CN101151783B - 内置式永磁电机内的转子磁体放置 - Google Patents

Abstract

电机包括定子(24)和具有多个极的转子(36)。每个极至少部分地由多个以距转子(36)外表面预先确定的距离凹进在转子内的永磁体(68)形成。距离被预先确定以在转子相对于定子旋转期间最小化外表面附近的转子磁通变化。以此减小了涡电流损耗。

Description

内置式永磁电机内的转子磁体放置

技术领域

本发明一般地涉及内置式永磁电机，且更特定地涉及内置式永磁电机的转子内磁体的放置。

背景技术

内置式永磁(IPM)电机具有多个使它们在用于车辆推进的应用中更有吸引力的运行特征。例如与AC感应马达和DC马达相比，IPM马达可以提供高效率、高转矩和高功率密度。IPM电机也具有长的恒功率运行范围。IPM电机典型地包括带有多相绕组的定子。具有内置式永磁体的转子与定子以气隙分隔开。由通过定子绕组的电流产生的磁场与由转子磁体产生的磁场相互作用，以此导致转子旋转。

永磁体具有低的磁导率且因此展示出直接地沿IPM电机转子内的磁场轴线(d轴线)的高的磁阻。沿q轴线，在IPM电机转子的磁极或磁体屏障(barrier)之间不存在磁屏障且因此磁阻非常低。此绕转子的磁阻变化在IPM电机的转子结构内提供了凸极性。此凸极性导致转子倾向于与由定子感应的旋转磁场对齐。因此，除由转子内的磁体生成的永磁转矩外，IPM转子展示出了磁阻转矩。在d轴线内的磁阻可以通过每极一个磁体产生，例如，如在单屏障转子设计中所利用。在d轴线内的磁阻也可以以多个屏障来产生，其中磁体放置在一个或多个屏障内。

因为转子和定子之间的槽效应，当转子旋转时内置永磁体(IPM)电机的转子受到在气隙附近的磁通变化的影响。磁通变化导致在转子和磁体中感应出涡电流，特别是在转子的表面附近，且能导致转子损耗和磁体生热。对于高频运行，例如在许多汽车的可变速驱动应用中，涡电流损耗能使得磁体易受消磁。为防止消磁，通用的工业实践是将磁体沿电机的轴向长度分解为更小的部分，因此增加了涡电流电阻。然而，此处理可能使得转子的制造更复杂，在制造中要求将大量的磁体部分插入到转子中。

发明内容

本发明在一个实施例中涉及电机，电机包括定子和具有多个极的转子。每个极至少部分地由多个以距转子外表面预先确定的距离凹进在转子内的永磁体形成。预先确定此距离以最小化在转子相对于定子旋转期间外表面附近的转子磁通变化。

在另一个实施例中，电机包括定子和与定子以气隙分隔开且具有多个槽和多个位于槽的至少数个内以形成转子极的永磁体的转子。每个磁体凹进在转子内以最小化在转子相对于定子旋转期间在磁体内的转子磁通变化。

构建用于IPM电机的转子的方法的实施例包括确定距转子表面的距离，在该距离处将磁体放置在转子内以在转子相对于定子旋转期间限制在磁体内的转子磁通变化。多个槽以确定的距离提供在转子内，且多个磁体放置在槽的至少数个内。

在另一个实施例中，电机包括定子和相对于定子旋转且具有多个凹进在其内的槽的转子。多个烧结永磁体放置在槽的至少数个内以形成转子极。未被磁体占据的槽是空的。

本发明的进一步的适用性范围将从下文中提供的详细描述中变得显见。应理解的是详细描述和特定例子虽然指示了本发明的典型实施例，但仅为阐述的目的且不意图于限制本发明的范围。

附图说明

从如下的详细描述和附图中将更完全地理解本发明，其中：

图1是根据本发明的第一实施例的IPM同步电机的截面图；

图2是根据本发明的第二实施例的IPM同步电机的截面图；

图3是比较了在图1和图2中示出的转子磁体内的磁通变化的曲线图；和

图4是比较了由在图1和图2中示出的电机所产生转矩的曲线图。

具体实施方式

如下对本发明的多种实施例的描述在本质上仅是示例性的且决不意图于限制本发明、本发明的应用或使用。

如在以下进一步描述，在用于IPM电机的多屏障设计中，转子磁体以层提供。多屏障转子设计可以减小泄漏且增加转子凸极性且提供多个优于单屏障设计的优点。多屏障转子在2001年9月14日提交的美国专利申请No.09/952,319、2004年1月6日授权的美国专利No.6,674,205和2003年5月8日提交的美国专利申请No.10/431,744中描述，其披露在此通过对上述文献的完整的参考而合并。前述的申请转让给本申请的受让人。

多屏障同步IPM电机的第一实施例的截面视图在图1中一般地以参考数字20标识。电机20包括具有多个槽28的定子24，多相绕组32通过槽24缠绕。在图1中示出的实施例中，定子24具有四十八个槽28。转子36与定子24以气隙40分隔开。在转子36内的多个槽44形成了多个屏障48，例如内屏障52、中间屏障56和外屏障60。在屏障48内的槽44可以由桥64分隔开。

多个烧结永磁体68位于转子36的外表面72附近的内屏障52的槽44内。转子36包括多个磁极，磁极的一个一般地以参考数字76标识。每个磁极76至少部分地由槽44内的磁体68形成。在图1中示出的实施例中，转子36具有八个磁极76。

前述的美国专利申请No.09/952,319和No.10/431,744以及美国专利6,674,205描述了包括位于转子屏障内的注模磁体的转子。在利用这样的磁体的电机中，可以维持磁通使得反电动势(EMF)在最大转速下保持低于预先确定的极限。在图1中示出的实施例中，与例如在美国专利申请No.09/952,319和No.10/431,744以及美国专利No.6,674,205中所描述的注模磁体相比，烧结磁体68具有高磁能积(MEP)。因此，转子中间屏障56和外屏障60的槽44可以空置，例如填充以空气。内屏障52的未被磁体68所占据的槽44也可以空置。任何或所有空的槽44可以填充以非磁性材料，例如环氧树脂，它展示出有益于改善转子36的热性能的热行为。在一些其中一个或多个槽44填充以这样的材料的实施例中，可消除槽之间的一个或多个桥64。当磁体68放置在槽44内时，转子36可以被磁化，例如，如在前述的美国专利申请中所描述。

在图1中示出的实施例中，当转子36旋转时定子24和转子36的带槽导致了气隙40附近的转子磁通的变化。这样的变化典型地具有高于定子24的基频的频率。例如在电机20中，磁通变化的频率是定子24的基频的十二倍且是机械旋转频率的四十八倍。磁通变化的幅度典型地在转子表面72附近最高且逐渐地随距表面72的距离减小。磁通变化的高频率导致显著的涡电流，特别是在转子36中使用低电阻率的烧结磁体时。

根据本发明的第二实施例的多屏障IPM电机的截面视图一般地在图2中以参考数字100标识。电机100包括具有多个槽128的定子124，多相绕组132通过槽124缠绕。在图2中示出的实施例中，定子124具有四十八个槽128。转子136以气隙140与定子124分隔开。在转子136内的多个槽144形成了多个屏障148，例如内屏障152、中间屏障156和外屏障160。在每个屏障148内的槽144可以由桥164分隔开。

多个烧结永磁体168位于内屏障152的槽144内。转子136包括多个磁极，磁极的一个一般地以参考数字172标识。每个磁极172至少部分地由槽144内的磁体168形成。在图2中示出的实施例中，转子136具有八个磁极172。

磁体168从转子136的外表面176凹进预先确定的距离180。距离180基于转子尺寸确定且被计算以最小化在转子相对于定子124旋转期间在转子磁体168内的转子136的磁通变化。在优选的实施例中，距离大约是转子136的半径184的十分之一。因此，例如当转子136具有大约五十毫米的半径时，磁体168距转子外表面176的距离180大约为五毫米。因为磁通变化随距表面176的距离减小，应该清楚的是距离180是用于根据本发明的原理限制磁通变化有用的最小距离。

如前参考图1所讨论，中间屏障156和外屏障160的槽144可以空置，例如填充以空气。内屏障152的未被磁体168所占据的槽144也可以空置。任何或所有空的槽44可以填充以非磁性材料，例如环氧树脂，它展示出有益于改善转子36的热性能的热行为。在一些其中一个或多个槽144填充以这样的材料的实施例中，可消除槽之间的一个或多个桥164。当磁体168放置在槽144内时，转子136可以被磁化，例如，如在前述的美国专利申请中所描述。

与电机20相比，电机100展示出在转子磁体内较低的磁通变化且因此展示出较低的涡电流损耗。例如，比较了转子36和转子136的磁体内的磁通变化的曲线图在图3中一般地以参考数字200标识。在图3中示出的磁通变化是在磁体内的两个点的磁通变化，在此点处磁体变换倾向于对于转子36和136是最高的。

对比了电机20和电机100的峰值转矩能力的曲线图在图4中一般地以参考数字300标识。对于相同的电流和控制角，电机20和电机100产生了相同的或类似的平均转矩的量。也可以看到电机100展示出比电机20低的峰峰转矩波动。因为电机100的转子磁体168具有比电机20的转子磁体68短的力矩臂，电机100的转子机械应力倾向于比电机20小。

因为烧结磁体用在前述的实施例中，可能使用比现有技术的转子中使用的磁材料少的磁材料，且可能将不使用的屏障槽空置。在上述的其中转子磁体凹进在转子内的实施例中，在磁体中的涡电流损耗可以被最小化，因为磁体位于其中磁通变化低的转子内。此涡电流导致的损耗可以被最小化而不损害电机性能或复杂化转子制造。转子制造更容易，因为可以在磁体放置在转子内后进行转子磁化。转矩波动和因离心力导致的转子应力也被减小。

本领域技术人员现在从前述描述可以认识到本发明的宽范围的教示可以以多种形式实施。因此，虽然本发明已经结合其特定的例子描述，但本发明的真实范围不应因此受限制，因为对于研究附图、说明书和如下的权利要求书的本领域技术人员其他修改将变得是显见的。

Claims (22)

1.一种电机，其包括：

定子；和

具有多个极的转子，每个所述的极至少部分地由多个以距转子外表面预先确定的距离凹进在所述的转子内的永磁体形成，所述的距离被预先确定以在所述的转子相对于所述的定子旋转期间最小化转子永磁体内的转子磁通变化；

其中所述的距离包括大于或等于所述的转子的半径的十分之一的距离。

2.根据权利要求1所述的电机，其中所述的转子包括多屏障转子。

3.根据权利要求1所述的电机，其中所述的永磁体包括一个或多个烧结磁体。

4.根据权利要求1所述的电机，其中所述的转子具有长度为五十毫米的半径且所述的距离包括五毫米。

5.根据权利要求1所述的电机，其中所述的转子进一步包括多个凹进在所述的转子内以形成多个用于每个所述的极的屏障的槽，所述的极的一个的所述的永磁体位于所述的屏障的一个内。

6.根据权利要求5所述的电机，其中所述的槽的数个空置。

7.根据权利要求5所述的电机，其中所述的槽的数个至少部分地填充以非磁性材料。

8.一种电机，其包括：

定子；和

以气隙与定子分隔且具有多个槽和多个位于所述的槽的至少数个内的永磁体以形成转子极的转子；

其中每个所述的永磁体凹进在所述的转子内以在所述的转子相对于所述的定子旋转期间最小化永磁体内的转子磁通变化；

其中所述的永磁体从所述的转子的外表面凹进所述的转子的半径的十分之一。

9.根据权利要求8所述的电机，其中所述的永磁体包括一个或多个烧结的磁体。

10.根据权利要求8所述的电机，其中当所述的转子具有长度为五十毫米的半径时，所述的永磁体凹进在转子内至少距所述的转子的外表面五毫米。

11.根据权利要求8所述的电机，其中所述的转子极包括多个由所述的槽限定的屏障，每个所述的永磁体位于相同的屏障内。

12.根据权利要求11所述的电机，其中所述转子极包括三个屏障。

13.根据权利要求11所述的电机，其中至少一个所述的屏障包括一个或多个空的槽。

14.根据权利要求11所述的电机，其中至少一个所述的屏障包括一个或多个至少部分地以环氧树脂填充的槽。

15.根据权利要求8所述的电机，其中所述的永磁体布置在所述的槽的一个内使得在所述的永磁体和所述的转子的外表面之间的所述的槽的另一个是空的。

16.一种构建用于内置永磁体电机的转子的方法，所述的方法包括：

确定转子的半径；

通过将已确定的转子半径乘以预先确定的比值确定距转子的表面的距离，在该距离处将永磁体放置在转子内以在转子相对于定子旋转期间限制在永磁体内的转子磁通变化；

在转子内在确定的距离处提供多个槽；和

在槽的至少数个内放置多个永磁体；

其中该比值包括1/10。

17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：

使用槽以形成一个或多个屏障；和

将多个永磁体的数个放置在一个或多个屏障内以形成转子极。

18.根据权利要求16所述的方法，进一步包括将槽定向为使得放置在槽内的永磁体形成多个转子极。

19.根据权利要求16所述的方法，其中永磁体是烧结的。

20.根据权利要求16所述的方法，进一步包括将槽的一个或多个空置。

21.根据权利要求16所述的方法，进一步包括至少部分地以非磁性材料填充槽的一个或多个。

22.一种电机，其包括：

定子；

转子，其相对于所述的定子旋转且具有多个凹进在所述转子内的槽；和

多个位于所述的槽的至少数个内的烧结永磁体以形成转子极；

其中未被所述的永磁体占据的所述的槽是空的；

其中每个所述的永磁体凹进在所述的转子内至少所述的转子的半径的十分之一的距离，以在所述的转子相对于所述的定子旋转期间最小化永磁体内的转子磁通变换。

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