具有磁旋转场降低和通量集中的同步电机制造技术

本发明专利技术涉及一种具有通量集中的同步电机。本发明专利技术的目的在于提供一种同步电机，该同步电机能够以简单的结构实现提供扭矩方面的改进的特性，该目的对于同步电机来讲这样解决，在转子和/或定子中设置至少一个附加的永磁体，其产生的磁通量至少部分地通过转子的磁通引导区域引回，其中转子的磁通引导区域中的附加永磁体的磁通量具有与转子的永磁体的磁化方向相反的方向。

Synchronous motor with magnetic rotation field reduction and flux concentration

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有磁旋转场降低和通量集中的同步电机
本专利技术涉及一种具有通量集中的同步电机，-具有至少一个具有多相、优选三相绕组的定子，该绕组的极数2p≥4，其中极数是极对数p的两倍并且绕组布置在定子中的n个凹槽中并且形成用于产生磁旋转场，-具有设置在至少一个定子的凹槽之间的磁通引导区域，其用于引导磁旋转场，这些区域包括铁磁的，优选软磁的材料，-具有至少一个布置在旋转轴上的转子，该转子相对于至少一个定子形成空隙并可旋转地布置并且有着具有永磁体的区域，该永磁体面向至少一个定子并且相对于转子的旋转方向，均匀分布地布置在圆周方向中的角度区域中，-其中永磁体在至少一个定子的磁通引导区域的方向上或在与其相反的方向上被磁化，-至少一个的转子具有布置在永磁体之间的磁通引导区域，其用于将磁通量引出或引入至少一个的转子，-其中至少一个的转子的磁通引导区域具有铁磁材料，优选软磁材料。
技术介绍
从现有技术中已知这种永久激励同步电机。它们通常用于中小功率要求，并且可以用作发电机和同步电动机。然而，也越来越多地实现更大的功率。例如，风力发电设备有时配备有永久激励的同步电机。永久激励同步电机具有转子，该转子具有在定子的磁通引导区域的方向上或在相反方向上磁化的永磁体。如果定子的绕组产生磁场，则永磁体的磁极相应地被吸引到旋转磁场的磁极，使得彼此相对的磁极总是非同极的。因此这样产生同步电机的转矩，即，可旋转地安装的永久激励转子的磁极跟随定子中产生的磁旋转场。扭矩通常取决于转子和磁旋转场之间的相角，其中最大值本身取决于永磁体的最大可磁化性。例如，当使用钕永磁体时，永磁体在对电动机常见的最大150℃的温度范围内的可以提供的最大磁通密度为大约1.4T。在结构尺寸不变的情况下，目前为止，由于永磁体提供的最大磁通密度，扭矩的提供受到限制。然而，一直需要增加同步电机的可实现的/可用的扭矩，以便基于更高扭矩例如减小结构尺寸，降低成本或允许全新应用。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于提供一种具有磁通量集中的永久激励同步电机，其能够以简单的设计提供关于扭矩提供的改进特性。所指出的目的根据本专利技术的教导对于同步电机来说这样实现，即，设置至少一个附加的永磁体，其产生的磁通量至少部分地由转子的磁通引导区域引导，其中转子的磁通引导区域中的附加永磁体的磁通量具有与转子的永磁体的磁化方向相反的方向。利用额外设定的至少一个永磁体，在转子的磁通引导区域中产生额外的磁通量，该磁通量与永磁体的磁化方向相反。在转子的已经将由永磁体产生的磁通量由转子引回的磁通引导区域中，由此额外增加了磁通密度。同时，永磁体的磁通量确保从磁通引导区域发出的磁通量移位并集中在转子的磁通引导区域的区域上，即产生磁通量集中。通过至少一个永磁体额外提供的磁通密度，可以在转子的磁通引导区域中实现这样的磁通密度，其明显高于具有永磁体的区域大约1.4T的剩磁。因此，转子的整体磁化强度更高，由此在此外相同的设计形式下可以显著增加扭矩。根据一个有利的实施方案，如果磁旋转场的磁极数2p2是凹槽数n的两倍，并且对于转子的磁极的极数2p3，2p3＝2p2-2p成立，那么，通过选择相应数量的转子磁极，例如在极数2p为4的绕组的情况下2p3＝44，可以提供具有高磁旋转场降低和高转矩的同步电机。例如，在所提到的示例中实现了11倍的降低，同时提供了非常高的扭矩。该有利实施形式可以特别有效地使用根据本专利技术的磁通密度增加来增加转矩。附加的至少一个永磁体可以例如布置在转子中，定子中或者也布置在同步电机的壳体中，唯一的决定性因素是附加永磁体的磁化和磁通引导产生在转子的磁通引导区域中与设置在转子中的永磁体的磁化方向相反的附加的磁通量。优选地，至少一个的定子的绕组配置为三相电流绕组，因此恰好具有三相。这使得可以以三相电流的简单方式操作同步电机。然而，也可以简单地在使用具有可变频率的三相绕组的情况下，通过逆变器来运行同步电机。为了实现损耗尽可能低的良好磁化，定子和/或转子中的磁通引导区域是层叠设计。层叠设计意味着引导磁通量的区域由彼此电绝缘的单独金属板提供，并且例如由电工钢板制成。电工钢板是指具有特别好的软磁特性的钢。本专利技术的磁通引导区域优选由电工钢板提供。例如，具有最高3％硅的铁-硅合金可用于层叠区域，其实现了在饱和区域中特别高的磁化度，同时需要非常低的矫顽力用于极性反转。通过在同步电机的转子和/或定子中使用这些材料，可以减少磁损耗。优选地，定子绕组的孔数q至少为1.5。孔数q由下式定义：其中n是凹槽的数量，2p是绕组的极数，m是绕组的绞合线或相的数量。孔数q越大，同步电机在电动机转动中的转矩波动方面的行为越好。然而，在生产中难以实现大于4的孔数。3和4的孔数由此表示在发动机的尽可能小地波动的扭矩的方向上的折衷。在q＝2时实现具有同时适度的扭矩平滑的制造方面的最佳情况。根据本专利技术的同步电机例如可以以具有适合于其的定子的圆柱形转子形式的转子或者盘式转子形式的转子形成。首先，下面更详细地解释具有圆柱形转子的变体。根据本专利技术的同步电机的另一实施方案，所述至少一个的转子形成为具有旋转轴的圆柱形转子，并且所述至少一个的定子形成用于在至少一个的转子中产生径向定向的磁旋转场，其中该至少一个的转子在第一轴向区域中具有永磁体，所述永磁体以预定的角度范围设置在所述至少一个的转子的周面上并且在所述至少一个的转子的轴向方向上延伸，其中至少一个的转子的永磁体在径向中或其反向中磁化，并且在至少一个的转子的永磁体之间分别设置磁通引导区域，其在径向方向上形成与至少一个的定子的磁通引导区域的空隙。同步电机的这种结构使得可以以特别简单的方式提供额外的永磁体，其布置在转子中并用于增加磁通引导区域中的磁通密度。已经发现，利用同步电机的这种变体，可以这样实现改进的性能，即，沿轴向延伸的永磁体的宽度大约是永磁体厚度的两倍。优选地，在该实施方案中，磁通引导区域垂直于转子的旋转轴线层叠形成。根据符合本专利技术的同步电机的另一实施方案，在定子中设置具有永磁体的分布式角度区域，其向着转子的方向或与其相反地磁化并且与定子的磁通引导区域相邻地布置。通过这些与定子的磁通引导区域相邻设置的永磁体，实现了磁旋转场在磁通区域上的进一步磁通量集中，并且漏磁通减小。这有助于增加同步电机的转矩。前述实施例可以这样进一步改进，即至少一个的转子具有至少两个轴向区域，其中在至少一个第一轴向区域中，在周向方向中的预定的角度区域内设置有在轴向方向上延伸并且在径向方向上或者其反向上磁化的永磁体并且在永磁体之间分别设置磁通引导区域，其中在至少一个第二轴向区域中，在周向方向中的预定的角度区域内设置有在轴向方向上延伸并且在径向方向上或者其反向上磁化的永磁体并且在永磁体之间分别设置磁通引导区域，其中该永磁体的磁化方向与安置在第一轴向区域中的永磁体的磁化方向相反，并且至少一个的第二轴向区域的永磁体安置在周向方向中的如下角度区域内，在这些角度区域内，在第一轴向区域内设置有磁通引导区域，其中，该至少一个的转子的轴向区域的磁通引导区域形成与至少一个的定子的空隙。通过在转子中使用多个轴向区域，实现了可以通过例如布置在转子中的永磁体在两个轴向区域中利用额外的磁通量。利用该实施方案，可以同时改善根据本专利技术的同步电机的同步和转矩。为此，第一和第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.同步电机，‑具有至少一个具有多相、优选三相绕组(21)的定子(11,26)，所述绕组的极数2p≥4，其中极数是极对数p的两倍，并且所述绕组(21)布置在至少一个的定子中的n个凹槽(12)中并且形成用于产生磁旋转场，‑具有设置在至少一个的定子的凹槽(12)之间的磁通引导区域(13)，其用于引导磁旋转场，所述磁通引导区域包括铁磁的材料，‑具有至少一个布置在旋转轴上的转子(1,19,19’)，所述转子相对于至少一个定子形成空隙并可旋转地布置并且有着具有永磁体(3,3’，20)的区域，所述永磁体面向至少一个的定子(11,26)并且相对于转子的旋转方向，均匀分布地布置在圆周方向中的角度区域中，‑其中所述永磁体(3,3’，20)在至少一个的定子(13)的磁通引导区域的方向上或在与其相反的方向上被磁化，‑至少一个的转子(1)具有布置在永磁体(3,3’，20)之间的磁通引导区域(4,4’，22)，其用于将磁通量引出或引入所述至少一个的转子(1,19)，‑其中至少一个的转子(1,19)的磁通引导区域(4,4’)具有铁磁材料，其特征在于，设置至少一个附加的永磁体(5,5’，17,18,23)，其产生的磁通量至少部分地由转子(1)的磁通引导区域(4,4’，22)引导，其中转子的磁通引导区域(4,4’，22)中的附加永磁体(5,5’，17,18,23)的磁通量具有与转子的永磁体的磁化方向相反的方向，其中选择性地，磁旋转场的磁极数2p2是凹槽数n的两倍，并且对于所述至少一个的转子(1)的磁极的极数2p3，2p3＝2p2‑2p成立。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.25 DE 102016122794.31.同步电机，-具有至少一个具有多相、优选三相绕组(21)的定子(11,26)，所述绕组的极数2p≥4，其中极数是极对数p的两倍，并且所述绕组(21)布置在至少一个的定子中的n个凹槽(12)中并且形成用于产生磁旋转场，-具有设置在至少一个的定子的凹槽(12)之间的磁通引导区域(13)，其用于引导磁旋转场，所述磁通引导区域包括铁磁的材料，-具有至少一个布置在旋转轴上的转子(1,19,19’)，所述转子相对于至少一个定子形成空隙并可旋转地布置并且有着具有永磁体(3,3’，20)的区域，所述永磁体面向至少一个的定子(11,26)并且相对于转子的旋转方向，均匀分布地布置在圆周方向中的角度区域中，-其中所述永磁体(3,3’，20)在至少一个的定子(13)的磁通引导区域的方向上或在与其相反的方向上被磁化，-至少一个的转子(1)具有布置在永磁体(3,3’，20)之间的磁通引导区域(4,4’，22)，其用于将磁通量引出或引入所述至少一个的转子(1,19)，-其中至少一个的转子(1,19)的磁通引导区域(4,4’)具有铁磁材料，其特征在于，设置至少一个附加的永磁体(5,5’，17,18,23)，其产生的磁通量至少部分地由转子(1)的磁通引导区域(4,4’，22)引导，其中转子的磁通引导区域(4,4’，22)中的附加永磁体(5,5’，17,18,23)的磁通量具有与转子的永磁体的磁化方向相反的方向，其中选择性地，磁旋转场的磁极数2p2是凹槽数n的两倍，并且对于所述至少一个的转子(1)的磁极的极数2p3，2p3＝2p2-2p成立。2.根据权利要求1所述的同步电机，其特征在于，至少一个的定子(11,26)的绕组(21)配置为三相电流绕组。3.根据权利要求1或2所述的同步电机，其特征在于，至少一个的定子和/或转子中的磁通引导区域(4,4’，13，22)是层叠设计。4.根据权利要求1至3中任意一项所述的同步电机，其特征在于，所述定子(11，26)绕组的孔数q至少为1.5。5.根据权利要求1至4中任意一项所述的同步电机，其特征在于，所述至少一个的转子(1)形成为安置在旋转轴上的圆柱形转子，并且所述至少一个的定子(11)形成用于在所述至少一个的转子(1)中产生径向定向的磁旋转场，其中所述至少一个的转子在第一轴向区域(6，8，10)中具有永磁体(3，3’)，所述永磁体以预定的角度范围设置在所述至少一个的转子(1)的周面上并且在所述至少一个的转子(1)的轴向方向上延伸，其中所述至少一个的转子(1)的永磁体(3，3’)在径向中或其反向中磁化，并且在所述至少一个的转子的永磁体(3，3’)之间分别设置磁通引导区域(4，4’)，其在径向方向上形成与所述至少一个的定子(11)的磁通引导区域的空隙。6.根据权利要求5所述的同步电机，其特征在于，在至少一个定子(11，26)中设置具有永磁体(14)的均匀分布的角度区域，所述永磁体在所述至少一个的转子(1)的方向上或与其相反的方向上磁化并且分别与所述至少一个的定子(11，26)的磁通引导区域(13)相邻地布置。7.根据权利要求5或6所述的同步电机，其特征在于，所述至少一个的转子(1)具有至少两个轴向区域(6，8，10)，其中在至少一个第一轴向区域(6，8，10)中，在周向方向中的预定的角度区域内设置有在轴向方向上延伸并且在径向方向上或者其反向上磁化的永磁体(3，3’)并且在永磁体(3，3’)之间分别设置磁通引导区域(4，4’)，并且在至少一个第二轴向区域(6，8，10)中，在周向方向中的预定的角度区域内设置有在轴向方向上延伸并且在径向方向上或者其反向上磁化的永磁体(3，3’)并且在永磁体(3，3’)之间分别设置磁通引导区域(4，4’...

【专利技术属性】
技术研发人员：于尔根·林德纳，米夏埃尔·普罗科普，托马斯·哈姆斯，哈桑·巴斯里·凯亚基兰，
申请(专利权)人：电机及电磁驱动科技有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE