专利名称：使用转子磁通屏障作为冷却通道的同步磁阻电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及同步磁阻电机(SynRM)的冷却，其中利用SynRM的内在转子结构以改善电机内的温度分布。
背景技术：
仅利用磁阻原理以产生转矩的SynRM在转子中不具有任何导体。因此与感应电机和具有磁场励磁绕组的电机相比，SynRM的转子具有显著低的损耗以及从而更低的运行温度。由于通常认为SynRM不需要冷却转子，所以常规SynRM在电机外壳内不包括空气循环装置。常规SynRM的定子通过在电机外壳的非驱动端(N-侧)提供的外部风扇来冷却。将来自风扇的空气流引导为沿着电机外壳的包络面。因为风扇位于电机的一端并且更靠近风扇冷却效果更好，在电机的驱动端(D-侧)和N-侧之间具有显著的温度差。US 5，831，367公开了一种用于同步磁阻电机的转子。如在第6栏第37到40行所述，可以通过提供具有散热器的鼠笼环来实现空气循环。根据US 5，831，367需要转子中的冷却，是由于电动机利用磁阻原理和感应原理两种原理以产生转矩。鼠笼导体棒中的感应电流几乎全部地加热转子，并且因此将需要冷却的教导不能被直接应用于在转子上不包括任何导体的电机。此外，US 5，831，367没有描述关于在电机外壳内空气怎么循环的详细内容。由于常规的SynRM在电机外壳内不包括空气循环装置，电机外壳内部不包括用于循环空气的通路。典型的SynRM转子包括空气可以流过的轴向通路，但是由于典型的定子不具有通过定子或定子的径向外侧的回流路径，根据US 5，831，367提供的具有散热器的转子的外半径将不会引起空气在电机外壳内的有效循环。因而需要对于常规SynRM的定子或电动机外壳的修改以便引起空气循环。US 7，411，323公开了一种异步电机，更精确地为感应电机，其中转子和定子设置有在电机轴向方向上延伸的冷却通道。在空气被排放到电机外壳周围之前，空气在不同冷却通道中在两个相反方向上流动。出于冷却目的，特别设置了转子和定子中的通道，并且引起空气在两个方向上流动以阻止在电机相对轴向端之间的不均匀冷却。
发明内容
本发明的一个目的是提供在电机内具有改善的温度分布的SynRM。该目的通过根据所附权利要求1的设备来实现。本发明基于如下认识，即使高温传统不被认为对于SynRM是问题，但是通过平衡在电机相对端之间以及在单独的转子盘中的温度可以实现极大的优势。SynRM内在的转子结构使得能够使用简单的方式来实现这样的温度平衡。根据本发明的第一个发明，提供一种同步磁阻电机，其包括具有多个转子盘的转子。每个转子盘包括多个纵向磁通屏障，该纵向磁通屏障被配置为给转子提供各向异性磁结构。所述转子盘堆叠在一起以所述磁通屏障限定在所述转子铁芯的轴向方向上延伸的通道的方式形成转子铁芯。强制空气经过所述通道。通过引起空气流过通道，改善了电机中的温度分布，这继而导致例如在电机较暖端的处的轴承寿命以及在单独转子盘中的减小的张力和变形。根据本发明的一个实施例，强制空气在两个相反的轴向方向上流过所述通道。当强制空气在两个方向上流过通道时，可以实施用于实现空气循环的多种简单方式。根据本发明的一个实施例，强制空气在一个轴向方向上流过转子盘的磁通屏障的部分，并且在相反的轴向方向上流过同一转子盘的磁通屏障的部分。通过引起空气在两个方向流过转子盘并且因而流过整个转子铁芯，不需要额外的空气回流路径。根据本发明的一个实施例，强制空气在一个轴向方向上流过转子极磁通屏障，并且在相反的轴向方向上流过同一转子极的另一个磁通屏障。通过引起空气在两个方向上流过转子极的磁通屏障，在转子盘不同部分之间的温度分布能够被更精确地调节。根据本发明的一个实施例，强制来自电机较暖端的空气流过转子的径向最里面的磁通屏障。通常而言，由于转子盘的中心部分需要最少的冷却，因此引起最暖的空气流过这些部分以及分别引起最冷的空气流过最需要冷却的部分是有利的。根据本发明的一个实施例，转子铁芯被分成至少两个轴向转子部分，且随后被布置在公共轴线上并且由轴向间隙分隔，强制空气流过轴向每个轴向转子部分的通道，并且在径向方向上流过轴向间隙。通过这些措施，实现了确保电机内的均衡温度分布的流动路径和空气循环。根据本发明的一个实施例，将径向风扇布置在轴向间隙中。通过这个措施实现了用于实施空气循环的简单方式。根据本发明的一个实施例，径向风扇包括具有用于引导空气流的开口的端板。通过以这种方式引导空气流，可以更精确地调节在转子盘的不同部分之间的温度分布。根据本发明的一个实施例，径向风扇包括弯曲叶片。通过弯曲叶片，风扇产生的噪音保持在低水平。根据本发明的一个实施例，其中强制空气流过通道，而不管转子的旋转方向。由于典型的SynRM在两个方向上运行，因此有利地将空气循环设计成在定子的两个旋转方向上发生。根据本发明的一个实施例，转子不包括被配置为当电机运行时在转子上产生磁场并且引起电阻性损耗的导体。虽然在纯的SynRM中不存在由转子导体引起的电阻性损耗并且从而通常不将转子的加热看作是与SynRM相关的问题，但是仍然可以通过改进电机内的温度分布来实现上文所述的极大的优势。根据本发明的一个实施例，空气在电机外壳内循环，并且阻止空气在电机外壳内部和外部之间的自由交换。通过阻止空气的自由交换，在电机外壳内的空气更不易于被来自电机外壳外部的污垢污染。
将参考附图更加详细地说明本发明，在附图中图1示出了 SynRM的转子，图2示出了具有翼的转子的实施例，
图3示出了具有叶片和盖的转子的实施例，图4示出了具有风扇的转子的实施例，以及图5示出了风扇的实施例。
具体实施例方式参考图1,SynRM的转子由多个转子盘110组成。每个转子盘110具有由磁通屏障130以填充有空气开口形式分割的多个纵向的磁通路径120。磁通屏障130被配置为给转子提供各向异性的磁结构，其定义了一定数目的磁转子极。在图1的实施例中，转子极的数目是四。磁通路径120通过在盘边缘上的狭窄的切线肋板131彼此连接，并且它们中的一些此外与在中间穿过磁通屏障130的径向桥132连接。当将转子盘110堆叠在一起以形成转子铁芯100时，磁通屏障130限定在转子铁芯100的轴向方向上延伸的通道140。根据本发明，强制空气流过这些通道140以便使得能够进行在电机的相对轴向端之间的基本上均匀的温度分布。图2示出了用于强制空气流过通道140的第一装置。转子铁芯100 —个轴向端表面160设置有翼150，翼150推动空气通过径向最里面的通道140.1。在图2中的实施例中仅径向最里面的通道140.1设置有翼150，但是有可能给任何剩下的通道140.2、140.3、140.4设置相应的翼150。翼150通常跟随磁通屏障130的形状，并且它们具有一个从转子铁芯100的轴向端表面160升起的边缘150.1。翼150被配置成使得当转子顺时针旋转时使升起的边缘的一部分用作前缘，并且当转子逆时针旋转时使升起边缘的剩下的部分用作前缘。当图2中的转子在任意方向旋转时，翼150引起空气在一个轴向方向上流动通过径向最里面的通道140.1的第一个侧翼140.la，并且引起空气在相反的轴向方向上返回流过剩下的通道140.2、140.3、140.4，包括径向最里面的通道140.1的第二个侧翼140.lb。当转子在相反方向旋转时，发生相应的空气循环。因而引起空气在电机的N-侧和D-侧之间循环，空气循环等效，而与旋转的方向无关。取代具有一个在磁通屏障130整个长度上延伸的翼150，可以将在在不同的旋转方向起作用的翼的部分实现为两个或多个分离的翼150。如果转子被设计为仅在一个方向转动，则翼150的部分可以省略或者被重新配置以引起空气以选定的旋转方向上循环。为了使空气循环更有效，转子铁芯100的两个轴向端表面160可以设置有翼150。例如，转子铁芯100的一个轴向端表面160可以具有翼150，其当转子顺时针旋转时引起空气循环，并且转子铁芯100的相反轴向端表面160可以设置有相应的翼150，其当转子逆时针旋转时引起空气循环。可以使用引起空气在电机的N-侧和D-侧之间循环的翼150的任
意组合。翼150可以是适合于引起空气循环的任意形状。特别是，翼150不需要是倾斜的但是垂直于轴向端表面160的直的边缘同样可以构成翼150。在本发明的一个实施例中,转子100在其一个轴向端包括5mm厚的端板，该端板具有转子极之间的直的边缘的径向辐条，辐条本公开内容的意义下作为翼150运行。在翼150和包围翼150的空气之间具有速度差对空气循环的实现是必要的。明显地，电机外壳内的空气回旋应当被基本上阻止，使得在电机运行期间有效地维持必要的速度差。流过单独通道140的空气流的方向还可以具有重要性。出于示例的目的，可以假设电机在其N-侧具有外部风扇。N-侧因此比D-侧冷。另一方面，在电机运行期间，径向最外面的磁通路径120趋于变得比转子盘110的中心部分更暖。这是因为中心部分朝向转子轴具有用作散热器的大的传热区域，同时剩余的磁通路径120仅通过不提供充足的传热能力的切线肋板131或径向桥132连接至转子轴。因此，径向最外面的磁通路径120比中心部分需要更多的冷却，并且因而使来自N-侧的较冷的空气流过径向最外面的通道140.2、140.3、140.4同时使来自D-侧的回流发生流过径向最里面的通道140.1。然而，由于本发明的整体目的是为了平衡在电机相对端之间的温度分布，流动方向的影响可以保持相当小。如上文清楚地得到，空气循环不仅平衡相对电机端之间的温度分布，而且同样平衡在单独转子盘110内的温度分布。因此转子盘110的机械张力和变形减少，并且实现了更耐用的转子。图3示出了强制空气流过通道140流动的第二种装置。该第二种装置在径向板170和薄盖180的帮助下使用离心现象，该薄盖180在转子铁芯100的一个端表面160覆盖通道140的一部分。旋转转子的叶片170向外推动空气，并且因而引起空气循环。在图3中示例中，叶片170吸引空气从从轴开口 190通过在径向方向上按顺序数的第二个通道140.2。空气部分通过第三通道140.3和第四通道140.4返回，但是主要通过最接近轴开口 190的第一通道140.1返回。在径向最外面的磁通路径120需要最多冷却的情况下，示例的叶片170需要被放置于电机的较暖端。取代仅覆盖根据图3的三个径向最外面的磁通屏障130，叶片170和盖180可以包含转子极的所有四个通道140。在这种情况下，优选地仅覆盖每隔一个转子极的通道140，因此剩下的转子极的通道140用作用于空气的回流路径。图4示出了用以强制空气流过通道140的第三种装置。转子铁芯100被分为两个轴向转子部分200a、200b，其随后被布置在公共轴线210上，并且由轴向间隙220分隔。将以两个循环端板250之间的径向风扇叶片240形式在的径向风扇230布置在轴向间隙220中。当转子旋转时，风扇230引起轴向间隙220中的空气压力在径向方向上从轴开口 190向外增加。端板250设有适当的流动开口 260以允许空气在径向向外方向沿着轴向间隙220朝着风扇230流过第一通道140.1，并且还远离风扇230流过剩下的通道140.2、140.3、140.4。通过使来自电机的N-侧和D-侧的空气流在轴向气隙220中混合来实现在电机相对轴端之间的基本均匀的温度分布。可以修改在端板250处的流动开口 260以便进一步引导空气流。例如，如果希望通过第四通道140.4的增加的空气流，则可以仅在这些第四通道140.4处给端板250设置返回流动开口 260，同时使端板250完全覆盖第二通道140.2和第三通道140.3。可替代地，远离风扇230的空气流可以被引导通过电机的定子或电机外壳和定子之间。在这种情况下，定子还需要具有设有径向流动路径的轴向间隙。此外，需要提供流过定子或定子径向外侧的轴向流动路径。在图4中的风扇叶片240被图示为直的，但是风扇叶片240可以采用引起空气在轴向间隙220中在径向向外方向流动的任何适当的形状。弯曲的叶片形状是优选地，因为这种形状减小由风扇230引起的噪音。优选地，风扇230被配置为引起等效空气循环，而不管转子的旋转方向。图5中图示了一种这样的具有弯曲叶片270的风扇配置。风扇230的端板250对每一对叶片270具有一个进气口 280，并且对于每个叶片270具有一个排气口290。进气口 280是等效地，而与转子旋转方向无关，但是取决于旋转方向，在某一刻仅叶片270中的两个和排气口 290是有效的。本发明主要针对在密闭电机外壳内平衡温度分布，其中阻止空气在电机外壳的内部和外部之间的自由交换。然而，不排除从电机外壳外部引进新鲜空气，或使用外部的热交换器以进一步地冷却循环空气。本发明不限于以上示出的实施例，但本领域的技术人员自然可以在权利要求所限定的本发明的范围内用多种方式修改它们。
权利要求
1.一种同步磁阻电机，其包括具有多个转子盘(110)的转子，每个转子盘(110)包括多个纵向磁通屏障(130)，该纵向磁通屏障被配置为给所述转子提供各向异性磁结构，所述转子盘(110)堆叠在一起以所述磁通屏障(130)限定在所述转子铁芯(100)的轴向方向上延伸的通道(140)的方式形成转子铁芯(100)，其特征在于强制空气流过所述通道(140)。
2.根据权利要求1所述的同步磁阻电机，其中强制所述空气在两个相反轴向方向上流过所述通道(140)。
3.根据权利要求1或2所述的同步磁阻电机，其中强制所述空气在一个轴向方向上流过转子盘(110)的所述磁通屏障(130)的部分，并且在相反的轴向方向上流过同一转子盘(110)的所述磁通屏障(130)的部分。
4.根据前述权利要求任一项所述的同步磁阻电机，其中强制所述空气在一个轴向方向上流过转子极的磁通屏障(130)，并且在相反的轴向方向上流过同一转子极的另一个磁通屏障(130)。
5.根据前述权利要求任一项所述的同步磁阻电机，其中强制来自所述电机较暖端的所述空气流过所述转子的径向最里面的磁通屏障(130)。
6.根据前述权利要求任一项所述的同步磁阻电机，其中所述转子铁芯(100)被分为至少两个轴向转子部分(200a、200b)，其随后被布置在公共轴线(210)上并且由轴向间隙(220)分隔，强制所述空气流过每个轴向转子部分(200a、200b)的所述通道(140)，并且在径向方向上流过所述轴向间隙(220)。
7.根据权利要求6所述的同步磁阻电机，其中将径向风扇(230)布置在所述轴向间隙(220)中。
8.根据权利要求7所述的同步磁阻电机，其中所述径向风扇(230)包括具有用于引导空气流的开口 (260,280,290)的端板(250)。
9.根据权利要求7或8所述的同步磁阻电机，其中所述径向风扇(230)包括弯曲的叶片(270)。
10.根据前述权利要求任一项所述的同步磁阻电机，其中强制空气流过所述通道(140)，而不管所述转子的旋转方向。
11.根据前述权利要求任一项所述的同步磁阻电机，其中所述转子不包括被配置为当电机运行时在所述转子上产生磁场并且引起电阻性损耗的导体。
12.根据前述权利要求任一项所述的同步磁阻电机，其中所述空气在电机外壳内循环，并且阻止空气在所述电机外壳内部和外部之间的自由交换。
全文摘要
一种同步磁阻电机(SynRM)包括具有多个转子盘110的转子，转子盘具有纵向磁通屏障130。当所述转子盘110堆叠在一起形成转子铁芯100时，所述磁通屏障130限定在转子铁芯100的轴向方向上的通道140。强制空气流过这些通道140以便改善在电机内的温度分布。
文档编号H02K1/24GK103098346SQ201080067856
公开日2013年5月8日 申请日期2010年6月30日 优先权日2010年6月30日
发明者H·伦登曼, V·奥斯特奥尔姆 申请人:Abb研究有限公司