CN110720170A - 用于无刷直流电机、尤其用于内转子电动机的转子以及带有这样的转子的电机 - Google Patents

用于无刷直流电机、尤其用于内转子电动机的转子以及带有这样的转子的电机 Download PDF

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Abstract

本发明包括一种用于无刷直流电机的转子，其包括：轴；布置在轴上的转子芯，其中，转子芯用作轭体；以及固定在转子芯上且包围转子芯的环形磁体。环形磁体构成为圆环盘形，其中，通过圆环盘形来限定径向方向和圆周方向。此外，还通过等式q＝N/(2pm)限定孔数q，其中，N代表在转子中凹槽的数量，p代表转子的极对数，以及m代表相数。根据本发明设置，转子绕组连接为三角形连接。

Description

用于无刷直流电机、尤其用于内转子电动机的转子以及带有 这样的转子的电机
技术领域
本发明涉及用于电动机、特别是用于内转子电动机的转子。此外本发明还涉及具有根据本发明的转子的电动机。
背景技术
电动机是将电能转换为机械能的能量转换器。这样的电机包括定子和转子，该定子形成固定的电机部分，该转子形成运动的电机部分。在内转子电动机中，圆环形的或圆柱环形的转子通常包围电机轴——转子也固定在该电机轴上——且就其而言又由沿径向方向与转子隔开的定子包围。
定子通常设有定子轭(Statorjoch)，对于中间径向地向内突出的定子齿布置在该定子轭上，该定子轭面向转子的端部形成所谓的极靴(Polschuh)。此外，为了确保电动机的功能，属于电机的定子的线圈必须以确定方式相互连接。该连接的类型和方式通过施加到定子齿上的绕组来限定，所述绕组在电磁运行中产生磁场。为了引导和放大通过通电的绕组产生的磁场，定子材料通常是金属的、例如软磁的铁。
在此，绕线方案可以描述例如线圈的星形连接或线圈的三角形连接。如果多个相互连接的线圈属于定子，那么连接是非常昂贵的，因为相应的线圈应通过单个线以确定方式相互连接。
然而在具有环形磁体的转子的结构形式中不利的是，环形磁体基于其制造方法在机械上较不稳健并且因此不可以不受损地吸收在大的转子半径和/或高的转速的情况下出现的离心力。因此，带有这样的转子的电动机的电机功率一般是比较低的。
发明内容
本发明的任务在于，改善上述缺点且提出一种用于电动机的转子，该电动机同时具有比较高的磁通以及低的漏磁、同时然而适用于高转速。此外，本发明基于如下任务：相应地改进电动机和手持式工具机。
该任务通过根据权利要求1的转子以及通过根据权利要求13的电动机和根据权利要求16的手持式工具机解决。本发明有利的设计方案、变型方案和扩展方案可以由从属权利要求得知。
本发明包括一种用于无刷直流电机的转子，该无刷直流电机具有：轴；布置在轴上的转子芯，其中，转子芯用作轭体
Figure BDA0002306178750000021
环形磁体，其固定在转子芯上且包围转子芯。环形磁体构造为圆环盘形，其中，通过圆环盘形来限定径向方向和圆周方向。此外，还通过等式q＝N/(2pm)来限定孔数q，其中，N代表在转子中凹槽的数量，p代表转子的极对数，以及m代表相数。根据本发明设置，转子的绕组以三角形连接来连接。原则上三角形连接证实为在制造中是有利的，因为相比于星形连接，三角形连接在具有小的匝数和大的线直径的无刷直流电机中(例如在电池驱动的手持式工具机中)通常需要更小的线直径，所以三角形连接在制造中是有利的。
优选地，转子绕组具有孔数q，其中q＝0.5，其中，电动机的源电压的形状匹配于电流形状。在源电压的形状匹配于电流形状(两者近似梯形)的情况下得出较高的机器利用和更相同形状的转矩变化过程。
在此有利的是，源电压的形状具有近似梯形或近似正弦形的变化过程，其中，通过孔数q＝0.5(例如：9槽/6极)和绕组的三角形连接的组合可以实现相对相的感应的源电压的特别有利的近似梯形。
根据权利要求1至5中任一项所述的转子，其特征在于，该电动机使用120°的块换向(Blockkommutierung)。已经证实有利的是，在电流的120°块换向的情况下源电压的梯形可以实现该机器的尽可能大的机器利用或尽可能大的功率因数，其中，有利地也可以以更小的线拉伸(Drahtzug)更紧凑和更有效地针式绕线(nadelwickeln)更小的线直径。
在一个特别优选的实施方式中，环形磁体具有径向各向异性的颗粒结构(Kornstruktur)。原则上，环形磁体相比而言提供通过更大的极宽度的更高的总磁通和更小的漏磁。通过根据本发明的转子可以提高剩余磁通密度(magnetischeRemanenzflussdichte)，由此相比而言又可以减小电机的主动轴向长度和/或电阻以及提高电动机的功率密度。
优选地，环形磁体是在外周边上多极磁化的NdFeB环形磁体。
在一个特别优选的实施方式中，环形磁体具有至少三个极对、优选至少8个极对、特别优选地具有至少18个极对。
有利地，环形磁体是由SmCo粉末烧结而成的稀土磁体、由NdFeB粉末烧结而成的铁磁体、热压的或热变形的磁体或组合磁体，其中，径向各向异性的颗粒结构通过两阶段的压制成型方法(Kompaktierungsverfahren)制造。径向定向的各向异性的注塑而成的环形磁体通常通过电磁定向技术来制造。不同于简单的永磁定向，通过电磁定向制造的磁体在下降之前被去磁化，并且接下来根据所期望的要求进行极化。
通过由NdFeB粉末的热压来制造环形磁体可以确保提高环形磁体的机械的负载能力或稳健性。此外，环形磁体的颗粒结构的在单独的制造步骤中引入的径向各向异性导致相比于常规烧结而成的环形磁体再次提高大约10％的剩余磁通密度并因此导致功率密度升高。
替代地，环形磁体的制造也可以根据另一方法来制造，例如根据流动冲压方法(Flieβpressverfahren)。
在一个有利的设计方案中，环形磁体通过如下组的固定方法中的一种固定方法固定在转子芯上：粘附、钎焊
Figure BDA0002306178750000031
热装(thermisch Aufschrumpfen)或熔焊(Schweiβen)。
此外，定子的几何结构和拓扑可以如环形磁体的极对数那样地根据设计来变化。根据本发明的径向各向异性的环形磁体在该方面不受限制。
本发明的另一主题是一种电动机、优选无刷内转子电动机。电动机包括定子和转子。定子具有圆环盘形的定子轭以及限定数量的极齿，通过该定子轭来限定径向方向和圆周方向，所述极齿从定子轭径向向内突出。转子被定子沿径向方向包围。在定子与转子之间布置有具有限定宽度的间隙。此外，电动机包括与极齿的数量对应数量的线圈，其中，线圈绕着对应的极齿绕线。根据本发明设置如下：转子按照根据在权利要求1至12中任一项中公开的和上述实施方式来构造。
有利地，电动机具有每分钟至少24000转的空载转速和30mm的转子直径。
在一个优选实施方式中，电动机的线圈并联电连接。
本发明的另一主题是手持式工具机，其包括根据本发明的根据权利要求13至15中任一项所述的电动机。
本发明另外的特征、应用可能、优点和设计方案由在附图中示出的本发明的实施例的以下描述产生。说明书、附图以及权利要求包含组合的多个特征。本领域内技术人员将这些特征、尤其不同实施例的特征也单个地考虑并且组合为有意义的另外的组合。在此应注意到，示出的特征仅仅具有所描述的特性并且也可以与其他上述扩展方案的特征组合的应用且不应考虑为以任何形式对本发明进行限制。
附图说明
在下文中根据优选的实施例进一步阐明本发明。附图是示意性的并且示出：
图1示出根据本发明的转子以及根据本发明的电动机的截面；
图2示出具有并联的单齿绕组的三角形连接的示例；
图3示出感应的源电压的匹配的形状的示例；
图4示出具有从优磁化方向(magnetisch Vorzugsrichtung)的径向各向同性的定向的环形磁体的示意图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的电动机100的部分横截面的120°的分段。此外，电动机100的转子10包括轴12、布置在轴12上的转子芯14，其中，转子芯14用作轭体。此外，电动机100包括至少一个环形磁体16，其固定在转子芯14上并且包围转子芯14。环形磁体16构造成圆环盘形或圆柱环形，其中，通过圆环盘形或圆柱环形来限定径向方向和圆周方向。
至少一个环形磁体16通过如下组的固定方法中的一种固定方法固定在转子芯14上：粘附、钎焊、热装或熔焊。
此外可以看出，电动机100包括定子20，其中，定子20具有圆环盘形的定子轭22以及限定数量的极齿24，通过该定子轭来限定径向方向和圆周方向，所述极齿从定子轭22径向向内突出。极齿24以对应数量的线圈30绕线。该原则性的结构在内转子电动机中本身是已知的且不再详细进行描述。
根据本发明，环形磁体16具有径向各向异性的颗粒结构。在一种实施方式中，其中环形磁体16是由NdFeB粉末热压而成的环形磁体16，因此该径向各向异性可以在一个后置于第一热压的压制成型步骤中通过两阶段的压制成型方法实现。
对此替代地且根据本发明的另一实施方式，环形磁体16可以是由SmCo粉末或NdFeB粉末烧结而成的环形磁体16，其中，径向各向异性的颗粒结构同样通过两阶段的压制成型方法来制造。径向定向各向异性的注塑而成的环形磁体16通常通过电磁定向技术来制造。不同于简单的永磁定向，通过电磁定向制造的磁体在下降之前被去磁化，且接着根据期望的要求进行极化。通过这种类型和方式例如可以制造在图4中示出的环形磁体16，其具有从优磁化方向的径向各向同性的定向。
通过由NdFeB粉末的热压来制造环形磁体16可以确保提高环形磁体的机械的负载能力或稳健性。此外，相比于常规烧结而成的环形磁体16，环形磁体16的颗粒结构的在单独的制造步骤中引入的径向各向异性导致再次提高大约10％的剩余磁通密度并因此导致功率密度升高。替代地，环形磁体16的制造也可以根据另一方法制造，例如根据流动冲压方法。
相比于常规烧结而成的NdFeB磁体，各向异性使剩余磁通密度改善直至10％，而相比于通常的塑料结合而成的NdFeB磁体，各向异性使剩余磁通密度改善2.2倍。通过经由环形磁体16的磁通的增益(Gewinn)可以减小电动机100的主动轴向长度和/或其电阻。根据本发明，由此可以提高电动机100的功率密度并同时提高其机械稳健性。由此，在大的转子直径的情况下也能够实现高转速。
例如已经表明，根据本发明构造的电动机100可以在30mm的转子直径的情况下在空载下运行超过24000rpm的转速。相似的数值在现有技术中目前仅仅以带有埋入的磁体的转子提供，然而具有该结构方式带来的上述缺点。
在一个优选的实施方式中，环形磁体16具有至少三个极对、优选至少8个极对、特别优选地具有至少18个极对。一般地，环形磁体的极对数根据关于电动机的尺寸和功率方面的设计而变化，其中，径向各向异性的环形磁体在该方面不受限制。
还应注意到，与此相反，具有埋入磁体的结构方式具有如下缺点：磁体的数量并且因此极对的数量受磁体之间转子板的接片(Steg)的宽度的限制。
在根据本发明的转子中较高的磁通也需要定子几何结构中较大的横截面。在此有利的是，极的数量在根据本发明的结构方式中原则上是不受限的，因为更大数量的极对减小铁轭(Eisenrückschluss)的横截面。这是因为磁通可以分布到较高数量的极对上。
此外，在较高磁通的情况下对于高转速在定子中需要较少的匝。这又意味着：必须提高铜线横截面，以便能以较少的匝同样地填充定子槽。
通常，在此使用针式绕线机(Nadelwickelmaschinen)，其中，将线引导通过槽的针可以引导具有最大不及超过1mm的线直径的线。
如在图2中所示，根据本发明，转子的绕组以并联的单齿绕组连接为三角形连接，其中，转子绕组优选具有孔数q，其中q＝0.5。
在此，通过等式q＝N/(2pm)限定孔数q，其中，N代表在转子中凹槽的数量，p代表转子的极对数，以及m代表相数。
如在图3a中所示，感应的源电压——也称为电动机的电动力或感应的EMK电压——匹配于电流形状。在附图中的电流形状具有典型的120°的块换向，而感应的源电压是梯形的。由此得出高的机器利用和尽可能相同形状的转矩变化过程。在120°的块换向的示出的配置中，源电压的梯形几乎达到最大可能的机器利用或电动机的最大功率因数。如在图3b中所示，在替代的实施方式中在相同的电流形状的情况下感应的源电压是正弦形的。
图4b以从优磁化方向的示例性示图示出径向各向同性的环形磁体16的俯视图。图4a示出相应的截面图。
除了所述和描绘的实施方式之外，另外的实施方式也是可设想的，其可以包括另外的变型以及特征组合。

Claims (16)

1.一种用于无刷直流电机的转子(10)，所述转子包括：轴(12)；转子芯(14)，所述转子芯布置在所述轴(12)上，其中，所述转子芯(14)用作轭体；至少一个环形磁体(16)，所述至少一个环形磁体固定在所述转子芯(14)上且包围所述转子芯(14)，其中，所述环形磁体(16)构造成圆环盘形或圆柱环形，其中，通过所述圆环盘形或所述圆柱环形来限定径向方向和圆周方向；其中，还通过等式q＝N/(2pm)来限定孔数q，其中，N代表在所述转子中凹槽的数量，p代表所述转子的极对数，而m代表相数，其特征在于，所述转子的绕组以三角形连接来连接。
2.根据权利要求1所述的转子(10)，其特征在于，转子绕组具有孔数q，其中q＝0.5。
3.根据权利要求1或2所述的转子(10)，其特征在于，所述电动机的感应的源电压的形状匹配于电流形状。
4.根据权利要求3所述的转子(10)，其特征在于，所述感应的源电压具有近似梯形的变化过程。
5.根据权利要求4所述的转子(10)，其特征在于，所述感应的源电压具有近似正弦形的变化过程。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的转子(10)，其特征在于，所述电动机使用120°的块换向。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的转子(10)，其特征在于，所述环形磁体(16)具有径向各向异性的颗粒结构。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的转子(10)，其特征在于，所述环形磁体(16)是在外周边上多极磁化的SmCo或NdFeB环形磁体(16)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的转子(10)，其特征在于，所述环形磁体(16)具有至少三个极对、优选至少8个极对、特别优选地具有至少18个极对。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的转子(10)，其特征在于，所述环形磁体(16)是由SmCo粉末或由NdFeB粉末热压而成的环形磁体(16)，其中，所述径向各向异性的颗粒结构通过两阶段的压制成型方法来制造。
11.根据权利要求7或9所述的转子(10)，其特征在于，所述环形磁体(16)是由NdFeB粉末烧结而成的环形磁体(16)，其中，所述径向各向异性的颗粒结构通过两阶段的压制成型方法来制造。
12.根据上述权利要求中任一项所述的转子(10)，其特征在于，所述环形磁体(16)通过如下组的固定方法中的一种固定方法而固定在所述转子芯(14)上：粘附、钎焊、热装、熔焊。
13.一种电动机(100)和优选无刷内转子电动机，其包括：
-定子(20)，其中，所述定子(20)具有圆环盘形的或圆柱环形的定子轭(22)以及限定数量的极齿(24)，通过所述定子轭来限定径向方向和圆周方向，所述极齿从所述定子轭(22)径向向内突出；
-与所述极齿(24)的数量对应的数量的线圈(30)，其中，所述线圈(30)绕着相对应的极齿(24)绕线；
-转子(10)，所述转子被所述定子(20)沿径向方向包围，其中，在所述定子(20)与所述转子(10)之间布置有具有限定宽度的间隙(40)，
其特征在于，所述转子(10)根据权利要求1至12中任一项来构造。
14.根据权利要求13所述的电动机(100)，其特征在于，所述电机(100)具有所述转子(10)的每分钟至少24000转的空载转速和30mm的转子直径。
15.根据权利要求13或14所述的电动机(100)，其特征在于，所述电动机(100)的线圈(30)并联电连接。
16.一种手持式工具机，其包括根据权利要求13至15中任一项所述的电动机(100)。
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