CN104769825A - 永磁体电机的转子以及转子的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于永磁体电机(1)，尤其是无电刷直流电机的转子(2)，所述转子围绕转子轴线(1')共轴地布置且具有沿着转子轴线(1')延伸的、用于接纳轴(22)的通孔(8)，包括沿着转子轴线(1')延伸的永磁体(3)和极段(4)，其中永磁体(3)和极段(4)沿周向交替地围绕转子轴线(1')布置，所述转子的特征还在于，至少一个，尤其是每个极段(4)的横截面(14)设计为在至少一个第一极段区域(5)中不对称地具有至少一个布置在极段(4)的相对于转子轴线(1')位于径向外部的区域中的成型部(6)，其中成型部(6)基本上沿周向(1”)延伸。此外，本发明还涉及一种根据本发明的转子的应用。

Description

永磁体电机的转子以及转子的应用

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的、用于永磁体电机的转子以及所述转子的应用。

背景技术

电机例如是电动机和发电机，其中它们尤其在机动车中完成不同任务。

在DE 10 2010 061 778 A1中描述了一种电机的轮辐转子，其中永磁体轮辐状布置在转子基体中，其中转子轴线是虚拟交点且永磁体沿周向交替地反向极化。磁通量经由布置在永磁体之间的极段被引导至气隙，以便实现磁通量的集中。因此，磁南极和磁北极沿转子的周向交替。

为了减小漏损通量并提高机器的效率，根据DE 10 2010 061 778 A1描述了一种连接转子轴线和转子基体的连接套管，所述连接套管由抗磁材料或顺磁材料组成。

例如，因为0.4至0.45特斯拉的铁氧体永磁体的剩磁相对较小，所以通常把包括稀土金属的材料使用于永磁体激励的电机中。借助于常用的钕-铁-硼(NdFeB)磁体(钕份额约为30％，以及镝份额约为1.7至7％)目前实现了约1.2至1.3特斯拉的剩磁。另一组用于永磁体的材料是钐-钴-磁体，目前利用该钐-钴-磁体实现了约1特斯拉的剩磁。

永磁体电机的尺寸取决于转子和定子之间的间隙中可达到的磁通量密度。由于剩磁较小，所以用于与具有NdFeB磁体的机器相当效率的、基于铁氧体磁体设计的机器必须具有大致三倍大的总长度。因此，利用高剩磁的永磁体形成一种机器，其在效率相同的情况下比具有剩磁较小的永磁体(例如由铁氧体制成)的机器更节省空间，且或者在空间需求相同的情况下效率更高。

此外，除了重量小或体积小外，还追求避免不期望的磁短路，所谓的磁通量的漏损通量，因为该漏损通量减小机器的效率。极靴之间的漏损通量，例如在气隙的区域中或者相对于所述轴，可以通过避免极靴之间的导磁材料来减小，像在DE 10 2010 061 778 A1中描述的那样。

极段的几何形状影响磁场，其中以本身已知的方式把回转半径设置为半径朝着极段的边缘逐渐变小。在极段之间的区域中，在永磁体的相对于转子轴线处于径向外部的区域中，在这种实施方案中不能实现有意义的场形成，因为在该区域中不存在用于影响的材料。通过在极段和永磁体的相对于转子轴线处于径向外部的区域中延长极靴，在极限情况下直至形成连贯的桥部增大了漏损通量，并减小了机器的效率。在转子和定子的间隙中由磁通量的谐波含量还产生了转矩的波度。在此，5次和7次谐波变为6次转矩波度。这由频率混合得到，通过5次谐波和电流的基波的乘积描述(5+1＝6；7-1＝6)。其它出现的谐波能由6整除(6，12，18，24…)，其中对应对始终由相应整数+/-1得到(5和7，11和13，…)。根据电动机拓扑学的实施方案(例如转子处为8极，定子处为12极靴)相应很好地抑制该谐波。

尤其是稀土金属的高的原料价格以及对其存在和市场的不确定准入对应了汽车工业中高的价格压力。此外，现有的电机并未充分满足机动车中现代应用的要求，尤其是效率、小的定位转矩和转矩一致性。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种尤其用在机动车中的、永磁体激励的电机，其效率和/或定位转矩减小和/或其转矩一致性得到进一步改善。

该目的通过根据权利要求1的、用于永磁体激励的电机的转子实现。

根据本发明的转子用于永磁体激励的电机，尤其是无电刷直流电机，所述转子围绕转子轴线共轴地布置且具有沿着转子轴线延伸的、用于接纳轴的通孔，所述转子包括沿着转子轴线延伸的永磁体和极段，其中永磁体和极段沿周向交替地围绕转子轴线布置，且至少一个极段的、尤其是每个极段的横截面设计为在至少一个第一极段区域中不对称地具有至少一个布置在极段的相对于转子轴线位于径向外部的区域中的成型部，其中成型部基本上沿周向延伸。

根据优选的实施方案，至少一个极段、尤其是每个极段包括至少一个第二极段区域，在所述第二极段区域中，相对于转子轴线位于径向外部的区域中的使得横截面不对称的至少一个成型部设置在相对于第一极段区域中的成型部基本上相反的周向上。

优选地，至少一个，尤其是每个极段优选包括至少一个第三极段区域，其中第三极段区域设计为基本上对称且不具有成型部。

此外，优选地，对一个极段、尤其是每个极段来说，优选第一极段区域的份额占约25％，第二极段区域的份额占约25％以及第三极段区域的份额占约50％。

优选地，至少一个，尤其是每个极段优选由基本上导磁材料，尤其是铁磁材料和/或亚铁磁材料制成。铁氧体优选用作永磁体的材料。

优选地，成型部至转子轴线的最大距离优选小于或等于转子的外半径。

在优选的实施方案中，至少一个转矩传输盘设置在转子的至少一个端面上，所述转矩传输盘具有用于接纳轴并与之机械连接的、沿转子轴线延伸的开口，其中转矩传输盘的开口尤其具有比通孔更小的直径。

优选设置了至少一个部件用于把转矩传输盘固定在极段上，其中尤其至少一个开口和/或凹部设置在至少一个极段中，至少一个棒状元件***该开口和/或凹部中，所述元件与转矩传输盘机械连接。

根据另一个实施方案，转矩传输盘的相对于转子轴线位于径向外部的区域中的至少一个成型部形成在转矩传输盘上的一个极段、尤其是每个极段的区域中，其中成型部基本上沿周向延伸。

特别优选地，转矩传输盘尤其优选由基本上非磁性的材料和/或传导能力很小的，尤其是抗磁材料和/或顺磁材料制成。

优选地，轴优选具有至少一个结构元件用于接纳被极段和/或极段区域包括的后切部，和/或在轴的圆周上设置了至少一个滚花部。

根据本发明的优选改进方案，设置了导磁的连接接片，其仅连接了极段和/或不同极段的同磁极化的极段区域。

本发明还涉及一种具有根据前述优选实施方案所述的转子的电机以及所述转子的应用和/或在机动车中，尤其是在机动车制动***中和/或机动车转向***中永磁体激励的电机的应用。

尽管铁氧体磁体或不具有稀土金属的相对可得到的永磁体的剩磁较小，然而借助于本发明仍可得到一种电机，所述电机与具有稀土金属的永磁体激励电机相比，仅要求略微增大的空间以及比备选的电动机设想，像异步电机和磁阻电机更节省空间。通过避免了价格昂贵且部分难以得到的稀土金属以及简单的基础结构，还降低了成本且使得材料获取容易。在这种电机中和在使用包括稀土金属的永磁体时一样得到了改进的效率、改进的转矩一致性以及小的定位转矩。

附图说明

由下面根据附图对实施例的描述得到了其它优选实施方案。

附图示出：

图1是根据本发明的永磁体激励电机的简化剖视图；

图2是永磁体激励电机的简化图；

图3是根据本发明的永转子的简化图；

图4示出转子的分开的极段区域；

图5是根据现有技术的基于转子角的通量密度的本身已知的走向；

图6是根据本发明的电机的基于转子角的通量密度的示例性走向；

图7是根据电机的另一个实施方案的基于转子角的通量密度的另一个示例性走向；

图8是电机的磁场线的模拟走向；

图9示出根据本发明的电动机的另一个实施例；

图10是根据本发明的转子的实施例，连同鉴于减小漏损通量的结构上的改进方案，以及

图11是根据本发明的转子的另一个实施例，连同鉴于减小漏损通量的结构上的改进方案。

具体实施方式

为了能够简明地描述实施例，相同的元件具有相同的标号且分别仅说明对本发明来说重要的细节。

图1以电动机1为例，示出了根据本发明的电机1的、局限于重要组件-定子11和转子2的透视图，其中为了说明绘出定子11的剖面。图2同样以简化的透视图示出电动机1，然而未示出剖面。

励磁线圈12围绕转子2的旋转布置在定子11的极靴13上且以本身已知的方式被电激励通过产生旋转磁场来引起转子的转动。转子2包括永磁体3和极段4，所述永磁体和极段沿着转子轴线延伸，且围绕转子轴线1′共轴地、沿周向交替地围绕转子轴线布置。像在现有技术中说明的那样，永磁体沿周向交替地反向极化。为了实现磁通量的集中，磁通量通过极段4被引导至气隙，其中永磁体3分别伴随着相同磁极化与极段4邻接。因此磁南极和磁北极沿转子的周向交替。

通过设置在转子2的两个端面上的转矩传输盘7，转子2围绕转子轴线1′可旋转地与电动机的未示出的轴机械连接。为了使轴穿过并固定，在转矩传输盘7上沿转子轴线1′的方向设置了开口8′。为了使轴穿过，转子2还具有沿转子轴线1′的方向延伸的通孔8。

为了避免转子的、尤其相对于轴的漏损通量，转矩传输盘7由基本上非磁性的或仅略微导磁的材料，例如铜或铝制成。尤其当使用由基本上导磁材料制成的轴时，转矩传输盘7的开口8′构造为直径比通孔8小。由此可以基于它们之间的间距减小永磁体3和极段4相对于轴的漏损通量。

备选地或作为转矩传输盘7的补充，例如可以在轴和转子2之间设置至少一个由抗磁材料和/或顺磁材料制成的连接套管，该连接套管一方面可以进行或辅助至轴和/或至转子2的转矩传输且另一方面抑制了漏损通量。

根据该实施例，在每个极段4和转矩传输盘7的为此设置的开口10中***相应两个具有回转形横截面的棒且所述棒尤其与转矩传输盘7如此机械连接，即能够传输在运行中出现的转矩。为了说明这一点，在图3中示出了不具有转矩传输盘7的转子2。

为了避免涡流，极段4以本身已知的方式由叠片铁心组成，然而也可以设置由固体材料制成的极段4的区域。极段4具有极段区域5，其在相对于转子轴线1′位于径向外部的区域中具有不对称地形成横截面14的成型部6。为了清楚，在图4中示出了横截面14。在例如在每个极段4中两次沿着转子轴线1′设置的第一极段区域5中，成型部基本上沿着第一周向1″指向。在同样两次沿着转子轴线1′设置的第二极段区域中，成型部基本上沿着与第一周向相反的第二周向1″指向。成型部6具有的至转子轴线1′的最大距离小于或等于转子2的外半径。在此，每个极段区域可以由单独的金属片组成或完全或部分地由固体材料制成。

图4示出具有成型部6的极段区域5的横截面14，其中可以选择，成型部6要沿哪个方向指向。极段区域5、5′、5″在相对于转子轴线1′位于径向外部的区域中具有本身已知的回转半径，伴随着朝着极段区域5、5′、5″的边缘相对于转子轴线1′逐渐变小的半径。每个极段4还具有三次沿着转子轴线1′设置的第三极段区域5″，其基本上对称且不具有成型部6。

如上所述，由于磁通量的谐波在转子和定子之间的间隙中产生了转矩不均匀性。通常使用的电机的实施方案具有转子侧的8个极以及定子侧的12个极靴，然而未表现处对该谐波的抑制，因此要追求正弦状的气隙场，这又通过极段的几何形状确定。

在图5中示出了对应于电动机的本身已知的实施方案的、基于10极转子的转子角W的磁通量密度B的示例性走向。根据现有技术，在极段的区域中—对称轴在0°时—磁通量密度19很大程度上等于同样示出的余弦参考曲线18。在两个极段之间的位于径向外部的区域中，10极电动机的磁通量密度明显与余弦参考曲线不同。如果为了进一步改进转矩一致性而延长极段，在极限情况下直至形成连贯的桥，则漏损通量明显增大且降低了效率。

图6中示出了基于转子角W的、根据本发明的电机1的优选实施方案的磁通量密度B的示例性走向，其中极段4沿第一周向以及沿相反的周向1″划分为大致相等份额的具有成型部6的极段区域5和5′。为了清楚说明，具有成型部6的这些区域额外分开地沿第一周向15和与第一周向相反的周向1″示出。通过成型部6基于成型部6的方向分别得到该区域中磁通量密度的过高部15′、16′。得到的磁通量密度17由于两个极段区域5、5′的叠加而变得再次对称且表明了角度区域中的过高部，根据图5在该角度区域中存在相对于余弦参考曲线18减小的磁通量密度19。

在每个极段4中极段区域5、5′、5″的数量和布置可以根据效率的要求和转矩一致性的要求设计，其中也可以实现各个极段之间的差异。在图1、2和3的实施例中，在极段4的整个长度上沿着转子轴线1′设置了约25％份额的第一极段区域5、约25％份额的第二极段区域5′和约50％份额的第三极段区域5″。由此得到根据本发明的电机1的磁通量密度20与根据图7的余弦参考曲线18的很大程度的匹配。在图8中示出了具有根据本发明的电动机的第一极段区域5的一部分的磁场线的模拟走向。

如果极段4的极段区域5、5′、5″进一步组合，例如以如下方式：沿轴向1′相应一个相关的具有成型部6的第一极段区域5、接着是不具有成型部的第三极段区域5″，以及随后是沿着相反周向1′具有成型部6的第二极段区域5′，则也可以选择性地把极段区域5、5′的成型部6布置在转矩传输盘7上。

图9以图9a)和图9b)示出根据本发明的转子2的另一个实施例的不同透视图。转子2与前述实施例相比延长，由此除了构造为轮辐转子的通量集中外还产生了轴向通量集中。由于布置在定子11上的励磁线圈12轴向伸出极靴13，所以转子2可以朝着电机1的两侧相对于定子11轴向构造为更长。因此，电机1可以轴向具有减小了该两侧长度的总长度。由于绕组长度减小，所以产生了较小的电损失。为了减小惯性以及避免间隙中的轴向磁通量，可以把伸出的极段区域21设置为沿周向平坦，也就是说不具有伴随着朝着极段的边缘逐渐变小的半径的回转半径。

图10和11以不同的视图类型以及透视图示出转子2的其它优选设计方案，其中仅绘出对解释优选改进特征必要的组件。与目前为止所述的实施方案的区别在于，尤其像由图10a)和11b)中可看出的那样，极段4或极段区域5、5′、5″的借助于虚线示出的极段帽6′的定点S或从转子2的中点M至定点S的、为了清楚说明而绘出的连接线相对于极段4或极段区域5、5′、5″的另一部分的对称轴移动了角度a，例如3°。为了说明极段区域5、5′、5″的不对称性，在图10a)中仅绘出沿第一周向1″具有成型部6的极段区域，而未示出在视线方向后方的沿相反周向具有成型部6的极段区域5、5′、5″。图10和11的实施例的其它结构改进方案目的基本上在于减小或避免在通孔8的区域中从第一极段4至另一个极段4的漏损通量。在此，所述结构细节可以可选地使用或作为对已描述的实施例的补充。根据图10a)(平行于轴向的透视图)和b)(垂直于轴向的透视图)，转子2具有轴22，所述轴具有结构元件23用于机械地固定极段4的后切部24，其中轴22尤其是抗磁的且以挤压工艺制造。在电动机1的未示出的轴承的区域中，轴22沿着转子轴线1′优选具有圆柱形形状。借助于塑料注塑包覆部25进行转子2的组件的最终固定，由此可以更好地吸收连续运行中的离心力。为了改进至轴22上的转矩传输的辅助，结构元件23优选轴向伸出永磁体3或极段4，其中结构元件23的伸出部分通过塑料注塑包覆部25包围以形成有效的形状配合连接。

对应于图11a)和11b)的实施方案，沿着转子2的周向，磁势能相等的极靴4或极段区域5、5′、5″借助于导磁连接接片26—径向位于通孔8的区域中—连接，由此沿周向没第二极段4或每第二极段区域5、5′、5″尤其彼此连接。由于该相等的磁势能，在这种连接的相同磁极化的极段4或极段区域5、5′、5″之间基本上不存在磁通量，因此在它们之间基本上也不存在漏损磁通量。图11a)以透视图仅示出转子2的一部分的极靴4和/或极段区域5、5′、5″。

其它沿周向设置的、具有相对于上述极靴4和/或极段区域5、5′、5″相反的磁势能的借助于连接接片27连接。极化相反的极段4的相应的连接接片26和27在此具有例如4mm距离的轴向间距，由此有利地限制或避免了漏损通量。在图11b)中示出了与转子轴线1′竖直地布置的转子2的极段平面的极段区域5、5′、5″，其中尤其可看出，仅每第二极段4或每第二极段区域5、5′、5″借助于连接接片26或27连接。每个单独的极段4的极段区域5、5′、5″沿轴向以本身已知的方式例如借助于冲压叠装、粘合或焊接或螺接机械连接。

像对其它实施例已经描述的那样，永磁体3沿周向布置在极段4之间。根据本发明，转子2可以如此设计，即永磁体3朝着转子轴线1′部分地或完全地楔形延伸，这表示，永磁体2的沿转子2的周向布置的平面朝着转子轴线彼此接近。由于楔形形状尤其推断出连接接片26、27所需的位置需求。

由于转子2的极段平面的尤其在转子2的轴向端部区域中布置的且在图11a)中突出的极段区域5、5′、5″(所述极段区域的连接接片27直接与相反磁极化的极段区域5、5′、5″的连接接片26邻接)，所以可以改进转子2的机械稳定性。此外，对应于图10的实施例，转子2的机械稳定性优选由于未示出的塑料注塑包覆部而得到提高，该塑料注塑包覆部基本上包围转子。在图10的意义上，至转子轴线22上的转矩传输的改进例如可以通过相应地布置的且同样通过塑料注塑包覆部包围的转子轴线的圆周的部分上的滚花实现，其中还设置了用于轴向固定转矩传输盘7的凹槽以用于由于结合结构元件23来改进至轴22上的转矩传输。根据该实施方案，有利地尤其可以限制在电动机1或转子2的制造中零件的数量。

Claims (13)

1.一种用于永磁体电机(1)、尤其是用于无电刷直流电机的转子(2)，所述转子围绕转子轴线(1')共轴地布置且具有沿着转子轴线(1')延伸的、用于接纳轴(22)的通孔(8)，所述转子包括沿着转子轴线(1')延伸的永磁体(3)和极段(4)，其中永磁体(3)和极段(4)沿周向交替地围绕转子轴线(1')布置，其特征在于，至少一个极段(4)的、尤其是每个极段(4)的横截面(14)设计为在至少一个第一极段区域(5)中不对称地具有至少一个布置在极段(4)的相对于转子轴线(1')位于径向外部的区域中的成型部(6)，其中成型部(6)基本上沿周向(1”)延伸。

2.根据权利要求1所述的转子(2)，其特征在于，至少一个极段(4)、尤其是每个极段(4)包括至少一个第二极段区域(5')，在所述第二极段区域(5')中，相对于转子轴线(1')位于径向外部的区域中的使得横截面(14)不对称的至少一个成型部(6)设置在相对于第一极段区域(5)中的成型部(6)基本上相反的周向上。

3.根据权利要求2所述的转子(2)，其特征在于，至少一个极段(4)、尤其是每个极段(4)包括至少一个第三极段区域(5”)，其中所述第三极段区域(5”)设计为基本上对称且不具有成型部(6)。

4.根据权利要求3所述的转子(2)，其特征在于，对极段(4)、尤其是每个极段(4)来说，第一极段区域(5)占约20％至约30％的份额，第二极段区域(5')占约20％至约30％的份额，以及第三极段区域(5”)占约40％至约60％的份额。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的转子(2)，其特征在于，至少一个极段(4)、尤其是每个极段(4)基本上由导磁材料、尤其由铁磁材料和/或亚铁磁材料制成。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的转子(2)，其特征在于，成型部(6)与转子轴线(1')之间的最大距离小于或等于转子(2)的外半径。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的转子(2)，其特征在于，至少一个转矩传输盘(7)设置在转子的至少一个端面上，所述至少一个转矩传输盘具有用于接纳轴(22)并与所述轴机械连接的、沿转子轴线(1')的方向延伸的开口(8')，其中转矩传输盘(7)中的开口(8')尤其具有比通孔(8)更小的直径。

8.根据权利要求7所述的转子(2)，其特征在于，

设置了至少一个部件(9)用于把转矩传输盘(7)固定在极段(4)上，其中尤其至少一个开口(10)和/或凹部设置在至少一个极段(4)中，至少一个棒状元件(9)***所述开口和/或凹部中，所述棒状元件与所述转矩传输盘(7)机械连接。

9.根据权利要求7或8所述的转子(2)，其特征在于，至少一个成型部(6)形成在转矩传输盘(7)的相对于转子轴线(1')的径向外部的区域中的，并且形成在转矩传输盘(7)上的极段(4)、尤其是每个极段(4)的区域中，其中成型部(6)基本上沿周向(1”)延伸。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的转子(2)，其特征在于，转矩传输盘(7)由基本上非导磁的材料和/或导磁能力很小的材料、尤其是抗磁材料和/或顺磁材料制成。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的转子(2)，其特征在于，轴(22)具有至少一个结构元件(23)以用于接纳被极段(4)和/或极段区域(5、5'、5”)包围的后切部(24)，和/或在轴(22)的圆周上设置了至少一个滚花部。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的转子(2)，其特征在于，设置了导磁的连接接片(26、27)，所述连接接片仅连接了极段(4)和/或不同极段(4)的同磁极化的极段区域(5、5'、5”)。

13.一种根据权利要求1至12中任一项所述的转子(2)在机动车中、尤其是在机动车制动***中和/或机动车转向***中的应用。