CN104067482B - 优化的辐条式转子内部几何结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于电的机器的转子，具有转子轴，其沿着轴向延伸，以及基体，其同心地围绕转子轴布置并且抗相对转动地紧固在其上，其中，植入永磁体，并且基体具有收集接片，收集接片邻接在永磁体上，其中，永磁体在其面向转子轴的侧面上从收集接片突起。本发明还涉及一种用于电的机器的尤其是根据本发明的转子，具有转子轴，其沿着轴向延伸；以及基体，其同心地围绕转子轴布置并且抗相对转动地紧固在其上，其中，基体具有扇形段，扇形段与转子轴间隔，并且在它们之间分别辐条状地布置一永磁体，并且扇形段与转子轴的间距大于永磁体与转子轴的间距。本发明还涉及一种具有根据本发明的转子的电的机器以及一种具有所述电的机器的转向驱动装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于一电机的辐条式转子，具有一可围绕一转子轴线转动的转子轴；一基体，其同心地围绕所述转子轴布置；以及至少一个永磁体，其辐条状地布置在所述基体的留空部中。本发明还涉及一种具有根据本发明的辐条式转子的电机以及一种用于制造根据本发明的辐条式转子的方法。
背景技术
电机例如是电动马达、启动器、发电机或辅助驱动装置例如用于机动车的调整驱动装置。
在这些电机中，已知转子或定子为了产生电磁场而设计有至少一个永磁体。在此情况下永磁体常常例如用在永磁激励的伺服马达中安置在大多含铁的基体的留空部中。
公知的是所谓的辐条式转子，其中，所述永磁体辐条状地，也就是说沿着径向在转子中延伸。这种辐条式转子例如从专利文献WO 2009/046549 A2中公开。图1示出了所述辐条式转子1的截面图的一个截断。该辐条式转子1布置在一转子轴2上并且具有一带有大量留空部的基体3，在所述留空部中辐条状地布置所述永磁体4，从而一方面沿着所述辐条式转子1的轴向且另一方面沿着所述辐条式转子的径向延伸。所述永磁体4沿着切向交替地被相反地极化，从而沿着所述转子1的圆周方向始终一磁性北极N与一磁性南极S交替。在运行中，如此控制定子（未示出）中的调整电流，使得获得一旋转的磁场，其带动所述辐条式转子1。
在其面向所述转子轴2的侧面上，所述基体3具有一紧固环33。借助于该紧固环33，将所述基体3大多固定在所述转子轴2上。在所述紧固环33上为了紧固每个永磁体4分别设置一保持鼻331，其将所述永磁体4保持在所述留空部中。为了将该侧面上的漏损通量（Streufluss）保持得尽可能小，设置气隙5，并且所述基体3的相反极化的区域仅经由一窄的纵向接片32与所述紧固环33和所述保持鼻331连接。此外，在这种辐条式转子1的情况下在背离所述转子轴2的一侧，常常同样设置一窄的连接接片34，其将所述永磁体4径向向外地固定住并且这里仅示意性示出。通过横截面变窄，引起了将磁通量带入饱和中并且朝向所述转子转向。
原则上这种辐条式转子1具有一较高的功率密度。但在面向所述转子轴2的以及背离所述转子轴2的侧面上出现的漏损通量减小了机器可发出的功率，因为所述漏损通量无助于在运行中发出的马达转矩或者说无助于所述电机发出的功率且因此所述电机的效率减小。
发明内容
本发明的任务是，提出一种用于一电机的转子，在该转子中布置永磁体、尤其是烧结磁体，如稀土磁铁，如NdFeB磁铁（钕铁硼磁铁），其中，所述转子的包含铁成分的基体在其磁通量方面是最佳的，从而所述转子中的渗漏损失被最小化，并且所述转子要么具有一比较高的功率密度以及一改进的效率，要么所述磁体体积被最小化，且此外所述辐条式转子可成本低廉地制造。
该任务利用一种用于一电机的转子解决，该转子包括一转子轴，其在轴向上沿着一转子轴线延伸；并且该转子包括一基体，所述基体同心地围绕所述转子轴布置并且抗相对转动地紧固在其上。在所述转子的基体中植入永磁体。此外，所述基体具有收集接片，其邻接在所述永磁体上，并且其设置用于收集有用的磁通量。所述转子的特征在于，所述永磁体在其面向所述转子轴的侧面上从所述收集接片伸出。
已经证明的是，朝所述转子轴流出的漏损磁通量在从所述收集接片伸出的永磁体的情况下比在不从所述收集接片伸出的永磁体的情况下更小。由于该更小的漏损通量，具有这种转子的电机的功率密度比一常规的电机的功率密度更大。因此，根据本发明的转子在其功率密度方面可最优化，和/或所述永磁体的大小和重量和/或所述转子的大小在相同的功率密度的情况下可减小。
所述基体优选由一种具有一磁导率μr的顺磁材料制成，该磁导率比1大很多且因此磁通量较好地传导，例如由一含铁的且尤其是由一软磁性的材料制成。为此，优选使用一电工板材（Elektroblech），也叫做Trafo板材。
还优选的是，所述基体由大量的叠片作为叠片包制成。所述叠片例如通过冲压打包来接合成叠片包，其中，所述叠片例如借助于打孔钉或其它形式相互连接。这种板材包具有如下优点，即其不是必须要利用切削剥除的方法来再加工，且此外在使用绝缘的电工板材的情况下减小了漩流的形成。
在另一种优选的实施方式中，所述基体也可由大量的叠片在不具有冲压打包的情况下制造，只要所述基体利用一套筒固定在所述转子轴上。为此，可以预制所述套筒，或者基体、永磁体和转子轴借助于一可硬化的介质相互接合，例如借助于热塑性塑料或热固性塑料。
此外，一种实施方式是优选的，其中，所述基体由一实心材料或至少部分地由一实心材料制成。
优选所述永磁体辐条状地布置在所述基体中。在本发明的意义中，辐条状地布置一永磁体，其平行于一虚拟的平面延伸，该平面通过一径向地从所述转子轴出发的线以及一平行于所述转子轴延伸的线撑开。
在同样解决所述任务的另一种优选的实施方式中，所述转子包括所述转子轴，其沿着一轴向延伸；以及所述基体，其同心地围绕所述转子轴布置并且抗相对转动地紧固在其上，其中，所述基体具有扇形段，所述扇形段与所述转子轴间隔，并且在它们之间分别辐条状地布置一永磁体，并且所述扇形段与所述转子轴的间距大于所述永磁体与所述转子轴的间距。
在所述转子的该实施方式中，所述永磁体从所述扇形段伸出。这里也已证明的是，少量的漏损磁通量朝所述转子轴流出，从而一具有该实施方式的转子的电机的功率密度也相比于一常规的电机增大。
优选的是，所述转子也具有收集接片，此外所述收集接片优选设置在所述扇形段的面向所述转子轴的侧面上。优选它们分别布置在所述永磁体的两侧。所述收集接片与所述转子轴的间距优选如此测定，使得所述永磁体被所述基体或者说被所述扇形段如此地围住，使得在所述转子的运行中不出现所述永磁体的退磁，其中，所述永磁体与所述转子轴的间距在每个公差位置中小于所述收集接片与所述转子轴的间距。
在一种优选的实施方式中，所述收集接片构造成大致V形。在此情况下，不仅可以考虑一尖锐的V形状，也可以考虑一削平的V形状，还可以考虑一倒圆的V形状或弯曲的形状。
为了将所述基体或者说其扇形段紧固在所述转子轴上，优选一种实施方式，其中，所述基体具有一紧固环，其布置在所述基体的面向所述转子轴的侧面上。但所述紧固也可以替选地或附加地借助于一套筒实现。
这种具有紧固环的基体的扇形段优选至少部分地借助于纵向接片与所述紧固环连接。因此所述纵向接片布置在所述扇形段的面向所述转子轴的侧面上。优选其设置在所述收集接片之间。
替选于或附加于所述纵向接片，所述扇形段中的至少几个或所有的扇形段也可以借助于连接接片相互连接。所述连接接片优选布置在所述扇形段的背离所述转子轴的侧面上。此外，由于所述永磁体布置在所述扇形段之间，所述连接接片将所述永磁体沿着所述转子的径向固定住。如果在所述扇形段之间不设置连接接片，则优选的是，在所述扇形段上布置用于将所述永磁体沿着径向固定住的保持接片。
在所述基体的具有紧固环和纵向接片的实施方式中，所述漏损通量的至少一部分经由所述纵向接片向所述转子轴流出。优选的是，将所述纵向接片的宽度最小化，用以使经过所述纵向接片流出的漏损通量最小化。
所述永磁体布置在所述基体的留空部中或者说布置在所述扇形段之间。所述留空部优选设置得尽可能大。由此一方面可以将每个永磁体容易地接合带其留空部中。此外优选的是，在将所述永磁体接合到所述留空部中之后，在所述扇形段及所述永磁体的面向所述转子轴的侧面与所述转子轴或者说所述紧固环之间剩余一空间。所剩余的所述留空部的空间优选以一不传导的材料、尤其是以空气或塑料填充。由于所剩余的空间以不传导的材料填充，因此经过所述空间流出的漏损通量特别小。
为了紧固所述永磁体优选设置夹紧器具，其特别优选分别布置在所剩余的空间中。所述夹紧器具优选弹性地和/或塑性地构造，特别优选构造成弹簧。在一种优选的实施方式中，所述夹紧器具由一不传导的材料制成，例如由塑料制成。同样优选其由弹簧钢制成。
在所述永磁体与所述转子轴的间距以及所述扇形段或者说所述收集接片与所述转子轴的间距之间的间距差是所述超出高度，所述永磁体在其面向所述转子轴的侧面上以所述超出高度从所述扇形段或者说所述收集接片伸出。
优选的是，针对所述超出高度与所述纵向接片的长度的比适用：
，
其中：
ΔH :所述永磁体（314）的超出高度；
HLSt:所述纵向接片的长度；
HM :所述永磁体沿着径向的高度。
特别优选的是。
已被证明的是，在所述永磁体的下方剩余的空间的磁通密度，且因此一可实现的转矩可例如下面的公式计算：
其中：
L轴向=永磁体沿轴向的长度[mm] ；
BLST=永磁体的宽度[mm]；
Φ气隙=在转子和定子之间的气隙中的磁通量[T]；
Φ磁体=永磁体中的磁通量 ；
Φ漏损接片=纵向接片中的磁通量 ；
B磁体=永磁体中的磁通密度[T]；
B饱和接片=纵向接片中的磁通密度[T]，其中，所述纵向接片是饱和的。
所述任务还利用一具有根据本发明的转子的电机解决。所述电机的功率密度特别大，从而其具有一特别好的效率且比较小，并且可成本低廉地构造。在一种优选的实施方式中，所述电机是一电动马达，优选一同步机，特别优选一电气换相同步电机。由于该较大的功率密度，由所述电动马达可发出的转矩特别大。或者替选地，一具有相同的可发出的转矩的根据本发明的电动马达可相比于一常规的电动马达而言利用较小的永磁体和/或紧凑地构造。但根据本发明的转子也可用于其它的电机，例如用于一发电机、一用于机动车的调整驱动装置或伺服驱动装置，或用于一启动器。
所述任务还利用一具有这种电机、尤其具有一电动马达的手持式工具机解决。所述手持式工具机优选是一钻孔机、一刺锯等等。但原则上根据本发明的转子也适用于家用机、可携带的电的花园设备等等。
所述任务还利用一具有这种电动马达的用于机动车的调整驱动装置，尤其一转向驱动装置解决。
附图说明
下面参照附图描述本发明。附图仅是示例性的并且不限制总的发明构思。
图1 示出了根据现有技术的辐条式转子的一个截断，
图2 在图2（a）-（b）中分别示出了根据本发明的转子的不同的实施方式的截断，在所述转子中辐条式地布置了永磁体，
图3 在图3（a）-（b）中示例性示出了在改变所述永磁体的超出高度的情况下一具有根据本发明的转子的电动马达的可实现的转矩，以及
图4 在图4（a）-（b）中分别示出了一常规的转子的一个截断以及一根据本发明的转子的一个截断，其中，示例性示出了磁通量的走向。
具体实施方式
图1示出了根据现有技术的辐条式转子的一个截断，如上面已经描述。
图2在（a）中示出了一根据本发明的转子的第一实施方式的一个截断。
该转子1具有一基体3，其包括扇形段31，在所述扇形段之间布置永磁体4。此外，所述基体3包括一紧固环33，其设置用于将转子1抗相对转动地紧固在一转子轴2上，该转子轴沿着一转子轴线23的轴向20延伸。所述基体3的扇形段31中的每一个借助于一纵向接片32与所述紧固环33连接。所述扇形段31、所述紧固环33以及所述纵向接片32在此一件式地尤其由电工板材形成。
与所述永磁体4邻接地，所述扇形段31具有收集接片321，其构造成大致V形，并且在这里具有一削平的轮廓。所述纵向接片32分别布置在所述收集接片321之间。此外，所述扇形段31在背离所述转子轴2的侧面42上具有保持接片35，通过其将所述永磁体4沿着所述转子1的径向21固定住。
所述永磁体4辐条状地布置在所述基体3的留空部5中，从而它们平行于一虚构的平面（未示出）延伸，该平面通过一沿着径向21向所述转子轴2以及一沿着轴向20向所述转子轴2延伸的线（未示出）撑开。
在所述扇形段31之间如此设置所述留空部5，使得其包围所述永磁体4。相反，在面向所述转子轴2的侧面41上，其设置得如此之大，使得所述永磁铁4可推入到所述留空部5中。此外，在推入后的永磁体4的情况下在面向所述转子轴2的侧面41上剩余一空间51。为了将所述永磁体4朝径向21进行固定，可以在所述空间51中设置夹紧器具（未示出），其例如弹性地或弹簧式地构造。
这里可见，所述永磁体4在面向所述转子轴2的侧面41上从所述扇形段31或者说所述收集接片321伸出。因此所述永磁体4与所述转子轴2的间距40小于所述扇形段或者说所述收集接片321与所述转子轴2的间距310。
图2（b）示出了一根据本发明的转子1的另一种实施方式的基体3的单个的叠片11的一个截断，其中，所述永磁体4以及所述转子轴2和转子轴线23示意性地通过虚线示出。
在该转子1的情况下，所述基体3具有带有收集接片321的扇形段31，但不具有紧固环33和纵向接片32。所述扇形段31在背离所述转子轴2的侧面42上部分地借助于连接接片34相互连接。此外，所述收集接片321在此是倒圆地构造的。
在这种转子1的情况下，所述基体3优选借助于套筒（未示出）抗相对转动地紧固在所述转子轴2上。这种套筒优选由一弹性的和/或塑性的材料、尤其是塑料、优选热塑性塑料形成。为了进行接合，这里在所述基体3中设置以底切为形式的形状锁合器具511。
因此，在面向所述转子轴2的侧面41上在接合所述永磁体4之后剩余的空间51在此包围整个转子轴2并且在一种优选的实施方式中完全利用由不传导的材料形成的套筒来填充。在该实施方式中，所述永磁体4在其背离所述转子轴2的侧面41上分别借助于所述套筒朝径向21固定在其留空部5中。
在该实施方式中，在所述扇形段31或者说所述收集接片321和所述转子轴2之间的间距310大于所述永磁体4与所述转子轴2的间距40。由此所述永磁体4在此也具有所述超出高度314。
根据本发明的转子1优选在转向驱动装置中使用。但本发明不限于转向驱动装置，而是一般性地适合于辐条式转子、例如同样适合于手持式工具机的驱动马达。优选使用永磁体4，其按份额地包含一稀土金属、例如钕。但原则上也可以使用其它的永磁体。所述永磁体4的典型的磁通密度处于1.4-1.2T。在这种磁通密度的情况下，轴向的转子长度或者说永磁体长度优选处于10-100mm的范围中，特别优选处于15-65mm的范围中，优选的转子直径为30-70mm，特别优选为47-52mm。沿着径向21的永磁铁高度HM优选处于2-20的范围中、特别优选处于4-10mm的范围中，并且其沿着切向22的宽度BM优选小于15mm。特别优选小于7mm。所述纵向接片32的接片长度HLST可以明显地变化。其优选为大致2-30mm，特别优选2-20mm。在此情况下，永磁体超出高度ΔH在几分之一mm至2mm，特别优选至1.5mm之间。
图3在图3（a）-（b）中示例性示出了在改变所述永磁体4的超出高度ΔH的情况下，一具有图2（a）的实施方式的根据本发明的转子1的电动马达（未示出）的可实现的转矩。图3（a）以表格示出了测量结果，图3（b）以图形示出了测量结果，其中，所述永磁体的超出高度绘制在Y轴上，并且所述可实现的转矩绘制在X轴上。在测量时，所述永磁体4的超出高度ΔH以及其高度HM以单位[mm]来测定，所述转矩以单位[Nm]来测定。
所述转子的横截面几何形状相应于图2（a）中的并且示例性地选择用于所述测量。此外，所述永磁体4的高度HM以及所述纵向接片32的长度HLSt恒定地选择。所述纵向接片32的长度HLS为HLSt=6.93mm。
通过所述测量可见，在一超出高度341为ΔH=0.5mm的情况下获得了一最大的转矩。
此外，漏损通量取决于所述纵向接片32的宽度BLSt。在具有纵向接片32的转子1中，如其在此示例性地选择的，所述纵向接片因此刚好如此进行尺寸设计，使得它们具有一足够的机械强度，并且另一方面构造得尽可能窄，用以使渗漏损失最小化。
在所述纵向接片32的最小可能的宽度BLSt的情况下，这里显示大致BLSt≈ 0.7mm，调节出所述永磁体4的超出高度ΔH与所述永磁体的高度HM的ΔH/HM ≈ 0.068的最佳比。
为了实现最小的渗漏损失，针对所述超出高度ΔH与所述纵向接片32的长度HLSt之比应该至少适用，或者甚至。在该实施例中，所述比在大致ΔH/HLSt ≈ 0.072的情况下选择为最佳。
代替所述较大的可实现的转矩，所述永磁体4的高度HM也可以最优化。为了实现与在一常规的转子中同样的转矩，在一根据本发明的转子1中所述永磁体4的高度HM被缩短到大致HM = 7.1mm。
在图4（a）和（b）中分别示例性示出了在一转子1的一个截断中的一磁场计算。在此，图4（a）示出了一常规的转子1的一个截断，其中，所述永磁体4完全植入到所述扇形段31之间，并且图4（b）示出了一根据本发明的转子1的一个截断，其中，所述永磁体4从所述扇形段31伸出。确切地说，这两种实施方式的扇形段31在此仅通过所述收集接片321来区别，它们的长度L1在常规的转子1的情况下大于在根据本发明的转子1的情况下的长度L2。
在根据本发明的转子1的情况下，其中，所述永磁体4从所述扇形段31伸出，磁场线明显小于在完全植入到所述扇形段31之间的永磁体4的情况，其中，所述磁场线作为渗漏损失经由所述空间51和所述纵向接片32过渡到所述紧固环33中。
由于更小的渗漏损失，在一电机（未示出）的定子（未示出）和其转子1之间的气隙（未示出）中可利用的磁场更大，从而能够利用该电机传递更高的转矩。这替选地实现了，为了实现相同的转矩，所述永磁体4的高度HM或者说其体积减小。
在所述转子1和所述定子之间的气隙中的磁通量且因此一确定的可实现的转矩近似可利用如下公式计算：
在上面的例子中，在所述纵向接片32的最小可能的BLSt ≈ 0.7mm的宽度BLSt的情况下，所述超出高度ΔH与所述永磁体4的高度HM的最佳比为ΔH/HM ≈ 0.068.
在所述永磁体4的超出高度ΔH与所述转子1的纵向接片32的高度HLSt的一公知的比的情况下,或者说所述超出高度ΔH与所述永磁体4的体积HM * BM的一公知的比的情况下,可以利用和上述的公式来确定一最佳的超出高度ΔH。
在具有一横截面几何形状的转子1的情况下，其中，例如与前述的实施例相比，所述永磁体4的体积HM * BM增大，以及使用一具有更大的磁通密度B磁体的永磁体材料，例如适用：
在剩余的空间51中所述永磁体4的一最佳的超出高度ΔH针对这种转子1可利用如下公式计算：
Claims (14)
1.用于电机的转子（1），具有一转子轴（2），其沿着一轴向（20）延伸；以及一基体（3），其同心地围绕所述转子轴（2）布置并且抗相对转动地紧固在所述转子轴上，其中，在所述基体（3）中植入永磁体（4），并且所述基体（3）具有收集接片（321），所述收集接片邻接在所述永磁体（4）上，
其特征在于，
所述永磁体（4）在其面向所述转子轴（2）的侧面（41）上从所述收集接片（321）伸出。
2.按照权利要求1所述的转子（1），其特征在于，所述永磁体（4）辐条状地布置在所述基体（3）中。
3.按照权利要求1或2所述的转子（1），其特征在于，所述收集接片（321）设置在所述永磁体（4）的两侧和/或所述收集接片（321）是V形地构造的。
4.用于电机的转子（1），具有一转子轴（2），其沿着一轴向（20）延伸；以及一基体（3），其同心地围绕所述转子轴（2）布置并且抗相对转动地紧固在所述转子轴上，其中，所述基体（3）具有扇形段（31），所述扇形段与所述转子轴（2）间隔，并且在它们之间辐条状地布置一永磁体（4），
其特征在于，
所述扇形段（31）与所述转子轴（2）的间距（310）大于所述永磁体（4）与所述转子轴（2）的间距（40）。
5.按照权利要求4所述的转子（1），其特征在于，所述基体（3）包括一紧固环（33），所述紧固环布置在所述基体（3）的面向所述转子轴（2）的侧面（41）上。
6.按照权利要求4或5所述的转子（1），其特征在于，所述扇形段（31）中的至少几个扇形段借助于纵向接片（32）与所述紧固环（33）连接。
7.按照权利要求6所述的转子（1），其特征在于，所述纵向接片（32）布置在收集接片（321）之间。
8.按照权利要求4或5所述的转子（1），其特征在于，在所述扇形段（31）上沿着一径向（21）设置用于固定所述永磁体（4）的保持接片（35），和/或所述扇形段（31）中的至少几个扇形段借助于连接接片（34）相互连接。
9.按照权利要求4或5所述的转子（1），其特征在于，在所述扇形段（31）及所述永磁体（4）在面向所述转子轴（2）的侧面（41）上与所述转子轴（2）或所述紧固环（33）之间设置一空间（5），所述空间利用不传导磁的材料来填充。
10.按照权利要求9所述的转子（1），其特征在于，所述空间利用利用空气或塑料来填充。
11.按照权利要求4或5所述的转子（1），其特征在于，
，
其中：
ΔH :所述永磁体（4）的超出高度（314）；
HLSt:所述纵向接片（32）的长度；
HM :所述永磁体（4）沿着径向（21）的高度。
12.电机，具有按照前述权利要求中任一项所述的转子（1）。
13.按照权利要求12所述的电机，其特征在于，该电机是电动马达。
14.按照权利要求13所述的电机，其特征在于，所述电动马达是机动车中的转向驱动装置的组成部分。
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