CN102130523A - 用于ipm旋转电机的转子以及具有该转子的ipm旋转电机 - Google Patents

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Abstract

用于IPM旋转电机的转子以及具有该转子的IPM旋转电机。一种转子，该转子包括：转子芯；以及多个第一永磁体和多个第二永磁体，该多个第一永磁体和多个第二永磁体被设置在所述转子芯中，以使得在该转子芯的与该转子芯的旋转轴垂直的横截面上，彼此对应的第一永磁体与第二永磁体限定字母V，该字母V具有指向旋转轴的顶点。彼此对应的第一永磁体和第二永磁体被设置为使得将旋转轴与字母V的顶点互连的直线被设置在彼此对应的第一永磁体和第二永磁体之间，第一永磁体相对于所述直线的角度小于第二永磁体相对于所述直线的角度，第一永磁体的在与字母V的第一边平行的方向上的宽度小于第二永磁体的在与字母V的第二边平行的方向上的宽度。

Description

用于IPM旋转电机的转子以及具有该转子的IPM旋转电机
技术领域
本发明涉及用于IPM(内置式永磁)旋转电机的转子以及具有该转子的IPM旋转电机。并且，本发明涉及具有该IPM旋转电机的机动车、起重机、流体机械和加工机械。
背景技术
日本专利申请公开No.2006-254629公开了IPM旋转电机的一个示例，其中永磁体嵌入在转子芯中，并且其中通过利用磁转矩和磁阻转矩将电能转换为机械能。
在这种传统的IPM旋转电机中，设置了多个永磁体以使得两个对应的永磁体限定顶点指向转子的旋转轴的字母V。这两个对应的永磁体形成单个磁极。这两个对应的永磁体具有相同的形状并且相对于沿半径方向延伸通过该字母V的顶点和该旋转轴的直线相互对称地设置。换言之，在与旋转轴垂直的截面图中，在与字母V的对应边平行的长度(宽度)上、与字母V的对应边垂直的长度(厚度)上以及相对于所述直线的角度上，这两个对应的永磁体彼此相等。
然而，利用传统的IPM旋转电机中使用的磁体设置，如果尝试通过增加永磁体的输入体积(volume)以增加磁转矩，从而努力使输出转矩更大，则会减小转子芯的体积。这会减小磁阻转矩。为了增加磁阻转矩，需要增加转子芯的体积。然而，转子芯体积的增加会导致永磁体输入体积的减小，最终降低了磁转矩。
如上所述，通过增加永磁体的输入体积所实现的磁转矩的增加与通过增加转子芯的体积所实现的磁阻转矩的增加之间是折衷的关系。由于此原因，在传统的IPM旋转电机中，难以增加其输出转矩。
发明内容
因此，本发明的目的是提供能够增加输出转矩的用于IPM旋转电机的转子、具有该转子的IPM旋转电机以及具有该IPM旋转电机的机动车、起重机、流体机械和加工机械。
根据本发明的第一方面，提供了一种转子，所述转子包括：转子芯，所述转子芯具有旋转轴；以及多个第一永磁体和多个第二永磁体，所述多个第一永磁体和所述多个第二永磁体被设置在所述转子芯中，以使得在所述转子芯的与所述旋转轴垂直的横截面上，彼此对应的各个第一永磁体和各个第二永磁体限定字母V，所述字母V具有第一边、第二边和指向所述旋转轴的顶点，所述字母V的所述第一边由各个第一永磁体限定，所述字母V的所述第二边由各个第二永磁体限定，彼此对应的各个第一永磁体与各个第二永磁体共同形成单个磁极。彼此对应的各个第一永磁体和各个第二永磁体被设置在所述转子芯的所述横截面上，以使得所述旋转轴与所述字母V的顶点互连的直线被设置在各个第一永磁体与各个第二永磁体之间，各个第一永磁体相对于所述直线的角度小于各个第二永磁体相对于所述直线的角度，各个第一永磁体的在与所述字母V的所述第一边的延伸方向平行的方向上的宽度小于各个第二永磁体的在与所述字母V的所述第二边的延伸方向平行的方向上的宽度。
在所述转子芯的所述横截面上，各个第一永磁体的在与所述字母V的所述第一边的延伸方向垂直的方向上的厚度大于各个第二永磁体的在与所述字母V的所述第二边的延伸方向垂直的方向上的厚度。此外，所述多个第一永磁体的磁能积(energy product)可大于所述多个第二永磁体的磁能积。
根据本发明的第二方面，提供了一种IPM(内置式永磁)旋转电机，所述内置式永磁旋转电机包括：定子芯；多个定子绕组，所述多个定子绕组被设置在所述定子芯中；转子芯，所述转子芯具有旋转轴和被所述定子芯包围的外周；以及多个第一永磁体和多个第二永磁体，所述多个第一永磁体和所述多个第二永磁体被设置在所述转子芯中，以使得在所述转子芯的与所述旋转轴垂直的横截面上，彼此对应的各个第一永磁体与各个第二永磁体限定字母V，所述字母V具有第一边、第二边和指向所述旋转轴的顶点，所述字母V的所述第一边由各个第一永磁体限定，所述字母V的所述第二边由各个第二永磁体限定，彼此对应的各个第一永磁体与各个第二永磁体共同形成单个磁极。彼此对应的各个第一永磁体和各个第二永磁体被设置在所述转子芯的所述横截面上，以使得将所述旋转轴与所述字母V的所述顶点互连的直线被设置在各个第一永磁体与各个第二永磁体之间，各个第一永磁体相对于所述直线的角度小于各个第二永磁体相对于所述直线的角度，各个第一永磁体的在与所述字母V的所述第一边的延伸方向平行的方向上的宽度小于各个第二永磁体的在与所述字母V的所述第二边的延伸方向平行的方向上的宽度。
根据本发明的第三方面，提供了一种机动车，在所述机动车中，所述IPM旋转电机被用作驱动电动机。
根据本发明的第四方面，提供了一种机动车，在所述机动车中，所述IPM旋转电机被用作发电机。
根据本发明的第五方面，提供了一种起重机，在所述起重机中，所述IPM旋转电机被用作驱动电动机。
根据本发明的第六方面，提供了一种流体机械，在所述流体机械中，所述IPM旋转电机被用作驱动电动机。
根据本发明的第七方面，提供了一种加工机械，在所述加工机械中，所述IPM旋转电机被用作驱动电动机。
根据本发明，可以提供一种能够增加输出转矩的用于IPM旋转电机的转子、具有该转子的IPM旋转电机以及具有该IPM旋转电机的机动车、起重机、流体机械和加工机械。
附图说明
根据结合附图给出的实施方式的如下说明，本发明的以上和其它目的和特征将变得明显。
图1是示出根据本发明第一实施方式的IPM旋转电机的截面图；
图2是示出在第一实施方式的电机中使用的转子的截面图；
图3是表示在第一实施方式的电机中可获得的转矩曲线的曲线图；
图4是示出根据本发明第二实施方式的用于IPM旋转电机的转子的截面图；
图5是示出根据本发明第三实施方式的用于IPM旋转电机的转子的截面图；
图6是示意性示出包含IPM旋转电机的工业节能机械的框图；
图7是示出在对比的IPM旋转电机中使用的转子的截面图；
图8是表示在对比的IPM旋转电机中可获得的转矩曲线的曲线图。
具体实施方式
将参照构成本发明实施方式的一部分的附图来描述本发明的实施方式。
(第一实施方式)
图1是示出根据本发明第一实施方式的IPM(内置式永磁)旋转电机的截面图。图2是示出在第一实施方式的电机中使用的转子的截面图。图1和图2所示的截面是沿着与转子的旋转轴垂直的平面截取的。图3是表示在第一实施方式的电机中可获得的转矩曲线的曲线图。
如图6所示，本实施方式的IPM旋转电机被用作工业节能机械9中的驱动电动机91或者发电机92，该工业节能机械9例如是机动车(诸如混合动力车、燃料电池车或电动车)、起重机(诸如吊车、提升机、升降机或三维停车设施)、流体机械(诸如压缩机、鼓风机或用于气动或液压目的的泵)以及加工机械(诸如半导体制造设备或机床)。
此外，本实施方式的IPM旋转电机也被用作用来驱动机动车的车轮的驱动电动机。
参照图1，本实施方式的电机包括定子100和转子200。定子100包括定子芯101和定子绕组102，并且定子100围绕转子200的外周。定子绕组102被设置在定子芯101中形成的槽内。
如图2所示，转子200包括轴1、转子芯2、第一永磁体31和第二永磁体32。转子芯2被固定在轴1的外周。在转子芯2中形成V形磁孔41，各个V形磁孔41具有第一翼部分41a、第二翼部分41b和指向轴1的旋转轴O的顶点。各个第一永磁体31被设置在各个磁孔41的第一翼部分41a中。各个第二永磁体32被设置在各个磁孔41的第二翼部分41b中。在转子芯2的与旋转轴O垂直的截面上，第一永磁体31和第二永磁体32具有矩形形状，第一永磁体31和第二永磁体32被设置为使得各对第一永磁体31和第二永磁体32限定字母V的第一边和第二边，该字母V的顶点指向旋转轴O。如果将沿径向方向延伸以将旋转轴O和各个V形磁孔41的顶点互连的直线假定为A轴，则彼此对应的各个第一永磁体31和各个第二永磁体32被设置为使得A轴被设置在彼此对应的各个第一永磁体31和各个第二永磁体32之间。彼此对应的第一永磁体31与第二永磁体32形成单个磁极51。期望数目的磁极51沿着圆周方向以相等间隔设置在转子芯2中。在图2示例说明的实施方式中，磁极51的数目为8。
在本实施方式中，第一永磁体31的磁能积被设置为等于第二永磁体32的磁能积。在转子芯2的截面上，各个第一永磁体31的在与字母V的第一边的延伸方向垂直的方向上的长度(厚度)31t被设置为等于各个第二永磁体32的在与字母V的第二边的延伸方向垂直的方向上的长度(厚度)32t，其中，字母V的第一边由第一永磁体31限定，字母V的第二边由第二永磁体32限定。
在转子芯2的截面上，各个第一永磁体31的在与字母V的第一边的延伸方向平行的方向上的长度(宽度)31w被设置为小于各个第二永磁体32的在与字母V的第二边的延伸方向平行的方向上的长度(宽度)32w，其中，字母V的第一边由第一永磁体31限定，字母V的第二边由第二永磁体32限定。彼此对应的各个第一永磁体31和各个第二永磁体32被设置为满足关系θ2＞θ1，其中θ1表示第一永磁体31的长边与A轴之间的角度，θ2表示第二永磁体32的长边与A轴之间的角度。
这里，将参照图7和图8来描述对比示例。图7是示出对比的IPM旋转电机的截面图。图7所示的截面是沿着与转子的旋转轴垂直的平面截取的。
如图7所示，在该对比示例中，在转子芯2中形成V形磁孔4，该V形磁孔4的顶点指向轴1的旋转轴O。永磁体3被设置在构成磁孔4的V形翼的各个部分(即，磁孔4的各个翼部分)中。如果将沿径向方向延伸以将旋转轴O(旋转中心)与各个V形磁孔4的顶点互连的直线假定为A轴，则容纳在各个V形磁孔4的翼中的两个永磁体3被设置为关于A轴彼此对称，并且该两个永磁体3共同限定了字母V的第一边和第二边，该字母V的顶点指向旋转轴O。因此，在该截面上，两个永磁体3在与字母V的对应边平行的长度(宽度)上、在与字母V的对应边垂直的长度(厚度)上以及相对于A轴的角度上彼此相等。
在上述配置的情况下，磁极5在空隙中生成的基波的磁通量以正弦波的形式分布，其中正弦波的峰值在A轴上。A轴与d-q轴控制中使用的d轴相一致。如果将转子上的从A轴电相移90度的位置假定为B轴，则B轴与d-q轴控制中使用的q轴相一致，并且也与将沿着圆周方向相邻的磁极5之间的中点与旋转轴O互连的直线相一致。
图8表示在对比示例中可获得的转矩曲线。在该对比示例中，如果电流iq流经位于d轴上的定子绕组，则在定子绕组和由磁极5形成的磁通量之间产生磁转矩。如果电流-id流经位于q轴上的定子绕组，则产生磁阻转矩。通过允许电流流经设置在使磁转矩和磁阻转矩的合成转矩变得最大的位置中的定子绕组，可获得最大的输出转矩。
另一方面，根据本实施方式的第一永磁体31和第二永磁体32的设置会在由第一永磁体31和第二永磁体32在定子100和转子200之间的空隙中形成的磁通量的分布中产生偏差。因此，如图3所示，可能在磁通量变得最大的A轴与从q轴偏移90度电角的d轴之间产生相位差，因此使A轴朝向最大磁阻转矩侧偏移。与图8所示的对比的IPM旋转电机的输出转矩相比，从图3可以看出，这样可以增加输出转矩。
尽管在图1和图2所示的实施方式中第一永磁体31和第二永磁体32具有矩形的横截面形状，但本发明并不仅限于此。另选地，第一永磁体31和第二永磁体32的横截面形状例如可以是正方形、椭圆形或弧形。在这种情况下，θ1表示A轴与和第一永磁体31的宽度方向平行的轴之间的角度，并且θ2表示A轴与和第二永磁体32的宽度方向平行的轴之间的角度。
(第二实施方式)
图4是示出根据本发明第二实施方式用于IPM旋转电机的转子的截面图。第二实施方式与第一实施方式的不同之处在于各个第一永磁体31的厚度(各个第一永磁体31的在与字母V的第一边的延伸方向垂直的方向上的长度，该字母V的第一边由第一永磁体31限定)被设置为大于各个第二永磁体32的厚度(各个第二永磁体32的在与字母V的第二边的延伸方向垂直的方向上的长度，该字母V的第二边由第二永磁体32限定)。在图4中用相似的附图标记来表示与图2所示的第一实施方式的元件相同的元件，并且将省略对其的重复描述。在下文中，用附图标记31a来表示其厚度大于第二永磁体32的厚度的第一永磁体，并且将着重于与第一实施方式的不同之处来描述第二实施方式中的转子。
由于与图2所示的转子中一样，各个第一永磁体31a的宽度31w被设置为小于各个第二永磁体32的宽度32w，所以第一永磁体31a的工作点比第二永磁体32的工作点低。因此，第一永磁体31a形成的磁通量的密度趋于变得比第二永磁体32形成的磁通量的密度低。然而，由于第一永磁体31a的厚度31t被设置为大于第二永磁体32的厚度32t，所以可以提高第一永磁体31a的工作点，并且因此增加第一永磁体31a形成的磁通量的密度。与第一实施方式相比，这使得可以在由第一永磁体31a和第二永磁体32在定子100和转子200之间的空隙中形成的磁通量的分布中产生更大的偏差。结果，可以进一步增加A轴与d轴之间的相位差，从而与第一实施方式相比，进一步增加了输出转矩。
(第三实施方式)
图5是示出根据本发明第三实施方式的用于IPM旋转电机的转子的截面图。第三实施方式与第一实施方式的不同之处在于第一永磁体31的磁能积被设置为大于第二永磁体32的磁能积。在图5中用相似的附图标记来表示与图2所示的第一实施方式的元件相同的元件，并且省略对相同元件的描述。在下文中，用附图标记31b来表示其磁能积大于第二永磁体32的磁能积的第一永磁体，并且将着重于与第一实施方式的不同之处来描述第三实施方式的转子。
因为与图2所示的转子中一样，各个第一永磁体31b的宽度31w被设置为小于各个第二永磁体32的宽度32w，所以第一永磁体31b的工作点比第二永磁体32的工作点低。因此，第一永磁体31b形成的磁通量的密度趋于变得比第二永磁体32形成的磁通量的密度低。然而，由于第一永磁体31b的磁能积被设置为大于第二永磁体32的磁能积，所以可以增加第一永磁体31b形成的磁通量的密度。与第一实施方式相比，这使得可以在由第一永磁体31b和第二永磁体32在定子100和转子200之间的空隙中形成的磁通量的分布中产生更大的偏差。结果，可以进一步增加A轴与d轴之间的相位差，因此与第一实施方式相比，增加了输出转矩。
在上述实施方式中，分别地描述了第二实施方式和第三实施方式，也可以将第二实施方式与第三实施方式相结合。
本发明的IPM旋转电机能够产生高输出功率并且可用作工业节能机械(例如，机动车、起重机、流体机械以及加工机械)中的驱动电动机或者发电机。
尽管已经根据实施方式示出和描述了本发明，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离随后的权利要求所限定的本发明的范围的情况下可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (11)

1.一种转子，该转子包括：
转子芯，该转子芯具有旋转轴；以及
多个第一永磁体和多个第二永磁体，该多个第一永磁体和该多个第二永磁体被设置在所述转子芯中，以使得在所述转子芯的与所述旋转轴垂直的横截面上，彼此对应的各个第一永磁体与各个第二永磁体限定字母V，所述字母V具有第一边、第二边和指向所述旋转轴的顶点，所述字母V的所述第一边由各个第一永磁体限定，所述字母V的所述第二边由各个第二永磁体限定，彼此对应的各个第一永磁体与各个第二永磁体共同形成单个磁极，
其中，彼此对应的各个第一永磁体和各个第二永磁体被设置在所述转子芯的所述横截面上，以使得将所述旋转轴与所述字母V的顶点互连的直线被设置在彼此对应的各个第一永磁体和各个第二永磁体之间，各个第一永磁体相对于所述直线的角度小于各个第二永磁体相对于所述直线的角度，各个第一永磁体的在与所述字母V的所述第一边的延伸方向平行的方向上的宽度小于各个第二永磁体的在与所述字母V的所述第二边的延伸方向平行的方向上的宽度。
2.根据权利要求1所述的转子，其中，在所述转子芯的所述横截面上，各个第一永磁体的在与所述字母V的所述第一边的延伸方向垂直的方向上的厚度大于各个第二永磁体的在与所述字母V的所述第二边的延伸方向垂直的方向上的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的转子，其中，所述多个第一永磁体的磁能积大于所述多个第二永磁体的磁能积。
4.一种内置式永磁旋转电机，所述内置式永磁旋转电机包括：
定子芯；
多个定子绕组，该多个定子绕组被设置在所述定子芯中；
转子芯，该转子芯具有旋转轴和被所述定子芯包围的外周；以及
多个第一永磁体和多个第二永磁体，该多个第一永磁体和该多个第二永磁体被设置在所述转子芯中，以使得在与所述旋转轴垂直的所述转子芯的横截面上，彼此对应的各个第一永磁体和各个第二永磁体限定字母V，所述字母V具有第一边、第二边和指向所述旋转轴的顶点，所述字母V的所述第一边由各个第一永磁体限定，所述字母V的所述第二边由各个第二永磁体限定，彼此对应的各个第一永磁体和各个第二永磁体共同形成单个磁极，
其中，彼此对应的各个第一永磁体和各个第二永磁体被设置在所述转子芯的所述横截面上，以使得将所述旋转轴与所述字母V的所述顶点互连的直线被设置在彼此对应的各个第一永磁体和各个第二永磁体之间，各个第一永磁体相对于所述直线的角度小于各个第二永磁体相对于所述直线的角度，各个第一永磁体的在与所述字母V的所述第一边的延伸方向平行的方向上的宽度小于各个第二永磁体的在与所述字母V的所述第二边的延伸方向平行的方向上的宽度。
5.根据权利要求4所述的内置式永磁旋转电机，其中，在所述转子芯的所述横截面上，各个第一永磁体的在与所述字母V的所述第一边的延伸方向垂直的方向上的厚度大于各个第二永磁体的在与所述字母V的所述第二边的延伸方向垂直的方向上的厚度。
6.根据权利要求4所述的内置式永磁旋转电机，其中，所述多个第一永磁体的磁能积大于所述多个第二永磁体的磁能积。
7.一种机动车，在该机动车中，权利要求4至6中任一权利要求所述的内置式永磁旋转电机被用作驱动电动机。
8.一种机动车，在该机动车中，权利要求4至6中任一权利要求所述的内置式永磁旋转电机被用作发电机。
9.一种起重机，在该起重机中，权利要求4至6中任一权利要求所述的内置式永磁旋转电机被用作驱动电动机。
10.一种流体机械，在该流体机械中，权利要求4至6中任一权利要求所述的内置式永磁旋转电机被用作驱动电动机。
11.一种加工机械，在该加工机械中，权利要求4至6中任一权利要求所述的内置式永磁旋转电机被用作驱动电动机。
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