CN1359555A - 轴流式电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轴流式电机,包括设置在机轴(2)上的无铁心盘形转子(1)和两个与转子(1)并列设置的定子(3、4)。转子(1)包括嵌在纤维或织物增强的塑料(12)上的永磁铁(11)。每个永磁铁(11)通过牢固的配合与周围的塑料(12)连接。塑料(12)与永磁铁(11)和机轴(2)共同构成一抗变形的单元。

Description

轴流式电机
技术领域
本发明涉及一种权利要求1前序部分所述的轴流式电机。
背景技术
轴流式电机系指具有转子和定子的电动机或发电机，其中转子和定子间的磁通与转子的旋转轴平行。已知也有被称作无刷直流电机、永久磁铁励磁的同步电动机或盘形转子电动机等轴流式电机。
例如在DE-U-29816561中公开了一种高效无刷直流电动机，该电机具有围绕轴设置的无铁心的带有永磁铁的转子。这种直流电动机中在盘形转子两侧平行于转子并围绕轴分别设置有作为定子的电磁铁单元。转子具有成环形围绕轴设置的永磁铁，所述永磁铁嵌在塑料上并且其磁化方向与轴平行。每两个相邻的永磁铁具有相反的磁化方向。一个定子具有第一电磁区段并且另一个定子具有第二电磁区段，电磁区段的数量与永磁铁的数量相符，其中两个相邻的第一电磁区段与两个相邻的第二电磁区段分别具有相反的交替变化的磁化方向。第一和第二电磁区段相互错位并具有90°的相位差。
基于这种直流电动机的特性，其缺点在于转子相对不太稳定并因而仅适用于慢速旋转。
US-A-5 691 087中公开了一种轴流式电机，包括至少两个无铁心的盘形转子，所述转子具有较小的条形永磁铁，所述条形永磁铁嵌在纤维或织物增强的塑料上。多个相邻的磁化方向相同的永磁铁分别构成一组，该组形成一个磁极。由于替代多个较大的永磁铁在塑料上设置有多个较小的永磁铁，因而减少了有效磁铁面积并随之也降低了磁通，对此要采用至少两个转子加以补偿。另外，将多个永磁铁锚固在塑料上将会带来加工和强度的问题。
发明内容
出于对迄今已知的轴流式电动机和发电机的缺点的考虑，本发明的目的在于提出一种轴流式电机，该轴流式电机的转子的质量和惯性尽可能地小，但稳定并适于高速旋转。
该目的通过权利要求1所述的本发明的轴流式电机得以实现。权利要求10涉及一种本发明的用于制作这种轴流式电机转子的方法。在从属权利要求中对优选实施方式做了描述。
本发明的实质是，在轴流式电机中具有一设置在电机轴上的无铁心盘形转子，所述转子具有永磁铁，所述永磁铁嵌在纤维或织物增强的塑料上，永磁铁与周围的纤维或织物增强的塑料通过牢固的配合(positivefit)连接并且塑料与永磁铁和机轴共同构成一抗变形的单元。在定子两侧分别设置有一个定子。
其中所述转子设置在机轴上并具有嵌入纤维或织物增强塑料内的永磁铁，每个永磁铁都通过牢固的配合与周围的纤维或织物增强塑料相连接，并且后者与永磁铁和机轴一起构成抗变形的单元。在转子两侧附近设置有定子。
由于塑料经过纤维或织物增强，因而转子具有很高的刚性。此点永磁铁通过牢固的配合与周围的纤维或织物增强的塑料连接并且塑料与永磁铁和机轴共同构成一抗变形的单元，得到进一步的加强。后者是通过将永磁铁、机轴的相应的设置和通过纤维或织物增强的塑料浇铸实现的。通过采用本发明的转子设计可使刚性的永磁铁同时起着增强件的作用，其中通过牢固的配合与环围的塑料的连接可以保证永磁铁不致脱落。
宜将多个永磁铁成环形围绕轴设置并且塑料，尤其是一种热固性塑料在永磁铁之间的总伸展至少占圆的10％，优选占15％-20％。采取此种对永磁铁的设置和嵌入方式可以最佳地实现转子的强度和效率。
附图说明
下面将对照附图并结合一实施例对本发明的轴流式电机加以详细的说明。图中示出：
图1为本发明轴流式电机的侧视图；
图2为沿图1中E-E向轴流式电机的局部剖视图；
图3为带有机轴和用于确定转子磁极位置的装置的轴流式电机转子的侧视图；
图4为沿图3中A-A向的包含有机轴的转子的局部剖视图；
图5为图4中示出的转子的局部放大详图；
图6为永磁铁扇段的俯视图；
图7为图6中C-C向的永磁铁扇段的剖视图；
图8示出具有用于通过牢固的配合与周围塑料连接的第一特殊外形的永磁铁；
图9示出具有用于通过牢固的配合与周围塑料连接的第二特殊外形的永磁铁；
图10为定子的侧视图；和
图11为图10中D-D向定子的剖视图。
具体实施方式图1和图2
图中示出的本发明的轴流式电机包括盘形转子1，该转子与机轴2固定连接并具有永磁铁11，所述永磁铁嵌在纤维增强的塑料，例如热固性塑料上。在转子1的两侧并且分别平行于转子设置有环形定子3和4，它们分别固定在轴承盖6上。每个定子3和4在它们面向转子1侧分别具有带有槽32和42的环形磁轭31和41，多相绕组33和43嵌入所述槽内，所述绕组分别具有绕组外端部331和431。轴承盖6宜由铝制成并具有加强和冷却肋63，从而可以将生成的热量顺畅地导出。轴承盖6上的间隙64旨在降低重量。备有用于安装轴承盖6的螺栓孔61，同时螺纹孔62用于将它们固定在图中未示出的机器部件，例如传动机构上。轴承盖6和环形壳体部分8共同构成转子1和定子3和4的机壳。机轴2通过滚珠轴承可旋转地枢设在轴承盖6上。
两个定子3和4在圆周向上相互电气错位180°，从而使在转子1圆周向上产生的相应磁通相互反向并因此实际上绝大部分被抵消掉。所以可以省去转子1上的铁心。
下述规定对整个进一步的说明有效。如果在一个附图中出于图示明确的考虑包含有附图标记，但该附图标记在与此附图直接相关的说明并中未提及，或相反，则对该附图标记的有关说明，请参见前面的附图说明。图3至图5
根据本发明，转子1和机轴2构成一抗变形的单元。无铁心盘形转子1具有八个永磁铁11，所述永磁铁成环形围绕机轴2设置并嵌在纤维增强的塑料12上，纤维增强的塑料12在永磁铁之间的总伸展至少占圆的10％，优选占15％-20％，即形成均匀的隔板。在机械强度很高的永磁铁11之间具有纤维充分增强的塑料12，因而转子1非常坚固，并且在加工经济性最佳的情况下可制成其惯性矩最小的转子1。
而且机轴2的中间段嵌在纤维增强的塑料12上，其中有两个法兰21和22用于实现转子1与机轴2之间的固定连接。
为对离心力进行吸收，在转子1的外圆上设置有增强箍13，该增强箍包含有经预浸渍处理的纤维材料，纤维材料优选包括玻璃纤维，碳纤维或凯夫拉尔(Kevlar)纤维，该增强箍基本以圆周向为准进行定向。如图5所示，增强箍13宽于永磁铁11和纤维增强的塑料12。出于增强的考虑，纤维增强的塑料12和永磁铁11宜为从里向外变厚的设计结构。
磁条14围绕增强箍13粘接在外面，形成磁极的径向磁化序列，磁条分别对应于嵌在纤维增强的塑料上的永磁铁11设置，但其中对100％的圆周进行覆盖。该磁条14实现了利用三个周边的位置固定的霍尔探头5即可确定转子1的磁极位置。三个霍尔探头5在圆周方向上彼此间隔30°并且例如设置在印刷电路上，所述印刷电路固定在机壳部分8上。利用测定的磁极位置可最佳地实现对定子3和4的多相绕组33和34的点火角的调整。
永磁铁11优选由具有大约270N/mm2的抗弯强度和150KN/mm2的杨氏模数的烧结磁性材料例如NdFeB构成。例如纤维增强的塑料12是具有玻璃纤维增强物的环氧树脂或酰亚胺树脂。所实现的机械强度值在37号钢范围内。环氧树脂的耐热性大约为200℃，而酰亚胺树脂的耐热性大约为250℃。为了实现较好的热膨胀性和热传导性，在树脂中可以添加入矿物质。
制作转子1时，将机轴2和永磁铁11设置在模具内，接着将预热的纤维增强的塑料在压力下注入同时被加热的模具内。视应用的树脂的不同，对纤维增强的塑料在至少200℃或250℃的温度下和500-1500巴的压力下进行浇铸。其中实现塑化成形，该塑化成形将保证对模具的充分充填和与永磁铁11和机轴2通过牢固的配合连接。图6和图7
在本实施例中，永磁铁在圆周方向上分别包括三个彼此相邻的独立的磁铁扇形段111。从而可以减少涡流损耗。对磁铁扇形段111优选利用金属粘结剂连接，但也可以仅被纤维增强的塑料12结合在一起。图8和图9
由于在转速很高并且转子1和定子3、4之间的空隙较小的情况下转子1必须具有高的固有强度，所以永磁铁11分别通过牢固的配合与周围的纤维增强的塑料12连接。图8和图9示出两种磁铁外形方案，所述方案适用于对出现的剪力进行吸收。
在图中所示的转子1中可以省去在两侧设置用于对永磁铁11进行固定的磁导片，或省去另外一种形式的夹层结构，因此可以将惯性矩、磁性材料量和表面损失保持在很低的程度并能避免相邻永磁铁11之间的不希望出现的漏磁路径。图10和图11
下面以定子3为例对两个定子3和4的结构加以说明。定子3包括环形磁轭31，在磁轭上设置有大致径向由内向外延伸的槽32。磁轭31由多层高级硅钢片311构成，所述硅钢片在对槽进行剪冲时被滚压成片叠并接着通过焊点连接在一起。槽32在磁轭31的外部相对较宽，但面向转子1侧的开口321较窄。
如图2所示，多相绕组33，例如三相绕组被嵌入槽32内。通过将多相绕组33设置在槽32内使定子3靠近转子1的永磁铁11，即具有一个非常小的空隙，因而将具有很高的磁通并因此可实现非常大的功率密度。
由于槽32在圆周向上并以转子1的永磁铁11为基准的错位，因此将最大限度地减少闭锁力矩和噪声。
就上述轴流式电机而言，还有其它的设计实施方案。这些方案是：
—不必非得利用磁条14和霍尔探头5确定转子1磁极的位置。而且还可以联想到采用对在转子1周边明和暗区段的光学扫描的方式。
—替代槽32和嵌入槽内的多相绕组33的错位，也可以对永磁铁11进行错位设置。
—替代纤维增强的塑料12，也可以采用织物对转子1的塑料12进行增强。

Claims (11)

1、一种轴流式电机，具有一设置在电机轴(2)上的无铁心盘形转子(1)，所述转子具有永磁铁(11)，所述永磁铁嵌在纤维或织物增强的塑料(12)上，和分别设置在转子(1)两侧的定子(3、4)，其特征在于，永磁铁(11)通过牢固的配合与周围的纤维或织物增强的塑料(12)连接，并且塑料与永磁铁(11)和机轴(2)共同构成一抗变形的单元。
2、按照权利要求1所述的轴流式电机，其特征在于，多个永磁铁(11)成围绕机轴(2)环形设置并且纤维或织物增强的塑料(12)，尤其是一种热固性塑料在永磁铁(11)之间的总伸展至少占圆的10％，优选占15％-20％。
3、按照权利要求1或2所述的轴流式电机，其特征在于，转子(1)在外圆上或者在外圆附近具有增强箍(13)，该增强箍由经过预浸渍处理的纤维材料构成，所述纤维材料优选包括玻璃纤维、碳纤维或凯夫拉尔纤维，为实现转子(1)的增强，转子优选为由内向外增厚的设计结构。
4、按照权利要求1至3中任一项所述的轴流式电机，其特征在于，轴流式电机具有用于确定转子(1)磁极位置的装置，优选在转子(1)的外圆上设置有磁条(14)，磁条构成磁极的径向磁化序列，所述磁极分别与嵌在纤维增强的塑料(12)上的永磁铁(11)相应进行设置，并包括与磁铁配合的位置固定的霍尔探头(5)。
5、按照权利要求1至4中任一项所述的轴流式电机，其特征在于，纤维或织物增强的塑料(12)包括具有玻璃纤维增强的环氧树脂或酰亚胺树脂，为了具有较好的热膨胀性和热传导性优选还包括有矿物质。
6、按照权利要求1至5中任一项所述的轴流式电机，其特征在于，永磁铁(11)在圆周方向上分别包括至少两个彼此相邻的独立的磁铁扇形段(111)，优选采用金属粘接剂对所述磁铁扇形段进行连接。
7、按照权利要求1至6中任一项所述的轴流式电机，其特征在于，定子(3、4)分别包括一环形磁轭(31、41)，在磁轭上设置有大致径向由内向外延伸的槽(32、42)，多相绕组(33、43)被嵌入槽内。
8、按照权利要求1至7中任一项所述的轴流式电机，其特征在于，永磁铁(11)或槽(32、42)在圆周向上交错设置。
9、按照权利要求1至8中任一项所述的轴流式电机，其特征在于，两个定子(3，4)在圆周方上相互电气错位180°，从而使在转子(1)圆周向上的相应磁通相互反向，因此实际上至少绝对大部分被抵消掉。
10、按照权利要求1至9中任一项所述的流电轴流机，其特征在于，将机轴(2)和永磁铁(11)设置在模具内，并且随后将经预加热的纤维或织物增强的塑料在加压的情况下注入被加热的模具内。
11、按照权利要求1至10中任一项所述的轴流式电机，其特征在于，在至少200℃的温度和500至1500巴的压力下对纤维或织物增强的塑料进行浇铸。
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