CN104620473B - 旋转电机的包括在其中设置有凹部的转子本体的转子 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及旋转电机的转子，该转子包括转子本体(2)，在转子本体中以使得限定转子的磁极(4)的方式设置有凹部(3)，特别是每个磁极具有至少三个凹部，每个磁极具有磁极的径向轴线，凹部(3)具有细长形状并且各自包括两个短边，凹部被设置在针对每个磁极而言的一排或多排中，一排包括连续地设置的至少两个或甚至至少三个凹部(3)，凹部的短边在给定排的两个连续的凹部之间限定材料桥状部，所述材料桥状部大体上沿着桥状部的纵向轴线(2)延伸，越远离旋转轴线，桥状部的纵向轴线越靠近转子的对应磁极的径向轴线定向。
Description
技术领域
本发明涉及旋转电机、特别是包括磁通量集中式转子的旋转电机，并且更特别地涉及这样的电机的转子。
背景技术
已经熟知这样的旋转电机：所述旋转电机包括具有磁体的转子，磁体以限定转子的磁极的方式设置在凹部中。凹部可以呈圆的圆弧的形状或V形。凹部通过周向地定向的材料桥状部与气隙间隔开，这使得能够保持承受电机受到的机械力的转子的内聚性。
从例如以下已经熟知这样的电机：专利文献EP 0746079、US 6121 706、US 6 630762、US7 779 153以及专利申请EP 1 763 121、US 2002/0175584以及WO 2008/123086。
为了改善承受离心力的机器的内聚性，还已知的是在凹部之间提供径向桥状部。例如在专利文献US 6 630 762中，这些桥状部沿着对应磁极的径向轴线设置。
为了优化磁通量在转子中的分布，在限制径向桥状部的尺寸方面做出努力，以最小化通过这些桥状部中的磁通量并使磁极的磁通量损失最小化。
另一方面，由于转子因离心力的作用而受到很大的应力，径向桥状部必须具有足够的厚度以防止其断裂。
这些矛盾的需求使得转子的设计很困难。
因而，有必要提供一种足够坚固以承受离心力同时允许磁通量的良好循环和磁通量在磁极中的良好集中的转子。
发明内容
本发明意在响应于该需要，因此，根据本发明的第一方面，本发明的目的是提供一种旋转电机的转子，该转子包括转子本体，在转子本体中，以使得限定转子的磁极的方式设置有凹部，每个磁极优选地具有至少三个凹部，每个磁极具有磁极的径向轴线，
凹部具有细长形状并且每个凹部包括两个短边，凹部针对每个磁极而言被设置在一排或多排中，一排包括连续地设置的至少两个凹部，优选地设置至少三个凹部，凹部的短边在给定排上的两个连续的凹部之间限定有材料桥状部，
所述材料桥状部大体上沿着桥状部的纵向轴线延伸，桥状部的纵向轴线倾斜地定向，并且当远离旋转轴线而移动时，桥状部的纵向轴线变得更靠近转子的对应磁极的径向轴线。
根据本发明的转子使得能够协调上述矛盾的需求，也就是说，一方面，磁通量在磁性回路中的循环的需求，以及另一方面，转子的机械强度的需求。上述倾斜定向的材料桥状部使得能够在没有不利地影响电机的磁性平面的情况下承受转子可能受到的离心力。
借助于本发明，因而能够针对给定的旋转速度减小桥状部的宽度并且能够实现磁通量在对应磁极中更好的集中。能够通过改进弯曲力的平衡来减小桥状部中的内部应力，并且能够在所述桥状部中基本上仅获得张应力。还能够实现的是，在给定桥状部的宽度的情况下，具有使机器以更高的旋转速度运行的能力并且使磁极中的磁通量的集中得以改进。
转子可以包括永磁体，永磁体插设在所有凹部或部分凹部中，例如插设在至少一半凹部中，或者插设在多于三分之二的凹部中，并且更好地仍是插设在所有凹部中。
永磁体可以由铁氧体制成或通过稀土或任何其它类型的磁性材料实现。凹部的设置使得能够集中磁体的磁通量并且通过由铁氧体制成的磁体实现可观的性能。在一个示例性实施方式中，给定排上的凹部设置在中央分部和位于中央分部两侧的两个侧向分部上，从而例如形成U形构型，例如仅中央分部包括一个或多个永磁体，侧向分部不容置永磁体。
转子可以不具有永磁体，在这种情况下所涉及的是磁阻电机的转子。
词语“磁极的径向轴线”用来表示磁极的在径向上定向的轴线，也就是说根据转子的半径定向。该轴线可以是磁极的对称轴。所述径向轴线可以与磁极的顶端相交。
形成在凹部之间的材料桥状部可以大体上沿着桥状部的纵向轴线倾斜地延伸，桥状部的纵向轴线与转子的对应磁极的径向轴线一起形成非零的且大于5°的角，该角优选地大于10°，例如，大约为15°。该角可以小于45°，优选地小于30°，或甚至小于20°。
词语“桥状部的纵向轴线”用来表示以关于限定所述材料桥状部的相邻凹部的两个短边位于中央的方式设置的轴线。该轴线优选地为直线。
对于给定磁极而言，所述磁极的凹部可以设置成单排。排的凹面可以朝向磁极的顶端定向，也就是说朝向气隙定向。
对于给定的磁极而言，所述磁极的凹部优选地设置在多排中，每排具有可以朝向磁极的顶端定向的凹面，特别地，所述磁极的凹部设置在大致同心的排中。词语“同心的”用来表示当在与转子的旋转轴线垂直的平面中观察时，各排上的凹部的中线在给定点处彼此相交。这种在多个同心的排中的设置使得能够改进磁通量的集中而不必为获得等量的磁通量而增大凹部的尺寸或永磁体的数量。特别地，每个磁极的排的数量可以是两个、三个或四个。
当转子对于给定磁极包括多排时，当沿气隙的方向移动时，所述多排可以具有逐渐减小的长度，最长的排更靠近旋转轴线并且最短的排更靠近气隙侧。一排的长度与在该排上的凹部的累积长度对应。
在给定磁极的两个排上的至少两个凹部可以彼此平行地延伸。在一排上的所有凹部可以与另一排上的对应凹部平行地延伸。
转子可以包括与凹部的排一样多的倾斜定向的材料桥状部，或甚至高达其两倍或更多，或甚至是其三倍或更多。磁极中的倾斜定向的材料桥状部的数量可以等于磁极中的凹部的数量减去在所述磁极中的排的数量。
一排可以包括严格大于一个的多个凹部，例如至少两个凹部，并且优选地三个凹部。一排可以包括例如一个中央凹部和两个侧向凹部。至少一排可以包括奇数个凹部，例如，至少三个凹部。
给定磁极的两排可以具有不同数量的凹部。在本发明的示例性实施方式中，至少一个磁极包括这样的一排凹部：所述一排凹部包括的凹部数量比该磁极的别的排的凹部数量少，例如与其它排的三个相比为两个。具有最小数量的凹部的排优选地最靠近气隙并且最远离旋转轴线。
在单排上的凹部和/或材料桥状部的设置优选地关于磁极的径向轴线对称。
在一排中，凹部可以以V形或U形布置，U形可以具有朝向气隙外扩的形状。换句话说，构成U形的侧向分部的凹部可以不彼此平行。因而，径向桥状部的倾斜可以与侧向凹部的倾斜关于磁极的径向轴线相对。
当在给定排上的凹部根据U形布置设置时，中央凹部的长度可以大于或小于U形的分部的长度。在一个示例性实施方式中，U形的分部比构成U形的底部的中央分部短。
当在与转子的旋转轴线垂直的平面中的横截面中观察时，凹部可以沿着直线的或弯曲的纵向轴线各自延伸。
在与转子的旋转轴线垂直的平面中，当沿着凹部的纵向轴线移动时，凹部可以具有不变的或可变的宽度。
当远离旋转轴线移动时，凹部的短边沿磁极的径向轴线的方向定向，并且是会聚性的，例如大致朝向磁极的顶端会聚。
凹部可以在横截面中，也就是与旋转轴线垂直的平面中，具有大致矩形或梯形的形状，然而这不是穷尽列举。
凹部的短边可以与凹部的长边垂直。凹部的短边可以关于凹部的长边倾斜。
至少一个凹部可以具有两个长边，长边中的一者小于另一者。在这种情况下，例如当凹部呈大致梯形形状时，长边中的较短者可以定位成比长边中的较长者更靠近气隙。
凹部的短边可以是直线的或弯曲的。
在一排上的两个连续的凹部之间的材料桥状部可以具有以与其纵向轴线垂直的方式测得的小于8mm的宽度，并且材料桥状部可以具有大于0.5mm的宽度。
永磁体可以呈大致矩形形状。考虑到凹部的形状，磁体在凹部中的安装可以在凹部中在磁体与对应凹部的短边之间留有自由空间。该自由空间例如大致呈三角形形状。
根据本发明的变型实施方式，在给定的磁极的两个不同排上的两个材料桥状部的纵向轴线彼此平行。
两个材料桥状部的纵向轴线可以合并，或作为变型以范围在0(不包括0值)至10mm之间的距离d偏移。距离d以与所述纵向轴线垂直的方式测得。所述距离d可以小于对应材料桥状部中的最大宽度的倍数，例如小于最大宽度的三倍，或甚至两倍，或甚至仅比所述最大宽度小。这样的偏移使得能够补偿离心力引起的任何变形。
根据本发明的另一方面，本发明的目的在于独立地或与前面相结合提供一种旋转电机的转子，该转子包括转子本体，在转子本体中，以使得限定转子的磁极的方式设置有凹部，每个磁极优选地具有至少三个凹部，每个磁极具有磁极的径向轴线，
凹部具有细长形状并且每个凹部包括两个短边，凹部被设置在针对每个磁极而言的多排上，多排的凹面可以朝向气隙定向，一排包括连续地设置的至少两个、优选地至少三个凹部，凹部的短边在给定排的两个连续的凹部之间限定有材料桥状部，
所述材料桥状部大体上沿着桥状部的纵向轴线延伸，属于两个不同排的两个材料桥状部的纵向轴线可以彼此平行、合并或优选地以范围为0(不包括0值)至10mm的距离d偏移。作为变型，这两个材料桥状部的纵向轴线不彼此平行。这两个材料桥状部的纵向轴线可以与磁极的径向轴线一起形成当更靠近旋转轴线移动时变化的角，例如增大。
特别有利的是提供材料桥状部的纵向轴线的偏移，特别是当在一排上的凹部设置成U形并且每个U形的侧向分部比中央分部更短时，或作为变型，当仅在中央分部中包括永磁体并且与侧向分部对应的凹部不包括永磁体时。
在这样的情况下，桥状部的纵向轴线的偏移可以在更靠近旋转轴线移动时朝向磁极的径向轴线偏移，也就是说，当更靠近磁极的顶端移动时，自磁极的纵向轴线的相反侧偏移。
作为变型，桥状部的纵向轴线的偏移可以设置成当进一步远离旋转轴线时朝向磁极的径向轴线偏移，换句话说，当更靠近磁极的顶端移动时，偏移沿磁极的纵向轴线的方向设置。
特别有利的是提供材料桥状部的纵向轴线的这样的偏移，特别是当一排上的凹部设置成U形并且每个U形的侧向分部比中央分部长时，或作为变型，当仅在侧向分部中包括永磁体并且与中央分部对应的凹部不包括永磁体时。
偏移可以小于桥状部的最大宽度。
转子本体可以包括金属片的叠层或绕旋转轴线滚在自身上的一个或多个单个金属片。转子本体的每个金属片层可以为一个单体件。转子可以没有单个的磁极部分。
转子可以包括数量在2至12之间、优选地在4至8之间的多个磁极。
根据本发明的另一方面，本发明的目的还在于提供一种包括上述种类的转子的旋转电机。电机可以是磁阻电机。磁阻电机可以包括同步马达。
电机可以以标称圆周速度(在转子的外直径处测得的切向速度)运行，该标称圆周速度可以大于或等于100米每秒，根据本发明的电机允许在需要的情况下以高速运行。
电机可以具有相当大的尺寸。转子的直径可以大于50mm，优选地大于80mm，例如在80mm至300mm之间的范围内。
附图说明
通过对本发明的非限制的示例性实施方式的以下详细描述的仔细阅读以及通过对附图的查看可以更好地理解本发明，在附图中：
-图1是根据本发明的转子的局部示意图，
-图2描绘了图1的实现方案的细节，
-图3是示出材料桥状部的纵向轴线的局部示意图，
-图4和图5是与图2相似的变型实施方式的视图，
-图6示出了图2、图4和图5中的构型在疲劳方面的安全系数，
-图7和图7a是与图2相似的变型实施方式的视图，其中，磁体的磁化方向通过箭头指示，
-图8是示出材料桥状部的纵向轴线之间的偏移的局部示意图，
-图9是图8的根据IX的细节图，以及
-图10至图13是与图2相似的变型实施方式的局部示意图。
具体实施方式
图1至图3所示出的是旋转电机的转子1，该转子1包括本体2，在本体2中，以使得限定转子的磁极4的方式设置有凹部3，每个磁极具有径向轴线X。
在该示例中，转子包括对于每个磁极而言的九个凹部，九个凹部围绕磁极中的每个磁极设置成三个同心排6，排的凹面朝向气隙定向。一个排6包括在排中连续地设置的三个凹部3。当沿气隙的方向移动时，给定磁极的三个排6具有逐渐减小的长度，最长的排位于旋转轴线侧，最短的排位于气隙侧。
凹部3呈细长形状，每个凹部3沿着纵向轴线Y延伸，纵向轴线Y与磁极的径向轴线X形成角γ。凹部3各自包括两个短边9，在给定排6上的两个连续的凹部3的相应的短边9在其之间限定有材料桥状部10。
材料桥状部10大体上沿着桥状部的纵向轴线Z延伸，距离旋转轴线越远，桥状部的纵向轴线Z越靠近于转子1的对应磁极的径向轴线X而定向。材料桥状部10的纵向轴线Z是直线的并且与转子的对应磁极的径向轴线X一起形成角α，该角α的值非零且大于5°，在该示例中为大约15°。
当沿气隙的方向移动时，凹部的短边9沿磁极的径向轴线X的方向定向。凹部3大致为梯形，并且具有两个长边14，长边中的一个长边小于另一个长边，长边中的较短的长边比长边中的较长的长边更靠近气隙。
转子1包括是凹部的排的两倍的材料桥状部，每一排6包括三个凹部3和两个材料桥状部10。磁极4中的材料桥状部10的数量等于磁极中的凹部的数量减去所述磁极中的排6的数量。每个排6包括中央凹部3a和两个侧向凹部3b。在一排中的凹部和材料桥状部的设置关于磁极的径向轴线X对称。
侧向凹部通过切向的桥状部12与气隙间隔开。
所述切向的桥状部仅吸收很小部分的离心力，然而使两个凹部间隔开的桥状部10必须承受离心力的负载的主要部分。
为了使本发明在疲劳安全方面的优点更清楚，图6示出了疲劳安全系数因角α的不同而不同，该安全系数反应了在进行不停地重复时转子能够承受的离心力。该表反应出安全系数与结构中最高应力点处的应力成反比。图2中的构型对应的系数A与图4和图5中的构型的系数B和系数C对比，对于图4和图5的构型而言，角α相应地为零时，材料桥状部10的轴线与磁极的径向轴线X平行，并且角α为沿相反的方向的15°时，当沿气隙11的方向移动时，材料桥状部10的轴线远离转子1的对应磁极的径向轴线X定向。应该理解的是对于根据本发明的构型而言，疲劳安全系数在其最大值处，其中，当越靠近气隙移动时，轴线Z越靠近对应磁极的轴线X定位。
转子1可以包括插入凹部中的每个凹部的永磁体11，磁体未在图1中描绘但在图7中是可见的，磁化方向通过箭头指示。在该示例中的永磁体具有大致矩形的横截面形状。磁体在凹部中的安装可以在每个凹部中在磁体与对应凹部的短边之间留有自由空间15。如图所示，自由空间可以呈大致三角形。
作为变型，一些凹部可以没有磁体。在图7所示的示例性实施方式中，在排中的一排上的凹部设置成一个中央分部和两个侧向分部，仅在中央分部中包括永磁体，侧向分部不包括永磁体。图7a的示例中示出了相反的情况。
此外，应该理解的是，在图7中，在一排上的中央凹部的长度L可以大于在所述排上的侧向凹部的长度L，因此U形的侧向分部比中央分部短。图7a中的示例示出了相反的情况。
图7和图7a同样地与图1的不同之处在于：在不同排上的材料桥状部10在该点处具有可变宽度l，当更靠近气隙13移动时宽度减小。
此外，在图7中，在两个不同排上的两个材料桥状部的纵向轴线彼此平行并且以非零的距离d偏移，例如偏移1.5mm，距离旋转轴线越远，所述偏移越远离径向轴线而定位。距离d以垂直于所述纵向轴线Z的方式测量。桥状部的轴线Z在图8中示出，并且桥状部的轴线Z之间的偏移d在图9中示出。
在图7a的实施方式中，作为变型，距离旋转轴线越远，桥状部的纵向轴线的偏移可以朝向磁极的径向轴线产生，换句话说，当更靠近磁极的顶点移动时，偏移发生在磁极的径向轴线的方向上。
另一方面，在图1中的实施方式中，当在轴线X的给定侧时，在两个不同排上的两个材料桥状部的纵向轴线彼此平行并且合并。
转子可以包括对于每个磁极而言的单排凹部，正如以示例的方式在图10中示出的。
凹部可以各自沿着纵向轴线延伸，该纵向轴线可以如前面所述是直线的，或如图11中所示是弯曲的。
凹部的短边可以如前面所述是直线的，或如图12中所示出的是弯曲的。
所有的排可以包括给定数量的凹部，正如前面所述。如果情况不同也并不超出本发明的范围。以示例的方式在图13中所示出的是给定磁极的两个排具有不同数量的凹部的示例性实施方式。如图所示，最靠近气隙的一排凹部例如包括两个凹部，而其它排包括三个凹部。
此外，在该实施方式中，最靠近气隙的排包括设置成V形的两个凹部。因而桥状部10位于该排的中央。其他两个排各自包括设置成外扩的U形的三个凹部，每个凹部具有关于磁极的径向轴线X对称的两个材料桥状部10。
本发明不限于所说明的实施方式。特别地，在不脱离本发明的范围的情况下可以改变转子的极性。
转子可以与具有分布式绕组或集中式绕组的任何类型的定子相互作用。
词语“包括一”应该被理解为与“包括至少一个”同义。
Claims (15)
1.一种旋转电机的转子(1)，所述转子(1)包括转子本体(2)，在所述转子本体(2)中，以使得限定所述转子的磁极(4)的方式设置有凹部(3)，每个磁极具有所述磁极的径向轴线(X)，
所述凹部(3)具有细长形状并且每个凹部(3)包括两个短边(9)，所述凹部针对每个磁极而言被设置在多排(6)中，一排中的凹部以U形布置，一排(6)包括连续地设置的至少三个凹部，所述凹部的所述短边(9)在给定排上的两个连续凹部之间限定有材料桥状部(10)，
所述材料桥状部(10)大体上沿着所述桥状部的纵向轴线(Z)延伸，所述桥状部的所述纵向轴线被定向，并且当远离旋转轴线移动时，所述桥状部的所述纵向轴线变得更靠近所述转子的对应磁极的所述径向轴线(X)，
凹部的所述短边是直线的，在给定的磁极的两个不同排上的两个材料桥状部的纵向轴线彼此平行、并且以在如下范围内的距离(d)偏移，所述范围为0和10mm之间且不包括0的值，
与每个U形的侧向分部对应的凹部包括至少一个永磁体，并且
其中，所述材料桥状部(10)大体上沿着所述桥状部的纵向轴线(Z)延伸，所述桥状部的所述纵向轴线与所述转子的对应磁极的径向轴线(X)一起形成具有大于5°且小于45°的值的角(α)。
2.根据权利要求1所述的转子，其中，
(a)(i)每个U形的侧向分部比中央分部短，或者(ii)仅在所述中央分部中包括永磁体，并且与侧向分部对应的凹部不包括永磁体，以及
(b)所述桥状部的所述纵向轴线的偏移在更靠近所述旋转轴线移动时朝向磁极的径向轴线偏移。
3.根据权利要求1所述的转子，其中，
(a)(i)每个U形的侧向分部比中央分部长，或者(ii)仅在所述侧向分部中包括永磁体并且与中央分部对应的凹部不包括永磁体，以及
(b)所述桥状部的所述纵向轴线的偏移在进一步远离所述旋转轴线时朝向磁极的径向轴线偏移。
4.根据权利要求1所述的转子，其中，凹部的所述短边是直线的，其中，所述材料桥状部(10)大体上沿着所述桥状部的纵向轴线(Z)延伸，所述桥状部的所述纵向轴线与所述转子的对应磁极的径向轴线(X)一起形成具有大于5°且小于30°的值的角(α)。
5.根据权利要求1所述的转子，包括插设在所述凹部中的至少某些凹部中的永磁体(11)。
6.根据权利要求1所述的转子，至少一排(6)包括奇数个凹部(3)。
7.根据权利要求1所述的转子，其中，当所述转子(1)对于给定磁极(4)包括多排(6)时，当沿气隙的方向移动时，所述多排(6)具有逐渐减小的长度。
8.根据权利要求1所述的转子，在一排上的所述凹部(3)和/或所述材料桥状部(10)的设置关于所述磁极的所述径向轴线(X)对称。
9.根据权利要求1所述的转子，所述材料桥状部(10)具有以与所述材料桥状部(10)的纵向轴线垂直的方式测得的小于8mm的宽度(l)。
10.根据权利要求1所述的转子，所述材料桥状部(10)具有以与所述材料桥状部(10)的纵向轴线垂直的方式测得的大于0.5mm的宽度(l)。
11.根据权利要求10所述的转子，在两个不同排(6)上的两个材料桥状部(10)的纵向轴线(Z)彼此平行。
12.根据权利要求中1所述的转子，其中，所述凹部(3)呈大致梯形形状，所述凹部的长边(14)中的较短者比所述长边中的较长者更靠近气隙。
13.根据权利要求1所述的转子，在磁极(4)中倾斜地定向的桥状部(10)的数量等于所述磁极中的凹部的数量减去所述磁极的排的数量。
14.根据权利要求1所述的转子，所述转子本体(2)包括金属片层的叠层，所述转子本体的每个金属片层为单体件。
15.一种包括根据权利要求1所述的转子(1)的旋转电机。
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