CN106877537A - 用于永磁激励的电机的转子装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于电机（1）的转子装置（4），包括：带有在一个磁化方向上的磁化（M1）的永磁体（7）；以及至少两个极靴（42），永磁体（7）被布置在极靴之间且极靴分别构成了转子极（48），其中，磁化方向不同于极靴（42）的布置方向，且沿着与永磁体（7）相邻的转子极（48）的方向以预定的磁化角（θ）倾斜布置。

Description

用于永磁激励的电机的转子装置

技术领域

本发明涉及永磁激励的电机，特别是用于这种电机的转子装置。

背景技术

由现有技术已知若干转子装置，它们具有极靴，极靴沿气隙到定子装置的方向提供由永磁体产生的励磁场。在针对永磁体在转子装置中的布置方式的变型方案中，永磁体以其极向平行于转子的运动方向布置，因而转子装置的极靴处在永磁体之间。在极靴中，由永磁体输出的磁场向着气隙的方向转向。

这种类型的转子装置今天被使用在许多永磁激励的电机中，例如作为自动化技术中的伺服马达或牵引马达。在此使用基本上正方形的永磁体，它们能简单地且以很小的费用制造，其中，磁化各向异性和与之同向的磁化方向沿着转子的运动的方向取向。

在旋转式电机中，永磁体的这种布置方式被称为辐条式布置方式。永磁体的极向沿切向延伸。

这种转子装置的优势在于，通过合适的尺寸设定可以达到大于所使用的永磁体的剩余磁通密度的气隙磁通密度。因为气隙磁通密度决定性地决定了电机的扭矩密度，所以由此可以建造有较高扭矩密度的高功率的电机。

上述转子装置通常结合由简单的、成本低廉的磁性材料制成的永磁体一起建造，特别是没有稀土化合物以及有较小的剩余磁通密度的磁性材料，例如由第六代经烧结的铁素体材料制成的永磁体。

由烧结的铁素体材料制成的永磁体此外还具有较小的矫顽场强，因而在有足够高的场强度的相反的磁场中存在退磁的风险。为了补偿这种较小的矫顽性，永磁体沿其材料各向异性和其磁化的方向被实施得较厚，以便使得该永磁体变得有能力抵抗通过电机的定子场进行的退磁。

此外，在有在辐条布置方式中的永磁体的转子装置中，在永磁体的磁通路径中存在两条气隙。为了仍然达到很高的气隙磁通密度以及很高的抵抗退磁的能力，这样布置的永磁体通常构造有经提高的厚度（沿极化方向），如在由铁素体材料制成的永磁体的转子装置中那样，该永磁体的极向平行于气隙磁场延伸。这是因为：这些永磁体受结构限制在它们各自的磁通路径中具有仅一条气隙。

特别是在有特定的转子直径和预定的极数的旋转式电机中，在辐条布置方式中，永磁体的厚度沿切向（极化方向）的每一次提高都导致了它们最大可能的径向长度的变小。永磁体的径向长度的这种局限限制了能通过永磁体提供的磁通以及由此减小了电机的气隙磁通密度和扭矩密度。永磁体的厚度的每一次提高也导致了在电机的气隙处的单个极靴的角覆盖部的变小以及必要时也可能导致这个角小于其最优值。

本发明所要解决的技术问题是，特别是在旋转式电机中提供一种转子装置，其减小了永磁体由于定子磁场的作用而退磁的风险或倾向。本发明的另一个所要解决的技术问题是，将永磁体的厚度设置得尽可能小，而不会加剧退磁的风险。

发明内容

该技术问题通过按照本发明所述的转子装置以及通过按照本发明所述的电机解决。

本发明的其它的设计方案在优选实施例和其它实施例中说明。

按照第一个方面，用于电机的转子装置包括：

- 带有沿磁化方向的磁化的永磁体；以及

- 至少两个极靴，永磁体被布置在该极靴之间且该极靴分别构成了转子极，

其中，磁化方向不同于极靴的布置方向且向着与永磁体相邻的转子极的方向以磁化角倾斜布置。

上文的转子装置的想法在于，永磁体配设有不同于相邻的极靴的布置方向的磁化方向。以这种方式实现的是，尤其在转子装置的运动的从优方向上，永磁体的磁化不再是完全地，而是仅部分对抗使退磁的定子磁场。因为永磁体的磁化方向在退磁区域中不同于平行于对立的定子磁场的方向或者横向于或倾斜于这个定子磁场的方向延伸，所以造成相应经减小的退磁。由此能够在退磁区域中削弱退磁作用的效果（在退磁区域中，在允许的定子磁场下也许可能出现不可逆转的退磁）。

通过设置带有不同于布置方向的磁化方向的永磁体，可以针对转子装置的运动的从优方向大幅减小定子磁场的退磁作用。

此外，沿倾斜的磁化方向的磁化可以提高了至少1/cos（θ），因而进一步提高了针对退磁的抵抗能力。

此外，在整个永磁体中的磁化方向可以是相同的。

尤其可以设置多于两个的极靴，该极靴和布置在其间的永磁体交替地布置，其中，两个相邻的永磁体的极化方向关于极靴的布置方向彼此相反，其中，相邻的永磁体的极化方向尤其（关于它们的布置方向）是同向的。这就是说，所有的永磁体具有相同的场线走势，其中，沿着周向分别互相示出了相邻的永磁体的北极和南极。

按照一个实施形式，在布置方向和磁化方向之间的磁化角可以小于60°，优选在15°和45°之间，尤其在25°和35°之间。

可以规定，在永磁体的面朝转子极的端侧处布置着一个或两个第一场导引接片，它们齐平地贴靠在永磁体上且沿着极靴的布置方向取向。

此外可以设两个第一场导引接片，它们的端部朝向彼此且彼此间间隔有一个间距，该间距在永磁体沿布置方向的宽度的0.3和0.7之间、优选在0.3和0.5之间。

按照一种实施形式，第一场导引接片具有相同的长度或不同的长度，其中，第一场导引接片中的较长的被布置在永磁体的棱边处，磁化方向对准该棱边。

此外，可以设仅一个第一场导引接片，它的端部沿布置方向取向且具有在永磁体沿布置方向的宽度的0.3和0.7之间的、优选在0.5和0.7之间的长度。

作为备选方案或附加方案，可以在永磁体的背对转子极的端侧处布置一个或两个第二场导引接片，该第二场导引接片齐平地贴靠在永磁体上且沿着极靴的布置方向取向。

尤其可以设两个第二场导引接片，它们的端部朝向彼此且彼此间间隔有一个间距，该间距在永磁体沿布置方向的宽度的0.3和0.7之间、优选在0.3和0.5之间。

第二场导引接片尤其可以具有相同的长度或不同的长度，其中，第二场导引接片中的较长的被布置在永磁体的棱边处，磁化方向对准该棱边。

作为备选方案，可以设仅一个第二场导引接片，它的端部沿布置方向取向且具有在永磁体沿布置方向的宽度的0.3和0.7之间的、优选在0.5和0.7之间的长度。

按照另一个方面，设一种电机，其带有用于提供定子磁场的定子装置和上文的转子装置。

按照另一个方面规定，将上文的电机使用在这样的应用中，在该应用中，电机的转子装置沿从优方向运动，其中，规定永磁体沿磁化方向的磁化，磁化方向对准相邻的转子极，该相邻的转子极逆着从优方向布置在相关的永磁体处。

附图说明

在下文借助于附图详细阐释本发明的优选的实施方式。图示：

图1是带有转子装置的电机的示意性的横剖面，在该转子装置中，永磁体以辐条布置方式被布置；

图2是图1的电机的横剖面视图的截面图，其带有用于说明可能出现永磁体退磁的区域的场线；

图3示出了在转子装置中的沿永磁体的布置方向磁化时定子磁场对转子设备的永磁体的磁化的影响；

图4示出了在沿倾斜于在转子内的永磁体布置方向的方向磁化时，定子磁场对转子设备的永磁体的磁化的影响；

图5示出了定子磁场的退磁的份额与定子磁场的角位置ρ相关的走势；

图6示出了退磁风险R与磁化角θ相关的走势；

图7是电机的截面的横剖面视图，其中，永磁体的磁化方向关于转动方向朝着气隙倾斜。

具体实施方式

图1示出了作为电机1的旋转式永磁激励的内转子电机的示意性横剖面。电机1具有柱筒形的定子2。定子2包括柱筒形的定子止回区域（Statorrückschlussbereich）21，等距地沿圆周方向U布置的定子齿22从该定子止回区域径向向内指向地突出且用该定子齿的向内指向的端部限定了一个同样柱筒形的内空隙3。定子齿22在该定子齿的径向在内的端部上配设有齿头23，齿头具有大致圆节段状的、凹陷的外轮廓，该外轮廓对应内空隙3的各一个相应的节段。定子齿22配设有（未示出的）定子线圈，在通电时通过该定子线圈可以产生定子磁场。

在内空隙3中以能转动活动的方式在轴5处布置着同样柱筒形的转子装置4，转子装置被构造成转子。转子装置4具有转子体41，该转子体配设有多个极靴42，该极靴分别通过保持接片43与布置在轴5处的止回区域44连接。极靴42形成了各一个转子极48，该转子极面朝定子齿22且与保持接片43对置。转子极48面朝定子齿22的齿头23且通过气隙8与这些齿头相间隔，因而转子装置4的转子极48可以运动经过这些齿头。极靴42沿布置方向彼此相间隔地布置，这在圆形的转子中对应切向。

接片43优选被这样设定尺寸大小，使得它们具有足够的机械的稳定性，以便对抗离心力和在转子装置4加速或制动时出现的横向力来保持极靴42，以及尽管如此仍具有足够小的横截面，以便将由永磁体7造成的通过止回区域44的磁通保持得尽可能小。接片43的横截面尤其应当仅这么大，使得永磁体7的流过保持接片43的磁通的一部分足以将保持接片43内的磁通密度保持在饱和。

在极靴42之间布置着若干兜部6，兜部内容纳着永磁体7。兜部6可以构造成方形的且基本上长形地沿着径向从靠近转子装置4的外圆周起延伸至转子装置4的止回区域44。

这种电机1例如被电动地运行，办法是：给定子线圈通电，使得产生环绕的定子磁场，该定子磁场与由永磁体7通过极靴42促成的励磁场相互作用并由此将扭矩施加到转子装置4上。

永磁体7可以例如通过压制铁素体粉末材料成型以及紧接着被烧结，其中，铁素体材料在压制期间通过用磁场加载而被赋予磁化各向异性以及紧接着沿各向异性的方向进行经烧结的材料的磁化。以这种方式设置了带有一磁化方向的磁化。

永磁体7优选设置成方形并且这样布置在兜部6中，使得该永磁体的极向沿着切向延伸，这就是说，垂直于在极靴42和兜部6之间的边界面延伸。

在图2中示出了电机1的截面的横剖面视图，其中，还示出了沿逆时针方向转动时全负荷下的磁场的走势。在这个特定的转子位置中，所示的永磁体7被作用到永磁体上的定子磁场极大地加荷，这通过在永磁体7内的磁通线之间的更大的间距示出。在磁通线之间的更大的间距对应通过定子磁场的作用变小的磁通密度，这意味着，永磁体7在这个区域中部分不可逆转地通过定子磁场被退磁。

退磁尤其出现在永磁体7的退磁区域中，这在图2中用DM标注。退磁区域DM在永磁体7的面朝气隙的端部处位于永磁体7的背对转子的运动方向的侧部上且延伸经过永磁体7的径向长度的大约五分之一到一半以及延伸经过其切向宽度的十分之一到三分之一。一旦定子磁场的磁场强度足够高到使得在永磁体7的相应的区域中达到一个场强度（该场强度具有和永磁体7的矫顽场强相同的或更大的幅值），就出现了退磁。

在图3中示意性示出了在电机1运行时的永磁体7的磁化（M1）的和通过永磁体7的定子磁场（M2）的走势。可见的是，定子磁场在第一区域BM（左上角）中倾向于磁化永磁体7以及在第二区域BE（右上角）倾向于使永磁体7退磁。当定子磁场在面区域A处挤进永磁体7的第二区域时，这个定子磁场先是抵抗永磁体7的磁化，其中，定子磁场的定向于所述磁化的分量由余弦函数得出。定子磁场的走势相对永磁体7的端面弯曲，其中，该定子磁场在面区域B处逸出。因此退磁作用从定子磁场进入永磁体7的第二区域BE的挤进位置起连续下降。

为了避免在退磁区域DM中的退磁或减小退磁的倾向，现在可以如在图4中示意性示出的那样设置永磁体7的磁化。在此，永磁体7的磁化方向相对于永磁体7的布置的方向也即相对于在电机1中的切向、沿着气隙8的方向以磁化角θ倾斜。在图4中示出了磁化角θ=30°。磁化角优选可以在15°和45°之间。

在电机1运行时，第一区域BM暴露给定子磁场，定子磁场磁化地作用以及因此不会造成永久退磁的风险。当定子磁场在面区域A处挤进永磁体7的第二区域BE时，这个定子磁场就不是完全沿着永磁体7的磁化方向取向，因而退磁作用对应cos（θ）地被减小。

在区域C中，定子磁场大致与磁化方向呈直角延伸，因而不会影响永磁体7的磁化。定子磁场的平行于磁化方向延伸的分量在区域C和面区域B（定子磁场在该面区域处逸出）之间磁化地作用。

在图5中示出了定子磁场的退磁的份额沿着从A通过C到B的路径对于不同的磁化角θ的与定子磁场M2的关于转子极48的极靴的布置方向的角位置ρ的走势。可见的是，退磁作用在磁化角θ增大时减小。当磁化角θ例如为45°时，仅定子磁场M2的71%在面区域A处退磁地作用。在图6中示出了退磁风险R关于磁化角θ的走势。

通过为永磁体7配设不同于布置方向的磁化方向，可以大幅减小定子磁场针对转子装置4的运动方向（该运动方向在所示实施例中对应逆时针的转动方向）的磁化作用。

此外，所述磁化沿倾斜的磁化方向可以提高1/cos（θ），因而进一步提高了在退磁方面的抵抗能力。

在图7中与图2类似地示出了电机的截面的横剖面视图，其中，永磁体7的磁化方向关于转动方向朝着气隙8倾斜。

通过磁化方向在转子装置4中或在所使用的永磁体7中的倾斜的布置，极面至少部分也延伸经过面朝气隙8或背对这个气隙的端面。为了将励磁场的在那里所出现的份额引入到转子极48的极靴中，可以设一个或两个第一场导引接片45，该第一场导引接片沿径向面朝气隙8地限定兜部6的边界。

此外可以设一个或两个第二场导引接片46，该第二场导引接片沿径向面朝轴5地限定兜部6的边界。被第一和第二场导引接片45、46限定的兜部6分别被这样构造，使得所使用的永磁体7既贴靠在兜部6的壁上以及也贴靠在场导引接片45、46上。场导引接片45、46尤其由软磁的材料构成且与转子装置4的转子体41整合地构造。

第一和第二场导引接片45、46可以分别彼此对置地布置且用该场导引接片的突出的端部朝向彼此。在所示的实施形式中，所述端部具有间距，以便避免通过第一或第二场导引接片45、46进行的磁短路。在朝向彼此的端部之间的间距可以对应兜部6沿永磁体7的布置方向的宽度的大致0.3至0.7、优选1/3。

第一场导引接片45的长度可以是相同的或不同的。尤其，第一场导引接片45中的较长的关于布置在相关兜部6中的永磁体7被设置在兜部6的一条棱边处（磁化M1的方向定向至该棱边）。作为备选方案或附加方案，第二场导引接片46中的较长的关于布置在相关的兜部6中的永磁体7被设置在兜部6的一条棱边处（磁化M1的方向对准该棱边）。

作为备选方案，可以设仅一个第一和/或仅一个第二场导引接片45、46，其分别可以设置在兜部6的棱边处（磁化M1的方向对准该棱边）。

所述一个或多个第一场导引接片45可以沿着径向向外限定兜部6，因而第一场导引接片45搭接布置在兜部6中的永磁体7且将这些永磁体可靠地、也克服在转子装置4转动时的离心力的作用地保持在兜部6中。

但第一和/或第二场导引接片45、46有利地用于接收由永磁体7产生的磁通且将这些磁通导引到被分配有永磁体7的转子极48的极靴42。

Claims (14)

1.用于电机（1）的转子装置（4），包括：

- 带有在一个磁化方向上的磁化（M1）的永磁体（7）；以及

- 至少两个极靴（42），永磁体（7）被布置在该极靴之间且该极靴分别构造转子极（48），

其中，所述磁化方向不同于极靴（42）的布置方向，尤其不同于相对于所述转子装置（4）的切向，且所述磁化方向向着与永磁体（7）相邻的转子极（48）的方向以预定的磁化角（θ）倾斜布置。

2.按照权利要求1所述的转子装置（4），其中，所述磁化方向在所有的永磁体（7）中都是相同的。

3.按照权利要求1或2所述的转子装置（4），其中，设置多于两个极靴（42），该极靴与布置在其间的所述永磁体（7）交替地布置，其中，永磁体（7）中的两个相邻的永磁体的极化方向关于极靴（42）的布置方向即切向彼此相反，其中，相邻的永磁体（7）的磁化方向尤其是同向的。

4.按照权利要求1至3任一项所述的转子装置（4），其中，在布置方向和磁化方向之间的磁化角小于60°，优选在15°和45°之间，特别在25°和35°之间。

5.按照权利要求1至3任一项所述的转子装置（4），其中，一个或两个第一场导引接片（45）被布置在永磁体（7）的面朝所述转子极（48）的端侧处，该第一场导引接片齐平地贴靠在永磁体（7）处且沿着极靴（42）的布置方向取向。

6.按照权利要求5所述的转子装置（4），其中，设置两个所述第一场导引接片（45），该第一场导引接片的端部朝向彼此且彼此间间隔有这样的间距，该间距计为在永磁体（7）的沿布置方向的宽度的0.3和0.7之间、优选0.3和0.5之间。

7.按照权利要求6所述的转子装置（4），其中，第一场导引接片（45）具有相同的长度或不同的长度，其中尤其，第一场导引接片（45）中的较长的被布置在永磁体（7）的这样的棱边处，磁化方向对准该棱边。

8.按照权利要求5所述的转子装置（4），其中，仅设一个第一场导引接片，该第一场导引接片的端部沿布置方向取向且具有在永磁体（7）的沿布置方向的宽度的0.3和0.7之间、优选0.5和0.7之间的长度。

9.按照权利要求1至8任一项所述的转子装置（4），其中，在永磁体（7）的背对转子极（48）的端侧处布置一个或两个第二场导引接片（46），该第二场导引接片齐平地贴靠在永磁体（7）处且沿着极靴（42）的布置方向取向。

10.按照权利要求9所述的转子装置（4），其中，设两个第二场导引接片（46），该第二场导引接片的端部朝向彼此且彼此间间隔有这样的间距，该间距计为在永磁体（7）的沿布置方向的宽度的0.3和0.7之间、优选0.3和0.5之间。

11.按照权利要求10所述的转子装置（4），其中，第二场导引接片（46）具有相同的长度或不同的长度，其中，第二场导引接片中的较长的被布置在永磁体的这样的棱边处，磁化方向对准该棱边。

12.按照权利要求9所述的转子装置（4），其中，设仅一个第二场导引接片（46），该第二场导引接片的端部沿布置方向取向且具有在永磁体（7）的沿布置方向的宽度的0.3和0.7之间的、优选在0.5和0.7之间的长度。

13.电机（1），其带有用于提供定子磁场的定子装置（2）和按照权利要求1至12任一项所述的转子装置（4）。

14.按照权利要求13所述的电机（1）在一种应用中的用途，在该应用中，电机（1）的转子装置（4）沿从优方向运动，其中，规定永磁体（7）沿磁化方向的磁化，磁化方向对准相邻的转子极，该相邻的转子极逆着所述从优方向布置在相关的永磁体（7）处。