使用轉子磁通屏障作為冷卻通道的同步磁阻電機的製作方法

2023-05-03 13:46:06 2

專利名稱：使用轉子磁通屏障作為冷卻通道的同步磁阻電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及同步磁阻電機(SynRM)的冷卻，其中利用SynRM的內在轉子結構以改善電機內的溫度分布。
背景技術：
僅利用磁阻原理以產生轉矩的SynRM在轉子中不具有任何導體。因此與感應電機和具有磁場勵磁繞組的電機相比，SynRM的轉子具有顯著低的損耗以及從而更低的運行溫度。由於通常認為SynRM不需要冷卻轉子，所以常規SynRM在電機外殼內不包括空氣循環裝置。常規SynRM的定子通過在電機外殼的非驅動端(N-側)提供的外部風扇來冷卻。將來自風扇的空氣流引導為沿著電機外殼的包絡面。因為風扇位於電機的一端並且更靠近風扇冷卻效果更好，在電機的驅動端(D-側)和N-側之間具有顯著的溫度差。US 5，831，367公開了一種用於同步磁阻電機的轉子。如在第6欄第37到40行所述，可以通過提供具有散熱器的鼠籠環來實現空氣循環。根據US 5，831，367需要轉子中的冷卻，是由於電動機利用磁阻原理和感應原理兩種原理以產生轉矩。鼠籠導體棒中的感應電流幾乎全部地加熱轉子，並且因此將需要冷卻的教導不能被直接應用於在轉子上不包括任何導體的電機。此外，US 5，831，367沒有描述關於在電機外殼內空氣怎麼循環的詳細內容。由於常規的SynRM在電機外殼內不包括空氣循環裝置，電機外殼內部不包括用於循環空氣的通路。典型的SynRM轉子包括空氣可以流過的軸向通路，但是由於典型的定子不具有通過定子或定子的徑向外側的回流路徑，根據US 5，831，367提供的具有散熱器的轉子的外半徑將不會引起空氣在電機外殼內的有效循環。因而需要對於常規SynRM的定子或電動機外殼的修改以便引起空氣循環。US 7，411，323公開了一種異步電機，更精確地為感應電機，其中轉子和定子設置有在電機軸向方向上延伸的冷卻通道。在空氣被排放到電機外殼周圍之前，空氣在不同冷卻通道中在兩個相反方向上流動。出於冷卻目的，特別設置了轉子和定子中的通道，並且引起空氣在兩個方向上流動以阻止在電機相對軸向端之間的不均勻冷卻。

發明內容
本發明的一個目的是提供在電機內具有改善的溫度分布的SynRM。該目的通過根據所附權利要求1的設備來實現。本發明基於如下認識，即使高溫傳統不被認為對於SynRM是問題，但是通過平衡在電機相對端之間以及在單獨的轉子盤中的溫度可以實現極大的優勢。SynRM內在的轉子結構使得能夠使用簡單的方式來實現這樣的溫度平衡。根據本發明的第一個發明，提供一種同步磁阻電機，其包括具有多個轉子盤的轉子。每個轉子盤包括多個縱向磁通屏障，該縱向磁通屏障被配置為給轉子提供各向異性磁結構。所述轉子盤堆疊在一起以所述磁通屏障限定在所述轉子鐵芯的軸向方向上延伸的通道的方式形成轉子鐵芯。強制空氣經過所述通道。通過引起空氣流過通道，改善了電機中的溫度分布，這繼而導致例如在電機較暖端的處的軸承壽命以及在單獨轉子盤中的減小的張力和變形。根據本發明的一個實施例，強制空氣在兩個相反的軸向方向上流過所述通道。當強制空氣在兩個方向上流過通道時，可以實施用於實現空氣循環的多種簡單方式。根據本發明的一個實施例，強制空氣在一個軸向方向上流過轉子盤的磁通屏障的部分，並且在相反的軸向方向上流過同一轉子盤的磁通屏障的部分。通過引起空氣在兩個方向流過轉子盤並且因而流過整個轉子鐵芯，不需要額外的空氣回流路徑。根據本發明的一個實施例，強制空氣在一個軸向方向上流過轉子極磁通屏障，並且在相反的軸向方向上流過同一轉子極的另一個磁通屏障。通過引起空氣在兩個方向上流過轉子極的磁通屏障，在轉子盤不同部分之間的溫度分布能夠被更精確地調節。根據本發明的一個實施例，強制來自電機較暖端的空氣流過轉子的徑向最裡面的磁通屏障。通常而言，由於轉子盤的中心部分需要最少的冷卻，因此引起最暖的空氣流過這些部分以及分別引起最冷的空氣流過最需要冷卻的部分是有利的。根據本發明的一個實施例，轉子鐵芯被分成至少兩個軸向轉子部分，且隨後被布置在公共軸線上並且由軸向間隙分隔，強制空氣流過軸向每個軸向轉子部分的通道，並且在徑向方向上流過軸向間隙。通過這些措施，實現了確保電機內的均衡溫度分布的流動路徑和空氣循環。根據本發明的一個實施例，將徑向風扇布置在軸向間隙中。通過這個措施實現了用於實施空氣循環的簡單方式。根據本發明的一個實施例，徑向風扇包括具有用於引導空氣流的開口的端板。通過以這種方式引導空氣流，可以更精確地調節在轉子盤的不同部分之間的溫度分布。根據本發明的一個實施例，徑向風扇包括彎曲葉片。通過彎曲葉片，風扇產生的噪音保持在低水平。根據本發明的一個實施例，其中強制空氣流過通道，而不管轉子的旋轉方向。由於典型的SynRM在兩個方向上運行，因此有利地將空氣循環設計成在定子的兩個旋轉方向上發生。根據本發明的一個實施例，轉子不包括被配置為當電機運行時在轉子上產生磁場並且引起電阻性損耗的導體。雖然在純的SynRM中不存在由轉子導體引起的電阻性損耗並且從而通常不將轉子的加熱看作是與SynRM相關的問題，但是仍然可以通過改進電機內的溫度分布來實現上文所述的極大的優勢。根據本發明的一個實施例，空氣在電機外殼內循環，並且阻止空氣在電機外殼內部和外部之間的自由交換。通過阻止空氣的自由交換，在電機外殼內的空氣更不易於被來自電機外殼外部的汙垢汙染。


將參考附圖更加詳細地說明本發明，在附圖中圖1示出了 SynRM的轉子，圖2示出了具有翼的轉子的實施例，
圖3示出了具有葉片和蓋的轉子的實施例，圖4示出了具有風扇的轉子的實施例，以及圖5示出了風扇的實施例。
具體實施例方式參考圖1,SynRM的轉子由多個轉子盤110組成。每個轉子盤110具有由磁通屏障130以填充有空氣開口形式分割的多個縱向的磁通路徑120。磁通屏障130被配置為給轉子提供各向異性的磁結構，其定義了一定數目的磁轉子極。在圖1的實施例中，轉子極的數目是四。磁通路徑120通過在盤邊緣上的狹窄的切線肋板131彼此連接，並且它們中的一些此外與在中間穿過磁通屏障130的徑向橋132連接。當將轉子盤110堆疊在一起以形成轉子鐵芯100時，磁通屏障130限定在轉子鐵芯100的軸向方向上延伸的通道140。根據本發明，強制空氣流過這些通道140以便使得能夠進行在電機的相對軸向端之間的基本上均勻的溫度分布。圖2示出了用於強制空氣流過通道140的第一裝置。轉子鐵芯100 —個軸向端表面160設置有翼150，翼150推動空氣通過徑向最裡面的通道140.1。在圖2中的實施例中僅徑向最裡面的通道140.1設置有翼150，但是有可能給任何剩下的通道140.2、140.3、140.4設置相應的翼150。翼150通常跟隨磁通屏障130的形狀，並且它們具有一個從轉子鐵芯100的軸向端表面160升起的邊緣150.1。翼150被配置成使得當轉子順時針旋轉時使升起的邊緣的一部分用作前緣，並且當轉子逆時針旋轉時使升起邊緣的剩下的部分用作前緣。當圖2中的轉子在任意方向旋轉時，翼150引起空氣在一個軸向方向上流動通過徑向最裡面的通道140.1的第一個側翼140.la，並且引起空氣在相反的軸向方向上返回流過剩下的通道140.2、140.3、140.4，包括徑向最裡面的通道140.1的第二個側翼140.lb。當轉子在相反方向旋轉時，發生相應的空氣循環。因而引起空氣在電機的N-側和D-側之間循環，空氣循環等效，而與旋轉的方向無關。取代具有一個在磁通屏障130整個長度上延伸的翼150，可以將在在不同的旋轉方向起作用的翼的部分實現為兩個或多個分離的翼150。如果轉子被設計為僅在一個方向轉動，則翼150的部分可以省略或者被重新配置以引起空氣以選定的旋轉方向上循環。為了使空氣循環更有效，轉子鐵芯100的兩個軸向端表面160可以設置有翼150。例如，轉子鐵芯100的一個軸向端表面160可以具有翼150，其當轉子順時針旋轉時引起空氣循環，並且轉子鐵芯100的相反軸向端表面160可以設置有相應的翼150，其當轉子逆時針旋轉時引起空氣循環。可以使用引起空氣在電機的N-側和D-側之間循環的翼150的任
意組合。翼150可以是適合於引起空氣循環的任意形狀。特別是，翼150不需要是傾斜的但是垂直於軸向端表面160的直的邊緣同樣可以構成翼150。在本發明的一個實施例中,轉子100在其一個軸向端包括5mm厚的端板，該端板具有轉子極之間的直的邊緣的徑向輻條，輻條本公開內容的意義下作為翼150運行。在翼150和包圍翼150的空氣之間具有速度差對空氣循環的實現是必要的。明顯地，電機外殼內的空氣迴旋應當被基本上阻止，使得在電機運行期間有效地維持必要的速度差。流過單獨通道140的空氣流的方向還可以具有重要性。出於示例的目的，可以假設電機在其N-側具有外部風扇。N-側因此比D-側冷。另一方面，在電機運行期間，徑向最外面的磁通路徑120趨於變得比轉子盤110的中心部分更暖。這是因為中心部分朝向轉子軸具有用作散熱器的大的傳熱區域，同時剩餘的磁通路徑120僅通過不提供充足的傳熱能力的切線肋板131或徑向橋132連接至轉子軸。因此，徑向最外面的磁通路徑120比中心部分需要更多的冷卻，並且因而使來自N-側的較冷的空氣流過徑向最外面的通道140.2、140.3、140.4同時使來自D-側的回流發生流過徑向最裡面的通道140.1。然而，由於本發明的整體目的是為了平衡在電機相對端之間的溫度分布，流動方向的影響可以保持相當小。如上文清楚地得到，空氣循環不僅平衡相對電機端之間的溫度分布，而且同樣平衡在單獨轉子盤110內的溫度分布。因此轉子盤110的機械張力和變形減少，並且實現了更耐用的轉子。圖3示出了強制空氣流過通道140流動的第二種裝置。該第二種裝置在徑向板170和薄蓋180的幫助下使用離心現象，該薄蓋180在轉子鐵芯100的一個端表面160覆蓋通道140的一部分。旋轉轉子的葉片170向外推動空氣，並且因而引起空氣循環。在圖3中示例中，葉片170吸引空氣從從軸開口 190通過在徑向方向上按順序數的第二個通道140.2。空氣部分通過第三通道140.3和第四通道140.4返回，但是主要通過最接近軸開口 190的第一通道140.1返回。在徑向最外面的磁通路徑120需要最多冷卻的情況下，示例的葉片170需要被放置於電機的較暖端。取代僅覆蓋根據圖3的三個徑向最外面的磁通屏障130，葉片170和蓋180可以包含轉子極的所有四個通道140。在這種情況下，優選地僅覆蓋每隔一個轉子極的通道140，因此剩下的轉子極的通道140用作用於空氣的回流路徑。圖4示出了用以強制空氣流過通道140的第三種裝置。轉子鐵芯100被分為兩個軸向轉子部分200a、200b，其隨後被布置在公共軸線210上，並且由軸向間隙220分隔。將以兩個循環端板250之間的徑向風扇葉片240形式在的徑向風扇230布置在軸向間隙220中。當轉子旋轉時，風扇230引起軸向間隙220中的空氣壓力在徑向方向上從軸開口 190向外增加。端板250設有適當的流動開口 260以允許空氣在徑向向外方向沿著軸向間隙220朝著風扇230流過第一通道140.1，並且還遠離風扇230流過剩下的通道140.2、140.3、140.4。通過使來自電機的N-側和D-側的空氣流在軸向氣隙220中混合來實現在電機相對軸端之間的基本均勻的溫度分布。可以修改在端板250處的流動開口 260以便進一步引導空氣流。例如，如果希望通過第四通道140.4的增加的空氣流，則可以僅在這些第四通道140.4處給端板250設置返回流動開口 260，同時使端板250完全覆蓋第二通道140.2和第三通道140.3。可替代地，遠離風扇230的空氣流可以被引導通過電機的定子或電機外殼和定子之間。在這種情況下，定子還需要具有設有徑向流動路徑的軸向間隙。此外，需要提供流過定子或定子徑向外側的軸向流動路徑。在圖4中的風扇葉片240被圖示為直的，但是風扇葉片240可以採用引起空氣在軸向間隙220中在徑向向外方向流動的任何適當的形狀。彎曲的葉片形狀是優選地，因為這種形狀減小由風扇230引起的噪音。優選地，風扇230被配置為引起等效空氣循環，而不管轉子的旋轉方向。圖5中圖示了一種這樣的具有彎曲葉片270的風扇配置。風扇230的端板250對每一對葉片270具有一個進氣口 280，並且對於每個葉片270具有一個排氣口290。進氣口 280是等效地，而與轉子旋轉方向無關，但是取決於旋轉方向，在某一刻僅葉片270中的兩個和排氣口 290是有效的。本發明主要針對在密閉電機外殼內平衡溫度分布，其中阻止空氣在電機外殼的內部和外部之間的自由交換。然而，不排除從電機外殼外部引進新鮮空氣，或使用外部的熱交換器以進一步地冷卻循環空氣。本發明不限於以上示出的實施例，但本領域的技術人員自然可以在權利要求所限定的本發明的範圍內用多種方式修改它們。
權利要求
1.一種同步磁阻電機，其包括具有多個轉子盤(110)的轉子，每個轉子盤(110)包括多個縱向磁通屏障(130)，該縱向磁通屏障被配置為給所述轉子提供各向異性磁結構，所述轉子盤(110)堆疊在一起以所述磁通屏障(130)限定在所述轉子鐵芯(100)的軸向方向上延伸的通道(140)的方式形成轉子鐵芯(100)，其特徵在於強制空氣流過所述通道(140)。
2.根據權利要求1所述的同步磁阻電機，其中強制所述空氣在兩個相反軸向方向上流過所述通道(140)。
3.根據權利要求1或2所述的同步磁阻電機，其中強制所述空氣在一個軸向方向上流過轉子盤(110)的所述磁通屏障(130)的部分，並且在相反的軸向方向上流過同一轉子盤(110)的所述磁通屏障(130)的部分。
4.根據前述權利要求任一項所述的同步磁阻電機，其中強制所述空氣在一個軸向方向上流過轉子極的磁通屏障(130)，並且在相反的軸向方向上流過同一轉子極的另一個磁通屏障(130)。
5.根據前述權利要求任一項所述的同步磁阻電機，其中強制來自所述電機較暖端的所述空氣流過所述轉子的徑向最裡面的磁通屏障(130)。
6.根據前述權利要求任一項所述的同步磁阻電機，其中所述轉子鐵芯(100)被分為至少兩個軸向轉子部分(200a、200b)，其隨後被布置在公共軸線(210)上並且由軸向間隙(220)分隔，強制所述空氣流過每個軸向轉子部分(200a、200b)的所述通道(140)，並且在徑向方向上流過所述軸向間隙(220)。
7.根據權利要求6所述的同步磁阻電機，其中將徑向風扇(230)布置在所述軸向間隙(220)中。
8.根據權利要求7所述的同步磁阻電機，其中所述徑向風扇(230)包括具有用於引導空氣流的開口 (260,280,290)的端板(250)。
9.根據權利要求7或8所述的同步磁阻電機，其中所述徑向風扇(230)包括彎曲的葉片(270)。
10.根據前述權利要求任一項所述的同步磁阻電機，其中強制空氣流過所述通道(140)，而不管所述轉子的旋轉方向。
11.根據前述權利要求任一項所述的同步磁阻電機，其中所述轉子不包括被配置為當電機運行時在所述轉子上產生磁場並且引起電阻性損耗的導體。
12.根據前述權利要求任一項所述的同步磁阻電機，其中所述空氣在電機外殼內循環，並且阻止空氣在所述電機外殼內部和外部之間的自由交換。
全文摘要
一種同步磁阻電機(SynRM)包括具有多個轉子盤110的轉子，轉子盤具有縱向磁通屏障130。當所述轉子盤110堆疊在一起形成轉子鐵芯100時，所述磁通屏障130限定在轉子鐵芯100的軸向方向上的通道140。強制空氣流過這些通道140以便改善在電機內的溫度分布。
文檔編號H02K1/24GK103098346SQ201080067856
公開日2013年5月8日 申請日期2010年6月30日 優先權日2010年6月30日
發明者H·倫登曼, V·奧斯特奧爾姆 申請人:Abb研究有限公司