CN210111718U - 具有不对称磁桥的电机转子和包括该电机转子的电机 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种具有不对称磁桥的电机转子及包括这种转子的电机，该转子(1)包括N个主磁极(13)和N个副磁极(14)，所述磁极包括通过磁桥(19,20,21)与轴向壳体(6)分隔开的磁通阻挡部(9,10,11)。根据本实用新型，在该轴向壳体(6)的两侧上，磁桥(19,20,21)以直线对齐，从而相对于径向方向以α2＝α1+1±0.5的方式形成主磁极(13)的角度α1和副磁极(14)的角度。

Description

具有不对称磁桥的电机转子和包括该电机转子的电机
技术领域
本实用新型涉及一种同步磁阻(永磁体辅助式)旋转电机，并且更具体地涉及这种电机的在高转速下用低电压连续总线操作的转子。
一般来说，这种电机包括彼此同轴布置的定子和转子。
该转子由布置在转子轴上的金属片堆叠组成。这些金属片包括用于永磁体的壳体，以及用于创建允许磁体的磁通量径向地朝向定子的磁通阻挡部以及用于促进磁阻转矩的生成的穿孔。
该转子一般容纳在承载电绕组的定子内，这些电绕组允许生成使得转子能够被旋转地驱动的磁场。
背景技术
如在专利申请WO-2016/188,764中更好地描述的，转子包括贯穿这些金属片的多个轴向凹槽。
径向地布置在彼此之上并且彼此相距一距离的第一系列轴向凹槽形成用于磁通量生成器的壳体，这里是以矩形条的形式的永磁体。
另一系列的凹槽包括倾斜径向方向的穿孔，它们从这些壳体开始并且在这些金属片的边缘附近结束。
倾斜穿孔相对于磁体壳体对称地布置，以便每次形成大致V形的平底几何图形，该平底部由磁体壳体形成，并且该V部的倾斜臂由各穿孔形成。由此创建了由各穿孔形成的磁通阻挡部。随后，来自磁体的磁通量不能通过各穿孔之间的实心部分。这些实心部分由铁磁材料制成。对于该转子配置，永磁体壳体与磁通阻挡部之间的材料厚度称为磁桥。
这些磁桥一般较薄并且它们必须承受较高的机械应力(断裂、疲劳)，这些应力随着转子的转速而显著增大。
专利申请EP-2,896,114旨在通过这些磁桥的特定取向来解决该问题。然而，所提议的几何结构显著地生成转矩波动和反电动势谐波。
确实，已经观察到，反电动势谐波和转矩波动在这种类型的永磁辅助式同步磁阻电机中是显著的。
这可能在转子处生成摇晃和振动，从而在使用该电机时导致不适。
本实用新型旨在克服上述缺点，以及显著地减小由转子经受的机械疲劳和断裂应力，同时限制转矩波动、反电动势谐波和声学噪声。
实用新型内容
本实用新型涉及一种用于电机的转子，该转子包括：
-转子本体，其由优选地布置在转子轴上的金属片堆叠构成，
-N对磁极，每个磁极包括位于轴向凹槽中的至少三个磁体，以及构成每个磁极的三个磁通阻挡部(包括外部磁通阻挡部、中央磁通阻挡部、和内部磁通阻挡部)，每个磁通阻挡部包括位于每个轴向凹槽两侧上的两个倾斜凹槽，每个磁通阻挡部通过磁桥与所述轴向凹槽分隔开。
所述转子进一步包括：
-N个主磁极，并且对于每个主磁极，在所述轴向凹槽的两侧上，内部、中央、和外部磁桥沿轴线Δ1对齐，该轴线Δ1相对于所述主磁极的径向方向R1形成角度α1，
-N个副磁极，并且对于每个副磁极，在所述轴向凹槽的两侧上，内部、中央、和外部磁桥沿轴线Δ2对齐，该轴线Δ2相对于所述副磁极的径向方向R2形成角度α2，
-以使得角度α1和α2验证下式α2＝α1+1±0.5，该等式以度来表达。
根据本实用新型的一实施例，磁极对的所述数目N的范围在2与9之间、优选地在3与6之间、并且更优选地为4。
有利地，所述磁极对的数目N为4，角度α2的范围在16.1°与16.2°之间，角度α1的范围在14.6°与14.7°之间
根据一实现，所述磁通阻挡部大致为具有平底部的V形。
根据本实用新型的一实现，所述内部磁桥的厚度大于或等于所述中央磁桥的厚度，所述中央磁桥的厚度大于或等于所述外部磁桥的厚度。
根据一特征，所述主磁极的所述磁通阻挡部的开口角θ1,θ2,θ3大于所述副磁极的所述磁通阻挡部的开口角θ1,θ2,θ3。
本实用新型进一步涉及一种包括定子和根据上述特征中的任何一者的转子的电机，该转子容纳在所述定子内。
根据一实施例，所述定子包括沿所述定子周向地布置的多个径向槽。
根据一实现，所述槽沿所述定子轴向延伸。
有利地，所述电机是同步磁阻类型的。
附图说明
参考附图并对非限制性实施例的各示例的描述将清楚地理解根据本实用新型的设备的其它特征和优势，在附图中：
-图1解说了根据本实用新型的一实施例的转子，
-图2解说了根据本实用新型的一实施例的电机，
-图3解说了根据本实用新型的另一实施例的转子，
-图4解说了用于根据本实用新型的一实施例的转子的磁体的壳体，
-图5是表示对于根据现有技术的转子和对于根据本实用新型的转子而言的，关于图4中定义的四个区域的冯米塞斯(von Mises)准则的直方图，以及
-图6示出了作为磁桥角度的角度偏移的函数的机械应力(断裂和疲劳) 曲线。
具体实施方式
本实用新型涉及一种用于电机，特别是同步磁阻型电机的转子。此外，本实用新型涉及一种包括根据本实用新型的转子和定子的电机，该转子与该定子同轴地布置在该定子内。
如图1中(作为非限制性示例)所解说的，转子1以本身已知的方式包括轴2(优选地磁性轴)，在该轴上布置了金属片堆叠3。在本实用新型的上下文内，这些金属片3是铁磁的、平坦的、相同的、轧制的和圆形的，并且它们通过任何已知的方式彼此组装。金属片3可包括由转子轴2横穿的中央孔4和贯穿这些金属片3的多个轴向凹槽5。
径向地布置在彼此之上并且彼此相距一距离的第一系列轴向凹槽6形成用于磁通量生成器的壳体，这里是以条的形式的永磁体7。轴向凹槽6大致形成梯形。然而，轴向凹槽6可以具有其他形状，特别是矩形、正方形等。
第二系列的凹槽包括相对于径向方向的倾斜方向的穿孔8，从轴向凹槽6 开始并且在金属片3的边缘附近结束，即在电机的气隙区域中。
倾斜穿孔8相对于磁体7的凹槽6对称布置，以便每次形成大致V形的平底几何图形，该平底部由磁体7的壳体6形成，并且该V部的倾斜臂由各倾斜穿孔8形成。倾斜穿孔8形成磁通阻挡部。随后来自磁体7的磁通量不能通过各凹槽之间的金属片3的实心部分。这些实心部分由(制成金属片3的)铁磁材料制成。
根据本实用新型，转子包括N个磁极对(或2×N个磁极)，一磁极由相同径向方向上用于磁体的三个凹槽6以及相关联的磁通阻挡部(9,10,11)组成。有利地，N可以在2与9之间，优选地N在3与6之间，更优选地N等于4。
对于在图1和2中所解说的示例，转子1包括8个磁极(N＝4)。每个磁极由三个永磁体7组成，这三个永磁体7位于被提供用于容纳永磁体7的三个轴向凹槽6中。转子1也由三个磁通阻挡部构成，这三个磁通阻挡部包括外部磁通阻挡部9(与外部凹槽6相关联，即，最接近于转子1的外围)、中央磁通阻挡部10(与中央凹槽6相关联)、和内部磁通阻挡部11(与内部凹槽6 相关联，即，最接近于转子1的中心)。
每个磁通阻挡部(9,10,11)通过磁桥(20,21,22)与轴向凹槽6间隔开。磁桥(20,21,22)是两个凹槽之间的材料桥(即，金属片3的材料的一部分)，其在一方面提供转子1的机械强度，并且在另一方面提供磁通量的通道。因此在每个轴向凹槽6的两侧上设置了磁桥(20,21,22)。每个磁极随后包括：两个内部磁桥20(与内部轴向凹槽6相关联(即最接近于转子中心)，并且与内部磁通阻挡部11相关联)、两个中央磁桥21(与中央轴向凹槽6相关联，并且与中央磁通阻挡部10相关联)，以及两个外部磁桥22(与外部轴向凹槽6 相关联(即最接近于转子外围)，并且与外部磁通阻挡部9相关联)。
在本实用新型的上下文内，转子1包括两个不同的磁极结构。因此，它包括N个主磁极13和N个副磁极14。该转子包括主磁极13和副磁极14的交替。对于图1和2的示例，转子1包括四个主磁极13和四个副磁极14。
根据本实用新型，对于每个主磁极13，在轴向凹槽6的两侧上，内部20、中央21、和外部22磁桥沿轴线Δ1对齐，该轴线Δ1相对于主磁极13的径向方向R1形成非零角度α1。
此外，对于每个副磁极14，在轴向凹槽6的两侧上，内部20、中央21、和外部22磁桥沿轴线Δ2对齐，该轴线Δ2相对于副磁极14的径向方向R2形成非零角度α2。
此外，角度α和α2被选择成验证下式：α2＝α1+1±0.5。在本申请中，X+/-Y (其中X和Y为正数)表示以值X为中心的区间，该区间的范围在值X-Y与 X+Y之间，包括端点。
有利地，角度α1和α2的范围可以在10°和20°之间。
换言之，轴向凹槽6两侧的磁桥(20,21,22)位于直线Δ1或Δ2上，这些线Δ1或Δ2与转子的半径R1或R2正割，以便形成角度α1或α2，这两个角度是不同的。优选地，这些线Δ1或Δ2穿过轴向凹槽6的横向端部。有利地，每个磁极相对于该磁极的径向方向R1或R2具有对称的结构。换言之，磁通阻挡部 (9,10,11)和磁桥(20,21,22)相对于径向方向R1或R2对称。因此，磁极一侧的角度α1或α2与相同磁极另一侧的角度α1或α2相同。
这种配置在一方面提供了主磁极和副磁极的不对称性，并且在另一方面，它通过均匀化材料中的应力使得能够保证转子的良好的机械断裂和疲劳强度，即使在高转速下亦是如此。
对于图1和2的非限制性实施例，其中N＝4，角度α2的范围可以在16.1°与16.2°之间，并且角度α1的范围可以在14.6°与14.7°之间。优选地，角度α2 的值可以是16.15°，并且角度α1的值可以是14.65°。
根据本实用新型的一实现，内部磁桥20的厚度大于或等于中央磁桥21的厚度，该中央磁桥21的厚度大于或等于外部磁桥22的厚度。这种配置提供了该转子的良好的机械强度。实际上，内部磁桥20处的应力高于外部磁桥22处的应力
有利地，磁桥厚度的范围可以在0.65mm与1mm之间，以便满足机械应力。
图3藉由非限制性示例示意性地解说了根据本实用新型的一实施例的具有三个磁极对(N＝3)的转子1的一部分。
限定V形开口的开口角度(θ1,θ2,θ3)与每个磁极的每个磁通阻挡部 (9,10,11)相对应。这些开口角度与各自穿过转子1的中心C且穿过位于每个磁通阻挡部的倾斜径向方向的穿孔8的外表面12处的中点M的两条直线(Δ1, Δ2)之间的角度相对应。该外表面12位于转子1的外围上，在电机的机械气隙的区域中，如下文的描述中所详述。
根据本实用新型的一实施例，主磁极13的磁通阻挡部(9,10,11)的开口角度(θ1,θ2,θ3)可以大于副磁极14的磁通阻挡部(9,10,11)的开口角度(θ1, θ2,θ3)。因此，副磁极14的结构不同于主磁极13的结构。开口角度(θ1,θ2,θ3) 可以随后被选择成使转矩波动、反电动势谐波和声学噪声最小化。实际上，因此在两个连续磁极之间创建了不对称的磁通阻挡部。来自磁体的磁通量随后不能穿过各穿孔之间的实心部分，并且其允许减小转矩波动、反电动势谐波和声学噪声。
该实施例特别适合于本实用新型。实际上，磁桥的角度和磁通阻挡部的开口角度因此在主磁极与副磁极之间是不同的。由此有可能限制转子中的机械应力，同时限制转矩波动。
如在图2中可以看出的，其藉由非限制性示例示意性地解说了根据本实用新型实施例的旋转电机(这里是永磁辅助式可变磁阻同步电机)，该电机还包括同轴地接合在转子1周围的定子15。
定子15包括：具有内壁17的圆环16，该圆环16的内径设计成容纳转子 1并且具有为提供气隙18所必需的空间。该环包括多个槽(孔)(这里是长方形截面)从而形成用于电枢绕组的槽19。
更确切地，这些孔全部沿着定子15轴向延伸，同时径向地布置在环上并且在周向上彼此相距距离D。槽的数目根据电机的特性且根据磁极对的数目N 来预先确定。对于在图2中所解说的示例，其中磁极对的数目N为4，存在48 个槽。
根据一示例实施例，定子的外径的范围可以在100与300mm之间，且其优选地为约140mm，并且内径的范围可以在50与200mm之间，且其优选地为约95mm。电机的气隙18的长度的范围可以在0.4与0.8mm之间，优选地在0.5与0.6mm之间。
明显地，本实用新型不限于以上藉由示例描述的凹槽形状，并且它涵盖任何变型实施例。
图4藉由非限制性示例示意性地解说了根据本实用新型的一实施例的用于转子的磁体的壳体。它可以是内部轴向凹槽6。该轴向凹槽6(被设计成容纳磁体)具有大致上为梯形的一般形状，在其四个角处具有各种倒圆角。这些倒圆角可被选择成优化金属板中的机械应力。然而，轴向凹部可具有其他形状和 /或其他倒圆角。形成磁通阻挡部的两个倾斜穿孔5被设置在轴向凹槽6的两侧上。两个磁桥20被设置在轴向凹槽6和倾斜穿孔5之间。
该图4还示出了四个区域A1、A2、A3、和A4，它们是转子1的、在轴向凹槽6与倾斜穿孔5之间的金属板中的区域。
对于这四个区域A1至A4，已经针对根据现有技术的具有各磁极之间的对称磁桥(α1＝α2)的电机，以及针对根据本实用新型的(特别是根据图1的其中α1＝14.65°和α2＝16.15°的配置的)具有各磁极之间的不对称磁桥的电机计算出了冯米塞斯应力准则。除了角度α1和α2之外，由此所比较的两种电机相同。
图5是解说对于图4中定义的四个区域A1至A4而言，根据现有技术AA 的电机与根据本实用新型INV的电机之间的、该冯米塞斯应力准则Cm(以 MPa计)的比较的直方图。由此，看起来根据本实用新型定义的磁桥允许材料中的应力被均匀化。此外，可以注意到，根据该准则的最大应力对于现有技术 (445MPa)而言比对于本实用新型而言(406MPa)更大。
图6示出了对于根据图1的实施例的电机的转子而言，作为角度α1与α2 之间的角度偏移D(D＝α2-α1)(以度(°)计)的函数的表示(根据冯米塞斯准则获得的)机械断裂应力RUP(以MPa计)的曲线以及表示(无单位且根据Haigh和Goodman准则获得的)机械疲劳应力FAT的曲线。看起来范围在0.5°与1.5°之间的角度偏移允许减小转子上的机械断裂应力和机械疲劳应力两者。因此，限定角度之间的关系(α2＝α1+1±0.5)的本实用新型实际上允许减小转子上的机械断裂和疲劳应力(特别是相对于其中对于主磁极和副磁极而言所有磁桥将相等(D＝0，因为α1＝α2)的转子)。
因此，根据本实用新型的转子适用于用低电压连续总线操作的、允许高转速(15,000rpm以上)的同步磁阻电机。

Claims (12)

1.一种具有不对称磁桥的电机转子(1)，所述电机转子(1)包括：
-转子本体，其由布置在转子轴(2)上的金属片堆叠(3)构成，
-N对磁极，每个磁极包括位于轴向凹槽(6)中的至少三个磁体(7)，以及
-构成每个磁极的三个磁通阻挡部，所述三个磁通阻挡部包括外部磁通阻挡部(9)、中央磁通阻挡部(10)、和内部磁通阻挡部(11)，每个磁通阻挡部(9,10,11)包括位于每个轴向凹槽(6)两侧上的两个倾斜凹槽(8)，每个磁通阻挡部(9,10,11)通过磁桥与所述轴向凹槽(6)分隔开,
其特征在于，所述转子(1)进一步包括：
-N个主磁极(13)，并且对于每个主磁极(13)，在所述轴向凹槽(6)的两侧上，内部磁桥(20)、中央磁桥(21)、和外部磁桥(22)沿轴线Δ1对齐，所述轴线Δ1相对于所述主磁极的径向方向R1形成角度α1，
-N个副磁极(14)，并且对于每个副磁极(14)，在所述轴向凹槽(6)的两侧上，内部磁桥(20)、中央磁桥(21)、和外部磁桥(22)沿轴线Δ2对齐，所述轴线Δ2相对于所述副磁极的径向方向R2形成角度α2，
-以使得角度α1和α2验证下式α2＝α1+1±0.5，该等式以度来表达。
2.如权利要求1所述的电机转子(1)，其特征在于，磁极对的所述数目N的范围在2与9之间。
3.如权利要求1所述的电机转子(1)，其特征在于，磁极对的所述数目N的范围在3与6之间。
4.如权利要求1所述的电机转子(1)，其特征在于，磁极对的所述数目N为4。
5.如前述权利要求中的任一项所述的电机转子(1)，其特征在于，磁极对的所述数目N为4，角度α2的范围在16.1°与16.2°之间，并且角度α1的范围在14.6°与14.7°之间。
6.如权利要求1所述的电机转子(1)，其特征在于，所述磁通阻挡部(9,10,11)大致为具有平底部的V形。
7.如权利要求1所述的电机转子(1)，其特征在于，所述内部磁桥(20)的厚度大于或等于所述中央磁桥(21)的厚度，所述中央磁桥(21)的厚度大于或等于所述外部磁桥(22)的厚度。
8.如权利要求1所述的电机转子(1)，其特征在于，所述主磁极(13)的所述磁通阻挡部(9,10,11)的开口角度(θ1,θ2,θ3)大于所述副磁极(14)的所述磁通阻挡部(9,10,11)的开口角度(θ1,θ2,θ3)。
9.一种电机，其特征在于，它包括定子(15)和如前述权利要求中的任一项所述的电机转子(1)，所述电机转子(1)容纳在所述定子(15)内。
10.如权利要求9所述的电机，其特征在于，所述定子(15)包括沿所述定子(15)周向布置的多个径向槽(19)。
11.如权利要求10所述的电机，其特征在于，所述槽(19)沿所述定子(15)轴向延伸。
12.如权利要求9到11中的任一项所述的电机，其特征在于，所述电机是同步磁阻类型的。
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