用於旋轉電動機械的內部轉子及其組裝方法

2023-05-24 12:09:21 3

專利名稱：用於旋轉電動機械的內部轉子及其組裝方法
技術領域：
本發明涉及電動旋轉機械，其中轉子包括永久磁體。更準確地說，本發明涉及磁體 放置在轉子的凹槽中的機械。所涉及的電動機械一般通過表述「埋入磁體」來說明。轉子 的這種布置原理廣泛應用於自控制通量密度(flux density)同步機械中。
背景技術：
電動旋轉機械的尺寸取決於它的額定轉矩(nominal torque)。電動機能夠傳遞的 轉矩越高，該電動機也就越大，所有其它情況也是一樣。然而，存在一些應用，其希望同時實 現相當大的功率以及電動機的較大程度的緊湊性。簡單給出一個實際例子，當希望將牽引 電動機安置在機動車輛的車輪中時，對於可能的最小重量(為了儘可能地限制可能的懸掛 重量)，就會希望能夠開發出每個電動機至少IOkW的功率，並且甚至時常希望能夠開發出 每個電動機至少25或30kW的功率。還希望空間需求非常小，儘量小於車輪的內部體積，從 而在懸掛行程中以及在車輪相對於車輛車體外殼的其它類型的移動中不與車輛的元件發 生幹涉。這兩種要求(功率要高、空間需求和重量要低)導致了如果不對目前在市場上可 獲得的電動機械的重量/功率比進行根本改進，那麼將牽引電動機安裝在客用車輛的車輪 中就是很成問題的。在設計電動機的時候對於電動機選擇較高的速度，對於給定的功率，這是可以減 小轉矩並從而降低空間需求的一種方案。換言之，對於給定額定功率的電動機，其額定旋轉 速度越高，其空間需求就會越低。另一方面，提升電動旋轉機械的旋轉速度會產生很多問題，特別是對於由轉子元 件支持的離心力而言，尤其是磁體。(機械和聲學)振動也是一個難題，其會隨著旋轉速度增加而增加。在專利申請EP 1001507中已經提出了用於實現高旋轉速度的一種特定設計。在 該專利申請中提出的速度為12000rpm的級別，對此提出了組件的一種特別的布置方式，該 組件由多邊形整體式軸以及特意圍繞該軸放置的極部件構成。在專利申請EP 1359657中已經提出了一種改進形式，可以涉及20000rpm級別的
速度，為此提出了一種布置方式，使用了楔子以在徑向將磁體鎖定在其榫槽中。

發明內容
本發明的一個目的是提出一種改進的轉子，其特別地針對其尺寸穩定性。因此，本發明涉及一種用於電動旋轉機械的埋入磁體的內部轉子，所述轉子包 括·軸，由磁性材料製成並且圍繞所述軸的多個極部件，所述極部件在它們之間限定 了榫槽，·沿著所述軸在軸向處於所述極部件的每個側面上的第一側向擋板和第二側向擋CN 102124635 A 板，所述軸通過每個側向擋板中的中心開口穿過每個側向擋板，·每個極部件上至少一個連結杆，所述連結杆在所述側向擋板之間夾持每個極部 件， 安裝在所述榫槽中的多個永久磁體，所述轉子的特徵在於，所述軸包括對於所述第一側向擋板的內部肩部，所述內部 肩部設計為形成軸向鄰接部，第一法蘭通過緊固至所述軸的外部環而軸向支撐抵靠在所述 軸向鄰接部上。優選地，所述外部環在徑向冷縮配合到所述軸上。仍然優選地，第二法蘭能夠沿著所述軸滑動。仍然優選地，第二擋板的中心開口使其能夠越過所述軸的內部肩部。仍然優選地，所述軸的肩部與在第一擋板的厚度中形成的端面相互作用。仍然優選地，所述極部件由一堆磁性金屬片構成。仍然優選地，所述軸包括具有鍵槽的中心部分，所述內部肩部由所述具有鍵槽的 中心部分的端部的其中之一限定。本發明還涉及包括這樣的轉子的電動旋轉機械。本發明還涉及一種用於製造這樣的轉子的方法，其中最初組裝至少包括極部件的 子組件，在然後將所述子組件放置在所述軸上之前，所述側向擋板和連結杆與所述軸是獨立的。優選地，所述方法還包括如下步驟通過使得所述第一側向擋板在所述軸的內部 肩部和緊固至所述軸的所述外部環之間固定不動而將所述子組件連接至所述軸。仍然優選地，所述外部環通過徑向冷縮配合而緊固至所述軸。


根據基於如下附圖的說明書的剩餘部分，本發明將會得到更好的理解·圖1是根據能夠在圖2和圖3中看見的虛線A-A的沿著根據本發明的轉子的軸 線的剖視圖。·圖2是根據能夠在圖1中看見的線B-B的垂直於圖1的轉子的軸線的局部剖視 圖。·圖3是根據能夠在圖1中看見的線C-C的垂直於圖1的轉子的軸線的剖視圖。 圖4是軸2的立體圖。 圖5是沿著擋板(shroud)和磁體楔子的具體實施方案的轉子的軸線的一段的立 體圖。·圖6是根據本發明的轉子的第二實施方案的類似於圖1的圖。
具體實施例方式附圖顯示了用於六極機械(hexapolar machine)的轉子1，其還包括未示出的定 子。轉子1包括依靠在軸承20上的整體式軸2。能夠看見六個極部件30，其由一堆鐵磁金 屬片3形成。每個金屬片3基本上垂直於軸的軸線。金屬片可以非常薄，例如為十分之幾 毫米的級別，例如0. 2mm。
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在軸2的任一軸向的側面上，能夠看見側向擋板5、5』 (優選地由非磁性材料製成) 位於極部件30的每一側面上。圖1還顯示了兩個任選的中間擋板7(優選地也由非磁性材 料製成)。每個側向擋板以及適當情況的每個中間擋板7都包括中心開口。在圖1中描述 的非限制性例子中，側向擋板的中心開口的形狀是圓形，而中間擋板的中心開口的形狀被 調節為軸2的形狀，也就是說在這種情況下為具有鍵槽的形狀。對於每個極部件30，連結杆6穿過堆疊的金屬片3(以及適當情況的中間擋板)， 並且可以將組件夾持在側向擋板5和5』之間。因此，由極部件支持的離心力被側向擋板所 吸收(在適當的情況下，除了任何其它裝置之外被中間擋板所吸收)。根據本發明，軸2還包括內部肩部22，該內部肩部22設計為與第一側向擋板5相 互作用，以便確定其軸向位置，並且因此確定在軸上的極部件的軸向位置(特別參見圖1、 圖4、圖5和圖6)。優選地，軸的肩部22依靠在擋板的端面50的底部。外部環沈通過將擋 板在軸向按壓在軸的肩部上而使得擋板固定不動，該外部環例如通過冷縮配合固定至軸。 因此，第二擋板(其能夠滿足「浮動」要求)並不依靠在軸的肩部上，而是保持為根據堆疊 的熱膨脹而在軸向自由移動。這種浮動的擋板5』可以包括基本上等同於固定不動的擋板 5』的端面50的端面，或者相反地，可以如本文所示貫穿其厚度進行鑽孔(參見第二擋板5』 的孔50，)。肩部或多個肩部22優選地對應於軸的鍵槽中心部分23的端部。因為存在端面50 和孔50』，這些端部然後回縮進入擋板5和5』。通過這種方式，堆疊的端部金屬片不能從軸 的鍵槽中心部分23脫離。這在轉子的組裝過程中是特別有利的。假定第二擋板與第一擋板相同或相似，也就是說具有端面且不具有孔，那麼在該 第二擋板和軸上的相應肩部之間必須保持一定軸向間隙，以允許前面提到的熱膨脹。平行六面體的永久磁體4顯示為在極部件30之間放置在榫槽40中。榫槽被中間 擋板7中斷。因此，在圖1的例子中，每個極都有3個磁體，然而在圖6的例子中，每個極僅 僅只有2個磁體。每個磁體的榫槽都被磁體楔子51所封閉。此外，在圖2中能夠看出，極部件30的縱向面300的每一個都包括平行於轉子的 軸線的鍵槽31，挖空至接近每個極部件30的外邊緣32的徑向水平(並且因此接近每個金 屬片3的外邊緣的徑向水平)，此外所述極部件的高度(或者更準確地說是徑向尺寸)稍微 大於磁體4的高度。因此，每個楔子51依靠在放置在每個相鄰極部件上的兩個鍵槽31上。 因此，磁體4以機械方式緊固至極部件30。每個鍵槽31的實質功能是形成肩部，從而抵抗 楔子和磁體的離心作用。極部件本身依賴於連結杆和側向擋板(以及必要情況下的中間擋 板)而緊固在一起。楔子51是T形的。當看著放置於轉子的頂部的楔子時，「T」是上下顛倒的(圖2)。 「T」的凸緣和鍵槽31具有平坦徑向承載表面，也就是說，垂直於榫槽40的中心半徑41的表 面。一方面，楔子51和鍵槽31的這種輪廓使得轉子能夠承受離心作用而在這種情況下不 會產生傾向於使得榫槽40變寬的任何力。另一方面，「T」的徑向部分(足部)填充了極部件之間的空間，其使得轉子具有了 幾乎光滑的外表面(即使在沒有研磨的情況下)，因為楔子的徑向外表面53與極部件的外 表面32平齊。楔子53的頂部可以甚至稍微具有穹頂形狀(優選地採用了與轉子外側相同的半徑)，以便準確地使得金屬片的外邊緣32的曲線得以延伸。通過這種方式，高速旋轉又一次 導致了較小的聲學振動(噪音)。在這裡顯示的T形輪廓是優選的輪廓，但是其它已知輪廓本身，例如簡單的平坦 (矩形)輪廓，也能夠在本發明的情形中使用。如圖5中具體所述，楔子的端部511在側向擋板的凹槽中在任一側軸向延伸超過 極部件。優選地，端部511製造為較薄，從而在側向擋板的外圍溝槽52中彎曲過來，從而在 其中軸向固定不動。還已經發現，這種布置方式在電動機高速旋轉時對於聲學振動(噪音) 是有利的。為了使其能夠摺疊過來進入外圍溝槽52，楔子的端部511優選地製造為較薄， 同時不包括T形輪廓的徑向部分。然後，端部511成為舌片的形式。再次優選地，外圍溝槽 52的外壁相對於軸向方向以基本上小於90°的角度傾斜，例如以70°級別的角度傾斜，以 便在楔子彎曲過來的時候產生楔子的軸向夾持。優選地，極部件30包括設計為與軸2的鍵槽21相互作用的凸榫。正是這種連接 將轉矩從極部件直接傳遞至軸。優選地，鍵槽21具有平行的壁，並且與凸榫相互作用，該凸 榫具有同樣平行的承載面。由於在這種情況下極部件由一堆鐵磁金屬片3形成，每個金屬 片都包括基本上為矩形的徑向凸出部34，其形成凸榫的一部分。自然地，如果只有極部件的 金屬片的一個部分包括這種凸出部，應力將會集中在這些金屬片上。圖2和圖4顯示了軸優選地包括和極一樣多的鍵槽(在此情況下數量為六個)，但 是能夠理解的是，取決於涉及的力，將其本身限制為只有4、3或者甚至2個鍵槽也是有可能 的。還能夠將配重附加至擋板，從而使得轉子的靜態和動態平衡趨於完美。根據圖1、圖3和圖6的實施方案，配重具有無頭螺釘101的形狀，其位於擋板中 的螺紋鑽孔102中。優選地，鑽孔在這裡位於面對磁體4，從而使得平衡螺釘能夠在軸向夾 持磁體。因此，除了用於六個連結杆6的六個通道61之外，每個擋板都包括六個螺紋鑽孔 102。根據第二實施方案，配重也可以位於連結杆的端部60中的缺口 104中。例如，配 重可以採取無頭螺釘的形式，從而與在連結杆的缺口中或者甚至在連結杆螺釘62的頭中 製造的螺紋相匹配。能夠理解，通過改變對於每個配重選擇的位置，長度和/或材料，可以調節轉子的 平衡。由於螺紋的數量受到限制，常常必須要將兩個配重的效果結合起來，每個配重位於特 定的鑽孔中以便獲得足夠精細的平衡。為了獲得令人滿意的動態平衡，在兩個側向擋板的 每一個上都放置配重常常是有用的。優選地，通過連接它們的螺紋，配重也是固定不動的，從而保證它們被保持在其軸 向位置。可選擇地，也可以通過去除材料對擋板進行一次或多次局部加工，從而代替將配 置附加至擋板。附圖還顯示了特定的連結杆6和連結杆螺釘62。連結杆的頭部下沉進入其中一個 擋板(在此處於圖的右邊)，並且簡單地被卡環63所阻擋，該卡環63與擋板的肩部64相互 作用。連結杆螺釘62是下埋頭部下沉進入擋板厚度的螺釘(在圖中處於左邊)。這種設計可以一方面降低轉子的軸向空間要求，並且另一方面獲得幾乎光滑的擋板，並且因此幾乎不產生噪音。圖6的轉子的中間擋板7的中心開口是圓形的，也就是說，其並不可能將旋轉力傳 遞至軸。因此，在這個例子中，全部轉矩都通過金屬片的凸出部34而傳遞至軸，因為所有的 擋板(側向擋板和中間擋板)都以旋轉方式滑動地安裝在軸上。另一方面，能夠選擇圖1 中所示的構造(其中中間擋板也包括凸榫)，從而在組裝轉子時使得傳遞轉矩以及對準連 結杆的通道61都更加容易。在優選的實施方案中，其中第二擋板(浮動擋板5』 )被鑽孔從而能夠在軸的具有 溝槽的部分23上無障礙滑動，因此越過與第一擋板相互作用的內部肩部，在將至少包括極 部件的第一子組件轉移至軸並通過冷縮配合的環26將其連接在那裡之前，可以將該子組 件、側向擋板和連結杆獨立於轉子軸而例如組裝在組件心軸上。轉子無損地承受非常高的旋轉速度，遠遠高於lOOOOrpm，亦即至少20000rpm級別 的速度。根據本發明的轉子的較大尺寸穩定性使得採用非常小的間隙成為可能。附圖顯示了六極轉子，也就是說包括3對極，但是本領域技術人員能夠將本申請 公開的技術內容轉移至包括例如2、4或5對極(而不是三對極)的轉子。
權利要求
1.一種用於電動旋轉機械的埋入磁體的內部轉子(1)，所述轉子包括 軸O)，由磁性材料製成並且圍繞所述軸的多個極部件(30)，所述極部件在它們之間 限定了榫槽(40)， 沿著所述軸( 在軸向處於所述極部件的每個側面上的第一側向擋板( 和第二側 向擋板(5』)，所述軸通過每個側向擋板中的中心開口穿過每個側向擋板， 每個極部件上至少一個連結杆(6)，所述連結杆在所述側向擋板之間夾持每個極部件， 安裝在所述榫槽GO)中的多個永久磁體0)，所述轉子的特徵在於，所述軸包括對於所述第一側向擋板(5)的內部肩部(22)，所述 內部肩部設計為形成軸向鄰接部，所述第一擋板通過緊固至所述軸的外部環06)而軸向 支撐抵靠在所述軸向鄰接部上。
2.根據權利要求1所述的轉子，其中所述外部環06)在徑向冷縮配合到所述軸上。
3.根據前述權利要求的一項所述的轉子，其中所述第二擋板(5』)能夠沿著所述軸滑動。
4.根據權利要求3所述的轉子，其中第二擋板的中心開口(50』)使其能夠越過所述軸 的內部肩部02)。
5.根據前述權利要求的一項所述的轉子，其中所述軸的肩部與在第一擋板的厚度中形 成的端面(50)相互作用。
6.根據前述權利要求的一項所述的轉子，其中所述極部件由一堆磁性金屬片(3)構成。
7.根據前述權利要求的一項所述的轉子，其中所述軸包括具有鍵槽的中心部分(23)， 所述內部肩部0 由所述具有鍵槽的中心部分的端部的其中之一限定。
8.一種電動旋轉機械，包括根據前述權利要求的一項所述的轉子(1)。
9.一種方法，用於製造根據權利要求1至7的一項所述的轉子，其中最初組裝至少包 括極部件(30)的子組件，在然後將所述子組件放置在所述軸上之前，所述側向擋板(5、5，) 和連結杆(6)與所述軸(2)是獨立的。
10.根據權利要求9所述的方法，還包括如下步驟通過使得所述第一側向擋板(5)在 所述軸的內部肩部0 和緊固至所述軸的所述外部環06)之間固定不動而將所述子組件 連接至所述軸。
11.根據權利要求10所述的方法，其中所述外部環通過徑向冷縮配合而緊固至所述軸。
全文摘要
本發明特別地涉及一種用於旋轉電動機械的埋入磁體的內部轉子(1)，所述轉子包括·軸(2)，由磁性材料製成並且圍繞所述軸的多個極部件(30)，所述極部件在它們之間限定了榫槽(40)，·沿著所述軸(2)在軸向處於所述極部件的每個側面上的第一側向法蘭(5)和第二側向法蘭(5』)，所述軸通過每個側向法蘭中的中心開口穿過每個側向法蘭，·每個極部件上至少一個連結杆(6)，所述連結杆在所述側向法蘭之間夾持每個極部件，·安裝在所述榫槽中的多個永久磁體(4)，所述轉子的特徵在於，所述軸包括對於所述第一側向法蘭(5)的內部肩部(22)，所述內部肩部用於形成軸向端部，所述第一法蘭通過緊固至所述軸的外部環(26)而軸向支撐抵靠在所述軸向端部上。
文檔編號H02K1/28GK102124635SQ200980132441
公開日2011年7月13日 申請日期2009年7月28日 優先權日2008年8月20日
發明者F·普羅然, M·勃朗 申請人:米其林技術公司, 米其林研究和技術股份有限公司