CN101796706B - 电机和转子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电机，尤其永磁激励同步电机。所述电机包括具有埋入式永久磁体(6)的转子装置(4)以及具有内腔(3)的定子装置(2)，所述内腔用于可旋转地容纳转子装置(4)；所述转子装置(4)包括多个转子分段(7)，所述转子分段分别具有极靴(10)，极靴的外轮廓对应于具有轮廓半径的弧形轮廓，所述轮廓半径小于转子装置(4)的半径，从而在两个相邻转子分段(7)之间形成间隙，其中所述转子分段(7)之一的至少一个外轮廓具有这样构造的弧形轮廓，即针对极靴(10)的磁通密度分布曲线的畸变系数，优化在所述内腔(3)和相应的转子分段(7)的沿着径向外边界的外轮廓之间的径向间距与在所述内腔和相应的转子分段(7)的沿着径向中轴线的外轮廓之间的径向间距的气隙长度。

Description

电机和转子装置
技术领域
本发明涉及一种用于电机、尤其用于具有埋入式永久磁体的无刷永磁激励同步电机的转子装置，尤其涉及一种减小了起动转矩和转矩波动的转子装置。
背景技术
为了减小电机(例如无刷永磁激励同步电机，其转子具有埋入式永久磁体)的起动转矩和转矩波动，可使得转子的转子极靴具有确定的形状。转子极靴的形状应可产生尽可能正弦形的气隙磁通密度分布。
迄今为止，极靴外边缘的轮廓在两个相邻转子极靴之间形成气隙，并从转子极靴中心基本上按照反余弦函数延伸。转子极靴的这种外形轮廓被称作里克特轮廓(Richter-Kontur)(Richter，R.，电机，第I册，通用计算元素(AllgemeineBerechnungs-elemente)，直流电机，第3版，
Figure GPA00001138679100011
出版社，巴塞尔1967，第168-170页)。
里克特轮廓可产生畸变系数小于2％的气隙磁通密度分布，因此可产生几乎呈理想正弦形的气隙磁通密度分布。具有里克特轮廓的转子的设计与制造比较麻烦，因此为了简化起见，也将弧形轮廓用于转子极靴的外轮廓。通过圆弧段的外半径确定弧形轮廓，该圆弧段的半径小于转子外径，且其中心点沿着相应转子极靴的中心线相对于转子轴偏置。这种偏心弧形轮廓简单近似于里克特轮廓，并且可产生畸变系数约为5％近似于正弦形的气隙磁通密度分布。尽管这样会使得起动转矩和转矩波动略高于具有里克特轮廓的转子，不过显著简化了这种转子装置的设计和制造。
但这种在使用偏心的弧形轮廓的情况下为尽可能呈正弦形的气隙磁通密度分布而优化的圆弧半径及其从轴心的偏置量还不为人所知。
发明内容
因此本发明的目的在于提供一种电机以及一种其转子极靴具有偏心的弧形轮廓的用于电机的转子装置，所述转子装置经过优化，能产生尽可能呈正弦形的气隙磁通密度分布。
采用权利要求1所述的转子装置，即可实现这一目的。
相关从属权利所述均为本发明的其它有益实施方式。
本发明涉及一种电机，尤其用于永磁激励同步电机。所述电机包括具有埋入式永久磁体的转子装置以及具有内腔的定子装置，所述内腔用于可旋转地容纳转子装置。所述转子装置包括多个分别具有极靴的转子分段，极靴的外轮廓对应于具有轮廓半径的弧形轮廓，所述轮廓半径小于转子装置的半径，从而在两个相邻转子分段之间形成气隙。其中所述转子分段之一的至少一个外轮廓具有这样构造的弧形轮廓，即针对极靴的磁通密度分布曲线的畸变系数，优化了所述内腔和相应的转子分段的沿着径向外边界的外轮廓之间的径向间距与所述内腔和相应的转子分段的沿着径向中轴线的外轮廓之间的径向间距的气隙长度比；尤其是气隙长度比经过适当选择，从而将畸变系数减小到最低程度。所述气隙长度比优选在2.6和2.9之间。
在这种电机中采用一种弧形轮廓作为极靴的外轮廓，与最优的里克特轮廓相比，更加容易在转子装置中实现。对弧形轮廓的参数进行优化，就能使得极靴的磁通密度分布近似于正弦理想曲线。
此外还可以在永久磁体侧面在永久磁体和转子分段的侧面边界之间设有磁扼区，用于抑制通过配属于所述永久磁体的转子分段使磁通形成短路。
按照一种实施方式所述，可以在永久磁体和配属的极靴的外轮廓之间设置另外的磁扼区，将该磁扼区布置在永久磁体的朝向转子分段的侧面边界的侧面上，用于在转子装置的切向方向上减小永久磁体的有效宽度。
此外还可以针对极靴磁通密度分布曲线的畸变系数，优化永久磁体的通过所述另外的磁扼区减小的宽度与永久磁体的总宽度之比。永久磁体的通过所述另外的磁扼区减小的宽度与永久磁体的总宽度之比可以在0.77至0.81范围内，尤其为0.79。
转子装置可以具有交替极结构，其中仅每隔一个转子分段配置有永久磁体，且所述永久磁体相对于径向方向具有相同的极性，在布置在两个配有永久磁体的转子分段之间的交替极转子分段的两个边界上，分别设有交替极磁扼区，所述磁扼区相对于转子装置的中心点确定交替极角度，所述交替极磁扼区这样构造，即针对极靴的磁通密度分布曲线的畸变系数，优化交替极角度与转子分段的角度之比。交替极角度与转子分段的角度之比尤其可以在0.73至0.76范围内，尤其为0.75。
按照本发明的另一种实施方案，采用一种尤其适用于永磁激励同步电机的转子装置。所述转子装置包括多个分别具有极靴的转子分段，极靴的外轮廓对应于具有轮廓半径的弧形轮廓，所述轮廓半径小于转子装置的半径，从而在两个相邻转子分段之间形成气隙，其中至少一个转子分段具有埋入式永久磁体。此外在永久磁体和配属的极靴的外轮廓之间还设置有另外的磁扼区，将所述磁扼区布置在永久磁体的朝向转子分段的侧面边界的侧面上，用于在转子装置的切向方向上减小永久磁体的有效宽度；针对极靴的磁通密度分布曲线的畸变系数，优化永久磁体的通过所述另外的磁扼区减小的宽度与永久磁体的总宽度之比，并且该比例在0.77至0.81范围内，尤其为0.79。
在使用弧形轮廓作为极靴的外轮廓的情况下，这种转子装置同样也可用来优化磁通密度曲线。
附图说明
以下将根据相关附图，对本发明的首选实施方式进行详细解释。相关附图如下：
图1按照现有技术制造的电机的剖视示意图；
图2图1所示电机转子装置的示意图；
图3本发明一种实施方式所述的转子装置，其中转子极靴具有弧形轮廓；
图4本发明所述转子分段与转子装置的剖视图；
图5a-5e转子装置的局部剖面图，分别表示具有不同气隙长度比的转子分段；
图6气隙磁通密度的畸变系数与图5a-5e所示气隙长度比之间的关系示意图；
图7气隙磁通密度的畸变系数与极靴-磁体宽度比和气隙长度比之间的关系示意图，气隙长度比在1至3.5范围内，尤其在2.6至2.9范围内；
图8对于不同转子直径和不同极数和磁体高度给出的最佳气隙长度比和最佳极靴-磁体宽度比的表格；
图9具有交替极结构的转子装置，所述交替极结构具有交替极磁扼区；
图10气隙磁通密度的畸变系数与交替极极靴-极分度之间的关系图。
具体实施方式
下述实施例中相同的附图标记均表示相同或类似功能的元件。
图1所示为电机尤其是永磁激励同步电机1的横断面示意图，具有定子装置2，其中有定子内腔3。在定子内腔3中安装有可以围绕轴旋转的转子装置4。定子装置2具有指向转子装置4(向内)的定子齿5，所有或者部分定子齿均被(图中没有绘出的)定子线圈缠绕。定子齿5朝向定子内腔3变宽，且分别具有圆弧段形状的轮廓，该轮廓确定定子轮廓3的大部分内表面。定子装置2优选在轴向(定子装置的轴向)由优选冲压而成的板材构成，从而形成板叠形式的定子装置2。
图2所示为转子装置4的详细视图。转子装置4具有在转子装置4内部“埋入”容纳槽9之中的永久磁体6。永久磁体6分别布置在转子分段7之中，且分别具有极靴10。永久磁体6的极性在径向方向上。为了防止经由永久磁体6在转子分段7内发生磁短路，容纳槽9构造成大于容纳于其中的永久磁体6，从而在永久磁体6旁侧面，也就是在转子装置4的切向方向上，或者在朝向相邻转子分段的方向，分别有磁扼区8，该磁扼区基本上以充气凹槽形式构造在构成转子装置4的板叠之中。两个相邻转子分段7的磁扼区8彼此间通过转子装置4中的隔片相互分开，用于将转子装置4的处在径向外侧的作为极靴10的部分固定在转子装置4上。
永久磁体6被安装在转子装置内的相应容纳槽9之中，所述容纳槽具有适当的形状，即在装入永久磁体6之后，磁扼区8就会在切向方向上留在永久磁体6的两个侧面上。如图2所示，转子装置4的传统型极靴也可以没有确定的轮廓，从而使得转子装置的外轮廓呈圆形。
图3所示的转子装置4中的极靴10具有弧形轮廓，从而可实现尽可能呈正弦形的气隙磁通密度分布。弧形轮廓被确定为辅助圆的圆弧段，该辅助圆沿着相应的转子分段7的径向中心线(对称线)朝转子装置4的轴的中心点偏置，辅助圆具有比转子装置相应更小的半径。
图4所示为转子装置4的转子分段7的局部剖面图。转子分段7包括其中埋嵌有永久磁体6的容纳槽9。容纳槽9具有适当的形状，从而在装入永久磁体6之后，使得以上所述的磁扼区8留在永久磁体的侧面，也就是基本上在切向方向上，以防止转子分段7的材料引起磁短路。
此外还可以适当设计容纳槽9，从而在上方也就是沿径向向外装入永久磁体6之后，在永久磁体6的侧面上留有另外的磁扼区12。所述另外的磁扼区12在两侧从配属于相邻的转子分段7的棱边起沿着永久磁体6的径向外侧表面的走向延伸。所述另外的磁扼区12的外边界优选基本上平行于极靴10的外轮廓。通过所述另外的磁扼区12确定有效极靴宽度p，在设有所述另外的磁扼区12的情况下，有效极靴宽度p小于磁体宽度m。
极靴10的外轮廓13基本上呈圆弧段形状，且其半径小于转子装置的半径。整个转子分段7基本上镜像对称于d轴线。由于曲率半径不同，在定子内腔3和转子分段7的外轮廓13之间存在不同的间距。就如此形成的气隙而言，以d表示定子内腔3的内表面与外轮廓之间在d轴线上的气隙间距，以q表示所述表面之间沿q轴线的气隙间距。可以独立于相应的半径，用气隙间距的气隙长度比q/d确定定子内腔3的内半径、转子装置4的半径以及极靴10的外轮廓13之间的关系。
图5a-5e所示为对于不同气隙长度比q/d的转子分段7的不同实施方式，从中可以看出，极靴的外轮廓曲率越大，则间距q与间距d之比越大。现在如果根据气隙长度比1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5检查具有弧形轮廓的这种极靴的气隙磁通密度分布，如图6所示，就可看出当气隙长度比大致为3时，气隙磁通密度的畸变系数最小(也就是最接近于正弦形的气隙磁通密度分布)。经过更加仔细的研究后得出结论，最佳气隙长度比在2.6至2.9范围内，优选在2.7至2.8范围内，更优选在2.7至2.75范围内，尤其为2.7。
按照图3和4所示转子装置4的实施方式，还可以对极靴-磁体宽度之比p/m进行优化。这通过所述另外的磁扼区12的在配属于相邻的转子分段7的棱边区域中遮盖住永久磁体6的径向向外的侧面的宽度来确定。从图7可以看出，在不同气隙长度比情况下，最佳极靴-磁体宽度之比p/m在0.65至1范围内，优选在0.77至0.81范围内，更优选为0.79。所述另外的磁扼区12的宽度不会或者不会以显著程度影响气隙长度比q/d的最佳值。
在图8的数据表中所示为对于不同转子直径、不同极数和不同磁体高度的最佳气隙长度比q/d与最佳极靴-磁体宽度比p/m，可看出最佳气隙长度比仅不明显地在2.6至2.8范围内变化，且最佳极靴-磁体宽度比在0.77至0.81范围内变化。
图9所示为本发明另一种实施方式所述的转子装置4。图9所示的转子装置4为四极，且仅有两个永久磁体6。所述永久磁体6极性相反，并且相对布置在转子装置4两侧构成交替极结构。具有永久磁体6的极靴以及交替极极靴均按照最佳气隙长度比q/d＝2.8设计而成。对于具有永久磁体6的极靴，容纳槽9均按照最佳极靴-磁体宽度比p/m＝0.79设计而成，如以上所述的一样。这样就能使得具有永久磁体的极靴10以及交替极极靴的磁通密度近似于正弦分布。
图9所示的实施方式并不限于4个极，也可以采用具有任意偶数极的交替极结构。
为了进一步优化交替极的气隙磁通密度使其呈正弦分布，在交替极之一的每个转子分段7中，侧面在交替极的转子分段7的径向边界上设有例如作为凹槽的交替极磁扼区14，以减小有效交替极极靴宽度。交替极磁扼区14同样也可以是永久磁体6的容纳槽9的一部分，尤其沿交替极的转子分段7的中心线方向作为磁扼区8的延长部分。交替极磁扼区14基本上可以呈任意形状，但交替极磁扼区14优选具有在径向方向限制的边缘，该边缘顺着转子轮廓4外轮廓延伸。
根据以360°按磁极总数分成的转子分段的角度，参照转子装置4的中心点以及由交替极磁扼区14所确定的最小交替极宽度，得出相对于转子分段7的角度减小的角度。即所述减小的角度由相对于转子装置4的中心点的最大角度得出，该最大的角度通过两个从中心点出发的、没有被交替极磁扼区14中断的径向直线确定。因此所述减小的角度通过交替极磁扼区14伸入到交替极的转子分段7中的长度来确定。
减小的交替极角度与转子分段7的整个角度之比称作交替极极靴-极分度比
Figure GPA00001138679100061
图10所示为当最佳气隙长度比为q/d＝2.8且最佳极靴-磁体宽度比为p/m＝0.79时，针对不同转子直径的最佳交替极极靴-极分度比的实验研究结果。从图10可看出，最佳交替极极靴-极分度比在0.63至0.87范围内，优选在0.73至0.76范围内，尤其为0.73。

Claims (15)

1.电机，包括：
-转子装置(4)，其具有埋入式永久磁体(6)；
-定子装置(2)，其具有用来可旋转地容纳转子装置(4)的内腔(3)；
-所述转子装置(4)包括多个转子分段(7)，所述转子分段分别具有极靴(10)，所述极靴的外轮廓对应于具有轮廓半径的弧形轮廓，所述轮廓半径小于转子装置(4)的半径，从而在两个相邻转子分段(7)之间形成间隙；
其特征在于，所述转子分段(7)之一的至少一个外轮廓具有这样构造的弧形轮廓，即针对极靴(10)的磁通密度分布曲线的畸变系数，优化在所述内腔和相应的转子分段(7)的沿着径向外边界的外轮廓之间的径向间距与在所述内腔和相应的转子分段(7)的沿着径向中轴线的外轮廓之间的径向间距的气隙长度比。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述气隙长度比在2.6至2.9之间。
3.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，在永久磁体(6)侧面在永久磁体(6)和转子分段的侧面边界之间设有磁扼区，用于抑制通过配属于所述永久磁体(6)的转子分段(7)使磁通形成短路。
4.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，在永久磁体(6)和配属的极靴(10)的外轮廓之间设置另外的磁扼区，所述磁扼区布置在永久磁体(6)的朝向转子分段(7)的侧面边界的侧面上，用于在转子装置(4)的切向方向上减小永久磁体(6)的有效宽度。
5.根据权利要求4所述的电机，其特征在于，针对极靴(10)磁通密度分布曲线的畸变系数，优化永久磁体(6)的通过所述另外的磁扼区减小的宽度与永久磁体(6)的总宽度之比。
6.根据权利要求5所述的电机，其特征在于，永久磁体(6)的通过所述另外的磁扼区减小的宽度与永久磁体(6)的总宽度之比在0.77至0.81范围内。
7.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述转子装置(4)具有交替极结构，其中仅每隔一个转子分段(7)配有永久磁体(6)，且永久磁体(6)相对于径向方向具有相同的极性，其中在布置在两个配有永久磁体(6)的转子分段(7)之间的交替极转子分段之一的两个边界上，分别设有交替极磁扼区，所述交替极磁扼区相对于转子装置(4)的中心点确定交替极角度，其中所述交替极磁扼区这样构造，即针对极靴(10)的磁通密度分布曲线的畸变系数，优化交替极角度与转子分段(7)的角度之比。
8.根据权利要求7所述的电机，其特征在于，所述交替极角度与转子分段(7)的角度之比在0.73至0.76范围内。
9.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机是永磁激励同步电机。
10.根据权利要求6所述的电机，其特征在于，永久磁体(6)的通过所述另外的磁扼区减小的宽度与永久磁体(6)的总宽度之比为0.79。
11.根据权利要求8所述的电机，其特征在于，所述交替极角度与转子分段(7)的角度之比为0.75。
12.转子装置(4)，包括：
-多个转子分段(7)，所述转子分段分别具有极靴(10)，该极靴的外轮廓对应于具有轮廓半径的弧形轮廓，所述轮廓半径小于转子装置(4)的半径，从而在两个相邻转子分段(7)之间形成间隙；其中至少一个转子分段(7)具有埋入式永久磁体(6)；
其特征在于，
在永久磁体(6)和配属的极靴(10)的外轮廓之间设置另外的磁扼区，所述磁扼区布置在永久磁体(6)的朝向转子分段(7)的侧面边界的侧面上，用于在转子装置(4)的切向方向上减小永久磁体(6)的有效宽度；其中针对极靴(10)的磁通密度分布曲线的畸变系数，优化永久磁体(6)的通过所述另外的磁扼区减小的宽度与永久磁体(6)的总宽度之比，并且该比例在0.73至0.76范围内。
13.根据权利要求12所述的转子装置，其特征在于，所述转子装置用于永磁激励同步电机。
14.根据权利要求12所述的转子装置，其特征在于，所述永久磁体(6)的通过所述另外的磁扼区减小的宽度与永久磁体(6)的总宽度之比为0.75。
15.电机，其具有权利要求12所述转子装置(4)。
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