CN104254968A - 用于直接起动永磁机的转子 - Google Patents

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Abstract

一种转子，包括叠片，该叠片有多个转子杆狭槽，这些转子杆狭槽绕转子不对称地布置。叠片还有磁体狭槽，该磁体狭槽绕转子等角度地间隔开。磁体狭槽延伸到转子外径附近，并有布置于其中的永磁体，该永磁体产生磁极。磁体狭槽可以形成得比布置于其中的永磁体更长，并确定了一个或多个磁体狭槽孔。永磁体确定了多个磁极和磁极节距。转子杆狭槽与相邻磁体狭槽间隔开一定距离，就该距离为磁极节距的至少4％。导电材料布置在转子杆狭槽中，且在一些实施例中可以布置在磁体狭槽孔中。

Description

用于直接起动永磁机的转子
关于联邦资助研究或发展的说明
根据由Department of Energy提供奖金的协议No.DE-FG36-08GO180132，本发明获得政府支持。政府有本发明的某些权利。
背景技术
本发明涉及用于转子的叠片，该转子用于直接起动的永磁机。换句话说，马达利用同步电机的原理用于在同步速度下操作，并利用感应电机的原理用于马达的起动。
附图说明
图1是具有用于起动马达的感应操作的永磁马达的透视图；
图2是图1的马达沿平面2-2的局部剖视图；以及
图3-6表示了在图1的马达的转子中使用的叠片的示例实施例。
具体实施方式
参考附图，图1表示了示例的电马达10。在所示实施例中，马达10包括直接起动(line start)永磁马达。示例马达10包括框架12，该框架12在各端处分别由驱动端帽和相对驱动端帽14、16来覆盖。框架12以及驱动端帽和相对驱动端帽14、16进行配合，以便形成用于马达10的外壳或马达壳体。框架12以及驱动端帽和相对驱动端帽14、16可以由任意数目的材料来形成，例如钢、铝、或者任意其它合适的结构材料。驱动端帽和相对驱动端帽14、16可以包括安装和输送特征，例如所示的安装支脚18和耳钩20。
为了使转子旋转，电流沿线路流过布置在定子中的定子绕组。(见图2。)定子绕组进行电互连，以便形成组。定子绕组还与端子引线(未示出)联接，该端子引线使得定子绕组与外部电源(未示出)电连接，例如480VAC三相电或110VAC单相电。电路盒24容纳了在端子引线和外部电源之间的电连接件。电路盒24包括金属或塑料材料，且优选地提供通向马达10的某些电部件的进口。来自外部电源的电流沿线路流过定子绕组将产生磁场，该磁场引起转子旋转。与转子联接的转子轴26与转子联合旋转。也就是，转子的旋转转化成转子轴26的相应旋转。本领域普通技术人员应当知道，转子轴可以与任意数目的驱动机器元件联接，从而将力矩传递至给定的驱动机器元件。例如，机器(例如泵、压缩机、风扇、传送器等)可以利用转子轴26的旋转运动来操作。
图2是图1的马达10沿平面2-2的局部剖视图。为了简化说明，只表示了马达10的顶部部分，因为马达10的结构沿它的中心线基本成镜像。如上所述，框架12以及驱动端帽和相对驱动端帽14、16进行配合，以便形成用于马达10的外壳或马达壳体。在外壳或马达壳体内有多个定子叠片30，这些定子叠片30彼此相互并置和对齐，以便形成叠片堆垛，例如连续定子芯32。在示例马达10中，定子叠片30彼此基本相同，各定子叠片30包括与相邻叠片配合的特征，以便形成用于连续定子芯32的累积特征。例如，各定子叠片30包括中心孔，该中心孔与相邻定子叠片的中心孔配合，以便形成转子腔室34，该转子腔室34延伸定子芯32的长度，它的尺寸设置得用于接收转子。另外，各定子叠片30包括多个定子狭槽，这些定子狭槽绕中心孔周向布置。这些定子狭槽进行配合，以便接收一个或多个定子绕组36，该定子绕组36在图2中表示为线圈端部，该定子绕组36延伸定子芯32的长度。如后面更详细所述，在起动时，定子绕组可通过交流电压被供电，以便建立旋转的第一场，该第一场与鼠笼绕组的转子杆共同作用，以便在感应马达原理下起动转子。
在示例马达10中，转子组件40存在于转子腔室34内。与定子芯32类似，转子组件40包括多个转子叠片42，这些转子叠片42彼此相互对齐和相邻布置。因此，转子叠片42进行配合，以便形成连续转子芯44。当装配时，转子叠片42进行配合，以便形成轴腔室，该轴腔室穿过转子芯44的中心延伸，并用于接收穿过其中的转子轴26。转子轴26相对于转子芯44固定，这样，转子芯44和转子轴26作为单个整体而绕转子中心轴线45旋转。
示例转子组件40还包括导电部件，例如转子杆48，该导电部件布置在转子芯44中，与转子端部部件46电连接，以便形成起动笼。布置在转子芯44的相对端处的端部部件46大致为圆形截面，具有与转子叠片42的直径大致近似的外径。转子杆48与端部部件46配合而形成用于在转子40内的感应电流的至少一个封闭电通路。因此，转子杆48和端部部件46包括具有良好电导率的材料，例如铝和铜。转子杆和转子叠片的另外细节将在后面更详细介绍。
为了支承转子组件40，示例马达10包括驱动和相对驱动轴承组50、52，该驱动和相对驱动轴承组50、52固定在转子轴26上，并便于转子组件40在静止的定子芯32内旋转。在马达10的操作过程中，轴承组50、52将由转子组件40产生的径向和推力负载传递给马达壳体。各轴承组50、52包括内座圈54，该内座圈54绕转子轴26沿周向布置。在内座圈54和转子轴26之间的紧配合使得内座圈54与转子轴26联合旋转。各轴承组50、52还包括外座圈56和旋转元件58，该旋转元件58布置在内座圈和外座圈54、56之间。旋转元件58便于内座圈54旋转，同时外座圈56保持静止并相对于驱动和相对驱动端帽14、16安装。因此，轴承组50、52便于转子组件40旋转，同时将转子组件40支承在马达壳体(即框架12以及驱动和相对驱动端帽14、16)内。为了降低在座圈54、56和旋转元件58之间的摩擦系数，轴承组50、52涂覆有润滑剂。尽管附图表示了轴承组50、52有作为旋转元件的滚珠，但是轴承组可以是其它结构，例如套筒轴承、滚针轴承、滚柱轴承等。
图3-6提供了转子叠片42的示例实施例的进一步细节。各转子叠片42有大致圆形截面，并由磁性材料形成，例如电钢。各叠片42包括从端部至端部(即横向于截面)延伸的特征，当与相邻叠片42对齐时，该特征形成沿轴向穿过转子芯44延伸的累积特征。例如，各示例转子叠片42有布置在叠片42的中心中的圆形轴孔62。相邻叠片42的轴孔62进行配合，以便形成轴腔室，该轴腔室用于接收穿过其中的转子轴26(见图2)。转子芯有外径“Dr”。
另外，各叠片42包括一系列的转子杆狭槽64，这些转子杆狭槽64布置在绕叠片的位置处，这样，当装配时，转子杆狭槽进行配合，以便形成用于转子杆的槽道，该转子杆穿过转子芯44延伸。转子杆狭槽从转子外径Dr沿径向向内间隔开。如图中所示，根据用途，各转子杆狭槽可以径向向外延伸至相对于转子外径Dr大致相同的径向位置，或者一个或多个转子杆狭槽可以径向向外延伸，并相对于外径Dr终止于不同的径向距离。转子杆48可以有与转子杆狭槽64相同的形状，以便提供用于转子杆48在转子槽道内的紧配合。转子杆可以制造成在转子杆48和转子杆狭槽之间有紧公差。转子杆狭槽还可以设置成用于接收导电材料，以便形成用于马达的起动笼的转子杆48。导电材料可以包括引入狭槽内的熔融材料，以便形成铸造转子杆。端部部件也可以铸造。
另外，转子叠片42包括磁体狭槽70。磁体72可以以多种方式布置在磁体狭槽中，以便形成用于转子的磁极。磁体狭槽可以布置成使得磁体为单层或多层。磁体狭槽还可以布置成使得磁体形成普通的“v”或“u”形或者倒“v”或“u”形。可以是每个狭槽只有一个磁体或者每个狭槽有多个磁体。磁体可以沿大致径向方向磁化，以便在磁体上建立向内和向外布置的北极和南极。这意味着相邻磁体配合，以便在转子的周边上建立交替的北极和南极。转子可以构成为有任意偶数的磁极。用于两磁极马达的示例叠片在图3中示出，用于四极马达的示例叠片在图4-6中示出。如图中通过实例(非限定)所示，磁体可以建立如由参考标号80表示的直轴和如由参考标号82表示的象限轴。磁体确定了在转子周边上的总体磁化轴线(北极或南极)。磁体狭槽的、面对总体磁化轴线的边缘(该边缘从磁体沿径向向外)建立了大致弓形的饱和边界区域，如由参考标号84a、84b所示。在磁体布置于磁体狭槽内的情况下，磁体狭槽的、面对总体磁化轴线的边缘和磁体的边缘将相同。图3和6表示了在磁体狭槽中的永磁体之间有间隙85的实施例。在例如图6所示的多层结构中，饱和边界区域由设置在径向向外最远侧的磁体狭槽来确定。
在图3-6所示的各叠片设计中，磁体狭槽70延伸至转子的周边边缘，以使得磁体狭槽的一端在周边边缘附近。根据用途，一个或多个磁体狭槽可以有径向向外的端部，该径向向外的端部在相对于转子外径Dr和转子杆狭槽大致相同的径向位置处，如图中所示；或者，一个或多个磁体狭槽可以径向向外延伸，并终止于相对于彼此和/或相对于转子杆狭槽的不同距离处。布置在磁体狭槽中的磁体72有沿磁体狭槽方向的更小纵向长度(与磁体狭槽相比)，这样，磁体在安装于磁体狭槽中时形成在永磁体的端部和磁体狭槽之间的磁体狭槽孔86。磁体狭槽孔可以充满导体材料，以便形成附加的转子杆，该附加转子杆也与端部部件46连接。
形成起动笼的转子杆48可以有与在具有均匀笼的机器中看到的转子杆不同的尺寸、形状和间距。另外，转子杆狭槽64可以绕转子以不对称的方式(而不是均匀分布)分布，即，环绕叠片表面的外边缘不对称(而不是等角度地间隔开)。另外，转子杆狭槽可以有任意形状。叠片可以相互偏置地堆垛，以使得在狭槽中的转子杆相对于转子旋转轴线为螺旋形。另外，转子杆狭槽90可以用于与象限轴线82对齐。象限轴线的转子杆狭槽90可以有这样的几何形状，它与对齐直轴80的至少一个转子杆狭槽匹配。尽管一些附图表示了在直轴中的多个转子杆狭槽和在象限轴线中的一个转子杆狭槽，但是也可以使用其它变化形式。
图3-6中所示的叠片设计在一定范围的条件中(包括额定负载)优化磁通量通路。在图3-6所述的叠片的各设计中，转子杆的起动笼和磁体的布置将在较宽范围的负载和操作条件下允许转子磁通量通过。对于图3-6的各示例实施例，在布置于饱和边界区域84a、84b中的转子杆狭槽和磁体狭槽之间的距离被控制，从而使得在饱和边界区域中的各转子杆狭槽优选地定位得离开相邻磁体狭槽一定距离，该距离等于或超过磁极节距的百分之四(4％)。换句话说，在饱和边界区域中的任意一个转子杆狭槽与相邻磁体狭槽的最接近距离必须等于或超过磁极节距的百分之四。该最接近距离在下文中称为(“Drb-m”)，并由关系式(“Drb-m”)≥0.04×(“pp”)确定。用于机器的磁极节距(“pp”)可以由等式(“pp”)＝{(“DR”)×(π)}/(“P”)来确定，其中，“DR”是转子的直径，(“P”)是用于机器的磁极数目，其由永磁体的组数来确定。在饱和边界区域中的一个或多个转子杆狭槽可以布置成相对于相邻磁体狭槽保持该参数。在饱和边界区域外部的转子杆狭槽(例如大致与象限轴线82对齐的转子杆狭槽90)也可以定位成相对于相邻磁体狭槽保持该参数。
在图3-6所示的转子设计中，在饱和边界区域中的至少一个转子杆狭槽64具有径向内边缘92，该径向内边缘92大致与在相邻磁体狭槽70中的磁体72的侧部相符。图3-6表示了以多种结构布置在磁体狭槽中的磁体。在各实例中，在饱和边界区域中的一个或多个转子杆狭槽64的径向内边缘的几何形状与该转子杆狭槽的相邻磁体的几何形状匹配。在饱和边界区域中的一个或多个转子杆狭槽可以形成为有径向内边缘，该径向内边缘确定了与相邻磁体大致平行的参考平面。这样，一个或多个转子杆狭槽可以有离相邻磁体狭槽的一定距离，该距离满足或超过磁极节距(“pp”)的百分之四(4％)。在饱和边界区域外部的转子杆狭槽(例如大致与象限轴线82对齐的转子杆狭槽90)也可以以类似方式成形，以便保持该参数。
尽管某些实施例已经在前面的详细说明中详细介绍且在附图中表示，但是本领域普通技术人员应当知道，根据本发明的总体教导可以发展对于这些细节的多种变化和改变。特别是，附图和转子叠片的示例实施例是为了表示示例实例，而绝不是用于限制。因此，所公开的特定结构只是示例说明，而并不限制本发明的范围，本发明的范围将由附加权利要求和它们的任意等效物的整个外延来给出。

Claims (28)

1.一种电机，包括：
定子；
转子芯，该转子芯布置在定子内；
转子芯包括多个大致相似的叠片，这些叠片端对端地堆垛，以便形成连续转子芯，转子芯可相对于定子绕中心轴线旋转，转子芯有外径(DR)，各叠片有：
多个磁体狭槽，这些磁体狭槽在转子外径的径向内部间隔开，且磁体狭槽的一端邻近转子外径，并朝着转子中心轴线大致向内延伸，磁体狭槽有布置于其中的永磁体，布置在磁体狭槽中的永磁体限定了用于电机的多个磁极(P)和用于电机的磁极节距(pp)，其中，磁极节距(pp)＝(π×DR)/(P)，磁体确定了转子的各磁极的总体磁化轴线，磁体狭槽的面对该总体磁化轴线的边缘确定了饱和边界区域；以及
多个转子杆狭槽，这些转子杆狭槽绕转子芯中心轴线间隔开，各转子杆狭槽在转子外径的径向内部，且转子杆狭槽的一端邻近转子外径，该多个转子杆狭槽绕转子芯有不对称的角度间隔；
其中，布置在饱和边界区域中的转子杆狭槽与相邻磁体狭槽间隔开一定距离，该距离为磁极节距(“pp”)的至少百分之四；
导体材料，该导体材料布置在转子杆狭槽中；以及
端部部件，该端部部件布置在转子芯的轴向相对端上，该端部部件与导体材料电接触。
2.根据权利要求1所述的电机，其中：磁体狭槽形成大致V形。
3.根据权利要求2所述的电机，其中：所述V形包括钝角。
4.根据权利要求1所述的电机，其中：在饱和边界区域中的两个或更多转子杆狭槽有径向内边缘，该径向内边缘确定了与相邻磁体大致平行的参考平面。
5.根据权利要求1所述的电机，其中：在饱和边界区域中的至少一个转子杆狭槽有径向内边缘，该径向内边缘与相邻磁体的形状大致相符。
6.根据权利要求1所述的电机，其中：在饱和边界区域中的全部转子杆狭槽与它们的相应相邻磁体狭槽间隔开基本相同距离。
7.根据权利要求1所述的电机，其中：磁体狭槽形成大致U形。
8.根据权利要求1所述的电机，其中：相邻叠片相对于与转子中心轴线平行的线歪斜。
9.根据权利要求1所述的电机，其中：导体材料包括穿过转子杆狭槽延伸的杆。
10.根据权利要求1所述的电机，其中：导体材料随着端部部件的形成而穿过转子杆狭槽来铸造。
11.根据权利要求1所述的电机，其中：转子杆狭槽的端部在基本相同距离处形成于外径附近的叠片中。
12.根据权利要求1所述的电机，其中：磁体狭槽沿纵向比布置于其中的永磁体更长，并确定了在永磁体的一端和磁体狭槽之间的至少一个磁体狭槽孔。
13.根据权利要求12所述的电机，其中：导体材料布置在磁体孔中。
14.根据权利要求1所述的电机，其中：布置在饱和边界区域外部的转子杆狭槽与相邻磁体狭槽间隔开一定距离，该距离为磁极节距的至少百分之四。
15.一种机器，包括：
转子，该转子有叠片，该叠片有多个磁体狭槽，这些磁体狭槽在转子的周边边缘的径向内部，转子周边边缘确定了转子外径(Dr)，磁体狭槽有布置于其中的磁体，该磁体确定了机器的多个磁极(P)和用于机器的磁极节距(pp)，其中，磁极节距为(pp)＝(π×Dr)/(P)，磁体确定了转子的各磁极的总体磁化轴线，磁体狭槽的面对该总体磁化轴线的边缘确定了饱和边界区域，转子还包括多个转子杆狭槽，转子杆狭槽的第一部分布置在饱和边界区域中并具有在包括第一部分的转子杆狭槽之间的第一角度间隔，转子杆狭槽的第二部分具有在包括第二部分的转子杆狭槽之间的第二角度间隔，第一角度间隔与第二角度间隔不同，布置在饱和边界区域中的转子杆狭槽与相邻磁体狭槽间隔开一定距离，该距离为磁极节距的至少百分之四，转子还包括导体材料，该导体材料布置在转子杆狭槽中；以及
端部部件，该端部部件在转子的轴向端部上，与转子杆狭槽中的导体材料电连通。
16.根据权利要求15所述的机器，其中：磁体狭槽形成大致V形。
17.根据权利要求16所述的机器，其中：所述V形包括钝角。
18.根据权利要求15所述的机器，其中：在饱和边界区域中的两个或更多转子杆狭槽有径向内边缘，该径向内边缘确定了与相邻磁体狭槽大致平行的参考平面。
19.根据权利要求15所述的机器，其中：在饱和边界区域中的至少一个转子杆狭槽有径向内边缘，该径向内边缘与相邻磁体的形状大致相符。
20.根据权利要求15所述的机器，其中：在饱和边界区域中的转子杆狭槽与它们的相应相邻磁体狭槽间隔开基本相同距离。
21.根据权利要求15所述的机器，其中：磁体狭槽形成大致U形。
22.根据权利要求15所述的机器，其中：相邻叠片相对于与转子中心轴线平行的轴线歪斜。
23.根据权利要求15所述的机器，其中：导体材料包括穿过转子杆狭槽延伸的杆。
24.根据权利要求15所述的机器，其中：导体材料随着端部部件的形成而穿过转子杆狭槽来铸造。
25.根据权利要求15所述的机器，其中：第一部分的转子杆狭槽各自有不同形状。
26.根据权利要求15所述的机器，其中：磁体布置在磁体狭槽中，从而使得磁体与磁体狭槽的邻近转子周边边缘的一端间隔开，并形成磁体狭槽孔。
27.根据权利要求26所述的机器，其中：导体材料布置在磁体孔中。
28.根据权利要求15所述的机器，其中：布置在饱和边界区域外部的转子杆狭槽与相邻磁体狭槽间隔开一定距离，该距离为磁极节距的至少百分之四。
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