CN102163901A - 内置式永磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及内置式永磁电机。提供一种包括转子和定子的内置式永磁（IPM）电机。包括具有不包括磁体的径向内屏障以及具有至少一个永磁体的径向外屏障，每个屏障具有两个空穴，其中一个空穴相对于另一个以一定角度设置。内屏障的至少一个空穴具有不规则四边形的形状。外屏障的至少一个空穴具有大致梯形的形状，其中第一侧面大致平行于第二侧面，其中第一侧面具有相对于第三侧面倾斜的部分。在这种IPM电机中，当操作温度和电流超过设计规格所规定的操作条件时，限制外屏障磁体的退磁。

Description

内置式永磁电机
技术领域
本发明涉及内置式永磁（IPM）电机或电动马达的构造。
背景技术
内置式永磁（IPM）电机是无刷电动马达，其具有嵌入到其转子芯中的永磁体。永磁电动马达通常是可靠的、较小、轻质且热效率高的。然而，在过去，永磁体仅主要用于小的低功率电动马达中，原因在于与寻找能够保持高强度磁场的材料相关的相对困难以及稀土永磁技术处于初始阶段。
近年来材料技术的进步已经使得能够得到较低成本的高强度永磁体。这种技术上的进步有利于开发出用于高容积应用的紧凑的高功率永磁电机，例如用于驱动车辆，即，混合动力或电动车辆。具体地，IPM电机通常以具有良好的输出扭矩对比马达物理尺寸的比以及降低的输入电压来表征。IPM电机通常是可靠的，很大程度上是因为永磁体被固定在电机转子的专用槽内。当供应有来自于外部源的运动能量时，IPM电机还可用作发电机。结果是，IPM电机在运输领域已经作为电动和/或混合动力电动车辆的可实施动力装置被大众接受。
发明内容
提供一种内置式永磁（IPM）电机。IPM电机包括定子，所述定子围绕轴线同心地设置并且具有多个导体。IPM电机还包括转子，所述转子围绕所述轴线同心地设置并且位于所述定子内部，且所述转子配置成相对于所述定子围绕轴线旋转。所述转子包括具有v形构造的径向内屏障，其中第一空穴相对于第二空穴以第一角度设置；以及具有v形构造的径向外屏障，其中第三空穴相对于第四空穴以第二角度设置。第一空穴和第二空穴中的至少一个以具有不规则四边形的形状来表征并且没有磁体。第三空穴和第四空穴中的至少一个包含永磁体并且以多边形的形状来表征，所述多边形具有大致平行于第二侧面的第一侧面，且其中所述第一侧面具有相对于第二侧面倾斜的部分。在这种IPM电机中，当IPM电机过载时，即IPM电机的操作温度和电流超过电机设计规格所规定的操作条件时，被包含在第三空穴和第四空穴中的至少一个内的磁体的退磁受限制。
第一侧面的部分相对于第二侧面以在大于0且小于90度范围内的角度倾斜。第三空穴和第四空穴中至少一个的至少一个拐角适于包含粘结剂，以固定磁体。第一角度和第二角度可具有大致相等的值。被包含在第三空穴和第四空穴中的至少一个内的磁体以大致矩形形状来表征。所述转子和定子均由沿着轴线并置的六个大致相同互连区段配置成。在三相短路期间，可出现超过设计规格所规定的操作条件的操作温度和电流，使得电流可达到大约1000安，且操作温度可达到大约250℃。
还提供采用上述用于推进的IPM电机的车辆。如所公开的，IPM电机配置成通过以从能量存储装置接收的电能操作来驱动车辆并且当由IPM电机之外的车辆运动能量源驱动时作为发电机操作。
本发明涉及下述技术方案。
1. 一种内置式永磁体（IPM）电机，包括：
定子，所述定子具有多个导体，所述定子围绕轴线同心地设置；和
转子，所述转子围绕所述轴线同心地设置并且位于所述定子内部，且所述转子配置成相对于所述定子围绕轴线旋转，所述转子包括具有相对于第二空穴以第一角度设置的第一空穴的径向内屏障以及具有相对于第四空穴以第二角度设置的第三空穴的径向外屏障；
其中：
第一空穴和第二空穴中的至少一个以不规则四边形的形状来表征并且没有磁体；以及
第三空穴和第四空穴中的至少一个包含永磁体并且以多边形的形状来表征，所述多边形具有大致平行于第二侧面的第一侧面，且所述第一侧面具有相对于第二侧面倾斜的部分，使得当IPM电机的操作温度和电流超过设计规格所规定的操作条件时，被包含在第三空穴和第四空穴中的至少一个内的磁体的退磁受限制。
2. 根据方案1所述的IPM电机，其中，第一侧面的所述部分相对于第二侧面以在大于0且小于90度范围内的角度倾斜。
3. 根据方案1所述的IPM电机，其中，第三空穴和第四空穴中至少一个的至少一个拐角适于包含粘结剂，以固定磁体。
4. 根据方案1所述的IPM电机，其中，第一角度和第二角度具有大致相等的值。
5. 根据方案1所述的IPM电机，其中，被包含在第三空穴和第四空穴中的至少一个内的磁体以大致矩形形状来表征。
6. 根据方案1所述的IPM电机，其中，所述转子和定子均由沿着轴线并置的六个大致相同互连区段配置成。
7. 根据方案1所述的IPM电机，其中，在三相短路期间，出现超过设计规格所规定的操作条件的操作温度和电流。
8. 根据方案7所述的IPM电机，其中，三相短路电流达到大约1000安，且三相短路温度达到大约250℃。
9. 一种车辆，包括：
能量存储装置，所述能量存储装置配置成供应电能；和
内置式永磁（IPM）电机，所述IPM电机配置成通过从能量存储装置接收的电能操作来驱动车辆并且当由IPM电机之外的车辆运动能量源驱动时作为发电机操作，所述IPM电机包括：
定子，所述定子具有多个导体，所述定子围绕轴线同心地设置；
转子，所述转子围绕所述轴线同心地设置并且位于所述定子内部，且所述转子配置成相对于所述定子围绕轴线旋转，所述转子包括具有相对于第二空穴以第一角度设置的第一空穴的径向内屏障以及具有相对于第四空穴以第二角度设置的第三空穴的径向外屏障；和
轴，所述轴围绕所述轴线同心地配置并且可操作地连接到转子，用于传输来自于IPM电机的扭矩以驱动车辆；
其中：
第一空穴和第二空穴中的至少一个以不规则四边形的形状来表征并且没有磁体；以及
第三空穴和第四空穴中的至少一个包含永磁体并且以大致梯形的形状来表征，所述大致梯形的形状具有大致平行于第二侧面的第一侧面，且所述第一侧面具有相对于第二侧面倾斜的部分，使得当IPM电机的操作温度和电流超过设计规格所规定的操作条件时，被包含在第三空穴和第四空穴中的至少一个内的磁体的退磁受限制。
10. 根据方案9所述的车辆，其中，第一侧面的所述部分相对于第二侧面以在大于0且小于90度范围内的角度倾斜。
11. 根据方案9所述的车辆，其中，第三空穴和第四空穴中至少一个的至少一个拐角适于包含粘结剂，以固定磁体。
12. 根据方案9所述的车辆，其中，第一角度和第二角度具有大致相等的值。
13. 根据方案9所述的车辆，其中，被包含在第三空穴和第四空穴中的至少一个内的磁体以大致矩形形状来表征。
14. 根据方案9所述的车辆，其中，所述转子和定子均由沿着轴线并置的六个大致相同互连区段配置成。
15. 根据方案9所述的车辆，其中，在三相短路期间，出现超过设计规格所规定的操作条件的操作温度和电流。
16. 根据方案15所述的车辆，其中，三相短路电流达到大约1000安，且三相短路温度达到大约250℃。
本发明的前述特征和优势以及其它特征和优势从用于实施本发明的最佳模式的下述详细说明结合附图显而易见。
附图说明
图1是采用用于推进的条形缠绕内置式永磁（IPM）电机的车辆的示意图；
图2是图1所示的具有转子的IPM电机一部分的截面图，所述转子具有包含永磁体的径向内屏障和不包含磁体的径向外屏障；
图3是IPM电机的圆形区域A的放大图，描述了其中安装有永磁体的图2中所示的径向内屏障；以及
图4是图3所示的圆形区域A的放大图，其中径向内屏障永磁体被移除。
具体实施方式
参考附图，其中相同的附图标记表示相同的元件，图1示出了采用用于推进的条形缠绕内置式永磁（IPM）马达或电机12的车辆10。术语“条形缠绕”是指安装在IPM电机的定子中的个体条形导体。IPM电机12是无刷马达，具有嵌入在其转子芯中的永磁体。IPM电机12示出为由沿着IPM电机旋转轴线X并置的六个大致相同的互连区段12A配置成，但是也可由更多或更少数量的这种区段配置成。IPM电机12中所采用的互连区段12A的数量与IPM电机能够产生的扭矩直接相关，所述扭矩用于驱动车辆10。
车辆10包括传动系14，其包括诸如变速器和传动轴（未示出）的这种部件，所述传动系经由恒速节和/或万向节（未示出）可操作地连接在IMP电机12和驱动车轮16之间，如本领域技术人员所理解的那样。IPM电机12与传动系14之间的这种可操作连接使得IPM电机12所产生的扭矩用来驱动车辆10。车辆10包括能量存储装置18。能量存储装置18配置成将电能供应给各个车辆系统（未示出），并且可操作地连接到IPM电机12。IPM电机12配置成通过以从能量存储装置18接收的电能操作来驱动车辆10，并且当由位于IPM电机之外的车辆运动能量源驱动时作为发电机操作。这种外部动力能量例如可由内燃机（未示出）来提供或由驱动车轮16经由车辆惯性来提供。
图2示出了在图1中所示的IPM电机12一部分的截面图。IPM电机12包括具有容纳导体条24的槽22的定子20。导体条24可由铜、铝或任何其它合适导电材料制成，并且可具有大致矩形、长方体、或圆柱体形的形状。槽22示出为包含每槽22的四个导体条24，但是在每个槽中可包含更多或更少数量的导体条24。转子26围绕轴线X同心地设置，并且包括不包含磁体的径向外屏障28和包含永磁体32的径向内屏障30。永磁体32示出为具有大致矩形、长方体的形状。在IPM电机12的操作期间，转子26响应于在导体条24与磁体32之间产生的磁通量而围绕轴线X旋转，藉此产生用于驱动车辆10的驱动扭矩。
圆形区域A包含单个径向外屏障28和包含永磁体32的单个径向内屏障30、以及定子20的一部分。外屏障28和内屏障30每个均包括一对相同的空穴（pocket），其中每对空穴相对于彼此以一定角度设置，藉此形成具有v形配置的屏障。外屏障28包括空穴28A和28B，如图3所示，其中空穴28A相对于空穴28B以角度α1设置。内屏障30包括空穴30A和30B，其中空穴30A相对于空穴30B以角度α2设置。角度α1和α2可具有不同或大致相等的大小。如所示的，空穴30A和30B每个均包含单个磁体32。
图3和4每个均示出了IPM电机12的圆形区域A的放大图，描述了外屏障28和内屏障30的示意性形状。在图3中，内屏障30示出为安装有永磁体32。在图4中，图2的内屏障30示出为将永磁体32移除以便于示出内屏障的形状。外屏障28的空穴28A和28B均以具有四个侧面29A、29B、29C和29D的不规则四边形的形状来表征，其中四个侧面中的任何一个都不平行于任何其余三个侧面。侧面29A相对于侧面29B以角度θ1设置，而侧面29C相对于侧面29D以角度θ2设置。内屏障28的形状用作设置在屏障30内的磁体32的通量导向器，以藉此降低在IPM电机12中单个磁体32之间的磁通量的铁损和泄漏。如上所述，内屏障28完全没有磁体，使得IPM电机12的重量以及成本和所需组装时间都降低。
内屏障30的空穴30A和30B均以具有六个侧面31A、31B、31C、31D、31E和31F的多边形的形状表征。侧面31A大致平行于侧面31B。每个内屏障空穴30A和30B包括凸起部34和36。凸起部34和36用于固定磁体32，如图3和4所示。侧面31A具有相对于侧面31B以角度θ3倾斜的部分31A1，侧面31B具有相对于侧面31A以角度θ4倾斜的部分31B1。角度θ3和θ4可具有在大于0且小于90度范围内的值。侧面31C相对于侧面31D以角度θ5设置，示出为直角；侧面31E相对于侧面31F以角度θ6设置，也示出为直角，但是角度θ4和θ5也可具有不同的大小。
如图3所示，每个空穴30A和30B的倾斜部分31A1和31B1分别形成在磁体32与相应空穴之间的间隙38和40。间隙38和40适于容纳粘结剂，以将磁体32固定在相应空穴30A和30B内部，如本领域技术人员所理解的那样。倾斜部分31A1和31B1的角度可用于空穴侧面的任何相交处，例如侧面31A和31E的相交处和侧面31B和31D的相交处。类似地，这种角度还可用于空穴28A和28B的侧面的任何相交处。每个间隙38和40可附加地以倒角拐角来表征，所述倒角拐角分别相对于倾斜部分31A1和31B1升高，其中每个倾斜部分31A1和31B1会合凸起部34和36（未示出）。
如本领域技术人员所知的那样，永磁体由磁性硬铁磁材料制成，所述硬磁性铁磁材料在被磁化后产生并保持自身恒定磁场。通常，铁磁材料在被加热超过其居里温度（例如，对于铁，768℃或1414℉）从而在磁性材料内的分子运动会破坏磁畴的对齐时可以被完全退磁，如本领域技术人员所理解的那样。该材料在高于其居里温度时是顺磁性的，使得磁矩处于完全无序状态。磁体在温度朝向居里点增加时可附加地损失一定量的磁化，使得每个磁畴内的对齐（磁化）降低。
与正常操作条件和电机设计规格所规定的负载极限值相比，IPM电机12在驱动车辆10时可能不时地经受过量负载（例如，三相短路），如本领域技术人员所理解的那样。在这种状况期间，运行通过连接到IPM电机12的电气电路的电流可接近且可能超过1000安，同时操作温度可接近且可能超过250℃。这种升高的电流和温度可损坏磁体32的磁畴的对齐，从而开始磁体的退磁。
通常，在IPM电机12中磁体32的退磁在磁体靠近凸起部34和36的拐角处开始，并且显示其自身在磁体北极或南极变化方向处的磁通量以部分地或整体地用作反向磁极，如本领域技术人员所理解的那样。这种变化可以是暂时的或者在一些情形中是永久的，藉此降级IPM电机12的性能。外屏障28和内屏障30的结构控制单个磁体32之间的磁通量的泄漏和磁体回路的磁阻（即，磁性阻抗），藉此增加磁体32的磁阻扭矩分量，如本领域技术人员所理解的那样。结果是，尽管电流和温度升高，但是即使在诸如三相短路的极端操作条件下，所公开结构的外屏障28和内屏障30将磁体32的磁通量路径往回朝向其旨在方向导向或弯曲，以便限制磁体的退磁。在极端操作条件下减少的磁体32退磁继而保持IPM电机12的可靠性和功能。
虽然已经详细描述了用于实施本发明的最佳模式，但是本发明所属领域的技术人员将认识到落入所附权利要求书范围内的用于实施本发明的各种替代性设计和实施例。

Claims (10)

1. 一种内置式永磁体（IPM）电机，包括：
定子，所述定子具有多个导体，所述定子围绕轴线同心地设置；和
转子，所述转子围绕所述轴线同心地设置并且位于所述定子内部，且所述转子配置成相对于所述定子围绕轴线旋转，所述转子包括具有相对于第二空穴以第一角度设置的第一空穴的径向内屏障以及具有相对于第四空穴以第二角度设置的第三空穴的径向外屏障；
其中：
第一空穴和第二空穴中的至少一个以不规则四边形的形状来表征并且没有磁体；以及
第三空穴和第四空穴中的至少一个包含永磁体并且以多边形的形状来表征，所述多边形具有大致平行于第二侧面的第一侧面，且所述第一侧面具有相对于第二侧面倾斜的部分，使得当IPM电机的操作温度和电流超过设计规格所规定的操作条件时，被包含在第三空穴和第四空穴中的至少一个内的磁体的退磁受限制。
2. 根据权利要求1所述的IPM电机，其中，第一侧面的所述部分相对于第二侧面以在大于0且小于90度范围内的角度倾斜。
3. 根据权利要求1所述的IPM电机，其中，第三空穴和第四空穴中至少一个的至少一个拐角适于包含粘结剂，以固定磁体。
4. 根据权利要求1所述的IPM电机，其中，第一角度和第二角度具有大致相等的值。
5. 根据权利要求1所述的IPM电机，其中，被包含在第三空穴和第四空穴中的至少一个内的磁体以大致矩形形状来表征。
6. 根据权利要求1所述的IPM电机，其中，所述转子和定子均由沿着轴线并置的六个大致相同互连区段配置成。
7. 根据权利要求1所述的IPM电机，其中，在三相短路期间，出现超过设计规格所规定的操作条件的操作温度和电流。
8. 根据权利要求7所述的IPM电机，其中，三相短路电流达到大约1000安，且三相短路温度达到大约250℃。
9. 一种车辆，包括：
能量存储装置，所述能量存储装置配置成供应电能；和
内置式永磁（IPM）电机，所述IPM电机配置成通过从能量存储装置接收的电能操作来驱动车辆并且当由IPM电机之外的车辆运动能量源驱动时作为发电机操作，所述IPM电机包括：
定子，所述定子具有多个导体，所述定子围绕轴线同心地设置； 
转子，所述转子围绕所述轴线同心地设置并且位于所述定子内部，且所述转子配置成相对于所述定子围绕轴线旋转，所述转子包括具有相对于第二空穴以第一角度设置的第一空穴的径向内屏障以及具有相对于第四空穴以第二角度设置的第三空穴的径向外屏障；和
轴，所述轴围绕所述轴线同心地配置并且可操作地连接到转子，用于传输来自于IPM电机的扭矩以驱动车辆；
其中：
第一空穴和第二空穴中的至少一个以不规则四边形的形状来表征并且没有磁体；以及
第三空穴和第四空穴中的至少一个包含永磁体并且以大致梯形的形状来表征，所述大致梯形的形状具有大致平行于第二侧面的第一侧面，且所述第一侧面具有相对于第二侧面倾斜的部分，使得当IPM电机的操作温度和电流超过设计规格所规定的操作条件时，被包含在第三空穴和第四空穴中的至少一个内的磁体的退磁受限制。
10. 根据权利要求9所述的车辆，其中，第一侧面的所述部分相对于第二侧面以在大于0且小于90度范围内的角度倾斜。
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