CN102545428A - 用于容错式永磁体电动机的转子结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于容错式永磁体电动机的转子结构。提供了一种用于永磁体电动机(10)的转子结构(24)。护芯叠片(28)设置在多个永磁体(30)的周围。护芯叠片(28)包括布置成在削弱异步磁通分量的同时避开同步磁通分量的多个高磁阻区(50)。异步和同步磁通分量由机器的定子(12)的多个分数槽集中绕组(18)的空间谐波分量产生。
Description
技术领域
本发明大体涉及永磁体(PM)电动机，例如发电机和/或电动马达，并且更具体而言，涉及容错式PM机器。
背景技术
已知由于电感应的原因，电动机可使用永磁体(PM)作为主要机构来产生高幅度的磁场。不像包括可受电控制(例如被选择性地接通或断开)的电磁体的机器那样，PM保持接通。也就是说，由于PM的内在铁磁属性的原因，PM所产生的磁场是持久的。因此，如果具有PM的电动机经历故障，则可能无法便利地使机器停止，因为PM的磁场的持久的性质会导致机器持续运行。这样的故障可为由于定子绕组中的缺陷而产生的故障电流或设置在机器内的有缺陷的或磨损了的机械构件所引起的机械故障的形式。在上面提到的或其它有关的故障期间无法停用PM可损害PM机器和/或联接到其上的装置。
由于前述考虑，已经提出了各种机器和/或控制架构来发展容错式PM机器。由于其较低的成本和其运行通用性而得到普遍接受的一种类型的容错式PM机器包括分数槽距集中绕组。这种类型的容错式PM机器提供了较大的可靠性，但是在运行中，被激励的绕组可产生丰富的空间谐波频谱，包括许多异步谐波，异步谐波不利于形成有用的磁动势(MMF)，而是可使机器的各种构件(例如转子磁体和磁钢结构)中的电磁损耗增加。已经提出了可帮助改善转子冷却需求的措施，例如使用铁芯损耗较低的薄的层叠的磁钢和/或沿轴向分段的磁体。
但是，这样的措施实质上是设计来只减轻症状而很少能或不能解决根本问题的方法。例如，这样的措施实质上接受“容忍”异步谐波，并且只是试图通过“层叠”磁体和铁芯来减小它们的有害作用(例如电磁损耗)。因此，这样的措施可能会牺牲功率效率且增加增量成本。由于前述考虑，应当理解，继续存在对关于容错式PM机器的进一步改进的需要。
发明内容
在本发明的一方面，提供了一种用于永磁体电动机的转子结构。至少一个护芯(back-core)叠片设置在多个永磁体的周围。护芯叠片包括布置成在削弱异步磁通分量的同时避开同步磁通分量的多个高磁阻区。异步和同步磁通分量由机器的定子的多个分数槽集中绕组的空间谐波分量产生。
在本发明的另一方面，提供了一种电动永磁体机器。定子包括多个分数槽集中绕组。转子操作性地联接到定子上。转子具有设置在多个永磁体的周围的多个堆迭的护芯叠片。各个护芯叠片包括布置成在削弱异步磁通分量的同时避开同步磁通分量的多个高磁阻区。异步和同步磁通分量由机器的定子的绕组的空间谐波分量产生。
在又一方面，提供了一种构造用于永磁体电动机的转子的方法。护芯叠片在机器的转子中设置在多个永磁体的周围。多个高磁阻区限定在护芯叠片中。该多个高磁阻区可定位成最大程度地增大异步磁通分量的路径中的磁阻，同时对同步分量有最小影响，从而最大程度地提高机器的功率密度。异步和同步磁通分量由机器的定子的多个分数槽集中绕组的空间谐波分量产生。
附图说明
当参照附图来阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面以及优点将变得更好理解，在附图中，相同符号在所有的图中表示相同部件，其中：
图1是包括体现本发明的各方面的护芯结构的容错式永磁体机器的一个实例实施例的示意图。
图2示出了图1中显示的PM机器的实例磁通密度分布。
图3示出了体现本发明的各方面的护芯叠片的一个实例实施例。
图4示出了体现本发明的各方面的护芯叠片的另一个实例实施例。
图5示出了可布置成促进冷却气体流通过沿轴向延伸的冷却管道的护芯叠片的迭堆。
部件列表：
10永磁体电动机
12定子
14定子芯
16阶梯形定子槽
18分数槽集中绕组
22槽楔
24转子
26转子芯
28护芯结构
30永磁体
32固持环
50高磁阻区
52间隔开的弓形节段
54间隙
56直极轴线
60异步分量的磁通路径
62同步分量的磁通路径
64分段式护芯叠片
66开口
70整体式护芯叠片
72无磁性区
80堆迭的护芯叠片
82迭堆端部
84迭堆端部
86用于冷却管道的倾斜装置
88间隙
具体实施方式
如下面更详细地论述的那样，本发明的各方面涉及可包括分数槽距集中绕组的容错式永磁体机器。如本文所用，用语“容错”指的是各种机器线圈/相之间的磁分离和物理分离，同时减小噪声、扭矩脉动和谐波磁通分量。
本发明的发明人提出了一种创新的且一流的方法，其适于大幅减小大体与分数槽距集中绕组的空间谐波的频谱相关联的电磁转子损耗。如之前所提到的那样，这种频谱包括不会增加有用的MMF的许多异步谐波。所提出的方法可有利地构造成最大程度地增大异步谐波所遇到的磁阻，同时对有用的或同步的MMF分量基本无影响，从而最大程度地提高机器的功率密度。
下面的描述示出了可受益于本发明的各方面的容错式永磁体机器的一个实例实施例。将理解，本发明的各方面不限于下面描述的实例实施例。
图1是容错式永磁体(PM)机器10的示意图。PM机器10包括具有定子芯14的定子12。定子芯14限定多个阶梯形定子槽16，该多个阶梯形定子槽16包括缠绕在阶梯形定子槽16内的分数槽集中绕组18。分数槽集中绕组在PM机器10的各种相和线圈之间提供磁分离和物理分离。在示出的实施例中，阶梯形定子槽16具有二阶梯构造。可使用相应的槽楔22来封闭相应的阶梯形定子槽16的开口。将理解，阶梯形定子槽16可包括不止两个阶梯。
包括转子芯26的转子24可设置在定子12的外部且与其同心。在一个实施例中，转子芯26包括彼此电绝缘的轴向节段，以减小涡电流损耗。转子芯26包括设置在多个永磁体30的周围的层叠的护芯结构28。护芯结构28在现有技术中一般称为“护铁”结构。护芯结构28可包括多个堆迭的叠片。如下面更详细地描述的那样，“叠片”指的是薄环或沿周向分段的结构，它们中的多个典型地沿着转子轴线堆迭在一起而形成机器构件。
根据本发明的各方面，各个护芯叠片可包括布置成在削弱异步磁通分量的同时避开同步磁通分量的多个高磁阻区50，异步和同步磁通分量由机器的分数槽集中绕组的空间谐波分量引起。
如图1中所示出，各个护芯叠片可形成沿周向分段的结构。例如，分段式护芯叠片可由多个间隔开的弓形节段52组成，弓形节段52定位成在相邻节段之间限定多个间隙54。也就是说，在这个实例实施例中，该多个间隙54构成该多个高磁阻区50。
图2示出了PM机器10(图1)的实例磁通密度分布。实线60表示不利于MMF的形成的异步分量的实例磁通路径，而线62则表示产生有用的MMF的同步分量的实例磁通路径。根据图2应当理解，高磁阻区50的位置可布置成最大程度地增大异步谐波所遇到的磁阻，同时对有用的或同步的MMF分量基本没有影响。在一个实例实施例中，各个高磁阻区50可被对应的磁体的相应的直极轴线(例如轴线56)横穿。
回到图1，PM机器10可包括设置在护芯结构28的周围的至少一个固持环32，以固持磁体30。如本领域技术人员将理解的那样，如图1中所示出，PM机器10表示里面翻到外面的构造，其中，转子24在定子12的外部旋转。将理解，转子24可设置在定子12的内部。为了期望获得进一步的背景信息的读者，对美国专利申请12/249,620作出了参照，该专利申请被共同转让给本发明的受让人且通过引用而结合在本文中。
图3示出了可构造为整体式机械结构(代替沿周向分段的结构)的护芯叠片64的另一个实例实施例。在这个实例实施例中，整体式护芯叠片包括多个开口66，这构成了该多个高磁阻区。如果对于给定应用，期望护芯叠片提供实心环的形状，则构想到，可由多个盲孔代替开口66来限定高磁阻区。例如，不打穿叠片的整个厚度。将理解，高磁阻区不限于任何特定的几何形状。因此，应当从实例意义而非限制意义上来解释图3中显示的开口66、图1中显示的间隙54或图4中的无磁性区72的长方形形状。
如图4中所显示，在另一个实例实施例中，整体式护芯叠片70可包含双态磁性材料，其中，使用本领域中充分理解的技术(例如激光热处理)来对双态磁性材料进行热处理，以限定多个无磁性区72，在这个实例实施例中，该多个无磁性区72构成该多个高磁阻区。
将理解，该多个高磁阻区(例如开口或间隙)可适于提供可选的转子冷却管道。例如，如图5中所显示，护芯叠片的迭堆80可在迭堆的相应的端部82和84之间限定沿轴向延伸的管道(由线86示意性地表示)，该管道可用来允许传送冷却气体。如果期望的话，开口或间隙88的相应的位置可布置在迭堆80的各个叠片中，以促进冷却气体流通过沿轴向延伸的管道。例如，可选择各个开口或间隙的相应的位置，以在端部82和84之间限定用于冷却管道的歪斜或倾斜的装置，以在转子旋转时提供通风作用。如果各个叠片中的各个相应的开口或间隙88定位成与线86一致，就可实现这一点。
在运行中，本发明的各方面提供了可用于包括分数槽距集中绕组的电动机中的改进的护芯结构。该护芯布置可构造有高磁阻区，高磁阻区恰当地定位成在减小异步磁通分量且又减小与这样的异步分量相关联的电磁损耗的同时对同步磁通(有用的MMF)分量实际上无影响。例如，这可有助于减少机器的转子的冷却需要以及/或者改进机器的功率密度。
虽然在本文中示出和描述了本发明的仅某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和变化。因此，应当理解，所附权利要求意图覆盖落在本发明的真实精神内的所有这样的修改和变化。
Claims (12)
1.一种用于永磁体电动机(10)的转子结构(24)，包括：
设置在多个永磁体(30)的周围的至少一个护芯叠片(28)，所述至少一个护芯叠片(28)包括布置成在削弱异步磁通分量的同时避开同步磁通分量的多个高磁阻区(50)，所述异步和同步磁通分量由所述机器(10)的定子(12)的多个分数槽集中绕组(18)的空间谐波分量产生。
2.根据权利要求1所述的转子结构，其特征在于，所述至少一个护芯叠片(28)包括沿周向分段的结构。
3.根据权利要求2所述的转子结构，其特征在于，所述分段式护芯叠片包括定位成在相邻节段之间限定多个间隙(54)的多个间隔开的弓形节段(52)，其中，所述多个间隙(54)构成所述多个高磁阻区(50)。
4.根据权利要求1所述的转子结构，其特征在于，所述至少一个护芯叠片包括整体式机械结构。
5.根据权利要求4所述的转子结构，其特征在于，所述整体式护芯叠片包括多个开口(66)，其中，所述多个开口(66)构成所述多个高磁阻区(50)。
6.根据权利要求4所述的转子结构，其特征在于，所述整体式护芯叠片(70)包含双态磁性材料。
7.根据权利要求6所述的转子结构，其特征在于，所述双态磁性材料被热处理，以限定所述多个高磁阻区(50)。
8.根据权利要求1所述的转子结构，其特征在于，在护芯叠片的迭堆中的所述多个高磁阻区(50)限定沿轴向延伸的管道(86)，其中，所述沿轴向延伸的管道构造成促进冷却气体流通过所述沿轴向延伸的管道。
9.根据权利要求1所述的转子结构，其特征在于，所述多个高磁阻区(50)定位成最大程度地增大所述异步磁通分量的路径中的磁阻，同时对所述同步分量具有最小影响，从而最大程度地提高所述机器(10)的功率密度。
10.根据权利要求1所述的转子结构，其特征在于，所述多个磁体的相应的直极轴线(56)横穿对应的高磁阻区。
11.根据权利要求1所述的转子结构，其特征在于，所述磁体沿轴向分段。
12.根据权利要求1所述的转子结构，其特征在于，所述转子结构进一步包括设置在所述至少一个护芯叠片的周围的至少一个固持环(32)。
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