专利名称：用于轨道车辆电机的转子、这种电机及具有这种电机的轨道车辆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于轨道车辆电机的转子，所述电机被配置用于产生所述车辆的 牵引力，所述转子包括 转子主体，其包括由相互电绝缘的磁性钢制成的环形盘相对于转子的旋转轴线 轴向堆叠而成的叠层组件，和 多个永磁体，其被相对于所述转子主体固定以形成转子的磁极，并各自具有基 本垂直于所述旋转轴线的磁极性方向，本发明还涉及包括有定子和这种转子的轨道车辆电机。本发明涉及一种用于可作为电动机和/或发电机运行的电机的转子。
背景技术：
在被称作永磁同步电动机的同步电动机的电动运行中，具有这种转子的电机，利 用多个永磁体来产生转子磁通。这种电动机与感应电动机相比具有较低的转子损耗，因此 具有较高的效率。与感应电动机相比，它还可以被构造为具有更高的磁极数量，而不牺牲性 能，所以可具有更高的转矩能力，这些特征使得这种电机特别适用于以相对于已确定的电 动机尺寸的高转矩能力为其重要特征的轨道车辆电机。通过利用这样的叠层组件来构造转子主体，与铸造转子主体相比，由于大大地减 少了转子主体内的涡流损耗，机器的效率得到提高。人们正在试图减少所述轨道车辆电机的损耗以提高其效率，并借此增加相对于已 确定尺寸的这种电机的转矩能力，而本发明旨在通过减少与转子相关的损耗来达到这一目 的。
发明内容
本发明的目的是提供介绍中定义的这种类型的转子，其与已知的此类转子相比， 在应用于所述的电机中时，至少具有一些用于降低损耗的特征。根据本发明，这一目的通过提供这样一种转子而得以实现，其中转子主体包括多 个纵向槽，所述纵向槽与所述旋转轴线平行地延伸并且与转子主体的外周面具有一定距 离，所述的永磁体通过以两个或多个永磁体形成的永磁体包沿着槽的横向和/或纵向并排 布置在一层中的形式被布置于所述的槽中而隐藏于所述的转子主体中，并且布置在同一个 槽中的永磁体具有相同的且基本垂直于由所述永磁体包形成的所述一层的磁极性方向，电 绝缘材料层一方面使各个所述组件的所述永磁体相互隔离，另一方面隔离所述永磁体包的 外表面与所述转子主体板形成各个槽的部分。通过这样布置用于容纳转子的永磁体的这些槽，这些随后被隐藏于转子主体内部 的永磁体可相对于转子主体进行固定并产生延伸的磁通，以致于与磁体附着于转子主体的 外表面的情形相比，将更加有效地与形成于电机的定子线圈内的磁通相互作用。隐藏的磁体配置还允许在用于优化轨道车辆电机、即牵引电机的转矩/速度的设计参数的选择方面 具有更大的自由。从那些典型的适合于具有表面安装磁体的转子的电动机，到那些典型的 同步磁阻电动机，设计的变化可以带给电动机不同的特征。然而，对于具有根据本发明的转 子的电机的可能增加的效率而言，最重要的贡献是通过如下方式实现的即，通过将永磁体 布置在每个槽中时，不是将其作为单一的一个条状磁体，而是作为由多个并排布置的磁体 组成的包，其导致与利用与所述永磁体包相同尺寸的单一的永磁体的情形相比，损耗有极 大的降低。为达到这一目的并使其经受得住使用过程中将会存在的热、电以及机械老化方 面的压力，使并排布置的所述永磁体相互之间电绝缘是至关重要的。永磁体包的外表面与 转子主体盘形成各个槽的部分的电绝缘也是十分重要的，因为永磁体可能会另外在相邻的 转子主体盘之间建立金属性接触，从而导致损耗增加。所述电绝缘材料层因而应该尽可能 的薄，但仍保证平行于所述的一个层延伸的所述包的相应侧上的可靠的电绝缘，以获得由 所述永磁体所建立的最大的磁场，然而，只要实现了可靠的电绝缘，将所述永磁体隔离开和 将所述永磁体包与转子主体盘隔离开并大体上垂直于所述的一个层延伸的电绝缘材料的 厚度值并不太重要。这里的“包”被解释为这样的配置，包括在其中的所述永磁体紧凑相接，但是它们 并不需要相互之间固定。用于电动机中的、具有并排布置在转子主体的外周部上的永磁体的转子通过 US2006/0097595A1 可以 了解。更进一步的是，尽管在制造根据本发明所述的转子时将已经激活的永磁体插入到 所述槽中在大多数情况下是首选的，并且有时是绝对必要的，但转子的永磁体可以通过在 所述槽中插入未被磁化的磁体，然后在安装于所述电机的转子上后通过磁化激活它们而得 到。位于根据本发明所述的转子中的电绝缘材料层可以在将永磁体插入到所述槽中 之前被插入到其中，或者所有这些层可以在永磁体被插入到槽中之前施加于永磁体的表 面。在制造所述的转子时，结合使用将永磁体和所述电绝缘材料层插入到所述槽中的这两 种方法也是可以的，所以例如并排布置的永磁体可以在插入到所述槽中之前通过相互固定 成为所述包或所述包的一部分而相互之间绝缘，其优先于包括覆盖转子主体盘形成槽的部 分的电绝缘材料层的所述插入。根据本发明的一个实施例，转子包括所述永磁体包，所述永磁体包具有> 2个，特 别是> 4个，沿各个槽的横向并排布置的永磁体，根据本发明的另外一个实施例，所述永磁 体包具有2-16个、特别是4-10个沿各个槽的纵向并排布置的永磁体，由于磁体内涡流的产 生，这使得与一个单独的条状磁体布置在所述槽内时的情况相比，其中以散热的形式存在 的损耗极大地减少。布置在每个所述槽中的磁体的实际数量取决于具体的转子设计和制造 参数。根据本发明的另外一个实施例，所述电绝缘材料层包括具有耐热性的材料以使所 述包内的相邻永磁体之间以及所述永磁体与转子盘之间获得适合于所述永磁体和转子的 高达至少200°C的运行温度的长期的电绝缘。通过选择具有这种耐热性的材料用于所述 电绝缘，可以保证在具有这样的转子的轨道车辆电机的长年运行过程中电绝缘可以持续存 在，因为在这种运行期间可能经常出现180°C的温度，但不常超过200°C。
根据本发明的另外一个实施例，所述电绝缘材料层附着于所述永磁体。那么，在将 永磁体插入到所述槽中之前这些层附着于所述永磁体将是适当的，并且所述层随后优选地 利用诸如粘合带、青丙稀酸盐(cyan-acrylate)胶或者环氧树脂的粘合剂附着于所述永磁 体。另外，这些层优选由织造的玻璃纤维、诸如聚酯和聚酰亚胺的聚合物膜、玻璃强化聚合 物粘合带、诸如多环芳烃聚酰胺或聚酯非织造材料的纸材料，或非有机材料，或这些材料的 组合制成。所述电绝缘材料层对永磁体的这种附着在某种情况下可以有助于将永磁体插入 到所述槽中。根据本发明的另外一个实施例，转子包括永磁体包，所述永磁体包具有沿槽的横 向并排布置并相互连接成一个刚性部件的永磁体，当这个刚性部件在永磁体插入槽中之前 形成时，其将有助于将永磁体插入到所述槽中。根据本发明的另外一个实施例，转子包括永磁体包，所述永磁体包具有还包括沿 着槽的纵向并排布置的永磁体的至少一个所述部件，其在某种环境下可进一步简化将所述 永磁体插入到所述槽中的操作。根据本发明的另外一个实施例，转子包括与所述永磁体分开的电绝缘材料层，所 述电绝缘材料层以薄片形式布置于所述包的相邻永磁体之间和/或这些永磁体与所述转 子主体盘上形成各个槽的所述部分之间。这种薄片最好是在将永磁体插入到槽中之前被插 入到各个槽中，再者优选是机械强度大但具有柔性并且具有光滑的表面。另外优选的是材 料足够坚硬以在插入磁体时不形成褶皱。根据本发明的另外一个实施例，转子包括至少一个布置在所述槽内的所述薄片， 所述薄片位于所述永磁体包和所述转子主体盘形成各个槽的所述部分之间，并形成容纳所 述永磁体包的管状的电绝缘结构。这种管状电绝缘结构可先于磁体或卷绕在磁体周围与并 之一起插入槽中。根据本发明的另外一个实施例，所述槽设置有凹部，所述凹部在槽的相对的壁上 沿槽的纵向延伸，并各自容纳以刚性带的形式的所述薄片，所述薄片用于隔离所述包的沿 槽的横向并排布置的永磁体。这种带可以用于在将永磁体插入到所述槽中时引导永磁体， 另外这些磁体可被涂布电绝缘材料，以使所述带主要起到便于将所述磁体插入到槽中的作用。根据本发明的另外一个实施例，所述电绝缘材料薄片由下述材料制成聚酯、聚酰 亚胺或其他聚合物的柔性薄膜；多环芳烃聚酰胺的柔性纸；例如前两种类型材料的叠片的 柔性合成材料，所述前两种类型材料的叠片例如是聚酯_膜/多环芳烃聚酰胺_纸的叠片， 或者涂布有含氟聚合物的玻璃纤维织物。当薄片先于磁体被插入到转子槽中时，首选这种 材料用于所述薄片，因为这些薄片随后可以被赋予为此所需要的特性，如机械强度，柔性， 相对于磁体的低摩擦和形成褶皱的低倾向性。根据本发明的另外一个实施例，所述薄片基本上为刚性的，例如是聚合物强化玻 璃纤维叠片的形式。这种薄片适于用于轨道车辆电机的转子中，因为聚合物层，例如在其 间具有玻璃纤维的聚酯，可以形成光滑的表面以在将磁体插入到所述槽中时促进磁体的运 动，尽管叠片的聚酯层在所述转子的最高运行温度下有可能热分解，但玻璃纤维将通过保 持这些磁体间的距离而保证相邻的磁体相互之间的长期绝缘。根据本发明的另外一个实施例，至少隔离所述永磁体包的外表面与所述转子主体盘上形成各个槽的部分的所述电绝缘材料层由具有机械耐磨损性的材料组成，因此由于将 所述永磁体插入到所述槽中而导致的电绝缘劣化的风险可以被避免。根据本发明的另外一个实施例，用于隔离所述永磁体包的外表面与所述转子主体 盘上形成各个槽的部分的所述电绝缘材料层由光滑的、低摩擦的材料制成，如涂布有含氟 聚合物的玻璃纤维。本发明还涉及包括定子和根据本发明所述转子的轨道车辆电机，也涉及包括具有 至少一个电机(其包括有定子和根据本发明所述转子)的用于产生车辆牵引力的驱动布置 的轨道车辆。根据以上对根据本发明所述转子的不同实施例的讨论，这种电机和这种车辆 的有利特征和优势显而易见。本发明更进一步的优势和有利特征将由下面的说明体现。
参照附图，以下是作为例子引用的发明的实施例的具体说明。在图中图1是示意性的侧视图，其示出了具有定子和根据本发明的一个实施例所述的转 子的电机，图2是简化透视图，其示出了作为根据本发明的一个实施例所述的转子的一部分 的永磁体包，图3是简化透视图，其示出了永磁体包的一部分可如何插入根据本发明的一个实 施例所述的转子的槽中，图4是表示位于根据本发明的一个实施例所述的转子内的用于永磁体的槽的横 截面的视图，图5是透视图，其示出了条状绝缘材料是如何直接地或者利用具有如图4中所示 的凹部的系统，插入在磁体之间，以及永磁体是如何被插入到槽中，及图6是简化横截面图，其示出了形如聚合物强化玻璃纤维叠片或者玻璃强化聚合 物粘合带形式的绝缘材料如何用于在相邻的永磁体之间或者磁体与槽表面间形成电绝缘。
具体实施例方式图1在轴向端视图中示意性地示出了具有根据本发明所述转子的轨道车辆电机 的一些主要部分。该电机包括具有定子主体2的定子1，定子主体2周围被定子线圈(未示 出)缠绕，并且被配置成电力地形成多个沿定子主体的内周部排列的定子磁极。所述定子 线圈被定子主体内的在该主体的整个长度方向上延伸的径向槽3所容纳。48个槽以这种方 式均勻的分布于定子主体2的内周部，所以在如图1所示实施例中的四极电机的情况下12 个所述槽属于一个定子磁极。槽的总数量以及每个磁极的槽的数量当然可以是其他任何可 以想到的情况。电机进一步包括具有转子主体5的转子4，转子主体与定子主体一样，由相互电绝 缘的磁性钢制成的环形盘相对于转子的旋转轴线6轴向堆叠而成的叠层组件构成，以使得 这些主体中的涡流损耗保持在低的水平。转子主体5刚性连接于转子轴7以绕其旋转，转 子轴7可通过齿轮箱连接于车辆的轮轴。
7
转子主体5包括多个纵向槽8、9，所述槽平行于转子主体的所述旋转轴线6延伸。 图1中示出了四个这样的槽如何被布置在转子的每一个磁极上，两个槽8具有较小的横截 面，两个槽9具有较大的横截面。作为多种可能性中的一种的说明性的示例，在当前情况 下，槽9具有约10 X 55mm的矩形横截面和约300mm的长度。永磁体10 (在此具有10 X 13mm 的横截面和37mm的长度)以在同一层中、在同一个平面上，沿槽的横向和纵向并排布置的 永磁体包的形式被布置在每个所述槽中，并且布置在同一个槽中的永磁体具有相同的磁极 性方向，所述磁极性方向基本上垂直于由所述包形成的所述一层，用于两个槽8、9的这些 磁体的北极N和南极S端由图1示出。在每个这样的永磁体包中，八个永磁体以端对端的 关系被布置在纵向上，两个永磁体被并排布置在槽8的横向上，四个永磁体被布置在槽9的 横向上。图2示出了所述永磁体包11布置在具有较大横截面的槽9中的情形。用作永磁 体的适合材料例如为NeFeB和SmCo。电绝缘材料的层12，13 一方面使每个所述包的所述永磁体(层12)相互隔离，另 一方面隔离所述永磁体包的外表面与所述转子主体盘上形成各个槽的部分(层13)。层12 被设置用于通过将“条状磁体”划分成几个较小的磁体来减少损耗，只要这些层可靠地使磁 体相互之间隔离，它们的厚度不是至关紧要的，最好可在Imm的数量级内，但是布置在磁体 的磁极侧的层13的厚度必须尽可能地薄并保证适当的电绝缘从而在其附近获取所产生的 最大磁场，因而可具有小于0. 5mm的双侧厚度，这里大约为0. 2mm。图2中所示的转子的永磁体包可以通过使用粘合剂使所有的永磁体互相连接成 一个刚性部件，所述粘合剂具有电绝缘性能或者本身包括具有相互之间的电绝缘性的材料 的特征，但是包中只有一些磁体或没有一个磁体互相连接也是可以想到的。例如只有沿槽 的横向并排布置的永磁体互相连接成一个刚性部件14也是可能的，如图3所示。电绝缘材 料的管15在此是通过切割这种柔性的材料至需要的尺寸，然后卷成这样的一个管形成的， 其被插入到槽9中。因此，所述管15的材料优选是机械强度大且具有“光滑的”表面以利 于插入过程中由磁体构成的部件14的运动。这种由相互连接且由电绝缘层12相互隔开的 四个磁体构成的几个部件14然后可被连续地插入到管15中，并移动到槽9中的所需位置。 具有接近于槽的横截面且长度大于转子的长度的非磁性工具从相反一端插入到槽中，且被 用来提供磁体上的反向压力和提供磁体被插入到槽中的程度的指示。未示出的端面板然后 可被置于转子主体的两侧以保证磁体位于转子主体中的适当位置。图4示出了根据本发明的另外一个实施例的所述槽9的一可能横截面，其中槽9 设置有凹部16、17，所述凹部在槽的相对的壁18、19上沿槽的纵向延伸，并各自容纳电绝缘 材料的薄片20，所述薄片以刚性带的形式隔离所述包的沿槽的横向并排布置的永磁体。这 些薄片可在此主要地用于当永磁体被插入到槽9中时为其导向，这些磁体可在其外侧涂布 一层电绝缘材料来获得相邻的磁体之间的电绝缘。图5示出了这种永磁体10如何能被单 独地插入到槽9中并被所述管15所容纳，以及一旦被插入到转子槽9中，其如何能被这样 的薄片20引导以形成永磁体包。薄片20既可以如图4中所示被凹部容纳，也可以只是在 不使用任何这样的凹部的情况下布置在磁体之间。图6示意性地示出了用作在此位于两个磁体10、10’之间的电绝缘层的优选材料。 这种材料可被用作所述带20，为聚合物强化玻璃纤维叠片或具有两层聚酯膜21、22和夹在其间的玻璃纤维23的玻璃强化聚合物粘合带。带20也可以仅仅具有一个所述膜21、22。 如图5所示，当磁体被插入到槽中时，聚酯层对磁体具有低摩擦力，但是这种材料可能经受 不住在电机运行期间转子可能产生的高温。然而，玻璃纤维23被用作隔离物且即使在膜层 21和22热分解后也能保证永磁体10、10’之间适当的电绝缘。此外，玻璃纤维使得所述带 足够刚硬以便当磁体被插入槽时其在引导磁体时不形成褶皱。发明当然绝不局限于上面描述的实施例，但是在不脱离本发明由所附权利要求所 限定的范围的情况下，对其做出多种可能的修改，对于本领域技术人员来说是显而易见的。沿所述槽的横向并排布置的两个或多个磁体可以相互固定并组成一个刚性部件， 几个这样的部件沿所述横向并排布置并被一个或多个如图4和5所示的类型的带隔离。
9
权利要求
一种用于轨道车辆电机的转子，所述电机被配置成产生所述车辆的牵引力，所述转子包括●转子主体(5)，其包括由相互电绝缘的磁性钢制成的环形盘相对于转子的旋转轴线(6)轴向堆叠而成的叠层组件，和●多个永磁体(10)，其被相对于所述转子主体固定以形成转子的磁极，并各自具有基本垂直于所述旋转轴线的磁极性方向，其特征在于，转子主体包括多个纵向槽(8，9)，所述纵向槽平行于所述旋转轴线(6)延伸，且距转子主体的外周面一定距离，所述永磁体(10)通过以两个或多个永磁体形成的包(11)沿着槽的横向和/或纵向并排布置在一层中的形式布置于所述的槽(8，9)中而被隐藏于所述转子主体中，并且布置在同一个槽中的永磁体具有相同的且基本垂直于由永磁体包形成的所述一层的磁极性方向，电绝缘材料层(12，13，15，20)一方面使每个所述永磁体包的所述永磁体(10)相互隔离，另一方面隔离所述永磁体包的外表面与所述转子主体盘上形成各个所述槽的部分。
2.如权利要求1的转子，其特征在于，该转子包括所述永磁体包，所述永磁体包具有 ^ 2个，特别是> 4个，沿着各个槽的横向并排布置的永磁体。
3.如权利要求1或2的转子，其特征在于，该转子包括所述永磁体包，所述永磁体包具 有2-16个，特别是4-10个，沿着各个槽的纵向并排布置的永磁体。
4.如前述权利要求中任一项的转子，其特征在于，所述电绝缘材料层(12，13)包括具 有耐热性的材料以使得所述永磁体包内的相邻永磁体之间以及所述永磁体与转子主体盘 之间具有适合于所述永磁体和转子的至少达200°C的运行温度的长期的电绝缘。
5.如前述权利要求中任一项的转子，其特征在于，所述电绝缘材料层(12，13)附着于 所述永磁体。
6.如权利要求5的转子，其特征在于，所述电绝缘材料层(12，13)利用诸如粘合带、青 丙稀酸盐胶或者环氧树脂的粘合剂附着于所述永磁体。
7.如权利要求5或6的转子，其特征在于，所述电绝缘材料层(12，13)是由玻璃纤维织 物、例如聚酯和聚酰亚胺的聚合物膜、玻璃强化聚合物粘合带、例如多环芳烃聚酰胺或聚酯 非织物材料的纸材料或非有机材料制成，或由这些材料的组合制成。
8.如权利要求5-7任一项的转子，其特征在于，该转子包括永磁体包，所述永磁体包具 有沿槽的横向并排布置并相互连接成一个刚性部件(14)的永磁体。
9.如权利要求8的转子，其特征在于，该转子包括永磁体包(11)，所述永磁体包具有至 少一个还包括沿槽的纵向并排布置的永磁体的所述部件。
10.如前述权利要求任一项的转子，其特征在于，该转子包括与所述永磁体分离的电绝 缘材料层(12，13，15，20)，所述电绝缘材料层以薄片形式布置于所述永磁体包的相邻永磁 体之间和/或这些永磁体与所述转子主体盘上形成各个槽的所述部分之间。
11.如权利要求10的转子，其特征在于，该转子包括至少一个布置于所述槽中的所述 薄片，所述薄片位于所述永磁体包和所述转子主体盘形成各个槽的所述部分之间，并形成 一个管状的电绝缘结构(15)以容纳所述永磁体包。
12.如权利要求10的转子，其特征在于，所述槽(9)设置有在槽的相对的壁(18，19)上 沿槽的纵向延伸的凹部(16，17)，所述凹部分别容纳所述薄片，所述薄片以刚性带(20)的形式隔离所述永磁体包的沿槽的横向并排布置的永磁体。
13.如权利要求10或11所述的转子，其特征在于，所述电绝缘材料薄片(12，13，15)由 下述材料制成聚酯、聚酰亚胺或其他聚合物的柔性薄膜；多环芳烃聚酰胺的柔性纸；例如 前两种类型材料的叠片的柔性合成材料，所述前两种类型材料的叠片例如是聚酯-膜/多 环芳烃聚酰胺-纸的叠片，或者涂布有含氟聚合物的玻璃纤维织物。
14.如权利要求10-12任一项的转子，其特征在于，所述薄片基本上为刚性的，例如是 聚合物强化玻璃纤维叠片(20)的形式。
15.如前述权利要求中任一项的转子，其特征在于，用于将所述永磁体包的外表面与转 子主体盘上形成各个槽的部分隔离的至少所述电绝缘材料层(13，15)由具有机械耐磨损 性的材料制成。
16.如权利要求15的转子，其特征在于，用于将所述永磁体包的外表面与所述转子主 体盘上形成各个槽的部分隔离的所述电绝缘材料层(13)由光滑的、低摩擦的材料制成，如 涂布有含氟聚合物的玻璃纤维。
17.—种轨道车辆电机，包括定子(1)和如权利要求1-16任一项的转子(4)。
18.—种轨道车辆，其包括具有至少一个电机的用于产生车辆牵引力的驱动配置，所述 电机包括定子(1)和如权利要求1-16任一项的转子(4)。
全文摘要
本申请涉及用于轨道车辆电机的转子、这种电机及具有这种电机的轨道车辆。用于轨道车辆电机的转子(4)包括转子主体(5)，所述转子主体具有叠层组件并设置有多个平行于旋转轴线(6)延伸且与转子主体的外周面有一定距离的纵向槽(8)。永磁体(10)通过以两个或多个永磁体形成的永磁体包沿槽的横向和/或纵向并排布置在一层中的形式布置于所述槽中而被隐藏于所述的转子主体内。电绝缘材料层(12，13)一方面隔离每个所述永磁体包的永磁体相互之间，另一方面隔离所述永磁体包的外表面与转子主体盘形成各个槽的部分。
文档编号H02K3/34GK101951051SQ20101051084
公开日2011年1月19日 申请日期2010年6月18日 优先权日2009年6月18日
发明者A·比约克伦德, R·布拉默 申请人:勃姆巴迪尔运输有限公司