并包括均匀的内周(9)和外周(10)的非铁磁转子框架(8)，以及由相同的材料制成并且电连接到所述内周和外周的导体棒(11)；除所述转子框架外，所述导体棒与所述内周和外周还共同形成所述转子的鼠笼式绕组；在所述内周和所述外周之间有多个延伸通过所述非铁磁转子框架的铁磁工件(12)，所述铁磁工件以适当的距离彼此分隔，从而所述转子的径向导体棒被适当地定位在所述工件之间，其特征在于所述非铁磁转子框架(8)包括至少一个由加工硬化的金属板制成的环状板。
2.如权利要求1所述的轴向磁通感应电机，其特征在于所述转子框架(8)包括多个连接在一起的板。
3.如权利要求2所述的轴向磁通感应电机，其特征在于所述转子框架(8)包括两个连接在一起的板。
4.如权利要求1所述的轴向磁通感应电机，其特征在于所述非铁磁转子框架的所述材料的相对磁导率为1。
5.如权利要求2所述的轴向磁通感应电机，其特征在于所述非铁磁转子框架的所述材料的相对磁导率为1。
6.如权利要求3所述的轴向磁通感应电机，其特征在于所述非铁磁转子框架的所述材料的相对磁导率为1。
7.如权利要求1-6中任一项所述的轴向磁通感应电机，其特征在于所述转子框架由铝合金或铜合金组成。
8.如权利要求1-6中任一项所述的轴向磁通感应电机，其特征在于在所述转子框架(8)的表面和/或所述转子框架的各板之间有叶片或相应的发电机部件，以产生冷却气流。
9.如权利要求7所述的轴向磁通感应电机，其特征在于在所述转子框架(8)的表面和/或所述转子框架的各板之间有叶片或相应的发电机部件，以产生冷却气流。
10.如权利要求8所述的轴向磁通感应电机，其特征在于在所述转子框架(8)的所述板之间和/或在所述表面上有至少一个碳纤维板，其中所述纤维定向承受离心力。
11.如权利要求9所述的轴向磁通感应电机，其特征在于在所述转子框架(8)的所述板之间和/或在所述表面上有至少一个碳纤维板，其中所述纤维定向承受离心力。
12.如权利要求1-6或9-11中任一项所述的轴向磁通感应电机，其特征在于所述铁磁工件是结构钢和/或层压板结构。
13.如权利要求7所述的轴向磁通感应电机，其特征在于所述铁磁工件是结构钢和/或层压板结构。
14.如权利要求8所述的轴向磁通感应电机，其特征在于所述铁磁工件是结构钢和/或层压板结构。
15.如权利要求1-6、9-11、13-14中任一项所述的轴向磁通感应电机，其特征在于所述铁磁工件(12)在所述转子的半径方向上延伸，并且基本上为截平的窄扇形。
16.如权利要求7所述的轴向磁通感应电机，其特征在于所述铁磁工件(12)在所述转子的半径方向上延伸，并且基本上为截平的窄扇形。
17.如权利要求8所述的轴向磁通感应电机，其特征在于所述铁磁工件(12)在所述转子的半径方向上延伸，并且基本上为截平的窄扇形。
18.如权利要求12所述的轴向磁通感应电机，其特征在于所述铁磁工件(12)在所述转子的半径方向上延伸，并且基本上为截平的窄扇形。
19.如权利要求15所述的轴向磁通感应电机，其特征在于所述铁磁工件(12)的腹板(16)包括减轻重量的孔(23)，从而所述腹板中的通量密度在所述减轻重量的孔中的区域内基本保持不变。
20.如权利要求16所述的轴向磁通感应电机，其特征在于所述铁磁工件(12)的腹板(16)包括减轻重量的孔(23)，从而所述腹板中的通量密度在所述减轻重量的孔中的区域内基本保持不变。
21.如权利要求17所述的轴向磁通感应电机，其特征在于所述铁磁工件(12)的腹板(16)包括减轻重量的孔(23)，从而所述腹板中的通量密度在所述减轻重量的孔中的区域内基本保持不变。
22.如权利要求18所述的轴向磁通感应电机，其特征在于所述铁磁工件(12)的腹板(16)包括减轻重量的孔(23)，从而所述腹板中的通量密度在所述减轻重量的孔中的区域内基本保持不变。
23.如权利要求19-22中任一项所述的轴向磁通感应电机，其特征在于所述减轻重量的孔(23)是径向方向上中间的空腔。
24.如权利要求1-6、9-11、13、14、16-22中任一项所述的轴向磁通感应电机，其特征在于所述电机包括处于所述转子的另一侧的轴向方向的传导磁通量的组件(6)，所述组件是由铁磁材料制成的圆环或圆盘。
25.如权利要求7所述的轴向磁通感应电机，其特征在于所述电机包括处于所述转子的另一侧的轴向方向的传导磁通量的组件(6)，所述组件是由铁磁材料制成的圆环或圆盘。
26.如权利要求8所述的轴向磁通感应电机，其特征在于所述电机包括处于所述转子的另一侧的轴向方向的传导磁通量的组件(6)，所述组件是由铁磁材料制成的圆环或圆盘。
27.如权利要求12所述的轴向磁通感应电机，其特征在于所述电机包括处于所述转子的另一侧的轴向方向的传导磁通量的组件(6)，所述组件是由铁磁材料制成的圆环或圆盘。
28.如权利要求15所述的轴向磁通感应电机，其特征在于所述电机包括处于所述转子的另一侧的轴向方向的传导磁通量的组件(6)，所述组件是由铁磁材料制成的圆环或圆盘。
29.如权利要求23所述的轴向磁通感应电机，其特征在于所述电机包括处于所述转子的另一侧的轴向方向的传导磁通量的组件(6)，所述组件是由铁磁材料制成的圆环或圆盘。
30.如权利要求24所述的轴向磁通感应电机，其特征在于传导所述磁通量的圆环或圆盘组件(5)被支撑到所述框架上。
31.如权利要求25-29所述的轴向磁通感应电机，其特征在于传导所述磁通量的圆环或圆盘组件(5)被支撑到所述框架上。
32.如权利要求24所述的轴向磁通感应电机，其特征在于传导所述磁通量的圆环或圆盘组件(7)被支撑到所述转子(2)上。
33.如权利要求25-29所述的轴向磁通感应电机，其特征在于传导所述磁通量的圆环或圆盘组件(7)被支撑到所述转子(2)上。
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