CN100423407C - 用于电动机的转子及具有这种转子的电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电动机的转子，其带有沿轴向延伸的用于永久磁铁(10，11，12，13)的容腔(4，5，6，7)和沿轴向延伸的用于导线棒的容腔(20，21，22，23，24，25)，为了达到使所述转子尽可能平稳地运转，所述用于导线棒的容腔在至少所述转子的一个区段中具有一基本上略显长形的横截面，以及这些用于导线棒的容腔在该区段中就其横截面来看沿其纵轴线设计为弯曲的。并且在该转子中这样设置多个永久磁铁(10，11，12，13)，即，由它们产生一个有一中性轴线(16)和一与该中性轴线垂直的磁轴线(17)的旋转磁场，其中，所述用于导线棒的容腔的曲率半径从该中性轴线(16)向磁轴线(17)方向逐渐减小。

Description

用于电动机的转子及具有这种转子的电动机

技术领域

本发明涉及一种用于电动机的转子，尤其是一种直接起动式电动机，其带有沿轴向延伸的用于永久磁铁的容腔和沿轴向延伸的用于导线棒的容腔。

背景技术

将混合三相交流电动机称为直接起动式电动机，它是一个三相交流异步电动机与一个三相交流同步电动机的组合。一台这样的直接起动式电动机包含一个具有多个定子绕组的定子。这些定子绕组产生在一转子中生成电压的旋转磁场，通过该电压使转子旋转。一台直接起动式电动机的转子既具有三相交流异步电动机转子的特征，也具有三相交流同步电动机转子的特征。直接起动式电动机也可以针对单相的网路馈电来设计，需要时可以带有一运行电容器。

在一台也称为感应电动机的三相交流异步电动机的转子中大致沿轴向安置一些例如由铝或铜制成的导线棒。这些导线棒可以通过短路环连接在转子的端面上。导线棒与短路环一起构成转子绕组以及所述导线棒可以具有一鸟笼的形状，因此这样的转子也被称为笼形转子。在运行中定子绕组的旋转磁场在起初静止的转子的线匝中引起磁通变化。磁通变化速度与旋转磁场转速成正比。所述感应电压使电流在通过短路环连接的转子导线棒中流动。通过转子电流产生的磁场产生一个沿定子旋转磁场的旋转方向使转子旋转的扭矩。如果转子达到了定子旋转磁场的转速，则在所观察的导线匝中的磁通变化为零以及进而所述引起旋转的扭矩也为零。因此，在三相交流异步电动机中转子转速始终小于旋转磁场转速。也就是说，转子与旋转磁场转速不机械同步地运转。

在一台三相交流同步电动机的转子中例如可以安装一些在运行中产生一转子旋转磁场的永久磁铁。当定子绕组被供给三相电流时，转子的极被所述定子旋转磁场的相反极吸引并且随后被其同性极排斥。转子由于其惯性不能立即跟上定子旋转磁场转速。但是当转子近似达到了定子旋转磁场的转速时，则可以说转子接近定子旋转磁场的转速并以该转速继续运转。也就是说，在转子起动后，它与定子旋转磁场转速同步化地旋转。

一台直接起动式电动机的转子不仅包括永久磁铁，而且包括导线棒。这些导线棒构成了用于转子的起动助件。若近似达到定子旋转磁场的转速，则永久磁铁发挥其作用。也就是说，该直接起动式电动机将一台异步电动机的良好起动特性、即大起动力矩与一台同步电动机的高效率结合起来。在电动机起动时所述导线棒发挥其作用，而永久磁铁在电动机起动时其实只起到干扰的作用。而在例如50Hz或3000转/min的同步运行过程中，永久磁铁发挥作用，相反，导线棒则不再有助于产生扭矩，因为在同步运行过程中在导线棒中不再感应产生电压。

在所述直接起动式电动机运行中存在于转子与定子之间的一空气间隙中的磁场包括两部分。整个磁场的第一部分由定子绕组产生。它也被称为旋转磁场。整个磁场的第二部分由永久磁铁绕组产生。就象例如在WO01/06624A1中所公开的那样，在传统的直接起动式电动机运行过程中，可能会出现所不希望的扭矩波动。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于电动机的转子以及具有这种转子的电动机，该转子在同步运行过程中近似正弦形地产生磁场。

一直希望，转子在同步运行过程中在转子与定子之间存在的磁场的场强是接近正弦形的。但是在转子中的永久磁铁对其却起到抵制作用，在传统的直接起动式电动机中永久磁铁导致有棱角的曲线变化。因此，所希望的正弦形旋转磁场被传统的永久磁铁扭曲变形以及因此在同步运行期间助长了扭矩波动或力矩波动。在同步运行期间这种所不期望的扭曲变形是由于永久磁铁的场强不减弱地分布在转子表面上引起的。永久磁铁主要沿磁铁轴线方向确定磁场。因此在传统的直接起动式电动机中，定子的磁场只是部分地沿所述中性轴线的方向穿过转子，而不是沿磁轴线方向全部穿过。

上述有关于转子的发明目的通过一种用于电动机、尤其是一种直接起动式电动机的转子来实现，该转子带有沿轴向延伸的用于永久磁铁的容腔和沿轴向延伸的用于导线棒的容腔。所述用于导线棒的容腔在至少所述转子的一个区段中具有一基本上略显长形的横截面。这些用于导线棒的容腔在该区段中就其横截面来看沿其纵轴线设计为弯曲的。按照本发明，这样设置多个永久磁铁，即，由它们产生一个有一中性轴线和一与该中性轴线垂直的磁轴线的旋转磁场，其中，所述用于导线棒的容腔的曲率半径从该中性轴线向磁轴线方向逐渐减小。

在本发明范围内进行的实验表明：在传统的直接起动式电动机中扭矩波动的原因在于，定子与转子之间的空气间隙中的磁场场强通过旋转角度变化所引起的变化不是正弦形的，而是至少局部是有棱角的。通过按照本发明设计和布设所述用于导线棒的容腔可以在运行中达到一种近似正弦形的变化。按照本发明设置多个、尤其是四个永久磁铁，即，使它们产生一个带有一中性轴线和一与该中性轴线垂直的磁轴线的旋转磁场。所述用于导线棒的容腔的曲率半径从该中性轴线向磁轴线方向逐渐减小，也就是说，所述在磁轴线附近的容腔曲率半径小于在中性轴线附近的容腔曲率半径。所述中性轴线在所述永久磁铁不产生磁场的地方延伸。所述磁轴线在所述由永久磁铁产生的磁场最强的地方延伸。永久磁铁磁场的场强例如为1.5特斯拉。由定子绕组产生的磁场走向是从定子通过转子然后又返回到定子中。通过使所述曲率半径从中性轴线到磁轴线逐渐减小，能够使在起动期间出现的所述定子的磁力线更好地穿过所述转子。

所述转子的一个优选实施例的特征在于，所述用于导线棒的容腔之间的间距是恒定的。这种布设结构在本发明范围所实施的实验中被证明是特别有利的。

所述转子的另一个优选实施例的特征在于，所述用于导线棒的容腔就其横截面来看这样沿其纵轴线弯曲地设计和设置，即，所述用于导线棒的容腔相对于转子的旋转轴线的距离从转子的横截面图来看从所述中性轴线向磁轴线方向逐渐增大。由此提供了由所述定子绕组产生的磁场的磁力线可在其中穿过的自由空间。

所述转子的另一个优选实施例的特征在于，在所述中性轴线附近用于导线棒的容腔的纵轴线从转子的横截面图来看不带弯曲地且相对于转子而言基本上沿径向定向，以及所述用于导线棒的容腔的纵轴线从转子的横截面图来看朝所述磁轴线的方向这样扭转地设置，即，使得所述用于导线棒的容腔的径向外侧端部以一个比沿径向定向时小的相对于所述磁轴线的间距来设置。由此达到所述用于导线棒的容腔的纵轴线在永久磁铁的磁轴线附近基本上平行于该永久磁铁的磁轴线地延伸。这又导致由永久磁铁产生的磁场也可以在磁轴线附近无阻挡地在所述用于导线棒的容腔之间穿过。

所述转子的另一个优选实施例的特征在于，所述用于导线棒的容腔从横截面图来看分别具有两个不同程度弯曲的侧壁。由此所述用于导线棒的容腔获得一个基本上为镰刀形的结构。

所述转子的另一个优选实施例的特征在于，所述用于导线棒的容腔侧壁的曲率半径从所述中性轴线向所述磁轴线方向逐渐减小。所述侧壁的曲率半径越小，则在该侧壁之间囊括的容腔的长度就越小。这在本发明范围所实施的检测中在有关电动机的效率方面被证明是特别有利的。

所述转子的另一个优选实施例的特征在于，所述用于导线棒的容腔的两侧壁从转子的横截面图来看在其朝向内侧的端部通过一倒圆的连接壁连接。这在制造技术和功能方面被证明是特别有利的。

所述转子的另一个优选实施例的特征在于，所有用于导线棒的容腔的连接壁具有相同的曲率半径。由此表明，所述侧壁之间的在径向内侧的间距同样是恒定的。

所述转子的另一个优选实施例的特征在于，所述用于永久磁铁的容腔这样弯曲地设计和围绕着转子的旋转轴线设置，即，使得所述用于永久磁铁的容腔与所述用于导线棒的容腔之间的距离从转子的横截面图来看在所述磁轴线附近比在所述中性轴线附近大。由此为所述由定子产生的磁场的磁力线提供足够的空间。

所述转子的另一个优选实施例的特征在于，所述用于永久磁铁的容腔从转子的横截面图来看具有弧形结构，这些容腔布设成一个长轴与所述中性轴线重合以及短轴与所述磁轴线重合的椭圆形。这种布设结构在按照本发明装置运行中在有关磁力线的分布方面被证明是特别有利的。

所述转子的另一个优选实施例的特征在于，所述转子至少具有一个过渡区，在该过渡区中所有用于导线棒的容腔不是弯曲的结构。该转子由一组安装在一转轴上的叠片组构成。在所述过渡区中可以安装层合的叠片，这些叠片不具有弯曲的用于导线棒的容腔。该过渡区用于达到一个所谓的槽斜度，也就是说，在转子的一个第一端部中的一个导线棒相对于在转子的另一端部中的导线棒是错开的。通过导线棒不与转子的转轴平行地延伸，而是相对于该转轴侧向倾斜，来达到例如10至20度的机械错位。通过所述槽斜度可以如期地强烈减小在旋转磁场中烦人的磁谐波的波幅。所述过渡区由例如10至20个其容腔相互错开的叠片构成。

所述转子的另一个优选实施例的特征在于，所有用于导线棒的容腔沿径向在外部都是封闭的。这些导线棒的容腔可以优选设置在转子的外圆周上，它们不仅具有一封闭的横截面，而且被称为槽。通过封闭所述容腔达到，在磁场中的高频部分不会在导线棒中感应引起损耗电流。

一种电动机，尤其是一种直接起动式电动机，其具有一个包括大量绕组的定子，在所述定子内可旋转地安置一个上述转子。通过按照本发明的转子，可以在所述电动机起动时这样控制所述磁场，即，填充所述由永久磁铁产生的磁场中的空缺。通过所述磁场或场强或磁力线密度的近似正弦形变化可以达到90％以上的效率。

所述电动机的一个优选实施例的特征在于，在所述转子的端侧设置将所述导线棒相互连接起来的短路环。这些短路环和导线棒构成一个在其中感应引起一电压的笼形。

附图说明

本发明的其他优点、特征和细节可以从下列借助于附图对一种实施方式的具体描述中获知。附图中：

图1为一转子的横截面视图；

图2表示图1中的转子的缩小视图，其中示出由永久磁铁产生的磁场的磁力线；以及

图3表示图2中的转子，其中示出由一定子产生的磁场的磁力线。

具体实施方式

在图1中以横截面图示出一直接起动式电动机的转子1。该转子1具有一个用于安装一未示出的转轴的中心通孔2，通过该转轴可以将由电动机产生的扭矩传出。

围绕所述通孔2设置四个用于永久磁铁10、11、12和13的容腔4、5、6和7。这些容腔4至7沿轴向至少在该转子1的部分长度上延伸。在该横截面图中可以看到用于永久磁铁10至13的容腔4至7分布成一椭圆形结构。永久磁铁10至13的磁极分别通过对应于北极的大写字母N和对应于南极的大写字母S表示。永久磁铁10至13的所示布设结构产生一个沿中性轴线16的场强为零以及沿磁轴线17的场强为最大的磁场。

转子1向外以一个圆柱形外表面为界，在该圆周面上设置大量用于导线棒的容腔20至25和28、29。这些用于未示出的导线棒的容腔沿轴向沿转子1的整个长度延伸。转子1本身设计为关于中性轴线16和磁轴线17是对称的结构。因此，为了视图清晰起见，只将用于导线棒的容腔20至25和28、29标注了附图标记。

用于一导线棒的每个容腔，也可称为用于一导线绕组的容腔，包括两个通过一半圆形连接壁34连接的侧壁31和32。这些略显长形的容腔在另一端设计为逐渐成尖形或平坦过渡。所述用于导线棒的容腔的朝外的端部之间的间距35至39是恒定的。

在图1中可以看到，容腔28的两侧壁设计为凹形的。与此不同，容腔29的两侧壁设计为凸形的。容腔28通过中性轴线16以及容腔29通过磁轴线17被分成两个相同的半部。所述在容腔28和29之间以及进而在中性轴线16与磁轴线17之间设置的容腔20至25分别具有一个凸形侧壁和一个凹形侧壁。这些容腔20至25的曲率半径从中性轴线16向磁轴线17方向逐渐减小。也就是说，容腔20具有最大的曲率半径以及容腔25具有最小的曲率半径。

在图2中以磁力线形式部分地表示出了由永久磁铁10至13产生的磁场。

在图3中以磁力线形式部分地表示出了在转子非同步起动期间由一未示出的定子产生的磁场。通过箭头48和49在图3中表示出了所述磁通通过转子1的情况。

所述用于导线棒的弯曲容腔(也可称为槽)提供了这样的优点，即，由永久磁铁产生的磁场在所述未示出的直接起动式电动机运行时可受控制地被导引通过转子1。由此，在该电动机运行时可以在定子与转子之间的空气间隙中使所生成磁场的场强产生近似正弦形的变化。

所述用于导线棒的槽或容腔的弯曲形状具有的首要功能是，在该电动机同步运行期间将由永久磁铁产生的磁场正弦形地分布在定子与转子之间的空气间隙中。因此所述磁场在中性轴线附近最弱以及在磁轴线附近最强。

此外，通过弯曲地设计所述用于导线棒的容腔以及特殊地布设所述导线棒在起动该电动机时提供了许多为所述穿过转子的定子磁场用的空间。如在图3中所看到的那样，在所述用于导线棒的容腔24和25与永久磁铁11之间有足够的可供磁力线通过用的空间。由此，避免了可能导致所不希望的转子叠片饱和的磁路狭窄通道。通过特殊地布设永久磁铁还增大了所述可供利用的空间。

利用本发明实现了在起动电动机时这样控制所述磁场，即，填充所述由永久磁铁造成的磁场空缺。

Claims (13)

1. 一种用于电动机的转子，其带有沿轴向延伸的用于永久磁铁(10，11，12，13)的容腔(4，5，6，7)和沿轴向延伸的用于导线棒的容腔(20，21，22，23，24，25)，其中，所述用于导线棒的容腔(20，21，22，23，24，25)在所述转子的至少一个扇形区段中具有一长形的横截面，以及在该扇形区段中的这些用于导线棒的容腔(20，21，22，23，24，25)就其横截面来看沿其纵轴线设计为弯曲形，其特征在于，这样设置多个永久磁铁(10，11，12，13)，即，由它们产生一个有一中性轴线(16)和一与该中性轴线垂直的磁轴线(17)的旋转磁场，其中，所述设置在所述中性轴线(16)和所述磁轴线(17)之间的、用于导线棒的容腔(20，21，22，23，24，25)的曲率半径从该中性轴线(16)向磁轴线(17)方向逐渐减小。

2. 如权利要求1所述的转子，其特征在于，所述用于导线棒的容腔之间的间距(35，36，37，38，39)是恒定的。

3. 如权利要求1或2所述的转子，其特征在于，所述设置在所述中性轴线(16)和所述磁轴线(17)之间的、用于导线棒的容腔(20，21，22，23，24，25)相对于转子的旋转轴线的距离从转子的横截面图来看从所述中性轴线(16)向磁轴线(17)方向逐渐增大。

4. 如权利要求1或2所述的转子，其特征在于，在所述中性轴线(16)和所述磁轴线(17)附近用于导线棒的容腔(28，29)的纵轴线从转子的横截面图来看相对于转子沿径向定向，以及在该设置于所述中性轴线(16)和所述磁轴线(17)附近用于导线棒的容腔(28，29)之间的并因而设置在所述中性轴线(16)和所述磁轴线(17)之间的、所述用于导线棒的容腔(20，21，22，23，24、25)的纵轴线从转子的横截面图来看朝所述磁轴线(17)的方向这样扭转地设置，即，使得所述设置在所述中性轴线(16)和所述磁轴线(17)之间的、用于导线棒的容腔(20，21，22，23，24、25)的径向外侧端部相对于所述磁轴线(17)的间距，比其在所述设置在所述中性轴线(16)和所述磁轴线(17)之间的、用于导线棒的容腔(20，21，22，23，24、25)的纵轴线沿径向定向时更小。

5. 如权利要求1或2所述的转子，其特征在于，设置在所述中性轴线(16)和所述磁轴线(17)之间的所述用于导线棒的各容腔(20，21，22，23，24，25)从横截面图来看分别具有两个不同程度弯曲的侧壁(31、32)。

6. 如权利要求5所述的转子，其特征在于，所述用于导线棒的容腔侧壁(31、32)的曲率半径从所述中性轴线(16)向所述磁轴线(17)方向逐渐减小。

7. 如权利要求6所述的转子，其特征在于，所述设置在所述中性轴线(16)和所述磁轴线(17)之间的、用于导线棒的容腔(20，21，22，23，24，25)的两侧壁从转子的横截面图来看在其朝向内侧的端部通过一倒圆的连接壁(34)连接。

8. 如权利要求7所述的转子，其特征在于，所述连接壁(34)具有相同的曲率半径。

9. 如权利要求1或2所述的转子，其特征在于，所述用于永久磁铁的容腔(4，5，6，7)这样弯曲地设计和围绕着转子的旋转轴线设置，即，所述用于永久磁铁(10，11，12，13)的容腔(4，5，6，7)与所述设置在所述中性轴线(16)和所述磁轴线(17)之间的、用于导线棒的容腔(20，21，22，23，24，25)之间的距离从转子的横截面图来看在所述磁轴线(17)附近比在所述中性轴线(16)附近大。

10. 如权利要求9所述的转子，其特征在于，所述用于永久磁铁(10，11，12，13)的容腔(4，5，6，7)从转子的横截面图来看具有弧形结构，这些容腔布设成一个长轴与所述中性轴线(16)重合以及短轴与所述磁轴线(17)重合的椭圆形。

11. 如权利要求4所述的转子，其特征在于，所有用于导线棒的容腔(20、21、22、23、24、25、28、29)沿径向向外都是封闭的。

12. 一种电动机，其具有一个包括多个绕组的定子，其特征在于，在所述定子内可旋转地安置一个按照上述任一项权利要求所述的转子(1)。

13. 如权利要求12所述的电动机，其特征在于，在所述转子(1)的两个端侧设置将所述导线棒相互连接起来的短路环。

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