CN113169608B - 具有支撑结构的用于用永久磁铁励磁的电机的转子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于用永久磁铁励磁的电机的转子，所述转子具有沿圆周方向相邻设置的至少两个转子磁极，所述转子具有：转子铁芯；嵌入到其中的永久磁铁布置结构，所述永久磁铁布置结构用于产生气隙磁通密度，对于每个转子磁极，所述永久磁铁布置结构具有分成至少两个永久磁铁部分的至少一个永久磁铁，在永久磁铁的所述至少两个永久磁铁部分之间设有接片，所述接片将用于容纳各永久磁铁部分的两个空腔分隔开，并且所述接片具有多个导磁的支撑区段和多个磁绝缘的磁通阻挡区段，所述支撑区段用于提高转子铁芯的机械刚度并且用于在主动短路被引入到电机中的情况下导走外部的磁通，所述磁通阻挡区段用于减少漏磁通。本发明还涉及一种电机和一种机动车。

Description

具有支撑结构的用于用永久磁铁励磁的电机的转子

技术领域

本发明涉及一种用于用永久磁铁励磁的电机的转子，所述转子具有沿圆周方向相邻设置的至少两个转子磁极。所述转子具有转子铁芯以及嵌入到所述转子铁芯中的永久磁铁布置结构，所述永久磁铁布置结构用于在电机的气隙中产生气隙磁通密度，所述气隙邻接于转子铁芯的外侧。对于每个转子磁极，所述永久磁铁布置结构具有分成两个永久磁铁部分的至少一个永久磁铁。本发明还涉及一种用永久磁铁励磁的电机以及一种机动车。

背景技术

本文关注于用于机动车的用永久磁铁励磁的电机。这样的电机例如可以用作用于可电驱动的机动车、亦即电动车辆或混合动力车辆的驱动机器。用永久磁铁励磁的电机包括具有可通电的定子绕组的位置固定地支承的定子以及包括具有永久磁铁布置结构的相对于该定子可旋转地支承的转子。所述永久磁铁布置结构例如可以具有表面磁体或嵌入式或者说埋入式的永久磁铁，所述表面磁体设置在转子的转子铁芯的外侧上，所述嵌入式或者说埋入式的永久磁铁设置在转子铁芯的空腔中。

嵌入式的永久磁铁的尺寸、尤其是宽度在很大程度上通过转子铁芯的支撑作用来确定。在高速旋转的转子中，通常不能选择永久磁铁的水平的切向的布置结构，因为转子铁芯的刚度不足以对应地支撑永久磁铁，由此可以导致永久磁铁之一断裂。为了防止这点，一方面可将永久磁铁设置成V形布置结构。然而，这具有的结果是，在永久磁铁尺寸相同的情况下，基于在气隙中的较低的磁通密度导致较低的转矩。另一方面，永久磁铁可以分成永久磁铁部分并且通过填充有空气的空腔或者说空气桥(Luftsteg)或通过由转子铁芯材料制成的实心的铁质接片彼此分隔开。然而，在各永久磁铁部分之间的实心的铁质接片引起在转子铁芯材料中的漏磁通增加并且因此引起转矩降低。为了补偿这样的转矩损失，需要用更多的磁体材料来构造永久磁铁，这导致较高的成本和较高的惯性矩。由此负面地影响电机的经济性和动态特性、例如加速性能。虽然在各永久磁铁部分之间的空气桥导致漏磁通降低，但是该空气桥在主动短路被引入到电机中的情况下导致磁通或者说磁场强度仅能被不充分地导走。此外，空气桥导致在转子铁芯中的机械应力的不利分布。

发明内容

本发明的任务是，提供一种可特别简单地实现的解决方案，所述解决方案用于为用永久磁铁励磁的电机提供低漏磁通并且同时稳定的转子，该转子还可以在主动短路的情况下导走磁通。

根据本发明，该任务通过具有根据本发明的用于用永久磁铁励磁的电机的转子、用永久磁铁励磁的电机以及机动车来解决。

根据本发明的用于用永久磁铁励磁的电机的转子包括沿圆周方向相邻设置的至少两个转子磁极。所述转子具有转子铁芯以及嵌入到该转子铁芯中的永久磁铁布置结构，所述永久磁铁布置结构用于在电机的气隙中产生气隙磁通密度，所述气隙邻接于转子铁芯的外侧。对于每个转子磁极，所述永久磁铁布置结构具有分成至少两个永久磁铁部分的至少一个永久磁铁。在永久磁铁的所述至少两个永久磁铁部分之间设有接片，该接片将用于容纳永久磁铁的各永久磁铁部分的至少两个空腔分隔开并且因此将设置在各空腔中的永久磁铁部分分隔开。该接片具有多个导磁的支撑区段，所述支撑区段用于提高转子铁芯的机械刚度并且用于在主动短路被引入到电机中的情况下导走外部的磁通。此外，该接片具有多个磁绝缘的磁通阻挡区段，所述磁通阻挡区段用于减少漏磁通。

本发明还涉及一种用永久磁铁励磁的电机，该电机具有定子和相对于该定子可旋转地支承的根据本发明的转子，其中，在所述转子和所述定子之间构造有气隙。因此，所述气隙沿径向方向位于所述转子与所述定子之间。

电机例如可以用作用于可电驱动的机动车的牵引电机。所述电机尤其是内转子电机。所述电机具有如下定子，该定子包括具有沿圆周方向分布地设置的凹槽的定子铁芯或者说定子叠片组。可通电的定子绕组设置在朝向在定子和转子之间的气隙的凹槽中。在用永久磁铁励磁的内转子电机的情况下，所述定子叠片组构造成空心圆柱形的，其中，转子可旋转地支承在由该空心圆柱形的定子叠片组包围的内部空间中。在定子的朝向所述内部空间的、具有凹槽的内侧与转子铁芯的外侧之间构造有气隙。

尤其地，转子铁芯或者说转子叠片组同样构造成空心圆柱形的，并且具有朝向旋转轴线的内侧和朝向气隙的外侧。所述内侧包围沿所述旋转轴线轴向地延伸的转子轴，该转子轴与转子不可相对旋转地连接。所述转子具有至少两个转子磁极，其中，每个转子磁极配设有转子铁芯的一个扇区。两个相邻的转子磁极以南极和北极的形式形成转子磁极对。在此，在每个扇区中设有至少一个永久磁铁。在此，转子磁极的各永久磁铁是分体的并且是埋入式或者说嵌入式的永久磁铁。为此，对于永久磁铁的每个永久磁铁部分，在转子铁芯中构造有一个空腔，该空腔轴向延伸穿过转子铁芯，并且永久磁铁部分设置在该空腔中。在此，转子铁芯材料沿径向方向位于相应的空腔与转子铁芯的朝向气隙的外侧之间并且因此位于设置在所述空腔中的永久磁铁部分与所述气隙之间。该转子铁芯材料沿径向方向在各永久磁铁部分之上或者说在各永久磁铁部分上方形成相应的桥状物，各桥状物沿圆周方向延伸。经由这些桥状物，各永久磁铁部分的磁通在气隙、各永久磁铁部分和定子之间传导并且在电机的气隙中产生气隙磁通密度。

沿圆周方向在一个转子磁极的两个永久磁铁部分之间分别设有一个接片，该接片将两个永久磁铁部分的两个空腔彼此分隔开，并且该接片基本上沿径向方向延伸。尤其地，所述接片沿圆周方向的宽度明显小于各永久磁铁部分的宽度。尤其地，所述接片沿径向方向的长度在此对应于邻接于该接片的空腔的径向高度。该接片一方面设置成用于，在弹性变形的情况下确保用永久磁铁励磁的电机的机械刚度，所述弹性变形尤其是在电机的高转速的情况下出现，并且该接片设置成用于，在主动短路的情况下导走外部的磁通或者说磁场强度。

为了避免在电机上的电压过高的情况下的损坏并且因此为了为电机提供安全的运行模式，可以针对性地引发主动短路。例如，为了实施主动短路，可以通过连接在电机上游的逆变器来将连接导线短路。然而，在这样的主动短路的情况下，磁通或者说磁场强度从定子绕组引入到转子铁芯中，所述磁通或者说磁场强度可以穿透各永久磁铁部分并且因此将各永久磁铁部分去磁。为了引导这些磁场强度在永久磁铁部分旁边经过并且因此导走这些磁场强度，接片具有由导磁的支撑区段形成的支撑结构，该支撑结构还提高转子铁芯的稳定性。因此，该支撑结构以有利的方式在转子承受负荷的高转速情况下允许较大的弹性变形，从而尤其是可以使用大体积的永久磁铁部分。此外，通过这样的支撑结构实现永久磁铁部分在叠片组中的布置结构可能性方面的设计自由度，这能够实现针对性的优化，例如能够实现在永久磁铁部分的尺寸和形状方面的优化。

另一方面，所述接片设置成用于，减少尤其是在永久磁铁部分的边缘处出现的漏磁通。漏磁通可以通过高次谐波与气隙磁通密度的产生有效转矩的正弦形的基谐波叠加，这些高次谐波造成在转子铁芯中的附加的损耗功率并且因此造成电机的附加的发热。此外，高次谐波引起在转矩中的附加的波动性或不均匀性。为了减少漏磁通，所述接片具有由磁绝缘的磁通阻挡区段形成的磁通阻挡结构。与导磁的支撑区段相比，磁通阻挡区段具有明显更大的磁阻或者说明显更大的磁阻抗。优选地，磁通阻挡区段也附加地构造成电绝缘的。磁通阻挡区段在此用作用于漏磁通的屏障。通过磁通阻挡区段可以针对性地控制漏磁通，这具有的结果是，相比于具有实心的铁质接片的结构，改善转矩收益并且降低转矩波动性。

构成接片的机械式的支撑结构和磁通阻挡结构因此在转子铁芯中形成电磁机械结构，通过该电磁机械结构可以以有利的方式针对性地控制机械力流和电磁通，以便提供低损耗并且稳定的电机。

尤其地，各永久磁铁部分相对于转子的旋转轴线切向地取向并且水平地彼此并排设置。因此，永久磁铁部分的磁体纵轴线切向于旋转轴线并且切向于转子铁芯的外侧地取向。永久磁铁部分的磁化方向尤其是垂直于磁体纵轴线地取向。在此，各永久磁铁部分水平地彼此并排地、以180°的角度设置。沿径向方向延伸的接片由此在其径向长度上尤其是具有恒定的宽度。基于接片的改善转子铁芯支撑效果的支撑结构，永久磁铁部分的这样的水平的布置结构是可能的，该水平的布置结构尤其是在电机的高转速的情况下需要转子铁芯的高的机械稳定性。与角度小于180°的V形布置结构相比，永久磁铁部分的这样的水平的布置结构导致在气隙中的更高的气隙磁通密度并且因此导致更高的转矩。

证明有利的是，永久磁铁部分的朝向转子铁芯外侧的表面是凸形地拱曲的，并且各空腔具有与所述凸形地拱曲的表面相对应的凹形地拱曲的内侧。永久磁铁部分的凸形的表面例如贴靠地设置在空腔的凹形的内侧上。通过空腔的尤其是平行于转子铁芯外侧延伸的凹形的内侧，在空腔和转子铁芯的外侧之间的桥状物构造成弓形的并且沿圆周方向具有恒定的径向厚度。通过永久磁铁的这样的形状可以以有利的方式促进气隙磁通密度分布的基谐波的期望的正弦形状。

特别优选地，磁通阻挡区段构造为在转子铁芯中的空穴，并且支撑区段构造为邻接于所述空穴的转子铁芯材料。因此，磁绝缘的磁通阻挡结构构造为空穴结构。在此，由转子铁芯材料制成的接片区段形成支撑结构，在主动短路的情况下，该支撑结构可以引导外部的磁场强度部分地在永久磁铁部分旁边经过。因此，接片通过空穴而局部地构造为空气桥并且通过由转子铁芯材料制成的区段而局部地构造为实心的铁质接片。因此，实心的铁质接片的优点和空气桥的优点结合，实心的铁质接片提高机械刚度并在主动短路的情况下导走外部的磁通，空气桥减少在转子铁芯中的漏磁通。此外，可以特别简单地在转子铁芯中制造构造为空穴的磁通阻挡区段。这些空穴还确保在转子铁芯中的机械应力的有利分布并且减小转子铁芯的体积以及重量。由此可以以有利的方式节省成本。附加地，空穴结构可以以有利的方式用于转子的主动冷却或被动冷却。

尤其地，磁通阻挡区段、例如空穴沿径向方向彼此间隔开地设置，从而在接片中，磁通阻挡区段和机械式的支撑区段沿径向方向交替地设置。磁通阻挡区段例如可以彼此等距地或非等距地间隔开。磁通阻挡区段还可以具有不同的或相同的几何结构或形状。

也可以规定，空穴填充有电绝缘并且磁绝缘的支撑材料，以便进一步提高转子铁芯的机械稳定性。这样的支撑材料例如可以是塑料。通过这样的支撑材料可以进一步提高转子的机械刚度，而在此时不提高在转子铁芯中的漏磁通。

本发明还包括一种具有根据本发明的用永久磁铁励磁的电机的机动车。所述机动车尤其是电动车辆或混合动力车辆并且具有电机，该电机作为牵引电机或者说驱动电机。

参照根据本发明的转子提出的实施方式及其优点对应地适用于根据本发明的电机和根据本发明的机动车。

本发明的其它特征由附图和针对附图的说明得出。在上面在说明书中提到的特征和特征组合以及在下面在针对附图的说明中提到和/或仅在附图中示出的特征和特征组合不仅可在相应给出的组合中使用，而且也可在其它组合中使用，或者可单独使用。

附图说明

现在借助优选的实施例以及参考附图更详细地阐述本发明。唯一的附图，即图1示出电机的一种实施方式的扇区的示意性的剖面图。

具体实施方式

在图1中示出的用永久磁铁励磁的电机1例如可以构造为在这里未示出的、可电驱动的机动车的牵引电机。电机1包括定子2和相对于该定子2围绕旋转轴线A可旋转地支承的转子3。定子2和转子3彼此间隔开地设置，形成气隙4。定子2具有定子叠片组5，该定子叠片组具有沿圆周方向U分布地设置的多个凹槽6，在这些凹槽中设有定子2的可通电的绕组7，所述可通电的绕组用于产生旋转磁场。通过该旋转磁场可以激励转子3围绕旋转轴线A旋转。

转子3具有至少两个转子磁极P，其中，在这里，例如示出一个以磁北极形式的转子磁极P。邻接于该磁北极的是一个在这里未示出的以磁南极形式的转子磁极P。转子3具有转子铁芯8或者说叠片组，所述转子铁芯或者说叠片组具有朝向气隙4的外侧9。此外，每个转子磁极P具有至少一个永久磁铁10，所述至少一个永久磁铁构造为分成两个永久磁铁部分10a、10b的永久磁铁。第一永久磁铁部分10a设置在转子铁芯8的第一空腔11中，并且第二永久磁铁部分10b设置在转子铁芯8的第二空腔12中。各空腔11、12在沿旋转轴线A取向的轴向方向上延伸穿过转子铁芯8。在这里示出的分体的永久磁铁10与转子3的其它转子磁极P的分体的永久磁铁10形成嵌入式的永久磁铁布置结构。该嵌入式的永久磁铁布置结构在气隙4中产生磁通密度或者说气隙磁通密度，所述气隙磁通密度的分布影响电机1的运行。尤其地，气隙磁通密度的分布影响电机1的转矩的大小和波动性以及影响电机1的损耗功率。

在这里，永久磁铁部分10a、10b切向地、沿圆周方向U延伸地并且水平地彼此并排设置并且具有沿径向方向R取向的磁化。在这里，各永久磁铁部分10a、10b还具有朝向气隙4方向拱曲的凸形的表面13。通过该凸形的表面13可以在气隙4中促进气隙磁通密度的正弦形的分布。在永久磁铁部分10a、10b的切向的布置结构的情况下，需要确保转子铁芯8即使在电机1的高转速情况下也足够稳定，以便对应地支撑各永久磁铁部分10a、10b并且防止各永久磁铁部分10a、10b的断裂。因此，沿圆周方向U在永久磁铁部分10a、10b之间设有沿径向方向R延伸的接片14，该接片具有支撑区段15，这些支撑区段提高转子铁芯8的机械稳定性或刚度。这些支撑区段15由转子铁芯材料制成并且因此是导磁的。通过这些导磁的支撑区段15可以在电机1中主动引发短路的情况下引导外部的磁场强度从永久磁铁部分10a、10b旁边经过并且因此将所述外部的磁场强度导走。因此，通过支撑区段15可以防止，在主动短路的情况下永久磁铁部分10a、10b被外部的磁通去磁。

此外，接片14具有如下磁通阻挡区段16，所述磁通阻挡区段沿轴向方向贯穿转子铁芯材料，并且所述磁通阻挡区段构造为磁绝缘的。通过磁绝缘的磁通阻挡区段16可以减少在永久磁铁部分10a、10b的边缘处出现的漏磁通，在这里，所述磁通阻挡区段构造为在转子铁芯8中的空穴。即这些磁绝缘的磁通阻挡区段16形成用于漏磁通的屏障并因此针对性地控制所述漏磁通，由此在气隙4中提供更多的磁通密度用于机电转换。通过在各永久磁铁部分10a、10b之间的磁通阻挡区段16，在该接片14中的磁通密度一方面可以被针对性地集束并且另一方面可以有利地分布。在这里，空穴彼此等距地设置并且全部具有相同的形状。总结性地，通过由在各永久磁铁部分10a、10b之间的机械式的支撑区段15和磁通阻挡区段16形成的结构的限定的设计方案，可以控制并且根据需要针对性地优化机械力流和磁通。

附图标记列表

1 电机

2 定子

3 转子

4 气隙

5 定子叠片组

6 凹槽

7 绕组

8 转子铁芯

9 外侧

10 永久磁铁

10a、10b 永久磁铁部分

11 第一空腔

12 第二空腔

13 表面

14 接片

15 支撑区段

16 磁通阻挡区段

R 径向方向

U 圆周方向

A 旋转轴线

Claims (7)

1.一种用于用永久磁铁励磁的电机(1)的转子(3)，所述转子具有沿圆周方向(U)相邻设置的至少两个转子磁极(P)，所述转子具有：

转子铁芯(8)；

嵌入到所述转子铁芯(8)中的永久磁铁布置结构，所述永久磁铁布置结构用于在电机(1)的气隙(4)中产生气隙磁通密度，所述气隙邻接于转子铁芯(8)的外侧(9)，其中，对于每个转子磁极(P)，所述永久磁铁布置结构具有分成至少两个永久磁铁部分(10a、10b)的至少一个永久磁铁(10)；

其特征在于，

在永久磁铁(10)的所述至少两个永久磁铁部分(10a、10b)之间设有接片(14)，所述接片将用于容纳各永久磁铁部分(10a、10b)的两个空腔(11、12)分隔开，并且所述接片具有多个导磁的支撑区段(15)和多个磁绝缘的磁通阻挡区段(16)，所述支撑区段用于提高转子铁芯(8)的机械刚度并且用于在主动短路被引入到电机(1)中的情况下导走外部的磁通，所述磁通阻挡区段用于减少漏磁通，各磁通阻挡区段(16)全部具有相同的形状并且沿径向方向(R)彼此等距地间隔开地设置，从而在接片(14)中，磁通阻挡区段(16)和支撑区段(15)沿径向方向(R)交替地设置，并且磁通阻挡区段(16)和支撑区段(15)垂直于径向方向延伸并且从转子铁芯(8)的外侧(9)出发在永久磁铁部分(10a、10b)的径向长度上均匀分布。

2.根据权利要求1所述的转子(3)，其特征在于，各永久磁铁部分(10a、10b)相对于转子(3)的旋转轴线(L)切向地取向并且水平地彼此并排设置。

3.根据权利要求1或2所述的转子(3)，其特征在于，各永久磁铁部分(10a、10b)的朝向转子铁芯(8)外侧(9)的表面(13)是凸形地拱曲的，并且各空腔(11、12)具有与该凸形地拱曲的表面(13)相对应的凹形地拱曲的内侧。

4.根据权利要求1或2所述的转子(3)，其特征在于，所述磁通阻挡区段(16)构造为在转子铁芯(8)中的空穴，并且所述支撑区段(15)构造为邻接于所述空穴的转子铁芯材料。

5.根据权利要求4所述的转子(3)，其特征在于，各空穴填充有电绝缘并且磁绝缘的支撑材料，以便进一步提高转子铁芯(8)的机械刚度。

6.一种用永久磁铁励磁的电机(1)，所述电机具有定子(2)和相对于该定子(2)可旋转地支承的根据权利要求1至5中任一项所述的转子(3)，其中，在所述转子(3)和所述定子(2)之间构造有气隙(4)。

7.一种机动车，所述机动车具有根据权利要求6所述的用永久磁铁励磁的电机(1)。