CN104377846B - 盘式转子马达 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种盘式转子马达(1、26)，其具有至少一个定子(3、4、28、31)和至少一个盘形的转子(2、27)，该定子具有至少一个电定子绕阻(14)和定子齿(11)，这些定子齿由软磁复合材料粉构造出齿颈(12)，该转子具有仅由铁氧体磁体(7、8)形成的、至少用于形成扭矩的永磁磁极(9)，其中，转子(2、27)和定子(3、4、28、31)相互平行地定向，并且通过轴向间隙(5)彼此间隔开。为了在成本、重量或结构大小以及功率密度和扭矩密度之间找到最优状态，根据本发明提出，将定子齿(11)分别以联接在它们的齿颈(12)上的、由软磁复合材料粉构成的齿端部(15)结束，该齿端部(15)相对于齿颈(12)在其横截面积(AE)上扩宽了。

Description

盘式转子马达
技术领域
本发明涉及一种盘式转子马达
Figure BDA0000555577990000011
其具有至少一个定子以及至少一个盘形的转子，其中，该定子具有至少一个电定子绕阻和定子齿，这些定子齿由软磁复合材料粉构造出齿颈；该转子具有仅由铁氧体磁体形成的、至少用于形成扭矩的永磁磁极，其中，转子和定子相互平行地定向，并且通过轴向间隙彼此间隔开。
背景技术
为了提供一种在材料成本方面减少的盘式转子马达，由现有技术(作者：Sone、Kodai等，标题：“无需稀土材料的铁氧体永磁体轮毂马达”(A Ferrite PM In-Wheel MotorWithout Rare Earth Materials)，IEEE磁学报(Transactions on Magnetics)，48(11)：2961-2964)公知的是，给构造为转子盘的转子仅装备铁氧体磁体，以便由此构造出永磁磁极以形成扭矩。因此，可以避免对由稀土构成的永磁体的需求，这除了减少成本以外还导致了具有比较少的涡流损耗的盘式转子马达。像在盘式转子马达中常见的那样，转子与定子平行地定向并且通过轴向间隙与定子间隔开。定子的定子轭由软磁复合材料粉制成，并且构造出具有被缠绕的且平端的齿颈的定子齿。不利的是，在使用廉价的铁氧体磁体的情况下必须一方面以降低的功率密度，并且另一方面以较低的扭矩密度为代价。这虽然可以通过转子盘的增大的直径来补偿，但这会提高由于该马达设计方案本来就比较大的结构空间(在马达直径方面)。像例如在车辆生产中所要求的那样，如果提供有很小的结构空间，那么这种比较廉价但却很大的盘式转子马达是不适用的。
发明内容
因此，本发明提出以如下方式在结构上改变本文开头所描述类型的盘式转子马达，即，尽管在转子上存在有铁氧体磁体，但仍然可以实现高的功率密度和扭矩密度，并且额外地也可以保持很小的马达尺寸，以便允许在狭小的结构空间中进行装配。此外，盘式转子马达应该具有很小的重量。
本发明通过如下方式来解决所提出的任务，即，使得定子齿分别以联接在它们的齿颈上的、由软磁复合材料粉构成的齿端部结束，该齿端部相对于齿颈在其横截面积上扩宽。
如果定子齿分别以联接在齿颈上的、由软磁复合材料粉构成的齿端部结束，该齿端部相对于齿颈在其横截面积上扩宽，那么尽管存在具有铁氧体磁体的转子，但仍然可以在盘式转子马达的结构大小方面以及也在其功率密度和扭矩密度方面找到最优状态。因此，根据本发明第一次可以变得可行的是，以每个种类的铁氧体磁体也得到了根据现有技术仅由具有由稀土构成的磁体的转子实现的盘式转子马达。也就是说，即使当在关于功率密度和扭矩密度的最优的情况下，与齿颈相比，铁氧体磁体必须强制性地具有明显更大的横截面积时，由于朝向端部扩宽的定子齿以及通过齿端部的特别的材料(软磁复合材料粉)，铁氧体磁体的永磁磁通量仍然可以是可靠的并且可以低损耗地导入齿颈以及进而定子中。因此，在高的功率密度和扭矩密度或者高的效率的情况下，根据本发明的齿形状对于具有铁氧体磁体的盘式转子马达的马达设计方案来说很明确地导致了紧凑且重量减少的结构形状。因此，可以开启在车辆生产中对于这种盘式转子马达来说非公知的应用可能性。
通常提到的是，SMC(“软磁复合材料soft magnetic composites”)可以特别适合作为软磁复合材料粉。
令人吃惊的是可以确定，如果齿端部的最小的横截面积与齿颈的最大的横截面积的商大于2，那么重量或结构大小以及功率密度和扭矩密度的相对的优化参数找到了最优状态。此外，由此还给出了针对该盘式转子马达的可简单操作的结构规定。
如果齿颈和齿端部由相同的软磁复合材料粉构成，那么可以简化定子的制造。为此，SMC尤其可以适合作为软磁复合材料粉。
如果制造为一体的齿颈和齿端部构成定子的单件式的构件，那么磁损耗还可以进一步减少。此外，这还可以通过如下方式导致与定子的简化的关系，即，在缠绕单件式的定子齿之后，才将该定子齿与定子的磁导的定子轭例如通过这两个接合部件之间的材料锁合(stoffschlüssig)和/或形状锁合(formschlüssig)的措施牢固连接。
作为对定子齿的单件性(Einstückigkeit)的替选，也可以想到的是，齿端部放置在齿颈上且与之牢固连接，以便能够实现对齿颈缠绕。
在齿端部与齿颈牢固连接之前，缠绕定子齿的选择也开启了如下可能性，即，在结构上简单地制造定子。也就是说，定子的由一个部分或由多个部分构成的定子轭以及齿颈于是可以用制造为一体的方式构成单件式的构件，由此又使盘式转子马达的组装变得容易。此外，定子轭和齿颈由此可以基于相同的软磁复合材料粉而具有相同的磁特性值，这可以进一步使盘式转子马达的构造变得容易。
如果定子齿和铁氧体磁体同中心地布置在定子或转子的边缘区域中，那么可以在盘式转子马达转子上实现比较高的功率密度和扭矩密度。
如果转子具有承载盘，该承载盘在铁氧体磁体的区域内具有开口，那么提高的质量的铁氧体磁体可以紧固在转子上，并且尽管如此转子仍然可以细窄地构造。对于承载盘来说，尤其是使用不锈钢可以保证机械稳固地支承多个铁氧体磁体。由此，可以得到稳固的盘式转子马达。
如果分别将各一个第一铁氧体磁体置入承载盘的一个开口中，并且在两侧分别被各一个位于承载盘上的第二铁氧体磁体覆盖，那么提高的数量的铁氧体磁体可以用结构上简单的方式设置在承载盘上。这除了改善盘式转子马达的功率密度和扭矩密度以外还可以用于降低转子的直径并由此提供了盘式转子马达的进一步减小的尺寸。
如果承载盘中的开口在两侧具有阶梯形的开口边缘，那么当第二铁氧体磁体对齐地伸入阶梯形的开口边缘中时，可以能机械负载地构造出铁氧体磁体与承载盘的牢固连接。也就是说，由此不仅仅是在置入开口中的第一铁氧体磁体与承载盘之间构造出形状锁合的连接。此外，第二铁氧体磁体可以在阶梯形的开口边缘上实现与承载盘的形状锁合的连接。由此，可以提供能特别负载且稳定的转子，由此又进一步提高盘式转子马达的稳固性。
如果承载盘在边缘区域内具有缝隙，那么可以阻止在承载盘的开口区域中构造出涡流。这尤其可以避免铁氧体磁体退磁，并且可以提高提高盘式转子马达的稳固性。
如果缝隙构造在承载盘的T形的接片之间，在这些接片之间存在有承载盘的用于铁氧体磁体的开口，那么可以用结构上简单的方式提供开槽的辐条轮形式的承载盘。除了重量减少以外，该结构也可以导致有利的磁关系，并且可以提高盘式转子马达的效率或功率密度和扭矩密度。
机械负载有铁氧体磁体的承载盘可以在端侧具有环绕的槽，有增强元件至少部分地设置在该槽中。环绕承载盘的增强元件特别地可以对抗边缘侧的接片的变形，其中，轮箍在此被证实是有利的。因此，可以得出盘式转子马达的提高的稳固性。
以节省重量的方式，增强元件可以具有至少一个纤维。此外，这可以避免承载盘的通过缝隙分离开的边缘区域的短路，并且因此对盘式转子马达的效率或功率密度和扭矩密度没有不利影响。由玻璃材料或碳材料构成的纤维可以被证实是对此有利的。
如果在转子两侧分别设置有各一个定子，那么可以在盘式转子马达上实现比较高的功率密度和扭矩密度。
如果转子具有磁导的承载盘，铁氧体磁体全面地紧固在该承载盘上，那么可以简化盘式转子马达的结构上的构造，其中，设置在转子的一侧的定子经由轴向间隙与承载盘的具有铁氧体磁体的侧邻接。相对于两侧的盘式转子马达，单侧的盘式转子马达可以通过承载盘构造出磁回路，因此，盘式转子马达的轴向尺寸由于放弃了第二定子可以明显减小。此外，该实施方式的特征还可以在于其成本优势。
盘式转子马达的效率或功率密度和扭矩密度可以被提高，在该盘式转子马达中，定子具有磁导的定子轭以及与该定子轭相比具有提高的热导率的热导体，该热导体经由定子轭的凹口或开口贴靠在被缠绕的齿颈的线圈上。也就是说，由此可以改善对绕阻的冷却，该冷却可以受到隔离绕阻的齿端部的影响。
如果热导体由铝或铝合金构成，那么可以进一步改善该冷却。
附图说明
在附图中，例如借助多个实施方案详细示出本发明的主题。其中：
图1示出根据第一实施例的从中间切开的两侧的盘式转子马达的三维视图；
图2示出图1的在撕开处并被放大的视图；
图3示出根据图1的盘式转子马达的定子的在撕开处并被剥开的俯视图；
图4示出根据图1的盘式转子马达的转子的在撕开处并被剥开的俯视图；
图5示出根据第二实施例的从中间切开的单侧的盘式转子马达的三维视图；
图6示出图5的在撕开处并被放大的视图；
图7示出具有热导体的定子的替选的实施方案；
图8示出定子在其定子齿和定子轭方面的替选的实施方案。
具体实施方式
在根据图1示出的实施例中示出了两侧的盘式转子马达1，其在两个相同构造的定子3、4之间具有转子2。转子2和定子3、4相互平行地定向，并且分别通过轴向间隙5彼此间隔开。像从图1、2和4中看到的那样，转子2具有基本上通过其承载盘6形成的盘形形状。在承载盘6上仅设置有铁氧体磁体7、8，以便构造出形成永励磁扭矩的磁极9。也可以想到的是，这些磁极9有利于形成力，例如用以无接触地支承转子2，这没有详细示出。
在两个相同构造的定子3和4中，根据图1分别示出定子轭10，该定子轭以多个平行的定子齿11结束。定子齿11或齿颈12被缠绕有定子绕阻14的线圈13，该定子绕阻优选三股式地(U、V、W)构造，这没有详细示出。像与图3和图4相比较可以识别出的那样，齿颈12的横截面积AH的最大总和小于磁极面积的总和，这些磁极面积分别由配属的铁氧体磁体7、8的横截面积AF得到。因此，铁氧体磁体7、8明显凸出于定子3、4的齿颈12，这是因为要平衡铁氧体磁体7、8的相对于由稀土构成的永磁体降低的能量密度(根据本发明，仅铁氧体磁体7、8应该能够实现在盘式转子马达1上的相同的功率密度和扭矩密度)。尽管由软磁复合材料粉，优选SMC构造出定子3、4的齿颈12，但像由现有技术公知的那样仍然需要盘式转子马达1(在其直径上)的很大的结构大小。为了减小尤其是在车辆生产中，在狭小的结构空间的情况下出现的缺点，定子齿11分别以联接在其齿颈12上的齿端部15结束，该齿端部的横截面积AE相对于齿颈12的横截面积AH增大。与由软磁复合材料粉，优选SMC构成的齿端部15(与在齿颈12的情况下相同)的结构相结合，这开启了用于优化或减小盘式转子马达1的结构大小的其它选择。也就是说，齿端部15的特别的材料允许三维的磁通量引导，从而定子齿11可以与铁氧体磁体7、8的大小相称，并且因此得到用于进一步优化或减小盘式转子马达1的结构大小的选择。由此提供了如下盘式转子马达1，即，尽管在转子2中仅使用了铁氧体磁体7、8，但该盘式转子马达仍然具有高的功率密度和扭矩密度，并且仍然可以在其尺寸上保持很小。可以放弃成本高的、由稀土构成的永磁体。因此，根据本发明的廉价的盘式转子马达1即使在大多提供了狭小的结构空间的车辆生产中也可以使用。
齿端部15的最大的横截面积AE与齿颈12的最小的横截面积AH的商大于2，即，(AE/AH)>2。因此，根据图2和图3可以识别出齿颈12的柱体形状，齿端部15以同样的柱体形状联接到该齿颈上。该措施一方面提供了高的效率或者高的功率密度和扭矩密度，并且另一方面提供了盘式转子马达1的最小的尺寸。通常提到的是，可以在齿颈12与齿端部15之间建立起形状锁合的连接，但这没有详细示出。
像根据图1和图2识别出的那样，齿端部15放置在齿颈12上，并且与齿颈材料锁合地连接。替选或补充地，同样可以想到的是形状锁合的连接，但这没有详细示出。由此，齿端部15的三维的通量引导部低损耗地联接到齿颈12上，并且因此提供了高的功率密度和扭矩密度。
像图3所示那样，定子3、4的齿颈12和一体式的定子轭10构造出单件式的构件16，这使磁通量引导中的损耗保持很小。但完全也可以想到的是，将定子轭10分段地实施，以便由此符合按压工具的技术要求。
像在图1至图4中看到的那样，定子齿11和铁氧体磁体7、8同中心地布置在定子3、4或转子2的边缘区域19、20中。因此，盘式转子马达1可以产生很高的扭矩，这额外通过分别将一个定子3、4布置在中间的转子2的两侧来增强。
转子2可以用如下方式无变形地接收高转速，即，使其承载盘6由不锈钢构成。此外，承载盘6具有开口17，在图4中通过在那里没有示出转子2的铁氧体磁体7、8的方式可以完整地识别出这些开口中的一个。因此，可以避免磁通量由于承载盘6被衰减。此外，通过这些开口17可以实现铁氧体磁体7和8的堆叠。因此，第一铁氧体磁体8精确匹配地置入承载盘6的开口17中。该第一铁氧体磁体8在两侧分别被位于承载盘6上的第二铁氧体磁体7覆盖。因此，在开口17的区域中设置有三个铁氧体磁体7、8，这确保每个永磁磁极9都具有很高的磁通势。
此外，承载盘6中的开口17在两侧具有阶梯形的开口边缘18，第二铁氧体磁体7对齐地伸入该开口边缘中，这明显提高与外部的铁氧体磁体7的牢固连接。
此外，根据图4，在承载盘6的边缘区域20中可以识别出缝隙21，以便在承载盘6中减小涡流并进而减小损耗。这些缝隙21构造在承载盘6的T形的接片22之间，这些接片为了简化结构还联接到承载盘6的用于铁氧体磁体7、8的开口17上。
为了机械地增强承载盘6，该承载盘在端侧具有环绕的槽23，增强元件24置入该槽中。该增强元件24作用轮箍，并且以在周向方向上分布的、由玻璃材料或碳材料构成的纤维25来增强，这确保了转子2或盘式转子马达1的高的稳固性和耐振性。
根据图5和图6示出的盘式转子马达26作为第二实施例与根据图1至图4示出的盘式转子马达1的不同之处主要在于其单侧的马达结构。这个区别主要表现为转子27的结构改变。因此，在转子27中可以识别出，在其承载盘6上针对每个磁极9都紧固有铁氧体磁体7。承载盘6是磁导的，并且为了集中磁通量在铁氧体磁体7的区域中不具有开口。因此，铁氧体磁体7全面地，优选材料锁合地紧固在承载盘6上。在定子3与转子27之间又设置有轴向的间隙5，该间隙使定子3与转子27彼此分离。盘式转子马达26的定子3与盘式转子马达1的定子3相同地构建，像这在与图1和图5的比较中可以识别出的那样。为了清晰起见并且为了更好地看到定子齿11，在切开的盘式转子马达26的左侧没有示出定子齿11的定子绕阻14的线圈13。根据图5和图6的盘式转子马达26能够通过其比较短的结构长度实现极其紧凑的电驱动装置。
通常提到的是，对于所有实施例来说并不是非要必须缠绕所有定子齿11。
根据图7示出了定子28的替选的实施方案，其与图1、2、3、5和6的定子的不同之处在于具有用于热导体30的开口29。开口29设置在定子的定子轭10中，并且允许热导体30联接到定子齿11的绕阻的线圈13的底部上，以便更好地导出线圈13的损耗热量。也就是说，线圈13的冷却会受到齿端部的覆盖作用的影响。盘式转子马达1、26的效率或功率密度和扭矩密度由此得到提高。此外，相对于定子轭10具有提高的热导率的热导体30例如在侧面联接到线圈13上，这进一步改善了冷却，但并不妨碍线圈13的互连。但是，由铝构成的热导体30也可以具有任一其它的导热材料。此外，热导体30可以用作针对定子28的承载件或壳体，像在图7中看到的那样，在该承载件或壳体中，热导体包围定子轭。由此提供了稳固的盘式转子马达1、26。
图8示出了定子31在其定子齿11和定子轭10方面的其它替选的实施方案。也就是说，制造为一体的齿颈12和齿端部15构成定子31的单件式的构件32。构件32因此完全成形出定子齿11。该构件32与定子31的磁导的定子轭10材料锁合和/或形状锁合地连接。由此降低了在齿颈12与齿端部15之间出现的磁损耗。

Claims (21)

1.一种盘式转子马达，所述盘式转子马达具有至少一个定子(3、4、28、31)以及至少一个盘形的转子(2、27)，所述定子具有至少一个电的定子绕阻(14)和定子齿(11)，所述定子齿由软磁复合材料粉构造出齿颈(12)，所述转子具有仅由铁氧体磁体(7、8)形成的、至少用于形成扭矩的永磁磁极(9)，其中，转子(2、27)和定子(3、4、28、31)相互平行地定向，并且通过轴向间隙(5)彼此间隔开，其特征在于，所述定子齿(11)分别以联接在它们的齿颈(12)上的、由软磁复合材料粉构成的齿端部(15)结束，所述齿端部(15)相对于所述齿颈(12)在其横截面积(AE)上扩宽，其中，齿端部(15)的软磁复合材料粉的最大的横截面积(AE)与齿颈(12)的软磁复合材料粉的最小的横截面积(AH)的商大于2，其中，齿颈的由软磁复合材料粉构成的横截面积(AH)的最大总和小于由铁氧体组成的永磁磁极的横截面积(AF)的总和。
2.根据权利要求1所述的盘式转子马达，其特征在于，齿颈(12)和齿端部(15)由相同的软磁复合材料粉构成。
3.根据权利要求2所述的盘式转子马达，其特征在于，制造为一体的齿颈(12)和齿端部(15)构成定子(31)的单件式的第一构件(32)，所述第一构件(32)与定子(31)的磁导的定子轭(10)牢固连接。
4.根据权利要求1或2所述的盘式转子马达，其特征在于，齿端部(15)放置在齿颈(12)上并与之牢固连接。
5.根据权利要求4所述的盘式转子马达，其特征在于，定子(3、4、28)的由一个部分或由多个部分构成的定子轭(10)和齿颈(12)以制造为一体的方式构成单件式的第二构件(16)。
6.根据权利要求1所述的盘式转子马达，其特征在于，定子齿(11)和铁氧体磁体(7、8)同中心地布置在定子(3、4、28、31)或转子(2、27)的边缘区域(19、20)中。
7.根据权利要求1所述的盘式转子马达，其特征在于，转子(2)具有承载盘(6)，所述承载盘在铁氧体磁体的区域内具有开口(17)。
8.根据权利要求7所述的盘式转子马达，其特征在于，各一个第一铁氧体磁体(8)分别置入承载盘(6)的一个开口(17)中，并且在两侧分别被各一个位于承载盘(6)上的第二铁氧体磁体(7)覆盖。
9.根据权利要求8所述的盘式转子马达，其特征在于，在承载盘(6)中的开口(17)在两侧具有阶梯形的开口边缘(18)，所述第二铁氧体磁体(7)对齐地伸入所述开口边缘中。
10.根据权利要求7所述的盘式转子马达，其特征在于，承载盘(6)在边缘区域内具有缝隙(21)。
11.根据权利要求10所述的盘式转子马达，其特征在于，所述缝隙(21)构造在承载盘(6)的T形的接片(22)之间，在所述接片(22)之间存在有承载盘(6)的用于铁氧体磁体(8)的开口(17)。
12.根据权利要求7所述的盘式转子马达，其特征在于，承载盘(6)在端侧具有环绕的槽(23)，增强元件(24)至少部分地设置在所述槽中。
13.根据权利要求12所述的盘式转子马达，其特征在于，增强元件(24)具有至少一个纤维(25)。
14.根据权利要求7所述的盘式转子马达，其特征在于，在转子(2)的两侧分别设置有各一个定子(3、4、28、31)。
15.根据权利要求1所述的盘式转子马达，其特征在于，转子(27)具有磁导的承载盘(6)，铁氧体磁体(7)全面地紧固在所述承载盘上，其中，设置在转子(27)的一侧的定子(3、28、31)经由轴向间隙(5)与承载盘(6)的具有铁氧体磁体(7)的侧邻接。
16.根据权利要求1所述的盘式转子马达，其特征在于，定子(28)具有磁导的定子轭(10)以及与所述定子轭(10)相比具有提高的热导率的热导体(30)，所述热导体经由定子轭(10)的凹口或开口(29)贴靠在被缠绕的齿颈(12)的线圈(13)上。
17.根据权利要求16所述的盘式转子马达，其特征在于，热导体(30)由铝或铝合金构成。
18.根据权利要求2所述的盘式转子马达，其特征在于，齿颈(12)和齿端部(15)由SMC构成。
19.根据权利要求7所述的盘式转子马达，其特征在于，所述承载盘(6)由不锈钢构成。
20.根据权利要求12所述的盘式转子马达，其特征在于，所述增强元件(24)是轮箍。
21.根据权利要求13所述的盘式转子马达，其特征在于，所述纤维由玻璃材料或碳材料构成。
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