CN101741199A

CN101741199A - 用于带有附加转子槽的永磁电机的方法和装置

Info

Publication number: CN101741199A
Application number: CN 200910206409
Authority: CN
Inventors: E·L·凯泽; K·M·拉曼
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-11-12
Filing date: 2009-11-12
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2029-11-12
Also published as: CN101741199B

Abstract

本发明涉及用于带有附加转子槽的永磁电机的方法和装置。具体地，提供了一种与例如牵引电动机和混合动力电动车一起使用的类型的内置式永磁电机，即“IPM电机”，该内置式永磁电机包括带有附加的、小的转子槽的转子，这些转子槽配置成关于设置在这些转子槽内的转子屏障来提供平均化效应。

Description

用于带有附加转子槽的永磁电机的方法和装置

交叉引用

本申请要求了2007年11月30提交的美国临时专利申请No.60/991,310的优先权。

技术领域

本发明总体上涉及例如电机的磁性设备，并且尤其涉及内置式永磁电机。

背景技术

内置式永磁(IPM)电机对于燃料电池和混合动力电动车辆的运转是有利的，这是由于内置式永磁电机具有令人期望的特性——即，良好的转矩密度、良好的总效率、良好的恒功率范围等等。永磁电机依靠其结构获得该永磁电机中的转子磁场，这不同于其它电机，例如感应式电机、开关磁阻式电机或同步磁阻式电机，在这些电机中，是通过由电源供给的定子电流来生成磁场。因此，永磁电机与其它的这种电机相比呈现出更优良的效率。

然而，如同表面式永磁(PM)电机的情况一样，IPM电机担负着这样的事实：即使在电机没被供电时也存在永磁场，这就产生由转子的旋转永磁场所引起的损耗。而且，这种结构会经受转矩脉动和嵌齿效应转矩，其具有两个主要来源。第一个是绕组谐波，大部分绕组谐波是从五次绕组谐波与七次绕组谐波生成的六次谐波及其整数倍。通过缩短绕组节距能减弱这些绕组谐波。例如，对于每磁极6槽的设计来说，绕组可以将节距缩短一个槽(1/6短节距)。

转矩脉动的第二且最重要的来源是由于将磁铁埋入转子内所引起的齿槽效应。转子槽与定子槽(绕组槽)之间的相互作用会生成明显的转矩脉动。最小化这种效应的一种方式是将转子或定子偏斜，这会导致某种平均化，有效消除大部分的转矩脉动和嵌齿效应。偏斜是工业上普遍公知的，并且通常被执行以便降低嵌齿效应和脉动转矩。然而，这种方法降低了电机转矩，并且增加了制造复杂性和成本。

发明内容

因此，需要提供改进的、可制造的IPM电机，其降低了嵌齿效应和转矩脉动。参照附图和前述技术领域以及背景技术，本发明的其它所需特性和特征将通过随后的详细描述和附上的权利要求变得明显。

附图说明

通过参照详细描述和权利要求同时结合附图考虑，可以得到对本发明的更完整的理解，在所有附图中，相同的附图标记代表相似的元件。

图1以截面图的形式示出了各种内置式永磁(IPM)电机；

图2以截面图的形式示出了根据一个实施例的IPM电机；以及

图3以截面图的形式示出了根据一个替代性实施例的IPM电机。

具体实施方式

下列详细说明本质上仅仅是说明性的，并且不意图限制本发明或本发明的应用和用途。而且，也不意图用前述技术领域、背景技术、发明内容，或下列详细说明中存在的明示或暗示的理论来限制。本文可以用功能块部件和/或逻辑块部件、以及各种工艺步骤来描述本发明。应该认识到，这些块部件可以通过许多构造成执行指定功能的硬件、软件和/或固件部件来实现。为了简洁起见，本文不对与电机相关的常用技术和系统、磁学等等做详细说明。

通常，各种实施例都涉及永磁电机(“PM电机”)，更具体地，涉及内置式永磁电机(“IPM电机”)，内置式永磁电机包括带有靠近转子表面的附加槽的转子，由此产生附加的齿槽效应。这样，通过平均化效应，该结构能消除或降低转子屏障(barrier)的齿槽效应。这样，就降低了转矩的脉动和嵌齿效应。

内置式PM电机常常结合有一个或多个转子屏障(或仅仅是“屏障”)。例如，图1a和图1b分别示出了带有单屏障和双屏障的转子106的通过各种示例性IPM电机100的局部截面。更具体地，图1a示出了带有磁体110和空气槽(凹处)或空气屏障125的转子106，空气槽(凹处)或空气屏障125相对于磁体110在各个位置被结合入该结构中。与常规的一样，IPM 100包括具有多个绕组102的定子101，多个绕组102与转子106内的磁体110磁性地相互作用。在转子106的区域104内设置各种空腔，并且以常规手段使这些空腔的全部或一部分填有永磁体，这取决于并入该结构的层数。

图1b更具体地示出了带有部分地填有磁体110的第二屏障的双屏障PM转子。同样地，图1c示出了第二层中没有磁体(即，第二层只包括填满空气的空腔)的双屏障PM转子。图1b所示的增加的第二屏障增大了对下部磁体屏障的阻抗，这降低了气隙磁通量。然而，如之前提到的，在转子中增加第二屏障会从机械上弱化转子。而且，对于某些电机，由于空间有限，这种第二屏障的加入在几何结构上是不可行的(例如，图1a的转子)。

还可以提供带有多于两个屏障的转子；然而，这种设计不期望地增大了制造复杂性。增大屏障的数目改善了转子凸极性，并且因此提高了电机转矩。而且，第二转子屏障常常用作对内磁体层的屏障，因此降低了气隙中的磁通量。气隙中磁通量的降低会减小磁转矩，但是可以通过增大的转子凸极性来稍作补偿。

在混合动力应用中，当PM电机是变速器的一部分时，即使电机没有产生转矩或产生很低的转矩，电机也一直与不同的齿轮组一起旋转。如果空载或轻载运转是电机驱动循环的绝大部分，那么就影响了变速器的总效率。转动的磁通量还引起定子线圈中的电压，通常称之为反电动势。永磁转子的高磁通量会在定子中引起很高的电压，尤其在电机的高速运转期间。因此，电机气隙磁通量的降低对于这种电机来说是非常需要的。

图2和图3示出了根据本发明的一个实施例的IPM电机200的不同实施例，其中，沿着周边(即，在靠近转子表面202处)设置附加转子槽235。

如图所示，转子106内的空腔填有或部分填有磁体110，在这种情况下，在其附近形成不同的空气槽(凹处)或屏障，即空气槽125。术语“空腔”由此被用于代表在插入磁铁110之前所存在的空区域。术语“转子屏障”指的是设在转子106的毂区内的所有屏障或空气槽125(即，除了槽235以外)。尽管图2示出了磁体110和空气槽125的截面图，但是应当理解，空腔延伸到转子106的转子区域104中，并且限定出具有任何适当形状的三维容积。

可以选择每个附加槽的尺寸、位置和几何形状来实现所需的设计目标。这些属性优选地被选择，以便关于存在于转子106内的转子屏障产生平均化效应。可以凭经验或通过本领域公知的常规计算机建模方法进行这种优化。

图2和图3分别示出了两种不同的实施例，在这两种不同实施例中，将这种附加槽分别加入单屏障转子和双屏障转子中。在图2中，一对矩形磁体110被配置成相互成角度相向——即，限定成朝着定子表面的对外朝向的钝角。

在一个实施例中，每个磁极具有两个这样的附加槽235；然而，可以使用任意数量的这种槽235。而且，这些槽不需要被关于磁体110对称或均匀地布置。

在所示实施例中，每个槽235的截面积优选为相等，但是本发明也包含了带有不同尺寸的槽。例如，这些附加槽具有的截面积可以基本上小于转子隔离物的总截面积。

图3示出了关于双层转子的替代性实施例，其中，两个附加槽235位于该两个第一层磁体110的外部。和上述实施例一样，附加槽235位于基本上与最接近表面103的磁体110角部相对应的半径处。

还可以选择转子106的区域104内的槽235的深度(即，离表面202的径向距离)来实现特定设计目标。例如，在一个实施例中，槽235位于离表面202的1-1.5mm处。然而，应当认识到，本发明并未被限制于此。

尽管在前述详细说明中展现了至少一个示例的实施例，但应当认识到，存在许多变化。例如，除了所示的单层之外，还可以并入附加屏障层。还应当认识到，本文所描述的示例性实施例或多个示例性实施例决不意图以任何方式限制本发明的范围、适用性或结构。相反，前述详细说明会给本领域技术人员提供便利路线图来实施所描述的实施例或多个实施例。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，可以在功能和元件布置上作出各种变化。

Claims

1.一种内置式永磁电机，包括：

缠绕的定子；

转子，其构造成与所述缠绕的定子磁性地相互作用，该转子具有外表面；

设在所述转子内的多个转子屏障；

布置在所述转子内的多个永磁体，该多个永磁体具有到所述外表面的最小距离；以及

设在所述转子内的多个附加槽，其与所述外表面的距离小于或等于所述多个永磁体到所述外表面的最小距离。

2.如权利要求1所述的内置式永磁电机，其中，所述附加槽具有的截面积基本上小于所述转子屏障的总截面积。

3.如权利要求1所述的内置式永磁电机，其中，所述多个磁体与多个磁极相关，并且其中所述多个附加槽是正好两个附加槽。

4.如权利要求1所述的内置式永磁电机，其中，所述多个磁体成对配置，限定朝着所述转子外表面的凹角。

5.如权利要求1所述的内置式永磁电机，其中，所述多个附加槽距离所述转子外表面小于约1.5mm。

6.如权利要求1所述的内置式永磁电机，其中，所述多个附加槽围绕所述转子的外表面均匀分布。

7.如权利要求1所述的内置式永磁电机，其中，所述多个附加槽被配置成使得由所述多个转子屏障引起的转矩脉动效应被平均化。

8.一种制造内置式永磁电机的方法，包括：

提供缠绕的定子；

提供转子，其构造成与所述缠绕的定子磁性地相互作用，该转子具有外表面；

在所述转子内形成多个转子屏障；

在所述转子内布置多个永磁体，该多个永磁体具有到所述外表面的最小距离；以及

在所述转子内形成多个附加槽，其与所述外表面的距离小于或等于所述多个永磁铁到所述外表面的最小距离。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述附加槽具有的截面积基本上小于所述转子屏障的总截面积。

10.如权利要求8所述的方法，其中，所述多个磁体与多个磁极相关，并且其中所述多个附加槽是正好两个附加槽。

11.如权利要求8所述的方法，其中，所述多个磁体成对配置，限定朝着所述转子外表面的凹角。

12.如权利要求8所述的方法，其中，所述多个附加槽距离所述转子的外表面小于约1.5mm。

13.如权利要求8所述的方法，其中，所述多个附加槽围绕所述转子的外表面均匀分布。

14.如权利要求8所述的方法，其中，所述多个附加槽被配置成使得由所述多个转子屏障引起的转矩脉动效应被平均化。

15.与混合动力电动车辆一起使用的牵引电动机，该牵引电动机包括：

缠绕的定子；

设在所述转子内的多个转子屏障；

16.如权利要求15所述的牵引电动机，其中，所述附加槽具有的截面积基本上小于所述转子屏障的总截面积。

17.如权利要求15所述的牵引电动机，其中，所述多个磁体与多个磁极相关，并且其中所述多个附加槽是正好两个附加槽。

18.如权利要求15所述的牵引电动机，其中，所述多个磁体成对配置，形成朝着所述转子外表面的凹角。

19.如权利要求15所述的牵引电动机，其中，所述多个附加槽距离所述转子的外表面小于约1.5mm。

20.如权利要求15所述的牵引电动机，其中，所述多个附加槽被配置成使得由所述多个转子屏障引起的转矩脉动效应被平均化。