CN101692588B

CN101692588B - 用于具有附加气隔层的永磁电机的方法和装置

Info

Publication number: CN101692588B
Application number: CN2008101798314A
Authority: CN
Inventors: K·M·拉曼; E·L·凯泽; M·D·拉巴
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-12-01
Filing date: 2008-12-01
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2028-12-01
Also published as: CN101692588A

Abstract

本发明涉及用于具有附加气隔层的永磁电机的方法和装置。具体而言，例如在牵引电动机和混合电动车辆中所用类型的内部永磁电机(“IPM电机”)，包括具有附加气隔层的转子，该气隔层在相同转子槽内位于第一磁体隔层上方。各磁体均仅填充各腔体的一部分，从而限定该气隔层。第一层永磁体上方的附加气隔层，用作第一层磁体的隔层并降低了磁通量。

Description

用于具有附加气隔层的永磁电机的方法和装置

交叉引用

[0001]本申请要求于2007年11月30日提交的美国临时专利申请序列No.60/991,310的优先权。

技术领域

[0002]本发明大体上涉及诸如电动机的磁设备，且具体地涉及内部永磁电机。

背景技术

[0003]内部永磁(IPM)电机由于其理想的特性即良好的扭矩密度、良好的总效率和良好的恒功率范围等，而有利于燃料电池和混合电动车辆的运行。永磁电机中的转子磁场通过其结构而获得，不像其它电机如感应电机、开关电机或同步磁阻电机，在这些电机中，磁场是由电源所供应的定子电流产生的。因此，与其它的这类电机相比，永磁电机显示出优越的效率。

[0004]然而，如同表面永磁(PM)电机，IPM电机因如下事实而负荷，即永磁磁场即便在电机未通电时也存在，从而导致因转子的旋转永磁磁场感应而产生的损耗。而且，永磁磁场感应产生通向定子绕组中的电压(“反电动势”)。对于强永磁电机，该反电动势可能十分显著。

[0005]在IPM电机中，有时会添加第二转子隔层(barrier)，并且任选地在其内放置小磁体(用于使转子隔层上方的电桥饱和)。该第二磁体层或气穴(air pocket)用作对于下方第一磁体层的永磁磁场的隔层，从而减小气隙磁通量，并且还降低电机反电动势和由永磁磁场感应产生的损耗。对于一些电机，由于有限的空间，添加第二隔层可能不容易。而且，第二隔层的添加可能会削弱转子结构或可能未覆盖整个下方磁体，导致下方隔层磁体的某些部分直接曝露在气隙中，而这又引起更高的损耗和更高的反电动势。

发明内容

[0006]因此，希望的是，提供一种IPM电机，其降低与磁场相关的损耗，同时最大限度地减小反电动势和气隙磁通量。结合附图和上述技术领域和背景技术，根据随后的详细描述和附属权利要求，本发明的其它理想特征和特性将变得明显。

附图说明

[0007]通过参考详细描述和权利要求并结合以下附图，可更全面地理解本发明，在附图中类似的标号指代类似的部件。

[0008]图1以截面图的方式描绘了各种内部永磁(IPM)电机；

[0009]图2以截面图的方式描绘了根据一个实施例的IPM电机；

[0010]图3和图4为曲线图，显示了根据一个实施例的IPM电机的示例性的经验性结果。

具体实施方式

[0011]以下详细描述在本质上仅是说明性的，而非意图限制本发明或本发明的应用和用途。而且，也非意图受到在前述技术领域、背景技术、发明内容或以下具体实施方式中提出的明示或暗示的理论的限制。在本文中可通过功能和/或逻辑的单元部件和各种处理步骤来描述本发明。应该理解，这样的单元部件可以由任意数量的构造成执行特定功能的硬件、软件或固件部件来实现。为了简明起见，文中不对涉及电动机、磁等常规技术和系统进行详细描述。

[0012]通常，各种实施例着重介绍永磁电机(“PM电机”)，特别是包括转子的内部永磁电机(“IPM电机”)，该转子具有在相同转子槽内位于第一磁体隔层上方的附加气隔层。因此，不需要第二隔层(即用以降低气隙通量)。第一层永磁体上方所添加的气隔层，用作第一层磁体的隔层并降低磁通量。因而，降低了电机反电动势和磁体感生损耗(如铁损)。磁体上方所添加的气隔层还类似于双隔层转子几何形状而一定程度地提高了转子凸极性(saliency)。这部分地补偿了因在气隙内永磁场的下降而引起的转矩降低。

[0013]内部PM电机一般包括有一个或多个转子隔层(或简称为“隔层”)。这些隔层将阻抗(磁阻)引入磁场从而引入转子凸极性。该凸极性为转矩源，即通常所说的磁阻转矩。一般来说，隔层数越多，磁阻转矩便越大。例如，图1(a)至图1(c)示出了经过各个示范性IPM电机100的部分截面，这些IPM电机100具有单隔层或双隔层转子106。更具体地说，图1(a)示出了具有磁体110和转子槽或腔体(隔层)125的转子100，其中，转子槽或腔体(隔层)125在相对于磁体110的各个位置处结合到该结构中。如同常规的一样，IPM电机100包括具有多个绕组102的定子101，该绕组102与转子106中的磁体110磁性地相互作用。各个腔体设置在转子106的区域104内，并且根据结构中所结合的层数，所有的这些腔体或其一部分以常规方式填充有永磁体。

[0014]图1(b)更具体地描述了双隔层PM转子，其中在第二隔层部分地填充有磁体110。类似的是，图1(c)示出了双隔层PM转子，其中在第二层内没有磁体，即第二隔层仅包括充有空气的腔体。图1(b)和图1(c)中所示的添加的第二隔层增加了对下方磁体隔层的阻抗，从而减小了气隙磁通量。然而，如前所述，在转子中添加第二隔层可机械地削弱转子。另外，对于有些电机而言，添加任何的这种第二隔层因例如有限的空间(如图1(a)的转子)而在几何结构上便是不可行的。

[0015]也可以设置具有多于两个隔层的转子，然而，这样的设计不合需要地增加了制造复杂性。增加隔层数改善了转子凸极性，并因而改善了电机转矩。而且，第二转子隔层常常作为内磁体层的隔层而工作，因此减小了气隙中的磁通量。气隙中磁通量的减小降低了磁体转矩，但如前所述，由提高的转子凸极性些微地补偿。

[0016]在混合应用中，当PM电机作为传动装置的一部分时，通常即使电机不产生转矩或产生非常低的转矩，电机也连同不同的齿轮组一起旋转。若电机驱动循环相当大的部分是无负载或低负载运行，则会影响传动装置的总效率。旋转的磁通量还会在定子绕组中感应产生电压，通常称为反电动势。永磁转子的高磁通量可在定子中感应产生非常高的电压，尤其是在电机的高速运行期间。因此，对于这种电机而言，希望的是降低电机气隙通量。

[0017]图2描绘了根据本发明一个实施例的IPM电机200，在其中，在放置磁体的腔体或槽中结合了气隔层，而非添加额外的隔层。也就是说，如图所示，一对磁体110放置在构造成大于磁体本身的相应腔体中，从而允许邻近磁体形成气隔层。

[0018]在图2示出的截面图中，腔体包括由磁体110填充的区域和由与其邻近的各个气穴(即气穴226、225和227)所限定的区域的组合。因此，用语“腔体”用来指代在插入磁体110之前如此限定的区间。尽管图2显示了磁体110和气穴225、226以及227的截面视图，但可理解的是，腔体延伸至转子106的区间104内，并且将限定具有任何适当形状的三维容积。

[0019]可选择各气穴225、226以及227的大小、位置和几何形状，以达到所希望的设计目标。例如，在示出的实施例中，气隔层225被构造成邻近磁体110的“顶部”(即径向地朝向转子101的外表面)。这些顶部气隔层225大致为三角形(或三角形状(trianguloid))的，并大致延伸各磁体110的整个长度。在本实施例中，成对的矩形磁体构造为相对于彼此成角度的，即限定向外面向定子101的钝角，并且，气穴225的最宽部分(对应于各顶点)邻近磁体110的最接近定子101的角部。

[0020]在本实施例中，附加的“底部”气隔层227限定在磁体110与气隙225相反的一侧，并且其截面面积大体上小于气隙225的截面面积。在示出的实施例中，底部气隙227也大致为三角形并邻近磁体110的角部。

[0021]图2中还示出了“侧部”气隙226，如图所示，在本实施例中，气隙226设置成邻近磁体110的边缘。在一个实施例中，侧部气隙226延伸磁体110的整个高度(沿径向)。

[0022]如图所示，还可在转子106内设置附加的常规气穴(转子槽)125，即不与上述限定的腔体邻接的气穴。

[0023]上述结构在许多方面都有优势。具体而言，在永磁体110上方所添加的气隔层225用作第一层磁体的隔层并且减小了磁通量，由此还降低了电机反电动势和磁体感应损耗。同时，转子凸极性因直轴(磁体轴线)电感的降低而提高。

[0024]例如，图3为经验曲线图，显示了图2中的转子与图1(a)的转子(无气隔层)相比较的无负载铁损(自旋损耗)。从图中可以看出，铁损大大减少。气隔层的添加还降低了电机的反电动势。图4描绘了上述两个转子的反电动势。从图中可以看出，电机的反电动势显著地下降减小。由于一些转矩损耗由转子提高的凸极性(更高磁阻转矩)所补偿，故电机转矩因气隔层的添加(低磁通量)所引起的减小是很小的。

[0025]虽然在上述详细描述中给出了至少一个示例实施例，但应认识到的是，还存在着大量的变型。例如，除了示出的单层之外，还可以结合另外的隔层。还应当认识到，文中所述的示例实施例并非意图以任何方式限制本发明的范围、适用性或构造。相反，上述的详细描述将为本领域技术人员提供用于实施所述实施例的方便的路线图。应当理解，在不脱离本发明及其法定等同物的范围的情况下，可以在部件的功能和构造方面作出各种改动。

Claims

1.一种内部永磁电机，包括：

绕线定子；

转子，其构造成用以与所述绕线定子电磁地相互作用，所述定子具有外表面；

多个腔体，其设置在所述转子内，各腔体均具有总容积；以及

多个磁体，其设置在所述多个腔体内，使得各腔体的总容积仅部分地由相应的磁体所填充，并使得气隔层邻近各磁体而形成；

其中所述气隔层包括位于所述转子的外表面和所述磁体之间的顶部气隔层，所述顶部气隔层延伸各磁体的整个长度；

所述顶部气隔层大致为三角形状的；

所述多个磁体均成对地构造而限定了朝向所述转子的外表面的凹角，且其中，所述大致为三角形状的顶部气隔层具有顶点，所述顶点与最接近所述外表面的所述磁体的角部相邻近。

2.根据权利要求1所述的内部永磁电机，其特征在于，所述气隔层还包括邻近所述顶部气隔层的侧部气隔层。

3.根据权利要求1所述的内部永磁电机，其特征在于，所述气隔层还包括底部气隔层，所述底部气隔层与所述顶部气隔层相反地邻近所述磁体。

4.根据权利要求1所述的内部永磁电机，其特征在于，所述内部永磁电机还包括第二组气隔层，所述第二组气隔层不与由所述腔体形成的所述气隔层相邻接。

5.一种制造内部永磁电机的方法，所述方法包括：

提供绕线定子；

提供具有外表面的转子；

在所述转子中形成多个腔体，各腔体均具有总容积；

在所述多个腔体中布置多个磁体，使得各腔体的所述总容积仅部分地由相应的磁体填充，并使得气隔层邻近各磁体而形成，其中所述气隔层包括位于所述转子的外表面和所述磁体之间的顶部气隔层，所述顶部气隔层延伸各磁体的整个长度；以及

将所述绕线定子设置成与所述转子磁性连通；

所述顶部气隔层大致为三角形状的；

所述多个磁体均成对地构造而限定了朝向所述转子的外表面的凹角，且其中，所述大致为三角形状的所述顶部气隔层具有邻近顶点，所述顶点与最接近所述外表面的所述磁体的角部相邻近。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述气隔层还包括邻近所述顶部气隔层的侧部气隔层。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述气隔层还包括底部气隔层，所述底部气隔层与所述顶部气隔层相反地邻近所述磁体。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述内部永磁电机还包括第二组气隔层，所述第二组气隔层不与由所述腔体形成的所述气隔层相邻接。

9.一种结合混合电动车辆的所用类型的牵引电动机，所述牵引电动机包括：

绕线定子；

多个磁体，其设置在所述多个腔体内，使得各腔体的所述总容积仅部分地由相应的磁体所填充，并使得气隔层邻近各磁体而形成，其中，所述气隔层包括位于所述转子的外表面和所述磁体之间的顶部气隔层，所述顶部气隔层延伸各磁体的整个长度；

所述顶部气隔层大致为三角形状的；

所述多个磁体均成对地构造而限定了朝向所述转子的外表面的凹角，且其中，所述大体为三角形状的顶部气隔层具有顶点，所述顶点与最接近所述外表面的所述磁体的角部相邻近。

10.根据权利要求9所述的牵引电动机，其特征在于，所述气隔层还包括邻近所述顶部气隔层的侧部气隔层。

11.根据权利要求9所述的牵引电动机，其特征在于，所述气隔层还包括底部气隔层，所述底部气隔层与所述顶部气隔层相反地邻近所述磁体。

12.根据权利要求9所述的牵引电动机，其特征在于，所述内部永磁电机还包括第二组气隔层，所述第二组气隔层不与由所述腔体形成的所述气隔层相邻接。