CN102124633A - 具有t形磁体楔子的用于旋转电动机械的内部转子 - Google Patents

Abstract

本发明特别涉及一种用于旋转电动机械的具有埋入磁体的内部转子(1)，该转子包括：轴(2)；由磁性材料制成并且围绕该轴的多个极部件(30)，该极部件在它们之间限定了磁性凹槽(40)；放置在该磁性凹槽(40)中的多个永久磁体(4)；沿着该轴(2)的长度在轴向处于该极部件的每个侧面上的侧向挡板(5、5’)，该轴延伸穿过每个侧向挡板。根据本发明，该凹槽在径向被与该极部件中的纵向沟槽(31)相互作用的楔子(51)所封闭。该转子的特征在于，该楔子是T形的，在该极部件中该楔子的径向承载面(54)垂直于该凹槽(40)的中心半径(41)。该转子的特征还在于，由于该楔子(51)在轴向延伸超过该极部件，它们的端部(511)变薄并且接合进入每个侧向挡板(5、5’)的外围通道(52)。

Description

具有T形磁体楔子的用于旋转电动机械的内部转子

本发明涉及电动旋转机械，其中转子包括永久磁体。更准确地说，本发明涉及磁体放置在转子的凹槽中的机械。所涉及的电动机械一般通过表述“埋入磁体”来说明。转子的这种布置原理广泛应用于自控制通量密度同步机械中。

电动旋转机械的尺寸取决于其额定转矩。电动机能够传递的转矩越高，该电动机也就越大，所有其它情况也是一样。然而，存在一些应用，其希望同时实现相当大的功率以及电动机的较大程度的紧凑性。简单给出一个实际例子，当希望将牵引电动机安置在机动车辆的车轮中时，对于可能的最小重量(为了尽可能地限制悬挂重量)，就会希望能够开发出每个电动机至少10kW的功率，并且甚至时常希望能够开发出每个电动机至少25或30kW的功率。还希望空间需求非常小，尽量小于车轮的内部体积，从而在悬挂行程中以及在车轮相对于车辆车体外壳的其它类型的移动中不与车辆的元件发生干涉。

这两种要求(功率要高、空间需求和重量要低)导致了如果不对目前在市场上可获得的电动机械的重量/功率比进行根本改进，那么将牵引电动机安装在客用车辆的车轮中就是很成问题的。

在设计电动机的时候对于电动机选择较高的速度，对于给定的功率，这是可以减小转矩并从而降低空间需求的一种方案。换言之，对于给定额定功率的电动机，其额定旋转速度越高，其空间需求就会越低。

另一方面，提升电动旋转机械的旋转速度会产生很多问题，特别是对于由转子元件支持的离心力而言，尤其是磁体。

(机械和声学)振动也是随着旋转速度增加而产生的一个困难。

在专利申请EP 1001507中已经提出了用于实现高旋转速度的一种特定设计。在该专利申请中提出的速度为12000rpm的级别，对此提出了组件的一种特别的布置方式，该组件由多边形整体式轴以及特意围绕该轴放置的极部件构成。

在专利申请EP 1359657中已经提出了一种改进形式，可以达到20000rpm级别的速度，为此提出了一种布置方式，使用了楔子以在径向将磁体锁定在其榫槽中。

本发明的一个目的是提出一种改进的转子，其特别地具有对于离心力的抵抗性，从而其具有尺寸稳定性。

因此，本发明涉及一种用于电动旋转机械的埋入磁体内部转子，所述转子包括：

●轴，

●由磁性材料制成并且围绕所述轴的多个极部件，所述极部件在它们之间限定了榫槽，

●放置在所述榫槽中的多个永久磁体，

●沿着所述轴在轴向处于所述极部件的每个侧面上的侧向挡板，所述轴穿过每个侧向挡板，

●其中所述榫槽在径向被与所述极部件的纵向键槽相互作用的楔子所封闭，所述转子的特征在于，所述楔子具有T形轮廓，在所述极部件中所述楔子的径向承载面垂直于所述榫槽的中心半径，而且，由于所述楔子在轴向延伸超过所述极部件，它们的端部变薄并且折叠进入每个侧向挡板的外围沟槽。

优选地，所述楔子基本上与所述转子的表面平齐。

仍然优选地，所述楔子的径向外表面具有穹顶形状，从而使得所述极部件的表面的径向外弯曲部分得以延伸。

仍然优选地，所述楔子的端部与每个侧向挡板的外围沟槽的外壁接触。

仍然优选地，每个侧向挡板(5、5’)的外围沟槽(52)的外壁(521)相对于轴向方向以基本上小于90°的角度倾斜。

本发明还涉及包括这样的转子的电动旋转机械。

根据基于如下附图的说明书的剩余部分，本发明将会得到更好的理解：

●图1是根据能够在图2和图3中看见的虚线A-A的沿着根据本发明的转子的轴线的剖视图。

●图2是根据能够在图1中看见的线B-B的垂直于图1的转子的轴线的部分剖视图。

●图3是根据能够在图1中看见的线C-C的垂直于图1的转子的轴线的剖视图。

●图4是轴2的立体图。

●图5a是沿着挡板和磁体楔子的具体实施方案的转子的轴线的一段的立体图。

●图5b是沿着在侧向挡板的外围沟槽中的磁体楔子的折叠端部的转子的轴线的一段的具体图。

●图6是根据本发明的转子的第二实施方案的类似于图1的图。

●图7是比例非常大的立体图，显示了极部件金属片和根据本发明的磁体楔子的第一实施方案。

●图8至图10是类似于图7的图，显示了根据本发明的楔子的其它实施方案。

附图显示了用于六极机械的转子1，其还包括未示出的定子。转子1包括依靠在轴承20上的整体式轴2。能够看见六个极部件30，其优选地由一堆铁磁金属片3形成。每个金属片3基本上垂直于轴的轴线。金属片可以非常薄，例如为十分之几毫米的级别，例如0.2mm。顺便简单地注意到，本发明对于实心极部件(未分层)的情况也是有用的。

在轴向在轴2的任一侧面上，能够看见侧向挡板5、5’(优选地由非磁性材料制成)位于极部件30的每一侧面上。图1还显示了两个任选的中间挡板7(优选地也由非磁性材料制成)。每个侧向挡板以及适当情况的每个中间挡板7都包括中心开口。在图1中描述的非限制性例子中，侧向挡板的中心开口的形状是圆形，而中间挡板的中心开口的形状被调节为轴2的形状，也就是说在这种情况下为具有键槽的形状。

对于每个极部件30，连结杆6穿过一堆金属片3(以及适当情况的中间挡板)，并且可以将组件夹持在侧向挡板5和5’之间。因此，由极部件支持的离心力被侧向挡板所吸收(在适当的情况下，除了任何其它装置之外被中间挡板所吸收)。

在这种情况下，轴2还包括内肩部22，该内肩部22设计为与第一侧向挡板5相互作用，以便确定其轴向位置，并且因此确定在轴上的极部件的轴向位置(特别参见图1、图4、图5a和图6)。优选地，轴的肩部22依靠在挡板的端面50的底部。外环26通过将挡板在轴向按压在轴的肩部上而使得挡板固定不动，该外环例如通过冷缩配合固定至轴。因此，第二挡板(其能够满足“浮动”要求)并不依靠在轴的肩部上，而是保持为根据堆叠的热膨胀而在轴向自由移动。这种浮动的挡板可以包括基本上等同于固定不动的挡板的端面的端面，或者相反地，可以如本文所示贯穿其厚度进行钻孔(参见第二挡板的孔50’)。

平行六面体的永久磁体4显示为在极部件30之间放置在榫槽40中。榫槽被中间挡板7所打断。因此，在图1的例子中，每个极都有3个磁体，然而在图6的例子中，每个极仅仅只有2个磁体。每个磁体的榫槽都被磁体楔子51所封闭。

此外，在图2中或者在图7中能够看出，极部件30的纵向面300的每一个都包括平行于转子的轴线的键槽31，挖空至接近每个极部件30的外边缘32的径向水平(并且因此接近每个金属片3的外边缘的径向水平)，而且所述极部件的高度(或者更准确地说是径向尺寸)稍微大于磁体4的高度。因此，每个楔子51依靠在放置在每个相邻极部件上的两个键槽31上。因此，磁体4以机械方式紧固至极部件30。每个键槽31的基本功能是形成肩部，从而抵抗楔子和磁体的离心作用。极部件本身依赖于连结杆和侧向挡板(以及必要情况下的中间挡板)而紧固在一起。

根据本发明，楔子51是T形的。当看着放置于转子的顶部的楔子时，“T”是上下颠倒的(图2以及图7至图10)。“T”和键槽31的凸缘具有平坦径向承载表面(分别为54和33)，也就是说，垂直于榫槽40的中心半径41的表面。特别地，在图7中能够清楚地看出这一点。一方面，楔子51和键槽31的这种轮廓使得转子能够承受离心作用而在这种情况下不会产生倾向于使得榫槽40变宽的任何力。

另一方面，“T”的径向部分(足部)填充了极部件之间的空间，其使得转子具有了几乎光滑的外表面(即使在没有研磨的情况下)，因为楔子的径向外表面53与极部件的外表面32平齐。

如图7中可见，键槽31的角落以及楔子51的边缘优选地是倒圆的，例如倒圆半径为大约0.5mm，以便限制应力的集中。

楔子53的顶部可以甚至如图8中所示稍微具有穹顶形状(优选地采用了与转子外表面相同的半径)，以便准确地使得金属片的外边缘32的弯曲部分得以延伸。通过这种方式，高速旋转又一次导致了较小的声学振动(噪音)。

在图9中示出的轮廓等同于图8的轮廓，除了对于“T”的径向部分，其在这种情况下的宽度不是恒定的而是朝向转子的外部逐渐减小。金属片3的切去部分当然也具有匹配的形状。

图10再一次显示了另一个实施方案，其中“T”的径向部分在恒定宽度的一部分之后朝向转子的外部倾斜延伸(tapers)。

如图5a和图5b中具体所述，楔子51的端部511在轴向在任一侧在侧向挡板的凹槽中延伸超过极部件。优选地，端部511在侧向挡板的外围沟槽52中弯曲过来，从而在其中在轴向固定不动。还已经发现，这种布置方式在电动机高速旋转时对于声学振动(噪音)是有利的。为了使其能够折叠过来进入外围沟槽52，楔子的端部511优选地制造为较薄，同时不包括T形轮廓的径向部分。然后，端部511成为舌片的形式。再次优选地，外围沟槽52的外壁521相对于轴向方向以基本上小于90°的角度倾斜，例如以70°级别的角度倾斜，以便在楔子弯曲过来的时候产生楔子的轴向夹持。

优选地，极部件30包括设计为与轴2的键槽21相互作用的凸榫。正是这种连接将转矩从极部件直接传递至轴。优选地，键槽21具有平行的壁，并且与具有同样平行的承载面的凸榫相互作用。由于极部件优选地由一堆铁磁金属片3形成，每个金属片都包括基本上为矩形的径向凸出部34，其形成凸榫的一部分。自然地，如果只是极部件的金属片的一个部分包括这种凸出部，应力将会集中在这些金属片上。

图2和图4显示了轴优选地包括和极一样多的键槽(在此情况下数量为六个)，但是能够理解的是，取决于涉及的力，将其本身限制为只有4、3或者甚至2个键槽也是有可能的。

肩部22优选地对应于轴的中心键槽部分23的端部。因为存在面50和孔50’，这些端部然后回缩进入挡板5和5’。通过这种方式，堆叠的端部金属片不能从轴的键槽中心部分23脱离。这在转子的组装过程中是特别有利的。

还能够将配重附加至挡板，从而使得转子的静态和动态平衡趋于完美。

根据图1、图3和图6的本发明的实施方案，配重具有无头螺钉101的形状，其位于挡板中的螺纹钻孔102中。优选地，钻孔在这里设置为面对磁体4，从而使得平衡螺钉能够在轴向夹持磁体。因此，除了用于六个连结杆6的六个通道61之外，每个挡板都包括六个螺纹钻孔102。

根据本发明的第二实施方案，配重103可以位于连结杆的端部60中的缺口104中。例如，配重可以采取无头螺钉的形式，从而与在连结杆的缺口中或者甚至在连结杆62的螺钉头中制造的螺纹相匹配。

能够理解，通过改变对于每个配重选择的位置，长度和/或材料，可以调节转子的平衡。由于螺纹的数量受到限制，常常必须要将两个配重的效果结合起来，每个配重位于特定的钻孔中以便获得足够精细的平衡。为了获得令人满意的动态平衡，在两个侧向挡板的每一个上都放置配重常常是有用的。

优选地，通过连接它们的螺纹，配重也是固定不动的，从而保证它们被保持在其轴向位置。

附图还显示了特定的连结杆6和连结杆螺钉62。连结杆的头部下沉进入其中一个挡板(在此处于图的右边)，并且简单地被卡环63所阻挡，该卡环63与挡板的肩部64相互作用。连结杆螺钉62是下埋头部下沉进入挡板厚度的螺钉(在图中处于左边)。

这种设计可以一方面降低转子的轴向空间要求，并且另一方面获得几乎光滑的挡板，并且因此几乎不产生噪音。

图6的转子的中间挡板7的中心开口是圆形的，也就是说，其并不可能将旋转力传递至轴。在这个例子中，因此，全部转矩都通过金属片的凸出部34而传递至轴，因为所有的挡板(侧向挡板和中间挡板)都以旋转方式滑动地安装在轴上。另一方面，能够选择图1中所示的构造(其中中间挡板也包括凸榫)，从而在组装转子时使得传递转矩以及对准连结杆的通道61都更加容易。

根据本发明的转子无损地承受非常高的旋转速度，远远高于10000rpm，亦即至少20000rpm级别的速度。根据本发明的转子对于离心作用的强大抵抗性使其可以将间隙(也就是说电动机械的转子和定子之间的径向距离)进一步减小至大约0.2至0.3mm。

附图显示了六极转子，也就是说包括3对极，但是本领域技术人员能够将本申请公开的技术内容转移至包括例如2、4或5对极(而不是三对极)的转子。

Claims (6)

1.一种用于电动旋转机械的埋入磁体内部转子(1)，所述转子包括：

●轴(2)，

●由磁性材料制成并且围绕所述轴的多个极部件(30)，所述极部件在极部件之间限定了榫槽(40)，

●放置在所述榫槽(40)中的多个永久磁体(4)，

●沿着所述轴(2)在轴向处于所述极部件的每个侧面上的侧向挡板(5、5’)，所述轴穿过每个侧向挡板，

●其中所述榫槽在径向被与所述极部件的纵向键槽(31)相互作用的楔子(51)所封闭，所述转子的特征在于，所述楔子具有T形轮廓，在所述极部件中所述楔子的径向承载面(54)垂直于所述榫槽(40)的中心半径(41)，而且，由于所述楔子(51)在轴向延伸超过所述极部件，所述楔子的端部(511)变薄并且折叠进入每个侧向挡板(5、5’)的外围沟槽(52)。

2.根据权利要求1所述的转子，其中所述楔子基本上与所述转子的表面(32)平齐。

3.根据权利要求2所述的转子，其中所述楔子的径向外表面(53)具有穹顶形状，从而使得所述极部件(30)的表面(32)的径向外弯曲部分得以延伸。

4.根据前述权利要求的一项所述的转子，其中所述楔子的端部(511)与每个侧向挡板(5、5’)的外围沟槽(52)的外壁(521)接触。

5.根据前述权利要求的一项所述的转子，其中每个侧向挡板(5、5’)的外围沟槽(52)的外壁(521)相对于轴向方向以基本小于90°的角度倾斜。

6.一种电动旋转机械，包括根据前述权利要求的一项所述的转子(1)。

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