CN104126266A - 具有通量集中的旋转电机的转子 - Google Patents

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CN104126266A CN201380010036.1A CN201380010036A CN104126266A CN 104126266 A CN104126266 A CN 104126266A CN 201380010036 A CN201380010036 A CN 201380010036A CN 104126266 A CN104126266 A CN 104126266A
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沙维尔·雅诺
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Abstract

本发明涉及一种带有通量集中的旋转电机的转子(1)，该转子包括：转子本体(3)和永磁体(7)，转子本体包括凹部(8)，永磁体设置在转子本体(3)的凹部(8)中，所述永磁体以朝向气隙定向的V形形状设置，每个V形均限定了初级极部，至少两个连续的初级极部具有相同的极性。

Description

具有通量集中的旋转电机的转子
本发明涉及一种旋转电机，具体地，涉及一种包括马达的同步机器，并且更具体地，涉及这种机器的转子。本发明涉及永磁体转子和带有通量集中的转子。带有通量集中的转子包括其中容纳有永磁体的转子本体，所述磁体接合在最经常沿径向定向的凹部中。
如在专利EP 1 414 130、US 6 984 909、US 6 836 045、US 6 794 784、US 6 909 216、US 5 955 807以及专利申请US 2008/231135中已知包括例如以V形或U形形状设置的非径向永磁体的电机。
由于极中的通量集中，在气隙中获得的感应大于磁体中的感应。气隙中获得的感应可能很大程度上取决于周向位置。
在申请US 2007/014850和国际申请WO 2010/039786中，永磁体设置在两个同心层中。
在已知的转子中，为了在气隙中获得足够的感应级别并且具有紧凑型机器，可能有必要使用带有高能量密度的磁体，而这种磁体因此较昂贵。事实上，这种磁体使用稀土制造。
在其他机器中，使用由铁素体制成的带有低能量密度的磁体，然而，这种机器具有这样的缺点：其需要增加的极性或需要具有非常大的直径的转子以在气隙中获得能够与使用带有高能量密度的磁体获得的感应级别相当的感应级别。
具有增加的极性的机器需要高频率，从而导致了马达中的铁损形式的显著损失以及逆变器中的切换损耗形式的显著损失。因此具有增加的极性和低能量密度的磁体的这种机器以有限的速度使用。
因此，在磁体、特别是由铁素体制成和/或带有低能量密度的磁体被有效利用的情况下，带有通量集中的旋转电机的转子不会提供具有例如低于6的相对较少的极性的机器。
因此，需要提供一种使永磁体、特别是由铁素体制成和/或带有低能量密度以及可能带有不一定增加的极性的磁体能够被更有效利用的旋转电机的转子。
本发明的目的是全部地或部分地满足这种需要，并且由于用于带有通量集中的旋转电机的转子，本发明根据其特征中一个特征来实现该目的，该转子包括：
-包括凹部的转子本体；以及
-设置在转子本体的凹部中的永磁体，该永磁体以朝向气隙定向的V形形状设置，每个V形均限定初级极部，至少两个连续的初级极部具有相同的极性。
转子本体限定初级极部，每个初级极部均设置在相对于彼此对称地极化的磁体之间，这使得可以有效地集中磁体的通量。由于初级极部，本发明使得无论周向位置如何都可以改善气隙中获得的感应。
多个连续的初级极部以并置的方式限定了转子的主极。主极中的初级极部的数量大于等于2，例如为3、4或5。当初级极部的数量等于2时，限定相同极的磁体以W形的形状设置。至少三个连续的初级极部、或至少四个连续的初级极部、或甚至五个连续的初级极部可以具有相同的极性。
由于转子本体中磁体的布置，在气隙中获得了足够的感应级别，即使在转子极性相对较少(例如少于6)的情况下仍是如此，同时不必需要使用诸如由稀土制成的磁体之类的带有高能量密度的磁体，而是相对地，通过使用例如由铁素体制成的带有低能量密度的磁体。因此可以减小转子的成本。此外，若应用需要，则转子的极性可以减少。事实上，根据本发明的转子使得可以在未增加极性的情况下并且通过使用带有低能量密度的磁体来增大气隙中的感应级别。
表述“朝向气隙定向的V形”意味着V形沿气隙的方向敞开。V形可以由沿周向考虑的两个连续的永磁体形成。在一个变型中，V形可以由沿周向考虑的多于两个的永磁体形成，特别地，由四个永磁体形成，两个永磁体例如形成V形的每个分支。永磁体的这种分段设置使得可以改善转子本体中的通量集中和/或使得可以引入桥接物从而为转子本体增加刚度。
V形的一个分支可以由例如两个磁体的许多个磁体形成。V形的一个分支的两个磁体可以对准。在一个变型中，形成V形的一个分支的磁体均沿着轴线延伸，两个轴线在它们之间封闭成角度α。该角度α可以在0°与45°之间。
永磁体的横截面可以为矩形。在一个变型中，磁体的垂直于旋转轴线的横截面的宽度可以沿着气隙的方向变小。永磁体的横截面可以为大致梯形。在另一变型中，磁体的横截面可以是弯曲的，例如为环的扇区的形状。
具有相同极性的两个连续初级极部的两个连续磁体可以形成朝向旋转轴线定向的V形。如沿周向考虑的，在从一个V形转变到具有相同极的另一V形而不是具有相反极性的极或V形时，连续磁体的布置可以是相同的。因此，具有相反极性的两个连续初级极部的两个连续磁体也可以形成朝向旋转轴线定向的V形。
在一个变型中，连续磁体的布置可以根据是否转变到相同极性的V形或是否转变到相反极性的极的V形而不同。这使得可以使转子本体中的通量集中最优化。借助于示例，具有相反极性的两个连续初级极部的两个连续磁体可以大致彼此平行地延伸。磁体的这种布置使得可以使转子本体中的通量集中最优化。
具有相反极性的两个连续初级极部的两个磁体之间的转子本体的厚度可以小于5mm、或小于3mm，以及甚至更好地小于1.5mm。
在另一变型中，同一个磁体可以同时包括在两个连续的V形中，特别地，包括在具有相反极性的两个极的两个V形中。在这种情况下，该磁体的横截面可以例如是包括在仅一个V形中的磁体的横截面的两倍大。
凹部可以径向延伸过比相应的磁体的横截面的径向长度更长的长度。可以选择凹部的横截面的形状以使气隙中的感应波形最优化。借助于示例，凹部的垂直于旋转轴线的横截面的至少一个端部可以是三角形，或两个端部都可以是三角形或弯曲的，或呈圆弧的形状。当磁体插入到对应的凹部中时，凹部的其端部中的一个端部没有磁体的部分可以是三角形、矩形或圆形。对于两个连续的凹部而言，两个三角形、矩形的斜边或最靠近气隙设置的曲线可以彼此相对地设置。这种形式使得可以更好地朝向气隙引导磁通。对于两个连续的凹部而言，两个三角形、矩形的斜边或最靠近旋转轴线设置的曲线可以面对面地设置。
永磁体可以形成8个与24个之间的多个V形、或12个与20个之间的多个V形，例如16个V形。为给定的转子确定V形的最优数目从而使得可以根据转子的极性及其几何尺寸使气隙中的通量的产生最大化是可能的。用于给定极性的V形的最佳数目可以例如大于用于比给定的极性更大的极性的V形的最佳数目。
转子的极的数目可以小于等于8个，或小于等于6个，例如等于4个。由于本发明，可以提供带有较弱极性的转子，例如可以提供仅带有两个极的转子，同时产生有效的通量集中。对使用而言未必存在任何频率限制，并且根据本发明的转子可以通过由电子电力逆变器供给电力来使用，同时限制马达处的铁损耗和逆变器中的切换损耗。
转子的永磁体可以至少部分地由铁素体制成。例如，永磁体可以不包括稀土，或至少可以包括按重量计小于50％的稀土。
转子可以包括沿着旋转轴线延伸的轴。该轴可以由磁性材料制成，这有利地使得可以减小转子本体中磁饱和的风险，并且可以提高转子的电磁性能。该轴可以包括与转子本体接触的磁性套筒，该套筒安装在可以有磁性也可以没有磁性的主轴上。
旋转本体沿着旋转轴线延伸并且绕轴设置。该轴可以包括用于旋转转子本体的扭矩传输装置。
转子本体可以全部通过转子叠片的组装形成，每个转子叠片均形成为单片，或通过一条扇形体的缠绕物的形成。因此，转子会不具有连接的极部，并且因此简化了转子的构型。
该磁性叠片层的堆叠可以包括一叠磁性叠片，每个磁性叠片均为单片式，每个叠片形成该堆叠的一层。
在一个变型中，该磁性叠片层的堆叠可以包括一个或多个缠绕的磁性叠片，每个叠片可以根据其缠绕的圈数形成该堆叠中的多个层。
叠片可以包括由材料桥接物连接的一系列扇形体。该材料桥接物可以在气隙的一侧上形成永磁体的凹部的基部。
每个扇形体可以对应于初级极部。叠片可以包括与初级极部的数目相等数目的许多个扇形体，或在一个变型中，包括与转子的极的数目相等数目的许多个扇形体。叠片可以包括比转子的初级极部的数目更多数目的许多个扇形体，例如，为转子的初级极部的数目的多倍，相同叠片的两个扇形体能够在叠片缠绕以形成转子本体时彼此叠置。
每个转子叠片例如从一片例如0.1mm至1.5mm厚的钢的磁性钢切割。叠片可以在将它们组装在堆叠内之前由电绝缘漆涂覆在它们相对的面上。也可以通过叠片的热处理来获得该绝缘效果。
在一个变型中，转子本体可以包括彼此独立的极部。每个极部可以由磁性叠片的堆叠形成。
凹部中的至少一个凹部可以为矩圆形的形状，优选地沿直线方向延长。所有凹部优选地为沿直线方向延长的矩圆形形状。在一个变型中，凹部可以例如以圆弧的方式沿弯曲方向延长。
凹部的分布有利地为规则并且非对称的，从而有助于在转子本体由转子叠片的叠置形成的情况下转子叠片的切割和切割后的机械稳定性。
凹部和磁体的数目取决于转子的极性。转子本体可以包括任意数目的凹部，例如4个与96个之间的凹部，甚至更好地，8个与40个之间的凹部，或16个与32个之间的凹部。
磁体可以嵌入转子本体中。也就是说，磁体可以在气隙处由多层磁性叠片覆盖。转子在气隙处的表面可以完全由多层磁性叠片的边缘而不是由磁体限定。凹部从而没有径向地通向外部。
转子本体可以包括一个或多个孔以减轻转子，从而能实现其平衡或用于形成转子的转子叠片的组装。孔可以允许连接杆通过，从而使叠层彼此固定。
叠片层可以夹紧至彼此。
凹部可以至少部分地由非磁性合成材料填充。该材料可以将磁体在凹部中锁定就位和/或增大叠置芯体的粘合。
转子本体可以包括——如果有的话——有助于磁体特别是沿径向方向的正确定位的一个或多个凸起部。
转子本体可以具有圆形或多瓣形的外部轮廓，多瓣形形式例如在减小扭矩波动或电流或电压谐波的方面可能是有用的。
转子可以接纳外部环状件，该外部环状件围绕叠置芯体。这使得可以减小连接两个连续扇形体的材料桥接物的宽度。
转子可以或可以不被歪斜地安装。
转子可以由沿轴向方向对准的许多转子件制成，例如由三个部件制成。所述部件中的每个部件均可以相对于其他相邻件成角度地偏置(阶梯式偏斜)。
本发明还涉及一种诸如同步马达或同步发电机之类的旋转电机，该旋转电机包括如上限定的转子。该转子可以是内转子或外转子。
外转子的使用可以使得可以避免具有相同极性的连续磁体之间的可能的饱和，这种饱和可能由内转子产生。因此可能在气隙中具有更大的磁性感应。另一方面，在带有外转子的构型中，存在有更多的空间来设置磁体，这使得可以更容易地增大气隙中的通量集中因数。
这种机器可以包括带有集中式或分布式绕组的定子。
转子可以具有与定子一样多的主极。
在阅读本发明的非限制性的示例性实施方式的以下详细描述时并且在查阅附图时，将更好地理解本发明，附图中：
-图1以横截面的方式示意性地示出了包括根据本发明制造的转子的机器的一部分，
-图2示出了图1的细节，以及
-图3至图11和图5a为与图2类似的视图，这些图示出了变型。
图1示出了包括转子1和定子2的旋转电机10。
定子2包括例如集中式或分布式绕组。该定子使得可以产生旋转磁场，在同步马达的情况下，该旋转磁场旋转转子，然而，在交流发电机的情况下，转子的旋转在定子的绕组中感应出的电动势。
图1和图2中示出的转子1包括沿着转子的旋转轴线X轴向延伸的磁性转子本体3，该转子本体例如由根据轴线X堆叠的一组磁性叠片4形成，叠片例如是相同的并且准确地重叠。这些叠片可以通过夹具、铆钉、连接杆、焊点或任何其他技术手段保持在一起。在一种变型中，转子本体可以包括至少一个缠绕的磁性叠片。磁性叠片优选地由磁性钢制成。可以使用磁性钢的所有变型。
旋转本体3包括用于在轴6上的安装的中央开口5。讨论的示例中的轴6可以由例如非磁性不锈钢或铝的非磁性材料制成。
转子1包括设置在磁性转子本体3的对应的凹部8中的多个永磁体7。永磁体7以朝向气隙定向的V形形状设置。每个V形均限定了初级极部9，两个连续的初级极部9具有相同的极性。在讨论的示例中，这两个初级极部9限定了转子的磁极。具有相同磁极和相同初级极部的两个连续磁体7在它们的相对面上具有相同的极性。
在所描述的示例中，V形的两个分支形成了在10°与90°之间的角度γ。此外，该V形可以延伸经过在5cm与25cm之间的径向高度L。高度L可以是转子半径的30％至80％，且在旋转轴线与气隙之间测量。
在一个变型中，如图4中所示，三个连续的初级极部可以具有相同的极性，或如图5中所示，四个连续的初级极部具有相同的极性，或如图6中所示，甚至五个连续的初级极部具有相同的极性。根据本发明的转子的主磁极已经在这些附图中的每个附图中示出。
转子的极的磁场线的路径同样已借助于图4中的示例示出，用于转子的主磁极的磁体的磁化取向的选择示例已经在图5中示出。
在示出的示例中，永磁体7的横截面为大致矩形，然而，如果永磁体7具有例如图8中所示的梯形形状的不同形状，则也未背离本发明的范围。在该视图中，可以看出磁体的垂直于旋转轴线的横截面的宽度l沿气隙的方向变小。
磁体可以由铁素体制成，或在变型中由例如钕之类的稀土制成。磁体优选地由铁素体制成。
在示出的示例中，具有相同极性的两个连续的初级极部的两个连续磁体也形成朝向旋转轴线定向的V形。
此外，在图4至图6中示出的实施方式中，具有相反极性的两个连续的初级极部的两个连续磁体也形成朝向旋转轴线定向的V形。
当然，情况也可以不同，并且在图1中示出的示例性实施方式中，具有相反极性的两个连续初级极部的两个连续磁体大致彼此平行地延伸。磁体的这种布置使得可以使转子本体中的通量集中最优化。在所描述的示例中，具有相反极性的两个连续V形的两个连续磁体之间的转子本体的厚度e在1.5mm与5mm之间。
在图3中示出的变型中，单个磁体同时被包括在具有两个相反磁性的两个V形中。在所描述的示例中，该磁体的横截面为仅包括在单个V形中的磁体的横截面的两倍大。
在图4至图6中示出的示例中，凹部8的最靠近旋转轴线的端部8a的垂直于旋转轴线的横截面为三角形。
在图1和图2中示出的示例中，每个凹部均限定了通过凹部的最靠近旋转轴线的端部8a相连的同一个V形的分支。
在另一变型中，或此外，每个凹部8的两个端部8a和8b均为三角形，如图5中所示。
凹部8的端部8b也可以包括变型中的弯曲边缘，例如，以圆弧的方式弯曲的边缘，如图5a中所示。
在刚刚描述的示例中，V形由沿周向考虑的两个连续永磁体形成。当然，如果情况有所不同，并且例如，如果V形由沿周向考虑的多于两个的永磁体形成，则也未背离本发明的范围。V形的每个分支可以例如通过许多永磁体来提供，特别地，通过两个永磁体或三个永磁体或四个永磁体来提供。在一个实施方式中，V形可以特别地由四个永磁体形成，两个永磁体例如形成V形的每个分支，如借助于图7中的示例所示。形成V形的分支的磁体可以各自沿着轴线延伸，所述两个轴线在它们之间封闭成角度α。该角度α可以在0°与90°之间。
在一个变型中，V形的一个分支可以通过单个磁体形成，该单个磁体包括相对于彼此倾斜了角度α的两个直线形部，如图9中所示。
在另一变型中，磁体可以弯曲，如图10中所示。
可以将合成材料注入到凹部8中以将磁体锁定在凹部8中和/或确保叠置芯体的粘合。所使用的材料例如是环氧树脂或热塑性材料。磁体7也可以在离心力的作用下通过夹紧而被锁定就位。
在刚刚描述的所有示例中，转子为内转子，然而，如果转子为外转子，则也未背离本发明的范围。借助于示例，包括内定子2和外转子1的机器10已经在图11中示出。
当然，本发明并不限于刚刚描述的实施方式。
例如，叠片可以形成有孔，以允许连接杆穿过从而接合转子本体的叠片。
表述“包括一个”应该理解为与“包括至少一个”同义。

Claims (22)

1.一种具有通量集中的旋转电机的转子(1)，所述转子(1)包括：
-转子本体(3)，所述转子本体(3)包括凹部(8)，以及
-永磁体(7)，所述永磁体(7)设置在所述转子本体(3)的所述凹部(8)中，所述永磁体以朝向气隙定向的V形形状设置，每个V形均由多于两个的永磁体(7)形成并且限定了初级极部(9)，至少两个连续的初级极部(9)具有相同的极性。
2.一种具有通量集中的旋转电机的转子(1)，所述转子(1)包括：
-转子本体(3)，所述转子本体(3)包括凹部(8)，以及
-永磁体(7)，所述永磁体(7)设置在所述转子本体(3)的所述凹部(8)中，所述永磁体以朝向气隙定向的V形形状设置，每个V形均限定了初级极部(9)，至少两个连续的初级极部(9)具有相同的极性，磁体的垂直于旋转轴线的横截面的宽度(e)沿所述气隙的方向变小。
3.一种具有通量集中的旋转电机的转子(1)，所述转子(1)包括：
-转子本体(3)，所述转子本体(3)包括凹部(8)，以及
-永磁体(7)，所述永磁体(7)设置在所述转子本体(3)的所述凹部(8)中，所述永磁体以朝向气隙定向的V形形状设置，每个V形均限定了初级极部(9)，至少两个连续的初级极部(9)具有相同的极性，所述永磁体的横截面为弯曲的。
4.一种具有通量集中的旋转电机的转子(1)，所述转子(1)包括：
-转子本体(3)，所述转子本体(3)包括凹部(8)，以及
-永磁体(7)，所述永磁体(7)设置在所述转子本体(3)的所述凹部(8)中，所述永磁体以朝向气隙定向的V形形状设置，每个V形均限定了初级极部(9)，至少两个连续的初级极部(9)具有相同的极性，所述转子在所述电机的外部。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的转子，其中，V形由沿周向考虑的两个连续的永磁体(7)形成。
6.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其中，V形由四个永磁体形成，每两个磁体形成所述V形的分支。
7.根据前述权利要求中任一项所述的转子，至少三个连续的初级极部(9)、或至少四个连续的初级极部、或甚至五个连续的初级极部具有相同的极性。
8.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其中，所述永磁体(7)的横截面为矩形。
9.根据权利要求1至7中除权利要求2以外的任一项所述的转子，其中，磁体的垂直于旋转轴线的横截面的宽度(e)沿所述气隙的方向变小。
10.根据权利要求1至7中除权利要求3以外的任一项所述的转子，其中，所述永磁体的横截面是弯曲的。
11.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其中，具有相同极性的两个连续初级极部(9)的连续磁体(7)形成朝向所述旋转轴线定向的V形。
12.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其中，具有相反极性的两个连续初级极部(9)的连续磁体(7)形成朝向所述旋转轴线定向的V形。
13.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其中，具有相反极性的两个连续初级极部(9)的连续磁体(7)大致彼此平行地延伸。
14.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其中，所述转子本体(3)的在具有相反极性的两个连续V形的连续磁体(7)之间的厚度(e)小于5mm，甚至更好地小于1.5mm。
15.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其中，至少一个凹部(8)在横截面中径向延伸经过比相应磁体的径向长度更大的长度。
16.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其中，所述凹部(8)的至少一个端部(8a、8b)的垂直于所述旋转轴线的横截面为三角形或弯曲的，或甚至更好地，两个端部(8a、8b)为三角形或弯曲的。
17.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其中，所述永磁体形成8个至24个的多个V形，甚至更好地，形成12个至20个的多个V形、特别是16个V形。
18.根据前述权利要求中任一项所述的转子，包括小于等于8个或小于等于6个的多个极。
19.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其中，所述永磁体至少部分地由铁素体制成。
20.根据前述权利要求中任一项所述的转子，包括多个转子件，所述多个转子件沿轴向方向对准，并且相对于彼此成角度地偏置。
21.一种包括根据前述权利要求中任一项所述的转子的旋转电机。
22.一种包括根据前述权利要求中除权利要求4以外的任一项所述的转子的旋转电机，所述转子为外转子。
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