CN102067411A - 永磁体转子和包括该转子的旋转机器 - Google Patents

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多米尼克·肯德明
米歇尔·拉伯尼
帕特里克·卡慕斯
斯特凡·杜法
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Moteurs Leroy Somer SA
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Abstract

本发明涉及一种用于旋转电机的转子(1)，该转子具有永磁体(7)，并能够聚磁，该转子包括：轴(2)，沿着转子(1)的旋转轴线(X)延伸；转子本体(3)，设于轴(2)上，该转子本体(3)包括用于将该转子本体安装在所述轴(2)上的中央开口(4)和径向定向的凹部(5)，永磁体(7)置于该凹部中；以及至少一个腔(6)，该腔位于分隔两个接连连续的凹部(5)的至少一个角形区(40)中，该腔既不通向所述中央开口(4)也不通向所述两个连续的凹部(5)，一个或多个所述腔(6)位于所述角形区中，并围绕所述转子(1)的旋转轴线(X)占据角范围(α)，该角范围大于或等于所述角形区(40)的角范围(β)的一半。

Description

永磁体转子和包括该转子的旋转机器
技术领域
本发明涉及一种旋转式电机，特别是涉及一种同步电机，更具体地说，本发明涉及一种具有转子的机器，该转子具有永磁体，并能够聚磁(concentrationde flux)。
背景技术
具有密集磁束的转子包括内部容纳有磁体的转子质量体，磁体接合在径向定向的容纳部中。
这种转子的优势在于可以在空气隙中获得比磁体的工作感应大的平均感应，因而可以通过使用基于铁氧体的磁体来降低机器的成本，或者可以使用基于稀土的磁体使机器更紧凑。
必须减少转子中的磁通损失，并且永磁体的磁通必须通过定子而不是通过转子或转子轴形成环路。
为此，已知若干解决方案，但每种方案均具有若干缺点。
如在EP 1 152 516 B1中描述的，位于磁体相反两端的磁极在磁性上被完全分开。因此围绕转子轴必须具有非磁性毂，或者具有本身是非磁性的轴。这种构造使得磁极的安装变得复杂，并且使用非磁性钢或铝来制造毂或轴较贵。
专利号为5 684 352的美国专利教导了将磁极的底端和顶端通过接受处理的区域连接在一起，所述处理使得叠片局部变成非磁性的。该解决方案涉及到进行较昂贵的热处理。
还存在在转子中形成一个或多个腔以限制磁通损失的解决方案。
于是美国专利申请2007/0252469描述了一种转子叠片，该转子叠片具有在容纳永磁体的容纳部的任一侧延伸的腔，所述腔通向多个容纳部内并在多个容纳部之间留有由宽度较窄的桥接部。这种解决方案具有的缺点在于，在磁极的中间部分会出现集中的机械力，这样在高速旋转时会损坏转子的机械强度。
美国专利6 133 663还描述了一种具有用于减少磁通损失的腔的转子叠片，每个腔在容纳永磁体的两个连续的容纳部的径向内端处通向所述容纳部。
专利申请FR 2 283 572公开了一种转子叠片，该转子叠片具有通向中央开口的腔，该中央开口使得该转子叠片能够安装在轴上。
专利申请JP 2000-209798描述了一种具有多个位于永磁体之间的圆弧形槽的转子叠片。磁体之间的垂直于中轴线定向的槽限制朝向内侧形成环路的磁通。这些槽的定向会影响转子在高速旋转时的机械特性，这是因为叠片在用于轴的通道周围的宽度较小。这些槽延伸至磁体与用于轴的通道之间的间隔。用于磁体的容纳部与槽之间的这种角重叠使得磁体必然与用于轴的通道间隔开，而这会限制适合用于给定尺寸的转子中的磁体功率。
美国专利申请2006/0290222描述了一种具有用于永磁体的容纳部的转子叠片，该叠片在容纳部之间不具有腔。
需要进一步改善磁通集中的转子，特别是需要在降低转子生产成本的同时从满意的电气及机械性能中获益。
发明内容
本发明旨在满足该需求，并旨在全部或部分地消除上述缺陷。
因而，在本发明的一个方面中，本发明提供了一种转子，该转子具有永磁体，并能够聚磁，所述转子包括：
轴，该轴沿着所述转子的旋转轴线延伸；
转子质量体，该转子质量体设于所述轴上，并包括：
中央开口，该中央开口用于将转子质量体安装在所述轴上；和
径向定向的容纳部，所述永磁体置于该容纳部中；以及
至少一个腔，该至少一个腔位于在两个连续的容纳部之间的至少一个角间隔、优选为每一个角间隔中，所述腔既不通向所述中央开口也不通向所述两个连续的容纳部，所述腔位于所述间隔中，并围绕所述转子的旋转轴线占据一角范围，该角范围大于或等于所述间隔的角范围的一半。
径向定向的容纳部可具有可选地与半径重合的长轴线。该长轴线可与半径平行。
这种容纳部包括最大径向尺寸大于最大周向尺寸(在距中心相同距离的两点之间并沿着经过所述点并垂直于二等分半径的线段测量的)的容纳部。
所述腔形成了位于所述永磁体之间的区域，在该区域中磁束不能容易地朝着所述轴穿过，由此限制磁束朝向转子的径向内部形成环路。具体地说，叠片的位于磁体容纳部和相邻的腔之间的部分具有磁通饱和，从而限制从其穿过的磁通量。
所述腔的最大径向尺寸可以大于或等于其最大周向尺寸。
叠片的位于所述腔和中央开口之间的环形部分的径向尺寸可以小于或等于叠片的位于转子质量体的外周的腔之间的环形部分的径向尺寸。
每个容纳部以及与该容纳部相邻的腔有利地可没有任何角重叠地角偏移。
而且，本发明可以使在容纳部和腔之间形成大量桥接部成为可能，以分散作用在转子质量体的径向内部上的离心力。
举例来说，这些桥接部的数量可以等于永磁体的数量的两倍。
举例来说，所述转子质量体通过组装转子叠片、通过机加工磁性材料块、或通过铸造填充有磁性颗粒的会聚物材料来形成。
所述转子质量体有利地通过组装转子叠片形成，每个叠片都为单件。因而转子不具有装配于其上的任何磁极件。
本发明能够避免利用较昂贵的非磁性部件例如非磁性轴或非磁性毂。转子轴因而可以由磁性材料例如C35E钢而不是由铝制成。
每个转子叠片例如可由磁性钢片切割而成，该钢片例如0.1mm至1.5mm厚，例如为M400-50A。叠片可以在被堆叠组装之前在其相对的表面上涂覆电绝缘漆。也可以通过对叠片进行热处理而实现绝缘。
当转子质量体由转子叠片堆叠构成时，腔和/或容纳部的分布有利地是规则的和对称的，由此使得更容易地切割转子叠片，并且使得更容易确保叠片在切割之后是稳定的。
位于两个连续的容纳部之间的每个间隔中的腔可以占据所述间隔的角范围的四分之三或四分之三以上。
在本发明的一个实施方式中，位于两个相邻的腔之间或位于腔与相邻的容纳部之间的桥接部的宽度例如可以在0.5mm至3mm的范围内。举例来说，两个连续的容纳部可以在角度上间隔开45度的角。
所述容纳部和所述腔通过环形部分与所述转子质量体的中央开口分开，该环形部分可具有在2mm至5mm范围内最小径向尺寸，例如，对于直径为140mm的转子叠片来说，该最小径向尺寸大约为3mm，但是该最小径向尺寸同样可以更厚或更薄，这取决于转子的直径。这种圆柱体形状的环形部分有助于转子的强度。
容纳部和磁体的数量取决于转子的极性。转子质量体可具有任意数量的成对容纳部，例如六个或八个容纳部。腔的数量可以大于或等于容纳部数量的一半。
所述腔的径向尺寸有利地小于或等于所述容纳部的径向尺寸，从而避免连续地降低磁体的密集磁束。
所述腔的径向尺寸例如可以约为所述容纳部的径向尺寸的一半。
所述容纳部的径向尺寸可以大于或等于容纳在所述容纳部内的永磁体的径向尺寸。这允许转子质量体和磁体的制造公差较大，并且能够使磁体利用离心法楔在容纳部中。
所述容纳部可以可选地向外部径向敞开。
对于两个间隔来说，所述转子质量体可包括一个腔，或者对于两个连续的容纳部之间的每个间隔来说，所述转子质量体可均包括一个腔，或者在一变型中，包括多个腔，例如两个腔，这些腔优选地彼此相同并相对于一中平面彼此对称。
所述腔有利地径向定向。径向定向的腔可具有可选地与半径重合或与半径平行的长轴线。
这些腔之间或腔与容纳部之间的桥接部有利地径向定向。
每个腔都可包括位于所述轴旁边的两个分支，这两个分支朝着定子成为一体。所述两个分支可以由朝着所述轴凹陷的边缘部分分开。
所述两个分支可以具有位于径向内侧的周向定向的边缘。
每个腔可具有从位于距所述旋转轴线一定距离处的区域开始朝向彼此会聚的边缘，该区域基本对应于所述磁体的径向内端的区域。这些边缘可经由圆弧会聚，并且可延伸成基本平行的边缘。
容纳部与相邻的腔之间的桥接部的宽度例如可在0.5mm至2.5mm的范围内，例如大约为1.5mm。
除了腔之外，转子质量体还可包括用于减轻转子的一个或多个孔，以使转子能够平衡，或以便将构成转子的转子叠片组装在一起。
每个永磁体的横截面都可以可选地为矩形形状。例如，每个永磁体的横截面可以为梯形或菱形形状。
腔和/或容纳部可以至少部分地或完全填充有非磁性合成材料。该材料可用于将磁体保持于容纳部中的合适位置和/或增加堆叠的叠片的粘结。
在合适的情况下，所述腔可以通过局部移除材料、例如通过移除腔内存在的诸如树脂的合成材料而用于平衡转子。也可以更大或更小程度地向腔内填充树脂来平衡转子，或者在树脂中设置孔，随后可以更大或更小程度地填充孔来平衡转子。
在适当的情况下，所述转子质量体可以包括一个或多个凸起部，从而有助于合适地定位磁体。容纳部可以容纳将磁体定位在容纳部中的楔形件。
每个转子质量体可以具有圆形或多叶片形的外轮廓，其中多叶片形可以用于例如减小转矩波动或电流或电压谐波。
每个容纳部均可具有相对于相应的永磁体的径向内部，该径向内部在侧向上由基本径向的相对边缘限定。每个容纳部可以具有相对于相应的永磁体的径向外部，所述径向外部具有远离所述轴朝向彼此会聚的边缘。这些径向内部和径向外部可有助于将磁体适当地定位在容纳部中。
在本发明的另一方面中，本发明还提供了一种用于旋转式电机的转子，该转子具有永磁体，并能够聚磁，所述转子包括：
轴，该轴沿着所述转子的旋转轴线延伸；
转子质量体，该转子质量体设于所述轴上，并包括：
中央开口，该中央开口用于将转子质量体安装在所述轴上；和
容纳部，所述永磁体置于该容纳部中，所述容纳部径向定向，并且每个所述容纳部均具有位于相应的永磁体的径向外侧的部分，所述部分具有远离所述轴朝向彼此会聚的边缘。
所述转子可以包括位于至少一个角间隔中的至少一个腔，优选地包括位于两个连续的容纳部之间的每一个角间隔中的至少一个腔。
本发明还提供了一种包括上述转子的旋转式电机，诸如同步电机或发电机。该电机可以具有带集中绕组或分布绕组的定子。
在本发明的另一方面中，本发明还提供了一种平衡上述转子的方法，其中，通过从至少一个腔移除材料或向至少一个腔添加材料来平衡所述转子，材料可以通过形成在腔内的树脂中的孔来添加。
被移除的材料例如可以是填充该腔的合成材料。
附图说明
通过阅读对本发明的非限制性实施例的下列描述以及仔细查看附图，将更好地理解本发明，其中
图1是根据本发明制造的转子的实例的示意性剖视图；
图2以正视图单独示出了转子质量体；
图3和图4示出了图2的质量体的实施方式的细节；以及
图5至图8示出了转子的变型实施方式的细节。
具体实施方式
图1所示的转子1包括沿着转子的旋转轴线X轴向地延伸的磁性转子质量体3，该转子质量体例如由沿着轴线X堆叠的一摞叠片形成，所述叠片例如均相同并被精确地叠置在一起。
转子1具有布置在磁性转子质量体中的相应容纳部中的多个永磁体7，使得两个连续的磁体7在它们的相向面上具有相同的磁极。
转子质量体3安装在轴2上，在所描述的实施方式中，该轴由磁性材料例如钢制成。
转子质量体3具有用于容纳轴2的中央开口4。
转子1置于定子(未示出)中，该定子包括例如可以被集中或分散的绕组。当用作同步电机时，定子用来产生用于驱动转子旋转的旋转磁场，当用作交流发电机时，转子的旋转在定子的线圈中感应出电动势(emf)。
转子质量体3的周缘形状可以是如图1所示的多叶片形，每个叶片10均在两个连续的磁体7之间延伸，并向外凸出。
根据本发明，腔6位于容纳部5之间以及磁体7之间，以限制由于磁束经由转子的轴2形成环路而引起的磁通损失。
每个容纳部5可具有径向尺寸l，该径向尺寸l大于或等于相应磁体的径向尺寸。
更具体地说，每个容纳部5可包括：主部5a，径向尺寸相当于相关磁体7的径向尺寸；以及端部5b和5c，分别位于磁体7的径向外侧和径向内侧。
举例来说，主部5a的形状与磁体7的横截面形状基本对应。
在所示的实例中，磁体7的横截面为梯形，并且容纳部5的主部5a具有相对边缘30，该相对边缘30呈直线形，且远离轴2朝向彼此会聚。
端部5b具有相对边缘31，该相对边缘31可以呈直线形，且比边缘30以更陡的角度朝向彼此会聚。
边缘31可以借助于端部边缘32连接在一起，举例来说，该端部边缘32与容纳部5的包含旋转轴线X的中平面M垂直地定向。在所示实例中，该中平面M包含半径，但也可以是其他结构。
边缘31不需要连接在一起，并且它们可以向转子的外部敞开，如图5所示。从而磁体容纳部向转子的外部敞开。
端部5c由相对边缘33侧向地限定，该相对边缘33朝着轴2向彼此会聚，并连接至垂直于中平面M延伸的端部边缘34。
在两个连续的容纳部7之间延伸的间隔40的角度范围限定为与容纳部5的边缘相交的半径(该半径在角度方向上相距最近)之间的角β。在该实例中，边缘33是在角度方向上最近的边缘，并且这些边缘基本上沿着径向延伸。
每个间隔40包括腔6，腔6占据围绕轴线X的较大角度范围，该角度范围在图1中以角α表示。
该角α对应于经过腔的在角度方向上分开最远的边缘的半径之间的角。
优选的是，容纳部与腔之间没有角重叠。在所示的实例中，容纳部与腔之间的角度差例如等于(β-α)/2。
每个腔6具有两个分支6a，分支6a在离开轴2延伸超过扩展部45后结合为单个分支6b。
分支6a由周向定向的边缘51在径向内侧限定。
分支6a由均基本平行于相邻边缘33延伸的相对边缘52侧向地限定。
扩展部45具有基本为半圆形的边缘54。
分支6b由朝向彼此会聚的例如呈圆弧形的相对边缘56限定。这些边缘56从轴2离开并连接至相对边缘57，该相对边缘57是直线形的且与腔6的包含旋转轴线X的中平面M平行。边缘57由呈圆弧形的边缘58连接在一起。
每个转子质量体3都具有围绕旋转轴线X连续地延伸的圆柱状环形部分。
举例来说，对于直径为140mm的转子来说，径向尺寸emin至少为2mm。然而，该径向尺寸可更大或甚至更小，这取决于需要承受的离心力和转子大小。
在容纳部5与相邻腔6之间延伸的桥接部80的宽度j可以例如在0.5mm至10mm的范围内，例如，在所描述的实施例中，该宽度约为1.5mm。桥接部80处于磁通饱和状态，由此限制磁束通过。
部分5b的径向尺寸k可以例如在2mm至3mm的范围内。
边缘33和30之间的连接点位于距开口4一定距离m处，该距离例如在2mm至4mm的范围内。
如果转子是由磁性叠片组件构成的，则可以将合成材料注入容纳部5和/或腔6中，从而将磁体堵塞在容纳部5中并且/或者确保堆叠叠片的粘结。所使用的材料可以例如是环氧树脂或热塑性材料。
磁体7也可以通过形成楔形而在离心力作用下通过夹紧被堵塞。
例如通过向腔填充树脂然后局部地移除所述树脂，或通过在所述树脂中形成孔并在孔中填充树脂或填充一个或多个配重并且所述配重填充孔或仅仅紧固是在孔上，腔6可以用于平衡目的。
当然，本发明并不限于上述实施方式。
例如，如图3所示，叠片3可以制成有孔8，该孔用于联接杆穿过以将堆叠的叠片组装在一起。
可以使用除梯形之外的形状的磁体，特别是矩形或菱形的磁铁。腔可被赋予一些其他形状，例如可以如图6所示，在两个连续的容纳部之间的各间隔中设置两个靠拢的腔6，或实际上每两个容纳部5之间仅具有一个腔6。
在图6中，可以看出两个靠拢的腔被径向延伸的中央条带81分开。这两个靠拢的腔的轮廓可以与上述参照图1描述的单个腔6的形状大体类似。
如图7所示，磁体可以特别在转子轴附近通过螺栓83保持在容纳部5中。
在存在螺栓83的情况下，磁体可以通过变窄的容纳部而保持在转子的径向外侧，这种变窄形成肩部82，该肩部82与包含在容纳部5的中平面中的半径基本垂直地延伸。
联接杆组件90可以穿过腔6，特别是穿过腔的径向最外侧部分，以便将叠片组装在一起，如图8所示。
表述“包括”应理解为与“包括至少一个”同义。

Claims (26)

1.一种用于旋转式电机的转子(1)，该转子具有永磁体(7)，并能够聚磁，所述转子包括：
轴(2)，该轴(2)沿着所述转子(1)的旋转轴线(X)延伸；
转子质量体(3)，该转子质量体(3)设于所述轴(2)上，并包括转子叠片的组件，每个转子叠片均为单件式叠片，所述转子质量体包括：
中央开口(4)，该中央开口(4)用于将所述转子质量体安装在所述轴(2)上；和
径向定向的容纳部(5)，所述永磁体(7)置于所述容纳部(5)中；以及
至少一个径向定向的腔(6)，该至少一个径向定向的腔位于在两个连续的所述容纳部(5)之间的至少一个角间隔(40)中，所述腔(6)既不通向所述中央开口(4)也不通向所述两个连续的容纳部(5)，位于所述间隔中的所述腔(6)围绕所述转子(1)的旋转轴线(X)占据一角范围(α)，该角范围(α)大于或等于所述间隔(40)的角范围(β)的一半，所述腔(6)形成了位于所述永磁体(7)之间限制磁通朝向所述转子(1)的径向内部形成环路的区域。
2.根据权利要求1所述的转子(1)，其中，所述轴(2)由磁性材料制成。
3.根据权利要求1或2所述的转子(1)，其中，所述腔(6)在所述间隔(40)中占据的所述角范围(α)大于或等于所述间隔的角范围(β)的四分之三。
4.根据前述任一项权利要求所述的转子(1)，其中，所述腔(6)的径向尺寸(l′)小于或等于所述容纳部(5)的径向尺寸(l)。
5.根据前述任一项权利要求所述的转子(1)，其中，所述容纳部(5)的径向尺寸(l)大于或等于相应的所述永磁体(7)的径向尺寸。
6.根据前述任一项权利要求所述的转子(1)，其中，所述容纳部(5)径向向外敞开。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的转子(1)，其中，所述容纳部(5)没有径向向外敞开。
8.根据前述任一项权利要求所述的转子(1)，其中，对于两个连续的所述容纳部(5)之间的每个间隔(40)，所述转子质量体(3)都包括一个腔(6)。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的转子(1)，其中，对于两个连续的所述容纳部(5)之间的两个间隔(40)，所述转子质量体(3)只包括一个腔(6)。
10.根据前述任一项权利要求所述的转子(1)，其中，所述腔(6)的径向尺寸大于周向尺寸。
11.根据前述任一项权利要求所述的转子(1)，其中，所述永磁体(7)的横截面均为非矩形形状。
12.根据权利要求11所述的转子(1)，其中，每个所述永磁体(7)的横截面均为梯形形状。
13.根据前述任一项权利要求所述的转子(1)，其中，所述容纳部(5)和/或所述腔(6)至少部分地或甚至全部地填充有合成材料。
14.根据前述任一项权利要求所述的转子(1)，其中，每个所述容纳部(5)都具有如下部分(5c)：该部分(5c)位于相应的所述永磁体(7)的径向内侧并在侧向上由径向的相对边缘(33)限定。
15.根据前述任一项权利要求所述的转子(1)，其中，所述转子质量体(3)具有多叶片形外轮廓(10)。
16.根据前述任一项权利要求所述的转子，其中，每个腔(6)具有位于所述轴(2)旁边的两个分支(6a)，这两个分支朝着定子延伸成为一体。
17.根据权利要求16所述的转子，其中，所述两个分支(6a)被扩展部(45)分开，该扩展部(45)具有朝着所述轴(2)凹陷的边缘(54)。
18.根据权利要求16或17所述的转子，其中，所述分支(6a)具有位于径向内侧的、周向定向的边缘(51)。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的转子，其中，每个所述腔(6)具有从距所述旋转轴线一定距离处开始朝向彼此会聚的边缘(56)，该距离基本对应于所述磁体的径向内端与所述旋转轴线的距离。
20.根据权利要求19所述的转子，其中，所述边缘(56)经由圆弧而会聚。
21.根据权利要求19或20所述的转子，其中，会聚的所述边缘(56)延伸到基本平行的边缘(57)。
22.根据权利要求1所述的转子，其中，每个所述容纳部具有位于所述永磁体(7)的径向外侧的部分(5b)，所述部分(5b)具有远离所述轴(2)朝向彼此会聚的边缘(31)。
23.根据前述任一项权利要求所述的转子，其中，所述转子包括多个腔，所述转子质量体包括叠片，并且所述转子包括用于将磁性的所述叠片组装在一起的联接杆(90)，所述联接杆穿过所述腔，特别是穿过所述腔的径向外侧部分。
24.一种用于旋转式电机的转子(1)，该转子具有永磁体(7)，并能够聚磁，所述转子包括：
轴(2)，该轴(2)沿着所述转子(1)的旋转轴线(X)延伸；
转子质量体(3)，该转子质量体(3)设于所述轴(2)上，并包括转子叠片的组件，每个转子叠片均为单件式叠片，所述转子质量体包括：
中央开口(4)，该中央开口(4)用于将所述转子质量体安装在所述轴(2)；和
容纳部(5)，所述永磁体(7)置于所述容纳部(5)中；以及
至少一个径向定向的腔(6)，该至少一个径向定向的腔(6)位于在两个连续的容纳部(5)之间的至少一个角间隔(40)中，所述腔(6)既不通向所述中央开口(4)也不通向所述两个连续的容纳部(5)，位于所述间隔中的所述腔围绕所述转子(1)的旋转轴线(X)占据一角范围(α)，该角范围(α)大于或等于所述间隔(40)的角范围(β)的一半，每个所述容纳部(5)和相邻的所述腔(6)角偏移而没有角重叠。
25.一种包括前述任一项权利要求中所述的转子的旋转式电机。
26.一种平衡如在权利要求1至24中任一项所述的转子(1)的方法，其中，通过向至少一个所述腔(6)增添材料或从至少一个所述腔(6)移除材料而使所述转子(1)平衡。
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