CN101313450B - 电机、这种电机的转子、这种转子的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有一个可围绕一根旋转轴(21)旋转支承的转子(28)和一个定子(22)的电机，其中转子(28)具有至少一个永磁体(29)，本发明建议，转子(28)在其平行于旋转轴(21)的转子本体(11)中具有交替的场聚焦区(32)和无场区(31)。

Description

电机、这种电机的转子、这种转子的应用

技术领域

本发明涉及一种具有可围绕旋转轴旋转支承的转子和定子的电机和一种转子，在其围绕旋转轴可旋转支承的转子本体中布置至少一个永磁体。

背景技术

WO 03/005531A1提出了一种把永磁体嵌入转子的电机，这种埋入转子内的永磁体对电机的运行具有一系列的优点，但由于永磁体之间的转子叠片铁心搭接，磁通短路并由此不被利用，这一缺点使得这类电机大受贬抑。这个短路的磁通量不能克服转子和定子之间的气隙并因此不能接入定子绕组来产生转矩。这就导致了每极的气隙磁通的减少，并由此减少电机的可达到的转矩。

发明内容

本发明提出的电机具有一个可围绕一根旋转轴旋转支承的转子和一个定子。其中，该转子具有至少一个永磁体，且在其转子本体内沿着该旋转轴交替地具有场聚焦的区域和无场的区域。这样就明显地增加了转子的场聚焦区域的磁通密度并减少了由于上述搭接短路损失的磁通量。设计这类电机的一般规则是：凡是总是可能为开路的地方，亦即在定子的相绕组的反应场不存在的情况下，磁路就应设计成可达到大约1.6特斯拉的磁通密度。这样，构成转子的叠片铁心就可用附加的反应场在磁性方面被完全利用。铁心薄片一般用的典型的钢材具有一个例如2.1特斯拉的饱和磁通密度。当转子按常规方式构成时，在按本发明设置轴向交替配置的场聚焦区和无场区的转子区域内产生的磁通密度明显低于在场聚焦区内带有交替配置可能达到的磁通密度。这意味着在常规布置的情况中，叠片铁心在其磁性方面没有完全利用。如果该区域位于转子的边缘，则这种磁性未被利用的材料不但不利于减轻转子的质量，而且还成为转子转动惯量的巨大部分，这部分与转子半径的4次幂成比例。

在一种有利的结构中，场聚焦区和无场区径向地布置在至少一个永磁体和定子侧的转子周围之间。转子本体的场聚焦区指的是这样的区域，即与带有至少一个埋入永磁体的常规转子本体相比，该区域具有明显增加的磁通密度，例如增加70％至100％。而无场区则指的是无场的或几乎无场的区域。无场区最好由气隙构成，在气隙处例如去掉薄片材料，并由此减轻转子本体外部区域的质量，在该处通常构成极靴。而场聚焦区则最好通过磁导材料例如叠片铁心材料构成。

转子本体例如由钢片构成。在一种有利的结构中，转子本体由至少两种在旋转轴的方向上交替叠置的钢片构成。为了实现优选的转子的简便制造，最好利用通常的叠片结构来构成的场聚焦区和无场区的交替配置。

在一个有利的结构中，一种钢片(下面也称为第二种钢片)用其一定的尺寸至少部分地径向伸入另一种钢片(下面也称为第一种钢片)，也就是说，与第一种钢片相比，第二种钢片至少部分地具有较小的径向延伸。这样就形成了场聚焦区和无场区的很简便的交错。场聚焦区优先通过钢片材料来构成，而无场区则可通过在两个钢片之间的一个在轴向上连续的气隙来构成。合适的钢片厚度为最大1毫米的范围，最好为0.35毫米至0.65毫米例如0.5毫米。对这类在转子中埋入永磁体的电机来说，一般不宜用较厚的钢片。无场区最好具有最大1.3毫米的轴向延伸，特别是优先具有最大1毫米的轴向延伸。更大的轴向延伸由于太大的气隙是没有好处的。场聚焦区也应优先具有最大1.3毫米、特别是优先最大1毫米的轴向延伸。场聚焦区的轴向延伸原则上可任意选择，但较大的轴向延伸对本发明是没有好处的，因为这对减轻转子质量和减少转子惯量所起的作用太小。通过这个优选的结构，使钢片的磁性在场聚焦区得到了明显较好地利用，而转子的转动惯量则由于作为气隙构成无场区的缺失的钢片材料而被减少。

在一个有利的结构中，较小的钢片即第二种钢片在嵌入永磁体的情况下用其外圆周与至少一个永磁体邻接。这意味着在多个永磁体时，第二种钢片在径向延伸中至少邻接一个永磁体。在多个永磁体时，第二种钢片也可邻接多个永磁体、最好全部永磁体。这样，第二种钢片至少在一个区域或多个区域比第一种钢片具有较小的径向延伸。其中，第二种钢片具有规则的、最好旋转对称的或不规则的形状。用这种几何形状可使转子的重量减轻并使转子的磁性最佳化。

转子本体也可由两种以上的钢片构成，即最好比第一种钢片至少部分较小径向延伸的第二种钢片由不同的钢片组成，第二种钢片的不同的钢片例如可具有不同的径向延伸或在钢片的不同区域具有不同的径向延伸。

永磁体优先用含钕、铁、硼(Nd Fe B)的材料或含钐、钴(Sm Co)的材料制成。

建议电机转子在其可围绕一根旋转轴旋转支承的转子本体内布置有至少一个永磁体，并在该转子本体中沿着该旋转轴交替地配置场聚焦区和无场区。

此外，建议将这种转子用于无刷同步电机或无刷直流电机中。

附图说明

本发明的其他结构型式、外观和优点也可从其各项权利要求的摘要中得知，而不受从下面借助附图示出的本发明的实施例的限制。

图1a-c  a：一种优选电机的俯视图，b：第一种钢片，c：第二种钢片；

图2a-b  a：一种优选电机的纵剖面的一部分，b：一个优选转子的部分透视图；

图3a-b  a：带第一种供选择配置的电机的部分纵剖面图，b：第一种供选择的转子的部分透视图；

图4a-b  a：带第二种供选择配置的电机的部分纵剖面图，b：第二种供选择的转子的部分透视图；

图5a-b  a：带第三种供选择配置的电机的部分纵剖面图，b：第三种供选择的转子的部分透视图；

图6a-b  a：带第四种供选择配置的电机的部分纵剖面图，b：第四种供选择的转子的部分透视图；

图7a-d  a：具有三相和四极的串联极电机的第一种钢片的俯视图，b：第二种钢片的第一种形状，c：第二种钢片的供选择的形状，d：第二种钢片的第二种供选择的形状；

图8转子质量、转子转动惯量和气隙磁通与三维有限元模型的极数的关系。

具体实施方式

图1a-c表示一台设计成无刷同步电机的电机10的本发明示例，该电机具有3相、8极和在定子22中用来安装未示出的线圈绕组的12个槽23，在转子本体11的转子28中，设置有相应的8个孔12，用来安装在轴向上平行于旋转轴21延伸的永磁体。电机10设计成内转子式，转子28支承在定子22中可围绕旋转轴21旋转。

图1a表示电机10的俯视图。平行于旋转轴21延伸的槽23被通常的定子齿24隔开，其齿顶按通常方式相互在槽23的中心分别相隔一个小气隙25。在定子22和转子28之间径向形成一个气隙26。

转子28从其用于安装一根未示出的轴的内孔27开始，在内部区域16在共同的半径上对称分布8个凹槽13，这些凹槽减少了转子28的质量和移动惯量。径向朝外缘15相隔一定距离布置有8个带梯形横截面的磁体嵌槽，这些嵌槽由单个钢片的孔12构成。内区16构成转子28的铁心，径向向外包括孔12是转子28的外区30。

图1b和1c表示两种不同的优选钢片14、19，这些钢片最好交替叠置(钢片14-钢片19-钢片14-钢片19-钢片14-钢片19-等等)构成转子28的转子本体11。在图1b中，在孔12和外缘15之间的径向上在外区30分别有一个极靴17。在孔12之间设置有桥18a和连片18b。对常规结构的电机10来说，这个区域可观察到磁力线的不希望的短路，这个区域分别包括两个相邻孔12、桥18a和位于其间的窄连片18b的邻接边缘区。这种短路通常环绕几个毫米。在外圆周15上做成弧形的极靴17、桥18a和连片18b最好尽可能窄并例如在最窄部位大致相当于钢片14的厚度，而其高度在极靴17的中心则明显较大。这个高度在几何条件方面例如取决于电机10的极数。

如果图1b的第一种钢片14每次一个与图1c的第二种钢片19每次一个交替地叠置，直至达到转子本体11的要求的轴向长度为止，则有利于减小这种短路的作用。第二种钢片19用其尺寸径向位于第一种钢片14内，其中钢片19用其外缘20一直伸到孔12的径向内缘。钢片19的内区16与钢片14相同，但缺少外区30。

图2a表示从转子28和定子22剖开的图1电机10的纵剖面图的一部分，在这里可清楚地看出钢片14、19的上述优先交替配置的作用。在附图中凡是相同的件都保留相同的附图标记，在所示的部分图中，场力线34垂直于旋转轴21延伸并通过永磁体29、转子28和定子22。场力线34水平通过定子22的齿顶24、经定子22和转子28之间的气隙26到转子28的外区30，在该处，种类不同的钢片14和19平行于旋转轴21交替叠置。场聚焦区32使场力线34聚束，而在无场区31则实际上没有场力线通过。无场区31构成气隙，并与钢片14相比，由于在转子28外区30没有钢片19的钢片材料而产生该气隙。无场区31的高度相当于钢片19的厚度。在区域31、32和通过轴向叠置的孔12形成的带嵌入永磁体29的磁体嵌槽之间径向构成一个小气隙33，该气隙例如通过孔12或永磁体29的制造公差来产生。磁力线34均匀地通过永磁体29，然后进入钢片19和14的内区16。

图2b表示带有磁体嵌槽的转子28的透视图，该磁体嵌槽通过孔12在转子本体11中形成。在转子28的外区30，可清楚地看出钢片14和19的优选的交替配置，其中钢片14的极靴17构成场聚焦区32，而在每两个通过一个钢片19隔开的钢片14之间的气隙则相当于图2a的无场区31。

图3a-b表示钢片14和19的供选择的装配。在这种装配方式中，两个第一种钢片14和两个第二种钢片19交替配置。当钢片用最大0.5毫米例如0.35毫米的厚度时，例如即可采用这种配置，用这种较薄的钢片可一起使用两个钢片14，以便产生机械稳定的场聚焦区32，该区厚度例如就具有0.7毫米，而不是0.35毫米。如图2结构型式相同，钢片19的数量占钢片总数(钢片14+钢片19)的50％。这种装配形成一个例如具有0.7毫米高度的无场区31，该区尚可产生足够的磁路。无场区31的高度(也称为轴向延伸)一般应尽可能小并最好不大于1.3毫米尤其是不大于1毫米。在这种结构型式中，转子质量和转子惯量的减少基本上与图2a-b的配置相同。电机10的机械时间常数和动力学性能也基本上与图2a-b的配置相同。

图4a-b表示转子本体11的钢片14和19的第二种可供选择的装配，这里的场聚焦区32的轴向延伸是不同的。除了场聚焦区32交替地通过一个或两个钢片14构成外，这种配置与图3a-b的配置相似。图4a表示具有这种装配的电机10的部分场力线34。从图4a可以看出，这种配置可使永磁体29的全部场力线34聚束。第二种钢片19占钢片总数(钢片14+钢片19)的份额为57％。这样高的份额导致转子质量、转子惯量和机械时间常数的进一步减少，从而导致电机的动力学性能的进一步改善。

图5a-b表示钢片14和19的第三种可供选择的装配。在这里，无场区31的高度或轴向延伸是不同的。除了无场区31交替地由一个或两个钢片19构成外，这种配置与图4a-b的配置相似。图5a表示具有这种装配的电机10的部分场力线34。从该图可以看出，这种配置可使永磁体29的全部场力线34聚束。钢片19占钢片总数(钢片14+钢片19)的份额为50％并与图2a-b的优选的配置相同。转子质量和转子惯量的减少以及每极气隙磁通的增加基本上与图2a-b的配置相同。电机10的机械时间常数和动力学性能也基本上与图2a-b的配置相同。

图6a-b表示钢片14和19的第四种可供选择的装配。在这种配置中，无场区31和场聚焦区32分别占钢片总数(钢片14+钢片19)的40％和60％。这就是说，根据这种结构型式，比第二种钢片19配置得多的第一种钢片14比在前述的结构型式中配置得较多。无场区31通过各一个钢片19构成，而场聚焦区32则交替地由一个或两个钢片14构成。当电机10的定子22具有很大的电枢横向磁场和小的气隙26时，这种配置例如是有利的。在这种条件下，图2至5的场聚焦区32达到饱和。应当避免场聚焦区32的高度饱和，因为这会导致q轴电抗和d轴电抗之间的差别减小，而且这还会导致电机10产生的磁阻矩的减少。这实际上引起电机10的总转矩的减小，所以应当避免。与图2至5的配置相比，图6的配置具有较小的转子质量和转子惯量的减小。

为了达到与图2a-b的优选配置的相似性能，带有第一种和第二种钢片的转子本体可具有别的多种结构。无场区31的轴向延伸最好最大为1.3毫米，特别是优选为最大1毫米，且无场区31可优先分别通过一个或多个第二种钢片构成(例如一个0.5毫米或一个0.65毫米厚的钢片19或两个0.35毫米厚的钢片19)。场聚焦区32可由一个或多个第一种钢片14组成。所用钢片14的数量将影响到转子质量、转子惯量和电机10的每极的气隙磁通并可选择成使电机10具有要求的动力学性能。特别是无场区钢片(第二种钢片)的数量是这样选择的，即其在钢片总数(即无场区钢片+场聚焦区钢片)的份额为30％至70％。

图7a-d表示具有三相和四极的一台未示出的串联极电机的第一种钢片14的俯视图以及第二种钢片19(图7b、7c、7d)的可供选择的形状。

该电机在其定子内具有线圈绕组的6个槽以及6个定子齿。优选的转子28具有钢片14，这些钢片在外区30具有两个对置的大长孔12，这两个长孔在钢片14、19叠置时构成永磁体的磁体嵌孔。孔12在其面向外圆周15的两个窄端12a呈尖状。在外圆周上，沿着孔12构成极靴17，并在孔12之间构成极靴17a。

此外，转子28具有钢片19，该钢片与转子28的内区16相同。在第一种优选的形状中，这种钢片19做成矩形(图7b)。另一种供选择的形状是，这种钢片19在其两端可带有扩展部分20a(图7c)，这样，钢片19的横截面大于图7b实施例的横截面而且更紧密地匹配带有端部12a的两个孔12之间的内区16的形状并与带有端部12a的孔12的形状互补。同样，在极靴17a的区域，钢片19的横截面可呈圆形并适配钢片14的轮廓(图7d)。这个方案有利于软磁极靴17a的一部分嵌入横截面，以避免由于饱和引起的气隙磁通损失，如果磁通密度按常规配置(叠片铁心只用钢片14)在这个区域大于0.9特斯拉的话。

通过钢片14和19的优选交替配置，在转子28中取消了极靴17、17a的50％，例如图2b所示。这样，在钢片的常规配置中所损失的短路漏磁通也减少到大约50％。所以漏磁通量的减少提高了气隙26(图1a、图2a)的磁通量，从而增加电机10的磁取向引起的转矩。此外，由于钢片19的较小面积，也减小了转子28或电机10的质量和转动惯量。由于转子转动惯量的减小和气隙磁通的增加，也明显地减小了电机的机械时间常数(例如在启动时的时间常数)。众所周知，机械时间常数与转子28的转动惯量成正比并与电机10的每极的气隙磁通量成反比。相应地，也改善了电机10的动力学性能。

电机10可通过三维有限元分析进行模拟，这是以一台设计成8极内转子的同步电机为例进行的，该电机有三相、12个定子齿和8个在转子28内的Nd Fe B-永磁体嵌槽。

与用同一种钢片14构成转子叠片铁心的常规电机相比，这种优选的电机10以其钢片14和钢片19的交替配置而显示出了诸多改善的数据。

如果常规电机具有100％的转子漏磁通、100％的每极气隙磁通、100％的转子质量和100％的转子转动惯量，则优选电机10的对应值分别为54％的转子漏磁通、104.5％的每极气隙磁通、93.8％的转子质量和87.7％的转子转动惯量。

如果所分析的对比电机10具有4、6或8极，则得出拱形的极靴17(图1b)的中心的最大高度与极数成反比例关系，这个高度例如大约5毫米，在4极时为5毫米，在6极时降到2.5毫米多，在8极时降到不足2毫米。在4极或6极电机10的转子28时，转子质量M、转子转动惯量T和机械常数比在8极电机10的例子时下降得更明显。这可从图8示出的转子质量M(2P)、转子转动惯量T(2P)和每极的气隙磁通F(2P)与极数2P的关系曲线一目了然。

带有优选交替钢片配置的4极电机显示出转子质量M的减少大于12％和转子转动惯量T的减小大于23％。气隙磁通F比常规叠片铁心转子的小大约0.2％，这表明电机10的4极结构是本表明适用的最小极数。

Claims (10)

1.电机，具有一个可围绕一根旋转轴(21)旋转支承的转子(28)和一个定子(22)，其中转子(28)包括一个转子本体(11)和至少一个永磁体(29)，其中，平行于旋转轴(21)的转子本体(11)构建交替的场聚焦区(32)和无场区(31)，其中转子本体(11)由至少两种钢片(14，19)组成，这些钢片在旋转轴(21)的方向上是叠置的，并且第二种钢片(19)用其尺寸径向地完全位于第一种钢片(14)内，从而第二种钢片(19)比第一种钢片(14)小，其中在转子(28)中在转子本体(11)的内部设置了用于安装在轴向上平行于旋转轴(21)延伸的永磁体的孔(12)，并且两个相邻的孔(12)的邻接的边缘区域由处于孔之间的桥(18a)和窄连片(18b)形成。

2.按权利要求1的电机，其特征为，场聚焦区(32)径向布置在至少一个永磁体(29)和定子侧的转子圆周(15)之间。

3.按权利要求1或2的电机，其特征为，无场区(31)是通过气隙来构成的。

4.按权利要求1的电机，其特征为，场聚焦区(32)由钢片材料构成。

5.按权利要求1的电机，其特征为，至少两种钢片(14，19)交替地在旋转轴(21)的方向上叠置。

6.按权利要求1的电机，其特征为，所述孔(12)具有梯形横截面。

7.按权利要求1的电机，其特征为，沿径向在所述孔(12)和外缘(15)之间在外部区域中分别设置了极靴(17)。

8.按权利要求1的电机，其特征为，极的数量为4个、6个或者8个。

9.电机(10)的转子，在其围绕旋转轴(21)可旋转支承的转子本体(11)中布置至少一个永磁体(29)，其特征为，在平行于旋转轴(21)的转子本体(11)内交替地配置场聚焦区(32)和无场区(31)。

10.按权利要求9所述的转子(28)用于无刷同步电机或无刷直流电机中。

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