CN107787546A - 由永磁体辅助的同步磁阻电动机 - Google Patents

Abstract

一种由永磁体辅助的同步磁阻电动机(1)，包括设置有用于生成磁通量的定子绕组(6)的定子(2)，定子(2)具有用于容纳适于在围绕旋转轴旋转中被致动的圆柱形转子(3)的中心座(4)，其中转子(3)包括用于容纳相应的永磁体(11)的内部槽(10)，并且其中内部槽(10)和永磁体(11)是曲线形的，以便优化转子(3)和定子绕组(6)之间的磁相互作用。

Description

由永磁体辅助的同步磁阻电动机

指定的发明人：Boris Karuzic，Davor Filipeti

技术领域

本发明涉及一种由永磁体辅助的同步磁阻电动机，其中永磁体位于转子内部。

背景技术

如已知的，由永磁体辅助的同步磁阻电动机包括定子元件，该定子元件设置有限定极对的电绕组，在定子内部布置有适于设置成围绕旋转轴旋转的移动元件——转子。

转子通过被限定为气隙的空间与定子分隔。

转子基本为圆柱形。

在所谓SPM(表面永磁体)电动机中，永磁体布置在转子的外表面上，而在所谓IPM(内置永磁体)电动机中，永磁体容纳在转子内部提供的座中。

依赖于转子的构造和转子中的永磁体的定位，获得在磁性上各向同性的或各向异性的结构。

参考IPM型同步磁阻电动机，转子具有各向异性磁结构，其中预见到在电动机自身的运行期间最小磁阻的部分充当磁通量的导引。

依赖于同步磁阻电动机所需的功率和预见到的使用模式，用于永磁体等的极的数量或者材料的量和/或类型等可以改变。

基于用来制造永磁体的材料的类型，为了相同的效率，同步磁阻电动机的尺寸及其生产成本可以改变。

如已知的，通常用来制造永磁体的材料组包括铁氧体(也称为α-铁氧体(α-Fe))或所谓的“稀土”钕铁硼(NdFeB)，稀土相对于铁氧体在磁场或功率方面具有更好的性能。

尽管性能较好，但使用稀土来制造永磁体的限制是基础材料的供应成本高，其平均比铁氧体的供应成本高一个数量级以上。

而且，对稀土永磁体的处理比对铁氧体磁体的处理更为复杂和昂贵。

相对于其它方案(诸如常规的交流电动机)，由永磁体辅助的同步磁阻电动机确保了在性能基本相似的情况下电动机自身的重量和体积整体减小。

虽然同步磁阻电动机的当前制造成本大于常规方案的制造成本，但是其实现的优点促进了它们的使用，特别是在电动机的重量和体积以及能够精确地调整其运行速度的能力具有特别的相关性的领域中。

需要改进由永磁体辅助的同步磁阻电动机的性能，同时仍然确保这种电动机的重量和体积相对于常规方案低。

发明内容

本发明的任务是改进现有技术。

在这种技术任务中，本发明的一个目标是提供一种具有高性能的由永磁体辅助的同步磁阻电动机。

本发明的另一个目标是提供一种由永磁体辅助的同步磁阻电动机，其即使在高转速下也能确保正确运行而不会经受损坏。

本发明的另一个目标是提供一种由永磁体辅助的同步磁阻电动机，其中转子和定子之间的磁相互作用相对于常规方案被优化。

本发明的另一个目标是提供一种由永磁体辅助的同步磁阻电动机，其能够确保相对于常规的同步磁阻电动机在具有相同尺寸的情况下有更好的性能。

根据本发明的一方面，根据权利要求1预见了由永磁体辅助的同步磁阻电动机。

从属权利要求涉及本发明的优选的和有利的实施例。

附图说明

本发明的其他它特征和优点将从由永磁体辅助的同步磁阻电动机的优选的但非排他性实施例的详细描述中变得更加清楚，该实施例在附图中作为非限制性示例示出，在附图中：

图1是由永磁体辅助的同步磁阻电动机的示意性横截面图，其中示出了电动机本身的主要部件；

图2是根据本发明的同步磁阻电动机的转子的示意性透视图；

图3是根据图2的同步磁阻电动机的转子的版本的截面图；

图4是根据本发明的同步磁阻电动机的转子的另一个版本的截面图；

图5是根据本发明的同步磁阻电动机的部件的示意性透视图。

具体实施方式

参考附图，由永磁体辅助的类型的同步磁阻电动机总体上由1指示。

更确切地，应当观察到根据本发明的同步磁阻电动机1是所谓IPM(内部永磁体)型，其中永磁体根据下文所述的方式定位在转子本身内部。

为了下文的描述的清晰起见，术语“同步磁阻电动机”旨在指示由内部永磁体辅助的类型的同步磁阻电动机。

根据本发明的同步磁阻电动机1包括定子2，转子3布置在定子2的内部。

具体而言，转子3容纳在定子2中设置的圆形中心座4内。

在转子3和定子2之间存在被称为“气隙”的小的分隔空间。

定子2可以具有基本为圆环形的构造，而转子3具有基本为圆柱形的构造。

根据本发明的一方面，可以通过相互约束地构成圆柱形元件的多个金属板5相继对准堆叠而获得转子3，其中金属板形状如盘(图2)。

下面将更详细地描述转子3的内部构造。

定子2在使用中面向转子3的内周边部分处具有多个绕组，该多个绕组被称为定子绕组，整体上以6指示。在使用中，以受控的方式馈送定子绕组6，从而生成强度和方向可变的磁场，以使得转子3围绕旋转轴7(图2)旋转。

同步磁阻电动机1的运行原理被认为是已知的，因此，对这种电动电动机的特点的描述将限于理解本发明所必需的方面。

如所陈述的，根据本发明的一个版本，转子3由多个依次相继对准的盘形金属板5构成。

将转子3的内部构造限定为使得根据本发明的同步磁阻电动机1的性能优化，特别是关于对沿着转子3本身与在定子2中生成的磁场的传递(channelling)和相互作用。

转子3在内部具有中心座8，中心座8被配置为用于将转子3本身与附图中未示出的在旋转中要被致动的传动轴连接。

关于这一点，根据本发明的一个版本，在中心座8处可以有参考槽9，其在使用中用于沿着传动轴布置的键或类似的锁定元件的接合。

应当观察到，沿着传动轴可以布置多组板5，其中单个组彼此成角度地偏移，以构成沿着上面提到的传动轴的各向异性转子3。

转子3具有多个充当用于容纳相应永磁体11的座的内部槽10。

根据本发明的一方面，内部槽10为曲线形状，如圆周的弧。

类似地，每个永磁体11被成形为基本匹配相应的内部槽10的形状，其中在使用中可预见到该永磁体11被容纳在内部槽10中(图5)。

在下文中，根据本发明的同步磁阻电动机1中的内部槽10和永磁体11的构造的具体功能将变得更加清楚。

根据本发明的一方面，转子3包括内部槽10的组10'。

关于其中所包括的内部槽10的数量、尺寸和布置，每个组10'具有与转子3中预见到的其它组10'相同的特点，如将在下文中更加清楚地描述的。

这种组10'的总数量基本等于同步磁阻电动机1的极的数量。

组10'沿着转子3在角度方向上彼此等距布置。

在下文中，为了描述转子3的结构特征，将参考附图中所示的具有四个极的同步磁阻电动机的实施例。

根据这种版本，转子3具有在角度方向上彼此等距布置的内部槽10的四个组10'，这些组相互偏移90°。

应当理解的是，对于具有不同数量的极的同步磁阻电动机1，与上面给出的类似的考虑是有效的。

每个组10'包括如所述的具有曲线形状的至少一个内部槽10。

根据本发明的一个版本，每个组10'包括沿转子3(图1)的径向方向依次相继布置的至少两行F的内部槽10。

根据本发明的一个版本，每个组10'包括三行F1、F2、F3的内部槽10。

每一行F、F1、F2、F3进而可以包括至少一个内部槽10。

但是，同步磁阻电动机1的相对于上述内容包括更多或更少数量的行F的其它构造是可能的，不因此偏离本发明的保护范围。

而且，其中行F中的至少一行包括沿着行F本身彼此对准地布置的两个或更多个内部槽10的另外的实施例是可能的，如下文更清楚地描述的。

应当观察到，属于同一组10'的内部槽10的尺寸可以随着它们被制造在转子3内的位置而变化。

转子3内存在的内部槽10被成形和定位为使得为转子3确定对称的内部结构，并因此促进转子3在使用中围绕旋转轴7旋转期间的平衡。

这种平衡对于减少对于在转子3旋转期间的不期望的振动的触发和传输是必要的，这种不期望的振动可能造成同步磁阻电动机1损坏。

在下文中，术语“总延伸”意在指示行F在圆周方向上的总延伸。

在行F包括单个内部槽10(图4)的情况下，这种行F的总延伸基本与内部槽10本身的总延伸对应。

在行F包括两个或更多个内部槽10(这些内部槽可能在圆周方向上分隔并间隔开)(图1-3)的情况下，这种行F的总延伸与组成它的单个内部槽10以及布置在其间的隔离壁的和对应。

就每一行F的总延伸而言(视为其长度(延伸)和/或宽度)，应当观察到，内部槽10的布置在转子3的邻近旋转轴7的内部部分处的两行F的总延伸相对于内部槽10的预见到在转子3本身的圆柱形外表面附近的行F的总延伸更大。在实践中，内部槽10的每一行F的总尺寸从转子3的中心向其圆柱形外表面减小。

内部槽10沿着其延伸的单个行F是曲线形状，并且具有相应的曲率半径R。

类似地，内部槽10被制成如曲线槽。

根据本发明的一方面，内部槽10的每一行F的曲率半径R是恒定的。

内部槽10的单个行F1、F2、F3具有相应的曲率半径R1、R2、R3(图3)。

曲率半径R1、R2、R3可以具有基本相同的曲率中心C。

根据本发明的一个版本，第一行F1具有相应的第一曲率半径R1；类似地，第二行F2具有第二曲率半径R2，而第三行F3具有第三曲率半径R3。

根据这种版本，作为非限制性示例，第一曲率半径R1小于其余的曲率半径R2和R3，并且第二曲率半径R2小于第三曲率半径R3。

根据本发明的另一个版本，曲率半径R1、R2、R3中的至少一个可以具有其自己的与其它曲率半径R的曲率中心C不重合的曲率中心。

如上所述，属于同一组10'的内部槽10的行F沿着转子3的径向彼此对准。

更详细地，每个组10'可以具有相应的对称中心轴12。

根据本发明的一个版本，对称轴12与转子3的半径对准。

根据本发明的另一个版本，对称轴12可以与转子3的半径重合。

根据本发明的一个版本，每一行F、F1、F2、F3可以具有一对从这种对称轴12(图3)对称地延伸的内部槽10。

根据本发明的另一个版本，至少一个组10'可以具有包括相对于这种组10'的对称轴12对称地延伸的单个内部槽10(图4)的行F。

根据未在附图中示出的本发明的另一个版本，组10'可以具有包括单个内部槽10的至少一个第一行F和包括至少两个内部槽10的至少一个第二行F。

如上所述，在同步磁阻电动机1中，永磁体11的形状基本匹配相应的内部槽10，在使用中，永磁体11被引入和关联在内部槽10中。

每个永磁体11与沿着相应的纵向轴13(图5)的细长元件对应。

每个永磁体11具有彼此垂直的第一侧14和第二侧15。

根据本发明的一个版本，第一侧14相对于第二侧15具有更大的长度。

每个永磁体11相对于第一侧14和第二侧15的尺寸具有小的厚度。

根据这种版本，第二侧15是弯曲的，并且与具有恒定的曲率半径RM的圆周的弧对应。

在实践中，参考图5中所示的实施例，每个永磁体11可以如沿着一个方向的弯曲的细长元件那样构造，其在几何上与包括在两个相互平行的平面之间的中空圆柱形元件的扇形对应，并且垂直于圆柱形元件的对称中心轴，并且其中两个平面与该圆柱形元件的该对称中心轴相交，这在附图中未示出。

作为示例，每个永磁体11的形状遵循瓦片(tile)的凹形形状。

在转子3内部，单个内部槽10通过磁通量的传送部分16彼此分隔。

而且，这种传送部分16将内部槽10的单个组10'彼此分隔。

传送部分16限定被称为“通道”的优先路径，在定子2中生成的磁通量沿着该优先路径传递。传送部分16还构成转子3本身的结构元件，从而确保转子3在使用中围绕旋转轴7旋转期间的尺寸稳定性。

而且，传送部分16充当对于布置在相应的内部槽10内的永磁体11的支撑元件。

类似于之前关于内部槽10所描述的，永磁体11对称地布置在转子3内，从而确保其机械平衡和磁平衡。

如上所述，内部槽10和永磁体11被制成弯曲的，具有圆周形轮廓的弧。

这种构造使得可以最大化转子3和定子2之间的磁相互作用。

实际上，永磁体11为曲线形允许在转子3和在定子2中生成的磁场之间获得基本均匀的磁相互作用。

这在常规方案中是不可能的，在常规方案中，永磁体被配置为基本如细长的棱柱。

实际上，永磁体的这种构造使得不可能获得与在定子2中生成的磁通量的均匀的相互作用。

事实上，在附图中未示出的常规方案中，永磁体具有直线的横截面，因此，它们不能确保在端部与定子2的磁通量的最优相互作用等于其中心部分与定子2的磁通量的最优相互作用。

另一方面，在根据本发明的永磁体11中，与定子2的磁通量的相互作用沿着永磁体11的整个延伸基本均匀，其中在使用中，永磁体11的整个延伸与沿着相应行F(图1)的延伸基本对应。如果在根据本发明的转子3中，内部槽10填充有棱柱形永磁体而不是弯曲的永磁体，那么仍然不可能获得同步磁阻电动机1的效率。

考虑到这一点，应当观察到，通过将许多棱柱形磁体并排放在弯曲的单个内部槽10内，将不可能确保这种棱柱形磁体和在定子2中生成的磁场之间的均匀相互作用，这既是因为同一个内部槽10内的一个棱柱形磁体和下一个棱柱形磁体之间的不连续性，也是因为上面关于棱柱形磁体的构造所描述的原因。

事实上，相对于常规方案，在根据本发明的同步磁阻电动机1中，在单个内部槽10的尺寸相同的情况下，可以使用更大量的永磁体11。

而且，在同步磁阻电动机1中，转子3内部的永磁体11的曲线构造允许相对于常规同步磁阻电动机获得更高的性能，因为避免了其中布置有相应的永磁体11的单个内部槽内的磁不均匀性，并且最小化了永磁体11自身的端部处的通量损失。

在实践中，如此构造的永磁体11允许与定子2中生成的场的磁相互作用在永磁体11的整个长度(意味着沿相应行F的延伸)上基本均匀。

为了优化转子3和定子2之间的磁相互作用，内部槽10的曲率凹度与转子3的外周不一致。

根据本发明的一个版本，每个内部槽10(至少在其相对于对称轴12的远端17处)可以具有至少一个没有永磁体11的部分18。

作为非限制性示例，端部17可以是圆形的，以使其更容易生产。

在使用中，通过将永磁体11引入到相应的内部槽10中，部分18可以充当填充材料(例如，胶)的壳体，该填充材料适于将永磁体11本身牢固地约束在内部槽10内并且避免其在转子3自身旋转期间的位移。

根据本发明的一个版本，填充材料是固化(setting)类型的树脂。

但是，适用于该目的的其它类型的胶是可能的。

而且，在转子3由堆叠在彼此顶部上的板5的堆叠组成的情况下，槽18内的胶可以充当单个板5之间的另一个接合元件，由此促进转子3本身对机械应力的抵抗力和高内聚力。

根据上述的同步磁阻电动机1允许转子3和定子2之间的磁相互作用被优化，从而允许相对于常规同步磁阻电动机(预见到使用棱柱形永磁体)，对于相同尺寸的转子3本身，获得更好的性能。

而且，由于转子3和定子2之间更好的磁相互作用，根据本发明的同步磁阻电动机1可以达到比传统方案更高的转速。

作为非限制性示例，同步磁阻电动机1甚至可以达到每分钟约17000转的速度，而不会受到损坏。

如此设想的本发明可以进行许多修改和变化，所有这些修改和变化都被本发明的构思覆盖。

而且，所有的细节都可以被技术上等同的其它元素取代。在实践中，所使用的材料以及可能的形状和尺寸可以根据需要而定，而不会因此背离以下权利要求的保护范围。

Claims (12)

1.一种由永磁体辅助的同步磁阻电动机(1)，包括设置有用于生成磁通量的定子绕组(6)的定子(2)，所述定子(2)具有用于容纳圆柱形转子(3)的中心座(4)，所述转子(3)适于在围绕旋转轴(7)的旋转中被致动，所述转子(3)包括用于容纳相应的永磁体(11)的内部槽(10)，所述同步磁阻电动机(1)的特征在于，所述内部槽(10)和所述永磁体(11)为曲线形，从而优化所述永磁体(11)和所述定子绕组(6)之间的磁相互作用。

2.如权利要求1所述的同步磁阻电动机(1)，其中所述永磁体(11)被成形为与所述内部槽(10)基本互补，其中所述永磁体(11)在使用中通过形状耦合而被容纳在所述内部槽(10)中。

3.如权利要求1或2所述的同步磁阻电动机(1)，其中所述内部槽(10)中的每一个内部槽根据具有相应的恒定曲率半径(R，R1，R2，R3)的圆周轮廓的弧而呈曲线形。

4.如前述权利要求中任一项所述的同步磁阻电动机(1)，其中所述永磁体(11)中的每一个永磁体沿着相应的纵向轴(13)成形为细长元件，所述细长元件具有彼此正交的第一侧(14)和第二侧(15)，其中所述第一侧(14)平行于所述纵向轴(13)，并且其中所述第二侧(15)是弯曲的并且具有穿过所述纵向轴(13)的恒定的曲率半径(RM)。

5.如前述权利要求中任一项所述的同步磁阻电动机(1)，其中所述永磁体(11)的数量等于所述内部槽(10)的数量。

6.如前述权利要求中任一项所述的同步磁阻电动机(1)，其中所述内部槽(10)中的每一个内部槽从相应的对称轴(12)对称地延伸，所述对称轴(12)与所述转子(3)的半径对准。

7.如前述权利要求所述的同步磁阻电动机(1)，包括用于将所述永磁体(11)中的一个永磁体固定在所述内部槽(10)中的相应一个内部槽内的材料，所述固定材料定位在所述内部槽(10)和所述永磁体(11)中的一个永磁体之间的插入位置中的距所述对称轴(12)的至少一个远端(17)。

8.如前述权利要求所述的同步磁阻电动机(1)，其中所述内部槽(10)具有圆形端部。

9.如前述权利要求中任一项所述的同步磁阻电动机(1)，包括所述内部槽(10)的组(10')，其中所述组(10')的数量与所述同步磁阻电动机(1)的极的数量对应，所述组被布置成沿着所述转子(3)在角度方向上彼此等距。

10.如前述权利要求所述的同步磁阻电动机(1)，其中所述组(10')中的每一个组包括所述内部槽(10)的至少一行(F，F1，F2，F3)，所述至少一行(F，F1，F2，F3)中的每一行包括所述内部槽(10)中的至少一个内部槽。

11.如前述权利要求所述的同步磁阻电动机(1)，其中所述至少一行(F，F1，F2，F3)中的每一行根据圆周的弧弯曲，并且具有相应的恒定曲率半径(R，R1，R2，R3)。

12.如前述权利要求所述的同步磁阻电动机(1)，具有曲率中心(C)，其中所述曲率半径(R，R1，R2，R3)中的每一个曲率半径通过所述曲率中心(C)。