CN110620458A - 电动机 - Google Patents

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M·T·范德利普
M·J·博齐希
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Abstract

一种电动机器,其包括定子和转子叠层组件。该转子叠层组件可相对于定子构造和设置。该转子叠层组件包括至少一个叠层构件,其中,该叠层构件限定至少磁体接纳孔和紧固区域。叠层构件进一步包括设置在内直径边缘和外直径边缘之间的主体。该磁体接纳孔包括第一端部,该第一端部延伸至第二端部,以使得第二端部与外直径边缘隔开而限定桥接区域。紧固区域经由过盈配合与转子轴中的接纳区域接合,以在主体中产生拉伸负载(或预负载)。

Description

电动机
技术领域
本发明总地涉及电动机,并且更具体地说涉及用于永磁体电动机器的转子叠层组件。
背景技术
电动机器包括转子,该转子建立磁场。通过定子的电流受磁场影响,以产生致使转子旋转的电动势。某些电动机/发电机在转子中采用永磁体。永磁体安装在形成于转子中的磁体槽中,该转子通常由多个叠层形成。通常,永磁体安装在转子的外侧边缘附近,尽可能靠近于外侧边缘,以使得转矩最大并且使得损失最小。以此方式安装永磁体在转子的磁体槽和外侧边缘之间产生薄桥接区域。
在高速操作期间,转子上的离心力在薄桥接区域中以及在腹板颈部区域中产生应力。如果以过高的速度操作,则应力会超过叠层的屈服强度。在此种情形中,转子会失效。因此,在结构稳定性和高速操作之间存在折衷。也就是说,期望维持转子的结构完整性(其将磁体保持靠近于叠层的边缘)限制电动机器的操作速度。
近年来,对于能量效率和低成本电机的追求已导致开发许多类型的电动机和发电机来用于各种应用。在电动机中,已知永磁体同步电机(PMSM)具有高功率密度和效率。内部永磁体(IPM)电机是其中一种最为普遍的类型,该内部永磁体电机是一种特定类型的PMSM并且由于其产生磁阻转矩以及永磁体转矩的混合能力而也称为永磁体磁阻(PMR)电机。PMR电机包括具有埋设在其中的一个或多个永磁体的转子,并且比具有表面安装的磁体转子的电机产生较高的转矩。这是因为永磁体定位在转子芯部中,以突出转子芯部中的磁性回路,这产生额外的磁阻转矩。
然而,在操作期间,埋设在转子芯部中的每个磁体均经受离心力。为了在离心力下将磁体保持在转子芯部内并且还使得向转子芯部内的其它磁极的磁通泄露最小,转子芯部材料的狭窄部段通常保持在磁体磁极的端部和转子芯部的外周界之间。这些狭窄部段通常称为“桥接部”或“桥接区域”。图1示出传统IPM电机210的示意剖视图,其中,磁体设置在转子芯部中。如图所示,电机210包括定子芯部211和芯部部分215,该定子芯部具有中空圆柱形环220,且该芯部部分形成在环220内部。芯部部分215具有冲压贯穿其中的槽212,且线圈214缠绕在槽212周围。电机210还包括圆柱形转子芯部216,该圆柱形转子芯部设置在定子芯部211的内侧上,其中,多个孔218形成在转子芯部中。每个孔218对应于磁极,沿轴向方向延伸通过并且具有U形横截面。三个永磁体226插入在每个孔218中。附图标记222表示转子叠层的位于孔218的径向向外侧上的磁性磁通保持部分或中心磁极部段。附图标记224表示设置在磁体孔218的端部和转子216的外周界之间的桥接部。附图标记228指代转子轴。
在操作期间,作用在永磁体226上的离心力和作用在中心磁极部段222上的离心力集中在转子芯部216的桥接部224和腹板颈部224中。为此,桥接部224和腹板颈部224的径向宽度须足够大,以维持所需的机械强度。然而,在通过旋转引起的离心力作用下,通过桥接部和腹板颈部224的磁性磁通泄露的量可能受到转子芯部的机械强度所影响。期望使得桥接部和腹板颈部224相对较薄以减小磁通泄露。然而,较薄的桥接部和腹板颈部导致转子强度减小,这然后会限制电机210的速度能力。
因此,期望增大电机的旋转速度能力而同时维持转子在桥接部、腹板颈部以及磁体处的结构完整性,尽管离心力作用在这些部件和/或区域上仍如此。
发明内容
本发明提供一种电动机,该电动机具有坚固的转子叠层组件,该转子叠层组件具有拉伸预负载,该拉伸预负载增大腹板中的平均应力,以使得在高转子速度下,应力幅值最小。因此,改善材料的疲劳寿命,由此使得叠层组件对于重复的高速循环更为坚固。电动机包括定子和转子叠层组件,其中,该转子叠层组件可相对于定子构造和设置。转子叠层组件包括至少一个叠层构件,其中,该叠层构件进一步包括主体,该主体具有内直径边缘,该内直径边缘延伸至外直径边缘。叠层构件限定靠近于外直径边缘的一个或多个磁体接纳孔以及沿着内直径边缘限定的紧固区域。紧固区域与转子轴或轮毂中的接纳区域接合,以在主体中产生拉伸负载。每个磁体接纳孔包括第一端部,该第一端部延伸至第二端部,以使得第二端部与外直径边缘隔开而限定桥接区域。所讨论的离心应力具体地说位于主体的靠近于永磁体的区域,也就是说限定在每个叠层中的桥接区域和腹板颈部。
转子叠层组件包括至少一个叠层构件,其中,该叠层构件进一步限定主体,该主体具有内直径边缘,该内直径边缘延伸至外直径边缘。叠层构件或叠层限定靠近于外直径边缘的一个或多个磁体接纳孔以及沿着内直径边缘限定的紧固区域。每个紧固区域与转子轴中的接纳区域接合,以在主体中产生拉伸预负载。每个磁体接纳孔包括第一端部,该第一端部延伸至第二端部,且中间区域设置在它们之间。磁体接纳孔的第二端部与外直径边缘隔开以限定桥接区域。
在图3-4中提供的非限制示例中,拉伸负载或预负载靠近于每个接合区域沿径向方向分布在每个叠层的主体上。拉伸负载(或拉伸预负载)构造成产生负的环向应力,并且由此构造成当转子组件以高速操作时,增大叠层中的平均应力,以及还减小应力幅值。因此,应力幅值在限定于主体中的每个腹板颈部处和每个桥接区域处减小。
在本发明的另一实施例中,提供一种形成高速转子叠层或叠层构件的方法。示例的非限制方法包括如下步骤:(1)形成叠层构件20,该叠层构件由内直径边缘、外直径边缘以及限定在它们之间的主体所限定,该内直径边缘进一步在内直径边缘的至少一部分之上限定紧固区域;(2)在主体中限定至少一个磁体接纳孔,该至少一个磁体接纳孔包括第一端部、第二端部以及它们之间的中间区域,该第二端部与外直径边缘隔开以形成桥接区域;(3)经由过盈配合将叠层构件的紧固区域与转子轴或轮毂的接纳区域接合;以及(4)在叠层构件的主体中产生拉伸预负载。
应理解的是,限定每个磁体接纳孔的步骤包括如下步骤:靠近于并且沿着每个叠层的外直径边缘而在主体中限定多个磁体接纳孔。还应理解的是,前述方法包括如下步骤:将多个磁体接纳孔限定为靠近于并且沿着外直径边缘的各组,以及使得拉伸负载与针对每个组的中心腹板颈部对准。
附图说明
从以下详细描述、最佳模式、权利要求以及附图中,本发明的这些和其他特征以及优点会显而易见,附图中:
图1说明传统电动机的示意剖视图。
图2是根据本发明的各个实施例的电动机的示例剖视图。
图3是本发明的第一示例非限制转子组件的在未安装磁体的情形下的示意平面图。
图4是本发明的第二示例非限制转子组件的在未安装磁体的情形下的示意平面图。
图5是本发明的第三示例非限制转子组件的示意部分视图。
图6是本发明的第四示例非限制转子组件的示意部分视图。
图7A是图3中的转子组件在安装有磁体情形下的示意部分视图。
图7B是本发明的另一实施例的示意部分视图,其中,联接构件设置在每个叠层和轴/轮毂之间。
在附图的若干视图的整个描述中,类似的附图标记指代类似的部件。
具体实施方式
现将详细地参照本发明的目前较佳组合、实施例以及方法,其构成发明人目前已知的实践本发明的最佳模式。附图并非必须按比例绘制。然而,应理解地是,所公开的实施例仅仅是本发明的示例,且本发明能以各种且替代的形式实施。因此,这里公开的特定细节并不解释为限制性的,而是仅仅作为本发明任何方面的代表性基础和/或作为用于教示本领域技术人员来以各种方式实施本发明的代表性基础。
除了在示例中或者另外清楚地指示以外,本说明中指示材料量或反应条件和/或使用的所有数值量应理解成由词语“约”所修饰,以描述本发明的最广泛范围。在所陈述的数值范围内的实践通常是较佳的。此外,除非明确进行相反的陈述:百分比、“份数”以及比值数值以重量计;对于结合本发明针对给定目的适合或较佳的材料组群或类别的描述暗指该组群或类别的任何两个或更多个构件的混合物同样是可适用或较佳的;首字母缩写或其他缩写的第一定义适用于本文中相同缩写的所有后续使用,并且比照适用于初始定义缩写的正常语法变体;并且,除非明确进行相反的陈述,通过之前或之后参照相同特性的相同技术来确定对特性的测量。
还应理解的是,本发明并不局限于下文描述的特定实施例和方法,因为特定的部件和/或条件当然可改变。此外,这里使用的术语仅仅用于描述本发明的特定实施例的目的并且并不旨在以任何方式进行限制。
还须注意的是,如说明书和所附权利要求中所使用地,单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象,除非上下文另有清楚地指示。例如,参照单数的部件旨在包括多个部件。
术语“包含”与“包括”、“具有”、“含有”或“特征在于”是同义词。这些术语是包括性的和开放性的并且并不排除附加的、未列举的元件或方法步骤。
措辞“主要由……组成”将权利要求的范围限制为特定的材料或步骤,加上那些并不在材料上影响所要求主题的基本和新颖特征的材料或步骤。
能替代地使用术语“包含”、“由……组成”以及“主要由……组成”。在使用这三个术语的一个的情形下,目前所公开和要求的主题可包括使用另外两个术语的任一个。
术语“上部”和“下部”可相对于单个部件的区域而使用,并且旨在广泛地指示相对于彼此的区域,其中,“上部”区域和“下部”区域一起形成单个部件。术语不应理解为仅仅指代垂直距离/高度。
在本申请全文中,在参照公开文献的情形下,这些公开文献的全部内容的公开在此通过参照的方式纳入本申请,以更完整地描述本发明所属的现有技术
以下详细描述在本质上仅仅是示例性的,并且并不旨在限制本发明或者本发明的应用和使用。此外,并不旨在受前述背景技术或以下详细描述中呈现的任何理论所限制。
以下详细描述在本质上仅仅是示例性的,并且并不旨在限制本发明或者本发明的应用和使用。此外,并不旨在受前述技术领域、背景技术、发明内容或以下详细描述中呈现的任何表述或暗示理论所限制。
参照图2,根据示例性实施例构造的电动机器总地以2指示。电动机器2包括壳体4,该壳体具有安装于其的定子6。转子组件8相对于定子6旋转,以产生电动势。在所示出的示例性实施例中,转子组件8包括但不限于轮毂部分11,该轮毂部分具有安装于其的轴13。转子组件8还包括转子叠层组件16,该转子叠层组件安装在轮毂部分11上。叠层组件16还可连同转子组件16的之后在这里进行描述的其它部件一起直接地安装于转子轴。转子叠层组件16由多个叠层构件形成,其中一个叠层组件以20指示。
现将详细地参照图3,其描述了根据第一非限制示例实施例的叠层构件20。叠层构件20包括主体30,该主体具有外直径边缘34和内直径边缘35,该内直径边缘限定转子轮毂接纳部分38。外直径边缘34通过腹板部分40(或主体30)与内直径边缘35隔开。如图3所示,叠层构件20包括绕外直径边缘34设置的多个磁体接纳孔44-75。更确切地说,在图3中示出的非限制示例中,磁体接纳孔44-75设置成绕外直径边缘34环形地隔开的四个一组的组80-87(示作元件80-87)。然而,应理解的是,磁体接纳孔44-59还可设置成两个一组(参见图4和5)、三个一组(参见图6中的元件39、41、43)或者还有其它数量一组的组80-87。每个磁体接纳孔44-75构造并且设置成接纳多个磁体88的对应一个。在图3-7B中示出的各种非限制示例中,磁性磁通可流动通过中心磁极区域15。
再次参照图3-7B,为了降低来自离心力42的应力超过在每个组80-87内支承多个磁体88的叠层的屈服强度的风险,每个叠层20的紧固区域22可经由过盈配合24与限定在转子轮毂11(或轴13)中的接纳区域14接合,其中,紧固区域22与接纳区域14的接合靠近于接合区域23在主体30中产生拉伸预负载18(负的环向应力)。拉伸预负载18构造成当转子组件以高速操作时,增大叠层中的平均应力,以及还减小应力幅值。假定叠层预拉伸至接近于叠层材料的屈服强度Sy(针对叠层钢,例如但不限于400MPa)的高数值,施加在每个叠层上的应力会保持固定(例如,固定在400MPa处)或者会在小得多的范围内循环。应理解的是,在图1中示出的传统转子芯部中(在没有拉伸预负载的情形下),每次转子加速时,传统转子芯部中的叠层就会经受可能在0MPa和材料的屈服强度(Sy)(例如,400MPa)之间循环的应力。因此,由于固定的应力或者应力的较小循环范围,本发明的转子组件8能承受大量的高速循环,由此改进坚固性。因此,本发明提供具有转子组件的电动机,其中,应力保持相对静态和/或不会在较宽的范围上改变。
接合区域23可通常限定为每个叠层20的紧固区域22与转子组件8(例如但不限于转子轮毂11、转子轴13或联接构件25)接合所处的区域,以使得由于叠层和转子组件8的部件之间的过盈配合,而将拉伸预负载18施加在每个叠层20上。因此,在图3-7A的非限制示例中,接合区域23通过紧固区域22与转子轮毂11或转子轴13的接纳区域14接合而形成,这取决于叠层组件16安装在轮毂11还是转子轴13上。为了在每个示例接合区域23处提供过盈配合24,应理解的是,接纳区域14的下边缘26延伸超出紧固区域22的上边缘28预定距离32(参见图7A),针对使用典型的叠层钢的叠层20,该预定距离例如但不限于0.025mm至0.045mm。应理解的是,通常针对接近于层压材料的屈服强度的预拉伸应力/负载18且同时仍考虑制造公差而选择过盈配合和/或预定距离32。针对用于转子轮毂/转子轴11、13的材料的屈服强度通常比层压材料的屈服强度高得多。在叠层钢用于叠层的本发明的非限制示例中,示例非限制屈服强度可以是约400MPa。然而,应理解的是,可使用针对叠层20的各种屈服强度,它们落在约250MPa至500MPa的范围内。
然而,如在图7B的附加非限制示例中所示,接合区域23还可通过紧固区域22与联接构件25或多个联接构件25接合而形成,其中,联接构件25可设置在每个叠层20和转子轮毂11或转子轴13之间。联接构件25可构造成在联接构件25的转子侧27处装配在转子轮毂/轴11、13的接纳区域14内,并且构造成在联接构件25的叠层侧29处与叠层20的紧固区域22具有过盈配合24。图7B中的过盈配合24如下产生:通过使得联接构件25的每个下边缘31延伸超出紧固区域22的每个对应上边缘28预定距离32’,以使得在与联接构件25的叠层侧29接合的情形下,紧固区域22(以及叠层20)经受拉伸预负载18。类似于图3-7A中的示例,针对使用典型的叠层钢的叠层20,预定距离32’可以但非必须落在约0.025mm至约0.045mm的范围内。类似于之前的示例,应理解的是,通常针对接近于层压材料的屈服强度的预拉伸应力/负载18且同时仍考虑制造公差而选择过盈配合24和/或预定距离32。针对用于转子轮毂/转子轴11、13的材料的屈服强度通常比层压材料的屈服强度高得多。在叠层钢用于叠层的本发明的非限制示例中,示例非限制屈服强度可以是约400MPa。然而,应理解的是,可使用针对叠层20的各种屈服强度,它们落在约250MPa至500MPa的范围内。
返回共同地参照图3-7B,由于每个磁体接纳孔(参见元件39、41、43以及元件45-75)均类似地形成,因而下文将参照图5详细地描述磁体接纳孔44且应理解的是,剩余的磁体接纳孔39、41、43、44、45-75(在图3-4和6-7B中)各自包括类似的结构。因此,如图5中所示,磁体接纳孔44可包括第一端部104,该第一端部通过中间部分106延伸至第二端部105。磁体接纳孔44包括靠近于第一端部104设置的第一磁体保持构件111和靠近于第二端部105设置的第二磁体保持构件113。第一和第二磁体保持构件111和113构造成将磁体88定位在磁体接纳孔44内。如图所示,第一空隙120可建立在第一端部104和磁体88之间,且第二空隙121建立在第二端部105和磁体88之间。每个空隙120和121均设有对应的填充材料124和125。根据示例性实施例的一方面,填料124和125由注入塑料形成,其不仅将磁体88保持在磁体接纳孔44中,而且当与其它叠层构件20组合时,还防止油进入到叠层组件16中(参见图2)。
磁体接纳孔44的第一端部104与外直径边缘34隔开,以形成桥接区域130。桥接区域130通常形成为尽可能薄,以减小从叠层组件16的磁性磁通损失。然而,如图所示,桥接区域130的厚度对电动机器2的总体操作速度范围有所限制。更确切地说,如果桥接区域130形成得如此薄以至于减少大部分(如果不是全部)的损失;电动机器2无法在例如高于5000rpm的速度下操作。当以此种速度操作时,离心力42施加在转子叠层组件16上。如果应力超过叠层主体20的屈服强度(Sy),则叠层会失效。因此,为了减小应力幅值(在图5-7B中示意地表示为元件49)并且保持应力18基本上固定而由此使得电动机器2能在高于5000rpm的速度下操作,叠层构件20沿着内直径边缘35(参见图3-4)包括多个接合区域23(参见图3-4),其中,当每个紧固区域22与转子轴13的每个接纳区域14接合时,每个接合区域产生拉伸预负载18。应理解的是,接合区域23由叠层20中的每个紧固区域22与转子轴13中的对应接纳区域14接合所处的区域所限定。因此,接合区域23绕“转子轴13与叠层20”的界面来限定。
因此,本发明提供电动机器2(图2),该电动机器具有坚固的转子叠层组件16,该转子叠层组件具有拉伸预负载18,当转子组件8以高速旋转时,该拉伸预负载使得施加在叠层组件16上的离心负载42偏移。所讨论的离心应力42具体地说位于主体30的靠近于永磁体88的区域,也就是说桥接区域130和腹板颈部76。电动机器2包括定子6和转子叠层组件16,其中,该转子叠层组件16可相对于定子6构造和设置。转子叠层组件16包括至少一个叠层构件20,其中,叠层构件20进一步限定主体30,该主体具有内直径边缘,该内直径边缘延伸至外直径边缘。叠层构件20或叠层20限定靠近于外直径边缘34的一个或多个磁体接纳孔39、41、43、44、45-75以及沿着内直径边缘35限定的紧固区域22。每个紧固区域22与转子轴13中的接纳区域14接合,以在主体30中产生拉伸负载18。每个磁体接纳孔39、41、43、44、45-75包括第一端部104,该第一端部延伸至第二端部105,且中间区域106设置在它们之间。磁体接纳孔39、41、43、44、45-75的第二端部105与外直径边缘34隔开,以形成桥接区域130。
在图3-4中提供的非限制示例中,拉伸负载18或预负载18靠近于每个接合区域23沿径向方向36分布在每个叠层20的主体30上。拉伸负载18(或拉伸预负载)构造成产生负的环向应力,并且由此构造成当每个叠层20和每个磁体88作为旋转转子组件8的一部分移动时,减小施加于主体30的总体应力(示作离心负载42和拉伸预负载18的组合)。因此,总体应力在限定于主体30中的每个腹板颈部76处和每个桥接区域130处减小。
在本发明的另一实施例中,提供一种形成高速转子叠层或叠层构件20的方法。示例的非限制方法包括如下步骤:(1)形成叠层构件20,该叠层构件由内直径边缘35、外直径边缘34以及限定在它们之间的主体30所限定,该内直径边缘35进一步在内直径边缘35的至少一部分之上限定紧固区域22;(2)在主体30中限定至少一个磁体接纳孔,该至少一个磁体接纳孔39、41、43、44、45-75包括第一端部104、第二端部105以及它们之间的中间区域106,该第二端部105与外直径边缘34隔开以形成桥接区域130;(3)经由过盈配合24将叠层构件20的紧固区域22与转子轴13的接纳区域14接合;以及(4)在叠层构件20的主体30中产生拉伸预负载18。
应理解的是,限定每个磁体接纳孔39、41、43、44、45-75的步骤包括如下步骤:靠近于并且沿着每个叠层20的外直径边缘34而在主体30中限定多个磁体接纳孔39、41、43、44、45-75。还应理解的是,前述方法包括如下步骤:将多个磁体接纳孔39、41、43、44、45-75限定为靠近于并且沿着外直径边缘34的各组80-87,以及使得拉伸负载18与针对每个组80-87的中心腹板颈部78(参见图5和7)对准。
虽然在前文详细描述中呈现了示例实施例,但应意识到的是,存在各种各样的变型。还应意识到的是,示例性实施例或多个示例性实施例仅仅是示例,且并不旨在以任何方式限制本发明的范围、可应用性或构造。而是,前文详细描述会为本领域技术人员提供用于实施示例性实施例或多个示例性实施例的便利指引图应理解的是,能对元件的功能和结构做出各种改变,而不会偏离本发明在所附权利要求及其法律等同物中阐述的范围。

Claims (10)

1.一种电动机器,包括:
定子;以及
转子叠层组件,所述转子叠层组件相对于所述定子构造和设置;所述转子叠层组件进一步包括:
至少一个叠层,所述至少一个叠层包括主体,所述主体具有内直径边缘,所述内直径边缘延伸至外直径边缘;以及
至少一个磁体接纳孔,所述至少一个磁体接纳孔限定在所述主体中并且包括第一端部,所述第一端部延伸至第二端部,所述第二端部与所述外直径边缘隔开以限定桥接区域;
其中,所述至少一个叠层构件包括紧固区域,所述紧固区域构造成与限定在转子组件中的接纳区域接合并且在所述主体中产生拉伸负载。
2.根据权利要求1所述的电动机器,其中,所述至少一个叠层的所述紧固区域经由在接合区域处的过盈配合而与所述转子组件的所述接纳区域接合。
3.根据权利要求2所述的电动机器,其中,所述接纳区域的下边缘延伸超出所述紧固区域的上边缘预定距离,所述预定距离落在约0.025mm至0.045mm的范围内。
4.根据权利要求2所述的电动机器,其中,所述紧固区域沿着所述至少一个叠层的所述内直径边缘限定。
5.根据权利要求2所述的电动机器,其中,所述拉伸负载小于所述至少一个叠层的所述屈服强度。
6.根据权利要求4所述的电动机器,其中,所述拉伸负载沿径向方向分布在所述至少一个叠层的所述主体上。
7.根据权利要求5所述的电动机器,其中,所述拉伸负载构造成当所述至少一个叠层和所述至少一个磁体以高速旋转时减小由所述主体经受的应力幅值。
8.根据权利要求7所述的电动机器,其中,离心力施加于所述至少一个叠层。
9.一种形成高速转子叠层构件的方法,所述方法包括:
形成叠层构件,所述叠层构件由内直径边缘、外直径边缘以及限定在它们之间的主体所限定,所述内直径边缘进一步在所述内直径边缘的至少一部分之上限定紧固区域;
在所述主体中限定至少一个磁体接纳孔,所述至少一个磁体接纳孔包括第一端部、第二端部以及它们之间的中间区域,所述第二端部与所述外直径边缘隔开以形成桥接区域;
经由过盈配合将所述叠层构件的所述紧固区域与转子组件的接纳区域接合;以及
在所述叠层构件的所述主体中产生拉伸预负载。
10.根据权利要求9所述的方法,其中,限定至少一个磁体接纳孔的步骤包括如下步骤:靠近于并且沿着所述外直径边缘而在所述主体中限定多个磁体接纳孔。
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