CN101821926A - 夹紧并锁定永磁体和采用倾斜聚磁磁体改进旋转电机内部冷却的设备和方法 - Google Patents

Abstract

永磁体以围绕转子轴的倾斜锯齿模式安装在电机内。这种聚磁结构提供了改进的磁体安装强度，而无需采用粘结或缠绕；通过轴向发电机气流通道而提供了改进的转子和定子冷却；提供了更简单且更容易制造的设计。这种基本构造的叠片版本减小了的表面损耗和自热效应。

Description

夹紧并锁定永磁体和采用倾斜聚磁磁体改进旋转电机内部冷却的设备和方法

背景技术

发明领域：本发明一般涉及用于装配永磁电机的设备和方法，尤其涉及用于改进聚磁构造的设备的装置和方法。

该领域的一般背景和状态：永磁体使得使用永磁体而不是电磁体来制造电机(此处定义为电动机和发电机)磁场变得合理。磁体典型地安装于内转子上，但也会安装于外转子上。在发电机中，转子上的磁体的旋转产生磁场，该磁场在径向外侧定子的绕组中感应电压和电流。在电动机中，磁体与施加于定子上的电压和电流相互作用，从而引起转子旋转。

由于不需要转子电磁绕组，因此相对于电磁电机来说，永磁电机更为紧凑和简单且需要更少的维护。相对于筒形绕组，现代的稀土(Rare Earth)磁体提供了密集得多的强磁通源，并且具有较大的磁通且能够承受适度的高温。由此形成的紧凑型电机应用于尺寸、重量和效率重要的结构中，例如位于高塔顶端的风力发电机机舱内的发电机，或空间紧张的电动机中。

永磁体以下述方式安装于转子中：所产生的磁通与定子线圈相互作用。标准的表面安装结构是使磁极平行并环绕表面，而聚磁结构具有磁极垂直并环绕转子表面安装的磁体。由于磁通与磁极的表面面积大致成比例，因此，由于径向磁极侧面面积可以制成为大于具有相同数目定子绕组的标准结构的径向磁极侧面面积，所以聚磁结构可以产生更高的磁通水平。此外，由于减小了磁极到感应的磁通变化的暴露，因此聚磁电机的表面损耗自热远小于表面安装电机。

涉及聚磁电机的其中一个制造问题在于，磁体以在正常运行期间由于转子旋转而在磁体上包括向心力的方式安装于转子上。通常，聚磁磁体通过粘结、箍紧(通过非铁材料例如玻璃纤维、碳素纤维或凯夫拉尔(Kevlar)带)或将它们夹紧到转子表面进行安装。一种安装聚磁磁体的新装置，即本发明的主题，改善了上述的制造问题，提高了冷却效果并且使得电机易于装配。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供-改进的将聚磁永磁体安装到电机转子表面的方式。

本发明的另一个目的是提供改进的转子冷却方式。

本发明的又一个目的是提供改进的电机组装方式。

本发明的其他目的和优点将通过以下对优选实施例的描述变得更加显而易见，该描述结合相应的附图示例性地说明了本发明的原理。

附图说明

参照附图，通过随后的对本发明优选实施方式的详细说明，上述及其他目的、方面和优点将更容易理解，其中：

图1以径向横截面的方式示出了聚磁磁体的传统安装方式；

图2以轴向横截面示出了聚磁磁体的传统安装方式；

图3以径向横截面的方式示出了根据本发明的一种实施方式的倾斜的聚磁磁体的安装方式；

图4示出了根据本发明的一种实施方式的有效磁通区域的透视图；

图5示出了根据本发明的一种实施方式的无效磁通区域的透视图；

图6示出了根据本发明的一种实施方式的连接至磁体支撑区域的辐条的透视图；

图7以轴向横截面的方式示出了根据本发明的一种实施方式的聚磁倾斜磁体的安装方式；

图8示出了根据本发明的一种实施方式的联结至包括隔离件的磁体支撑区域的辐条的透视图；

图9示出了根据本发明的一种实施方式的叠片转子的三维视图。

具体实施方式

本发明的以下说明参照附图，附图构成其一部分且其中通过例示的方式示出了示例性实施方式，这些示例性实施方式例示了本发明的原理以及如何实施本发明。应当理解的是，其他实施方式也可用于实施本发明，并且可以在不脱离本发明的范围内对本发明进行结构和功能的改变。

传统聚磁磁体(Focused Flux Magnet)的安装、冷却和组装：图1示出了聚磁安装(focused flux mounted)的磁体3的传统安装方式1。非铁的内支撑环9通过发电机或电动机轴5的支柱7安装至发电机或电动机轴5上，支柱7之间具有一系列的轴向冷却通风口11，冷却空气通过该通风口吹过发电机。在发电机中，旋转转子13中的磁体3在外定子17的绕组15中感应(induce)电压和电流；在电动机中，定子17的绕组15中的电压和电流与转子13的磁体3相互作用从而引起转子13旋转。磁体3由铁极靴19沿圆周隔离开来，铁极靴19使得磁通21通过转子13的表面23传导至磁体3的磁极上，并且通过重叠它们而捕获磁体3。极靴19和受限的磁体3通过粘结(bond)到内支撑环9和周向箍紧(banding)而固定至内支撑环9上。

如图2所示，还采用铁销25进一步将极靴19固定至内环9上，其中所述铁销25经由孔27轴向穿过转子13，所述孔27位于所述极靴19中并终止于非铁端盖29。

较高的转子速度致使离心力将销25朝向转子13的轴向中点弯曲(无论是粘结还是箍紧)，并限制了电机的大小。本发明采用一种整体结构来减轻该问题。

传统的发电机冷却通过使空气轴向33流过中心轴通风口11来实现。由于内支撑环9阻碍来自冷却通风口11的径向空气流动，因此气流冷却了内支撑环9，但仅仅微弱或是间接地冷却了磁体3和极靴19，而定子17并未得到冷却。本发明提供了增强的直接围绕磁体并且通过转子和定子流动的空气，用于直接冷却，由此减轻了上述问题。

传统的聚磁机1装配困难。由于增加了磁体3和极靴19，因此磁体3彼此之间以及与铁极靴19强烈吸引或排斥，需要特别的固定装置来防止它们飞脱成是最终粘结在一起(ending up stuck together)。本发明通过一种磁力作用而提供更简单的装配，从而减轻上述问题。

采用倾斜(pitched)磁体的新型聚磁磁体安装方式：图3示出了安装聚磁磁体的改进的装置100。不同于径向安装，磁体102倾斜，以形成围绕转子110的圆周的包括波峰106和波谷108的锯齿模式104。通过将磁体轴向插入铁支撑环114内的倾斜槽112来形成该锯齿模式104。由轴118引出的辐条(spoke)116固定磁体支撑环114并采用窄金属狭条结构120连接在波谷108之间的中间。辐条116可以由允许形成一种包括支撑环114的连续模式的含铁材料形成，并且可从固体块切割或嵌入到(build into)叠片(叠片具有减小产生热量的涡电流以及其他表面损耗的突出优点)模式。无需采用分离的极靴19，锁定销122将辐条116模式(pattern)固定到转子轴118上。这种结构通过其连续和整体的结构提供了对离心力的更强的抵抗力。

如图4所示，包括斜峰106的区域是有效磁通区域(flux active region)127，此处磁通128远离转子表面130，由于邻接的磁体134具有相反的极性，因此此处具有一些漏磁通。通过使连接桥132变小来使该漏磁通最小化，由此它处于磁通饱和状态，并且形成对另外的漏磁通的高阻抗。

如图5所示，包括斜谷108的区域是无效磁通区域136，此处磁通128保持在支撑环114之内。尽管由于邻接的磁体142的极性相同，理论上在邻接的磁体142之间是没有漏磁通的，但是实际上磁体不同，并且将会产生一些漏磁通。通过使连接桥144变小来使该漏磁通最小化，由此它处于磁饱和状态，并且形成对另外的漏磁通的高阻抗。

尽管辐条116置于波谷108中间的中性磁通区域140中，在此磁通128是主要圆周，并且理论上应当没有漏磁通，但是实际上将会有一些磁通128泄露到辐条116中。如图6所示，辐条116通过狭条120连接至支撑环114以使漏磁通最小化。狭条120容易磁饱和，并形成对另外的漏磁通的高阻抗。

如图7所示，机芯148形成为多个分段150，分段150具有缺少槽112的非铁端盖152，其中径向分段隔离件156粘结于非铁端盖152上。此外，分段、隔离、径向空气通风口以及转子的叠片在定子154中连续。

如图7和8所示，隔离件156部分地由非铁外隔离件158构成，其中非铁外隔离件158越过连接获条120由支撑环114延伸至辐条销孔162。外隔离件158进一步加固了狭条120，同时不使磁通128短路。隔离件156通过内隔离件160从辐条销孔162径向向内完成，可以是含铁的。芯148通过铁辐条销164完成，该铁辐条销164将分段150压到彼此之上并且压到非铁端盖152上。

对于每分钟转数非常高的电机，提供支撑环销孔166和相关的具有非铁端盖152的支撑环销168来进一步支撑磁体102.

如图9所示，具有非常低的表面损耗和自热效应的叠片转子结构170采用开有槽112的铁叠片172和非铁无槽夹具叠片174形成分段150。这些沿圆周采用一些粘结点或点焊局部装配到分段150中，隔离件156粘结至夹具174。

更高的重量效率：图1和图3表示两个实质上电气特性一致的转子，其具有相同的全部转子参数、定子绕组和磁通。图1是传统的聚磁电机1，其具有长度为L且间隔距离为D的磁体3，图3是倾斜的聚磁电机100，其具有长度为L/2间隔距离为D的磁体102。忽略必须环绕转子的曲率影响(curvatureaffect)，改进的聚磁电机100的几何形状如图6所示。假定L＞D，锯齿模式104的倾斜角为

$\sin r=\frac{D}{L}$

而磁体支撑环114的厚度

$\mathrm{\δ}=\frac{L}{2}\cos r$

其小于传统聚磁电机1的极靴19厚度的一半。转子厚度的减小意味着改进的设计100相对于传统电机采用更少的材料并具有更高的重量效率。

改进的装配：由于磁体102将自我推进到槽122中并且在槽112内自我居中，而无需特殊的固定装置，因此装配变得更为容易。这些磁体通过平衡磁体到磁支撑环114含铁材料的吸引力与来自已经安装的磁体102的吸引力/排斥力来达到上述效果。

改进的冷却：如图7所示，倾斜磁体发电机铁芯148由被隔离件156隔开的层叠分段150构成。由于这种结构无需阻碍气流的内支撑环9，其允许大量的轴向冷却空气180由轴向通风口178径向向外182流过隔离件156之间的圆周间隙。这样产生热的磁体102和被加热的支撑环114均被直接冷却。

由于还可由流入转子-定子气隙184和经由定子154的径向通风口186流过定子154的径向流动空气182冷却，因此改进的冷却应用于定子154和其绕组124。

可替换实施方式：尽管已经示出和描述了本发明的若干示例性实施方式，本领域技术人员仍然可以想到各种改变及可替换的实施方式。在不脱离由所附权利要求定义的本发明的精神和范围的前提下，这样的改变和可替换的实施方式及其他的实施方式是可以预期和实现的。

Claims (21)

1.一种将至少两个永磁体固定至电机的转子轴上的设备，所述设备包括：

具有至少两个凹槽的支撑环，所述至少两个凹槽相对于从所述转子轴的中心放射的线倾斜多个角度；

周向间隔开的辐条，所述辐条将所述支撑环连接至所述转子轴；以及

插入到所述支撑环的倾斜的凹槽中的磁体。

2.如权利要求1所述的设备，所述设备还包括绕所述支撑环的圆周形成锯齿模式的多个倾斜的凹槽，其中多个磁体插入到绕所述支撑环的圆周形成锯齿模式的多个倾斜的凹槽中。

3.如权利要求1所述的设备，所述设备还包括位于所述辐条之间的周向间隔内的轴向通风口。

4.如权利要求3所述的设备，其中，所述支撑环被轴向分段，且每个分段通过径向隔离件与相邻的分段分开。

5.如权利要求4所述的设备，其中，来自所述轴向通风口的径向冷却空气通过所述分段之间的所述轴向间隔。

6.如权利要求5所述的设备，其中，径向转子冷却空气通过定子的径向空气通风口并冷却定子。

7.如权利要求1所述的设备，其中，所述支撑环包括多个叠片。

8.一种将至少两个永磁体固定至电机的旋转转子轴上的方法，所述方法包括如下步骤：

形成具有至少两个凹槽的支撑环，所述至少两个凹槽相对于从所述转子的中心径向放射的线倾斜，并且还包括

使周向间隔开的辐条延伸到转子轴并在转子轴的周围锁定；和

将所述至少两个磁体插入到倾斜的所述至少两个凹槽内。

9.如权利要求8所述的方法，其中，多个倾斜的凹槽形成为绕该支撑环的圆周的锯齿模式，其中多个磁体插入到所述多个倾斜的凹槽内。

10.如权利要求8所述的方法，所述方法还包括如下步骤，

在辐条之间的周向间隔内提供供冷却空气通过的轴向通风口。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述支撑环被轴向分段，并且每个分段通过径向隔离件与相邻的分段分开。

12.如权利要求11所述的方法，所述方法还包括如下步骤，

使用分段之间的轴向间隔使来自轴向通风口的径向冷却空气通过。

13.如权利要求12所述的方法，其中，转子径向冷却空气通过定子径向空气通风口并冷却定子。

14.如权利要求8所述的方法，其中，所述支撑环包括多个叠片。

15.一种电机，所述电机包括：

旋转转子；

具有至少两个凹槽的支撑环，所述至少两个凹槽相对于从所述转子的中心放射的线倾斜，并且还包括周向间隔开的辐条，所述辐条延伸到转子轴并在转子轴的周围锁定；和

插入到倾斜的所述至少两个凹槽中的磁体；并且其中，所述磁体将被固定在旋转转子上。

16.如权利要求15所述的电机，其中，所述支撑环还包括绕所述支撑环的圆周形成锯齿模式的多个倾斜的凹槽，其中多个磁体插入到绕所述支撑环的圆周形成锯齿模式的多个倾斜的凹槽中。

17.如权利要求15所述的电机，其中，所述支撑环还包括位于所述辐条之间的周向间隔内的供冷却空气通过的轴向通风口。

18.如权利要求17所述的电机，其中，所述支撑环被轴向分段，并且每个分段通过径向隔离件与相邻的分段分开。

19.如权利要求18所述的电机，其中，分段之间的轴向间隔用于使来自轴向通风口的径向冷却空气通过。

20.如权利要求19所述的电机，其中，转子径向冷却空气通过定子径向空气通风口并冷却定子。

21.如权利要求15所述的电机，其中，所述支撑环包括多个叠片。

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