CN106575892A - 用于磁阻机的可高极数地构成的转子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于磁阻机(E)的转子(10)，转子具有沿着环周(12)设置的极区域(16)，极区域具有用于磁通量朝磁阻机(E)的气隙(L)过渡的过渡面(14)，其中各相邻的极区域(16)经由磁通引导元件(18)磁性地耦合。转子(10)应当能够构成为是高极数的，而并不过渡地损害功率因数。转子(10)此外具有轴(D)，在轴处磁通引导元件(18)分别通过块状件(28，34)形成，其中块状件(28，34)的材料(22)具有磁性的各项异性，所述各项异性具有可磁化性的易磁化轴线(24)和难磁化轴线，并且易磁化轴线(24)至少局部地相对于环周(12)切向地设置或者至少以相对于环周(12)的切线成小于25°的角度设置。

Description

用于磁阻机的可高极数地构成的转子

技术领域

本发明涉及一种用于磁阻机的转子，即没有自身的电或磁的激励装置的转子。代替于此，转子具有沿着环周设置的极区域，所述极区域具有过渡面，磁通量能够穿过所述过渡面从磁阻机的气隙中进入到极区域中或者从所述极区域中离开。相邻的极区域经由磁通引导元件磁性地耦合。一种具有根据本发明的转子的电机以及一种用于制造转子的方法也属于本发明。

背景技术

至今为止的磁阻电枢通常由各向异性的软磁材料构成，所述软磁材料具有凹陷部，所述凹陷部能够用空气填充。凹陷部因此形成磁通截止。所述磁通截止通常影响电枢的机械稳定性。

在磁阻机中，功率因数consphi随着极数增加而降低。这导致机器的高无功电流需求进而导致换向器更大。因此，至今为止，电机通常根据磁阻原理仅以为4的极数实现。转子通常由电工钢片构成，磁通截止冲压到所述电工钢片中，所述磁通截止使得磁通量沿q轴线的方向传导变难，这例如在US 5 818 140 A中描述那样。这种类型的磁阻转子也称作为Vagati转子。

从UK 1 114 562中已知一种用于磁阻机的转子，所述转子具有转子的磁极之间的磁通引导路径。为了改进磁通引导，转子以层压的方式构成。在此，与在具有叠层处理的转子体的常规转子中不同，层压层不垂直于旋转轴线伸展，而是延着或平行于转子的旋转轴线伸展。通过层压得到磁性的各项异性，其优先方向或易磁化轴线在层压层的平面中伸展。

从JP 4343281 B2中已知一种磁阻转子，其中沿着磁通引导路径的各项异性不通过层压软磁的转子体构成，而是通过铁体的微结晶的各项异性构成。

从文献US 2012/0161551 A1中已知一种磁阻电动机，其为了引导磁通量而具有楔形件，所述楔形件由多个钢片层通过层压形成。

在文献US 5 693 250 A中描述了一种磁阻电动机，其为了引导磁通量而具有弯曲的板，所述板具有由软磁铁和电绝缘塑料构成的混合物。

在文献EP 0 818 870 A1中描述了一种磁阻电动机，其中弯曲的磁通引导元件也有多个钢片层形成，在所述钢片层之间设置有电绝缘的塑料薄膜。

从文献US 2009/0113696 A1中已知一种定子，所述定子具有一个环作为相反的铁闭合件，将齿作为用于线圈的固持件焊接在所述环上。定子具有磁性各向异性的材料。

在文献WO 2011/032201 A1中描述了一种用于制造电机的材料，所述材料为非均质的、汞齐化的材料。

从文献GB 2506683 A中已知了一种具有实心转子的磁阻机。实心转子由磁各向异性的材料形成。

发明内容

本发明所基于的目的是：在磁阻转子的极对数量增加的情况下克服功率因数的变差。

所述目的通过独立权利要求的主题来实现。本发明的有利的改进形式通过从属权利要求的特征来得出。

用于磁阻机的根据本发明的转子在横截面中沿着其环周以已知的方式具有极区域，在所述极区域中提供用于磁通量朝磁阻机的气隙过渡的过渡面。因此，过渡面形成用于磁通量的进入面和离开面。在转子之内，磁阻机在过渡面之间的磁圈必须闭合。对此，各相邻的极区域经由磁通引导元件磁性地耦合。

为了能够提供尽可能高数量的极面，即实现高极数的转子设计方案，根据本发明，在转子的轴上分别通过设置在轴上的块状件形成磁通引导元件，所述块状件具有软磁材料，所述软磁材料具有磁性的各项异性，所述各项异性具有可磁化性的易磁化轴线和难磁化轴线。因此，交替地沿着环周设置的极区域和磁通引导元件共同地形成圈或环，其能够围绕任意环周的轴设置。

每个块状件的各项异性尤其由磁晶各向异性引起。对于各向异性的所提及的易磁化线的另一概念也是可磁化性的优先方向。在根据本发明的转子中，每个块状件的易磁化轴线至少局部地以相对于空心轴的环周切线地或相对于环周的切线至少成小于25°、尤其小于15°的角度设置在相应的块状件的区域中。将概念块状件在本发明的范围中能够理解为均质的体部，即一个其中各向异性材料均匀分布在其中的体部。

通过本发明得到如下优点：具有轴的转子能够具有大的直径并且因此能够借助于磁通引导元件沿着轴的环周以低发散的方式且以低电感的方式引导定子的磁交变场。轴优选是空心轴。

优选地，该材料仅具有唯一的易磁化轴线。由此，在转子相对于该方向运动时也使磁通引导稳定，因为磁通量不能够在多个易磁化轴线之间切换其方向。

在一个实施方式中，具有相对导磁率的最小数值的难磁化轴线垂直于易磁化轴线定向。由此得到如下优点：沿着q轴线的电感小。

证实为尤其适当的是：材料沿着易磁化轴线的相对导磁率具有大于15、尤其大于20的数值，并且沿着难磁化轴线具有小于5、尤其小于2的数值。在此，磁通引导元件的引导磁通量的特性一方面能够与沿着q轴线的小电感特别良好地接合在一起。为了获得所描述的磁性特性，在制造电枢时，可将合金、构成接片时的回火工艺以及磁场用作为参数，其中各向异性借助所述磁场来表现出来。简单的实验在此实现对制造工艺进行参数化，以便获得相对导磁率的所描述的数值。

尤其适当的是如下材料，所述材料在磁通密度大于0.8特斯拉、尤其至少1.0特斯拉的情况下具有磁饱和。由此得到如下优点：能够将磁通量有效率地用于驱动转子。

为了实现全部所描述的磁特性，本发明的一个实施方式提出：材料具有钕-铁-硼、NdFeB。所述材料能够以合金获得，其中能够将相对导磁率设定到所描述的数值，并且通过小于10kA/m的矫顽场强能够在接片中构成所描述的引导磁通的特性。因此，该材料不是永磁体。

在一个实施方式中，在极区域的过渡面处分别设置材料，所述材料具有磁性的各向异性。在此，易磁化轴线沿径向方向定向或者至少以相对于径向方向成小于25°、尤其小于15°的角度定向。由此，得到将磁通量聚集在转子的极区域中的气隙中。能够提出的是：极区域具有各向同性的软磁材料，例如铁，在其上设置有具有磁各向异性材料的层，所述磁各向异性材料因此形成过渡面。通过极区域具有各向同性的软磁材料的方式，用于在过渡面一方和磁通引导元件另一方之间的传导的、转子中的磁通弯曲是尤其低发散的。

一个实施方式提出：通过唯一的块状件或体部提供两个邻接的极区域的各部分和一个磁通引导元件。于是，该块状件的材料具有磁性的各向异性，其中易磁化轴线是弯曲的。于是，弯曲部尤其是凹形的并且从一个过渡面穿过磁通引导元件引导至另一过渡面。弯曲的易磁化轴线例如能够通过借助于外部磁场来表现各项异性的方式实现，所述外部磁场的磁场线具有期望的弯曲。该实施方式具有的优点是：在转子中，将磁通量连续地借助于各向异性的材料从一个过渡面引导至下一过渡面并且由此产生尤其小的发散。

极区域也能够通过辐条元件形成，所述辐条元件为与磁通引导元件不同的体部。辐条元件能够由各向同性的软磁材料形成，在所述软磁材料中引导磁通引导元件和过渡面之间的磁通量。辐条元件也能够具有如下材料，所述材料具有磁性的各项异性并且易磁化轴线沿径向方向定向或者至少以相对于径向方向成小于25°、尤其小于15°的角度定向。如果整个极区域以由具有磁性的各向异性的材料构成的辐条元件的形式制成，那么得到如下优点：转子能够尤其简单地由少量部件制成。

在一个实施方式中，极区域的径向延伸大于磁通引导元件的径向延伸。由此，得到如下优点：在过渡面的区域中的气隙L在径向方向上具有比在磁通引导元件的区域中更小的尺寸。这降低了转子沿着其q轴线的电感。

为了将磁通引导元件可靠地保持在空心轴上，一个实施方式提出：磁通引导元件经由极区域或者空心轴的非铁磁材料的形状配合来克服径向的离心力地保持。极区域例如能够通过粘贴连接或螺栓连接或同样通过形状配合保持在轴上。这相对于具有带有磁通阻的电工钢片的磁阻电枢实现更稳定的转子结构，其中所述电子叠片具有磁通截止部。

为了有利地支持过渡面和磁通引导元件之间的磁通引导，在一个实施方式中提出：在极区域中设有凹陷部，所述凹陷部形成磁通截止部，所述磁通截止部用于使在过渡面和两个邻接的磁通引导元件之间的磁通量改道。凹陷部例如能够为了冷却而是空心的，即用空气填充，或者为了机械稳定而借助非铁磁的材料、例如铝或陶瓷填充。

根据本发明的转子优选具有多个极区域，所述极区域的数量大于4、尤其大于6、尤其大于8。换言之，转子优选构成为是高极数的。

如已经详述，也属于本发明的是一种具有定子和转子的电机，所述定子具有电线圈，即磁线圈，其中根据本发明，转子是根据本发明的转子的一个实施方式。

也属于本发明的是一种用于制造根据本发明的转子的方法。该方法包括如下步骤：提供轴，沿着轴的环周构成相应的极区域，并且将磁通引导元件设置在各两个极区域之间。根据本发明，将由如下材料构成的块状件作为磁通引导元件分别设置在轴处，所述材料具有磁性的各项异性，所述各项异性具有可磁化性的易磁化轴线和难磁化轴线。易磁化轴线至少局部地相对于环周切向地定向或者至少以相对于环周的切线成小于25°、尤其小于15°的角度定向。

在一个实施方式中，每个块状件通过粉末和/或颗粒的挤压构成。粉末和/或颗粒分别具有该材料。在挤压期间，粉末和/或颗粒同时被加载磁场。由此，在挤压期间，在材料中产生或表现出各向异性。该实施方式具有的优点是：每个块状件都能够具有可自由地借助于相应的挤压模具来预设的造型。

附图说明

下面描述本发明的实施例。对此示出：

图1示出贯穿根据本发明的机器的一个实施方式的纵截面的示意图，

图2示出贯穿图1的电机的根据本发明的转子的横截面的示意图，

图3示出贯穿具有由磁各向异性的材料构成的辐条元件的另一根据本发明的转子的横截面的示意图，

图4示出贯穿具有弯曲的易磁化轴线的另一根据本发明的转子的横截面的示意图，

图5示出贯穿具有环形的承载部件的另一根据本发明的转子的横截面的示意图，和

图6示出贯穿具有用于引导磁通的凹陷部的另一根据本发明的转子的横截面的示意图。

具体实施方式

下面阐述的实施例为本发明的优选的实施方式。但是，在实施例中，实施方式的所描述的部件分别为本发明的各个可彼此独立地考虑的特征，所述特征也分别彼此独立地改进本发明进而也能够单独地或以与所示出的组合不同地视作为本发明的组成部分。此外，所描述的实施方式也能够通过本发明的已经描述的特征中的另外的特征来补充。

为了更好地概览，在附图中，功能相同的元件分别设有相同的附图标记。

在图1中示出电机E的纵截面，所述电机能够为磁阻机。在图1中示出旋转轴线A还有视图的对称轴线。电机E包括定子S，在所述定子中设置有电线圈W的绕组，其中在图1中仅示出线圈W中的一个。线圈W能够通过交流电源C交替地通电，由此在定子S的内部在电机E的气隙L中形成磁交变场。交流电源C例如能够是逆变器或频率固定的供电网

转子10能够位于定子S的内部中，所述转子能够抗扭地与轴D连接。轴D以可围绕旋转轴线A旋转的方式支承在定子S中。轴D能够构成为空心轴。转子10能够是根据本发明的转子的一个实施方式。

图2示出转子10的横截面的一部分。沿着轴D的环周方向12，能够设有用于磁交变场的由定子S在气隙L中产生的磁通量的过渡面14。磁通量通过过渡面14能够在转子10的极区域16和气隙L之间进入或从中离开。在分别在环周方向12上相邻地设置的极区域16之间能够设置有磁通引导元件18，以便闭合两个过渡面14之间的磁圆。每个过渡面14在电机E运行中能够分别是一个极。

转子10能够具有多于四个过渡面14进而具有多于四个极，尤其多于六个、尤其多于八个极。空心轴D的直径例如能够大于30厘米、尤其大于70厘米。

极区域16能够由软磁的各向同性的材料制成并且例如构成为横截面为楔形的或辐条状的、其纵向延伸沿着旋转轴线A延伸的接片。每个极区域16于是通过这种辐条元件26形成。

极区域16的径向延伸20和磁通元件18的径向延伸20’例如能够为空隙轴D的直径的小于20百分比、尤其小于10百分比。由极区域16和磁通引导元件18构成的布置于是在径向方向上是尤其扁平的。

在此，极区域16的径向延伸20优选大于磁通引导元件18的径向延伸20’。由此得到如下优点：气隙L在过渡面14的区域中沿径向方向具有比在磁通引导元件18的区域中更小的尺寸。这降低了转子10沿着q轴线的电感。

因此，在电机E中，这不引起：磁通量从磁通引导元件18中发散并且例如在轴D中或过渡面14之间引起漏损通量。

磁通引导元件18对此能够分别由各向异性的软磁材料或材料22构成的体部或接片或块状件28制成。材料22尤其能够以所描述的方式具有NeFeB，其以合金形式存在，所述合金是非永磁的，即软磁的。

为了在此在过渡面14之间获得小的电感，磁通引导元件18的各向异性的材料22的相应的易磁化轴线24优选平行于环周方向12在相应的磁通引导元件18的区域中定向。易磁化轴线24也能够关于相对于轴的环周的切线成小于25°、尤其小于15°的角度定向。

用于根据本发明的转子10的另一变型形式在图3中示出。根据图3，转子侧的磁圆仅由各向异性的软磁材料构成。对此，磁通引导元件18还有极区域16的辐条元件26以及磁通引导元件18的块状件28由具有磁各向异性的材料形成。在此，块状件26的易磁化轴线24理想地平行于环周方向12设置，即相对于环周切向地设置。辐条元件24具有如下材料，所述材料的易磁化轴线30沿径向方向相对于旋转轴线A定向。易磁化轴线30相对于相应的径向方向也能够以小于25°、尤其小于15°的角度定向。

具有不同定向的易磁化轴线24、30的各向异性(对于辐条元件26为径向并且对于块状件28为切向)的软磁材料能够彼此组合，使得易磁化轴线尽可能指向磁通量的期望的方向。对此，块状件28和辐条元件26能够具有倾斜的面。换言之，块状件28能够具有梯形横截面。辐条元件26能够构成为是楔形的。

根据图4的实施方案类似于根据图3的实施方式。所述实施方案代替各向异性的软磁材料22的易磁轴线的离散改变而具有易磁轴线的连续改变，即具有弯曲的易磁化轴线32。弯曲的轴线32的伸展能够对应于期望的磁通量。该非直线的走向例如通过如下两个方法来产生。

一方面，能够用由材料32构成的薄膜缠绕弯曲的体部，所述体部的形状遵循弯曲的走向。在另一方法步骤中，材料能够相应于期望的尺寸从缠绕的体部中分离出。

另一方面，仅仅通过材料22在装入状态下的磁化能够产生各向异性。对此所需的电磁场能够通过电机E的定子或单独的、专用的设备产生。

为了能够使用弯曲的轴线32的弯曲的走向，磁通引导元件18和邻接的极区域16的各一部分共同地通过材料块34形成，所述材料块分别为磁通引导元件18并且为或提供极区域16的相应的一部分，即对于每个极区域16而言为或提供过渡面14的一部分。

在图5中示出的另一变型形式中，每个磁通引导元件18的块状件能够通过非铁磁材料36例如通过形状配合固定在轴D上，其中所述非铁磁材料例如能够包括能够基于酚醛树脂形成的非磁性的硬组织或者包括例如优质钢。对此，辐条元件16能够是实心或空心轴的一部分或者与所述实心或空心轴经由形状配合或力配合来连接，例如通过粘贴或螺栓连接来连接。这相对于具有电子叠片的磁阻转子实现更稳定的转子结构，所述电子叠片具有磁通截止部。

材料36例如能够通过轴D本身提供或者作为环38设置在轴D上。

磁通引导元件18在根据本发明的转子10中能够通过覆盖元件、例如板42径向向外限界。覆盖元件能够克服离心力来支撑磁通引导元件18。

在图6中说明：如何能够在转子10中提供作为辐条元件26的各向同性的软铁部件并且辐条元件26能够具有凹陷部40，是凹陷部改进磁通量沿着d周线的引导和/或具有冷却作用。在图6中为了概览仅凹陷部40中的一些设有附图标记。

具有所示出布置的转子的磁阻马达具有如下优点：

由于软磁的各向同性的有源部件的区域中的、即在过渡面14处的、相对于定子可实现的更小的气隙，而得到大的d轴线电感。通过因使用各向异性的软磁材料代替空气而在电枢中得到磁通量的短路径，可以进一步提高d轴线电感，否则需要空气作为磁通截止部。此外，由于相对于定子更大的气隙，在磁通引导元件的区域中得到小的q轴线电感。磁通引导元件很差地引导q轴线中的磁通量，由此相对于空气代替磁通引导元件，q轴线电感的大小保持相似。

整体上，与在没有磁各向异性的材料的电枢中的情况相比，实现沿着d轴线一方和q轴线另一方的电感的更大的差异。磁阻机的转矩形成通过q和d轴线中的电感的尽可能大的差来确定。这就是说，具有各向异性的软磁材料的所示出的布置产生比没有具有该各向异性材料的所述部件的布置更多的转矩。

由于更大的d轴线电感，电机E相应地具有更大的功率因数。与没有各向异性的材料的磁阻电枢相比，能够通过较小的有源部件或通过转子的更稳定的实施方案能够实现更大的轴直径或具有更大内半径的空心轴。转子的机械强度与具有磁通截止部的布置相比能够被提高，例如通过借助于形状配合或力配合来接合有源部件、即磁通引导元件或极区域来提高。

整体上，示出如下实例：如何能通过本发明提供具有各向异性的软磁材料的高极数的磁阻电枢。

Claims (15)

1.一种用于磁阻机(E)的转子(10)，所述转子具有沿着环周(12)设置的极区域(16)，所述极区域具有用于磁通量朝所述磁阻机(E)的气隙(L)的过渡面(14)，其中各相邻的极区域(16)经由磁通引导元件(18)磁性地耦合，其特征在于，所述转子(10)具有轴(D)，并且所述磁通引导元件(18)分别通过设置在所述轴(D)处的块状件(28，34)形成，其中所述块状件(28，34)的软磁的材料(22)具有磁性的各项异性，所述各项异性具有可磁化性的易磁化轴线(24)和难磁化轴线，并且所述易磁化轴线(24)至少局部地相对于所述环周(12)切向地设置或者至少以相对于所述环周(12)的切线成小于25°的角度设置，其中所述块状件由均质的体部形成，各向异性的材料均匀地分布在所述体部中。

2.根据权利要求1所述的转子(10)，其中所述轴(D)是空心轴。

3.根据上述权利要求中任一项所述的转子(10)，其中所述难磁化轴线垂直于所述易磁化轴线地定向，和/或所述材料(22)仅具有唯一的易磁化轴线。

4.根据上述权利要求中任一项所述的转子(10)，其中所述材料(22)的相对导磁率沿着所述易磁化轴线具有大于15、尤其大于20的数值、并且沿着所述难磁化轴线具有小于5、尤其小于2的数值。

5.根据上述权利要求中任一项所述的转子(10)，其中所述材料(22)在磁通密度为大于0.8特斯拉、尤其至少为1.0特斯拉的情况下磁饱和。

6.根据上述权利要求中任一项所述的转子(10)，其中所述材料(22)具有钕-铁-硼、NdFeB。

7.根据上述权利要求中任一项所述的转子(10)，其中在所述过渡面(14)处分别设置材料(22)，所述材料具有磁性的各向异性，并且所述易磁化轴线(30，32)沿径向方向定向或者至少以相对于所述径向方向成小于25°的角度定向。

8.根据上述权利要求中任一项所述的转子(10)，其中通过每个块状件(34)分别形成磁通引导元件(18)并且分别形成两个邻接的所述极区域(16)的一部分，并且所述块状件(34)的所述材料(22)具有弯曲的易磁化轴线(32)。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的转子(10)，其中所述极区域(16)a)通过辐条元件(26)形成，所述辐条元件具有软磁的材料，所述材料具有磁性的各项异性，并且所述易磁化轴线(30)沿径向方向定向或者至少以相对于所述径向方向成小于25°的角度定向，或者b)由各向同性的软磁的材料形成，在所述材料中引导在所述磁通引导元件(18)和所述过渡面(14)之间的磁通量。

10.根据上述权利要求中任一项所述的转子(10)，其中在所述极区域(16)中设有凹陷部(40)，所述凹陷部形成磁通截止部，所述磁通截止部用于使在所述过渡面(14)和两个分别邻接的所述磁通引导元件(18)之间的所述磁通量改道。

11.根据上述权利要求中任一项所述的转子(10)，其中所述极区域的径向延伸部(20)大于所述磁通引导元件的径向延伸部(20’)。

12.根据上述权利要求中任一项所述的转子(10)，其中所述极区域(16)的数量大于4或大于6或大于8。

13.一种电的磁阻机(E)，具有定子(S)和转子(10)，所述定子具有电线圈(W)，其特征在于，所述转子(10)根据上述权利要求中任一项构成。

14.一种用于制造根据权利要求1至12中任一项所述的转子(10)的方法，所述方法具有步骤：

-提供轴(D)，

-沿着所述轴(D)的环周(12)构成相应的极区域(16)，

-将磁通引导元件(18)设置在各两个极区域(16)之间，

其特征在于步骤：

-将由软磁的材料(22)构成的块状件(28，34)作为磁通引导元件(18)分别设置在所述轴(D)处，所述材料具有磁性的各项异性，所述各项异性具有可磁化性的易磁化轴线(24)和难磁化轴线，并且所述易磁化轴线(24)至少局部地相对于所述环周(12)切向地定向或者至少以相对于所述环周(12)的切线成小于25°的角度定向，其中所述块状件由均质的体部形成，各向异性的材料均匀地分布在所述体部中。

15.根据权利要求14所述的方法，其中每个块状件(28，34)通过粉末和/或颗粒的挤压以及同时加载磁场来构成，其中所述粉末和/或颗粒分别包含所述材料(22)。