CN1198852A - 电动机的永磁转子 - Google Patents

Abstract

电动机用装永久磁铁的转子具有多个设在转子铁芯圆周表面周围并互相等距间隔开的磁铁,和一个将磁铁固定在转子铁芯上的外盖,每一磁铁均通过相应的支承装置被安置在铁芯上,这些支承装置被限制不能相对于每一所说磁铁而移动,并被这样定位,按照相互平行并和转子轴线平行的直线布置,与磁铁的纵长对称平面对称,并以一个比磁铁端侧边间距离小的距离相互间隔开,为的是要在转子的不同的温度条件下尽量缩小转子铁芯和外盖的反作用力施加在每一磁铁上的区域间的距离。

Description

电动机的永磁转子

本发明涉及电动机的一种装永久磁铁的转子结构，特别是那些在冷冻设备的气密压缩机中用的电动机。

装永久磁铁的转子具有一个实心或卷制的圆筒形铁芯，在其周围设有多个通常由铁酸锶或铁酸钡或钐钴构成的磁极，磁极的形式一般为弧形板，其内表面的轮廓与它所要安装上去的转子的外周轮廓一致。

在运转时，转子和磁铁受到离心力、力矩和热源产生的应力，所有这些都具有很高的强度。由于这些力，在确定电动机的效率时将磁铁保持在转子上便至关重要。本行业已知有各种不同的方法和技术可将磁铁保持在转子上，例如在美国专利5,175,461(授予Ziegler)中所揭示的便是。在常用的将磁铁保持在转子上的技术中，已知有下面这些：将所说磁铁胶粘在转子的外表面上；用一外盖包在磁铁周围将它压紧在转子铁芯上，其时采用或不采用胶粘剂将磁铁预先固定在铁芯上；及将磁铁禁闭在一个结构例如装在铁芯周围的笼子内，而磁铁被设置在所说结构的预定位置内。

除了将磁铁禁闭的技术，上述其他技术都不能在电动机的使用寿命内保证高度的可靠性并保持已确定的功效不变。按照这些技术构造的转子可能发生的主要失效为：由于出现裂纹、碎屑等而导致的磁极退化；用来将所说磁铁固定在铁芯上的胶粘剂退化，以致丧失其性能甚至其功能，胶粘剂还会产生残渣；包围磁铁的外盖的退化，发生永久变形并丧失其功能，当它具有预拉紧的功能时还会破坏在转子和定子之间的空气间隙。采用由薄材料通常为铁、钢、黄铜、铜、铝等制成的盖还会出现电损耗的问题，该损耗在某些用途上可能很高。另外，由于装转子设备的运转方式，所说外盖在受到长期而连续的温度和转动的变化时可能会发生不可逆转的变形。

虽然磁铁可支承较高的压力，但它们对拉力和冲击是脆弱的。现有技术的解决办法是将磁铁集结在铁芯上使它们能同时承受压力和拉力，这样由转矩和加速度造成的剪切力也可以较不显著的形式发生。

在影响磁铁和外盖的众多应力中，热源产生的应力常比其他应力显著得多，在装有磁铁的电动机运转时其他应力被所说元件支承着，而热应力取决于将磁铁保持在转子上的方式及电动机所受到的温度变化。

热应力的来源在于制造磁铁的材料及制造铁芯外盖和胶粘剂的材料的热膨胀系数各不相同，热膨胀系数的差异意味着在这些所说元件之间有发生相对位移的倾向，这样就会损害磁铁实际上的整体性，主要是当磁铁用胶粘法固定在铁芯上或用外盖将磁铁压紧在铁芯上时。

除了在构成上述这些元件的材料之间存在的热膨胀系数的差异外，磁铁由于其构造形式和磁性取向，也会有不同的热膨胀系数，这个热膨胀系数随着磁铁在径向、横向和纵长方向的尺寸而变。

虽然采用将磁铁禁闭的方案可解决采用胶粘和外盖所带来的上述问题，但采用禁闭也有其他不便之处，如高费用和电动机效率的降低，这是因为低损耗的材料在结构上是脆弱的或需要高费用的，需要有大的设计尺寸和大的空气间隙。

由于上面所说的这些不便，因此并不推荐将上面所说已知的现有技术的解决方案用于那些要求低费用产生的残渣少而高度可靠的设备如冷冻系统用的气密压缩机内。

这样，本发明的一般目的是要提供一种电动机用的装永久磁铁的转子，该转子能够维持将磁铁固定在转子上，并不显著增加转子定子间的空气间隙，也不使这些磁铁受到可损害其整体性的应力。

本发明的一个比较具体的目的是要提供一种磁铁的构造，该构造当用包围的外盖将磁铁固定在转子上时不会出现现有技术的缺点。

本发明的另一目的是要提供一种电动机转子用的磁铁构造，该构造可使应力在包围的外盖上的作用减小，从而减少其变形。

这些和其他一些目的都可用电动机的装永久磁铁的转子来达到，该转子具有一个转子铁芯，多个设在铁芯圆周表面周围且等距分布的磁铁；一个将磁铁固定在转子铁芯上的外盖，每一磁铁都通过相应的装置安牢在铁芯上，该装置受到限制不让它相对于每一所说磁铁而移动，并且这些装置这样被定位，除了互相平行并和转子的轴线平行，相对于磁铁的一个纵长对称平面而对称以外，并且用一比磁铁端头侧边间距离小的距离互相间隔开，以便尽可能使在转子的不同温度的条件下转子铁芯和外盖的反作用力施加在每一磁铁的区域和区域之间的距离缩小。

下面本发明将结合附图进行说明，其中：

图1、1a和1b概略地以横剖面图示出按照现有技术在三种不同的温度条件下安装在转子上的磁铁；

图2、2a和2b概略地以横剖面图示出按照本发明的上述图1、1a和1b中在三种不同的温度条件下安装在转子上的磁铁；

图3以横剖面概略地示出设有磁铁的转子，磁铁系按本发明的第一实施例构造；

图4以横剖面概略地示出按照本发明第二实施例的设有磁铁和外盖的转子；

图5以横剖面概略地示出按照本发明第三实施例的设有磁铁和外盖的转子；及

图6、6a、6b和6c示出按照本发明的支承装置和间隔元件的其他构造形式。

图1示出的转子组件具有一个圆筒形的铁芯1，在其圆周表面周围载有多个按照现有技术构造的磁铁。在该构造中，每一磁铁2有一与铁芯1接触的内表面3、一个外表面4和两个端表面5，内表面3和外表面4为同心的弧形，其圆心在温度为T1的条件下与转子铁芯1圆周表面的圆心重合。在这个温度条件下，按照现有技术构造的磁铁2完全安置在转子铁芯1的圆周表面上，每一磁铁2的内半径都与转子铁芯1的半径重合。

操作温度的改变使磁铁和转子铁芯组件受到变形应力，因此改变上述完全安置的条件而导致磁铁和铁芯不偶合的状态。当受到不同于T1的温度T2时，将会有不同的热效应作用在所说组件的每一元件上，因为构成这些元件的材料的热膨胀系数不同。在新的温度T2下(图1a所示状态)，每一磁铁2都会变形以致造成一个确定的、与转子铁芯1不偶合的程度，所说不偶合是由于每一磁铁2的内、外半径相对于转子铁芯半径的变化而形成的。温度条件T2导致磁铁2的内、外半径相对于转子铁芯1的半径而减小，形成磁铁2的“收缩”状态。由于这个收缩，各个磁铁2就不能与转子1偶合，磁铁的支承在所说铁芯上就只能依靠其内表面的端侧区与所说铁芯的圆周表面的接触，由此在所说铁芯的纵长方向形成两条互相平行同时平行于转子轴线的支承线。在这不偶合的条件下，各个磁铁2的内表面3的所说两端的侧边区就在转子铁芯的圆周表面上移动而互相靠拢，而在磁铁2两端之间的中间部6离开转子铁芯1的相邻的圆周表面部达到最大的间隔，而该表面部是在温度条件为T1时磁铁所曾接触过的。这个不偶合条件可被称为“稳定”的不偶合条件，这是因为，在横剖面上，磁铁2有两个点被支承在转子铁芯1上。

在这温度为T2的条件下，各个磁铁2与转子1的接触区是由各个磁铁2的内表面3的两端侧边与铁芯的接触形成的，在这个温度条件下，所说两端侧边相互间隔开的距离比在温度条件为T1时小，所说距离是在一个与转子铁芯1的几何轴线成横向的平面上量出的。采用这种构造，各个磁铁2在磁铁和铁芯的两个接触区之间的内表面部在温度条件为T2时的半径比转子铁芯1的半径小。虽然在所说温度为T2的条件下可达到稳定的平衡，但磁铁2受到高应力，当磁铁2用胶粘固定在转子铁芯1上时这个应力还要被提高。另外，当设有外周包围的盖以便将磁铁2保持在转子铁芯1上时，各个磁铁2的中间部6的膨胀会产生压力作用在所说外盖的相邻部上，该外盖会变形力图解除这个区域内存在的应力。这个应力解除意味着形成空气间隙，当所说转子运转时，由于旋转运动所产生的离心力的作用，所说空气间隙允许磁铁从转子上间隔开，这样便会影响到组件的效率。

各个磁铁2上所存在的应力是由作用在其上两端的力造成的，在所涉及的力施加的地方，接触点之间会出现大的间隔。作用在磁铁2上的径向力是由转子铁芯1在磁铁和转子的接触区即磁铁2的端侧区上的反作用力以及外盖在所说磁铁2的中间部上的反作用力构成的。

当磁铁和铁芯组件受到另一种不同于T1而与T2相反的温度条件T3时，作用在所说组件的各个元件上的热效应会将所说磁铁2导向另一种变形状态，从而形成另一种与在温度条件为T2时不同的另一种与转子铁芯1不偶合的状态，虽然这种不偶合也是由于各个磁铁2的内、外半径相对于转子铁芯1的半径而起的变化造成的。温度条件T3能导致磁铁2的“膨胀”状态，其内、外半径均相对于转子铁芯1的半径而增大。由于这个膨胀，各个磁铁2被引导到一种与转子铁芯1偶合的状态，其时磁铁2在所说铁芯1上的支承只是由于所说磁铁2的内表面的所说中间区与转子铁芯1的圆周表面的接触而得到的，从而沿着转子铁芯1的纵长延伸部，形成一条与转子轴线平行的独一的中央接触区。在这种偶合条件下，各个磁铁2的内表面的两端侧边区被引导得从转子铁芯1的圆周表面上移开，从而使它们相互间隔开，并使间隔开的距离与在温度条件T1或在温度条件T2时相比为最大。在温度条件T3时偶合并不稳定，因为在横剖面上，偶合只是在一个中央接触区与转子铁芯1的圆周表面之间发生。这个不稳定损害了组件的安装和稳定性，还给组件带来比在温度条件T2下还要高的应力，不管选用任何一种将磁铁固定在铁芯上的方法，如用胶粘及/或设置外盖。在这温度条件T3下，在每两个相邻磁铁的端侧区之间还会发生相互磨损的接触。

按照现有技术的磁铁构造，作用在各该所说磁铁上两端的力各有其施力集中区，而这两施力集中区是随着所说磁铁所受温度的变化而在收缩状态和在膨胀状态之间变化的。在收缩状态，这两个区域互相靠近，而在膨胀状态，所说两个区域互相分离。在所说条件中的第一条件(条件T2)下，最重要的反作用力来自包围在周围的外盖对所说中间区的反作用力，这是对要将所说盖从转子铁芯上除去的离心作用所引起的反响。其时转子铁芯以与上述反作用力相反的方向将压力施加在各个磁铁2的端侧边上。在上述条件中的另一条件(条件T3)下，外盖对各个磁铁的反作用力作用在所说磁铁的端侧边上，以便使它们返回到与转子铁芯1接触而转子铁芯1则以反作用力顶住各个磁铁2的中间区作用在所说转子铁芯1上的压力。

除了与两端有关的应力，如在电动机运转时由于离心力的作用而造成的拉伸/压缩现象以外，还要加上由于存在着的转矩和加速度的旋转力所造成的剪应力，而这是上面的论述中没有考虑到的。将这些应力综合起来结果就会使磁铁2劈开和破裂及/或使将所说磁铁保持在铁芯上的外围外盖变形或破裂。

虽然上述这些情况是在所涉及材料的热膨胀系数和磁性取向的一定条件下论述的，但所得结果对其他未提到的条件也同样适用。

图2至5示出按照本发明的各种不同的转子构造形式，这些形式可缩小现有技术的构造所存在的问题。

按照图2、2a和2b，上述应力便可被减小，办法是在转子铁芯10和磁铁20之间设置铁芯和磁铁的支承装置，与转子铁芯10的圆周表面形成两条直线的接触线，所说直线占有各个磁铁20的整个轴向长度，互相平行并与转子的轴线平行，而且还分别相对于磁铁的对称平面X而对称地设置。

按照本发明，在每一个磁铁20和转子铁芯10之间的早先确定的区域内设置支承装置可以确定转子在受到热变化以后两端力的作用区，并且力的作用臂比现有技术小，力的最大值被平衡并被减小到安全的技术限度内。

在实施本发明的方法中，如图2、2a、2b和3所示，支承装置设在每一磁铁20的内表面21上，形式为径向突部30，该径向突部最好为连续的并且相互间隔开的距离D1小于磁铁20端侧边22间的距离，所说距离都是在与转子轴线成横向的平面上量取的。

在突部30的外侧，每一磁铁20的内表面21有一倒成斜角的最好为弧形轮廓的端头，该端头可防止所说区域在温度条件T2下与转子的圆周表面接触。

当处在温度条件T2下时，每一磁铁20趋向成为“收缩”状态，始同在现有技术中论述的那样，沿轴向延伸的突部30互相靠拢，它们之间的距离D1被减小，因此每一磁铁20在所说突部30之间的内表面的半径也被减小。由于这个靠拢，每一磁铁20的端侧边22也与转子铁芯10的相邻的圆周表面部靠拢，同时在磁铁20所说部和中间部23之间的距离被增大。采用磁铁20的这种构造形式，在温度T1和T2之间平衡条件并没有变化，这意味着转子铁芯10对磁铁20的反作用力条件基本上保持不变。

每一沿轴向延伸的突部30相对于各该磁铁20的端侧边21和对称平面X的定位被计算出来，使由于转子铁芯10和外围外盖40的反作用力作用在每一磁铁20上所产生的两端力作用在比现有技术小的距离内，从而减小在所说磁铁上产生的应力。

在“膨胀”条件下，即当磁铁和铁芯组件处在温度T3下时，沿轴向延伸的突部30可达到最大的间距，所说突部30间的间距和每一磁铁20在所说突部30间内表面的半径均被增大。每一磁铁20的端侧边离开转子铁芯10的相邻的圆周表面部达到最大的径向距离。

在实施本发明的另一种方法中，磁铁和铁芯支承装置是由成对的轴向间隔元件50形成的，这些元件最好是纵长而连续的，设在每一磁铁20和转子铁芯10表面之间，其从每一所说磁铁20的端侧边间隔开的距离如同上面在求解轴向突部30时所计算的那样。在电动机运转时，为了防止磁铁相对于支承装置而移动，预先将每一对所说轴向间隔元件50适当地固定好，例如用胶粘结在各该磁铁20上，然后用设置外围外盖40的方法将它们保持在铁芯10上。间隔元件50可有选择地固定在铁芯10上。在一种构造的变型中有将部分间隔元件50固定在铁芯10上而将部分间隔元件50固定在磁铁20上的。在另一种解决方案中，如图5所示，间隔元件被装在转子铁芯10的圆周表面上，形式为在轴向上延伸的突部60，该突部最好为连续而纵长的，如同在磁铁20的内表面21上所设的轴向突部30那样。

在任何一种设有间隔元件30、50、60的解决方案中，磁铁和转子铁芯组件可接纳装入到或不装入到所说间隔元件上或转子铁芯10的表面上的侧边间隔元件70，该元件设在每两个磁铁20之间，以便在电动机运转时防止磁铁间的摩擦接触。

为了减小外围外盖40上的应力，每一磁铁20在其侧边22的外表面上还倒出斜角使当所说磁铁20处在膨胀条件下时，作用在外围外盖40上的应力得以减小。另外，虽然没有用图示出，但在所述概念内，间隔装置也可有其他构造形式，例如装在磁铁和转子铁芯之间的环形圆筒元件，或纵长的间隔元件但不连续而是交替设在每一磁铁的内表面上和转子铁芯的圆周表面上，等等。

在确定支承元件以及侧边间隔元件的形状时要考虑到与所说元件有关的各项特性如磁铁的锚固和被剪切、相关的电损耗和制造过程(困难程度、费用等)，然后综合起来选择最优的方案。在各种可能的形状中，那些在图6、6a-6c中示出的形状是对所考虑因素的较好答案，能得出最佳效果的构造是那些具有方形轮廓而角部倒斜或倒圆的形状(图6、6a)或那些具有较窄底的形状(图6b和c)。

Claims (9)

1.电动机用装永久磁铁的转子，具有一个转子铁芯(1、10)，多个设在铁芯圆周表面周围并互相等距间隔开的磁铁(2、20)，和一个将磁铁固定在转子铁芯上的外盖(40)，其特征在于，每一磁铁(20)均通过相应的支承装置(30、50、60)被安置在铁芯(10)上，这些支承装置被限制不能相对于每一所说磁铁(20)而移动，并且被这样定位，按照相互平行并和转子轴线平行的直线布置，与磁铁(20)的纵长对称平面(X)对称，并以一个比磁铁(20)端侧边(21)间距离小的距离相互间隔开，为的是要在转子的不同的温度条件下尽量缩小转子铁芯(10)和外盖(40)的反作用力施加在每一磁铁(20)上的区域间的距离。

2.按照权利要求1的转子，其特征在于，支承装置(30、50、60)被装在由每一磁铁(20)和转子铁芯(10)所形成的至少一个部分上。

3.按照权利要求2的转子，其特征在于，支承装置(30、50、60)被形成为连续而沿磁铁(20)的整个轴向长度纵长延伸的元件。

4.按照权利要求3的转子，其特征在于，支承装置是由装在每一磁铁(20)的内表面(21)上并与转子铁芯(10)的圆周表面邻接的轴向突部(30)形成的。

5.按照权利要求3的转子，其特征在于，支承装置是由装在转子铁芯(10)圆周表面上的纵长突部(60)形成的。

6.按照权利要求1的转子，其特征在于，支承装置是由轴向间隔元件(50)形成的，该间隔元件被保持在由每一磁铁(20)的内表面(22)和转子铁芯的外表面所形成的至少一个部分上。

7.按照权利要求1的转子，其特征在于，磁铁(20)端侧边(21)的外表面上被倒成斜角。

8.按照权利要求1的转子，其特征在于，所说转子包括在将磁铁安装到转子铁芯(10)的圆周表面上时在每两相邻磁铁(20)之间设置的多个侧边间隔元件(70)。

9.按照权利要求8的转子，其特征在于，侧边间隔元件(70)被装在转子铁芯(10)的圆周表面上。

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