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CN101517861B - 电机转子 - Google Patents

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Abstract

电机转子包括：内转子单元(RC)和在径向上位置比内转子单元(RC)更靠外的外转子单元(RE1)，内转子单元(RC)和外转子单元(RE1)由具有高导磁性的材料形成，和内转子单元(RC)和外转子单元(RE1)之间的低导磁性的气隙。外转子单元(RE1)与内转子单元(RC)形成形状匹配对，以防止外转子单元(RE1)在径向上与内转子单元(RC)脱离的方式成形内转子单元(RC)和外转子单元(RE1)。

Description

电机转子
背景技术
本发明涉及一种电机转子。
在配有基本上以等间隔沿转子的圆周排列的多个磁极的电机转子中，每个磁极具有直极轴(direct pole axis)。两个相邻的直极轴形成由交轴平分的角。对应于直极轴的电抗被称作直轴电抗并且对应于交轴的电抗是交轴电抗。
存在许多类型的电机，其中人们努力使交轴通量最小化，即使直轴电抗与交轴电抗的比值最大化。这些电机的例子包含磁阻电机和同步感应电机。
公开说明书GB 940,997公开了一种同步感应电机的转子，其配有在相邻磁极之间延伸的磁通路径。用相邻磁通路径之间延伸的低导磁性的磁通阻隔槽形成磁通路径。相邻磁通路径之间存在多个′颈′，用于机械地将转子固定在一起。磁通路径之间的颈由与磁通路径自身相同材料形成，即具有高导磁性的例如铁的材料。这类转子构造的问题是高导磁性的颈使磁通路径之间泄漏磁通量，即颈削弱了直轴电抗与交轴电抗的比值。
电机转速越高，磁通路径之间的颈必须越宽以便将转子固定在一起。由于进一步降低了颈处磁通路径之间的磁阻(magnetic resistance)，所以加宽颈就增加了泄漏磁通量。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种电机转子，其中直轴电抗与交轴电抗的比值较高。本发明的目的是通过这样的电机转子来实现的，该电机转子包括：内转子单元和在径向上位置比内转子单元更靠外的外转子单元，内转子单元和外转子单元由高导磁性的材料形成，和内转子单元和外转子单元之间的低导磁性的气隙，其特征在于，外转子单元与内转子单元形成形状匹配对，其中以防止外转子单元与内转子单元脱离的方式成形内转子单元和外转子单元。
本发明公开了以下优选实施例。
转子具有沿圆周以基本相等的间隔布置的多个磁极，每个磁极具有直极轴，并且相邻直极轴之间的角度由交轴平分，从而每个外转子单元以一个交轴精确地穿过它的方式放置。
每个外转子单元基本上关于相应交轴对称。
气隙至少部分地用对于磁通量和电具有低传导性的至少一种固态或粉状物质填充。
气隙配有用于为转子而建立的鼠笼绕组、具有低导磁性和高导电性的至少一种物质。
该转子还包括短路环。
气隙作为连续间隙从第一末端延伸到第二末端，气隙的第一和第二末端都结束于转子表面，并且当沿圆周方向观察时，气隙的第一末端和第二末端在转子表面彼此分开。
外转子单元是磁通路径单元，其被布置成把磁通量从磁通路径单元的第一末端传导到磁通路径单元的第二末端，磁通路径单元的第一和第二末端都结束于转子表面，并且当沿圆周方向观察时，磁通路径单元的第一末端和第二末端在转子表面彼此分开。
外转子单元的第一末端和第二末端被定位为使得相距转子的中轴的径向距离基本上大于所涉及的外转子单元的中央部分的最外表面相距转子的中轴的径向距离。
气隙包括一对形状匹配部分，以在转子转动期间作用于形状匹配部分的材料上的超过50％的作用力是压力的方式成形形状匹配部分。
气隙至少主要填充铸造材料。
本发明的基本思路是外转子单元与内转子单元形成形状匹配，即形状封闭(form-blocked)的对。因而，内转子单元和外转子单元以其几何形状防止外转子单元在径向上与内转子单元脱离的方式被成形。
本发明的电机转子的优点是转子被固定在一起而无需内转子单元和外转子单元之间的颈。颈被排除的事实减少了内转子单元和外转子单元之间的泄漏磁通量，从而提高直轴电抗与交轴电抗的比值。此外，本发明的电机转子维持良好的离心力和磁力。
附图说明
下面参照优选实施例和附图更详细地公开本发明，其中：
图1是根据实施例的四极磁阻电机的转子的剖视图；而
图2示出配有根据本发明可选实施例的电机转子的电机的四分之一横截面。
具体实施方式
图1示出了包括转子心RC和四个磁通路径结构的转子，其中每个磁通路径结构包括四个磁通路径单元RE1-RE4。
转子心RC的横截面基本上是X形，其中X的每个顶端延伸到转子的表面。每个磁极的直极轴dA穿过延伸到转子表面的转子心RC的部分。在转子心RC的中间，有被布置为接纳电机轴的孔RH。
每个磁通路径结构以交轴qA穿过磁通路径结构的中心线的方式定位。每个磁通路径结构具有与转子心RC位置邻近的最内磁通路径单元RE1，在磁通路径单元RE1与转子心RC之间具有低导磁性的气隙G1。每个磁通路径单元RE1与转子心RC形成形状匹配对，即以防止磁通路径单元RE1在径向上与转子心RC脱离的方式将转子心RC和磁通路径单元RE1成形。
每个直极轴dA和每个交轴qA穿过转子转动的轴并且沿转子半径的方向延伸。由于电气工程领域的技术人员完全熟悉直极轴dA和交轴qA的定义，所以在这里未讨论它们。
磁通路径单元RE1的底部B1(即最接近转子的中心点的部分)略微朝内拱起。底部B1的每个外缘在相应的直侧壁SW1处结束。为了实现形状匹配附着，磁通路径单元RE1的侧壁SW1的径向外末端比其径向内末端更彼此靠近。每个侧壁SW在相应直外壁OW1处结束，直外壁OW1几乎垂直于相应的交轴qA并且延伸到转子的表面。
磁通路径单元RE1、转子心RC和气隙G1包括形状匹配部分。磁通路径单元RE1的形状匹配部分包括直侧壁SW1。转子心RC的形状匹配部分依次包括转子心RC的、在气隙G1的另一侧与磁通路径单元RE1的直侧壁SW1相对的那些直侧壁。气隙G1的材料的形状匹配部分包括与磁通路径单元RE1的直侧壁SW1相邻的部分。
在转子转动期间，作用于气隙的形状匹配部分的材料上的超过50％的作用力是压力。当转子转动时，将磁通路径单元RE1固定到位的作用力的必要部分包括由气隙材料响应于作用到它的压力而向磁通路径单元RE1传送的反作用力。
邻近每个磁通路径单元RE1，在径向外部位置存在以形状匹配的方式附着到磁通路径单元RE1的第二磁通路径单元RE2。在磁通路径单元RE1和RE2之间有具有低导磁性的气隙G2。此外，邻近每个磁通路径单元RE2，在径向外部位置存在以形状匹配的方式附着到磁通路径单元RE2的磁通路径单元RE3。在磁通路径单元RE2和RE3之间有具有低导磁性的气隙G3。
邻近磁通路径单元RE3，在径向外部位置存在以形状匹配的方式附着到磁通路径单元RE3的磁通路径单元RE4。与其它邻近磁通路径单元类似，在磁通路径单元RE3和RE4之间也存在低导磁性的气隙。由附图标记G4指示这个气隙。
磁通路径单元RE4是相应磁通路径结构中最外部的磁通路径单元。磁通路径单元RE4的外表面OS4向外拱起，并且在相应交轴qA处形成转子的外表面。
类似于气隙G1，也以在转子转动时作用于气隙G2-G4的材料的形状匹配部分的超过50％的作用力是压力的方式，来成形气隙G2-G4。
磁通路径单元RE1-RE3被布置为从单元的第一末端向其第二末端传导磁通量，第一末端和第二末端均在转子表面处结束，并且在转子表面沿其圆周方向彼此分开。以圆周末端(即，上述被称作第一和第二末端的那些末端)相距转子中轴的径向距离基本上大于所涉及的磁通路径单元的中心部分的外表面相距转子中轴的径向距离的方式来成形每个磁通路径单元RE1-RE3。
每个磁通路径单元RE1-RE4和每个气隙G1-G4基本上关于相应交轴qA对称。
转子心RC和磁通路径单元RE1-RE4由例如铁、具有高导磁性的材料形成。转子心RC和磁通路径单元RE1-RE4可以包括薄电枢片，其平面基本上垂直于转子轴。电枢片至少在其一个表面上包括绝缘层。电枢片是本领域众所周知的。可选地，转子心RC和磁通路径单元RE1-RE4可以由实心铁形成。
每个气隙G1-G4作为连续间隙从第一末端延伸到其第二末端。每个气隙的第一末端和第二末端都在转子表面结束。当沿转子表面的圆周方向观察时，气隙的第一末端和第二末端彼此分开。每个气隙G1-G4被用来提高直轴电抗与交轴电抗的比值。换言之，每个气隙G1-G4被用来在接近气隙的转子单元之间提供尽可能高的磁阻。
本领域技术人员理解，术语′气隙′通常是指具有低导磁性的间隙。因此气隙也可以包括除空气外的其它材料。例如，为了使根据图1的实施例的转子适当地工作，需要用除空气外的某种其它材料至少部分地填充气隙G1-G4以防止在邻近磁通路径单元之间或内磁通路径单元RE1和转子心RC之间形成磁传导路径的情况。
根据电机的类型选择气隙G1-G4的材料。在磁阻电机中，气隙G1-G4可以填充就磁通量和电而言均是弱传导的固态或粉状物质。有用物质包含取决于实施例的树脂、塑料和碳纤维。在同步感应电机中，气隙可以配有例如不锈钢、铝或铜的良导电的材料，以实现鼠笼绕组。同步感应电机也可以配有短路环。在某些实施例中，永磁体可以被放置到气隙中。
也可以把高导电性的材料放置到气隙中以实现足够的强度，而无需提供鼠笼绕组。
在每个磁通路径结构中磁通路径单元的数量和形状根据实施例变化。因此，磁通路径结构中的磁通路径单元的数量可以高或低于图1提供的四个，并且磁通路径单元的形状可以不同于图1所示。例如，磁通路径单元的底部的曲率半径(即最靠近转子的中心点的部分的曲率半径)可以在底部的不同部分有所不同。底部的曲率半径可以在底部的与提供形状匹配形式的侧壁靠近的侧端处最大。此外，磁通路径单元的底部可以包括与转子的径向垂直延伸的基本上直的部分。
在图1的实施例中，气隙是非常窄的单元。然而，在可选实施例中，气隙可以较宽，甚至和磁通路径单元一样宽，或更宽。例如，每个气隙的宽度的尺寸取决于用于填充气隙的材料，以及气隙要产生的磁阻的程度。
图1示出了圆柱转子电机的转子。然而，本领域技术人员会明白，本发明的电机转子也可以被用于凸极电机。例如，图1的转子可以通过去除最外磁通路径单元RE4而变成凸极电机转子。也可以给每个最外磁通路径单元的外表面提供由例如圆拱定义的凹陷。
通常目标是在制造容差的限制之内，以确切的等间隔沿转子的圆周放置转子的磁极。然而，有时转子的至少一个磁极对被排列到略微转动的位置，即磁极对例如从产生磁极对之间的确切等间隔的位置偏移了定子槽的一半。这个过程可以被用于均衡由定子槽导致的扭矩的振荡或振动。然而明白，转动电机的转子的磁极沿转子圆周以基本上相等的间隔放置，以实现电机的平顺运行。
图2示出配备有根据本发明可选实施例的电机转子的电机的四分之一横截面。除了转子四分之一之外，图2示出了现有技术定子的相应四分之一，其未在此上下文中更详细地描述。
图2的电机转子是图1的转子的变型。以和图1中使用的附图标记相应的附图标记来表示图2中的转子部分，例外的是在图2中附图标记标有撇号(′)。由于图1和2的转子非常类似，所以下面的说明主要集中在区别于图1的转子特性的图2的转子特性上。
图2的转子包括转子心RC′和具有四个磁通路径单元RE′-RE4′和相应四个气隙G1′-G4′的磁通路径结构。磁通路径结构的最内磁通路径单元RE1′邻近转子心RC′定位，在磁通路径单元RE1′和转子心RC之间提供低导磁性的气隙G1′。
在其形状和厚度方面，气隙G1′类似于磁通路径单元RE1′。气隙G1′的形状和磁通路径单元RE1′的形状方面的最大差异涉及其最外末端。磁通路径单元RE1′刚好在它到达转子的表面之前大大加宽。相应地，气隙G1′刚好在转子的表面之前急剧缩窄。
气隙G1′包括7个部分，所有这些部分基本上是直的并且宽度恒定。如图2所示，气隙G1′包括两个最外部分OU1′、两个形状匹配FB1′部分、两个中间部分IM1′和一个中央部分MD1′。气隙G1′完全地填充铸造材料。
最外部分OU1′基本上垂直于交轴qA′延伸，两个最外部分OU1′的最外末端结束于转子表面。每个最外部分OU1′的最内末端结束于其相应的形状匹配部分FB1′。为了实现形状匹配效应，形状匹配部分FB1′的外末端比其内末端更彼此靠近。形状匹配部分FB1′的外末端是在相应最外部分OU1′结束的末端。每个形状匹配部分FB1′的最内末端结束于其相应的中间部分IM1′。中间部分IM1′的外末端比内末端更彼此分离。中央部分MD1′在中间部分IM1′的最内端之间延伸并且垂直于相应的纵轴qA′。
以在转子转动期间作用于形状匹配部分FB1′的材料上的作用力的70％是压力并且30％是剪力的方式来成形由磁通路径单元RE1′和转子心RC形成的形状匹配对。在转子转动期间作用于中间部分IM1′的材料上的作用力的50％是压力并且50％是剪力。在转子转动期间作用于中央部分MD1′的材料和最外部分OU1′的材料上的作用力的95％是张力并且5％是剪力。
在图2的实施例中，以沿径向(即沿离心方的方向)防止磁通路径单元RE1′与转子心RC脱离的方式，每个磁通路径单元RE1′与转子心RC′形成形状匹配对。换言之，磁通路径单元RE1′不能沿直径向离开转子，即使气隙G1′的材料被完全去除。
如图2所示，尽管从气隙G1′去除材料允许磁通路径单元RE1′被拉出转子心RC，然而在没有关于其与转子轴平行的纵轴转动磁通路径单元RE1′的情况下这不会成为可能。然而，由于离心力始终在径向上起作用并且图2的宽气隙G1′必须始终填充能够充分防止磁通路径单元RE1′相对于转子心RC′的径向位移和磁通路径单元RE1′关于其纵轴的转动的材料，所以这对于转子如何保持在一起没有影响。
在某些特殊应用中，本发明的电机转子可以配有邻近磁通路径单元之间的窄颈。这些窄颈可以旨在均衡气隙中的磁通量，以例如降低气隙中的磨擦损耗或利于转子装配。窄颈被配置成在转子转动期间，产生低于固定彼此邻近的内转子单元和相应外转子单元的作用力的50％的作用力。
本领域技术人员会明白，本发明的基本思路可以以不同方式实现。因此，本发明及其实施例不限于上述例子，而是可在权利要求的范围内变化。

Claims (16)

1.一种电机转子，包括：
内转子单元(RC)和在径向上位置比内转子单元(RC)更靠外的外转子单元(RE1)，所述内转子单元(RC)和外转子单元(RE1)由高导磁性的材料形成，和
所述内转子单元(RC)和外转子单元(RE1)之间的低导磁性的气隙(G1)，
其特征在于，所述外转子单元(RE1)与内转子单元(RC)形成形状匹配对，其中以防止所述外转子单元(RE1)与内转子单元(RC)脱离的方式成形所述内转子单元(RC)和外转子单元(RE1)。
2.如权利要求1所述的转子，其特征在于，所述转子具有沿圆周以基本相等的间隔布置的多个磁极，每个磁极具有直极轴(dA)，并且相邻直极轴(dA)之间的角度由交轴(qA)平分，从而每个外转子单元(RE1)以一个交轴(qA)精确地穿过它的方式放置。
3.如权利要求2所述的转子，其特征在于，每个外转子单元(RE1)基本上关于相应交轴(qA)对称。
4.如前面任何一个权利要求所述的转子，其特征在于，所述气隙(G1)至少部分地用对于磁通量和电具有低传导性的至少一种固态或粉状物质填充。
5.如权利要求1至3中任何一个所述的转子，其特征在于，所述气隙(G1)配有用于为转子而建立的鼠笼绕组、具有低导磁性和高导电性的至少一种物质。
6.如权利要求5所述的转子，其特征在于，所述转子还包括短路环。
7.如权利要求1所述的转子，其特征在于，所述气隙(G1)作为连续间隙从第一末端延伸到第二末端，所述气隙(G1)的第一和第二末端都结束于转子表面，并且当沿圆周方向观察时，所述气隙(G1)的第一末端和第二末端在所述转子表面彼此分开。
8.如权利要求4所述的转子，其特征在于，所述气隙(G1)作为连续间隙从第一末端延伸到第二末端，所述气隙(G1)的第一和第二末端都结束于转子表面，并且当沿圆周方向观察时，所述气隙(G1)的第一末端和第二末端在所述转子表面彼此分开。
9.如权利要求1或7所述的转子，其特征在于，所述外转子单元(RE1)是磁通路径单元，其被布置成把磁通量从所述磁通路径单元的第一末端传导到所述磁通路径单元的第二末端，所述磁通路径单元的第一和第二末端都结束于所述转子表面，并且当沿圆周方向观察时，所述磁通路径单元的第一末端和第二末端在所述转子表面彼此分开。
10.如权利要求4所述的转子，其特征在于，所述外转子单元(RE1)是磁通路径单元，其被布置成把磁通量从所述磁通路径单元的第一末端传导到所述磁通路径单元的第二末端，所述磁通路径单元的第一和第二末端都结束于所述转子表面，并且当沿圆周方向观察时，所述磁通路径单元的第一末端和第二末端在所述转子表面彼此分开。
11.如权利要求9所述的转子，其特征在于，所述外转子单元(RE1)的第一末端和第二末端被定位为使得相距所述转子的中轴的径向距离基本上大于所涉及的外转子单元(RE1)的中央部分的最外表面相距所述转子的中轴的径向距离。
12.如权利要求1或7所述的转子，其特征在于，所述气隙(G1′)包括一对形状匹配部分(FB1′)，以在转子转动期间作用于所述形状匹配部分的材料上的超过50％的作用力是压力的方式成形所述形状匹配部分(FB1′)。
13.如权利要求12所述的转子，其特征在于，所述气隙(G1′)至少主要填充铸造材料。
14.如权利要求1或7所述的转子，其特征在于，所述气隙(G1)被配置成提高直轴电抗与交轴电抗的比值。
15.一种电机，其特征在于包括如权利要求1至14中任何一个所述的转子。
16.如权利要求15所述的电机，其特征在于，所述电机是磁阻电机或同步感应电机。
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