專利名稱：電機轉(zhuǎn)子的制作方法
電機轉(zhuǎn)子
背景技術：
本發(fā)明涉及如權利要求1的前序部分所述的電機轉(zhuǎn)子。 在配有基本上以等間隔沿轉(zhuǎn)子的圓周排列的多個磁極的電機轉(zhuǎn)子中，
每個磁極具有直極軸(direct pole axis)。兩個相鄰的直極軸形成由交軸平分 的角。對應于直極軸的電抗被稱作直軸電抗并且對應于交軸的電抗是交軸 電抗。
存在許多類型的電機，其中人們努力使交軸通量最小化，即使直軸電 抗與交軸電抗的比值最大化。這些電機的例子包含磁阻電機和同步感應電 機c
公開說明書GB 940,997公開了一種同步感應電機的轉(zhuǎn)子，其配有在 相鄰磁極之間延伸的磁通路徑。用相鄰磁通路徑之間延伸的低導磁性的磁 通阻隔槽形成磁通路徑。相鄰磁通路徑之間存在多個'頸，，用于機械地將 轉(zhuǎn)子固定在一起。磁通路徑之間的頸由與磁通路徑自身相同材料形成，即 具有高導磁性的例如鐵的材料。這類轉(zhuǎn)子構造的問題是高導磁性的頸使磁 通路徑之間泄漏磁通量，即頸削弱了直軸電抗與交軸電抗的比值。
電機轉(zhuǎn)速越高，磁通路徑之間的頸必須越寬以便將轉(zhuǎn)子固定在一起。 由于進一步降低了頸處磁通路徑之間的磁阻(magnetic resistance),所以加 寬頸就增加了泄漏磁通量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種電機轉(zhuǎn)子，其中直軸電抗與交軸電抗的 比值較高。本發(fā)明的目的由以獨立權利要求1中記載的內(nèi)容為特征的電機 轉(zhuǎn)子來實現(xiàn)。在從屬權利要求中公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
本發(fā)明的基本思路是外轉(zhuǎn)子單元與內(nèi)轉(zhuǎn)子單元形成形狀匹配，即形狀 封閉(form-blocked)的對。因而，內(nèi)轉(zhuǎn)子單元和外轉(zhuǎn)子單元以其幾何形狀 防止外轉(zhuǎn)子單元在徑向上與內(nèi)轉(zhuǎn)子單元脫離的方式被成形。
本發(fā)明的電機轉(zhuǎn)子的優(yōu)點是轉(zhuǎn)子被固定在一起而無需內(nèi)轉(zhuǎn)子單元和外轉(zhuǎn)子單元之間的頸。頸被排除的事實減少了內(nèi)轉(zhuǎn)子單元和外轉(zhuǎn)子單元之
間的泄漏磁通量，從而提高直軸電抗與交軸電抗的比值。此外，本發(fā)明的電機轉(zhuǎn)子維持良好的離心力和磁力。


下面參照優(yōu)選實施例和附圖更詳細地公開本發(fā)明，其中圖1是根據(jù)實施例的四機磁阻電機的轉(zhuǎn)子的剖^L圖；而
圖2示出配有根據(jù)本發(fā)明可選實施例的電機轉(zhuǎn)子的電機的四分之一橫截面。
具體實施例方式
圖1示出了包括轉(zhuǎn)子心RC和四個磁通5^圣結(jié)構的轉(zhuǎn)子，其中每個磁通路徑結(jié)構包括四個磁通路徑單元RE1-RE4。
轉(zhuǎn)子心RC的橫截面基本上是X形，其中X的每個頂端延伸到轉(zhuǎn)子的表面。每個磁極的直極軸dA穿it^伸到轉(zhuǎn)子表面的轉(zhuǎn)子心RC的部分。在轉(zhuǎn)子心RC的中間，有被布置為接納電機軸的孔RH。
每個磁通路徑結(jié)構以交軸qA穿過磁通路徑結(jié)構的中心線的方式定位。每個磁通路徑結(jié)構具有與轉(zhuǎn)子心RC位置鄰近的最內(nèi)磁通路徑單元REl ，在磁通路徑單元RE1與轉(zhuǎn)子心RC之間具有低導磁性的氣隙Gl。每個磁通路徑單元REl與轉(zhuǎn)子心RC形成形狀匹配對，即以防止磁通路徑單元REl在徑向上與轉(zhuǎn)子心RC脫離的方式將轉(zhuǎn)子心RC和磁通5M圣單元REl成形。
每個直極軸dA和每個交軸qA穿過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的軸并且沿轉(zhuǎn)子半徑的方向延伸。由于電氣工程領域的技術人員完全熟悉直極軸dA和交軸qA的定義，所以在這里未討論它們。
磁通路徑單元REl的底部Bl(即最接近轉(zhuǎn)子的中心點的部分) W:朝內(nèi)M。底部Bl的每個外緣在相應的直側(cè)壁SW1處結(jié)束。為了實現(xiàn)形狀匹配附著，磁通路徑單元REl的側(cè)壁SW1的徑向外末端比其徑向內(nèi)末端更彼此靠近。每個側(cè)壁SW在相應直外壁OW1處結(jié)束，直外壁OW1幾乎垂直于相應的交軸qA并且延伸到轉(zhuǎn)子的表面。磁通路徑單元RE1、轉(zhuǎn)子心RC和氣隙G1包括形狀匹配部分。磁通路徑單元RE1的形狀匹配部分包括直側(cè)壁SW1。轉(zhuǎn)子心RC的形狀匹配部分依次包括轉(zhuǎn)子心RC的、在氣隙Gl的另一側(cè)與磁通路徑單元REl的直側(cè)壁SW1相對的那些直側(cè)壁。氣隙Gl的材料的形狀匹配部分包括與磁通路徑單元REl的直側(cè)壁SW1相鄰的部分。
在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動期間，作用于氣隙的形狀匹配部分的材料上的超過50%的作用力是壓力。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，將磁通路徑單元RE1固定到位的作用力的必要部分包括由氣隙材料響應于作用到它的壓力而向磁通路徑單元REl傳送的反作用力。
鄰近每個磁通路徑單元REl,在徑向外部位置存在以形狀匹配的方式附著到磁通路徑單元REl的第二磁通路徑單元RE2。在磁通路徑單元REl和RE2之間有具有低導磁性的氣隙G2。此外，鄰近每個>^通路徑單元RE2，在徑向外部位置存在以形狀匹配的方式附著到磁通路徑單元RE2的磁通路徑單元RE3。在磁通路徑單元RE2和RE3之間有具有低導磁性的氣隙G3。
鄰近磁通路徑單元RE3，在徑向外部位置存在以形狀匹配的方式附著到磁通路徑單元RE3的磁通5M圣單元RE4。與其它鄰近磁通路徑單元類似，在磁通路徑單元RE3和RE4之間也存在低導磁性的氣隙。由附圖標記G4指示這個氣隙。
磁通路徑單元RE4是相應磁通路徑結(jié)構中最外部的磁通路徑單元。磁通路徑單元RE4的外表面OS4向外拱起，并且在相應交軸qA處形成轉(zhuǎn)子的外表面。
類似于氣隙Gl，也以在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時作用于氣隙G2-G4的材料的形狀匹配部分的超過50%的作用力是壓力的方式，來成形氣隙G2-G4。
磁通路徑單元RE1-RE3被布置為從單元的第一末端向其第二末端傳導磁通量，第一末端和第二末端均在轉(zhuǎn)子表面處結(jié)束，并且在轉(zhuǎn)子表面沿其圓周方向彼此分開。以圓周末端(即，上述被稱作第一和第二末端的那些末端)相距轉(zhuǎn)子中軸的徑向距離基本上大于所涉及的磁通路徑單元的中心部分的外表面相距轉(zhuǎn)子中軸的徑向距離的方式來成形每個磁通路徑單元RE1-RE3。
每個磁通路徑單元RE1-RE4和每個氣隙Gl-G4基本上關于相應交軸qA對稱。轉(zhuǎn)子心RC和磁通路徑單元RE1-RE4由例如鐵、具有高導磁性的材 料形成。轉(zhuǎn)子心RC和磁通路徑單元RE1-RE4可以包括薄電樞片，其平 面基本上垂直于轉(zhuǎn)子軸。電樞片至少在其一個表面上包括絕緣層。電樞片 是本領域眾所周知的?？蛇x地，轉(zhuǎn)子心RC和磁通路徑單元RE1-RE4可 以由實心鐵形成。
每個氣隙Gl-G4作為連續(xù)間隙從第一末端延伸到其第二末端。每個 氣隙的第一末端和第二末端都在轉(zhuǎn)子表面結(jié)束。當沿轉(zhuǎn)子表面的圓周方向 觀察時，氣隙的第一末端和第二末端彼此分開。每個氣隙G1-G4被用來 提高直軸電抗與交軸電抗的比值。換言之，每個氣隙Gl-G4被用來在接 近氣隙的轉(zhuǎn)子單元之間提供盡可能高的磁阻。
本領域技術人員理解，術語'氣隙'通常是指具有低導磁性的間隙。因 此氣隙也可以包括除空氣外的其它材料。例如，為了4吏才艮據(jù)圖1的實施例 的轉(zhuǎn)子適當?shù)毓ぷ?，需要用除空氣外的某種其它材料至少部分地填充氣隙 Gl-G4以防止在鄰近磁通路徑單元之間或內(nèi)磁通路徑單元RE1和轉(zhuǎn)子心 RC之間形成磁傳導路徑的情況。
根據(jù)電機的類型選擇氣隙Gl-G4的材料。在磁阻電機中，氣隙Gl-G4 可以填充就磁通量和電而言均是弱傳導的固態(tài)或粉狀物質(zhì)。有用物質(zhì)包含 取決于實施例的樹脂、塑料和碳纖維。在同步感應電機中，氣隙可以配有 例如不銹鋼、鋁或銅的良導電的材料，以實現(xiàn)鼠籠繞組。同步感應電機也 可以配有短路環(huán)。在某些實施例中，永磁體可以祝改置到氣隙中。
也可以把高導電性的材料放置到氣隙中以實現(xiàn)足夠的強度，而無需提 供鼠籠繞組。
在每個磁通路徑結(jié)構中磁通路徑單元的數(shù)量和形狀根據(jù)實施例變化。 因此，磁通路徑結(jié)構中的磁通路徑單元的數(shù)量可以高或低于圖1提供的四 個，并JL^通路徑單元的形狀可以不同于圖l所示。例如，磁通路徑單元 的底部的曲率半徑(即最靠近轉(zhuǎn)子的中心點的部分的曲率半徑)可以在底 部的不同部分有所不同。底部的曲率半徑可以在底部的與提供形狀匹配形 式的側(cè)壁靠近的側(cè)端處最大。此外，磁通路徑單元的底部可以包括與轉(zhuǎn)子 的徑向垂直延伸的基本上直的部分。
在圖l的實施例中，氣隙是非常窄的單元。然而，在可選實施例中， 氣隙可以較寬，甚至和磁通路徑單元一樣寬，或更寬。例如，每個氣隙的 寬度的尺寸取決于用于填充氣隙的材料，以及氣隙要產(chǎn)生的磁阻的程度。圖l示出了圓柱轉(zhuǎn)子電機的轉(zhuǎn)子。然而，本領域技術人員會明白，本發(fā)明的電機轉(zhuǎn)子也可以被用于凸極電機。例如，圖1的轉(zhuǎn)子可以通過去除
最外磁通路徑單元RE4而變成凸極電機轉(zhuǎn)子。也可以給每個最外磁通路徑單元的外表面提供由例如圓拱定義的凹陷。
通常目標是在制造容差的限制之內(nèi)，以確切的等間隔沿轉(zhuǎn)子的圓周放置轉(zhuǎn)子的磁極。然而，有時轉(zhuǎn)子的至少一個磁極對被排列到eWL轉(zhuǎn)動的位置，即磁極對例如從產(chǎn)生磁極對之間的確切等間隔的位置偏移了定子槽的一半。這個過程可以被用于均衡由定子槽導致的扭矩的振蕩或振動。然而明白，轉(zhuǎn)動電機的轉(zhuǎn)子的磁極沿轉(zhuǎn)子圓周以基本上相等的間隔放置，以實現(xiàn)電機的平順運行。
圖2示出配備有根據(jù)本發(fā)明可選實施例的電機轉(zhuǎn)子的電機的四分之一橫截面。除了轉(zhuǎn)子四分之一之外，圖2示出了現(xiàn)有技術定子的相應四分之一，其未在此上下文中更詳細地描述。
圖2的電機轉(zhuǎn)子是圖1的轉(zhuǎn)子的變型。以和圖1中使用的附圖標記相應的附圖標記來表示圖2中的轉(zhuǎn)子部分，例外的是在圖2中附圖標記標有撇號(')。由于圖l和2的轉(zhuǎn)子非常類似，所以下面的說明主要集中在區(qū)別于圖1的轉(zhuǎn)子特性的圖2的轉(zhuǎn)子特性上。
圖2的轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子心RC'和具有四個磁通路徑單元RE，-RE4'和相應四個氣隙Gl'-G4'的磁通路徑結(jié)構。磁通路徑結(jié)構的最內(nèi)磁通路徑單元RE1，鄰近轉(zhuǎn)子心RC'定位，在磁通路徑單元RE1'和轉(zhuǎn)子心RC之間提供低導磁性的氣隙G1'。
在其形狀和厚度方面，氣隙G1'類似于磁通路徑單元RE1'。氣隙G1'的形狀和磁通路徑單元RE1，的形狀方面的最大差異涉及其最外末端。磁通路徑單元RE1'剛好在它到達轉(zhuǎn)子的表面之前大大加寬。相應地，氣隙Gl'剛好在轉(zhuǎn)子的表面之前急劇縮窄。
氣隙Gl，包括7個部分，所有這些部分基本上是直的并且寬度恒定。如圖2所示，氣隙Gl'包括兩個最外部分OUl'、兩個形狀匹配FB1'部分、兩個中間部分IM1 ，和一個中央部分MD1'。氣隙Gl'完全地填充鑄造材料。
最外部分OUl'基本上垂直于交軸qA'延伸，兩個最外部分OUl'的最外末端結(jié)束于轉(zhuǎn)子表面。每個最外部分OUl'的最內(nèi)末端結(jié)束于其相應的形狀匹配部分FB1，。為了實現(xiàn)形狀匹配效應，形狀匹配部分FB1'的外末端比其內(nèi)末端更彼此靠近。形狀匹配部分FB1'的外末端是在相應最外部匹配部分FB1'的最內(nèi)末端結(jié)束于其相應的 中間部分IM1'。中間部分IM1'的外末端比內(nèi)末端更彼此分離。中央部分 MD1，在中間部分IM1'的最內(nèi)端之間延伸并且垂直于相應的縱軸qA，。
以在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動期間作用于形狀匹配部分FB1'的材料上的作用力的 70%是壓力并且30%是剪力的方式來成形由磁通路徑單元RE1，和轉(zhuǎn)子心 RC形成的形狀匹配對。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動期間作用于中間部分IM1'的材料上的 作用力的50%是壓力并且50%是剪力。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動期間作用于中央部分 MDl，的材料和最外部分OUl'的材料上的作用力的95%是張力并且5%是剪力。
在圖2的實施例中，以沿徑向(即沿離心力的方向)防止磁通路徑單元 RE1'與轉(zhuǎn)子心RC脫離的方式，每個磁通路徑單元RE1'與轉(zhuǎn)子心RC，形 成形狀匹配對。換言之，磁通路徑單元RE1'不能沿直徑向離開轉(zhuǎn)子，即
使氣隙Gr的材料被完全去除。
如圖2所示，盡管從氣隙Gl，去除材料允許磁通路徑單元RE1'被拉 出轉(zhuǎn)子心RC，然而在沒有關于其與轉(zhuǎn)子軸平行的縱軸轉(zhuǎn)動磁通路徑單元 RE1，的情況下這不會成為可能。然而，由于離心力始終在徑向上起作用 并且圖2的寬氣隙Gl'必須始終填充能夠充分防止磁通路徑單元RE1'相 對于轉(zhuǎn)子心RC，的徑向位移和磁通路徑單元RE1'關于其縱軸的轉(zhuǎn)動的材 料，所以這對于轉(zhuǎn)子如何保持在一起沒有影響。
在某些特殊應用中，本發(fā)明的電機轉(zhuǎn)子可以配有鄰i^通路徑單元之 間的窄頸。這些窄頸可以旨在均衡氣隙中的磁通量，以例如降低氣隙中的 磨擦損耗或利于轉(zhuǎn)子裝配。窄頸被配置成在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動期間，產(chǎn)生低于固定 彼此鄰近的內(nèi)轉(zhuǎn)子單元和相應外轉(zhuǎn)子單元的作用力的50%的作用力。
本領域技術人員會明白，本發(fā)明的基本思路可以以不同方式實現(xiàn)。因 此,本發(fā)明及其實施例不限于上述例子，而是可在權利要求的范圍內(nèi)變化。
權利要求
1.一種電機轉(zhuǎn)子，包括內(nèi)轉(zhuǎn)子單元(RC)和在徑向上位置比內(nèi)轉(zhuǎn)子單元(RC)更靠外的外轉(zhuǎn)子單元(RE1)，所述內(nèi)轉(zhuǎn)子單元(RC)和外轉(zhuǎn)子單元(RE1)由高導磁性的材料形成，和所述內(nèi)轉(zhuǎn)子單元(RC)和外轉(zhuǎn)子單元(RE1)之間的低導磁性的氣隙(G1)，其特征在于，所述外轉(zhuǎn)子單元(RE1)與內(nèi)轉(zhuǎn)子單元(RC)形成形狀匹配對，其中以防止所述外轉(zhuǎn)子單元(RE1)與內(nèi)轉(zhuǎn)子單元(RC)脫離的方式成形所述內(nèi)轉(zhuǎn)子單元(RC)和外轉(zhuǎn)子單元(RE1)。
2. 如權利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子具有沿圓周以基 本相等的間隔布置的多個磁極，每個磁極具有直極軸(dA)，并Jbf目鄰直極 軸(dA)之間的角度由交軸(qA)平分，從而每個外轉(zhuǎn)子單元(RE1)以一個交軸 (qA)精確地穿過它的方式放置。
3. 如權利要求2所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，每個外轉(zhuǎn)子單元(RE1)基 本上關于相應交軸(qA)對稱。
4. 如前面任何一個權利要求所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述氣隙(G1) 至少部分地用對于磁通量和電具有低傳導性的至少一種固態(tài)或粉狀物質(zhì) 填充。
5. 如權利要求1至3中任何一個所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述氣隙 (Gl)配有用于為轉(zhuǎn)子而建立的鼠籠繞組、具有低導磁性和高導電性的至少 一種物質(zhì)。
6. 如權利要求5所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子還包括短路環(huán)。
7. 如前面任何一個權利要求所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述氣隙(G1) 作為連續(xù)間隙從第一末端延伸到第二末端，所述氣隙(G1)的第一和第二末 端都結(jié)束于轉(zhuǎn)子表面，并且當沿圓周方向觀察時，所述氣隙(G1)的第一末 端和第二末端在所述轉(zhuǎn)子表面彼此分開。
8. 如前面任何一個權利要求所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述外轉(zhuǎn)子單 元(RE1)是磁通路徑單元，其被布置成把磁通量從所ii^通路徑單元的第 一末端傳導到所i^通路徑單元的第二末端，所ii^通路徑單元的第 一和 第二末端都結(jié)束于所述轉(zhuǎn)子表面，并且當沿圓周方向觀察時，所i^通路徑單元的第 一末端和第二末端在所述轉(zhuǎn)子表面彼此分開。
9. 如權利要求8所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述外轉(zhuǎn)子單元(RE1)的 第一末端和第二末端被定位為使得相距所述轉(zhuǎn)子的中軸的徑向距離基本 上大于所涉及的轉(zhuǎn)子單元(RE1)的中央部分的最外表面相距所述轉(zhuǎn)子的中 軸的^圣向if巨離。
10. 如前面任何一個權利要求所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述氣隙(G1，) 包括一對形狀匹配部分(FB1')，以在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動期間作用于所述形狀匹配部 分的材料上的超過50%的作用力是壓力的方式成形所述形狀匹配部分 (FBl，)。
11. 如權利要求10所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述氣隙(G1，)至少主要 填充鑄造材料。
12. 如前面任何一個權利要求所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述氣隙(G1) 被配置成提高直軸電抗與交軸電抗的比值。
13. —種電機，其特征在于包括如權利要求1至12中任何一個所述的 轉(zhuǎn)子。
14. 如權利要求13所述的電機，其特征在于，所述電機是磁阻電機或 同步感應電機。
全文摘要
電機轉(zhuǎn)子包括內(nèi)轉(zhuǎn)子單元(RC)和在徑向上位置比內(nèi)轉(zhuǎn)子單元(RC)更靠外的外轉(zhuǎn)子單元(RE1)，內(nèi)轉(zhuǎn)子單元(RC)和外轉(zhuǎn)子單元(RE1)由具有高導磁性的材料形成，和內(nèi)轉(zhuǎn)子單元(RC)和外轉(zhuǎn)子單元(RE1)之間的低導磁性的氣隙。外轉(zhuǎn)子單元(RE1)與內(nèi)轉(zhuǎn)子單元(RC)形成形狀匹配對，以防止外轉(zhuǎn)子單元(RE1)在徑向上與內(nèi)轉(zhuǎn)子單元(RC)脫離的方式成形內(nèi)轉(zhuǎn)子單元(RC)和外轉(zhuǎn)子單元(RE1)。
文檔編號H02K1/22GK101517861SQ200780035916
公開日2009年8月26日 申請日期2007年9月25日 優(yōu)先權日2006年9月27日
發(fā)明者杰雷·科萊赫邁寧 申請人:Abb公司