CN103312066B - 具有永磁激励的电枢的电机和附属的永磁激励的电枢 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电机（10），在该电机中由定子（14）和电枢（12）限定气隙（28）的边界，定子（14）通过该气隙与电枢（12）的磁致激活部件的磁场共同起作用，其中，电枢（12）包括永磁体（18）以及布置在该永磁体之间的软磁的磁通量引导元件（22）作为磁致激活部件。在至少一个延伸方向（16）上的电枢（12）的磁致激活部件比在该延伸方向（16）上的定子（14）的磁致激活部件的软磁的磁通量引导装置（32）长。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有定子和电枢的电机，其中，电枢包括永磁体以及布置在这些永磁体之间的软磁的磁通量引导元件作为磁致激活部件。在本发明的上下文中，电机特别是指这种具有转子的电机，并且在此优选为同步电机和伺服电机。根据本发明的电机特别适合作为电动车的驱动装置。但本发明也可以通过直线电动机来实现。
背景技术
在此处以及下文中，电枢的磁致激活部件是指在很大程度上通过电机的气隙参与定子与电枢之间的内在磁性相互作用的那个电枢组成部分。由此限定电枢的那个部分的边界，该部分仅支撑磁致激活部件并用于机械的力传递，也就是说在转子的情况下例如是它的轴。本发明还包括电机的电枢，该电枢由永磁体永磁激励。
为了能够在预先确定的结构空间中借助于电机在电动机运行过程中产生尽可能大的转矩，通过在电机的定子与电枢之间的气隙的区域中提供尽可能大的磁通量而形成解决方案。例如在电动车中需要，在驱动电动机中在气隙中提供平均值为0.6特斯拉至0.8特斯拉的通量密度。在使用发电机的情况下得出相对于产生电压而言的同样的解决方案。
在永磁激励的电枢，即不通过线圈电激励的电枢中(在这些电枢中只通过永磁体产生电枢磁场)，可以通过相应大量的永磁体产生尽可能大的通量密度。为此，可能有必要在电枢中设计较大的极数。这又导致了在快速变换的定子磁场中，也就是例如在转速高时，造成电枢和定子中反复磁化频率高的问题。在用于电动车的驱动电动机的例子中，转子必须能够在每分钟5000至10000转的范围内旋转。这可以产生较大的涡流并从而使电机大大升温。
在文件EP 1 416 617 A1中描述了一种用于电机的转子，在该转子中，永磁体以星形方式布置在轴上，并在这些永磁体之间分别布置叠片区段作为磁通量引导元件。在每两个叠片区段的端面上布置永磁体；在位于其间的叠片区段处分别设置导磁元件。叠片区段和布置在这些叠片区段之间的永磁体分别构成磁性单元，其中，该磁性单元彼此相互磁性独立。如果将转子装入定子中，就形成三条磁回路，这三条磁回路都仅仅在径向方向上经过转子的端面的终端叠片延伸。
在文件GB 1 487 877 A中描述了一种转子，在该转子中，以星形方式围绕轴布置的永磁体向磁通量引导元件中输送磁通量，该磁通量引导元件分别布置在永磁体之间。沿径向在每个磁通量引导元件下方，即在每个磁通量引导元件和轴之间，分别布置另一个永磁体，该永磁体也向相应的磁通量引导元件中输送磁通量。
在文件US 2007/267930 A1中描述了一种用于电机的转子，在该转子中，永磁体以星形方式围绕轴布置，并在这些永磁体之间布置软磁的磁通量引导元件。转子在轴向方向上沿着转子的旋转轴线从电机的定子伸出，转子安装在该定子中。
发明内容
本发明的目的在于，在电机中，在转速较大时也能实现大转矩的传输。
该目的通过根据本发明的电机和转子实现。
本发明可以实现在极数相对较小时提供高磁性气隙感应，即磁通量密度。为此，原则上将电枢的激活部件设计为比定片或定子的激活部件长。电枢的磁致激活部件在此包括永磁体以及布置在这些永磁体之间的软磁的磁通量引导元件，这些磁通量引导元件传导由永磁体产生的磁通量。电枢的这个磁致激活部件现在在至少一个延伸方向上比沿在该延伸方向上的定子的磁致激活部件的软磁的磁通量引导装置长。定子的这个软磁的磁通量引导装置通常是叠片铁心，定子的电线圈嵌入该叠片铁心中。
在此描述的电机设计方案以这样的认识为依据，即从电枢的从定子中伸出的部分的磁致激活部件发出的磁场不一定作为散射场起作用，也就是没有为转矩传输带来好处。取而代之，磁场的力线从电枢的伸出部分出发，一直延伸到气隙的边缘，并在那里进入定子的软磁的部件。于是，在电机的气隙中在定子的软磁的部件的边缘处得出场密度，从而在此处相对于根据背景技术的电机增大磁场的场强度。
根据本发明的电机设计方案可以非常好地与电枢相结合，该电枢的磁致激活部件本身是为另一种磁通量集中而设计的。换言之，在此在电枢内部自身已经产生了磁通量集中。由此实现这种情况，即永磁体的磁化不能朝向气隙的方向，而是要横交于气隙的方向。换言之，永磁体的磁化横交于表面区域的法向量，它从中以磁性形式从电枢发出或重新进入这个电枢。在此，横交于法向量是指法向量和磁化形成夹角，该角度在45°至135°的范围内，特别是在75°与105°之间的范围内。特别优选的是垂直定向。对于将电枢设计为转子的情况，也就是说基本形状为圆柱形的情况，在这种实施方式中得出朝向转子的圆周方向的切线方向的永磁体的磁化和在径向方向上的磁通量集中。
通过对永磁体的磁化的这种布置方式，可以在永磁体的北极使那里发出的磁场从与其邻接的磁通量引导元件向气隙的方向改变线路，其中，实现对磁场进行压缩，从而在气隙中形成磁通量比永磁体本身表面处磁通量更大的磁场。在永磁体的南极上得出相应的比例，磁场在那里重新进入这个永磁体。通过借助于电枢的磁致激活部件引起磁场集中还可以使用磁通量较小的磁铁，特别是铁氧体磁铁，但仍然可以在气隙中达到期望的较高的磁通量。
由于电枢的磁致激活部件在其从定子中伸出的端部具有其它永磁体，该永磁体同样布置在一个磁通量引导元件处，因此气隙范围内的磁通量仍然继续上升。于是这些永磁体的磁化与延伸方向平行，电枢沿着该延伸方向从定子中伸出。在此，将磁化布置为平行于延伸方向是指，磁化和由延伸方向定义的轴线形成夹角，该夹角的数值在0至45°的范围内，特别是在0至15°的范围内。对于将电枢设计为转子的例子，这意味着，转子在轴向方向上沿着旋转轴线从定子中伸出，并且在转子的端面上，沿轴向磁化的永磁体被布置在磁通量引导元件的端部上。
通过在磁通量引导元件的端部上的额外的永磁体可以将额外的磁通量输送到磁通量引导元件中，额外的磁通量同样在磁通量引导元件中集中并在气隙内部向定子传输。在使用具有平行于延伸方向的磁化的永磁体的情况下，软磁的磁通量引导元件本身不需要也从定子的软磁部件中伸出。
在多个磁通量引导元件上，在电枢的端部上分别布置与延伸方向平行的永磁体，这些永磁体彼此通过软磁回路元件相互磁性地耦合。从而尽管在采用额外的永磁体的情况下也能够保持较小的漏磁通量。
平行于延伸方向磁化的永磁体当然可以安装在电枢的两个端部上，该两个端部随后在延伸方向上从定子中伸出。
同样属于本发明的电枢同样具有至少一个磁通量引导元件，在该磁通量引导元件上，在磁通量引导元件的四个不同的侧面上分别邻接至少一个永磁体。此外，这个磁通量引导元件使邻接的永磁体与电枢的外侧的表面区域耦合，即在电枢的安装完成的状态中限定气隙的边界的那个外侧。此外，与磁通量引导元件邻接的永磁体具有都朝向磁通量引导元件或者都远离该磁通量引导元件的磁化。于是，在前述表面区域处形成具有特大通量密度的电枢的磁极。根据本发明的电枢设计为转子。该转子具有以下结构：在垂直于转子的旋转轴线的横截面中，切向地在圆周方向上被磁化的永磁体以星形方式围绕转子的轴布置，并且在这种情况下在永磁体之间分别布置楔形的叠片区段。这样一来，就限定了位于永磁体的两个不同侧面上的各个叠片区段的边界。在转子的端面上，其它沿轴向磁化的永磁体布置在叠片区段上。于是，每个叠片区段分别具有另外两个与叠片区段邻接的永磁体，也就是说每个叠片区段共有四个永磁体。
与如何设计电枢的软磁的磁通量引导元件的问题相联系，要注意的是，这些软磁的磁通量引导元件也必须能够良好地沿着转子从定子中伸出的方向引导磁通量，即，特别是沿着转子中的旋转轴线。对此，可以发现，叠片铁心适合充当磁通量引导元件，例如在电机中将叠片铁心用在需抑制涡流的区域内。叠片铁心由软磁的叠片构成，该叠片堆成叠片铁心，其中，在各叠片之间设计了用于阻止涡流的电绝缘层。在叠片内部自行形成良好的磁通量传导性的同时，需在引导磁通量横向越过多个叠片层时注意，要将电绝缘装置相应地设计得薄一些。如果是这种情况，就可以，例如在转子中既沿轴向又沿径向引导磁通量并在此时对磁通量进行压缩。
通过本发明尤其可以实现提供一种电机，在该电机中，转子的极对数小于六并且气隙中的通量密度的平均值仍然大于0.6特斯拉，甚至大于0.7特斯拉。这特别是在铁氧体磁铁被设计为永磁体时也是可以实现的。
本发明还包括根据本发明的转子的改进方案，所述的改进方案包括已经结合根据本发明的电机的改进方案所描述的特征。出于这个原因，此处没有对根据本发明的电枢的相应的改进方案进行再次描述。
附图说明
以下再次根据具体的实施例对本发明作进一步说明。图中示出：
图1在横截面中示出根据本发明的电机的优选实施方式的示意图，
图2在纵截面中示出图1所示电机的示意图，
图3示出图1所示电机的转子的外侧的示意图，
图4在横截面中示出电机的示意图，和
图5示出关于不同电机的气隙中的通量密度的图表。
具体实施方式
在下文阐述的例子中所描述的电机组件分别体现出电机的各个可彼此独立考虑的特征，这些特征分别也彼此独立地对电机进行改进，从而也可以将这些特征单独地或以不同于图中示出的组合看作本发明的组成部分。
在图1中示出电机10，在所述的电机中，在定子14内部安置转子12。图1在横截面中示出电机，该横截面图垂直于转子12的旋转轴线16，其中，图1示出的旋转轴线16垂直于投影面。图2再次在纵截面中示出电机10，其中，旋转轴线16位于截面平面中。
电机10例如可以是同步电机或伺服电机。例如可以将电机10安装在电动车中作为驱动装置。
转子12具有圆柱形的基本形状并且包括永磁体18，该永磁体以星形方式固定在轴20上。为了图示清晰，只用参考标号标注了其中几个永磁体18。永磁体18例如可以是铁氧体磁铁。磁通量引导元件22分别位于各个永磁体18之间，所述的磁通量引导元件在此设计为楔形，并且总体上分别示出一部分轮廓，其平行于旋转轴线16延伸。图1中还是只用参考标号标注了其中几个磁通量引导元件22。磁通量引导元件22可以分别例如由叠片铁心构成。
永磁体18是沿切线方向磁化的，也就是说，磁化24沿转子12的圆周方向26布置。另外，分别两个邻接的永磁体18在此具有相反的磁化方向。通过磁通量引导元件22，由永磁体18产生的磁通量被改变线路，沿径向向外传输到转子12和定子14之间的气隙28，也就是说，相对于旋转轴线16而言沿径向方向30传输。
定子14包括软磁的磁通量引导装置32，该磁通量引导装置例如能够通过已知方式由叠片铁心构成。在磁通量引导装置32中布置电线圈的绕组34以便在电机10中以受控制的方式产生磁性的旋转场。图1中还是用参考标号仅标注了其中几个绕组34。
下文中根据图2和图3对转子12的端面结构作进一步说明。转子12在端面36，38上具有其它的永磁体40，这些永磁体分别布置在磁通量引导元件22之一上，在其轴向的端部上。永磁体40同样可以是铁氧体磁铁。永磁体40的磁化42分别平行于旋转轴线16，即沿轴向对齐。图3中分别参考标号仅标注了其中几个永磁体40及其磁化矢量42。
转子12的每个磁通量引导元件22共计被永磁体18，40的四个不同的侧面限定边界。在此，这四个邻接的永磁体18，40具有全部朝向磁通量引导元件22或远离该磁通量引导元件的磁化。因此总体上，在气隙28中，转子12的外侧44上得出一系列不断交替的、位于气隙28中的磁通量引导元件22的表面46上的北极N和南极S。
永磁体40的磁通量在每个端面36，38上通过由软磁材料、例如由铁制成的回路元件48闭合(geschlossen)。永磁体18，40、磁通量引导元件22和回路元件48共同构成转子12的磁致激活部件。转子12的磁致激活部件在轴向方向上的、即沿着旋转轴线16的长度50大于定子14的磁通量引导元件32在轴向方向上的相应的长度52。在此，磁通量引导元件22本身不必比定子14的磁通量引导装置32长。
通过转子12的端面36，38上的额外的永磁体40，在气隙28中形成比没有永磁体40的情况下的传统的转子更大的磁通量。为了形象地说明这一点，在图5中给出了关于取决于极对数P的不同的感应或通量密度I(此处以特斯拉为单位)的图表。
为了理解这个图表，结合图4再次形象地说明了没有径向磁通量集中而且在转子12’的端面上也没有额外的永磁体的电机10’的传统结构。为此，图4示出了穿过电机10’的横截面图，该横截面图通过与图1所示横截面图相同的方式构成。电机10’的转子12’由软磁铁心22’构成，永磁体18’固定在该铁心的圆周上，该永磁体在径向方向上向外或朝向转子12’的轴磁化。于是，通过已知的方式沿转子12’的圆周形成一系列北极和南极。永磁体18’可以是铁氧体磁铁或者也可以是稀土磁铁，例如由钕-铁-硼(NdFeB)构成。永磁体18’在圆周方向上完全覆盖转子52。所以，由电机10’的气隙中的永磁体18’产生的磁通量I不取决于电机10’的极对数P。这在图5中通过电机10’的极对数P得出在使用铁氧体磁铁时的水平的通量密度变化曲线58和使用在前述的稀土磁铁时的相应的通量密度变化曲线60。
与之相反，在根据本发明的电机10中，感应或通量密度I(在图1中以特斯拉为单位)取决于转子12的极对数P。在使用铁氧体磁铁作为永磁体18，40时，电机10具有与极对数P相关的通量密度变化曲线62。在使用由NdFeB构成的稀土磁铁作为永磁体18，40时，得出通量密度变化曲线64。为了进行比较，分别示出通量密度变化曲线66，68，就像没有用于不同极对数P的、位于转子12的端部36，38上的额外的永磁体40所得出的那样。
为了在电动车中在常见的转速(5000至10000转/分钟)的情况下用作驱动装置，气隙28中的理想的通量密度或感应为大于0.6特斯拉，优选地为大约0.8特斯拉。电机10’可以在使用稀土磁铁时达到这一数值(见图5中示出的通量密度变化曲线60)。在没有永磁体40的电机10中需要极对数P＝7，以便利用铁氧体磁铁得到0.8特斯拉的磁通量(见图5中示出的通量密度变化曲线66)。本发明可以在极对数P较小时实现磁性气隙感应I。为此，除了径向的磁通量集中之外，借助于其它永磁体40以及将它们布置在磁通量引导元件22上来达到轴向的集中程度。通过这种借助于永磁体40额外沿轴向引入磁通量的方式，可以减少径向磁通量引入，也就是说，可以减少极对数P。在图5中示出，感应变化曲线62已经在极对数P＝5时接近于数值为0.8特斯拉的理想通量密度。因此，损耗功率下降，这能实现电机10的更高的转速。
Claims (11)
1.一种电机(10)，在所述电机中由定子(14)和电枢(12)限定气隙(28)的边界，所述定子(14)通过所述气隙与所述电枢(12)的磁致激活部件的磁场共同起作用，其中，所述电枢(12)包括永磁体(18)以及布置在所述永磁体之间的软磁的磁通量引导元件(22)作为所述磁致激活部件，其中，在至少一个延伸方向(16)上的所述电枢(12)的所述磁致激活部件比在所述延伸方向(16)上的所述定子(14)的磁致激活部件的软磁的磁通量引导装置(32)长，并且所述电枢(12)的所述磁致激活部件沿着所述延伸方向(16)在多个磁通量引导元件(22)上分别具有带有磁化(42)的永磁体(40)，所述磁化平行于所述延伸方向(16)，其特征在于，平行于所述延伸方向(16)磁化的所述永磁体(40)通过软磁的回路元件(48)彼此磁性耦合，通过所述回路元件，所述永磁体(40)的磁通量在所述电枢(12)的端面(36，38)上闭合。
2.根据权利要求1所述的电机(10)，其中，所述电枢(12)的所述磁致激活部件引起磁通量集中，并且为此，邻接于所述永磁体(18)的所述磁通量引导元件(22)分别设计用于，使所述永磁体(18)与相应的、限定所述气隙(28)的边界的表面区域(46)磁性地耦合，并且与所述表面区域(46)耦合的所述永磁体(18)具有磁化(24)，所述磁化横交于所述表面区域(46)的法向量(30)。
3.根据权利要求2所述的电机(10)，其中，所述磁化垂直于所述表面区域(46)的法向量(30)。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的电机(10)，其中，所述电枢(12)设计为具有圆柱形的基本形状的转子，并且其中，所述转子的旋转轴线(16)的走向与所述延伸方向相符。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的电机(10)，其中，分别通过叠片铁心提供所述磁通量引导元件(22)。
6.根据权利要求4所述的电机(10)，其中，分别通过叠片铁心提供所述磁通量引导元件(22)。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的电机(10)，其中，将铁氧体磁铁设计为所述永磁体(18)。
8.根据权利要求6所述的电机(10)，其中，将铁氧体磁铁设计为所述永磁体(18)。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的电机(10)，其中，所述电枢(12)的极对数(P)小于六，并且所述气隙(28)中的磁通量密度(I)的值平均地大于0.6特斯拉。
10.根据权利要求8所述的电机(10)，其中，所述电枢(12)的极对数(P)小于六，并且所述气隙(28)中的磁通量密度(I)的值平均地大于0.6特斯拉。
11.一种电机(10)的电枢(12)，所述电枢通过永磁体(18，40)永磁激励并且所述电枢具有至少一个软磁的磁通量引导元件(22)，在所述磁通量引导元件上，在所述磁通量引导元件(22)的四个不同的侧面上分别布置有其中一个所述永磁体(18，40)，并且所述磁通量引导元件使邻接的所述永磁体(18，40)与所述电枢(12)的外侧(44)的表面区域(46)磁性地耦合，其中，邻接的所述永磁体(18，40)具有磁化(24，42)，所有的所述磁化都朝向所述磁通量引导元件(22)或远离所述磁通量引导元件，并且由此在所述表面区域(46)上形成磁极(N，S)，其中，所述电枢(12)设计为转子，并且其中，在垂直于所述转子的旋转轴线(16)的横截面中，切向地在圆周方向(26)上被磁化的所述永磁体(18)以星形方式围绕所述转子的轴(20)布置，并且在此分别在所述永磁体(18)之间布置有楔形的叠片铁心区段作为所述磁通量引导元件(22)，其特征在于，在所述转子(12)的端面(36，38)上，轴向地被磁化的所述永磁体(40)布置在所有的所述叠片铁心区段上。
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