CN102170185B - 用于内部永磁体电机的转子结构 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于内部永磁体(IPM)电机(8)的转子结构(10)。该转子结构(10)可包括至少一个转子叠片(12)，转子叠片(12)又可包括布置成以便接收至少一个永磁体(16)的至少一个槽。该槽将转子叠片(40)分成极区(18)和轭区(20)。至少一个桥接部(44)布置成在叠片(52)的外边缘(24)处将极区(18)连接到轭区(20)上。叠片(52)的外边缘(24)沿着桥接部(44)的节段(26)而轮廓被设置为限定了桥接部(44)的内凹的弯曲轮廓(28)。桥接部(44)的内凹的弯曲轮廓(28)允许选择性地设置桥接部(44)的厚度的大小，以影响该电机的至少一些电磁和/或机械特性。

Description

用于内部永磁体电机的转子结构
技术领域
本发明大体涉及电机，且更具体而言，涉及用于较大型的电机的包含埋入式永磁体的转子结构。
背景技术
目前，直流(DC)或感应式电机通常用于基于柴油/基于电的机车中、矿用车辆和其它非公路用车辆中、某些船舶和飞行器中以及固定应用(例如钻探应用、风力涡轮机传动系等)中。该电机可用于各种操作环境，包括牵引、辅助装备，诸如鼓风机或冷却装备以及发电装备。
虽然经过数年，已经证明了这些电机是工业的主力，但是它们有时会承受各种缺点。例如，在牵引马达的情况下，这样的马达倾向于较重，并且在电-机能量转换方面不足。不仅从燃料节约的观点上看，而且还从大小、重量、成本、瞬态能力、冷却系统、故障率等观点来看，这些电机的能力都重要。此外，牵引马达的任何增加的重量都倾向于增加卡车(轨道车辆中)以及路/轨上的瞬态力。
在发电装备的情况下，DC或感应式电机典型地为凸极式同步发电机的形式。这样的发电机通常在转子中使用激励器绕组，并且可通过滑环来通电。滑环经受电-机磨损和破裂，并且可能需要繁重且高成本的维护。此外，可能必须增大车辆应用(例如，机车)的体积间隔，以便适应使用滑环和激励器绕组的发电系统的间隔需求。鉴于以上考虑，合乎需要的是提供避免或者减少了上述缺点的改进的电机。
发明内容
在其一个示例性实施例中，本发明的各方面涉及用于内部永磁体(IPM)电机的转子结构。该转子结构可包括至少一个转子叠片，转子叠片又可包括布置成以便接收至少一个永磁体的至少一个槽。该槽将转子叠片分成极区和轭区。至少一个桥接部布置成在叠片的外边缘处将极区连接到轭区。叠片的外边缘沿着桥接部的节段而轮廓被设置为限定了桥接部的内凹的弯曲轮廓。桥接部的内凹的弯曲轮廓允许选择性地设置桥接部的厚度的大小，以便影响该电机的至少一些电磁和/或机械特性。
在其另一方面，至少一对槽从布置成将极区连接到轭区上的中间柱延伸。该对槽可布置成以便各自接收至少一个永磁体。该对槽可延伸到布置成在叠片的外边缘处将极区连接到轭区上的相应的桥接部。叠片的外边缘沿着相应的桥接部的节段而轮廓被设置为限定了相应的桥接部的内凹的弯曲轮廓。桥接部的内凹的弯曲轮廓允许设置桥接部的相应的厚度和/或中间柱的相应的厚度的大小，以便影响该电机的至少一些电磁和/或机械特性。
在其又一方面，电机由定子和可操作地联接到该定子上的转子组成。转子可包括多个堆叠的转子叠片。各个叠片可包括布置成以便接收至少一个永磁体的至少一个槽。槽将转子叠片分成极区和轭区。至少一个桥接部布置成在叠片的外边缘处将极区连接到轭区上。叠片的外边缘沿着桥接部的节段而轮廓被设置为限定了桥接部的内凹的弯曲轮廓。桥接部的内凹的弯曲轮廓允许选择性地设置桥接部的厚度的大小。桥接部的内凹的弯曲轮廓进一步允许选择性地设置布置成进一步将极区连接到轭区上的中间柱的厚度的大小。将桥接部的厚度和中间柱的厚度的组合大小设置选择为以便平衡该电机的至少一些逆－对(counter-opposing)电磁和/或机械特性。
附图说明
图1是实施了本发明的各方面的、用于混合式内部永磁体(IPM)电机的转子结构的一个示例性实施例的等距视图。
图2是根据本发明的各方面设置轮廓的转子桥接部的放大视图。
图3显示了构造成具有实施了本发明的各方面的转子桥接部的转子的一个示例性实施例中的峰值应力分布的示例性归一化水平与具有传统的转子桥接部的转子的峰值应力分布的归一化水平的对比。
图4显示了具有实施了本发明的各方面的转子桥接部的转子的另一个示例性实施例中的峰值应力分布的示例性归一化水平与具有传统的转子桥接部的转子的峰值应力分布的归一化水平的对比。
部件列表：
8-电机
10-转子结构
12-转子叠片
14-槽
16永磁体
18-极区
20-轭区
22-转子桥接部
24-外边缘
26-桥接部节段
28-内凹的弯曲轮廓
32-槽对
34-槽对
36-中间柱
40-转子叠片
42-转子叠片
44-桥接部
46-条
48-条
50-转子叠片
52-转子叠片
54-中间柱
56-中间柱
58-条
59-条
60-传统的桥接部
70-定子。
具体实施方式
实施了本发明的各方面的混合式内部永磁体(IPM)电机8使用具有增强的电磁和/或机械特性的改进的转子结构10。由于这样的增强，实施了本发明的各方面的转子结构可有利地用于可能需要在宽泛的速度范围上在有限的输入电压下操作(包括以高速操作)的应用(典型地诸如机车、矿用车辆以及其它非公路用车辆(OHV)、船舶、飞行器以及固定应用(例如钻探应用、风力涡轮机传动系等))中的高功率额定值的比较大型的电机。
转子结构10包括至少一个转子叠片12，其中一个或多个槽14布置成以便接收至少一个永磁体16。该一个或多个槽将转子叠片分成极区18和轭区20。(如下文更详细地描述的，“叠片”指薄金属板或其它薄板，它们中的多个典型地堆叠且粘附在一起来形成马达构件。因而，当在本文中描绘叠片包括或包含各种槽、开口、槽口等时，这就意味着叠片形成为以便通过机械加工、切割、冲压或以其它方式来限定槽、开口、槽口等。)。
图1显示了若干槽，这些槽组合起来形成示例性六磁极电机。将理解的是，本发明的各方面不限于任何具体数量的磁极。随着描述在下文中继续，要告知读者的是，为了避免视觉混乱的原因，可在图中指出不同的磁极的对应的元件，因为这样的对应的元件的功能在该电机的任何给定的磁极中是相同的。
至少一个转子桥接部22布置成在叠片的外边缘24处将极区18连接到轭区20上。根据本发明的各方面，如图2中更好地了解的，叠片的外边缘沿着桥接部的节段26而轮廓被设置为限定了桥接部的内凹的弯曲轮廓28。也就是说，桥接部外形设置成沿着其外边缘具有平滑地变化的内凹形状的轮廓。
如下文更加详细地阐述的，根据本发明的各方面设置轮廓的桥接部(“轮廓内凹的桥接部”)可允许选择性地设置桥接部的厚度的大小，以便影响该电机的至少一些电磁和/或机械特性。例如，桥接部的厚度的大小设置可选择为以便提供以下示例性优点：降低通过桥接部的磁通量泄漏，降低在桥接部处形成的机械应力的峰值水平，或提供在桥接部处形成的机械应力的峰值水平和通过桥接部的磁通量泄漏的组合降低。如本领域技术人员将了解的，这样的示例性优点中的各个优点有助于改进该电机的电磁和/或机械特性中的至少一些。
在一个示例性实施例中，桥接部的内凹的弯曲轮廓28在桥接部的转子叠片的外边缘(与外径(OD)相一致)上限定槽口。该槽口可构造成具有在预先限定的范围内的曲率半径。在一个示例性实施例中，曲率半径的一个示例性范围可为从基本等于桥接部的长度的一半的第一曲率半径值到第二曲率半径值，其中第二曲率半径值相对于第一曲率半径值更高。在本上下文中，基本等于桥接部的长度的一半表示除了制造误差和/或偏差之外等于桥接部的长度的一半(如本领域技术人员将理解)。
将理解的是，由于磁体16和极区18中的叠片材料而形成的离心力在转子桥接部处导致直接拉伸圆周应力以及弯曲应力。这两种效果倾向于在桥接部的内边缘处产生峰值拉伸应力，如由图2中显示的加号(+)标记所示例性地表示的那样。在不将本发明的各方面限制于任何特定的操作理论的情况下，以分析的方式显示了上述结构布置用来降低倾向于在桥接部的内边缘处形成的应力的相对高的峰值水平。桥接部的内凹的弯曲轮廓显示为将在桥接部的内边缘处形成的应力的高峰值水平的一部分重新分配到桥接部的外边缘(由图2中显示的减号(-)标记示例性地表示)，其中，应力的峰值水平与倾向于在桥接部的内边缘处形成的高峰值水平相比倾向于较低。
本发明人所认识到的解决方案并非不重要的解决方案，因为其在以下意义上反映了非传统的且富有洞察力的思想：轮廓内凹的桥接部涉及从桥接部上进行至少一些材料移除，且材料的这种移除将倾向于被视为大体在直觉上违反了用于增强经受较高水平的峰值应力的区域(诸如转子桥接部)的传统的措施。
在一个示例性实施例中，一个或多个槽可由至少一对槽(诸如从相应的中间柱36延伸的槽对32和34)组成。如图1中所示，从相应的中间柱延伸的各对槽可相对于纵轴(D)斜坡式地定位。也就是说，在一个示例性实施例中，各对槽呈现V形布置。将理解的是，本发明的各方面不限于槽对相对于纵轴斜坡式地定位，因为槽可相对于纵轴垂直地定位。将进一步了解的是，本发明的各方面不限于槽的V形布置，因为具有转子桥接部的任何转子结构，不管槽的具体形状如何，都可类似地受益于由本发明的各方面产生的益处。示例性槽布置可为U形、M形、W形等，且甚至可由嵌在彼此内部的多个层的槽组成(与如上所述的单个层相对)。
如本领域技术人员将理解的，用于磁体的槽位置的选择和磁体体积可基于若干种考虑，不一定限于以下考虑：a)在瞬态条件下无负载电压；b)缺陷电流水平；c)在马达应用的情况下期望的场弱化速度范围；d)马达发动和发电操作期望的效率；以及e)在发电机模式的情况下对于给定的操作速度的直到期望的功率输出水平的平坦的输出电压-电流特性。
如图3所示，在具有根据本发明的各方面设置轮廓的转子桥接部22的转子叠片40的一个示例性实施例中，桥接部厚度(例如，由字母“Y”表示的最小桥接部厚度)的值保持为与具有传统的(即未特别设置轮廓的(unprofiled))桥接部44的转子叠片42的桥接部厚度基本相同。在本上下文中，基本相同的厚度值表示除了制造误差和/或偏差之外的相同的厚度值(如本领域技术人员将理解的)。如图3中进一步示出，条46表示转子叠片40上的Von-Mises应力(等效应力)分布的归一化峰值水平，而条48表示转子叠片42上的Von-Mises应力分布的归一化峰值水平。在该示例性实施例中，虽然对于转子叠片40和42而言桥接部厚度值Y基本相同，但在转子叠片40中获得了应力的峰值水平的最大减小，从而改进了转子的机械完整性。在该示例性实施例中，在名义应用转速处获得了大约11％的示例性峰值水平减小。因为这些应力由于与速度的平方成正比的离心力而引起，峰值应力水平的减小也与速度的平方成正比，并且因此该构造在相对较高速度处相当有益。将理解的是，如果对于转子叠片40减小了桥接部厚度Y，(至少直到可接受的峰值应力极限)磁泄漏就可有利地减小，从而改进该电机的电磁性能(例如功率密度)。
根据本发明的另外的有利方面，意外地发现根据本发明的各方面设置轮廓的转子桥接部提供了扩展超出转子桥接部的有利的效果。例如，发现根据本发明的各方面设置轮廓的转子桥接部使中间柱处的径向应力的峰值水平相对于未特别设置轮廓的桥接部降低了大约10％。也就是说，轮廓内凹的转子桥接部可进一步允许选择性地设置中间柱的厚度的大小，以便影响该电机的一些电磁和/或机械特性。例如，中间柱的厚度的大小设置可选择为以便提供以下示例性优点：降低通过中间柱的磁通量泄漏，降低在中间柱处形成的机械应力的峰值水平，或提供在中间柱处形成的机械应力的峰值水平和通过中间柱的磁通量泄漏的组合降低。认为中间柱处的应力的减小是由于桥接部的增加的刚度而引起的，增加的刚度有可能导致它们一起分享更大部分的离心力。
如图4所示，在具有根据本发明的各方面设置轮廓的转子桥接部22的转子叠片50的另一个示例性实施例中，桥接部厚度Y1的值相对于具有厚度为Y2的传统的桥接部60的转子叠片52的桥接部厚度而减小。也就是说，Y1<Y2。另外–因为如以上所提到的，发现根据本发明的各方面设置轮廓的转子桥接部会降低倾向于由于叠片的中间柱而产生的峰值水平应力–在该示例性实施例中，转子叠片50中的中间柱54的中间柱厚度(由字符X1表示)的值相对于叠片52中的中间柱56的中间柱厚度(X2)减小了。也就是说，X1<X2。
在该示例性实施例中，转子叠片50的桥接部厚度和中间柱厚度的值的和(X1+Y1)相对于转子叠片52的桥接部和柱厚度的和(X2+Y2)减小了大约16％。如图4中进一步示出，条58表示转子叠片50上的Von-Mises应力分布的归一化峰值水平，而条59表示转子叠片52上的Von-Mises应力分布的归一化峰值水平。在该示例性实施例中，桥接部和柱结构的组合的厚度减小选择为以便大致满足峰值应力的普通水平。也就是说，转子叠片50的应力的所得到的峰值水平选择为大约与叠片52的应力的峰值水平相同(如可根据条58和59所理解的)。
在该示例性实施例中，考虑到转子叠片50的转子桥接部和中间柱的结构相对于转子叠片52的相同结构的相应的厚度减小，可在转子叠片50中实现相对于转子叠片52的大约16％的示例性磁通量泄漏减小。
因而，将理解的是，实施了根据本发明的各方面设置轮廓的转子桥接部的转子结构可用来提供关于上述中间柱结构和/或桥接部结构的相应的大小设置的设计灵活性，以有助于平衡该电机的逆－对电磁和机械特性。例如，从磁的观点上看，人们可能喜欢足够窄的互连结构来减少磁通损失。然而，从机械的观点上看，人们可能喜欢足够宽的互连结构来承受期望的机械应力水平。
该电机的由具有轮廓内凹的转子桥接部的转子叠片产生的改进的电磁和/或机械特性的实例可包括：如果没有减小最小桥接部厚度，则将该电机的最高速度RPM能力改进了大约5-6％(例如，从4250到4500RPM)。备选地，所形成的扭矩能力可通过使桥接部变窄而改进大约5％，但是仍然保持峰值应力且因此保持最高速度。可选地，可减小该电机的大小而不降低性能，例如，转子结构的直径可减小大约2.5％(或者长度可减小大约5％)而重量减小大约5％。
在操作中，当用作牵引马达时，实施了本发明的各方面的IPM电机可提供各种示例性优点。例如，这种电机可提供每给定量的体积更高量的转矩，可改进热性能和瞬态性能，可成本有效地用于改型应用(诸如通过在之前存在的机车中替换所谓的鼠笼式转子而不修改任何其它系统构件)。例如，实施了本发明的各方面的转子可能能够改型到现有的AC牵引马达定子中。
在操作中，当用作发电机时，实施了本发明的各方面的IPM电机可提供各种示例性优点。例如，可能能够用构造成以便满足要求的电压、电流、功率输出和性能的混合式IPM转子改型到现有的发电机定子或经修改的定子槽和绕组型式(例如，同心的齿或定制的绕组型式)中。
另一个示例性实施例涉及包括定子70(如图1中局部地显示的)和可操作地联接到该定子上的转子的电机，例如，以便使转子相对于定子旋转。转子包括多个堆叠的转子叠片，其中各个根据以上所述的实施例中的一个来构造。
虽然在本文中已经显示和描述了本发明的各实施例，但是将理解的是，这样的实施例仅是以实例的方式提供的。可做出许多改变、变化和替换，而不偏离本文中的发明。因此，意图的是本发明仅由所附的权利要求书的精神和范围限制。

Claims (16)

1.一种用于内部永磁体电机(8)的转子结构(10)，所述转子结构包括：
至少一个转子叠片(12)，包括：
布置成以便接收至少一个永磁体(16)的至少一个槽(14)，其中，所述槽将所述转子叠片分成极区(18)和轭区(20)；和
布置成在所述叠片的外边缘(24)处将所述极区连接到所述轭区上的至少一个桥接部(22)，其中，所述叠片的外边缘沿着所述桥接部的节段(26)而轮廓被设置为限定了所述桥接部的内凹的弯曲轮廓(28)，其中，所述桥接部的所述内凹的弯曲轮廓允许选择性地设置所述桥接部的厚度的大小，以便影响所述电机的至少一些电磁和/或机械特性；其中桥接部的内凹的弯曲轮廓的曲率半径至少为桥接部长度的一半。
2.根据权利要求1所述的转子结构，其特征在于，所述桥接部的厚度的大小设置选择为以便降低通过所述桥接部的磁通量泄漏。
3.根据权利要求1所述的转子结构，其特征在于，所述桥接部的厚度的大小设置选择为以便降低在所述桥接部处形成的机械应力的峰值水平。
4.根据权利要求1所述的转子结构，其特征在于，所述桥接部的厚度的大小设置选择为以便提供在所述桥接部处形成的机械应力的峰值水平和通过所述桥接部的磁通量泄漏的组合降低。
5.根据权利要求1所述的转子结构，其特征在于，所述桥接部的内凹的弯曲轮廓限定了槽口。
6.根据权利要求5所述的转子结构，其特征在于，所述槽口包括具有预先限定的范围的曲率半径，其中，所述范围从基本等于所述桥接部的长度的一半的第一曲率半径值延展到第二曲率半径值，其中，所述第二曲率半径值相对于所述第一曲率半径值更高。
7.根据权利要求1所述的转子结构，其特征在于，所述至少一个槽包括从布置成进一步将所述极区连接到所述轭区上的相应的中间柱(36)延伸的至少一对槽(32，34)。
8.根据权利要求7所述的转子结构，其特征在于，所述桥接部的内凹的弯曲轮廓允许选择性地设置相应的中间柱的厚度的大小，以便进一步影响所述电机的至少一个电磁和/或机械特性。
9.根据权利要求8所述的转子结构，其特征在于，所述中间柱的厚度选择为以便降低通过所述中间柱的磁通量泄漏。
10.根据权利要求8所述的转子结构，其特征在于，所述中间柱的厚度选择为以便降低在所述中间柱处形成的机械应力的峰值水平。
11.根据权利要求8所述的转子结构，其特征在于，所述中间柱的厚度选择为以便提供在所述中间柱处形成的机械应力的峰值水平和通过所述中间柱的磁通量泄漏的组合降低。
12.一种用于内部永磁体电机的转子结构(10)，所述转子结构包括：
至少一个转子叠片(12)，包括：
从布置成将极区(18)连接到轭区(20)上的中间柱(36)延伸的至少一对槽(32，34)，所述至少一对槽布置成以便各自接收一对相应的永磁体(16)，其中，所述至少一对槽延伸到布置成在所述叠片的外边缘(24)处将所述极区连接到所述轭区的相应的桥接部(22)，其中，所述叠片的外边缘沿着相应的桥接部的节段而轮廓被设置为限定了所述相应的桥接部的内凹的弯曲轮廓(28)，其中，所述桥接部的内凹的弯曲轮廓允许设置桥接部的相应的厚度和/或中间柱的相应的厚度的大小，以便影响所述电机的至少一些电磁和/或机械特性；其中桥接部的内凹的弯曲轮廓的曲率半径至少为桥接部长度的一半。
13.根据权利要求12所述的转子结构，其特征在于，所述桥接部的相应的厚度和/或所述中间柱的相应的厚度的组合大小设置选择为以便降低通过所述桥接部和/或所述中间柱的磁通量泄漏。
14.根据权利要求12所述的转子结构，其特征在于，所述桥接部的相应的厚度和/或所述中间柱的相应的厚度的组合大小设置选择为以便降低在所述桥接部处和/或在所述中间柱处形成的机械应力的相应的峰值水平。
15.根据权利要求12所述的转子结构，其特征在于，所述桥接部的相应的厚度和/或所述中间柱的相应的厚度的组合大小设置选择为以便提供通过所述桥接部和/或所述中间柱的相应的磁通量泄漏以及在所述桥接部处和/或在所述中间柱处形成的机械应力的相应的峰值水平的组合降低。
16.根据权利要求12所述的转子结构，其特征在于，所述桥接部的所述内凹的弯曲轮廓限定了槽口，其中，所述槽口具有预先限定的范围的曲率半径，其中，所述范围从基本等于所述桥接部的长度的一半的第一曲率半径值延展到第二曲率半径值，其中，所述第二曲率半径值相对于所述第一曲率半径值更高。
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