CN105359381A - 转子和生产转子的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种转轴(10)，该转轴具有沿着轴的紧固区域的紧固部分(12)；以及多个永久磁铁(21，22，23，24)，紧固在所述转轴(10)的所述紧固部分(12)，其中，所述转轴在紧固区域具有相对于圆形截面半径减小的区域，以使处于该区域的永久磁铁(21)的径向地测量的厚度大于具有未减小的转轴(10)的半径的邻近区域中的永久磁铁的径向地测量的厚度。

Description

转子和生产转子的方法

技术领域

本发明涉及一种转子，尤其涉及一种具有用于电动机的永久磁铁的转子。

背景技术

电动机用于很多应用。电动机的平稳运行对于需要高速转动的应用尤其重要，比如说驱动离心式压缩机的电动机。这意味着所述电动机即使是在高速旋转时也要尽可能平稳运行，以使该电动机不会向包含该发动机的总体系统传送任何振动。

通常，在用于这种电动机的转子中，永久磁铁安装在转轴上。在本文中，例如，使用一种金属转轴。之后，两个或多个永久磁铁应用于该转轴。这些永久磁铁可以，例如，吸附在所述金属转轴上，所述金属转轴由例如工具钢做成。尤其是在高速旋转时，永久磁铁足够紧密地安装在所述转轴上非常重要，这样，永久磁铁与转轴之间就不会发生滑动，并且，另一方面，永久磁铁不会与转子分离。尤其是在高速旋转时，作用于永久磁铁的离心力是极其大的。永久磁铁与转轴之间的剪切力也很大，尤其是当电动机负载时，即当想要“扭转”与转轴有关的永久磁铁的力量出现时。

在此之前，由于生成了一个旋转磁场，上述这样的永久磁铁同步电动机被具有至少三个定子线圈的定子驱动，该定子通过永久磁铁驱动转子。这是由于在电动机的旋转方向中，定子“跑”在转子的磁场朝向之前，以使转子被通过控制定子线圈产生的不断跑向前面的磁场“拉后”的“瞬时”磁场现象所导致的。

这样的永久磁铁同步电动机也可以如发电机那样操作。在本文中，转子被机械力驱动，并且转子的运动以及该转子的永久磁铁在至少三个定子线圈内产生感应电压。

这样一个示例性的转子在图6中示出。图6示出了转轴100，图示的四个永久磁铁101、102、103、104应用于转轴上。单独的永久磁铁应用在90°扇区上并且被磁化，以使交替的磁北极N和磁南极S被布置在外面和里面，如图6所示。如果图6横截图所示的转子在包括至少三个线圈的定子里转动，一种几乎成正弦的电磁感应电压可在每个线圈终端被感应到。

由于不同的原因，图6所示的转子并不理想。

一个原因是机械稳定性降低。由于转轴100的表面与邻近的永久磁铁的表面之间的剪切力，永久磁铁的圆环和转轴之间可能会出现滑动，或者将非常高的负载施加到，例如，使用过的胶接中。这可能会产生这样的影响，即永久磁铁变得与转轴部分或者完全分离，而这种情况可能又会产生这样的影响，尤其是转子高速旋转的情况下，即永久磁铁变得与邻近定子元件部分分离并且撞击邻近电子元件，造成电动机的毁坏。

另外一个原因是在发电机运行时三个定子线圈里的感应电压是正弦的，并且将被施加至三个定子线圈以用于操作电动机运行中的电动机的电压也将是正弦的。但是，通常且尤其是在数字环境中切换正弦电压是不利的。

本发明的目标是提供一种改善的转子概念。

通过权利要求1所述的转子或者权利要求15所述的电动机或发动机或者权利要求16所述的产生转子的方法实现该目标。

发明内容

本发明基于这样的认知，即没有横截面为圆环扇形的永久磁铁应用于具有圆形截面的转轴上，而且转轴包括相对于圆形截面半径减小的区域，以使在该区域中的永久磁铁的径向地测量的厚度大于在具有转轴的圆形截面的邻近区域中的永久磁铁的径向地测量的厚度。

该转轴半径减小的区域具有多个不同的优点。其中一个优点是，就切向剪切力(tangentialshearforce)而言，永久磁铁与转轴之间的机械连接提高了，这是由于转轴的材料与永久磁铁的材料“互锁”。因此，从转轴到永久磁铁的电力传输或者反之不仅通过粘接层或类似的其他方式，还通过两个组件材料实际“钩挂在一起(hooktogether)”而发生。另一个优点是，由于现在沿圆周变化的永久磁铁的有效厚度，概念上的单元磁铁的厚度沿其圆周变化，这导致定子线圈中的感应电压波形，这种波形不再是正弦曲线，而更像是方波。这使得用于处理发电机操作中的该电压或用于在电动机操作中的这些电压的电路的实施明显廉价。

在一个实施方式中，永久磁铁的有效厚度的变化被进一步改善，以使获得更加相当于方波的电压，这种改善是通过水平地或切线地而不是径向地磁化永久磁铁，而水平还是切线则取决于磁铁的位置。因此，有效磁铁厚度存在于永久磁铁的每一点，除了永久磁铁边缘的小块区域，有效磁铁厚度大于永久磁铁的径向厚度。进一步地，由于被磁性材料“填充”的横截面减小的区域即使在永久磁铁的中心也可以获得更厚的有效磁铁厚度，这是因为永久磁铁是被水平或切线磁化而不是径向磁化。

当使用四个永久磁铁时，半径减小区域不会延伸至整个象限，或者当仅使用两个永久磁铁时，该区域也不会延伸至半圆的有效区域(significantregion)，而是仅仅占据一块特定的区域，这样除了存在半径减小的区域，还存在半径正常的区域，这种减小和正常是就圆形截面而言的。这块半径正常的区域确保转轴在安装有永久磁铁的安装区域不会被过于削弱。如果永久磁铁被安装在仅仅是方形的安装区域，即，转子已经从圆形截面减小到方形的区域中，则在该安装区域中，转轴的稳定性就会显著降低。尤其是在高温和高速转动的情况下，会产生转子在这些区域失去刚度的影响，因而产生非圆形，这种非圆形情况会导致低于电动机或发电机的额定速度或者在该速度的范围内的机械共振频率，这是尤其不利的。在本发明的实施方式中，在安装区域中半径减小的区域被实施使得该区域占据不到由永久磁铁限定的圆形扇区的三分之二，并且，优选地，甚至不到圆形扇区的一半。

因此，根据本发明，提供一种转子，该转子一方面在机械方面稳定，另一方面，电气地有效地允许简单的定子线圈电压的产生或处理。

附图说明

本发明的优选实施方案将在下文结合附图讨论。附图说明如下：

图1a具有横截面指示的转子的部分俯视图；

图1b在所指示的位置的图1a的转子的横截面；

图2贯穿图1b的转子的横截面，但是具有具体的尺寸标注；

图3具有压缩机的径向轮的转子的俯视图，该压缩机可用在如热泵中；

图4具有磁化方向指示的永久磁铁的详细视图；

图5具有发明转子的电动机或发电机的横截面；以及

图6具有四个永久磁铁的转子的横截面，用于与本发明比较。

具体实施方式

图1a示出了具有截面图的转子的俯视图。转子包括在图1a中部分示出的转轴10和安装部分12。图1b示出了图1a中位置14的转轴的横截面。图1b中的转子包括横截面中转子10以及四个永久磁铁21、22、23、24，这些磁铁通过转子的安装部分12安装在转子上。在安装部分12中，转子包括相对于圆形截面的半径减小的区域31、32、33、34，这样，区域31、32、33、34中的永久磁铁的径向地测量的厚度大于在具有转轴10圆形截面的邻近区域41a、41b、42a、42b、43a、43b、44a、44b中的永久磁铁的径向地测量的厚度。从图1b中可以看出，在区域31中任何地方的永久磁铁的径向厚度大于，例如，在区域41a中的永久磁铁的径向地测量的厚度。

图4详细示出了永久磁铁，其中，径向厚度在区域31中以D标记，并且与圆形截面相关的区域中的较小的径向厚度也被以d标记。图4中的底线50示出了关于圆形区域中的径向厚度d的径向厚度。由箭头52表示的沿着永久磁铁的垂直厚度有一个曲线，包括，按从左到右的顺序，长垂直厚度l，短垂直厚度k，又一个长垂直厚度l，又一个短垂直厚度k，以及又一个长垂直厚度l，正如线54中的字母“l”和“k”所示。永久磁铁的垂直厚度与径向厚度的比值分别是，当垂直厚度是长厚度时，接近1.12，当径向厚度是短厚度时，接近1.04。

在本发明的一个实施方式中，永久磁铁被磁化，以使永久磁铁中的单个“单元磁铁”的方向准确地沿着箭头52的方向。这意味着，与永久磁铁的垂直长度一样，永久磁铁中的单元磁铁的有效长度沿着永久磁铁的曲线变化。这种单元磁铁的有效长度的变化会使定子线圈的感应电压不再成正弦，而是更相当于方波形。当转子用于发电机时，这一点是尤其有利的。但是，如果转子用于电动机，当转子，例如，如图1b中的横截面所示，被更相当于方波的电压控制时，可达到最佳操作。与倾向正弦的电压相比，相当于方波的电压被，例如，开关晶体管，处理时可显著省力，尤其是在发电机或电动机的操作中。因此，图1b中的转轴的平坦部分31、32、33、34提供两个优点。一个优点是由于永久磁铁与转轴的材料“互锁”，转轴与永久磁铁之间的机械连接提高了。第二个优点是，方波电压可被用于控制或者感应，其中，用简单开关处理相当于方波的电压可能比处理正弦电压省力的多。

图2示出了与图1相似的横截面，但是具有尺寸标注。在图2示出的用于热泵的径向叶轮的转轴的实施方式中，最好使用17.6毫米的圆形截面，热泵的径向叶轮将在图3中示出。平坦区或者半径减小的区域被实施，使得该区域的直径为16.48毫米。永久磁铁的径向厚度为2.7毫米并且整个转子被环形套管60环绕以提高其稳定性，这一过程以相对薄的方式实施。在一个实施方式中，环形或圆形套管的厚度为1.2毫米。

在本发明的一个实施方式中，四个永久磁铁被对称布置在90°扇区的转轴上，以使半径减小的区域可对称地沿着永久磁铁的中心分别实施。进一步地，横截面减小的区域占据的扇区的大小最好实施为大于20°并且不超过80°。在一个特别优选的实施方式中，这个范围是35°到45°之间，图2示出的实施方式是40°。转子的安装部分的其他部分，即没有被横截面减小的区域占据的部分，被实施为圆形截面。因此，在图2示出的实施方式中，有一个接近50°的扇区，在该扇区中转轴的半径或横截面没有被减小，并且该扇区总是处于两个转轴半径减小的区域之间。与将永久磁铁应用于横截面是长方形的转轴的安装部分的情况相比，这样做就使得转轴的机械稳定性得以提高。因此，有了非常良好的机械稳定性，就可以获得高转速，并且期望转速不会达到机械共振的范围内。

在本发明的一个实施方式中，如图3所示，转子与径向叶轮70相连，其中，安装部分12也在图3中示出。径向叶轮70被实施，以使压缩热泵压缩机中的蒸发工作流体。优选地，在这个热泵中，水被用作工作流体，其中，当热泵的尺寸在合适尺寸范围内时，必须用高旋转速度来压缩水蒸气，其中，高旋转速度可由本发明的转子安全有效地获得。

图5示出了电动机或发电机的横截面，其中，电动机或发电机包括由三相91、92、93控制的至少三个线圈，以使旋转磁场处于定子内，该定子驱动转子。

取决于所述实施方式，具有两个永久磁铁、四个永久磁铁、六个永久磁铁或任何偶数个磁铁的转子可被使用，其中，转轴包括，用于安装每个永久磁铁的半径减小的区域，比如图1b中示出的平坦区。如果使用六个永久磁铁，就有六个平坦区或者如果只使用了两个永久磁铁，就有两个平坦区。

如图5描述，一个电动机或发电机有三个线圈，可替代地，具有6、9、12、15、18或任何能被3整除的数目的线圈都可被使用，其中，线圈相应地被布置在定子上，这些线圈各自都由三相91，92，93中一个并且相同的阶段控制。因此，定子通常有一个具有极靴的金属板堆叠体，其中，线圈缠绕在极靴之间的绕组间隙，并且其中，极靴朝向永久磁铁的外部限制，也就是说当转子嵌入定子时，极靴与定子相关，并且也与转子的轴径向对称。

永久磁铁可用不同的方式与转轴相连，其中，优选的是通过粘合剂连接。可替代地，焊接、焊合或任何其他连接方式都可使用。

虽然以上平坦区作为横截面减小的区域的示例被图示出，应该注意，平坦区的表面并不一定是平坦的，也可以是结构化的。在此之前，平坦区也可以被实施为波状的或其他形式，其中，通过特定地塑造横截面减小的区域，可达到进一步的改善，以使在定子的线圈内获得可能的方波电压曲线。进一步地，应该注意，沿着所述转轴长度的横截面减小的区域并不一定被布置成与转轴具有相同的角坐标，也可以被布置为螺旋形或者漩涡形，以使在此获得，例如，特定的机械特点或者获得特定的电压波形，与传统的正弦电压曲线相比，特定的电压波形可被如图6中示出的对比示例更高效地处理。

图1b进一步示出了单个的永久磁铁由斜面90提供。这些斜面促进了减小的磁场或将被输入相当于方波信号波形的磁场的进一步形成。如上文所述，从图1b中可以看出，在两个永久磁铁之间，存在一个空隙。永久磁铁被成形为使所述每一个扇区稍小于正常的扇区角度数，也就是说，当使用四个永久磁铁时，该扇区稍小于90°。这就确保了单个永久磁铁稳定地处于转轴的安装部分，即便是就不可避免的生产公差而言。

本发明主旨的各种特征已经作为装置特征在上述附图和说明中被描述。但是，应该注意，这种描述也可被同等地认为分别是方法步骤的描述。如上文所述，上述的方法步骤的描述类似地也可分别应用于装置特征的描述。

Claims (9)

1.一种转子，包括：

转轴(10)，所述转轴具有沿着轴的安装区域的安装部分(12)；以及

多个永久磁铁(21，22，23，24)，安装在所述转轴(10)的安装部分(12)中，其中，所述永久磁铁(21，22，23，24)被成形为使它们在所述安装部分(12)以互锁方式连接到所述转轴(10)，并且其中，当所述转轴被定向以使所述永久磁铁的对称轴与水平或垂直的基准轴一致时，所述多个永久磁铁在垂直或水平方向上被磁化(52)，

其中，所述转轴在所述安装部分包括半径相对于非平坦区中的圆形截面减小的四个平坦区(31，32，33，34)，以使平坦区中的永久磁铁(21)的径向地测量的厚度大于具有未减小的所述转轴(10)半径的邻近的非平坦区中的永久磁铁的径向地测量的厚度，

其中，所述四个平坦区(31，32，33，34)沿着所述转轴的圆周对称地布置，其中，每个平坦区包括最小35°且最大45°的角形扇区，其中，相对于所述角形扇区，平坦区比相邻的两个非平坦区加在一起要小，并且其中，在所述安装部分的平坦区及两个邻近的非平坦区中的永久磁铁以互锁方式连接到所述转轴(10)。

2.根据前述任一项权利要求所述的转子，

其中，所述永久磁铁被相对于所述转轴径向地延伸的间隙(91)隔开。

3.根据前述任一项权利要求所述的转轴，

其中，所述永久磁铁(21，22，23，24)的拐角包括斜面(90)。

4.根据前述任一项权利要求所述的转轴，

其中，环形安装套管(60)被布置在所述永久磁铁的周围。

5.根据前述任一项权利要求所述的转子，

其中，所述平坦区(31，32，33，34)有平面的或非平面的表面。

6.根据前述任一项权利要求所述的转子，其中，所述转轴(10)在所述非平坦区的直径为15毫米到30毫米，其中，在所述平坦区中的直径是在所述非平坦区直径中的至少85％且至多98％。

7.根据前述任一项权利要求所述的转子，

其中，所述转轴连接到用于热泵的压缩机的径向叶轮(70)。

8.一种电动机或发电机，包括：

根据上述权利要求1到7中任一项所述的转子；

具有至少三个线圈的定子；以及

控制设备，用于控制所述三个线圈(91，92，93)以使所述定子将旋转磁场施加至所述转子，其中，所述控制设备包括为所述三个线圈切换控制信号的开关。

9.一种用于生产转子的方法，包括：

在转轴的安装部分安装多个永久磁铁，其中，所述永久磁铁(21，22，23，24)被成形为使它们在所述安装部分(12)以互锁方式连接到所述转轴(10)，并且其中，当所述转轴(10)被定向以使所述多个永久磁铁的对称轴与水平或垂直的基准轴一致时，所述多个永久磁铁在垂直或水平方向上被磁化(52)，

其中，所述转轴在所述安装部分包括半径相对于非平坦区中的圆形截面减小的四个平坦区(31，32，33，34)，以使平坦区中的永久磁铁(21)的径向地测量的厚度大于具有未减小的所述转轴(10)半径的邻近的非平坦区中的永久磁铁的径向地测量的厚度，

其中，所述四个平坦区(31，32，33，34)沿着所述转轴的圆周对称地布置，其中，每个平坦区包括最小35°且最大45°的角形扇区，其中，相对于所述角形扇区，平坦区比相邻的两个非平坦区加在一起要小，并且其中，在所述安装部分的平坦区及两个邻近的非平坦区的永久磁铁以互锁方式连接到所述转轴(10)。