CN115706467A - 用于旋转电机的转子 - Google Patents

Abstract

一种用于旋转电机(1)的转子(4)包括：多个永磁体(6)，它们围绕旋转轴线(3)在轴向上定向并且并排设置，从而形成封闭圆环；支撑柱体(8)，其具有将永磁体(6)放置在其上的外表面(9)以及中心腔室(12)；以及两个半轴(10，11)，它们彼此独立且分离并且单一地插入到支撑柱体(8)的中心腔室(12)的相对两个端部中，从而与支撑柱体(8)一起形成为单体。永磁体(6)根据海尔贝克阵列在圆周上一个接一个地设置，从而抵消永磁体(6)的径向内部的磁场并且使永磁体(6)的径向外部的磁场最大化。

Description

用于旋转电机的转子

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2021年8月12日提交的意大利专利申请第 102021000021815号的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种用于旋转电机的转子。

本发明有利地应用于进行汽车驱动的旋转电机，其安装在车辆上并且可用作马达(吸收电能并且产生机械扭矩)或发电机(将机械能转换为电能)。

背景技术

进行汽车驱动的旋转电机包括以旋转的方式安装为围绕中心旋转轴线旋转的轴、通常具有永磁体并且安装至轴以与轴一起旋转的转子以及围绕转子设置以将转子封闭在内部的定子。

文件CN102263448A、DE102011012429A1、US2021129709A1、 US2021242741A1、US2019288579A1、RU2659796C1、US2020036246A1、 EP2069180B1、EP1892512B1和US2017271934A1描述了用于旋转电机的转子的一些例子。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于旋转电机的转子，其具有特别小的质量和转动惯量。

根据本发明，提供了一种用于旋转电机的转子，其包括：

多个第一永磁体，它们围绕旋转轴线在轴向上定向并且并排设置，从而形成封闭圆环；

支撑柱体，其具有中心腔室和外表面，第一永磁体放置在外表面上，使得第一永磁体表面式地设置在支撑柱体的外部；以及

两个半轴，它们彼此独立且分离并且单一地插入到支撑柱体的中心腔室的相对两个端部中，从而与支撑柱体一起形成为单体，

其特征在于：

设置有两个端部圆盘，它们设置在支撑柱体的相对两个端部处并且被设计为保持第一永磁体组装在一起，并且

支撑柱体在轴向上比第一永磁体更长，从而在第一永磁体之前与端部圆盘接触，即端部圆盘在轴向上抵住支撑柱体。

从属权利要求描述了本发明的优选实施方式并且形成说明书的组成部分。

附图说明

现在将参照示出了本发明的非限制性实施方式的附图来描述本发明，其中：

图1是设置有根据本发明的转子的旋转电机的示意性纵向剖视图；

图2是图1的转子的立体图，其中为了更清楚省略了一些部分；

图3是图1的转子的立体分解图，其中为了更清楚省略了一些部分；并且

图4是图1的转子的纵向剖视图。

附图标记列表

1-电机；2-轴；3-旋转轴线；4-转子；5-定子；6-永磁体柱；7-永磁体；8- 支撑柱体；9-外表面；10-半轴；11-半轴；12-中心腔室；13-端部圆盘；14-容纳元件；15-安装胶。

具体实施方式

在图1中，附图标记1整体上表示进行汽车驱动的同步电机，所述电机是可逆电机(即，既可用作吸收电能并产生机械扭矩的电动马达又可用作吸收机械能并产生电能的发电机)。

电机1适于被安装在包括至少两个驱动轮的电动或混动车辆中(即，两轮驱动或四轮驱动的电动或混动车辆)。特别地，电机1可连接至驱动轮(直接地或借助于可能设置有离合器的动力传动系)；即，在电机1与驱动轮之间可以具有直接连接、可以具有简单的减速器或者还可以具有离合器。

电机1包括以旋转的方式安装为围绕中心旋转轴线3旋转的轴2、具有永磁体并且安装至轴2以与轴2一起旋转的转子4以及围绕转子4设置以将转子 4封闭在内部的管状、柱状的定子5。

在转子4与定子5之间限定了环形的气隙，其具有较小的厚度(通常是允许转子4在定子5中完全安全地旋转所需的最小值)。

根据图2和3，转子4包括多个永磁体6，它们在轴向上定向并且围绕旋转轴线3并排设置，从而形成封闭圆环。在图2所示的实施方式中，具有被设置为形成封闭圆环的24个永磁体6，但是根据此处没有示出的其他实施方式永磁体6的总数可以是不同的；例如，可以具有4至32个永磁体6。永磁体6 具有表面式布置，即它们设置在转子4的外表面的区域中并且不插入到形成在转子4中的狭槽中。

构成封闭圆环的一系列的永磁体6包括一种根据海尔贝克阵列(Halbach array)的圆周布置，从而抵消永磁体6的径向内部的磁场并且使永磁体6的径向外部的磁场最大化。换句话说，永磁体6被设置为抵消永磁体6的径向内部 (朝向轴2)的磁场并且使永磁体6的径向外部(朝向定子5的磁芯)的磁场最大化。即，永磁体6根据海尔贝克阵列在圆周上一个接一个地设置，从而抵消永磁体6的径向内部的磁场并且使永磁体6的径向外部的磁场最大化。

海尔贝克阵列是永磁体6的一种特殊的连接(布置)，它们被设置为增强该阵列一侧上的磁场(在这个实施方式中为径向外侧)并同时通过干涉来消除 (抵消)相对一侧上的磁场(在这个实施方式中为径向内侧)。根据图2，海尔贝克阵列使4个永磁体6的组合循环重复，其中：一个永磁体6具有在圆周上设置在顺时针方向上的南-北取向，下一个永磁体6具有在径向上朝外设置的南-北取向(即，远离中心旋转轴线3移动)，下一个永磁体6具有在圆周上设置在逆时针方向上的南-北取向，并且下一个永磁体6具有在径向上朝内设置的南-北取向(即，朝向中心旋转轴线3移动)。

根据一个不同的实施方式，永磁体6不根据海尔贝克阵列设置。

根据一个优选实施方式，每个永磁体6都不是单块式的(即，从一开始就包括不可分割的单件的磁性材料)，而是由在轴向上一个接一个地排列的轴向上的一系列(更小的)永磁体7形成，即每个永磁体6都包括在轴向上一个接一个地设置的多个(更小的)永磁体7；特别地，在每个永磁体6中，通常具有一个接一个地排列的20至60个永磁体7。

在每个永磁体6中，构成永磁体6的所有的永磁体7都具有相同的取向，即它们全部被相同地定向；换句话说，在同一个永磁体6中，构成该永磁体6 的永磁体7全部以完全相同的方式定向。

在附图所示的实施方式中，永磁体6替代地具有矩形的横截面以及等腰梯形的横截面；根据此处没有示出的一个不同的实施方式，永磁体6全部具有等腰梯形的相同的横截面(显然，具有用于构成圆环的替代的取向)。

根据图3和4，转子4包括容纳永磁体6的支撑柱体8；特别地，支撑柱体8具有将永磁体6放置在其上的外表面9。根据一个优选实施方式，支撑柱体8的外表面9是多面的，即包括多个平坦表面，它们各自针对对应的永磁体 6提供平坦支撑。换句话说，永磁体6被表面地设置在支撑柱体8的外部。

支撑柱体8与轴2耦合(即受到约束从而在角度上与其整合)，使得它们一起形成为单体。根据更好地在图4中示出的一个优选实施方式，轴2包括两个半轴10和11，它们彼此分离并且单一地耦合(固定)至支撑柱体8；即，半轴10或11分别与另一个半轴10或11独立且分离并且独立于另一个半轴 10或11之外耦合(固定)至支撑柱体8。特别地，支撑柱体8的内部是中空的并且具有将两个半轴10和11插入到其中的中心贯通腔室12。根据一个优选实施方式，半轴10或11分别通过干涉(特别是借助于热-冷耦合来获得较大的紧固力)被钉入到支撑柱体8中(即，钉入到支撑柱体8的中心腔室12 中)。

根据一个优选实施方式，在支撑柱体8的中心腔室12内并且在两个端部的区域中形成有与对应的半轴10和11抵靠的两个抵接部；即，这两个抵接部是用于半轴10和11在支撑柱体8的中心腔室12中的插入的限位器。

半轴10被成形为安装在支撑轴承上；此外，半轴10还被成形为连接至运动传动装置并因此具有花键机加工部。另一方面，半轴11被成形为安装在另一个支撑轴承上；此外，半轴11还被成形为连接至角位置传感器(特别是旋转变压器)。

根据图4，转子4包括一对端部圆盘13，它们在支撑柱体8的相对两个端部处围绕轴2设置并且(特别是)被设计为保持永磁体6组装在一起。换句话说，两个端部圆盘13构成转子4的相对两个端部并且在轴向上压缩永磁体6，从而保持永磁体6组装在一起。

根据一个可行的实施方式，端部圆盘13被设计为具有平衡孔(此处没有示出)，其围绕旋转轴线3保持转子4的平衡并且通过柱状钻孔或铣削制成。为了允许转子4在高转速下操作并同时确保较长的使用寿命，需要使操作期间产生的必须被支撑轴2的轴承吸收的振动最小化。为此目的，转子4通常需要进行平衡来减少在旋转期间产生振动的不平衡状态(归因于不可避免的构造公差)。为了使转子4平衡，使用了两个端部圆盘13，它们由于通过平衡孔(可以是盲孔或通孔并且可以径向或轴向地设置)对它们质量的不对称性进行校正而用作平衡元件。

平衡孔的存在、数量、布置和深度显然是完全随机的并且可以从一个转子 4到另一个转子4完全改变，因为它们取决于转子4在其制造工序结束时的实际不平衡状态(归因于构造公差)。理论上来说，转子4可以完全不具有平衡孔，因为其由于构造公差的巧合的组合而在其制造工序结束时仅受到围绕旋转轴线3的十分小以至于不需要校正的不平衡状态的影响。

每个端部圆盘13都围绕对应的半轴10或11安装并且通过干涉被钉在半轴10或11上，即每个端部圆盘13在中心具有(借助于干涉耦合)插入对应的半轴10或11的通孔。

端部圆盘13在轴向上抵住支撑柱体8；即，端部圆盘13在轴向上“触碰”支撑柱体8而不是永磁体6，从而在轴向上直接压住支撑柱体8而不是压住永磁体6。为此，支撑柱体8在轴向上比永磁体6更长(略微更长，实际上为几毫米)，从而在永磁体6之前与端部圆盘13接触。根据不属于本发明的一部分的一个替代实施方式，端部圆盘13在轴向上抵住永磁体6，从而保持永磁体6 组装在一起；即，端部圆盘13在轴向上“触碰”永磁体6而不是支撑柱体8，从而在轴向上直接压住永磁体6而不是压住支撑柱体8。为此，永磁体6在轴向上比支撑柱体8更长(略微更长，实际上为几毫米)，从而在支撑柱体8之前与端部圆盘13接触。

转子4包括柱状容纳元件14(更好地在图3中示出)，其内部是中空的并且围绕永磁体6设置为保持永磁体6与支撑柱体8接触；即，容纳元件14在外部覆盖永磁体6来提供永磁体6的径向容纳部，从而防止离心力将永磁体6 按压在定子5的磁芯上。根据一个优选实施方式，容纳元件14包括复合材料制成的管状元件，其通过干涉被钉紧在永磁体6周围。替代地，容纳元件14 由塑料材料、轻质的非铁磁性金属材料(例如，铝、钛或镁)或铁磁性金属材料制成。进一步替代地，容纳元件14包括围绕永磁体6螺旋形地缠绕的树脂粘合纤维。

根据一个可行的实施方式，容纳元件14包括单块式的单件(即，不具有间隙)。替代地，容纳元件14包括彼此分离且独立并且并排设置的两个以上的零件；在这个实施方式中，构成容纳元件14的不同的零件单一地围绕永磁体 6安装，从而在总体上减小操作所需的力(如上所述通过指定的干涉产生)。

总的来说，半轴10由高强度钢制成(或者机械特性方面的另一种等同材料)，因为其必须能够传递转子4产生或吸收的扭矩；另一方面，半轴11由强度比半轴10的钢更小的钢或另一种金属材料制成，因为半轴11不需要传递转子4产生或吸收的扭矩。

支撑柱体8由磁性金属材料(钢)、非磁性材料(例如，铝、钛或镁)或者非金属材料(通常是复合材料，例如碳纤维，以具有所需的强度)制成。如上所述，永磁体6内部的磁场由于永磁体6的海尔贝克阵列而为零，因此支撑柱体8不受强磁场的影响；因此，支撑柱体8没有必要具有铁磁性。由磁性金属材料制成的支撑柱体8简化了转子的装配，因为永磁体6通过磁吸力而粘附在支撑柱体8的外表面9上，因此它们在装配期间可以更容易地设置在支撑柱体8的外表面9上。

端部圆盘13通常由非磁性不锈钢制成，从而具有保持永磁体6组装在一起所需的强度并同时不会干扰永磁体6产生的磁场。

根据图3所示的一个可行的实施方式，在每个永磁体6中，单独的永磁体 7通过插入安装胶15(其是电绝缘体)而被胶粘在一起，从而减少寄生电流导致的功率损耗。换句话说，每个永磁体6都通过借助于安装胶15(其是电绝缘体)将单独的永磁体7胶粘在一起而形成。

根据一个优选实施方式，永磁体6被直接安装在支撑柱体8的外表面9 中；特别地，每个永磁体6都通过安装胶被胶粘到支撑柱体8的外壁9上，该安装胶优选是电绝缘体(从而避免同一个永磁体6的不同的永磁体7通过支撑柱体8的外壁9发生“短路”)。换句话说，在支撑柱体8的外壁9与永磁体6 之间插入有安装胶构成的电绝缘层。

安装胶具有使永磁体6与下层的支撑柱体8的外壁9电绝缘的功能，并且尤其是具有在构建转子4的同时将永磁体6连接至支撑柱体8的外壁9的功能 (通过容纳元件14确保永磁体6的机械保持，因为安装胶不能抵抗转子4高速旋转时的离心力)。

此处描述的实施方式可彼此组合，而不会因此超出本发明的保护范围。

上述的转子4具有多个优点。

首先，上述的转子4具有较小的质量和较低的转动惯量，具有性能优势(特别地，较小的转动惯量减小了整个传动系上的动态应力)。

此外，上述的转子4使用创新的材料(特别是复合材料)，这确保了此前没有实现过的性能-质量比。特别地，上述的转子4针对构成转子4的三个主要部分(支撑柱体8、半轴10、半轴11)使用不同的材料；以这种方式，每个主要部分(支撑柱体8、半轴10、半轴11)都可由最适于抵抗使用中产生的机械应力并且优化性能/质量比的材料制成。

上述的转子4确保了较高的能效(即，输入的机械能或电能与输出的电能或机械能之间的较高效率)；在这方面，应指出的是，容纳元件14的存在由于其确保了较高的径向定位和圆度精度而使转子4与定子5之间的气隙最小化。

最后，上述的转子4制造简单，因为其包括即使在自动工序中也可以快速地彼此组合的形状简单的少量部件。

Claims (16)

1.一种用于旋转电机(1)的转子(4)，其包括：

多个第一永磁体(6)，它们围绕旋转轴线(3)在轴向上定向并且并排设置，从而形成封闭圆环；

支撑柱体(8)，其具有中心腔室(12)和外表面(9)，所述第一永磁体(6)放置在所述外表面(9)上，使得所述第一永磁体(6)表面式地设置在所述支撑柱体(8)的外部；以及

两个半轴(10，11)，它们彼此独立且分离并且单一地插入到所述支撑柱体(8)的所述中心腔室(12)的相对两个端部中，从而与所述支撑柱体(8)一起形成为单体，

其特征在于：

设置有两个端部圆盘(13)，它们设置在所述支撑柱体(8)的相对两个端部处并且被设计为保持所述第一永磁体(6)组装在一起，并且

所述支撑柱体(8)在轴向上比所述第一永磁体(6)更长，从而在所述第一永磁体(6)之前与所述端部圆盘(13)接触，即所述端部圆盘(13)在轴向上抵住所述支撑柱体(8)。

2.根据权利要求1所述的转子(4)，其中，每个半轴(10，11)通过干涉被各自钉入到所述支撑柱体(8)的所述中心腔室(12)中。

3.根据权利要求1所述的转子(4)，其中，在所述支撑柱体(8)的所述中心腔室(12)内并且在所述两个端部的区域中形成有与对应的所述半轴(10，11)抵靠的两个抵接部。

4.根据权利要求1所述的转子(4)，其中：

第一半轴(10)被成形为安装在支撑轴承上并且具有允许使其连接至传动装置的机加工部，并且

第二半轴(11)被成形为安装在另一个支撑轴承上并且连接至角位置传感器。

5.根据权利要求1所述的转子(4)，其中，所述支撑柱体(8)的所述外表面(9)是多面的，即包括多个平坦表面，它们各自针对对应的所述第一永磁体(6)提供平坦支撑。

6.根据权利要求1所述的转子(4)，其中，每个所述端部圆盘(13)都围绕对应的所述半轴(10，11)进行安装并且通过干涉被钉在所述半轴(10，11)上。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的转子(4)，其包括柱状容纳元件(14)，其内部是中空的并且围绕所述第一永磁体(6)设置为保持所述第一永磁体(6)与所述支撑柱体(8)接触。

8.根据权利要求7所述的转子(4)，其中，所述容纳元件(14)由非磁性材料制成，特别是由复合材料制成。

9.根据权利要求7所述的转子(4)，其中，所述容纳元件(14)包括不同的零件，它们彼此分离且独立并且并排设置。

10.根据权利要求7所述的转子(4)，其中，所述容纳元件(14)通过干涉围绕所述第一永磁体(6)进行安装。

11.根据权利要求1至6中任一项所述的转子(4)，其中，第一半轴(10)由与构成第二半轴(11)的材料不同的材料制成。

12.根据权利要求1至6中任一项所述的转子(4)，其中，所述支撑柱体(8)由与构成两个所述半轴(10，11)的材料不同的材料制成。

13.根据权利要求1至6中任一项所述的转子(4)，其中，所述支撑柱体(8)由碳纤维制成。

14.根据权利要求1至6中任一项所述的转子(4)，其中，所述第一永磁体(6)通过插入优选为电绝缘体的安装胶而被直接胶粘在所述支撑柱体(8)的所述外表面(9)上。

15.根据权利要求1至6中任一项所述的转子(4)，其中，所述第一永磁体(6)根据海尔贝克阵列在圆周上一个接一个地设置，从而抵消所述第一永磁体(6)的径向内部的磁场并且使所述第一永磁体(6)的径向外部的磁场最大化。

16.根据权利要求15所述的转子(4)，其中，所述海尔贝克阵列使4个第一永磁体(6)的组合循环重复，其中：一个第一永磁体(6)具有在圆周上设置在顺时针方向上的南-北取向，下一个第一永磁体(6)具有在径向上朝外设置的南-北取向，下一个第一永磁体(6)具有在圆周上设置在逆时针方向上的南-北取向，并且下一个第一永磁体(6)具有在径向上朝内设置的南-北取向。

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