CN101682240A - 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，其包括一框架、靠轴承装配到框架的轴(1)、由轴支撑的盘状转子(2)、包括定子绕组(3)的定子(4)，且定子(4)在轴向方向上由框架支撑在转子的第一侧面上。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)，且非铁磁转子框架(8)包括均匀的内边缘(9)和外边缘(10)以及导体棒(11)，导体棒(11)由相同材料制成并电连接边缘(11)。导体棒连同内边缘和外边缘一起除形成转子框架外还形成转子的鼠笼式绕组。在内边缘和外边缘之间，多个铁磁部件(12)延伸穿过框架板并彼此在空间上分隔适当的距离，以使得径向的导体棒在部件之间适当分布。根据本发明，铁磁部件(12)在与定子相对的表面上具有表面板(5，15)，该表面板的电阻率基本上高于铁磁部件的电阻率。
Description
发明领域
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分中所述的轴向磁通感应电机。本发明尤其被开发来用作电动机，但是同时也讨论了不同的发电机实施方式。
发明背景
轴向磁通电机本质上并不适于作为高速感应电机来应用，因为感应电机的特性通常在电机里只有少数电极(两个或者最多四个)时才最好。然而，两极方案经常不适于轴向磁通电机，因为定子绕组的端部绕组配置不总是两极电机的功能性解决方案。因此，通常，高速轴向磁通电机也设计为至少四极的结构。该情况下，定子轭(stator yoke)中的磁通量和绕组中的电机电流必需沿切向方向流过电机内边缘和外边缘的四分之一，而不产生转矩。
目前已知存在几种类型的轴向磁通电机。其优点在于，定子可通过缠绕而由条带制成，因此材料的损耗非常小。轴向磁通电机的另一个优点在于，电机变得非常短。在实际的实施方式中，尤其得到了永磁轴向磁通电机。
本发明所属领域的已知技术已公布在美国专利3296475中。上述专利描述了一种具有通过铸造制成的盘状转子的轴向磁通电机。该结构简单，并且易于构造，但其主要缺点是，当其已处于适当高的转速下时，其耐用性低。因此，该结构仅适用于低转速，所述转速通常在3000rpm以下。
专利申请WO2006/021616的轴向磁通感应电机已经消除了这些缺点，其特征在于，盘状转子框架包括一个或多个圆板(circular plate)，所述圆板由加工硬化的金属片(work-hardened metal sheet)比如轧制或其它方法加工硬化的铝合金片加工而成。此类片的电导率好，比如其可能接近纯铝的电导率35MS/m，并通常在15-28MS/m之间变化，且其相对磁导率为≈1。恰当的铝合金既耐用又具有好的电导率。纯铝比铝合金的导电性能好，但其机械性能差，因此不能证明纯铝可用于高速电机中。
上面描述的根据专利申请WO2006/021616的电机耐用、简单，并且结构紧凑，其可达到30000rmp或者更高的转速。因此，这些电机需要考虑的唯一弊端在于其效率相对低，其量级大约为90％。
发明目的
本发明的目的是消除上述弊端。本发明的目的尤其在于介绍一种新颖的轴向磁通感应电机，其能够提高电机效率几个百分点(percentage unit)，甚至达到或超过95％。此外，在提高效率的同时，本发明的目的在于，既防止电机过热又提高最大转速和电机功率。
发明概述
本发明的轴向磁通感应电机的特征在于权利要求1中将介绍的内容。
本发明的轴向磁通感应电机包括：
框架，
轴，其通过轴承装配到所述框架上，
盘状转子，其由所述轴支撑，以及
定子，其包括定子绕组，且在轴向方向上由所述框架支撑在所述转子的第一侧面上。
所述盘状转子包括厚度基本均匀的圆形的非铁磁的转子框架，所述转子框架由具有高电导率的材料制成，且包括均匀的内边缘和外边缘以及相同材料制成的导体棒(conductor bar)，所述导体棒电连接所述内边缘和外边缘，且所述导体棒连同所述内边缘和外边缘，除形成转子框架外，还形成所述转子的鼠笼式绕组。在所述转子的内边缘和外边缘之间，存在多个铁磁部件(ferromagnetic piece)，所述铁磁部件突出穿过框架板，并彼此在空间上分隔适当的距离，以使得所述转子的径向导体棒适当地定位在铁磁部件之间。根据本发明，每个铁磁部件在与所述定子相对的表面上具有一表面板，此表面板的电阻率基本上高于所述铁磁部件的电阻率。采用此结构，可以非常有效地防止转子表面上的涡电流。
在本发明的轴向磁通感应电机中，恰当组成的铝合金被应用在电机的导电结构和实际的框架结构中。在本发明中，类似地，可以讨论应用合适的铜合金。在此转子中，钢被用来作为磁通量的路径，而通常已知的技术中，钢件包括转子的承重结构。当在整个转子中采用结实的铝(strongaluminium)或者铜时，即，在所述转子框架和短路环中采用结实的铝或者铜时，得到了还可以很好承受由于转子中的所述铁磁部件导致的离心力的稳固的结构(firm structure)。在只有一个定子和一个转子的某些实施方式中，另外，铁磁材料也可以被用作承重结构，即，铁磁元件设置在所述定子的相对侧上的非铁磁转子框架的旁边。
一般所使用的铁磁元件的电阻率量级为0.1μΩm，因此所述表面板的适宜的电阻率在0.2μΩm以上。所述表面板的电阻率优选地在0.3-1.5μΩm之间。
所述表面板的材料可以根据所期望的电阻率和强度特性针对每种情况单独选择；所述材料可以是比如钴铁(cobalt iron)、马氏体钢(martensiticsteel)或者铝铁合金。
当所述表面板的厚度大于所述转子与所述定子之间的气隙时，本发明的所述表面板可获得最佳功能性效果(functional result)；通常，所述厚度必须明显大于此处所述的转子与定子之间的气隙。轴向磁通感应电机中所用气隙一般在1mm量级，因此优选地，所述表面板的厚度在1-4mm量级，这可实现本发明所期望的效果，即基本上提高了效率。
本发明的一个实施方式中，所述表面板基本上与所述转子框架的表面齐平，该情况下，所述表面板封闭了所述转子支架内的所述铁磁部件，使得所述铁磁部件不能被看见。
本发明的另一个实施方式中，所述铁磁部件从所述转子框架的内部向框架的表面外部延伸出一距离，以使得铁磁部件末端的表面板不触碰到所述转子框架，而是与所述转子框架有一距离。
本发明的一个优选实施方式中，所述表面板延伸超出铁磁部件的与所述定子相对的那个表面。目前，所述表面板的边可设置成彼此之间距离很小，并且在任何情况下，彼此之间的距离较所述铁磁部件彼此之间的距离明显更为接近。在本发明的一个实施方式中，表面板甚至彼此接触，即，表面板形成了板的均匀环(a uniform ring of plates)，所述板的均匀环覆盖了所有铁磁部件的与所述定子相对的那些表面。
适宜的铁磁部件是主要在所述转子的半径方向上延伸的部件，且基本上采用截断的窄扇形形式，即，所述部件的内端较窄且外端较宽，以使得在这些部件之间形成厚度基本均匀的导体棒，这些棒连接了所述转子的外边缘和内边缘。
所述转子的铁磁部件优选地由一般的结构钢制成，比如铁52(Fe52)。此钢种的饱和磁通密度高，并因此所述钢种适于承载磁通量穿过所述转子。对本领域的技术人员来说，明显的是，具有高磁导率和高饱和磁通密度的任何材料可被讨论用来承载此磁通量穿过所述转子。所述材料也可以是具有上述电磁特性的合适的复合材料。对于铁磁件来说，优选地是具有低电导率。然而，通常具有低电导率的钢，其饱和磁通密度也低，因此需要找到令人满意的折衷方案。
本发明的一个实施方式中，在所述表面板的一个或者两个表面上设置了高导电涂层，比如铜涂层。高导电涂层为涡电流提供尽可能无阻碍的，即，尽可能无阻抗的路径，以使得所述转子中的损耗最小。
本发明中的表面板结构可被用于不同结构的轴向磁通感应电机中，比如用于具有一个定子或者两个定子的电机中。关于这些不同的电机结构，其中一个可参看前述的专利申请WO2006/021616。
本发明的电机结构具有超过现有已知技术的明显优势。基于所做的测试，具有本发明的电机结构的轴向磁通感应电机的效率提高了2-4个百分点，甚至超过5个百分点。通过这种方法，有可能当功率和转速增加时，减少电机的温度增加。
附图简述
现在参考附图，仅作为例子在这里详述本发明的实施方式，其中：
图1显示了用于本发明的电机的鼠笼式绕组，
图2是显示本发明一实施方式的截面图，
图3是显示本发明第二实施方式的截面图，
图4是显示本发明第三实施方式的截面图，
图5是显示本发明第四实施方式的截面图，以及
图6显示了本发明所述电机的细节。
本发明实施方式详述
图1示出了本发明的电机实施方式中采用的转子结构，所述转子结构包括结合在一起的两个板。所述板通过比如由加工硬化的铝合金片经精密冲压方法制成。由鼠笼式绕组形成的框架板8包括均匀的内边缘9和均匀的外边缘10以及相同材料的导体棒11，所述导体棒电连接所述边缘。所述导体棒是在所述转子的半径方向上延伸的尺寸相等的棒，其等距离地分布在所述内边缘和外边缘之间。因此，在边缘和导体棒之间，在所述转子的半径方向上的等距离处形成了多个狭长且向外变宽的孔，与所述孔形状一致的铁磁部件12被嵌入孔中并形成路径，所述路径用于轴向方向上的磁通量穿过所述转子2的非铁磁框架板8。
图2示出了本发明的一个电机，其中轴1相对于电机框架旋转，且盘状转子2由所述轴支撑，所述盘状转子比如与图1中的盘状转子一致。在所述轴1的方向上，所述转子2的第一侧面上存在定子4，所述定子4由所述电机框架支撑，且包括定子绕组3。在所述转子2和所述定子4之间存在小的气隙14，且在所述转子的另一个侧面的相应气隙后面，可以采用本领域已知的元件来产生磁通量。所述铁磁部件12被置于延伸穿过所述转子2的孔中，以便连同转子板(rotor plate)一起构成厚度均匀的圆板。在所述定子4的侧面，表面板5附着于所述铁磁部件的表面，这些表面板完全覆盖所述铁磁部件12，并延伸稍微超出转子框架板(rotor frame plate)8。所述表面板5的厚度与所述定子4和所述转子2之间的所述气隙14相当，或者所述表面板5的厚度大于所述气隙14，所述气隙大约为1mm，而所述表面板的厚度大约为1-4mm。
图3显示了与图2一致的电机，其中图3与图2采用相同的标号指示相同的部件。与图2相比，不同之处在于铁磁部件13，其被设置为从所述转子板2的表面朝向所述定子4向外延伸，使得所述表面板5不与所述转子2接触，而是与所述转子2保持恰当的距离。该距离比如为3-8mm，优选地大约5mm。然而更进一步地，所述表面板5与所述定子4之间的气隙14大约为1mm，且所述表面板的厚度大于该1mm的所述气隙，例如大约为2-4mm。
图4示出了大体上与图3一致的实施方式，其中所述铁磁部件13类似，即，所述铁磁部件13延伸穿过所述转子2，并进一步向所述定子4延伸出一定距离。在该实施方式中，所述表面板15由一个均匀环构成，而图3所示的实施方式中，每个铁磁部件13上存在一个独立的表面板，尽管这些独立的表面板之间的气隙可能非常小。图4所示的实施方式中，由铁磁材料比如结构钢制成的转子轭16也被附着到所述转子2的外表面，即，附着到与所述定子4相反的表面上。该均匀厚度的圆板进一步强化了所述转子，并因此可使转速甚至更高。进一步地，其构成了所述磁通量在所述铁磁部件13之间延伸穿过所述转子2的路径。在图2中，相应的转子轭16仅为仅分布在所述铁磁部件上的环形盘。优选地，转子轭不是独立的零件，而是由与铁磁部件13相同的均匀部件构成。
在图3和图4所示的实施方式中，在表面板5和15与所述转子2的板表面之间形成环形间隔，且在所述铁磁部件13从所述转子延伸出去的外边缘上形成了径向叶片(radial fin)。因此，在所述转子和所述定子之间形成了鼓风机，以提供有效通风并去除所述结构中产生的热量。此外，所述结构适当地增加了所述转子的热传导面积，因此改善了所述结构的冷却。
图5显示了与图3一致的本发明的一个实施方式，其中，在所述转子2的两个侧面上具有类似的定子结构4。延伸穿过所述转子2的铝框架的铁磁部件13从转子表面向所述转子的两侧突出一定距离。在所述铁磁部件13的两端有一表面板5，定子4在距离狭窄间隙14一定距离处。
进一步地，图6是显示本发明的转子细节的截面图，其中铁磁部件18延伸穿过铝框架17。所述部件18从所述铝框架17的表面延伸出一定距离，表面板19被附着到这些部件的外表面，这些表面板延伸超过所述部件18的边。因此，在所述转子的表面上形成了沿转子径向延伸的几乎闭合的空腔20，这些空腔构成了离心鼓风机的有效叶片结构。也可能的，如上述所介绍的，所述表面板19形成均匀环，该情况下，空腔20在其所有面上闭合，并仅在其末端开放。
本发明并非仅限定于上述实例所描述的实施方式，而是，在权利要求所限定的发明精神的范围内，多种变化形式都是可能的。
Claims (15)
1.一种轴向磁通感应电机，其包括：
框架，
轴(1)，其通过轴承装配到所述框架上，
盘状转子(2)，其支撑在所述轴上，
定子(4)，其包括定子绕组(3)，且在轴向方向上由所述框架支撑在所述转子的第一侧面上，其中
所述盘状转子(2)包括厚度基本均匀的圆形的非铁磁的转子框架(8)，所述转子框架(8)由具有高电导率的材料制成，且包括均匀的内边缘(9)和外边缘(10)以及由相同材料制成的导体棒(11)，所述导体棒(11)电连接所述边缘；
所述导体棒连同所述内边缘和所述外边缘，除形成所述转子框架外，还形成所述转子的鼠笼式绕组；
在所述内边缘和所述外边缘之间，存在多个铁磁部件(12)，所述多个铁磁部件(12)延伸穿过框架板，并彼此在空间上分隔适当的距离，以使得所述转子的径向的导体棒适当地定位在所述部件之间，
其特征在于，所述铁磁部件(12，13)在与所述定子相对的表面上具有表面板(5，15)，该表面板的电阻率基本上高于所述铁磁部件的电阻率。
2.如权利要求1所述的轴向磁通感应电机，其特征在于，所述表面板的电阻率大于0.2μΩm。
3.如权利要求1或2所述的轴向磁通感应电机，其特征在于，所述表面板的电阻率在0.3到1.5μΩm之间。
4.如权利要求1至3中任一项所述的轴向磁通感应电机，其特征在于，所述表面板是钴铁的、马氏体钢的或者铝铁合金的。
5.如权利要求1至4中任一项所述的轴向磁通感应电机，其特征在于，所述表面板的厚度大于所述转子与所述定子之间的气隙。
6.如权利要求5所述的轴向磁通感应电机，其特征在于，所述表面板的厚度为1-4mm。
7.如权利要求1至6中任一项所述的轴向磁通感应电机，其特征在于，所述表面板(5)基本上与所述转子框架(8)的表面齐平。
8.如权利要求1至6中任一项所述的轴向磁通感应电机，其特征在于，所述铁磁部件(13)从所述转子框架的内部延伸超出所述转子框架的表面的外部一距离。
9.如权利要求8所述的轴向磁通感应电机，其特征在于，所述表面板(5，15)延伸超出所述铁磁部件的与所述定子相对的那个表面。
10.如权利要求1至9中任一项所述的轴向磁通感应电机，其特征在于，所述表面板构成了板(15)的均匀环，所述板(15)的均匀环覆盖了所有铁磁部件(13)的与所述定子(4)相对的那些表面。
11.如权利要求1至10中任一项所述的轴向磁通感应电机，其特征在于，所述铁磁部件(12，13)连同所述表面板(5，15)一起构成离心鼓风机的叶片结构。
12.如权利要求1至11中任一项所述的轴向磁通感应电机，其特征在于，所述铁磁部件(12，13)是在所述转子的半径方向上延伸的部件，且基本上采用截断的窄扇形形式。
13.如权利要求1至12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(8)是铝的或者铜的，其包括比如一个或者多个铝板。
14.如权利要求1至13中任一项所述的轴向磁通感应电机，其特征在于，所述表面板(5，15)具有高导电性的涂层(16)，比如铜涂层。
15.如权利要求1至14中任一项所述的轴向磁通感应电机，其特征在于，存在有由铁磁材料制成的转子轭(16)，所述转子轭(16)在与所述定子(4)相反的面上附着到非铁磁转子框架(8)的表面上。
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|---|---|---|---|---|
| CN111566902A (zh) * | 2018-03-08 | 2020-08-21 | 株式会社日立产机系统 | 轴向间隙型旋转电机 |
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Effective date of registration: 20110513 Address after: Lappeenranta Applicant after: Weisaiduo company Address before: Lappeenranta Applicant before: Axco Motors OY |
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20100324 |