CN101427443A - 带有热隔绝装置的转子和带有这种转子的电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直接启动电动机，该电动机带有定子和用于绕中心轴线转动的笼型转子(1)。转子(1)具有笼型绕组(4)以及一组永久磁铁(11)，在该笼型绕组中通过相应的定子绕组感应出电流。为了防止所述磁铁(11)过热，转子(1)具有热隔绝装置(12)，例如在转子(1)的笼型绕组(4)和磁铁(11)之间的空腔形式的热隔绝装置。由于热隔绝装置(12)而降低了绕组(4)和磁铁(11)之间的电路中的导热率并使磁铁(11)得到保护。

Description

带有热隔绝装置的转子和带有这种转子的电动机

技术领域

本发明涉及一种转子和一种直接启动电动机，该电动机具有一带定子绕组的定子和一用于绕中心轴线转动的笼型转子。该转子具有带一组纵向延伸的绕组的转子芯，所述绕组利用或通过至少一个短路端环相连，其中，至少一块永久磁铁安装在该转子的空腔内。

背景技术

在传统使用的一类电动机中，定子具有一个或多个定子绕组，在所述定子绕组中电场产生旋转磁场。转子可转动地安装在定子的内部或外周从而使该转子在磁场的作用下转动。有各种不同的原理。在同步电动机中，转子被磁化或具有一组永久磁铁。这种电动机类型简单可靠，且转子的转速与定子绕组中的电场的转速相对应。不过，在某些应用中同步电动机具有不合适的起动特性。在异步电动机中，转子具有基本上沿纵向延伸的若干绕组，所述绕组在转子沿轴向对置的端部通过短路端环相互连接。典型的是，异步电动机的转子包括由导磁材料制成的转子芯和短路电枢(Kurzschlussanker)，由导电材料(例如铝)制成的绕组和短路端环在所述短路电枢中一体地浇铸而成。转子可以由叠片层压而成，其中每块叠片有一个开口，所述开口与其它叠片共同形成了沿轴向延伸通过转子的导体间隙。在将叠片安装到转子芯上之后，构成所述绕组的导电条被直接浇铸到导体间隙内，其中所述间隙被用作铸模，且短路端环被浇铸为所述导条的集成的或一体的部分。在使用中，通过由定子产生的磁场在转子绕组中感应出电流，并由于定子绕组和转子绕组内的电场之间的交替而使转子开始转动。这种电动机具有良好的起动特性，不过为了将电场的感应继续传递至转子绕组中，必须使定子的电场相对于转子的绕组运动。转子的转速因此总是低于定子电场的转速。

短路电枢像转子中的绕组那样起作用，并且在直接启动电动机中该短路电枢应使转子转动，并与永久磁铁相组合而使转子的转速与定子磁场的转速同步。只要转子转速和磁场转速之间存在差别，定子磁场就在短路电枢中感应出电流，转子因而继续加速。如果转子的速度接近定子磁场的速度，那么瞬时脉动就由永久磁铁承受并引起同步作用。接着，短路电枢中的电流为零，且电动机此时就作为同步化的机器或同步电动机工作。

通常，磁铁对于温度的升高是灵敏的，并且，视磁铁的质量而定，磁铁会在100-180摄氏度的温度范围内毁坏。耐受较高温度的磁铁是昂贵的。

在直接启动电动机中温度可能会达到300摄氏度，不过200-250度范围内的温度更为常见。直接启动电动机必须通常针对至多例如160度的温度来设计，以避免永久磁铁消磁并因而避免电动机失效或故障。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是改进现有的直接启动电动机。一方面，本发明提供了一种在各磁铁和绕组之间带有至少一个热隔绝装置或热屏蔽装置的转子。在这种情况下，“热隔绝”是指降低磁铁和绕组之间的热传导或传热的各种结构部件或特征，而且是相对于没有热隔绝装置情形下的热传导或传热。在直接启动电动机运行时，绕组产生热量，更确切地说，主要在一个或多个绕组和磁铁之间的区域内产生热量。在定子通过磁性在沿轴向延伸的形成转子绕组的导电导条中感应出电流时，就会产生热量。通过转子的热阻由于热隔绝而在定子和磁铁之间的路线上升高。磁铁的温度相应地降低并且可以保护电动机以防永久磁铁消磁。

各种热隔绝装置(即同转子的其余部分相比具有较低导热率的结构)的安装或设置可以降低转子芯内的磁通。不过，这可以通过使用较粗或较厚的磁铁加以补偿。

转子绕组可以构成一个短路电枢绕组，或者转子可以是一个带有例如设在沿转子外围边缘或周长或周边的轴向间隙或缝隙内的一个或多个相绕组的缠绕的转子。通常，这种电动机包括多个分布在圆周上或间隔开的磁铁，并且转子可以对应地具有多个分布在圆周上或间隔开的热隔绝装置，例如，每个磁铁有一个热隔绝装置。

出于某些结构上的考虑，有必要引入二维平面或投影平面，即由三个非偶极子(nichtdipolen)或不共线的点确定的一个平面。该平面处于一个磁铁和一个对应的或所属的热隔绝装置之间，并且，该平面垂直于径向轴线，该径向轴线被定义为垂直于中心轴线穿过磁铁的几何中心向转子的外围边缘延伸的一条轴线。如果这样设计热隔绝装置的尺寸，使得热隔绝装置沿径向轴线在该平面上或平面内的投影的大小至少是磁铁沿径向轴线在该平面上或平面内的投影大小的50％，则可以改进电动机。

热隔绝装置可以被构造为气隙，即在转子芯内的空腔、间隙或缝隙，该气隙内充有空气或比空气重的气体、或者至少部分地抽成真空。由于空气的导热率比转子芯的金属的导热率低，因而空气构成了一种热隔绝装置。可选的是，热隔绝装置可以由泡沫材料(例如聚氨酯)形成，或者可以由各种导热率小于转子芯的材料构成。

如果热隔绝装置是气隙，那么可以在气密空腔中灌注空气，在这种情况下避免了与周围的空气进行交换。可选的是，气隙通过至少一个端面内的开口与周围的空气连通。如果气隙在两个端面内构成开口，或者在两个端面内具有开口，那么空气通道可以沿直线在转子轴向的开口之间延伸，或者该空气通道可以绕中心轴线螺旋形地缠绕或卷绕。所述的后一种可能性更易于在转子绕中心轴线旋转时形成穿过转子的气流。在这种方式下，在该空气通道内进行的空气交换可以进一步改善磁铁的冷却。

转子通常具有一个中央或中心开口，曲轴布置于其中。由于磁铁典型地设置在转子表面下方深处并接近中心开口，因而可以在曲轴具有导磁特性时改善磁铁的磁场。

如果转子为层叠构成，那么可以通过第二种类型的转子叠片的堆叠形成上述空腔，所述第二种类型的转子叠片具有贯通的开口或孔，在所述转子叠片堆叠时，这些开口或孔就形成空腔。如果空腔必须是密封的或气密的，那么这可以通过将第一种类型的转子叠片(即没有贯通开口的转子叠片)安装到第二种类型的叠片的轴向对置或相反的端部来实现。在一种可选的实施形式中，转子叠片铁芯可以交替地包含两种类型的转子叠片，其中，沿转子的轴向长度形成多个封闭的空腔。

为了进一步改善对磁铁的保护，在热隔绝装置及其所属的磁铁之间的距离优选小于磁铁的厚度，并且该距离甚至可以小于磁铁厚度的1/3。该距离可以例如是在磁铁沿从中心轴线朝向转子芯外围边缘的径向厚度的1/2至1/3的数量级上。在这种方式下，热隔绝装置非常靠近磁铁，并改善了转子芯内的磁通衰减度与导热率之比。

导热率的降低取决于热隔绝装置的宽度或厚度。典型地将宽度或厚度选择为处于磁铁的宽度或厚度的1/3的数量级。

在一种实施形式中，热隔绝装置的形状或结构在一个垂直于中心轴线的截面中为正方形或矩形，或者热隔绝装置可以形成至少两个沿轴向对置的端面以及四个侧面。所述侧面中的两个可以是平面，所述平面垂直于从中心轴线指向转子外围边缘的径向方向。另两个侧面可以是被平滑地倒圆或者被柔和地倒圆，例如以这样的直径倒半圆，该倒圆直径与两个平的侧面之间的距离一致。可选的是，热隔绝装置可以例如基本上具有与磁铁相同的形状。

转子可以为管形，带有内周面和外周面。如果转子是内部的，那么所述外周面就朝向定子，而如果转子是外部转子，那么所述内周面就朝向定子。在任何情况下，磁铁到绕组的距离大于磁铁到转子不朝向定子的外周面或内周面的距离都是有利的。在带有实心圆柱形的内部转子(即转子无内周面)的电动机中，磁铁到绕组的距离大于磁铁到中心轴线的距离。

除热隔绝装置外，电动机可以具有空气通道或间隙或通风气隙，例如用于在转子旋转时强迫空气流动穿过转子的间隙。在一种简单的实施形式中，气隙是在转子沿轴向对置或相反的端面之间延伸的通道。通风孔或通风气隙可以有利地布置在定子和磁铁之间，以便将热量从在定子和磁铁之间的通道导出，或者可以将它们布置在磁铁和延伸穿过转子的曲轴之间。在本发明的一种实施形式中，转子因此包括轴向延伸的开口空气通道或通风通道以及封闭的空腔，该空腔包含一种导热率低于转子芯材料导热率的介质。

另一方面，本发明提供一种带有按照本发明所述转子的电动机。最后，本发明还提供一种保护直接启动电动机转子内的磁铁的方法，该方法包括如下步骤：

-设置一种用于绕中心轴线旋转的转子，该转子具有转子芯以及在该转子芯的沿轴向对置或相反的端面之间延伸的一组绕组，

-在转子的空腔内设置至少一个永久磁铁，

-在各磁铁和绕组之间设置至少一个热隔绝装置。

上述方法中包含的每一步骤都可适用于如上所述的按照本发明的转子。

附图说明

下面参考附图详细描述本发明的一种优选实施形式。在附图中：

图1是直接启动电动机的转子的横截面视图或者说纵向剖视图，

图2示出了用于直接起动电动机转子的第一种类型的转子叠片，

图3示出了用于根据本发明的转子的第二种类型的转子叠片，

图4是磁铁和热隔绝装置的放大视图，

图5是大磁铁和对应的热隔绝装置的放大视图。

具体实施方式

图1示出了鼠笼型转子或笼型转子或转子1的横截面，该转子设置成可绕中心轴线2旋转。转子1包括由图2所示的多块导磁金属片组成的转子芯3。这些金属片层叠结合成转子芯3。该转子芯包括一个带有多根导电条的笼型绕组4，所述导电条在短路端环5、6之间沿轴向延伸。转子包括内部支撑面或支承面7，在该支撑面或支承面内安装有一根曲轴(未示出)。转子的端面8、9上可以形成用于通入通风气隙或通风通道内的开口，以及另外形成用于通入空腔内的附加开口，在所述空腔内设有磁铁。此外，各端面上可以形成通入热隔绝装置内的开口。在垂直于中心轴线2的横截面内，该转子的外围边缘10呈圆形。转子包括多个分布在环周上或者沿周向间隔开的磁铁11和与之对应的或所属的热隔绝装置12。在这个作为横截面视图或纵向剖视图的图1中仅仅示出了一个磁铁11和一个热隔绝装置12。

箭头13表示径向轴线，该径向轴线被定义为垂直于中心轴线2地由该中心轴线2出发穿过磁铁11的一个几何中心朝向转子的外围边缘10延伸的一条轴线。

图2示出了第一种类型的一块转子叠片14，其可以形成转子的端面8、9中的一个。该转子叠片14包括用于轴向延伸的多根导电条的开口15，这些导电条形成一个笼型绕组4。所述多根导电条通过所述短路端环5、6在转子沿轴向对置的或相反的端部内导电连接(参见图1)。永久磁铁布置在由转子内的开口16形成的空腔内。转子被设置成用于绕中心轴线2旋转。为了在转子内安装旋转轴以便在定子中可转动地悬挂或支承转子，转子是管形的，并带有形成支撑面或支承面7的内周面和形成了外围边缘10或转子的外周面。开口17、18也是为形成绕组的导电条而设置的。

图3示出了第二种类型的另一转子叠片17，该转子叠片构成了转子芯在端面8、9之间的主要部分。在一种可选的实施形式中，第二种类型的转子叠片形成了根据本发明的转子的整个转子芯。与第一种类型的转子叠片类似的是，第二种类型的转子叠片包括用于形成了笼型绕组4的轴向延伸的导电条的开口18、用于磁铁11的开口19以及用于曲轴的开口20。除这些开口外，第二种类型的转子叠片还具有开口21，这些开口21在转子叠片叠放时形成一个或多个热隔绝装置。这些开口21形成空腔，该空腔内填充有空气、或者一种比空气重的气体、或者是任意一种导热率低于转子叠片制造材料导热率的其它材料。

点划线22表示一条径向轴线，该径向轴线被定义为垂直于中心轴线2地由该中心轴线2出发并穿过(布置在由开口19形成的空腔内)的磁铁11的一个几何中心向转子的环周壁或外围边缘10延伸的一条轴线，参见图1中的箭头13。点划线23表示一个二维的平面或投影面，即一个由三个非偶极的或非共线的点确定的平面。该平面处于其中一个磁铁和一个与之对应的热隔绝装置之间。如图所示，该平面垂直于由点划线22表示的径向轴线。

在所示实施形式中，这样地设计所述热隔绝装置的尺寸，使得热隔绝装置沿径向轴线在该平面上的投影大小几乎为磁铁沿径向轴线在该平面上的投影大小的100％。期望所述热隔绝装置的投影大小至少为所述磁铁投影大小的50％，以便保护磁铁不受在形成绕组4的导电条中所产生的热量的影响。

通风气隙或通风孔或通风通道或通风通路24在端面内形成开口并在所述端面之间延伸穿过转子。通风气隙布置在各个热隔绝装置之间。该通风气隙提供沿轴向穿过转子的磁通或用于冷却转子的空气流，为此，通风气隙形成一个低导热率的区域，以便降低从绕组到磁铁的热传导。通风气隙24另外对磁铁起到磁通隔绝的作用。

另外有两排沿周向间隔开的通风气隙或通风孔25在各端面内形成开口。在热隔绝装置形成封闭空腔并且该封闭空腔按照在双层镶玻璃窗内的绝热原理降低导热率的同时，通风气隙通过输送穿过转子的磁通或空气流来进一步冷却转子。与之相应的是，所述封闭类型的气隙或气孔以及通风气隙或通风孔以两种完全不同的方式保护磁铁。

两个特别大的开口26、27形成用于磁铁的空腔。开口的径向外部用空气或铝填充，所述铝是在浇铸短路电枢或笼型绕组时流入到所述开口中的，其中，开口必须由一个窄的桥接部分27划分或分割成两个腔室(仅在所示开口中的一个内示出)。较大的磁铁布置在较大的热隔绝装置28-31之间。

图4示出了图3中较大磁铁6的一个放大视图。该图示出，较大的热隔绝装置28-31沿径向在外侧以圆形片段32、33终结。圆形片段易于制造，改善或延长了用于制造转子叠片的冲压装置内的冲头或凿孔机的寿命。

图5示出了一个磁铁34以及与之对应的一个热隔绝装置35的放大视图。热隔绝装置35包括一个平行于磁铁34的表面37的表面。该气隙的这一边缘对应地基本上具有一个与磁铁的平行边缘相对应的长度。此外，气隙的这一边缘基本上垂直于从中心轴线朝往转子外围边缘的径向方向。该径向方向以点划线38表示。

如图5所示，热隔绝装置35包括两个平行边缘和两个直径与热隔绝装置宽度一致的半圆形端面39、40。面36、37之间的片段41的宽度(即垂直于面36、37并在各面上的端点之间延伸的一条直线的长度)小于磁铁沿径向轴线的厚度；此厚度以箭头42示出。

Claims (15)

1.一种用于直接启动电动机的转子，其中，所述转子或电动机包括：

-用于绕中心轴线(2)旋转的笼型转子或转子(1)，所述转子具有转子芯和笼型绕组(4)，该转子芯带有沿轴向对置或相反的端面(8，9)，

-多个布置在所述转子芯内的永久磁铁(11)和热隔绝装置(12)，其中，所述热隔绝装置(12)布置在各磁铁(11)和笼型绕组(4)之间并且导热率低于所述转子芯的导热率。

2.根据权利要求1所述的转子，其中，所述热隔绝装置(12)之一在位于一个磁铁(11)和该热隔绝装置(12)之间的一个投影面(23)之上或之内的投影大小是所述磁铁之一在该投影面(23)之上或之内的投影大小的至少50％。

3.根据权利要求1或2所述的转子，其中，所述热隔绝装置(12)布置为靠所述磁铁(11)比靠所述笼型绕组更近。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的转子，其中，所述热隔绝装置(12)在垂直于所述中心轴线(2)的横截面内具有矩形形状或结构。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的转子，其中，所述各个热隔绝装置(12)贯穿所述转子地在所述各端面(8，9)内的开口之间延伸。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的转子，其中，至少一个热隔绝装置(12)通过空腔形成，该空腔内含有空气或一种比空气重的气体。

7.根据权利要求6所述的转子，其中，所述空腔螺旋形地绕所述中心轴线(2)缠绕或卷绕，以便在所述转子绕所述中心轴线(2)旋转时产生穿过所述空腔的气流。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的转子，其中，所述磁铁(11)和所述热隔绝装置(12)具有平行的相邻面(36，37)。

9.根据权利要求8所述的转子，其中，垂直于所述相邻面(36，37)并在每个相邻面上各有一个端点的片段或区段(41)的长度小于所述磁铁沿着所述径向轴线的厚度(42)。

10.根据权利要求8或9所述的转子，其中，所述相邻面(36，37)垂直于一条从所述中心轴线(2)向所述转子(1)的外圆周(10)延伸的径向轴线(38)。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的转子，该转子另外具有一个或多个通风通道(25)，所述通风通道布置于所述笼型绕组和所述热隔绝装置(12)之间或者所述磁铁和所述曲轴之间，其中，所述通风通道延伸通过所述转子，以便在所述转子的所有沿轴向对置或沿轴向相反的端面内的所述开口之间形成通道。

12.根据权利要求11所述的转子，其中，所述转子另外具有多个通风气隙(24)，所述多个通风气隙沿圆周分布在沿圆周相邻的热隔绝装置(12)之间或者沿圆周方向相互间隔开。

13.根据权利要求12所述的转子，其中，所述通风通道(25)螺旋形地绕所述中心轴线(2)延伸。

14.一种带有根据权利要求1至13中任一项所述的转子的直接启动电动机。

15.一种用于保护直接启动电动机的转子内的磁铁的方法，其中所述方法包括下列步骤：

-提供一种用于绕中心轴线旋转的转子，该转子具有转子芯以及笼型绕组，所述转子芯具有沿轴向对置或相反的端面，

-在所述转子的空腔内提供至少一个永久磁铁，

-在所述磁铁和所述绕组之间提供至少一个热隔绝装置。

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