CN103036334A - 用于旋转电机的永磁体转子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于旋转电机（1）的永磁体转子（3），包括具有旋转轴线（A）的一转子本体（10）和多个径向磁体（4），其中，所述磁体（4）具有位于转子本体（10）的外表面（30）附近的头部（5）和朝向所述旋转轴线（A）的基部（6）。每个磁体（4）的基部（6）的宽度小于所述头部（5）的宽度。

Description

用于旋转电机的永磁体转子

技术领域

本发明涉及一种用于旋转电机的永磁体转子。特别是，转子具有最大磁通密度和径向设置的永磁体。本发明特别是应用于构造同步电机。

背景技术

在同步电机中，转子具有多个永磁体，其磁场与定子电路的绕组相互作用。定子和转子之间的磁相互作用产生了机械力。

安装在转子上的永磁体的数量确定了转子自身的磁极数量。

已知用于同步电机的转子的各种实施例。在这些实施例之中，考虑用于同步电机的两个特定种类的转子。第一类被称为“表面磁体”，而第二类被称为“径向磁体”。

这两类之间的主要区别在于转子内部磁体的布置。

对于基本圆筒形的转子来说，在“表面磁体”型转子中，磁体沿转子自身的圆柱面布置。于是，该类转子的极延确切地说是沿转子的侧表面布置。

相反，“径向磁体”类的转子具有沿径向方向布置的磁体。换句话说，单个磁体的主延伸方向从转子的旋转轴线径向地指向。

第一构造方案（“表面磁体”）一般是利用由包括稀土元素（例如，NdFeB）的合金制成的永磁体来实现的，具有很高的磁感应强度（例如，1.2T）。

实际上，在使用高性能磁体（例如，确切地说，具有稀土元素的磁体）的情况下，“表面磁体”类型能够获得更大的电机紧凑性，同时获得高转矩密度。由布置在表面上的稀土磁体制成的转子是优选用于获得具有高转矩密度并具有高尺寸紧凑性的电机的类型。

然而，稀土元素的成本最近显著地增加了。这意味着生产成本大幅度增加（多达1/4），对于最终的同步电机来说也是一样的。

因此，为了获得紧凑的、高性能的（即，具有高转矩密度）并且在经济和生产方面都同时可承受的同步电机，考虑到实现这样一种同步电机，其具有“径向磁体”型转子，磁体是用性能比稀土元素低的材料制成的（例如，铁氧体磁体）。

对比这两种磁体，最值得注意的是，稀土磁体具有大约1.2T的磁感应强度，而铁氧体磁体具有大约0.4T的磁感应强度。

本发明面临的挑战在于实现一种“径向铁氧体磁体”型同步电机，它在紧凑性和高性能方面类似于等同的“表面磁体”型电机，但在生产的经济性方面是有利的。

正如所注意到的，稀土磁体的磁感应强度值是铁氧体磁体的磁感应强度值的“三倍”。如果希望保持紧凑的电机尺寸，则对提高转子性能有影响的另一个参数是可用于磁通线展开的表面。因此，“径向磁体”型转子的可用表面（Smr）必须至少为“表面磁体”型转子的可用表面（Sms）的三倍：Smr=3·Sms

因此，“表面磁体”型转子的可用表面是：Sms=2·π·R·L，其中，R为转子的半径，并且L为转子的圆柱面的长度。

相反，“径向磁体”型转子的可用表面遵循公式：

Np表示极延数（磁极），R表示转子的半径（因此，磁体的外半径），并且Ra表示磁体的内半径。

上述公式的差异是基于以下事实：在“表面磁体”型转子中，用于输送可用磁通的可用表面是沿两个同心的圆周设置的。

在“径向磁体”型转子中，用于输送可用磁通的可用表面是侧表面，即，沿基本上径向方向设置的表面。于是，在对于“径向磁体”型结构的最大可用表面的计算中，包括了侧表面（即，项（R-Ra））及其数量（即，磁极数，Np）。

在紧凑性限制因素之后，转子的长度L是希望对两类结构都保持不变的参数。因此，为了补偿“三倍”磁感应强度，只能对在“径向磁体”型转子上可实现的磁极数（公式中的Np）进行改变。

如果把上述公式结合起来，假设内半径（Ra）等于零的极端情况下，在两种类型中获得相同转矩密度的最小磁极数（Np）等于20。获得Ra等于零的转子是不可能的，这意味着Np必须一定大于20。

此时，产生了对于实现不仅紧凑而且具有高磁极数的转子而言的技术限制条件。实际上，在该结构中，不容易使高磁极数、转子的结构机械强度、对与定子联接的磁通的高磁导和对非可用磁通(即，环回到转子自身上的磁通)的低磁导相互调和。

发明内容

在此背景下，作为本发明基础的技术任务是提出一种用于克服现有技术上述缺陷的解决方案。

本发明的目的是提出一种具有低剩磁感应的“径向磁体”型永磁体转子，其性能与具有高剩磁感应的“表面磁体型”永磁体转子相同，总尺寸也等同。

本发明的另一目的是提出一种具有高磁极数且同时具有高结构机械强度的“径向磁体”型永磁体转子。

本发明的另一目的是提出一种“径向磁体”型永磁体转子，其具有高性能，并且特别是能够使对于与定子联接的磁通的磁导最大并使对于非可用磁通（即，环回到转子自身上的磁通）的磁导最小。

通过包括有在所附权利要求的一项或多项中所述的技术特征的永磁体转子，基本上实现了所述技术任务和指定目的。

附图说明

通过对附图所示永磁体转子的优选但非唯一实施例的概述且非限制性说明，将明白本发明的其他特征和优点，其中：

图1是包括根据本发明的永磁体转子的旋转电机的透视图；

图2是根据本发明的永磁体转子的透视图；

图3是图2中永磁体转子的第一放大细节图；

图4是图2中永磁体转子的第二放大细节图；

图5是第二实施例中永磁体转子的第二放大细节图；

图6示出了在根据本发明转子中的永磁体的替代实施例。

具体实施方式

参见附图，1表示旋转电机的总体，该旋转电机包括根据本发明的永磁体转子3和定子2。

电机1还包括接线盒50，用于连接至主电源，特别是用于给定子电路提供电力。

转子3包括驱动轴25，该驱动轴通过至少两个已知类型的轴承而与定子相联。

转子3包括转子本体10和多个永磁体4。

转子本体10具有基本上与驱动轴25的纵轴线重合的旋转轴线“A”。为了图示方便，图2中所示的所述转子本体10具有特意减小的厚度（沿着轴线“A”）。实际上，该厚度也可以大得多。

转子本体10由多个沿旋转轴线“A”压紧到一起的小板20限定而成。这些小板20各自的厚度介于0.3mm到5mm之间，因为以这样的方式，它们与铸造块相比在机床上加工起来简单很多。小板20是由铁磁材料制成的。

转子本体10具有多个径向延伸部11和多个容纳座12，径向延伸部11夹置在容纳座12之间，容纳座用于容纳磁体4。径向延伸部11以及因此容纳座12围绕旋转轴线“A”以相同角度间隔开。

所述径向延伸部11模制在上述小板20上。

转子本体10还包括支承环18，支承环在内侧可以例如通过键26而稳定地连接至驱动轴25，而在支承环外表面上支承环机械地支承径向延伸部11，从而给予转子本体10机械一体性。

每对相邻的径向延伸部11具有各自的外周部分14，它们互相间隔开，以便限定出各分隔开口13，适用于阻止磁通在所述外周部分14之间直接通过。优选是，分隔开口13沿转子本体10的整个长度（沿轴线方向）延伸。

所述分隔开口13具有的特殊效果是对由磁体4产生的磁通形成“屏障”，在没有分隔开口13的情况下，磁通将在两个相继的径向延伸部11之间形成环路并且不会与由定子2产生的磁通联接。实际上，分隔开口13（是虚拟气隙）阻断磁通线，否则磁通线会从一个径向延伸部11传播至相邻的一个径向延伸部11，即，不与定子2的磁通联接，从而限制了由电机1所产生的最大转矩。

如可以在图3中看到的，每个径向延伸部11的外周部分14还具有横向钩挂部分15，其面向相邻的径向延伸部11（从而处于“T”构型），以便将相邻的磁体4保持在各容纳座12内。

如可以在图3中看到的，横向钩挂部分15沿基本上与转子本体10的外表面30相切的方向延伸，并且接合各相邻的磁体4。特别是，径向延伸部11的横向钩挂部分15界定并限定了分隔开口13的尺寸。所述横向钩挂部分15还具有限制“齿槽转矩”的功能。“齿槽转矩”是由永磁体和定子齿槽的相互作用所产生的转矩，是非常不希望有的，因为它妨碍转子的正常旋转，导致在电机中产生振动和噪声。横向钩挂部分15能够减小旋转磁阻的变化，从而限制“齿槽转矩”。

观察图4的细节可以看到，转子本体10的每个径向延伸部11具有在基部处的饱和部分16。每个饱和部分16在结构上处于支承环18和每个径向延伸部11的外周部分14之间。

术语“饱和”是指在每个饱和部分16的可用截面内磁通达到最大，从而处于不能接受任何额外磁通的状态。

特别是，将提到“可用磁通”和“寄生磁通”。

“可用磁通”定义的是由转子的永磁体产生的穿过转子和定子之间的气隙并与由定子产生的磁通联接的磁通。“可用磁通”越大，则能由电机产生的转矩就越大。

“寄生磁通”定义的是由转子的永磁体产生的环回到转子自身上并且不与定子磁通联接的磁通。由于“寄生磁通”不与定子磁通相互作用，因此其不产生电机功率；从而其被称为“寄生”。

特别是，由于在转子3中处于内部位置，因此饱和部分16基本上被环回到支承环18上的并从而不与定子2联接的“寄生磁通”线穿过（并饱和）。饱和部分16的尺寸和几何结构影响所述“寄生磁通”线的行为。

每个磁体4按基本上径向的定向设置在各个容纳座12内。每个磁体4在沿基本上垂直于旋转轴线“A”的平面的截面中具有位于转子本体10的外表面30附近的头部5和面向旋转轴线“A”的基部6。径向延伸部11的外周部分14和磁体4的头部5共同限定了转子本体10的外表面30的轮廓。

有利地，每个磁体4的基部6的宽度小于头部5的宽度，所述宽度是沿几乎与磁体4自身的径向延伸方向相切的方向来观察的。

该特征能够使相邻磁体4之间的距离减小，因为该特征能使磁体4之间彼此非常靠近，同时各基部6相互不干涉并且不会过度减小转子本体10的径向延伸部11的饱和部分16的可用截面。因此，这样就能够在在转子3中插入更多个磁体4，同时不过分牺牲转子本体10的必要机械强度。

因此，头部5的宽度和基部6的宽度之间的尺寸关系能够使磁体4自身的径向延伸最大化，完全有利于产生磁通的可用表面。

特别是，利用如上所述磁体4的具体结构，磁体4的数量能达到等于或者大于二十个。换句话说，所述等于或者大于二十的数量可与磁体4围绕旋转轴线“A”的角度分布联系起来理解。因此，所述等于或者大于二十的数量意味着两个相邻的磁体4间隔开等于或者小于360°/20（即，18°角）的角度。利用磁体4的这种密度，根据本发明的转子3成功地产生了高转矩密度，同时限制了总尺寸。

在图2-5的实施例中，每个磁体4的基部6具有朝旋转轴线“A”渐缩的结构，如可以在图4-5的细节中容易地观察到的。

每个基部6的渐缩形状能够使各个磁体4在径向接近，并且能用来限定每个径向延伸部11的饱和部分16的精确几何结构。

特别是，在图4-5的实施例中，各个饱和部分16在径向方向的延伸部具有等截面。

换句话说，观察如图4的前视图中所示的转子3，各个饱和部分16具有几乎恒定的宽度（与饱和部分的径向延伸方向相切）。这样能够优化作用在饱和部分16自身上的机械应力的状态，并且从而最大程度地减小了当转子3运转时径向延伸部11突然断裂的风险。

令人惊讶地已经发现，按上述方式形成的饱和部分16被饱和，确切地说被“寄生磁通”饱和。磁通的这种饱和产生了“磁障”，其阻止了由各个磁体4产生的其他磁通线朝着转子环回，并且倒是促进了所述磁通线朝定子磁通方向的流出，从而将所述磁通线转换成“可用磁通”。

根据在附图中未图示的一替代实施例（但是仍然受益于上述饱和效果），各个饱和部分16具有不恒定的横截面，相反，具有截面减小的部分，其中，厚度足够小以实现磁通的饱和。优选是，截面减小的该部分具有小于

的最小厚度，其中，R是磁体相对于旋转轴线的外半径，并且Ra是磁体相对于旋转轴线的内半径。优选是，所述最小厚度介于

到

之间。

在图5所示第二实施例中，在各个磁体4的基部6与支承环18之间有基础气隙21。换句话说，各个磁体4部分地占据相应的容纳座12，容纳座12具有在基部6和支承环18之间的材料空隙，即基础气隙21。

具有基础气隙21的该实施例便于把磁体4组装在转子本体10内，因为在该基础气隙21的区域中在插入磁体4期间没有摩擦；并且该实施例还能够简化磁体4自身的制造，因为在面对基础气隙21的磁体表面中不需要任何特殊的尺寸精度。

优选是，基础气隙21中可以填充非磁性填料，以进一步给予转子3结构一体性，并且最大程度地减小转子本体10的径向延伸部11与磁体4之间的相对运动。

在图6所示的替代实施例中，各个磁体4是由多个子磁体40构成的，该多个子磁体40沿径向方向相互叠置并且具有朝轴线“A”连续递减的横截面，从而磁体4在基部6中至少具有阶梯式减小的宽度。换句话说，在该结构中，磁体4是组合式磁体。特别是，横截面是指各个子磁体40沿垂直于一系列子磁体40所处径向延伸方向的方向上的宽度。

在该实施例中也可以发现径向延伸部11的饱和部分16的磁饱和的惊奇效果。实际上，在该例中，由磁体4产生的“寄生磁通”也导入到饱和部分16中，从而磁性地“填充它”。在该实施例中，显然各个饱和部分16沿着其径向长度具有随着接近驱动轴25而递减的截面。准确地说，各个饱和部分16的截面递减直到达到预定最小宽度，这样就使得各个饱和部分16“磁饱和”，并且从而形成“磁障”，其阻止由各个磁体4产生的额外磁通线朝着转子环回。

图6的阶梯式宽度缩减也可以通过具有至少阶梯式宽度缩减的单个整体式磁体4来实现。

该替代实施例在结构上也是有利的，因为磁体4和相关转子本体10的几何结构易于设计并且从技术上易于实现。

通过把转子本体10和多个磁体4锁定定位的压紧装置（未示出）来把它们保持在轴向位置。

在实现所述压紧装置的各种构造方案之中，一个优选实施例具有至少两个保持元件（例如，法兰），保持元件定位在转子本体10沿轴向的两侧上并且用连接元件可操作地连接，从而夹紧整个转子本体10。特别是，至少一个径向延伸部11（优选至少两个或者四个）具有至少一个形成在相应外周部分14中的通孔19，以便能定位用于连接保持元件（例如，法兰）的连接元件。

本发明的非次要方面还在于转子3的设计和生产。

正如前面提到的，“径向磁体”转子的严重局限在于很难将大量磁极引入到转子中。因此，限定了一种生产方法，能够生产根据本发明的永磁体转子3。

该方法包括以下步骤：制备多个小板20，这些小板各自被成型，以便具有多个径向延伸部11和容纳座12，径向延伸部11夹置在各容纳座12之间；沿转子3的旋转轴线“A”将小板20压紧到一起，以便获得转子本体10；以及，将永磁体4插入各个容纳座12中。

预先按照期望的几何结构对小板20进行成型，以形成径向延伸部11以及从而形成用于容纳磁体4的容纳座12。可以使用例如冷切削（例如，冲床）、热切削（例如，激光）或者冲压技术来进行成型步骤。

特别是，制备多个小板20的步骤包括一系列冲压小的转子板的步骤。

在方法的一个实施例中，仅仅小的转子板是通过冲压步骤来形成的，并且在该情况中，这些小的转子板可具有介于1mm到5mm之间的名义厚度。

换句话说，可使用具有大厚度（准确地说在1mm到5mm之间）的小板来获得转子板，该转子板本身已经坚固并适用于随后的压紧步骤。

实际上，小板的名义厚度越大，则板越坚固且在随后步骤中组装速度越快。

在方法的一具体实施例中，在单个切削步骤中形成小的转子板和定子板。这样，加工废料最少。

一旦已经成型出小板20，则可以通过预先将各个小板成组地堆叠并且随后将两个或更多个所述组压紧到一起来进行将小板20压紧到一起的步骤，以获得转子本体10。

一旦已经通过压紧小板20来形成了转子本体10，则可将磁体4插入到容纳座12中。

为了确保转子本体10进一步的结构紧密性，将上述非磁性填料注入到磁体4和径向延伸部11之间。

特别是，在压紧小板20的步骤期间，将保持元件（法兰）定位在转子本体10沿轴向的两侧上。

为了将保持元件锁定定位，例如可以使用诸如弹簧卡圈（Seegerring）的锁定元件（未图示）。

作为替代或者与锁定元件配合，使用连接元件；所述连接元件被可操作地连接到保持元件上，以便夹紧整个转子本体10并且将保持元件锁定定位。

本发明实现了所提出的目的。转子具有适合容纳多个磁体的转子本体，各磁体的基部的宽度小于头部的宽度；利用这种转子，能够在转子中获得高磁极数并且确保转子本体自身的必要机械强度。磁体在转子中的特殊形式和布置能够使“寄生磁通”最小，并且令人惊讶地能够使“可用磁通”最大，从而甚至在比较小尺寸的转子中也能获得高转矩密度。同样，转子本体外表面附近的分隔开口能够使磁体的磁通线按更确定的方式朝定子磁通传输并引导，从而进一步使“可用磁通”最大并且从而使由电机输出的功率最大。

Claims (12)

1.一种用于旋转电机（1）的永磁体转子（3），包括：

具有旋转轴线（A）的转子本体（10）；

多个磁体（4），每个磁体沿着所述转子本体（10）的大致径向设置，所述磁体（4）在沿基本上垂直于所述旋转轴线（A）的平面的截面中具有位于所述转子本体（10）的外表面（30）附近的头部（5）和朝向所述旋转轴线（A）的基部（6）；

其特征在于，每个磁体（4）的基部（6）的宽度小于所述头部（5）的宽度。

2.根据权利要求1所述的转子（3），其中，所述磁体（4）在数量上等于或大于二十。

3.根据权利要求1或2所述的转子（3），其中，每个磁体（4）的基部（6）在接近所述旋转轴线（A）的方向具有渐缩结构。

4.根据前述权利要求1或2所述的转子（3），其中，每个磁体（4）具有多个子磁体（40），子磁体沿径向相互叠置，并且子磁体的横截面在接近所述旋转轴线（A）的方向连续地递减，以便所述磁体（4）在其基部（6）处具有至少阶梯式递减的宽度。

5.根据前述权利要求中任一项所述的转子（3），其中，所述转子本体（10）具有多个径向延伸部（11）和多个容纳所述磁体（4）的容纳座（12），所述径向延伸部（11）夹置在容纳座之间，其中，相邻的径向延伸部（11）各自具有相互间隔的外周部分（14），以便限定出适合阻止磁通直接在所述外周部分（14）之间穿过的各个分隔开口（13），所述分隔开口（13）优选沿着所述转子本体（10）的整个轴向长度延伸。

6.根据权利要求5所述的转子（3），其中，每个径向延伸部（11）的外周部分（14）具有朝向相邻径向延伸部（11）的横向钩挂部分（15），以便将相邻的磁体（4）保持在各个容纳座（12）的内部。

7.根据权利要求5或6所述的转子（3），其中，每个径向延伸部（11）具有处于两个相邻磁体（4）的基部（6）之间的饱和部分（16），以使存在于所述径向延伸部（11）内的磁场实现饱和，所述饱和部分（16）优选具有小截面的区域，该区域的厚度小于

并且优选介于

和

之间，其中，R是所述磁体的外半径，且Ra是所述磁体的内半径。

8.根据前述权利要求中任一项所述的转子（3），其中，所述转子本体（10）由多个沿所述旋转轴线（A）相互压紧到一起的小板（20）限定。

9.根据权利要求8所述的转子（3），其中，至少一个径向延伸部（11）具有孔（19），该孔优选在所述外周部分（14）处，以用于容纳堆垛所述小板（20）的连杆。

10.一种同步电机（1），包括：

定子（2）；

根据前述权利要求中一项或多项所述的转子（3）。

11.一种用于形成具有永磁体的转子（3）的方法，包括以下步骤：

预先设置多个小板（20），各个小板被成型，以便具有多个径向延伸部（11）和多个容纳座（12），所述径向延伸部（11）夹置在容纳座之间；

沿着所述转子（3）的旋转轴线（A）将所述小板（20）压紧到一起，以获得转子本体（10）；

在每个所述容纳座（12）中插入永磁体（4），按径向方向设置所述永磁体（4），以便所述磁体（4）具有位于所述旋转轴线（A）附近的基部（6）和位于所述转子本体（10）的外表面（30）附近的头部（5）；

其特征在于，每个磁体（4）的基部（6）的宽度小于所述头部（5）的宽度。

12.如权利要求11所述的方法，其中，堆垛小板（20）的所述步骤是通过将各单个小板预先堆垛成组并且然后把两个或更多个所述组相互压紧来进行的，以便获得所述转子本体（10）。

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