CN103444052A - 具有经过优化的定子固定的励磁装置的同步电机 - Google Patents

Abstract

同步电机具有能围绕旋转轴线（2）旋转的转子（1）和径向地在外部包围转子（1）的定子（3）。在轴向方向上看，转子（1）具有多个切线地环绕旋转轴线（2）的转子环（5）。在围绕旋转轴线（2）的切线方向上看，转子环（5）分别具有多个爪形件（8），该爪形件由软磁材料制成。爪形件（8）设计为L形，使得其分别具有第一和第二臂（9，9'）。同步电机具有定子固定的励磁装置（10），该励磁装置对于转子环（5）分别具有与相应的转子环（5）共同作用的磁场发生器（11）。相应的磁场发生器（11）径向地布置在相应的转子环（5）的内部。磁场发生器产生指向轴向方向的磁场，并且在径向位于内部的终端件（7）的区域内磁性地耦合至相应的转子环（5）的爪形件（8）的第二臂（9'）。

Description

具有经过优化的定子固定的励磁装置的同步电机

技术领域

本发明涉及一种同步电机，

-其中，该同步电机具有能围绕旋转轴线旋转的转子和径向地在外部包围转子的定子，

-其中，在轴向方向上看，该转子具有多个切线地环绕旋转轴线的转子环，

-其中，在轴向方向上看，该转子环分别具有轴向地位于前面的和轴向地位于后面的终端件，

-其中，在径向方向上看，该转子环分别具有径向地位于内部的和径向地位于外部的终端件，

-其中，该同步电机具有定子固定的励磁装置，该励磁装置对于转子环分别具有与相应的转子环共同作用的磁场发生器，

-其中，在围绕旋转轴线的切线方向上看，该转子环分别具有多个由软磁材料制成的爪形件，

-其中，爪形件设计为L形，使得其分别具有第一和第二臂，

-其中，第一臂构成相应转子环的与定子邻接的径向地位于外部的终端件，

-其中，第二臂交替地在相应的转子环轴向地位于前面的和轴向地位于后面的终端件的范围内径向向内部延伸。

在许多设计方案中已知了电机，例如作为直流电机、作为单相交流电机或作为三相交流电机。在三相交流电机中再区分异步电机和同步电机。本发明涉及的是同步电机。

背景技术

在同步电机中，必须激励转子。可以借助于永磁铁促进激励。在永久励磁的同步电机中，在稀土的基础上主要使用磁性材料，以便达到尽可能高的转矩和功率密度。另外，特别是部分负荷范围内的这种同步电机在转数小并且转矩要求高时的突出之处在于相对较高的效率，因为在永磁铁励磁的基础上几乎不产生转子侧损耗。可替换地，同步电机可以是电励磁的。在电励磁的同步电机中，在转矩要求高时产生的转子线圈损耗高，使得这种同步电机在这个区域内的效率小于永磁铁励磁的情况。然而，在磁场减弱区域内在转数高时要更有效率地运行电励磁的同步电机。特别地，电励磁的同步电机在电压界限以上不需要寄生的场减弱电流，而是只需要减少励磁。由此，既减少再磁化损耗（Ummagnetisierungsverluste）又减少定子侧损耗，因为（横轴中）只需要形成转矩的电流。

还已知的是，永磁铁励磁和电励磁相互组合。通过这种方式，可以从两种励磁方式的效率优势中获益。特别地，应在这种情况下通过永磁铁进行基本励磁。为了短时间的高转矩要求，在这种情况下基于附加的电励磁提高磁通量。

在电励磁过程中，通常通过集电环系统或基于变压器的传输系统将所需电能输送到转子中。集电环系统是有磨损的，基于变压器的传输系统需要消耗更多的材料和费用。

可替换地已知的是，借助于定子固定的励磁装置产生直流磁场并将直流磁场传输到转子上。这种工作方法的突出之处在于一系列优点。一方面，不需要转子线圈，所以转子中也不会出现铜损耗和因此导致的转子的加热。因为涉及直流磁场，所以也不会有再磁化损耗。定子固定的励磁装置的可能的电磁铁不旋转，并且由此特别是能够以简单的方式进行冷却。

本文开头所述种类的同步电机例如是从US3132272A中已知的。

从GB1148304A中已知了一种同步电机，

-其中该同步电机具有能围绕旋转轴线旋转的转子和径向地在外部包围转子的定子，

-其中，在轴向方向上看，该转子具有多个切线方向地环绕旋转轴线的转子环，

-其中，在轴向方向上看，该转子环分别具有轴向地位于前面的和轴向地位于后面的终端件，

-其中，在径向方向上看，该转子环分别具有径向地位于内部的和径向地位于外部的终端件，

-其中，同步电机具有定子固定的励磁装置，该励磁装置对于转子环分别具有与相应的转子环共同作用的磁场发生器，

-其中，在围绕旋转轴线的切线方向上看，该转子环分别具有多个由软磁材料制成的爪形件，

-其中，相应的磁场发生器径向地布置在相应的转子环的内部，产生指向轴向方向的磁场并在径向地位于内部的终端件的范围内磁性地耦合至相应的转子环的爪形件的第二臂。

发明内容

本发明的目的在于以优化的方式设计一种具有定子固定的励磁装置的同步电机。

这一目的通过具有权利要求1所述特征的同步电机来实现。根据本发明的同步电机的有利设计方案是从属权利要求2至10的对象。

根据本发明提出，这样设计本文开头所述类型的同步电机，即：

-相应的磁场发生器径向地布置在相应的转子环的内部，产生指向轴向方向的磁场，并且径向地位于内部的终端件的范围内磁性地耦合至相应的转子环的爪形件的第二臂，并且

-在围绕旋转轴线的切线方向上看，第一臂的位于外侧的径向间距是变化的。

为了优化磁通量，磁场发生器优选地轴向地在两侧利用分别一个导流件封闭，借助于导流件将磁通量径向向外导至相应的转子环的爪形件的第二臂中。

优选地，相应的转子环的爪形件的第二臂转至两个流量接收环中，该流量接收环径向地在外部包围导流件。由此，特别是可以使流量输送均匀。

为了保证转子环的稳定性，而不对转子环的磁性特性造成负面影响，转子环位于优选地由填充材料制成的爪形件之间的区域内，该填充材料是反磁的或顺磁的，并且是电绝缘的或者只是各向异性地导电。

可替换地，可以将磁场发生器设计为永磁铁、电磁铁或永磁铁与电磁铁的组合。

在本发明的优选设计方案中，径向间距这样变化，即，第一臂的向着在切线方向上看的相邻的第一臂的径向外侧的径向间距是最小的。

转子环的数量可以是任意的。在有些情况下，仅有一个唯一的转子环就足够了。然而在许多情况下，转子环的数量大于一。例如可以有2、3、4等等个转子环。

如果存在多个转子环，则相对于在轴向方向上彼此邻接的转子环对爪形件的分别面对另外的转子环的爪形件第二臂优选地进行同向磁化。

在围绕旋转轴线的切线方向上看，转子环具有周期性（Periodizitaet）。在本发明的可能的设计方案中，在轴向方向上彼此邻接的转子环围绕旋转轴线彼此相对地旋转一定角度，其中，该角度小于周期性的六分之一。通过同步电机的这种设计方案，使其功率收益（即，在给定的结构尺寸中可以达到的功率）减小。然而，作为回报可以得到更好的同步性，因为摆动转矩和定位转矩（Rastmomente）减小。

在多个转子环的情况下，可以将与转子环共同作用的磁场发生器设计为同一类型，例如都设计为永磁铁或都设计为电磁铁。然而，可以将磁场发生器设计为彼此独立的。也就是说可以将磁场发生器中的一个设计为永磁铁并将磁场发生器中的另一个磁场发生器设计为电磁铁或设计为永磁铁与电磁铁的组合，或者一个磁场发生器设计为电磁铁并且另一个磁场发生器设计为永磁铁与电磁铁的组合。

附图说明

其它优点和细节结合附图从下文对实施例的描述中得出。原理图中示出：

图1示意性地在透视部分剖面图中示出同步电机，

图2示意性地在透视部分剖面图中示出图1所示同步电机的转子和定子固定的励磁装置，

图3示意性地在透视部分剖面图中示出图2所示转子的爪形件，

图4和5示意性地示出磁场发生器的可能的设计方案，

图6示意性地示出第一臂的横截面，和

图7至9示意性地在滚动图中示出第二臂的可能的顺序。

具体实施方式

根据图1至图3，同步电机具有转子1。转子1能围绕旋转轴线2旋转。

同步电机还具有定子3，该定子径向地在外部包围转子1。在定子3中布置三相电流系统的线圈4。

旋转轴线2定义了同步电机的圆柱形坐标系统。“轴向”、“径向”和“切线方向”的概念总是相对于旋转轴线2而言的。“轴向”概念表示平行于旋转轴线2的方向。“径向”概念表示与旋转轴线2呈直角地伸向或离开旋转轴线2的方向。“切线方向”的概念是指既垂直于轴向方向又垂直于径向方向的方向。因此，“切线方向”的概念是指围绕旋转轴线2的径向间距恒定的方向。

在轴向方向上看，转子1具有多个转子环5。转子环5切线地围绕旋转轴线2。图1至3中示出三个这种转子环5。然而，转子环5的数量可以任意选择。最少有一个唯一的转子环。可替换地可以有两、三、四等等个转子环5。

在轴向方向上看，转子环5分别具有轴向地位于前面的和轴向地位于后面的终端件6，6'。在轴向方向上看，转子环从相应的轴向地位于前面的终端件6延伸至相应的轴向地位于后面的终端件6'。类似地，在径向方向上看，转子环5分别具有径向地位于内部和径向地位于外部的终端件7，7'。在径向方向上看，转子环从相应的径向地位于内部的终端件7延伸至相应的径向地位于外部的终端件7'。

在径向方向上看，转子环5不延伸至旋转轴线2。由此，转子环5的径向地位于内部的终端件7与旋转轴线2间距开。

如由图3特别清晰地识别出的那样，在围绕旋转轴线2的切线方向上看，转子环5分别具有多个爪形件8。该卡抓8由软磁材料制成。软磁材料，如同专业人员普遍已知的那样，是铁磁材料，该铁磁材料虽然只经过轻微磁化但是可以引导并明显加强现有的磁场。然而，与永磁铁材料相反，这种铁磁材料只具有很小的磁滞现象，也就是说，甚至只在很小的程度上具有可称为永久磁性的磁性。这种材料的实例是软铁和电工钢片。可替换的材料是SMC（=烧结磁性化合物sintered magnetic compound）。

爪形件8-特别是见图3-设计为L形。爪形件分别具有第一臂9和第二臂9'。第一臂9构成相应的转子环5的径向地位于外部的终端件7'，该终端件与定子3邻接。第二臂9'交替地在相应的转子环5的轴向的位于前面的终端件6的区域内和轴向地位于后面的终端件6'的区域内径向向内部延伸。

同步电机还具有定子固定的励磁装置10。定子固定的励磁装置10对于转子环5分别具有与相应的转子环5共同作用的磁场发生器11。定子固定的励磁装置10和与其一起的磁场发生器11布置在旋转轴线2的区域内。特别地，对于转子环5将相应的磁场发生器11径向地布置在相应的转子环5的内部。

相应的磁场发生器11产生指向轴向方向的磁场。可以为了这一目的例如按照图1至3所示将磁场发生器11设计为永磁铁12。可替换地，-见图4-可以将磁场发生器11设计为包括磁轭14的电磁铁13。还有可替换地-见图5-磁场发生器11可以设计为永磁体12和包括磁轭14的电磁铁13的组合。要实现这些设计方案中的哪一种取决于专业人员的意愿。不依赖于实现哪种设计方案，磁场发生器11在相应的转子环5的径向地位于内部的终端件7的范围内-特别是在从相应的径向地位于内部的终端件7到相应的转子环5的轴向终端件6，6'的过渡区域中-磁性地耦合至相应的转子环5的爪形件8的第二臂9'。也就是说，由磁场发生器11产生的磁场从磁场发生器11出发导至第二臂9'中并从那里继续导至第一臂9中。

为了对磁场进入第二臂9'的导入进行优化，此外相应的磁场发生器11轴向地在两侧利用分别一个导流件15封闭。导流件15优选地被设计为环形，并且将相应的磁场发生器11的磁通量径向向外导至相应的转子环5的爪形件8的第二臂9'中。

在轴向地位于前面的终端件6的范围内延伸的第二臂9'在其径向地位于内部的端部处可以不相互连接。同样的情况适用于在轴向地位于后面的终端件6'的范围内延伸的第二臂9'。然而，相应的转子环5的爪形件8的第二臂9'优选地转至两个流量接收环16中，该流量接收环径向地在外部包围导流件15。由此，特别是在轴向方向上看，流量接收环16布置在与导流件15相同的轴向区域内。转子环5位于由填充材料17制成的爪形件8之间的区域内。该填充材料17优选地是电中性和磁中性的。特别是这样促使形成磁中性，即填充材料17是反磁的或顺磁的。特别是这样促使形成电中性，即填充材料17是电绝缘的。可替换地，可以这样促使形成电中性，即，填充材料17虽然导电，但是导电性是各向异性的。在这种情况下，特别是只应在一个方向上提供导电性，并且在与之垂直的两个方向上不提供导电性。适当的填充材料17的实例是玻璃纤维原料、碳纤维原料和塑料（特别是聚酰亚胺）。

根据图6，第一臂9在切线区域上延伸。第一臂9的径向的内侧具有从旋转轴线2开始的径向间距r。第一臂9的径向的外侧具有从旋转轴线2开始的径向间距r'。径向的内侧的径向间距r通常是恒定的。径向的外侧的间距r'通常同样是恒定的。这在图6中以虚线示出。然而可替换地，径向的外侧的径向间距r'是变化的，见图6中相应的实线。特别地，可以使向着在切线方向上看的相邻的第一臂9的径向外侧的径向间距r'是最小的。

对本发明的至此为止的说明不依赖于转子环5的数量。下文中描述的设计方案的前提条件是，转子环5的数量大于一。

单个转子环5在围绕旋转轴线2的切线方向上具有周期性（经常也称为磁极距）。如由图2和3特别清晰地示出的那样，转子环5例如具有十二个爪形件8，从而每个转子环5在轴向地位于前面的终端件6的区域中相应地有六个第二臂9'并且在相应的转子环5的轴向地位于后面的终端件6'的区域内有六个第二臂9'径向向内部延伸。所以，图1至3的设计方案中的周期性为360°/6=60°。在八个爪形件8的情况下，周期性相应地是90°，在二十四个爪形件8的情况下，周期性为30°。当然，所述的数字只是示例性的。

以下仅对示出的具有十二个爪形件8，即周期性为60°的实例作进一步研究。然而，所述的实施方式可以以类似的方式转用于其它周期性。

可以按照图1至3所示使转子环5都对准相同的方向。可替换地，可以使在轴向方向上彼此跟随的转子环5-至少大约-彼此相对旋转周期性的一半，见图7。这种设计方案具有这样的优点，即对磁通量的流向进行整流使其进入相邻的转子环5的彼此面对的第二臂9'。在这种情况下，由相应磁场发生器11产生的轴向磁场必须，如图7中相应箭头A所示，指向相反方向。然而，这易于实现。基于这样的情况，即通过这种设计方案相对于在轴向方向上彼此邻接的转子环5对爪形件8的分别面对另外的转子环5的第二臂9'进行同向磁化，可以将磁损耗最小化。

可替换地或作为补充，可以-见图8和9-使在轴向方向上彼此邻接的转子环5围绕旋转轴线2彼此相对地旋转一定角度α，该角度明显小于周期性。特别地，该角度α最大应为周期性的1/6。

如前所述，可以将磁场发生器11可替换地设计为永磁铁12、电磁铁13（具有磁轭14）或者永磁铁12与电磁铁13（具有磁轭14）的组合。另外，磁场发生器11的设计方案是彼此独立的。也可能的是，可以将磁场发生器11中的一个磁场发生器设计为永磁铁12，将磁场发生器中的另一个磁场发生器设计为包括磁轭14的电磁铁13。同样地也可能的是，可以将磁场发生器11中的一个磁场发生器设计为永磁铁12，将另一个磁场发生器设计为永磁铁12与包括磁轭14的电磁铁13的组合。同样地也可能的是，可以将磁场发生器11中的一个磁场发生器设计为包括磁轭14的电磁铁13，将磁场发生器11中的另一个磁场发生器设计为永磁铁12与包括磁轭14的电磁铁13的组合。存在至少三个磁场发生器11时，甚至可能的是，可以将所述的每个设计方案至少实现一次。

本发明具有许多优点。特别是通过在空间上使励磁场的供给装置与转子1和定子3之间产生转矩的气隙分离，在结构简单并且功率密度高的情况下获得同步电机优越的运转性能。另外，基于定子固定的励磁装置10，转子环5中既不需要永磁铁也不需要电磁铁。因此，在转子1、即同步电机最难待冷却的部件中，几乎不会由于欧姆线圈损耗或永磁铁中的涡流损耗而实现加热。反之，可以相对简单地通过冷却排除出现在定子固定的励磁装置10中的损耗。另外，通过线圈4在定子侧形成的磁场只是小部分地穿透定子固定的励磁装置10的磁场发生器11。因此，在定子侧短路和与之相关联的电流较高的情况下，可以相对简单地排除永磁铁12去磁的可能性。

基于既不须通过集电环又不须通过转换器将能量传输到转子1中的情况，转子1无磨损、可靠并且有效地工作。可以使爪形件8保持较小的轴向延伸。通过这种设计方案可以减少漏磁效应。只要有需要，可以通过依次连续串联地布置（Serienanordnung）多个转子环5来达到同步电机的总体功率需求量。

以上描述只用于对本发明的说明。相反，本发明的保护范围仅由所附权利要求确定。

Claims (10)

1.一种同步电机，

-其中，所述同步电机具有能围绕旋转轴线（2）旋转的转子（1）和径向地在外部包围所述转子（1）的定子（3），

-其中，在轴向方向上看，所述转子（1）具有多个切线地环绕所述旋转轴线（2）的转子环（5），

-其中，在轴向方向上看，所述转子环（5）分别具有轴向地位于前面的和轴向地位于后面的终端件（6，6'），

-其中，在径向方向上看，所述转子环（5）分别具有径向地位于内部的和径向地位于外部的终端件（7，7'），

-其中，在围绕所述旋转轴线（2）的切线方向上看，所述转子环（5）分别具有多个由软磁材料制成的爪形件（8），

-其中，所述爪形件（8）设计为L形，使得所述爪形件分别具有第一和第二臂（9，9'），

-其中，所述第一臂（9）构成相应的所述转子环（5）的与所述定子（3）邻接的径向地位于外部的所述终端件（7'），

-其中，所述第二臂（9'）交替地在相应的所述转子环（5）的轴向地位于前面的和轴向地位于后面的所述终端件（6，6'）的范围内径向向内部延伸，

-其中，所述同步电机具有定子固定的励磁装置（10），所述励磁装置对于所述转子环（5）分别具有与相应的所述转子环（5）共同作用的磁场发生器（11），

-其中，相应的所述磁场发生器（11）径向地布置在相应的所述转子环（5）的内部，产生指向轴向方向的磁场，并且在径向地位于内部的所述终端件（7）的范围内磁性地耦合至相应的所述转子环（5）的所述爪形件（8）的所述第二臂（9'），

-其中，在围绕所述旋转轴线（2）的切线方向上看，所述第一臂（9）的径向外侧的径向间距（r'）是变化的。

2.根据权利要求1所述的同步电机，其特征在于，所述磁场发生器（11）轴向地在两侧利用分别一个导流件（15）封闭，借助于所述导流件将磁通量径向向外导至相应的所述转子环（5）的所述爪形件（8）的所述第二臂（9'）中。

3.根据权利要求2所述的同步电机，其特征在于，相应的所述转子环（5）的所述爪形件（8）的所述第二臂（9'）转至两个流量接收环（16）中，所述流量接收环径向地在外部包围所述导流件（15）。

4.根据权利要求1，2或3所述的同步电机，其特征在于，所述转子环（5）位于由填充材料（17）制成的所述爪形件（8）之间的区域内，所述填充材料是反磁的或顺磁的，并且是电绝缘的或者只是各向异性地导电。

5.根据前述权利要求中任一项所述的同步电机，其特征在于，所述磁场发生器（11）设计为永磁铁（12）、电磁铁（13）或所述永磁铁（12）与所述电磁铁（13）的组合。

6.根据前述权利要求中任一项所述的同步电机，其特征在于，所述第一臂（9）的向着在切线方向上看的相邻的第一臂（9）的径向外侧的所述径向间距（r'）是最小的。

7.根据前述权利要求中任一项所述的同步电机，其特征在于，所述转子环（5）的数量大于一。

8.根据权利要求7所述的同步电机，其特征在于，相对于在轴向方向上彼此邻接的所述转子环（5）对所述爪形件（8）的分别面对另外的所述转子环（5）的所述第二臂（9'）进行同向磁化。

9.根据权利要求7或8所述的同步电机，其特征在于，在围绕所述旋转轴线（2）的切线方向上看，所述转子环（5）具有周期性，在轴向方向上彼此邻接的所述转子环（5）围绕所述旋转轴线（2）彼此相对地旋转一定角度（α）并且所述角度（α）小于所述周期性的六分之一。

10.根据权利要求7，8或9所述的同步电机，其特征在于，所述磁场发生器（11）中的一个设计为永磁铁（12）并且所述磁场发生器（11）中的另一个磁场发生器设计为电磁铁（13）或设计为所述永磁铁（12）与所述电磁铁（13）的组合，或者一个所述磁场发生器（11）设计为所述电磁铁（13）并且另一个所述磁场发生器（11）设计为所述永磁铁（12）与所述电磁铁（13）的组合。

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