CN102244428A - 用于旋转电机的转子 - Google Patents

Abstract

一种用于旋转电机的转子包括中空圆筒形的转子芯和永磁体，永磁体嵌入到转子芯中以便在转子芯的径向外缘上形成多个磁极。该转子芯具有多个开口，每个开口沿转子芯的轴向方向延伸以贯穿它。当沿轴向方向观察时，每个开口相对于对应的其中一个磁极的中心线对称设置。对于每个开口，设置有n个加强部，其中n是不小于2的整数。n个加强部延伸成使转子芯的一对径向内缘部和径向外缘部相连，从而将开口分割成(n+1)个部分。这n个加强部相对于对应磁极的中心线对称设置。

Description

用于旋转电机的转子

技术领域

本申请涉及用于旋转电机的转子，该旋转电机例如在汽车中用作电动马达和发电机。

背景技术

诸如在日本专利申请公开文件No.2006-254599中公开的内置永磁体式(IPM)马达通常具有多个沿其转子芯的圆周方向嵌入在该转子芯中的永磁体。

图9示出了常规IPM马达10的整体结构。如图所示，马达10包括旋转轴11、转子14和定子18。

转子14包括中空圆筒形的转子芯12和多个永磁体13。通过沿轴向方向叠置多个环形磁钢片且将其同轴地固定在旋转轴11上而形成转子芯12。永磁体13嵌入在转子芯12中，从而形成多个磁极，这些磁极沿转子芯12的圆周方向以预定的间距间隔开，并且这些磁极的极性沿圆周方向是南北交替的。

定子18包括中空圆筒形的定子芯17和定子线圈16。定子芯17具有多个狭槽(未示出)，这些狭槽形成在定子芯17的径向内表面中并且沿定子芯17的圆周方向以预定的间距间隔开。定子芯17同轴地设置在转子芯12的径向外侧，并且在转子芯12与定子芯17之间形成有预定的环形间隙。定子线圈16安装在定子芯17上，从而被部分地接收在定子芯17的狭槽中。

现参照图10，转子芯12具有多个成对的通孔12a，其形成在转子芯12的径向外缘的附近。每个通孔12a均沿转子芯12的轴向延伸从而贯穿转子芯12。成对的通孔12a沿转子芯12的圆周方向以预定的间距间隔开。此外，每对通孔12a设置成形成朝向转子芯12的径向外缘敞开的大致截头的V形。每个永磁体中13都被保持在转子芯12的相应的一个通孔12a中，从而沿转子芯12的轴向延伸。而且，对于转子芯12的每对通孔12a，分别保持在成对的通孔12a中的两个永磁体13共同在转子芯12的径向外缘上形成其中一个磁极。此外，当沿转子芯12的轴向方向观察时，两个永磁体13对称设置，并且相对于沿转子芯12的圆周方向平分磁极的磁极中心线C1倾斜延伸。另外，转子芯12还具有多个柱部12b，每个柱部12b形成为从转子芯12的嵌有永磁体13的环形部沿对应的其中一个磁极的中心线C1径向向内延伸。

利用转子14的上述结构，能够利用由于转子14的磁阻的各向异性而产生的磁阻转矩。

然而，在转子14中，由每对永磁体13所产生的磁通量将经由转子芯12的对应的柱部12b径向向内(即，朝向旋转轴11)泄露，如由图10中的标有箭头的虚线Y1所示。由此，将降低可用的磁阻转矩。

为了解决上述问题，能够如图11中所示构造转子24。具体地，在转子24中，对于每对永磁体23，在由成对的永磁体23构成的磁极的中心部的径向内侧形成有较大的开口22c。开口22c沿转子芯22的轴向延伸以贯穿转子芯22，并具有与成对的永磁体23大致相同的角度范围。由此，利用开口22c，增大了转子24在磁极的中心部处的磁阻，从而增大了可用的磁阻转矩。

然而，利用上述结构，在转子24的旋转期间，对于每个开口22c，位于开口22c径向外侧的转子芯22的径向外横梁部22e将由于离心力而径向向外移动。由此，不可能将形成在马达的转子24与定子(未示出)之间的环形空气间隙保持在预定值。

为了将环形间隙保持在预定值，进一步参照图12，有可能为每个开口22c设置用于加强转子芯22的柱部22f。柱部22f沿开口22c的在转子芯22的圆周方向上平分开口22c的中心线径向延伸，从而使转子芯22的分别位于开口22c的径向内侧和径向外侧的一对径向内横梁部22d和径向外横梁部22e相连。

然而，利用上述柱部22f，存在与图10的柱部12b相同的问题。即，由对应的成对的永磁体23所产生的磁通量将经由柱部22f径向向内泄露，从而降低可用的磁阻转矩。

此外，为了降低经由柱部22f的磁通量泄漏，人们可考虑减小柱部22f的圆周方向的厚度。然而，在这种情况下，转子芯22的强度将相应地降低，从而使得转子芯22难于抵抗转子22的旋转期间产生的离心力。

发明内容

根据本发明，提供了一种用于旋转电机的转子，其包括中空圆筒形的转子芯和多个永磁体。所述永磁体嵌入到转子芯中以便在转子芯的径向外缘上形成多个磁极。磁极沿转子芯的圆周方向以预定的间距设置，从而使磁极的极性在圆周方向上南北交替。此外，转子芯具有多个开口，每个开口沿转子芯的轴向方向延伸以贯穿该转子芯。当沿转子芯的轴向方向观察时，每个开口相对于对应的其中一个磁极的中心线对称设置，该中心线平分沿转子芯的圆周方向对应磁极。对于每个开口，设置有n个加强部，其中n是不小于2的整数。这n个加强部延伸成使转子芯的分别位于所述开口的径向内侧和径向外侧的一对径向内缘部和径向外缘部相连，从而将所述开口分割成(n+1)个部分。当沿转子芯的轴向方向观察时，这n个加强部相对于对应磁极的中心线对称设置。

利用所述开口，增大了磁极的圆周方向的中心部处的磁阻，从而确保了旋转电机具有较大的磁阻转矩。此外，利用对称设置的加强部，提高了转子芯的机械强度。由此，在转子的旋转期间，能够防止转子芯的径向外缘部由于离心力而径向向外移动，从而使得能够保持旋转电机的转子与定子之间的预定的环形空气间隙。此外，由于为每个开口设置了n个加强部，所以能够将每个加强部的圆周方向的厚度设置得较小。结果，与在对应磁极的磁通量最强的中心线上设置单个较厚的加强部的情况相比，能够降低经由加强部的磁通量泄漏。

优选地，所述转子芯具有多个通孔，每个通孔形成在所述转子芯的径向外缘的附近从而沿轴向方向穿过所述转子芯。每个所述永磁体保持在所述转子芯的对应的其中一个通孔中。每个所述加强部被设置成满足如下关系：

式中，L是从某一假想线与转子芯的径向外表面之间的交点至对应磁极的中心线的距离，该假想线延伸成垂直于转子芯的径向外表面并与所述转子芯的对应的其中一个通孔在距对应磁极的中心线最远的点处相切，并且L1是从所述交点至加强部的平分该加强部的圆周方向的厚度的中心线的距离。

优选的是，n是偶数。进一步优选的是，n等于2。

同样优选的是，对于每个开口，这n个加强部的圆周方向的厚度的总和被设定成小于预定值。

转子芯优选地由多个沿转子芯的轴向方向叠置的环形磁钢片构成。

同样优选的是，当沿转子芯的轴向方向观察时，每个开口具有与对应磁极大致相同的角度范围。

附图说明

通过下文中给出的详细说明以及本发明的一个优选实施方式的附图将更为充分地理解本发明，然而，该优选实施方式不应被认为是将本发明限定至特定的实施方式，而是应该认为是仅出于说明和理解的目的。

在附图中：

图1是包括根据本发明的实施方式的转子的旋转电机的示意性局部截面图；

图2是转子的一部分的轴向端视图；

图3是示出了对由图2中的虚线所包围的区域F的模拟的示意图；

图4是示出了转子中的弯矩Ma与距离L1之间的关系的图示；

图5是示出了转子中的反作用力Ra与距离L1之间的关系的图示；

图6是示出了转子中的反作用力Rb与距离L1之间的关系的图示；

图7是示出了根据第二研究示例的转子中的不同区域处所产生的应力的示意图；

图8是示出了根据本发明的实施方式的转子中的不同区域处所产生的应力的示意图；

图9是常规IPM电机的示意性的局部截面图；

图10是常规IPM电机的转子的一部分的轴向端视图；

图11是根据第一研究示例的转子的一部分的轴向端视图；以及

图12是根据第二研究示例的转子的一部分的轴向端视图。

具体实施方式

图1示出了旋转电机30的整体结构，该旋转电机30包括根据本发明的实施方式的转子34。该旋转电机30构造成用作例如混合动力车或电动车中的电动马达。

如图1中所示，旋转电机30包括：一对前部壳体10a和后部壳体10b(仅局部示出)，其借助于多个螺栓(未示出)被固定在一起并且在它们中分别设置有一对轴承10c；旋转轴11，其由前部壳体10a和后部壳体10b经由该对轴承10c可旋转地支承；转子34，其固定在旋转轴11上并容纳在前部壳体10a和后部壳体10b中；以及定子18，其被保持在前部壳体10a与后部壳体10b之间，并且设置在转子34的径向外侧且与转子34同轴地布置。此外，在当前实施方式中，定子18用作为衔铁，而转子34用作为旋转电机30的磁场。

更具体地说，定子18包括中空圆筒形的定子芯17和三相定子线圈16。

定子芯17具有多个狭槽(未示出)，这些狭槽形成在定子芯17的径向内表面中并沿定子芯17的圆周方向间隔开。通过沿定子芯17的轴向方向叠置多个环形磁钢片而形成定子芯17。

定子线圈16安装在定子芯17上，以便被部分容纳在定子芯17的狭槽中。定子线圈16电连接至三相逆变器(未示出)。

转子34包括中空圆筒形的转子芯32和多个永磁体33。

转子芯32同轴地固定在旋转轴11上，从而使转子芯32的径向外缘面对定子芯17的径向内缘，并且在其间形成有预定的环形间隙。通过沿转子芯32的轴向叠置多个环形磁钢片而形成转子芯32。

永磁体33嵌入在转子芯32中，以便在转子芯32的径向外缘上形成多个磁极。磁极沿转子芯32的圆周方向以预定的间距设置，从而使磁极的极性在圆周方向上南北交替。此外，在当前实施方式中，磁极的数量被设定成等于例如八个(即，四个北极和四个南极)。

更具体地说，如图2中所示，在当前实施方式中，转子芯32具有八对通孔32a，其形成在转子芯32的径向外缘附近。每个通孔32a沿转子芯32的轴向延伸以贯穿转子芯32。八对通孔32a在转子芯32的圆周方向上以预定的间距间隔开。此外，每对通孔32a设置成形成朝向转子芯32的径向外缘敞开的大致截头的V形。

每个永磁体33被保持在转子芯32的对应的其中一个通孔32a中从而沿转子芯32的轴向方向延伸。此外，对于转子芯32的每对通孔32a，分别保持在这对通孔32a中的两个永磁体33被设置成使得这两个永磁体33的极性(北或南)在径向外侧是相同的。因此，两个永磁体33共同在转子芯32的径向外缘上形成其中一个磁极。此外，如图2中所示，当沿转子芯32的轴向方向观察时，两个永磁体33对称设置，并且相对于磁极的在转子芯32的圆周方向上平分磁极的中心线C1倾斜延伸。即，两个永磁体33被设置成形成朝向转子芯32的径向外缘敞开的大致截头的V形。

此外，在当前实施方式中，转子芯32还具有多个开口32c，每个开口32c形成在对应的其中一个磁极的径向内侧。每个而开口32c沿转子芯32的轴向延伸以贯穿转子芯32，并具有与形成对应的磁极的这对永磁体33大致相同的角度范围。此外，当沿转子芯32的轴向方向观察时，每个开口32c相对于对应的磁极的中心线C1对称设置。

此外，在当前实施方式中，对于每个开口32c，设置有用于加强转子芯32的一对柱部(或加强部)32f和32g。该柱部32f和32g延伸成使转子芯32的分别设置在开口32的径向内侧和径向外侧的一对径向内横梁部(或径向内缘部)32d和径向外横梁部(或径向外缘部)32e相连，从而将开口32隔开成三部分。此外，柱部32f和32g延伸跨过转子芯32的整个轴向长度。当沿转子芯32的轴向方向观察时，该柱部32f和32g相对于对应的磁极的中心线C1对称设置。换言之，两个柱部32f和32g分别设置在中心线C1的相对的圆周方向侧，而没有落在磁通量最强的中心线C1上。而且，两个柱部32f和32g的圆周方向的厚度的总和被设定成小于图12中所示的研究示例中的柱部22f的圆周方向的厚度。因此，利用柱部32f和32g的上述布置，与图12中所示的研究示例相比，能够降低磁通量泄露，从而增大磁阻转矩。

此外，在当前实施方式中，每个柱部32f和32g设置成满足如下关系：

$(2-\sqrt{2})L\&le;L1<L---\left(1\right),$

在上式中，L是从假想线35与转子芯32的径向外表面之间的交点P至对应的磁极的中心线C1的距离，假想线35延伸成垂直于转子芯32的径向外表面并与转子芯32的对应的其中一个通孔32a在距中心线C1最远的点处相切，并且L1是从交点P至柱部的平分柱部的圆周方向的厚度的中心线C2的距离。

基于计算机仿真的结果确定上述关系，该计算机仿真是基于如图3中所示的模型进行的；该模型模拟了被图2中的虚线所包围的区域F。应该注意的是，尽管该计算机仿真是仅针对柱部32f进行的，但是由于柱部32f和32g相对于对应的磁极的中心线C1对称配置，所以对于柱部32g能够获得相同的结果。

具体来说，图2中所限定的假想线35表示图3中的径向外横梁部32e的根部。柱部32f的中心线C2与径向外横梁部32e的根部35的距离为L1。对应的磁极的中心线C1与径向外横梁部32e的根部35的距离为L。由于转子34旋转期间的离心力而在径向外横梁部32e上所施加的载荷由均匀分布的载荷F等效表示。此外，在径向外横梁部32e的根部35处由离心力所产生的弯矩由Ma表示；在根部35处由离心力所产生的反作用力由Ra表示；在柱部32f中产生的反作用力由Rb表示。

随后，径向外横梁部32e的根部35处的弯矩Ma可由下列等式确定：

Ma＝(-q/8)×(L1²-4LL1+2L²)      (2)

图4示出了距离L1与由上述等式(2)所确定的弯矩Ma之间的关系，该距离L1是从径向外横梁部32e的根部35到柱部32f的中心线C2的距离。具体来说，在图4中，线j表示等于零的弯矩Ma，而线k表示由等式(2)所确定的弯矩Ma。因此，在线j与k之间的交点处的L1的数值(即，

)就径向外横梁部32e的根部35处所产生的弯矩Ma而言是L1的最佳值。此外，通过求解该等式(2)，能够获得使弯矩Ma等于零的L1的两个数学最佳值，即，

然而。数值落入到范围(0-L)之外，由此不具有任何物理意义。因此，清楚的是，为了使弯矩Ma等于零，有必要将距离L1设定为等与

径向外横梁部32e的根部35处所产生的反作用力Ra可由下列等式所确定：

Ra＝(-q/8)×{L1+6(L²/L1)+4L}      (3)

图5示出了距离L1与由上述等式(3)所确定的反作用力Ra之间的关系。具体来说，在图5中，线j表示等于零的反作用力Ra，而线m表示由等式(3)所确定的反作用力Ra。能够看到的是，在距离L1的范围(0-L)中，线m能够接近地靠近线j但不能与线j相交。此外，通过求解等式(3)，能够获得使反作用力Ra等于零的L1的两个数学最佳值，即，

但是，数值

均落到范围(0-L)之外，由此不存在任何物理意义。因此，清楚的是，为了使反作用力Ra最小化，有必要将距离L1设定为尽可能接近于L。

柱部32f中所产生的反作用力Rb可由下列等式所确定：

Rb＝(-q/8)×{L1+6(L²/L1)+4L}    (4)

图6示出了距离L1与由上述等式(4)所确定的反作用力Rb之间的关系。具体来说，在图6中，线j表示等于零的反作用力Rb，而线n表示由等式(4)所确定的反作用力Rb。可以看出，在距离L1的范围(0-L)中，线n能够接近地靠近线j但不能与线j相交。此外，通过求解等式(4)，能够获得使反作用力Rb等于零的L1的两个数学最佳值，即，

然而，如前所述，这两个数值

均落到范围(0-L)之外，由此不存在任何物理意义。因此，清楚的是，为了使反作用力Rb最小化，有必要将距离L1设定为尽可能接近于L。

考虑到上述结果，在当前实施方式中，如前所述，柱部32f和32g中的每个柱部均定位在转子芯32中从而满足关系

图7示出了在根据前面已经参照图12描述过的研究示例的转子24中的不同区域中所产生的应力。

如图7中所示，在转子24中，在转子24的旋转期间在径向外横梁部22e的根部区域R1中所产生的应力等于270MPa；在柱部22f与径向外横梁部22e之间的边界区域R2中所产生的应力等于217MPa；在柱部22f与径向内横梁部22d之间的边界区域R3中所产生的应力等于227MPa。

图8示出了当根据当前实施方式的转子34以与根据研究示例的转子24相同的速度旋转时，转子34中的不同区域中所产生的应力。此外，在图8中，距离L1被设定成等于

如图8中所示，在转子34中，在转子34的旋转期间在径向外横梁部32e的根部区域R11中所产生的应力等于259MPa；在柱部32f与径向外横梁部32e之间的边界区域R12中所产生的应力等于155MPa；在柱部32f与径向内横梁部32d之间的边界区域R13中所产生的应力等于156MPa。

因此，清楚的是，在根据当前实施方式的转子34中所产生的应力与根据研究示例的转子24相比显著降低。

在已经描述了根据当前实施方式的转子34的整体结构之后，在下文中将描述该转子的优点。

在当前实施方式中，转子芯32具有开口32c，每个开口32c沿转子芯32的轴向方向延伸以贯穿转子芯32。此外，每个开口32c相对于对应的其中一个磁极的在转子芯32的圆周方向上平分该对应磁极的中心线C1对称设置。

利用开口32c，增大了转子34在磁极的沿圆周方向的中心部处的磁阻，从而确保了旋转电机30具有较大的磁阻转矩。

而且，在当前实施方式中，对于每个开口32c，设置有一对用于加强转子芯32的柱部32f和32g。柱部32f和32g延伸成使分别位于开口32c的径向内侧和径向外侧的径向内横梁部32d和径向外横梁部32e相连，从而将开口32c分割成三部分。此外，当沿转子芯32的轴向方向观察时，柱部32f和32g相对于对应的磁极的中心线C1对称设置。

利用对称设置的柱部32f和32g，加强了转子芯32的机械强度。结果，在转子34的旋转期间，能够防止转子芯32的径向外横梁部32e由于离心力而径向向外移动，从而使得能够将转子34与定子18之间的环形空气间隙保持在预定值。

在当前实施方式中，柱部32f和32g中的每一个设置成满足关系 $(2-\sqrt{2})L\&le;L1<L.$

将柱部32f和32g如上设置，能够使转子34旋转期间在转子芯32中所产生的应力最小化。

在当前实施方式中，为每个开口32c所设置的柱部32f和32g的数量等于2，其为偶数。

由此，两个柱部32f和32g分别设置在对应的磁极的中心线C1的相反的圆周方向侧。由此，在磁通量最强的中心线C1上并未设置有柱部。结果，与图12中所示的研究示例相比，能够降低磁通量泄漏并由此增大磁阻转矩。

此外，由于对于每个开口32c仅设有两个柱部32f和32g，因此能够保证开口32c在增大磁极的圆周方向的中心部处的磁阻方面具有足够大的效果。

在当前实施方式中，对于每个开口32c，为开口32c所设置的两个柱部32f和32g的圆周方向的厚度的总和被设定为小于预定值，更为具体地说，小于图12中所示的研究示例中的单个柱部22f的圆周方向的厚度。

如上设定柱部32f和32g的圆周方向的厚度的总和，与图12中所示的研究示例相比，能够可靠地降低磁通量泄漏并由此增大磁阻转矩。

在当前实施方式中，转子芯32由沿转子芯32的轴向方向叠置的多个环形磁钢片构成。

因此，通过首先将各个环形磁钢片成型(例如，通过冲压)为具有如图2中所示的形状然后沿轴向方向叠置它们，能够容易地实现根据当前实施方式的转子芯32的结构。

在当前实施方式中，每个开口32c被形成为具有与对应的磁极(更为精确地说，与形成对应的磁极的这对永磁体33)大致相同的角度范围。

利用开口32c的上述构造，能够使得开口32c在增大磁极的圆周方向的中心部处的磁阻方面的效果最大化。

尽管已经示出和描述了本发明的上述特定实施方式，但是本领域技术人员将能够理解的是，在不背离本发明的精神的情况下，可作出多种变更、改变和改进。

例如，在前一实施方式中，每个磁极由如图2中所示设置的这对永磁体33形成。然而，每个磁极还可由单个永磁体形成，该单个永磁体的北极和南极设置成分别面向转子芯32的相反的径向方向。

此外，在前一实施方式中，对于每个开口32c，设置有两个柱部32f和32g。然而，还能够为每个开口32c设置三个或更多个柱部，只要这些柱部相对于对应的磁极的中心线C1对称设置即可。此外，在这种情况下，优选的是，三个或更多个柱部的圆周方向的厚度的总和被设定成小于图12中所示的研究示例中的单个柱部22f的圆周方向的厚度。

Claims (7)

1.一种用于旋转电机的转子，所述转子包括：

中空圆筒形的转子芯；和

多个永磁体，所述永磁体嵌入到所述转子芯中以便在所述转子芯的径向外缘上形成多个磁极，所述磁极沿所述转子芯的圆周方向以预定的间距设置从而使所述磁极的极性在圆周方向上南北交替，

其中，

所述转子芯具有多个开口，每个所述开口沿所述转子芯的轴向方向延伸以贯穿所述转子芯，

当沿所述转子芯的轴向方向观察时，每个所述开口相对于对应的其中一个磁极的中心线对称设置，所述中心线沿所述转子芯的圆周方向平分对应磁极，

对于每个所述开口，设置有n个加强部，其中n是不小于2的整数，

所述n个加强部延伸成使所述转子芯的分别位于所述开口的径向内侧和径向外侧的一对径向内缘部和径向外缘部相连，从而将所述开口分割成(n+1)个部分，并且

当沿所述转子芯的轴向方向观察时，所述n个加强部相对于对应磁极的中心线对称设置。

2.如权利要求1所述的转子，其中，所述转子芯具有多个通孔，每个通孔形成在所述转子芯的径向外缘的附近从而沿轴向方向穿过所述转子芯，

每个所述永磁体保持在所述转子芯的对应的其中一个通孔中，并且

每个所述加强部被设置成满足如下关系：

$(2-\sqrt{2})L\&le;L1<L,$

式中，L是从某一假想线与所述转子芯的径向外表面之间的交点至对应磁极的中心线的距离，所述假想线延伸成垂直于所述转子芯的径向外表面并与所述转子芯的对应的其中一个通孔在距所述对应磁极的中心线最远的点处相切，并且L1是从所述交点至所述加强部的平分所述加强部的圆周方向厚度的中心线的距离。

3.如权利要求1所述的转子，其中，n是偶数。

4.如权利要求3所述的转子，其中，n等于2。

5.如权利要求1所述的转子，其中，对于每个所述开口，所述n个加强部的圆周方向厚度的总和被设定成小于预定值。

6.如权利要求1所述的转子，其中，所述转子芯由多个沿所述转子芯的轴向方向叠置的环形磁钢片构成。

7.如权利要求1所述的转子，其中，当沿所述转子芯的轴向方向观察时，每个所述开口具有与对应磁极大致相同的角度范围。

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