CN117121337A - 永磁体同步马达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永久激励旋转同步电机(1)的转子(10)，该转子具有埋入的永磁体(11)，该永磁体布置在能导磁的主体的、尤其是该转子(10)的轴向分层的叠片组的基本轴向延伸的容纳部(12)中，其中，每个容纳部(12)具有用于容纳一个或多个永磁体(11)的袋部(13)，其中，在该袋部(13)的相对的端部上，在该容纳部(12)的纵轴线(20)上存在磁通阻滞物(14)，其中，在该容纳部(12)的朝向该转子(10)的外直径的一侧上在袋部(13)和磁通阻滞物(14)之间的区域中设有用于增加反向场稳定性的机构，其中，用于增加反向场稳定性的机构作为保持元件布置在袋部(13)的端部上并且在此有助于该永磁体(11)在该袋部(13)中的定位，其中，该保持元件被设置为接片(15)或功能保持接片(25)，并且至少在局部形成用于容纳该永磁体(11)的该袋部(13)，其中，该接片(15)和该功能保持接片(25)被设置用于使得该接片和该功能保持接片尤其在故障情况下、例如在突然短路情况下继续执行用于该永磁体(11)的保护功能，其中，该转子(10)的极(23)的容纳部(12)尤其以V形或者以双V形或者以U形布置，并且在极(23)的各个容纳部(12)之间存在金属板接片(50)。

Description

永磁体同步马达

技术领域

本发明涉及一种永久激励同步电机的转子和一种永久激励同步电机。

背景技术

通常这样设计永久激励同步电机，使得其在故障情况下，例如在永久激励同步电机的定子的绕组系统中的突然短路中，在没有永磁体的明显不能逆反的退磁的情况下坚持。因此故障情况对永久激励同步电机的设计和所使用的磁性材料及其在转子中的布置提出了高要求。

在此，尤其危险的是永磁体的暴露区域，例如永磁体的角，因为所述暴露区域在故障情况下暴露于尤其高的反向场。在那里，相应地首先出现永磁体的不能逆反的退磁。

在具有埋入的永磁体的永久激励同步电机中，永磁体轴向插入到存在于转子中的袋部中。通常，永磁体通过“定位接片”定位在袋部内。

这些接片在已知的机器设计方案中位于磁袋的轴侧的侧面上，如这也可从US 9531 226 B2和US2018/0248427 A1中得出。

机器的突然短路强度通常能够通过使用高HcJ的磁体等级和/或通过使用更厚的磁体实现。

这通过更高品质的磁体等级和/或更高的材料使用增加了马达的成本。

发明内容

由此出发，本发明的目的是，提供一种具有改进的反向场稳定性的永久激励同步电机的转子，以便尤其在工业应用中即使在特殊的运行状态下也能够保证可靠的运行。

所提出的目的通过一种具有埋入的永磁体的转子来实现，所述永磁体布置在能导磁的主体的、尤其是转子的轴向分层的叠片组的基本轴向延伸的容纳部中，其中，每个容纳部具有用于容纳一个或多个永磁体的袋部，其中，在所述袋部的相对的端部上，在所述容纳部的纵轴线上存在磁通阻滞物，其中，在容纳部的朝向转子的外直径的一侧上在袋部和磁通阻滞物之间的区域中设置用于增加反向场稳定性的机构。

所提出的目的的解决方案也通过一种永久激励同步电机来实现，该永久激励同步电机具有定子和与该定子通过气隙隔开的转子，该转子具有埋入的永磁体，所述永磁体布置在能导磁的主体的、尤其是转子的轴向分层的叠片组的基本轴向延伸的容纳部中，其中，每个容纳部具有用于容纳一个或多个永磁体的袋部，其中，在所述袋部的相对的端部上，在所述容纳部的纵轴线上存在磁通阻滞物，其中，在容纳部的朝向转子的外直径的一侧上在袋部和磁通阻滞物之间的区域中设置用于增加反向场稳定性的机构，以便尤其在永久激励同步电机的突然短路中抵消在所述袋部中的所述永磁体的至少局部不能逆反的退磁。

在磁通阻滞物和袋部之间的区域中的容纳部的朝向转子的外周的侧面上的用于反向场稳定性的机构是特别有效的。在那里，可能通过突然短路电流在定子的绕组系统中生成的退磁场通常具有特别负面的影响。这能够通过该机构特别地减少，该机构特别地被设置为保持元件或接片。

这样的反向场例如能够通过突然短路电流、永久激励同步电机的其他负载状态、高的过载力矩、变流器的电流错误表现和绕组系统中的各种短路故障来得到。

有利地，这些接片、保持元件、功能保持件是转子的硅钢片的一部分并且与其一体式地构造。这例如通过冲压过程来确保。接片的尺寸设计被设置用于使得所述接片例如能够通过突然短路电流和由此产生的退磁场和由此可能出现的接片饱和而继续执行用于永磁体的保护功能。换言之：用于一个永磁体或多个永磁体的保护功能被施加，而与接片或保持元件是否进入饱和无关。

在此，这些保持元件、尤其是接片和功能保持接片被设计成使得它们具有在纵轴线方向上的伸展和在横轴线方向上的伸展。在纵轴线的方向上，所述伸展最大延伸直至相邻的永磁体的磁厚度的一半，以便不在永磁体的磁极之间产生磁短路。换言之：在纵轴线的方向上，保持元件最大延伸直至在北极(N)和南极(S)之间的过渡区域。

在容纳部的横轴线的方向上，保持元件或接片或功能保持接片的尺寸设计还遵循硅钢片材料的饱和度。

但是在任何情况下应该能够通过保持元件、尤其是接片和功能保持接片来执行对永磁体的保护功能。

通过将接片和功能保持接片布置在袋部的气隙侧的侧面上，显著增加了转子的反向场稳定性。所述接片和功能保持接片能够说围绕永磁体的角传导反向场并且由此在故障情况下引起永磁体的明显更均匀的负荷。根据本发明，显著地降低了在永磁体的角处的强烈的场过高。因此例如在定子的绕组系统中的允许的故障电流根据本发明相对于用于转子的永磁体的袋部的容纳部的迄今为止的设计方案增加了约15％。

附加地，通过接片也能够承担永磁体的在容纳部中的定位功能。

在另外的实施方案中，在袋部处的接片或保持元件不总是实施在两侧，而是在转子的轴向长度上观察也能够交替地布置。这也足以用于定位任务，因为例如一个永磁体在二十个金属板的轴向长度上延伸，从而保持元件也能够交替地只在每第五个金属板或袋部上存在。在此，对于保持元件的数量来说决定性的是，通过保持元件的受限制的选择是否进一步在所要求的范围内给出反向场稳定性。

永久激励同步电机的转子具有极，其中，每个极具有仅一个容纳部或多个容纳部。在此，这些容纳部例如能够沿切向方向布置。这些容纳部同样能够以V形布置或双V形布置或U形或W形或屋顶形来构造。

容纳部或者说永磁体的在转子的极中的布置取决于永久激励同步电机的使用程度。通过通量集中，例如这在V形布置或双V形布置或U形布置的情况下可能的那样，能够实现磁场的更高的气隙密度。

每个极，只要其具有多个永磁体，也能够具有不同质量和材料特性的永磁体，以便相应地设计气隙场。

在此，在转子的轴向长度上观察，还能够施加转子或其极的倾斜和/或交错。这还降低了永磁同步马达的齿槽转矩。

作为这种转子在永久激励同步电机中的应用，首先在工业环境中、如在泵、风扇、压缩机、压缩器、辊道、输送设备中设置，他们具有非常长的连续的运行持续时间。同样能够设想将其应用在牵引驱动器、如矿用车辆、电动巴士、有轨电车或火车中。

附图说明

本发明以及本发明的另外的有利的设计方案根据示意性示出的实施例更详细地阐述；在此示出：

图1示出电动机器的原理上的纵向截面，

图2示出电动机器的横截面的细节视图，

图3示出电动机器的横截面的另外的细节视图，

图4至图8示出转子的不同的容纳部的细节视图，

图9至图14示出转子的极的永磁体的布置。

具体实施方式

要注意的是，术语如“轴向”、“径向”、“切向”等涉及在相应的附图中或在相应描述的实例中使用的轴线9。换言之，轴向、径向、切向的方向始终涉及转子10的旋转轴线并且因此涉及定子2的相应的对称轴线。在此，“轴向”描述平行于轴线9的方向，“径向”描述垂直于轴线9的方向，朝向或远离该轴线，并且“切向”是以相对于轴线9的恒定的径向距离并且在恒定的轴向位置的情况下圆形地围绕轴线指向的方向。表述“在环周方向上”应该等同于“切向”。

关于面、例如横截面，术语“轴向”、“径向”、“切向”等描述面的法向矢量的定向，即垂直于相关面的矢量的定向。

术语“相邻”在与构件、例如线圈或定子齿相关联的情况下应当表示，在“相邻构件”的情况下在这两个构件之间尤其不存在另外的这种构件，而是至多存在空的间隙或必要时其他类型的构件。

表述“同轴构件”、例如像转子10和定子2那样的同轴部件在此理解为如下构件，该构件具有相同的法向量，即对于该法向量而言，由同轴构件限定的平面彼此平行。此外，该表述应包含，同轴构件的中心点位于相同的旋转轴线或对称轴线上。然而，这些中心点必要时能够在该轴线上位于不同的轴向位置上并且所述平面相互间具有大于0的间距。该表述不一定要求同轴构件具有相同的半径。

术语“互补”结合彼此“互补”的两个部件表示，这两个部件的外部形状被设计成，使得一个部件优选能够完全地布置在与其互补的部件中，使得所述一个部件的内表面、例如袋部13的纵向侧和另一个部件的外表面、例如永磁体11理想地无缝地或整面地接触。因此，在两个彼此互补的物体的情况下，一个物体的外部形状由另一个物体的外部形状决定。术语“互补”能够用术语“逆”代替。在此，然而原则上不排除在两个互补的形状之间存在至少部分地被空气或粘合剂或浇铸料占据的空间。

为了清楚起见，在附图中部分地在构件多次存在的情况下，通常不是所有示出的构件都设有附图标记。

图1以原理性的纵向截面示出了电动机器1、尤其是永久激励同步电机，其具有定子2和转子10，该转子与轴8抗扭地连接。定子2在叠片组3的未更详细示出的槽中具有绕组系统4，该绕组系统在叠片组3的端侧上构造绕组头5。

在该实施方式中，转子10具有埋入的永磁体11，永磁体被布置在转子10的叠片组的基本轴向延伸的袋部中。在此，不布置在转子10的外表面上的永磁体11被视为埋入的永磁体11。

通过转子10与通过绕组系统4通电的定子2的电磁相互作用，使转子围绕轴线9旋转。在此，转子10通过气隙7与定子2分离。

图2示出电动机器1的横截面的细节视图，其中，定子2的绕组系统4在那里被设置为齿线圈。在该绕组系统4中，每个槽6设置有相邻的齿线圈的两个不同的侧面。本发明还能够应用于定子2的其他绕组系统，例如齿线圈绕组，分布式绕组，如单层全槽绕组、双层全槽绕组(期望的)和普遍的双层分数槽绕组。在此使用的导线形状(圆形和扁平导线绕组以及绞合导线)同样几乎是任意的。

转子10与其永磁体11通过气隙7与定子2分开地布置。在该实施方式中，永磁体11或多或少切向地布置在转子10内部。永磁体11设置为方形的并且位于袋部13中。袋部13是容纳部12的一部分，其中，未被容纳部12内的永磁体11占据的部段优选构造为磁通阻滞物14。

这些磁通阻滞物14具有空气或非磁性材料。在极中或者围绕转子10的袋部13的磁通阻滞物14是必要的，以避免永磁体11在相应的极的区域中的磁短路。

在磁通阻滞物14和袋部之间设有接片15，该接片设置在容纳部12的朝向气隙7的侧面上。通过接片15的根据本发明的布置，能够例如通过绕组系统4中的突然短路大程度避免永磁体11的退磁、尤其在永磁体11的边缘区域中的退磁。

图3以电动机器1的横截面的另外的细节视图示出定子2、绕组系统4，该绕组系统布置在定子2的叠片组3的槽6中。槽6之间的齿17指向气隙7并且引导通过通电的绕组系统4引起的磁场。

在该实施方案中，转子10具有V形布置的永磁体11，这些永磁体形成转子10的极。永磁体11的V形布置具有的优点是，还增加了气隙7中的磁场密度。也称为通量集中。

在此，在容纳部12的朝向气隙7的侧面上在磁通阻滞物14和袋部13之间也布置有接片15，该接片在绕组系统4的突然短路中抵消永磁体11的退磁。

图4示出了容纳部12的细节视图。容纳部12具有布置有永磁体11的区域。这被称为袋部13。永磁体11在此互补地抵靠在袋部13的纵向侧18、19上。换言之，存在金属板和永磁体11的连续接触，必要时设有粘合层。

通常，袋部13比永磁体11设计得稍大，因为必须考虑用于接合和/或公差的空间。这个可能空出的空间随后用粘合剂或浇铸料填充，或者在其他紧固方式、如夹紧或填缝的情况下也能够仅用空气填充。

因此存在外置的纵向侧18和内置的纵向侧19。外置的纵向侧18基本上指向气隙7，内置的纵向侧19指向轴8。永磁体11插入到袋部13中，使得永磁体的北极和南极分别布置在纵向侧上。这意味着，北极位于外置的纵向侧18上并且南极相应地位于内置的纵向侧19上。根据转子10的极是如何构造的，多个袋部13具有在袋部13中的永磁体11的相应布置。

在永磁体11的北极和南极之间的过渡区域基本在容纳部12的纵轴线上延伸。垂直于容纳部12的纵轴线20存在容纳部12的横轴线21，该横轴线基本上对应于永磁体11的磁化方向。

在从袋部13到磁通阻滞物14的过渡区域中，在容纳部12的朝向气隙7的侧面上存在接片15或者支架。除了以下优点，即，这些接片15或支架在绕组系统4的突然短路的情况下抵消可能的退磁现象22，这些接片15或支架也适用于永磁体11的定位和固定。

在沿轴向方向观察转子10具有轴向分层的金属板之后，在另外的实施方案中也能够设想的是，这种接片15和支架仅存在于每第x个金属板上或交替地存在。这种设计方案明确地对于永磁体11的定位并且根据待预期的突然短路电流也相对于退磁现象是足够的。

图5示出了相对于横轴线21对称的容纳部12，其中，在袋部13中布置有多个永磁体11。接片15或者保持元件朝向转子10的外侧或者朝向永久激励同步电机的气隙7。

袋部13的永磁体装置因此能够具有一体式实施的永磁体11或多个永磁体11。

永磁体11在此互补地抵靠在袋部13的纵向侧18、19上。换言之，存在金属板和永磁体11的连续接触，必要时设有粘合层。

通常，袋部13比永磁体11设计得稍大，因为必须考虑用于接合和/或公差的空间。这个可能空出的空间随后用粘合剂或浇铸料填充，或者在其他紧固方式、如夹紧或填缝的情况下也能够仅用空气填充。

图6至图8示出了在相应的容纳部12中的永磁体11的切向布置上的保持元件、特别是接片15和功能保持接片25的另外的实施方案。在此，与图4相反，在图6和图7中，保持元件和磁通阻滞物14相对于横轴线21轴向对称地构造。

图8示出保持元件和磁通阻滞物14，其关于横轴线21和纵轴线20轴向对称地构造。

转子10的极在环周方向上观察关于其磁化方向交替地布置。

图9至图14示出用于容纳永磁体11的容纳部12的不同布置，以构造转子10的极23。在此，待实现的气隙密度尤其起到重要作用。在此，为了清楚起见，在容纳部12中省去了保持元件，如接片15或功能保持接片25和磁通阻滞物14。然而，在此能够任意地使用前面的实施例中的磁通阻滞物14和保持元件的设计方案。

因此，每个极23的单个永磁体11的质量以及保持元件的构造和磁通阻滞物14的构造几乎能够任意组合。决定性的是，保持元件在袋部13和磁通阻滞物14之间的区域中在容纳部12的朝向转子10的外直径的一侧上设有用于增加反向场稳定性的机构。

原则上，在极23的容纳部12之间存在金属板接片50。这些金属板接片50在相邻的容纳部12的磁通阻滞物14之间延伸。这些金属板接片50和其相邻的磁通阻滞物14在附图中出于清楚原因仅在原理上示出。这例如在图3和图9至图14的实施方案中示出。这些金属板接片50相对窄地实施并且能够在电动机器1的运行中进入磁饱和。

本发明所基于的思想同样能够被转用到具有外转子的永久激励同步电机上，如其例如在直接驱动的风力发电设备的发电机中所使用的那样。

这种转子10主要应用在永久激励同步电机中，该永久激励同步电机在工业领域中运行。在此，永久激励同步电机被设置为泵、风扇、压实机、压缩机、辊道、输送设备的驱动器，该驱动器具有非常长的连续的运行持续时间。这种同步电机也能够在牵引驱动器、例如矿用车辆、电动巴士、有轨电车或火车中使用，以便通过增加反向场稳定性来确保更可靠的运行。

Claims (7)

1.一种永久激励旋转同步电机(1)的转子(10)，所述转子具有埋入的永磁体(11)，所述永磁体布置在能导磁的主体的、尤其所述转子(10)的轴向分层的叠片组的基本轴向延伸的容纳部(12)中，其中，每个所述容纳部(12)具有用于容纳一个或多个所述永磁体(11)的袋部(13)，其中，在所述袋部(13)的相对的端部处在所述容纳部(12)的纵轴线(20)上存在磁通阻滞物(14)，其中，在所述袋部(13)和所述磁通阻滞物(14)之间的区域中，在所述容纳部(12)的朝向所述转子(10)的外直径的一侧上设有用于增加反向场稳定性的机构，其中，用于增加反向场稳定性的所述机构作为保持元件布置在所述袋部(13)的端部上并且有助于所述永磁体(11)在所述袋部(13)中的定位，其中，所述保持元件设置为接片(15)或功能保持接片(25)，并且至少在局部形成用于容纳所述永磁体(11)的所述袋部(13)，其中，所述接片(15)和所述功能保持接片(25)设置用于，使得所述接片和所述功能保持接片尤其在故障情况下、例如在突然短路的情况下继续执行用于所述永磁体(11)的保护功能，其中，所述转子(10)的极(23)的所述容纳部(12)尤其布置成V形或者双V形或者U形，并且在所述极(23)的各个所述容纳部(12)之间存在金属板接片(50)。

2.根据权利要求1所述的永久激励旋转同步电机(1)的转子(10)，其特征在于，用于增加反向场稳定性的所述机构、尤其所述保持元件在所述转子(10)的轴向方向上交替地布置在所述转子(10)的金属板的所述袋部(13)上。

3.根据前述权利要求中任一项所述的永久激励旋转同步电机(1)的转子(10)，其特征在于，所述磁通阻滞物(14)基本作为所述容纳部(12)的纵轴线(20)的延长部布置在相应的所述袋部(13)的端部处并且垂直于所述永磁体(11)的磁化方向。

4.根据前述权利要求中任一项所述的永久激励旋转同步电机(1)的转子(10)，其特征在于，所述接片(15)的径向的或者近似径向的延伸部最大达到在所述袋部(13)中相邻的所述永磁体(11)的磁厚度的一半，尤其设有至少1mm的径向的或者近似径向的延伸部。

5.根据前述权利要求中任一项所述的永久激励旋转同步电机(1)的转子(10)，其特征在于，每个所述极和/或所述容纳部(12)配备有至少一个所述永磁体(11)。

6.一种永久激励同步电机(1)，具有定子(2)和通过气隙(7)与所述定子间隔开的、具有埋入的永磁体(11)的转子(10)，所述永磁体布置在能导磁的主体的、尤其是所述转子(10)的轴向分层的叠片组的基本轴向延伸的容纳部(12)中，其中，每个所述容纳部(12)具有用于容纳一个或多个所述永磁体(11)的袋部(13)，其中，在所述袋部(13)的相对的端部处在所述容纳部(12)的纵轴线(20)上存在磁通阻滞物(14)，其中，在所述袋部(13)和所述磁通阻滞物(14)之间的区域中，在所述容纳部(12)的朝向所述转子(10)的外直径的一侧上设有用于增加反向场稳定性的机构，以便尤其抵消所述袋部(13)中的所述永磁体(11)的至少在局部不能逆反的退磁的、所述永久激励同步电机的突然短路。

7.一种输送设备、压缩机、压实机或牵引驱动器，具有至少一个根据权利要求6所述的永久激励同步电机(1)。