CN110365179B - 用于磁阻电机的转子以及电的驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于磁阻电机的转子以及电的驱动装置，其中，该转子具有带有多个层的叠片组，在这些层中，每个层都具有多个分别通过有磁传导能力的转子叠片形成的、横向于相应的q轴线延伸的磁通传导部段，其中，磁通传导部段彼此通过无磁性的磁通锁止区域分隔开。本发明的目的在于设计一种具有启动辅助的转子。为此，在层的多个或者所有的磁通锁止区域中设置有导电的或者非铁磁的填充材料，通过该填充材料使得相邻的层的磁通锁止区域电连接，从而通过在磁通锁止区域中的填充材料形成轴向平行于或者倾斜于旋转轴线延伸的、转子的转子笼架的笼架棒。

Description

用于磁阻电机的转子以及电的驱动装置

本申请是申请日为2013年9月27日、进入中国国家阶段日为2015年10月10日、申请号为201380075523.6、发明名称为“具有启动辅助的磁阻电机”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于磁阻电机的转子以及电的驱动装置。转子具有叠片组，其各个叠片层都具有条带形的磁通传导部段，用于在转子的d轴线之间传导磁通。磁通传导部段为此横向于转子的相应的q轴线延伸，并且通过无磁性的磁通锁止区域彼此分隔开。

背景技术

这种类型的转子例如由US 5818140 A公开。由此磁通锁止区域形成在转子中的空腔。

该发明对转子进行进一步改进，其在申请日为2013年4月12日的申请号为EP 13163 492.5的欧洲专利申请中被描述。因此，在磁通锁止区域中布置有支撑件，从而支承转子抵抗离心力，这是因为在叠片组中设置空气锁止区域降低了其机械坚固性。此外，通过该发明也进一步改进了转子，该转子在申请日为2013年4月15日的申请号为EP 13 163 688.8的欧洲专利申请中被描述。因此，两个之前所述的专利申请的内容也同样属于当前发明的描述，也就是说，利用在之前所述的两个专利申请中描述的转子的特征也能够进一步改进之前描述的根据当前发明的转子。

具有磁阻转子的电机、也就是磁阻电机在同步驱动中运行，并且因此为了启动、也就是尤其从静止状态开始启动而需要逆变器，其通常是变流器的组成部分。因此，磁阻电机不能毫无措施的适用于网络运行，也就是没有可控制的逆变器的网络引导的运行。利用预设的恒定的变换频率在网络上的启动是不可能的。

为了需要网络运行的应用，通常替代磁阻电机而使用异步电机。但是异步电机具有缺点，即其效率通常比同步运行的磁阻电机低，这是因为在定子旋转场和转子之间持续存在的转差率导致转子中的电损失。

发明内容

本发明的目的在于设计一种开头所描述的具有启动辅助的磁阻电机。

通过本发明提供了一种转子，其可以用于磁阻电机。该转子以描述的方式具有带有多个层的叠片组，在这些层中，每个层都具有多个分别通过有磁传导能力的转子叠片形成的、分别横向于相应的q轴线延伸的磁通传导部段。尤其是磁通传导部段是条带形的转子叠片，它们在其纵向延伸上横向于q轴线延伸。转子叠片具有对于传导磁通量来说优选的铁磁材料，尤其是软磁材料，例如铁。

磁通传导部段以已知的方式彼此通过无磁的磁通锁止区域分隔开。磁通锁止区域在此是无磁性的，也就是说，其尤其并不具有铁磁材料。但是，在根据本发明的转子中，在层的多个或者所有的磁通锁止区域中，现在还布置有导电的非铁磁填充材料。导电在此理解为：填充材料具有高的导电值，尤其是具有大于10⁵S/m(西门子每米)、优选是大于10⁶S/m的导电值。联系到本发明，非铁磁材料例如是完全无磁性的材料，例如具有碳纳米管的陶瓷或者具有碳纳米管的聚合物，或者顺磁的或者抗磁的材料。该填充材料延伸超过多个层，也就是说通过填充材料也使得相邻层的磁通锁止区域彼此电连接。换句话说，通过在磁通锁止区域中的填充材料形成轴向平行于或者倾斜于转子旋转轴线轴向延伸的结构，该结构形成转子的转子笼架的笼架棒。倾斜的布置引起在力矩曲线中的波纹平滑。

通过根据本发明的转子获得这样的优点，即具有在其中布置有填充材料的磁通锁止区域形成了转子笼架的笼架棒，并且因此在根据本发明的磁阻电机中能够与短路环一同集成为用于转子的异步启动的转子笼架。但是在同步运行模式中的启动或者加速之后，转子纯根据磁阻同步电机的原理以基本上比可比较的异步电机更高的效率或者更高的功率密度运转，这是因为在转子中几乎不产生损失。然后在同步的旋转运行中，当转子以磁的定子旋转场的旋转频率旋转时，不会出现定子场相对于转子场的相对运动，相应地在转子笼的转子棒中不会出现感应。

因此，通过选择填充材料也能够优化转子的驱动特性而不依赖于其同步旋转特性。填充材料优选地这样地坚固，即抗抵离心力地稳固转子，从而使转子设计用于超过3000U/min(转数每分钟)，尤其是超过7000U/min的运行。

优选的是，填充材料包括金属和/或金属合金。为此设置有不同的区域，在这些区域中能够相应地布置另外的填充材料，从而在不同的转数时根据表面效应的原理调节例如转子笼架的电阻。根据本发明的一个设计方案，填充材料在至少一个区域中相应地包括以下材料中的至少一种：铜，铝，镁，合金，在此优选的是铝合金，尤其是硅铝合金。

根据一个设计方案，对启动特性的匹配的另外的一个可能性在于，通过填充材料仅仅部分地填充磁通锁止区域。当然，磁通锁止区域也可以完全地利用填充材料填充。本发明的设计方案还提出，不是所有的磁通锁止区域都具有填充材料。也就是说可以提出，磁通锁止区域部分地或者完全地利用电绝缘材料或者空气填充。例如聚合物或者陶瓷可以设置作为电绝缘材料。

根据本发明的一个改进方案，在叠片组的彼此轴向相对的叠片端部处分别布置有导电的且非铁磁的盘，笼架棒通过该盘电连接并且该盘由此相应地形成转子笼架的短路环。该盘能够以优选的方式通过压力浇注方法或者喷射注塑方法以较低的成本提供。该盘可以由填充材料形成。

但是根据本发明的一个设计方案提出，该盘由一种材料制成，该材料具有比在磁通锁止区域中的填充材料更小的导电值。由此获得一个优点，即通过选择盘的材料可以确定转子笼架的电阻，从而调节转子的启动力矩。

根据一个设计方案给出了设定转子笼架的电阻的以较低成本实现的另外可能性，在该设计方案中，盘的、在两个笼架棒之间的相应有效的传导横截面如此地小，即盘在传导横截面中分别具有比笼架棒中的每个笼架棒更大的电阻。例如，在轴向方向上的盘厚度可以这样小地设定尺寸，即在从一个笼架棒向下一个笼架棒的在盘中的过渡区域的电流路径具有比在笼架棒中更大的电阻。该盘也可以设计成环，也就是具有空缺，由此同样能够确定传导横截面。

根据一个设计方案，在叠片组的内部设置有至少一个中间盘，该中间盘同样能够由填充材料或者由处于叠片组端部的两个盘的材料形成。但是中间盘布置在叠片组的两个层之间。由此获得一个优点，即转子的机械坚固性被加大，并由此实现了转子的更高的转数。

填充材料和在叠片组端部处的盘优选地通过填充材料浇注成一个固定的联合体，这实现了在电机中的转子的特别简单的构造。

在该上下文中，通过本发明也提供了用于制造根据本发明的转子的设计方案的方法。根据该方法，为了形成叠片组的每个层而分别提供有磁传导能力的叠片，叠片具有层的磁通传导部段，并且其中设置有作为磁通锁止部段的空缺，其例如可以是叠片的冲压部。叠片被堆叠成或者串成叠片组。在串叠之后利用导电的填充材料对叠片组进行浇注。为此可以特别有利地使用压力浇注方法或者喷射注塑方法。

在此在一方面用于形成每个层的叠片和形成磁通传导部段的转子叠片之间进行区分。每个叠片可以具有一个或者多个转子叠片。在制造转子期间，各个条带形的磁通传导部段必须根据可能性彼此连接，从而简化制造步骤。为此，磁通传导区域能够例如通过外环彼此连接。在串叠叠片之后，依照根据本发明的方法的设计方案通过车削工艺去除每个导磁的叠片的外环，并且由此使得叠片中的每个分别分隔成多个彼此分开的转子叠片。

最后通过本发明还提供一种电驱动装置，其具有根据本发明的设计方案的转子的电机。电机在此为了驱动而设计成同步磁阻电机或者设计为异步电机。电机的优点，即能够以异步运行的方式启动并且在同步运行时以高效率运行。在异步电机的情况中产生这样的优点，即在较小的负载时转子也可以落入具有定子旋转场的步子中，并且由此获得同步磁阻运行，通过该运行将在转子中的电损失最小化。

在最简单的情况中，电驱动装置简单地为单个电机本身。但是根据本发明的电驱动装置也可以包括多个电机，也就是对于描述的电机来说，可以提供具有各一个转子的至少一个另外的电机，该转子表现了根据本发明的转子的设计方案。所有的机器在该设计方案中都连接至共同的逆变器。在这样的组运行中通常产生的问题是：利用该共同的逆变器确保所有电机的同步运行。在根据本发明的驱动装置中，并不出现该问题，这是因为落在步子之外的转子自动地借助其转子笼架再次加速到同步的转数上。

在驱动装置的情况中可以提出，即电机中的一个具有一个并未根据本发明设计的转子。逆变器可以因此为了同步运行设计应用于这一个电机。所有其他的电机则能够通过其能力，也异步启动地，同样通过该逆变器驱动。

附图说明

接下来描述本发明的实施例。图中示出：

图1是根据本发明的驱动装置的一个设计方案的横截面的示意图，

图2是图1中的电机的转子的透视视角的示意图，

图3是图2的转子的转子笼架的部分部段的透视视角的示意图，

图4是图2的转子的叠片组的一个层的示意图，和

图5是根据本发明的转子的另外的设计方案的叠片组的一个层的示意图。

具体实施方式

接下来描述的实施例是本发明的优选的设计方案。但是，在实施例中，设计方案的描述的组件表现了本发明的相应的各个彼此不依赖地考虑的特征，这些特征也彼此不依赖地对本发明进行改进并进而也单独地或者以另外示出的组合被视为本发明的组成部分。此外，描述的设计方案也能通过另外的已经描述的本发明的特征来补充。

在图1中示出了电机E，其中，其例如可以是同步磁阻电机或者异步电机。在图1中，旋转轴线A也是图示的对称轴。电机E包括定子S，在定子中布置有电线圈的绕组W，其中在图1中仅仅示出了绕组W中的一个。绕组W通过交流电源C交替的供电，由此在定子S的内部产生在电机E的气隙L中的磁旋转场。交流电源C可以例如是逆变器或者固定频率的供电网络。

转子10处于定子S的内部，其与轴D抗扭地连接。轴D可围绕旋转轴线A旋转地支承在定子S中。转子10是根据本发明的转子的设计方案。

在图2中单独地示出了转子10。

(在图2中并未示出的)轴D穿过转子10的穿孔12***。转子10相关于旋转轴线A的径向方向上的直径可以超过20cm。转子10在轴向方向上的长度可以超过30cm。

转子10具有作为磁有效部件的叠片组14，其由多个层16形成，这些层分别具有铁磁的、尤其软磁的材料。出于清晰性的原因，在图2中仅仅为磁性的层16中的一些配备了参考标号。电绝缘层相应地以已知的方式处于层之间，从而阻止在叠片组14中的涡流。每个层16在图2中示出的实例中分别通过一个转子叠片18形成。在图2中，仅仅转子叠片18，其在端侧20处在轴向方向上沿着轴线A处于叠片组的前端部，配有参考标号。转子叠片18(以及相应的还有其余的层16的其余的转子叠片)具有空缺22，它们形成用于磁通量的锁止部、也就是磁通锁止区域。空缺22可以例如通过冲压出由转子叠片18的相应形状来形成。

因此，由转子叠片18上仅仅存在磁通传导部段24以及用于机械连接磁通传导部段24的横梁26以及用于机械连接磁通传导部段24的外环28。层16的转子叠片都可以具有相同的形状。借助磁通引导部段24，在磁阻电机中，磁通量横向于转子10的q轴线30沿着磁引力方向传导一个磁通量，该磁通量通过定子的电线圈产生。

转子叠片能够以一种方式齐平地在叠片组14中轴向前后地布置，即空缺22以及相应地还有磁通传导部段24轴向齐平。所有前后布置的转子叠片18的空缺22总体上形成在转子叠片14中的井状空间或者空间，非铁磁的材料可以处于其中。

在转子10中集成有转子笼架K，其允许转子10相对于定子S的磁旋转场异步地、也就是说以一个转差率驱动。在图3中示出了转子笼架K，在其中没有嵌入磁性的磁通传导部段24。可以通过填充磁通锁止部、也就是在叠片组14中的通过空缺22形成的井状空间，利用非铁磁的、但是导电的填充材料填充来形成转子笼架。由此，在空缺22中，笼架棒34由非铁磁的、但是导电的填充材料形成。为了使得笼架棒34电短路，处于空缺22中的笼架棒34通过以导电的圆柱形盘32形式的、完全浇注的部分区域电连接。在此“完全浇注”意味着，当然在盘32中也设置有用于轴的穿孔12。盘32形成转子笼架K的短路环。

两个盘32设置在两个端侧处，也就是端侧20和叠片组14的轴向相对侧面上。在图2中，处于端侧22上的前面的盘32并未示出，从而能够示出转子叠片18的结构。也可以提出，即仅仅轴向外侧地处于叠片组端部上的盘32是导电的，并且一个或者多个中间盘在叠片组的区域中由电绝缘材料构成。

由导电的填充材料制成的浇注体例如通过喷射注塑或者压力浇注工艺在串叠之后、也就是在转子叠片18彼此相邻排列之后引入到空缺22和叠片32的区域中。为了确定叠片32的厚度和其位置，转子叠片组14在串叠之后通过间隔件、例如环或者块以一个间距保持住，从而在浇注时由浇注体产生圆柱形的盘32。

通过借助于对空缺22的浇注形成的转子笼架K，获得了通过磁通传导部段24形成的磁阻效应与相应于短路笼架或者转子笼架K的异步电机的链接。由此甚至可以在没有变频器的情况下实现在供电网络上的异步启动。

在此，转子10首先相对于定子旋转场异步地旋转。然而，通过相应的电机设计，也就是设定盘32和笼架棒34的电阻，如此地设计同步能力，即转子10落入到定子旋转场的同步转数中。

磁通锁止部如示出的那样可以完全地利用导电材料填充。但是也可以提出部分地填充。一种唯一的材料可以作为导电材料使用，或者多种具有不同特性的材料可以在磁通锁止部的不同区域中使用、也就是在空缺22中使用。可能的，优选的待使用的材料可以是：铜，铝，硅铝合金，镁。

为了影响电机E的电特性的电机特性，不同的材料也可以一方面应用在位于磁通锁止部中的笼架棒34中并且另一方面用于短路环，也就是盘32。在磁通锁止部中的，也就是在笼架棒34中的高导电值的材料产生较小的转差率的作用并进而导致非常接近同步转数的转数。当附加地还要实现高的转矩时，那么就可以使用具有较低的导电值的材料用于短路环。转矩的上升也能通过短路环横截面的较小来实现，因为这仅仅对于启动是必要的。

由这两个参数(导电能力和短路环横截面)，电机E可以相关于在异步网络启动的最大转数和用于电机的相应的使用情况的转矩来优化地设计。

利用浇注材料的导电值例如可以影响启动或增速特性。利用浇注材料调节的参数例如是驱动力矩、效率、正常运行特性、同步特性和在异步网络运行时的转数。

在浇注时，两个短路环也可以形成在叠片组端部上，由此获得了叠片组14的机械固定的连接。叠片组14可以作为单个部件使用。各个叠片在轴W上的耗费成本的组合过程与用于压紧的端部盘32都可以被避免，由此节省了制造成本。由此，该浇注阻止了各个转子叠片14的轴向和径向的晃动，因为其是固定的产物。

另外的优点由此获得，即利用仅仅一个叠片部段不仅能够调节变频器运行的和网络运行的设计方案以及在使用浇注的情况下也能够调节纯网络运行的设计方案。

在同步磁阻技术中使用转子笼架K的情况下实现了一个优点，即在同时的网络启动能力时实现了较高的效率。借此可以放弃变频器。通过浇注，转子叠片组可以作为整体的部件，其对转子的装配是有利的。转数能力可以通过具有高抗拉能力的材料和具有合适的填充物质的材料来提高，例如纤维。

通过使用根据本发明的转子可以改善以下的应用领域。作为用于根据现有技术的纯异步电机的应用是可以的，但是其中更为紧凑的构造通过转子10中的较高的功率密度来实现，并且其较高的效率通过异步运行和磁阻的组合来实现。作为用于根据现有技术的纯同步磁阻电机的应用是可以的，其中提供了异步启动能力并且实现了没有变频器的运行。在群组运行中的应用也是可以的，其中实现了在仅仅一个变频器上的多个同步磁阻电机的并联或者同时使用，其中，该变频器可以非常简单地设计，因为不需要对电机的实际转数的反馈。

在图4和图5中示出了转子的可替换的设计方案，其中各个磁层16另外地设计。该设计方案具有优点，即以比通过支撑件、如横梁26和外环28的转子10更小的程度来影响对于形成磁阻所必需的磁通导引。为了更好的指向，在图4和图5中，其功能相应于在图1或者图2中示出的部件的部件具有如在图1或图2中相同的参考标号。

在图4中示出了转子的磁层16，其中提供有多个磁通传导部段24，这些部段同样通过空缺22彼此分隔开，但是这些层仅仅通过一个外部的横梁或者环28保持在一起。在一个位置36处，在该位置处在转子10的转子叠片18的情况中存在横梁26，磁层16在图4中同样是个无磁区域，如其通过空缺22所形成的那样。

在图5中示出了转子的磁层，其中，各个磁通传导部段由彼此分隔开的转子叠片18′形成，各个无磁区域22′、即特别是合成树脂处于其之间。具有磁层16的转子如其在图5中所示出的那样例如可以由具有一个磁层的转子形成，如其在图4中所示的那样。通过对图4中的转子以车削工艺去除外环28，获得了具有磁层16的转子，如其在图4中所示的那样。

综上，通过本发明提供了具有集成的启动笼架的磁阻电机，其尤其能够带来优点地应用在同步磁阻电机中。

Claims (8)

1.一种用于磁阻电机(E)的转子(10)，其中，所述转子(10)具有带有多个层(16)的叠片组(14)，在这些所述层中，每个所述层都具有多个磁通传导部段(24)，所述多个磁通传导部段通过有磁传导能力的转子叠片(18)形成，所述转子叠片横向于相应的q轴线(30)延伸，其特征在于，所述磁通传导部段(24)彼此通过无磁性的磁通锁止区域(22)分隔开，其中，在所述层(16)的多个所述磁通锁止区域(22)中，设置有导电的且非铁磁的填充材料，通过所述填充材料使得相邻的所述层的所述磁通锁止区域(22)电连接，使得所述转子(10)的转子笼架的笼架棒(34)由所述磁通锁止区域(22)中的所述填充材料形成，其中通过所述填充材料仅部分地填充所述磁通锁止区域，其中所述磁通锁止区域部分地利用电绝缘材料来填充，其中所述笼架棒轴向平行于或者倾斜于旋转轴线(A)延伸，并且其中，在所述叠片组的彼此轴向相对的叠片端部(20)上，分别布置有导电的且非铁磁的盘(32)，所述笼架棒(34)通过所述盘电连接并且所述盘(32)由此分别形成所述转子笼架(K)的短路环，其中，所述转子(10)具有至少一个由所述填充材料形成的中间盘，所述中间盘被布置在所述层(16)之间，所述盘(32)由具有比所述填充材料小的导电值的材料制成，其中在位于所述磁通锁止区域中的笼架棒(34)中和在所述盘(32)中应用不同的材料。

2.根据权利要求1所述的转子(10)，其中，所述填充材料在至少一个磁通锁止区域中相应地包括以下材料中的至少一种：铜，铝，镁，合金。

3.根据权利要求2所述的转子(10)，其中，所述合金是铝合金。

4.根据权利要求3所述的转子(10)，其中，所述铝合金是硅铝合金。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的转子(10)，其中，所述盘(32)的在两个所述笼架棒(34)之间的相应有效的传导横截面小到使得所述盘(32)在所述传导横截面中分别具有比所述笼架棒(34)中的每个笼架棒更大的电阻。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的转子(10)，其中，通过所述填充材料将所述磁通传导部段的所有所述转子叠片浇铸成一个固定的联合体。

7.一种电的驱动装置，所述电的驱动装置具有带有根据权利要求1-6中任一项所述的转子(10)的电机(E)，其中用于驱动的所述电机(E)被设计成同步磁阻电机或者异步电机。

8.根据权利要求7所述的驱动装置，其中，提供至少一个另外的电机并且所有的电机连接在共同的逆变器上，其中所有的电机或者除了一个电机外的所有电机分别具有根据权利要求1至6中任一项所述的转子。

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