CN107852076B

CN107852076B - 用于电机的转子和转子的制造方法

Info

Publication number: CN107852076B
Application number: CN201680045300.9A
Authority: CN
Inventors: 杰雷·科莱赫迈宁; 泰罗·肯塞坎加斯
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2015-08-05
Filing date: 2016-07-01
Publication date: 2020-03-31
Anticipated expiration: 2036-07-01
Also published as: US20180233971A1; EP3332471B1; US10541574B2; KR102084999B1; CN107852076A; KR20180033290A; EP3332471A1; WO2017021078A1

Abstract

一种用于电机的转子，其中，该转子包括多个堆叠元件，并且堆叠元件中的每个堆叠元件均包括具有第一磁导的材料。堆叠元件中的每个堆叠元件均包括绕转子的旋转轴线分布的多个扇形部分。扇形部分中的每个扇形部分均包括一个或更多个磁通屏障。所述一个或更多个磁通屏障中的至少一个磁通屏障在同一扇形部分的不同的扇形半部中具有与具有第三磁导的导电材料的填充相关联的差异，第一磁导大于第三磁导。

Description

用于电机的转子和转子的制造方法

技术领域

本发明涉及用于电机的转子和转子的制造方法。

背景技术

同步磁阻马达或发动机的转子是通过以层压堆叠的方式设置由相对磁导率的值较高的导磁材料——比如电工钢——制成的多个至少近似圆形的板状堆叠元件而形成的。堆叠元件被分成数目与马达的极数对应的扇形部分。这些扇形部分中的每个扇形部分均具有至少一个磁通屏障，所述至少一个磁通屏障在转子的轴向方向上形成屏障通道并且由此引导转子中的磁场。磁通屏障可以填充有相对磁导率比导磁材料低的导电材料，比如铝。

这种填充消耗大量的导电材料，这又导致不期望地使用了自然资源以及较大的经济成本。另外，例如基于模拟已知，目前的电动马达在操作上并不理想。然而，堆叠元件的设计的改变将需要针对磁通屏障的新的且长期的研究项目、在该研究项目的基础上将新型磁通屏障冲压至堆叠元件的新工具以及对研究和生产两者的巨额投资。

因此，存在改进的需要。

发明内容

本发明试图提供一种与转子相关联的改进。根据本发明的方面，提供了一种用于电机转子，该转子包括多个堆叠元件，并且堆叠元件中的每个堆叠元件均包括具有第一磁导的材料；堆叠元件中的每个堆叠元件均包括绕转子的旋转轴线分布的多个扇形部分；扇形部分中的每个扇形部分均包括一个或更多个磁通屏障，以及一个或更多个磁通屏障中的至少一个磁通屏障构造成在仅一个扇形半部中具有为第三磁导的导电材料，并且在同一扇形部分的不同的扇形半部中具有与导电材料的填充相关联的差异，第一磁导的数值大于第三磁导的数值。

根据本发明的另一方面，提供了一种制造转子的方法，该方法包括：在包括具有第一磁导的材料的每个堆叠元件中绕堆叠元件的旋转轴线形成扇形部分；将堆叠元件堆叠在一起，以及在堆叠元件中的至少一个堆叠元件的扇形部分中的每个扇形部分中形成至少一个磁通屏障，至少一个磁通屏障构造成在仅一个扇形半部中具有为第三磁导的导电材料，并且在同一扇形部分的不同的扇形半部中具有与导电材料的填充相关联的差异，第一磁导的数值大于第三磁导的数值。

本发明具有优点。用于填充的导电材料的消耗可以被减少。在不改变针对堆叠元件而言其磁通屏障将要被完全填充的堆叠元件设计的情况下，可以通过对磁通屏障进行部分填充来提高电动马达的效率。

附图说明

下面参照附图仅通过示例的方式来描述本发明的示例性实施方式，在附图中：

图1图示了用于电动马达的转子的堆叠元件的示例；

图2图示了堆叠元件的扇形部分的示例；

图3图示了堆叠元件的磁通屏障的示例，磁通屏障在不同的扇形部分中被交替地填充；

图4图示了转子的堆叠件的示例；

图5图示了六极转子的堆叠元件的示例；

图6图示了没有桥的堆叠元件的示例；以及

图7图示了制造方法的流程图的示例。

具体实施方式

下述实施方式仅仅作为示例。尽管本说明书可能在若干个位置中提到“一个”实施方式，但这不一定意味着每个这样的引用是针对相同的实施方式，或者该特征仅适用于单个实施方式。不同实施方式的单个特征也可以被组合以提供其他实施方式。此外，词语“包括”和“包含”应被理解为不将所描述的实施方式限制成仅由已经提及的这些特征组成，而是这些实施方式还可以包括还没有被具体提到的特征/结构。

应该指出的是，尽管附图图示了多种实施方式，但是其是仅示出一些结构和/或功能实体的简化图。对于本领域技术人员而言明显的是，所描述的装置还可以包括除附图和文本中所描述的功能和结构之外的其他功能和结构。因此，此处不需要对其进行更详细的论述。

图1图示了用于可以是电动马达或发电机的电机的转子的堆叠元件100的示例。堆叠元件100可以是由具有第一磁导的材料制成的圆形板。在实施方式中，该板可以具有恒定的厚度。在实施方式中，该板的厚度可以在板的不同位置处是不同的。在实施方式中，不同的板可以具有不同的厚度。通常，堆叠元件100主要由具有第一磁导的材料制成。例如，堆叠元件100的材料可以例如是电工钢或压缩粉末金属。

堆叠元件100包括绕堆叠元件100的旋转轴线104分布的多个扇形部分102、102’、102”、102”’。

扇形部分102、102’、102”、102”’的数目可以与电动马达或发电机的极数相同。在实施方式中，扇形部分102、102’、102”、102”’可以指转子的极。通常，每个极可以是一个或更多个扇形部分。在图1中，仅一个扇形部分102、102’、102”、102”’被虚线分成两个半部102A、102B，但通常所有的扇形部分102、102’、102”、102”’都可以以类似的方式被分成扇形半部102A、102B。扇形半部102A、102B不是扇形部分102、102’、102”、102”’，因为每个扇形半部102A、102B仅仅是扇形部分102、102’、102”、102”’的一部分。

图2图示了一个扇形部分102、102’、102”、102”’——即，极——的示例。

扇形部分102、102’、102”、102”’中的每个扇形部分均包括一个或更多个具有第二磁导的磁通屏障106、108、110、112。第一磁导的数值大于第二磁导的数值。磁导可以使用磁导率来表示。材料或物体的较高磁导是指该材料或物体具有较高的相对磁导率。

首先，磁通屏障106、108、110、112是堆叠元件100中的敞开开孔。但是至少一个开孔被具有第三磁导的导电材料部分地填充。第一磁导的数值大于第三磁导的数值。所述一个或更多个磁通屏障106、108、110、112中的所述至少一个磁通屏障的未被填充的部分具有第四磁导。第一磁导的数值大于第四磁导的数值。所述填充例如可以通过浇铸来进行。可以对具有堆在一起的多个堆叠元件的转子进行浇铸。磁通屏障的不被填充的部分例如可以用掩模板进行掩蔽。也就是说，掩模板将阻止导电材料被浇铸到与转子的旋转轴线平行且位于转子100内的某些磁通通道中。所述至少一个磁通屏障106、108、110、112的这些部分将成为空隙。另外或替代性地，可以使用可延伸到转子100内的磁通通道中的其他结构来控制浇铸，使得填充将以期望的方式实现。如何浇铸以及如何控制浇铸自身可以被认为对于本领域技术人员而言是已知的。

在附图中，所述至少一个磁通屏障106、108、110、112的填充有导电材料的部分被划有阴影线。导电材料例如可以是铝、铜、其合金和/或碳纤维。因此，第二磁导在所述至少一个磁通屏障106、108、110、112内可以具有第三磁导与第四磁导之间的值。

因此，导电材料的磁导低于第一磁导。类似地，如果磁通屏障没有填充，则在这种情况下与空气、一些其他气体或真空有关的第四磁导低于第一磁导。

任一扇形部分102、102’、102”、102”’都可以被分成两个半部。在实施方式中，这两个半部分可以是相同的扇形部。在实施方式中，这两个半部可以具有相同的尺寸。在实施方式中，除了磁通屏障106、108、110、112的填充之外，这两个半部可以是彼此的镜像。在实施方式中，将扇形部分102分成两个半部102A、102B的虚线可以将扇形部分102的打开角度α的值除以2；β＝α/2，这是每个半部102A、102B的打开角度β。当打开角度β与α/2相同时，打开角度γ也与打开角度β相同，即γ＝α/2。通常，打开角度β可以与α/2近似相同，并且以类似的方式，打开角度γ与β或α/2近似相同。

所述一个或更多个磁通屏障106、108、110、112中的至少一个磁通屏障在同一扇形部分102、102’、102”、102”’的不同扇形半部102A、102B中具有与具有第三磁导的导电材料的填充相关联的差异，第一磁导大于第三磁导。在实施方式中，与填充相关联的差异可以使得一个半部具有填充材料而另一个半部不具有填充材料。在实施方式中，与填充相关联的差异可以使得第一半部具有比第二半部多的填充材料。在实施方式中，第一半部具有比第二半部多的填充材料的事实可以指第一半部具有的填充材料的量比第二半部大。在实施方式中，第一半部具有比第二半部多的填充材料的事实可以指第一半部中的填充物的质量比第二半部中的填充材料的质量大。在实施方式中，第一半部具有比第二半部多的填充材料可以指第一半部中的填充物的体积比第二半部中的填充材料的体积大。

换言之，所述至少一个磁通屏障106、108、110、112在与同一扇形部分102、102’、102”、102”’相关联的不同扇形半部102A、102B中被不同地填充。因此，所述至少一个磁通屏障106、108、110、112在同一扇形部分102、102’、102”、102”’的不同扇形半部102A、102B中被不同地填充。堆叠元件100还可以具有一个或更多个被完全填充的其他磁通屏障，或者堆叠元件100可以具有一个或更多个完全没有被填充的其他磁通屏障。

填充可以基于填充度。同一扇形部分102、102’、102”、102”’的一个扇形半部102A中的磁通屏障106、108、110、112的一部分的填充度与另一个扇形半部102B中的磁通屏障106、108、110、112的一部分的填充度彼此不同。换言之，扇形部分102、102’、102”、102”’中的同一扇形部分的不同扇形半部102A、102B中的磁通屏障106、108、110、112的一部分的填充度彼此不同。

在实施方式中，填充度可以指与磁通屏障106、108、110、112的开孔的体积有关的导电材料的体积。在堆叠元件100具有恒定厚度的情况下，填充度例如可以指导电材料的面积与磁通屏障106、108、110、112等的开孔的面积之比。

在扇形部分102、102’、102”、102”’中具有多于一个的磁通屏障106、108、110、112时，同一扇形半部102A、102B的磁通屏障106、108、110、112中的一个磁通屏障的填充度可以与磁通屏障106、108、110、112中的另一个磁通屏障的填充度不同。填充度可以基于针对要被填充的体积或填充该体积所需的最大质量而言填充的百分比来确定。所述百分比可以基于所使用的填充材料的质量或体积而测得。这对所述多个扇形部分102、102’、102”、102”’中的任一扇形部分而言都是如此。

在实施方式中，磁通屏障的开孔或磁通屏障106、108、110、112自身可以是堆叠元件100中的连续结构。换言之，开孔或磁通屏障106、108、110、112可以具有连续的轮廓。另一方面，开孔或磁通屏障106、108、110、112可以包括被桥120(图1中标出了桥120中的仅四个桥，而在图2中标出了桥120中的十二个桥)彼此分开的多于一个的结构部件。桥120通常是堆叠元件材料的沿与开孔或磁通屏障106、108、110、112的纵向方向垂直的方向穿过开孔或磁通屏障的狭窄路径。

在图3中可以观察到其示例的实施方式中，所述多个扇形部分102、102’、102”、102”’中的两个紧相邻的扇形部分102、102’；102’、102”；102”、102”’或102、102”’的填充的分布可以彼此不同。紧相邻的扇形部分102、102’；102’、102”；102”、102”’或102、102”’之间的差异可以以各种方式实现。所述差别可以在磁通屏障的任一端部中或位于磁通屏障的两个端部之间。除此之外，图3与图1类似。

在图1至图6中可以观察到其示例的实施方式中，堆叠元件100的磁通屏障106、108、110、112的填充的分布可以关于转子的旋转轴线104具有旋转对称性。然而，磁通屏障106、108、110、112的填充的分布可以关于堆叠元件100的任何径向方向不具有镜像对称性。

在图1至图6中可以观察到其示例的实施方式中，堆叠元件100的磁通屏障106、108、110、112的填充度的分布可以关于转子的旋转轴线104具有旋转对称性。然而，磁通屏障106、108、110、112的填充度的分布可以关于堆叠元件100的任何径向方向具有镜像不对称性。

在图2中可以观察到其示例的实施方式中，导电材料可以在堆叠的磁通屏障106、108、110、112的纵向方向上最大填充磁通屏障的一半。导电材料可以填充磁通屏障106、108、110、112的长度的不到一半。导电材料可以填充磁通屏障106、108、110、112的纵向方向上的不到一半。磁通屏障的长度可以被确定为从磁通屏障的位于堆叠元件100的边缘处的一个端部至该磁通屏障的处于另一位置处的边缘处的相反端部穿过磁通屏障的距离。

在图1至5中可以观察到其示例的各实施方式中，堆叠元件100的一个磁通屏障106、108、110、112可以具有导电材料，而该堆叠元件100的另一个磁通屏障106、108、110、112可以在同一扇形半部102A、102B中不具有导电材料。

在图1、图4和图5中可以观察到其示例的各实施方式中，在同一扇形部分102、102’、102”、102”’中，磁通屏障106、108、110、112中的每个磁通屏障的大约一半可以被填充有导电材料。然而，对于至少两个磁通屏障106、108、110、112而言，导电材料所在的半部102A、102B可以是不同的半部。

在图1和图3中所示出的实施方式中，所述多个扇形部分102、102’、102”、102”’中的两个紧相邻的扇形部分102、102’；102’、102”；102”、102”’；102、102”’可以通过在所述堆叠元件100上在堆叠元件100的边缘与轴孔116之间沿径向延伸的连续材料通路114彼此隔开。通路114的材料可以与堆叠元件100的除了磁通屏障106、108、110、112之外的材料相同。因此，不同的扇形部分102、102’、102”、102”’的磁通屏障106、108、110、112在物理上彼此分开。

图4图示了用于电动马达或发电机的转子的堆叠件400的示例。该转子包括通常被层压在一起以形成堆叠件400的多个堆叠元件100、100’、100”、100”’。电机例如可以是同步磁阻电动马达或发电机。

在实施方式中，一个堆叠元件100的所述多个扇形部分102、102’、102”、102”’中的每个扇形部分按确定的方式与堆叠件的另一个堆叠元件100的对应的扇形部分重叠。两个紧相邻的堆叠元件100、100’；100’、100”；100”、100”’中的位于同一扇形部分102、102’、102”、102”’中的磁通屏障106、108、110、112的填充可以以相似的方式分布。在实施方式中，填充的分布可以是相同的。例如，图1中的堆叠元件的扇形部分102与图3中的堆叠元件的扇形部分102重叠。

在实施方式中，两个紧相邻的堆叠元件100中的磁通屏障106、108、110、112的填充可以以不相似的方式分布。在实施方式中，分布可以是不同的。例如，图1中的堆叠元件的扇形部分102’与图3中的堆叠元件的扇形部分102’重叠。也可能的是，所有扇形部分在两个紧相邻的堆叠元件之间具有不同的填充分布。

基于上面所说明的，磁通屏障的相对于将扇形部分分成两半的中间线(图1中的虚线)而言的填充侧可以在扇形部分之间交替。换言之，磁通屏障的相对于将扇形部分分成两半的中间线而言的填充侧可以根据扇形部分而交替。即，在一个扇形部分中磁通屏障的左侧部可以被填充，而在相邻的扇形部分中对应的磁通屏障的右侧部可以被填充(参见图6)。

图5图示了具有半填充(用虚线填充)的磁通屏障的堆叠元件100的另一示例。通常，磁通屏障可以在纵向上部分地填充有导电而不导磁的材料。在此示例中，有六个扇形部分并且因此典型地具有六个极。在此示例中，每个扇形部分中的磁通屏障的数目也与前图中的每个扇形部分中的磁通屏障的数目不同。

图6图示了具有被部分填充的磁通屏障的堆叠元件100的又一示例。在此示例中，不具有桥120。每个扇形部分可以具有仅一个被部分填充的磁通屏障。一般而言，在每个扇形部分中可以具有任意数目的被部分填充的磁通屏障。

磁通屏障106、108、110、112的部分填充减少了转子损耗并且因此总损耗也可以被降低。启动电流将减小，同时启动转矩保持处于良好水平。扇形部分的不对称填充减少了铝的消耗以及稳定状态下由笼造成的损耗。

在实施方式中，转子可以具有偶数2p个极。转子包括大致筒形的层压堆叠件，所述层压堆叠件具有多个作为堆叠元件100的导磁层压片。所述导磁层压片中的一个或更多个导磁层压片包括在径向方向上彼此间隔开的非磁性磁通屏障106、108、110、112。所述非磁性磁通屏障106、108、110中的一个或更多个非磁性磁通屏障具有导磁桥120，导磁桥120与所述导磁层压片的外边缘限定至少一个第一气隙。导磁桥120还在桥120之间限定第一内部空间(参见图2中的虚线区域)。磁通屏障106、108、110中的第一内部空间填充有导电而不导磁的材料。

在实施方式中，转子具有限定对应的直极轴(D轴)和交轴(Q轴)的n个极对(p)。转子具有沿转子轴向方向z堆叠的多个导磁层压片。所述导磁层压片可以包括形成多个磁通屏障106、108、110、112的切口部分。磁通屏障106、108、110、112可以相对于所述Q轴以在径向上交替磁通路径的方式从所述导磁层压片的第一边缘部连续地延伸至第二边缘部。换言之，磁通屏障106、108、110、112从边缘的一部分沿纵向延伸至边缘的另一部分。磁通屏障106、108、110、112可以弯曲成使得曲率的值的符号与该扇形部中的边缘的曲率的值的符号相反。所述多个磁通屏障106、108、110、112可以形成对应的多个腔，即，在转子芯中沿着所述轴向方向z延伸的磁通通道。所述多个腔中的至少一些腔可以至少部分地填充有不导磁材料。所述腔还可以包括在周向上间隔开且沿着轴向方向z的多个通道。所述通道中的每个通道可以横向地连接所述多个腔中的两个相邻的腔，所述通道中的至少一些通道至少部分地填充有不导磁材料。

图7是用于制造电机的转子的堆叠元件的方法的流程图。在步骤700中，在包括具有第一磁导的材料的堆叠元件100中绕堆叠元件100的旋转轴线104通过下述方式形成扇形部分102、102’、102”、102”’：在扇形部分102、102’、102”、102”’的每个扇形部分中为至少一个磁通屏障106、108、110、112中的每个磁通屏障制造至少一个开孔。在步骤702中，将堆叠元件100、100’、100”、100”’堆叠在一起。在步骤704中，在堆叠元件100中的至少一个堆叠元件的扇形部分102、102’、102”、102”’中的每个扇形部分中形成至少一个磁通屏障106、108、110、112，所述至少一个磁通屏障106、108、110、112在同一扇形部分102、102’、102”、102”’的不同的扇形半部102A、102B中具有与具有第三磁导的导电材料的填充相关联的差异，第一磁导大于第三磁导。

对于本领域技术人员而言将明显的是，随着技术的进步，本发明的构思可以以多种方式实施。本发明及其实施方式不限于上述示例性实施方式，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims

1.一种用于电机的转子，其中，所述转子包括多个堆叠元件，并且所述堆叠元件中的每个堆叠元件均包括具有第一磁导的材料；

所述堆叠元件中的每个堆叠元件均包括绕所述转子的旋转轴线分布的多个扇形部分；

所述扇形部分中的每个扇形部分均包括一个或更多个磁通屏障，以及，

所述一个或更多个磁通屏障中的至少一个磁通屏障构造成在仅一个扇形半部中具有为第三磁导的导电材料，并且在同一扇形部分的不同的扇形半部中具有与所述导电材料的填充相关联的差异，所述第一磁导的数值大于所述第三磁导的数值。

2.根据权利要求1所述的转子，其中，所述多个扇形部分中的至少一个扇形部分的同一扇形半部中的所述磁通屏障中的一个磁通屏障的填充构造成与所述磁通屏障中的另一个磁通屏障的填充不同。

3.根据权利要求1所述的转子，其中，所述多个扇形部分中的两个紧相邻的扇形部分的所述填充的分布构造成彼此不同。

4.根据权利要求1所述的转子，其中，所述磁通屏障的所述填充构造成关于所述转子的所述旋转轴线具有旋转对称性，而关于所述堆叠元件的径向方向不具有镜像对称性。

5.根据权利要求1所述的转子，其中，所述导电材料构造成在所述磁通屏障的纵向方向上最大填充所述磁通屏障的一半。

6.根据权利要求1所述的转子，其中，所述磁通屏障中的一个磁通屏障构造成具有所述导电材料，并且所述磁通屏障中的另一个磁通屏障构造成在同一扇形半部内不具有导电材料。

7.根据权利要求1所述的转子，其中，所述扇形部分中的两个紧相邻的扇形部分通过在所述堆叠元件上于所述堆叠元件的边缘与轴孔之间沿径向延伸的连续材料通路而彼此分开。

8.根据权利要求1所述的转子，其中，两个紧相邻的堆叠元件中的所述磁通屏障的所述填充构造成以不同的方式分布。

9.一种制造电机的转子的方法，所述方法包括：

在包括具有第一磁导的材料的每个堆叠元件中绕所述堆叠元件的旋转轴线形成扇形部分；

将所述堆叠元件堆叠在一起，以及，

在所述堆叠元件中的至少一个堆叠元件的所述扇形部分中的每个扇形部分中形成至少一个磁通屏障，所述至少一个磁通屏障构造成在仅一个扇形半部中具有为第三磁导的导电材料，并且在同一扇形部分的不同的扇形半部中具有与所述导电材料的填充相关联的差异，所述第一磁导的数值大于所述第三磁导的数值。