CN101467330A - 用于低惯性永磁电机的转子 - Google Patents

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Abstract

用于电机的转子(11)，其具有安放在电机磁极(15)之间的低惯性永磁体(13)及转子轮毂，其中转子轮毂由内部挡圈(21)和在内部挡圈与所述磁体(13)之间的中间环(23)构成，所述中间环由具有防止磁通损失的最小厚度的反磁性材料(如铝、合成物材料或塑料材料)制造，内部挡圈(21)由有具有足够厚度的金属材料(如铸铁或钢)制造，以与中间环(23)共同抵抗转子(11)运行引起的机械应力。

Description

用于低惯性永磁电机的转子
技术领域
本发明涉及用于永磁电机的转子，该转子构造为防止磁通线穿透其中心，并具体涉及用于风轮机的低惯性转子。
背景技术
通常用于风轮机的发电机是具有绕线式转子、笼式转子或凸极同步电动机或圆柱形转子的异步发电机。但是，目前最常使用的是永磁发电机，因为永磁发电机与其他发电机相比能提供一系列的优点，如维护要求低和机械故障可能性小。在被称为永磁电机的电机中，我们可以分为在表面具有永磁体的发电机和嵌入永磁体的发电机。
表面磁体式发电机由容纳永磁体的转子轮毂组成。无论转子材料本身是否有磁性，在这类发电机中与永磁体接触的元件必须由磁性材料制造。这些磁体随后粘贴到转子挡圈的表面并用碳纤维、纤维玻璃或尼龙纤维材料固定。
在嵌入磁体式发电机中，磁体由磁性板状磁极和安放在磁体上的衬垫保护，以实现彻底的鲁棒性，从机械的观点看，由于磁体完全受到保护，从电的观点看，磁体去磁所需电流比在表面具有磁体的电机的情况大。
这些特征意味着对于需要高旋转速度或电机必须运行在极端条件下的应用，具有嵌入磁体的发电机通常优于具有表面磁体的发电机。
已知有各种方案用于防止磁通线穿透嵌入磁体式电机中的转子，所有方案的共同点在于在磁体与转子的内部部件之间插入非磁性材料。
美国专利US 5,684,352描述了由多种层叠薄片构成的嵌入磁体式转子，每一个所述薄片上具有铁磁体区域和和非磁性区域，这些区域以防止漏磁通到达不希望到达的发电机区域的方式安置。这些薄片中的每一个包含其中嵌入永磁体的插槽和其中插入转子轴的孔。这样的结构一体制造，并用仅由材料的晶体结构区分的铁磁和非磁性区域的材料制造。嵌入这些薄片中的永磁体通过各自的磁极与铁磁材料接触，并在上侧和下侧与非磁性材料接触，从而防止磁通量短路。当永磁体插入时，使用环氧树脂粘合剂将其固定到薄片。
专利申请US 2003/0062792和US 2003/0062790描述了通过烧结技术制造永磁转子的方法，其中利用转子不同部分的磁性和非传导特性使磁通线改变方向。在所述转子中，使用非磁性材料的转子挡圈避免磁通了散布到转子轴的内部。
美国申请US 2004/0212266描述了单一部件的转子，其中嵌入永磁体和非传导部件，永磁体和非传导部件用于引导磁通流向外部。
上述转子的两个重要缺点是惯性等级高和成本高，本发明针对这些缺点提供解决方案。
发明内容
本发明提出用于永磁电机的转子，其包括多个安放在电机磁极之间的永磁体，以及包括内部挡圈和在内部挡圈与所述磁体之间的中间环的转子轮毂，所述中间环由具有防止磁通损失的最小厚度的反磁性材料制造，内部挡圈由有具有足够厚度的金属制造，以与中间环共同抵抗转子运行引起的机械应力。
为了本发明的目的，反磁性材料被视为防止磁体的磁场线到达位于其下方的磁性部件的材料，因此磁体的磁场线不能穿过由于分布在磁体上会导致一连串泄漏的电机气隙，因此没有充分利用。
电机可以是电动机或同步发电机。
本发明的一个优点是降低转子惯性，因为反磁性材料制造的中间环和挡圈的合并使重量和惯性比反磁性材料制造的挡圈小，特别是在大直径电机的情况下。
本发明的另一优点是与使用不锈钢挡圈的转子相比降低了成本。
本发明的另一优点是至少使用特定的反磁性材料，安装磁体不要求机械加工。
本发明的其他特征和优点将通过以下详细说明和附图变得显而易见，但详细说明和附图描述不限制具体的实施例。
附图说明
图1a是根据本发明的嵌入磁体式转子的局部剖面图，图1b是线A-A′的剖面图。
图2a是图1a的局部放大图，图2b是磁体与反磁性材料板之间的接触区域的放大图。
具体实施方式
根据本发明的实施例，转子11包括多个嵌入的磁体13，其放置在电机的磁极15与非磁性材料的衬垫17之间，转子轮毂包括如钢和铸铁材料制成的挡圈和与所述挡圈21同心地安排的反磁性材料构成的中间环23。磁体13安排在具有细小横向间隙与细小径向间隙的磁极15之间，横向间隙在磁极与磁极之间，径向间隙在磁体与13与衬垫17之间。
中间环23，其被视为磁体13与挡圈21之间的间隔元件，可以是连续部件，或由并排、相接触或其间具有气隙地安放的多个元件构成，如图1a所示。
转子部件之间的接合处使用不锈钢螺钉以防止磁通散布。
反磁性材料必须具有足够的刚性以支撑磁体的重量，并且重量足够轻以显著降低转子的总重量，并因此减小惯性，I＝F(D2L)。转子的直径D和长度L是P/w的函数，P是产生的功率，w是转子旋转的角速度。为了避免磁通散布，这些变量限定了转子半径的值和反磁性材料的厚度，并因此间接确定了取决于所用材料的重量和大小的转子惯性。
为了确保磁通线不到达挡圈21并因此确保磁通散布是零或尽可能的小，中间环23的厚度必须根据电机的功率、尺寸和电压等确定大小。
为了参考的目的，表1指明对于相应的电机功率值的反磁性中间环的参考值。确切的值必须通过执行对应的电机有限元分析获得。
表1
 
功率(kW) 厚度(mm)
<1000 <30
1000-2000 30-55
2000-3000 40-60
3000-4000 60-75
4000-5000 70-85
>5000 >80
在优选实施例中，反磁性材料是G11环氧树脂，同心地位于磁体13与挡圈21之间的中间环23具有不需要机加工的曲线外边缘25，换句话说，其不包括以平行六面体的形式用于磁体13的具体外壳。因此，磁体13沿直线27依靠在中间环23上。
目前，采取用于纤维加强聚合物基复合材料的制造过程，或者模塑或者使用细丝缠绕加工方法，可以获得足够的部件公差不需要机加工。但是为了获得防止磁体断裂所需的公差，反磁性金属铸件需要后续的机加工。
实施本发明还可以采用其他反磁性材料制造的中间环，无论其是金属，如铝，还是纤维加强聚合物基复合材料材料，如G10环氧树脂和上述的G11环氧树脂，或者塑料材料。
在反磁性金属中，铝被认为是最合适的，使用铝比使用不需要机加工的合成物材料成本高，因为铝部件需要机加工。
确定挡圈21的大小以确保具有必要的机械阻力以支撑转子运行的应力。
根据本发明转子的重量和惯性比已知的转子轮毂由不锈钢挡圈构成的转子小很多，如表2所示。
表2比较了已知转子与根据本发明的转子的多个参数，已知转子具有不锈钢挡圈，外直径为1286mm，厚度为82mm，本发明的转子具有相同的外直径，厚度为82mm的G11环氧树脂中间环23，以及厚度为40mm的标准钢挡圈21。长度认为是600mm。
本发明转子的中间环23的厚度与现有技术中的不锈钢挡圈转子的相同，因为从磁的角度看这是确保没有磁通散布的必要厚度。
本发明转子的标准钢挡圈21的厚度40mm是支持电机超速应力和磁体重量的必要厚度。
表2
Figure A200780022104D00071
表3 表本发明转子实现的重量和惯性减轻量。
表3
 
本发明转子 已知转子 重量减少量(％) 惯性减少量(％)
总重量(Kg) 984 1473 66％
总惯性(Kgm2) 1214 2121 57％
通过分析表2和3的数据，可以得出特别是在直径大和定子组长度短的情况下产生重量和惯性的减少。
虽然已经参考优选实施例充分描述了本发明，但是包含在本发明范围内的任何修改显而易见，因此本发明不限于所述优选实施例，应按照权利要求所述范围。

Claims (11)

1、用于永磁电机的转子(11)，其包括多个安放在电机磁极(15)之间的永磁体(13)和转子轮毂，其特征在于所述转子轮毂包括内部挡圈(21)和在内部挡圈(21)与所述磁体(13)之间的中间环(23)，所述中间环(23)由具有防止磁通损失的最小厚度的反磁性材料制成，内部挡圈(21)由具有足够厚度的金属材料制成以与中间环(23)共同抵抗转子(11)运行引起的机械应力。
2、根据权利要求1所述的用于永磁电机的转子(11)，其特征在于中间环(23)是单一部件。
3、根据权利要求1所述的用于永磁电机的转子(11)，其特征在于中间环(23)由多个部件构成。
4、根据上述任一权利要求所述的用于永磁电机的转子(11)，其特征在于内部挡圈(21)的金属材料为钢或铸铁。
5、根据权利要求1-4任一所述的用于永磁电机的转子(11)，其特征在于中间环(23)的反磁性材料是塑料材料。
6、根据权利要求1-4任一所述的用于永磁电机的转子(11)，其特征在于中间环(23)的反磁性材料是铝。
7、根据权利要求1-4任一所述的用于永磁电机的转子(11)，其特征在于中间环(23)的反磁性材料是纤维加强聚合物基复合材料。
8、根据权利要求8所述的用于永磁电机的转子(11)，其特征在于中间环(23)的反磁性材料是G11环氧树脂。
9、根据权利要求7-8任一所述的用于永磁电机的转子(11)，其特征在于与磁体(13)接触的中间环(23)的外表面具有弯曲的形状，从而在所述表面上以直线(27)支撑磁体(13)。
10、根据权利要求7-8任一所述的用于永磁电机的转子(11)，其特征在于与磁体(13)接触的中间环(23)的外表面具有平直的形状，从而在所述平直表面上支撑磁体(13)。
11、根据权利要求1-10任一所述的用于永磁电机的转子(11)，其特征在于电机是同步电机。
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