CN102801237A - 转子芯、用于转子芯的模组、转子和电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了转子芯、用于转子芯的模组、转子和电动机，其中q轴电感增大并且防止磁通量的泄露以确保在高水平驱动速度下的高功率操作。转子包括：转子芯，在其中央处形成有耦合到轴的孔；和模组，配置为耦接到转子芯，并包括彼此间隔开的成对的第一永磁体以及将第一永磁体的端部彼此连接的第一连接部。

Description

转子芯、用于转子芯的模组、转子和电动机
技术领域
以下的描述涉及在高水平驱动速度提供高功率操作的转子和电动机。
背景技术
电动机分为永磁同步电动机（PMSM）、感应电动机、开关磁阻电动机（SRM）等。PMSM使用永磁体，具有高水平的功率密度、紧凑尺寸的结构以及优良的操作效率。在这点上，PMSM被广泛应用到混合动力汽车或电动车的电动机。
通常，用于PMSM的磁体利用稀土资源形成。例如，稀土资源磁体可以是具有优良剩磁（Br）和矫顽力（Hc）的钕（NdFeB）磁体。然而，稀土资源的稀缺性导致稀土资源磁体的高成本和宽的成本波动。
因而，需要稀土元素的替代物或者需要能够提供相应于利用稀土资源的电动机的性能而不使用稀土资源的电动机制造技术。
发明内容
根据各示范性实施例的方面，提供一种包括转子芯和模组的转子。转子芯在其中心处形成有耦合到轴的孔。模组配置为耦接到转子芯并包括彼此间隔开的成对的第一永磁体以及将第一永磁体的端部彼此连接的第一连接部。
第一连接部将第一永磁体的邻近转子芯的内侧的端部彼此连接。
第一连接部与转子芯的内表面间隔开。
模组包括与第一永磁体间隔开的成对的第二永磁体以及将第二永磁体的端部彼此连接的第二连接部。
模组包括在第一永磁体之间设置在转子芯的外侧处的第三永磁体。
模组提供为偶数个模组，该偶数个模组设置在转子芯上并彼此间隔开且与转子芯的内表面间隔开。
模组埋入在转子芯中。
第一连接部具有中央部和其余部，该中央部包括永磁体或空气，该其余部包括非磁材料或空气。
转子芯包括软磁材料。
根据各示范性实施例的另一方面，提供一种包括转子芯和多个模组的转子。转子芯在其中央处形成有耦合到轴的孔。每个模组耦接到转子芯并与转子芯的内表面间隔开。模组提供为彼此间隔开的偶数个模组并包括彼此间隔开的成对的第一永磁体以及将第一永磁体的邻近转子芯的内表面的端部彼此连接的第一连接部。
根据示范性实施例的另一方面，提供一种电动机，包括转子、轴和定子。转子包括转子芯，该转子芯在其中央处形成有耦合到轴的孔。转子还包括耦接到转子芯的模组并包括彼此间隔开的成对第一永磁体以及将第一永磁体的端部彼此连接的第一连接部。轴耦合到孔。定子与转子间隔开并包括线圈围绕其缠绕的至少一个槽。
第一连接部将第一永磁体的邻近转子芯的内表面的端部彼此连接，第一连接部与转子芯的内表面间隔开。
模组包括与第一永磁体间隔开的成对第二永磁体以及将第二永磁体的端部彼此连接的第二连接部。
模组包括第三永磁体，该第三永磁体在第一永磁体之间设置在转子芯的外侧处。
模组提供为偶数个模组，该偶数个模组设置在转子芯上并彼此间隔开且与转子芯的内表面间隔开。
第一连接部具有中央部和其余部，该中央部包括永磁体或空气，该其余部包括非磁材料或空气。
转子芯包括软磁材料。
从以下的详细描述中其他的特征对于本领域技术人员将变得显然，该详细描述结合附图公开了本发明的示范性实施例。
附图说明
从以下结合附图对实施例的描述，示范性实施例的这些和/或其他的方面将变得显然并更易于理解，附图中：
图1是示出根据示范性实施例的电动机的构造的截面图。
图2是示出根据示范性实施例的转子的构造的透视图。
图3是局部地示出根据示范性实施例的电动机的截面图，描述了穿过永磁体的磁方向。
图4是根据示范性实施例的电动机的一部分的截面图，示出由d轴电流和q轴电流产生的磁通量的路径。
图5A、5B、5C和5D是示出根据各示范性实施例的各方面的模组的示例的视图。
图6A、6B和6C是用于说明根据各示范性实施例的各方面的电动机的性能的视图。
元件、特征和结构在附图和详细描述中始终用相同的附图标记指示，并且为了清晰和便利，某些元件的尺寸和比例可以在附图中被夸大。
具体实施方式
以下的详细描述被提供来帮助读者获得对这里描述的方法、装置和/或系统的更全面的理解。这里描述的系统、装置和/或方法的各种变化、变形和等同物对于本领域技术人员将是显然的。公知功能和结构的描述被省略以增强公开内容的清晰和简洁。
图1是示出根据示范性实施例的电动机的构造的截面图。
如图1所示，电动机10包括定子100、线圈110、转子120和轴130。
定子100包括至少一个槽。线圈110设置在至少一个槽中。定子100被固定并与转子120间隔开。定子100与转子120之间的间距可以大于0.2mm且小于1.5mm。线圈110绕齿101缠绕。转子可以具有在1.0至1.5之间的相对磁导率（Mu）。
转子120可以包括模组(module)140和转子芯150。
模组140可以包括成对的第一永磁体141以及第一连接部142。
成对的第一永磁体141以各种形式设置。例如，成对的第一永磁体可以彼此平行设置或以字母V的形式设置。成对的第一永磁体141可以包括永磁体或硬磁材料。成对的第一永磁体141还可以包括具有低Br值的磁体诸如铁氧体磁体以及铁、镍、铁氧体、钴的合金以及其他磁性材料诸如天然磁石。成对的第一永磁体可以具有在0.3特斯拉至1.5特斯拉之间的Br值。当具有较高Br值的永磁体使用在转子结构中时，在不改变转子的整个结构的情形下，与使用基于铁氧体的磁体相比时，所需要的磁体的数目将减少。
成对的第一永磁体141可以沿圆周方向在彼此相反的方向上磁化。例如，成对的第一永磁体141可以沿从第一永磁体141的外侧160出发穿过第一永磁体141到第一永磁体的内侧的方向磁化。备选地，第一永磁体141可以沿从第一永磁体141的内侧161通过第一永磁体141到达第一永磁体141的外侧的方向磁化。
第一连接部142将第一永磁体141的端部彼此连接。例如，第一连接部142可以将第一永磁体141的邻近转子芯150的内侧的端部彼此相连。
第一连接部142设置为与转子芯150的内表面间隔开。例如，第一连接部142可以与转子芯150的内表面间隔开预定间隔。第一连接部142在圆周方向上的长度取决于第一永磁体141在径向方向上的厚度，第一连接部142在径向方向上的厚度可以是永磁体141在圆周方向上的厚度的一半。
第一连接部142可以包括非磁材料或空气。在第一连接部142包括空气的情形下，第一连接部142可以包括空的空间。备选地，第一连接部142可以包括中央部和其余部，该中央部包括磁性材料，该其余部包括非磁材料或空气。第一连接部142的磁性材料可以是与第一永磁体141相同的材料或不同的材料。
后面将参照图5A至5D详细描述模组140的各种形状。
转子120可以包括偶数个模组140。该偶数个模组140中的一个在转子芯150的外侧形成北（N）极，相邻的模组在转子芯150的外侧形成南（S）极。将参照图3来描述模组的具体形状。
模组140可以通过各种方案来耦接到转子芯150，包括埋入在转子芯150中。
转子芯150对应于转子120的除模组140之外的部分。转子芯150可以在其中央处形成有孔并包括软磁材料。软磁材料可以是薄电工钢片。转子芯可以通过堆叠薄电工钢片或软磁复合材料（SMC）形成，该软磁复合材料通过使每个具有几微米尺寸的小磁性颗粒绝缘而形成。轴130插入在所述孔中，使得轴130耦合到转子芯150。因而，轴130通过转子120的旋转而旋转。轴130包括非磁材料。
图2是示出根据示范性实施例的转子的构造的透视图。
如图1和图2所示，转子120可以包括模组140和转子芯150。模组140可以埋入在转子芯150中以耦接到转子芯150。将模组140耦接到转子芯150的方法不限于此，可以通过各种方案实现。
图3是局部地示出根据示范性实施例的电动机的截面图，用于描述穿过永磁体的磁化方向。
如图1和图3所示，电动机10包括定子100、转子120和轴130。在下文，q轴指代从旋转中心出发且经过相邻两个模组之间的轴，d轴指代从旋转中心出发且经过模组内部的轴。
在图3中，示出了电动机的一部分。转子120包括第一模组200、第二模组210和第三模组220。第一模组200包括成对的永磁体，其面对的内侧被磁化为N极。因而，由永磁体产生的磁通量沿从第一模组200的永磁体的外部通过第一模组200的永磁体到模组的内部的方向流动，然后行进到定子100。已经到达定子100的磁通量经过定子100而流动到第二模组210或设置在第一模组200左侧的模组（未示出）。在此情形下，第一模组200用作N极。
第二模组210包括成对的永磁体，其面对的内侧被磁化为S极。因而，由永磁体产生的磁通量沿从定子100到第二模组210的永磁体的内部的方向流动，经过第二模组210的永磁体到第二模组210的永磁体的外部，然后行进到其他模组200和220。已经到达其他模组200和220的磁通量可以通过穿过永磁体而流动到永磁体的内部。在此情形下，第二模组210用作S极。
第三模组220包括成对的永磁体，其面对的内侧被磁化为N极。因而，由第三模组220的永磁体产生的磁通量沿从第三模组220的永磁体的外部通过第三模组220的永磁体到该模组的内部的方向流动，然后行进到定子100。已经到达定子100的磁通量通过经过定子100而流动到第二模组210或设置在第三模组220的右侧的模组（未示出）。在此情形下，第三模组220用作N极。
尽管没有示出，但是包括在转子120中的模组200、210和220可以提供为偶数个。
图4是根据示范性实施例的电动机的一部分的截面图，示出由d轴电流和q轴电流产生的磁通量的路径。
如图1和图4所示，电动机10包括定子100、转子120和轴130。在下文，q轴指代从旋转中心出发且随后在相邻的两个模组之间经过的轴，d轴指代从旋转中心出发并穿过模组的内部的轴。
电动机10的转矩Torque通过下面的公式1计算。
【公式1】
Torque＝Pn{φfiq+(Ld-Lq)idiq}
这里，Pn表示成对的极的数目，Φf表示由永磁体产生的磁链(fluxlinkage)，id和Ld分别表示d轴电流和d轴电感，iq和Lq分别表示q轴电流和q轴电感。
在上述公式中，对应于Pn *Φf *iq的第一项表示磁转矩，对应于Pn *(Ld-Lq)*id *iq的第二项表示磁阻转矩。在低水平的驱动速度时，q轴电流是主导的，因此电动机的转矩基本上取决于磁转矩。同时，在高水平的驱动速度时，q轴电流减小并且负的（-）d轴电流增大，使得电动机的转矩更多地取决于磁阻转矩。
通常，q轴电感（Lq）大于d轴电感（Ld），d轴电流（id）为负并且q轴电流（iq）为正。由于q轴电感（Lq）大于d轴电感（Ld），所以d轴电感（Ld）减去q轴电感（Lq）为负值。由于d轴电流（id）为负并且q轴电流（iq）为正，所以磁阻转矩具有正值。
当参照图1和图4观察由q轴电流产生的磁通量的路径时，磁通量的路径经过部分转子芯150以及定子100和转子芯150之间的间隙。也就是，在由q轴电流产生的磁通量的路径中，仅定子100与转子芯150之间的间隙用作阻碍磁通量流动的因素，使得每电流产生的磁通量大。也就是，q轴电感（Lq）大。
当审视由d轴电流产生的磁通量的路径时，磁通量的路径除了经过定子100与转子芯150之间的间隙，还经过两个永磁体。也就是，该间隙和两个永磁体存在于由d轴电流产生的磁通量的路径中，使得磁通量流动的阻力大。因而，每电流产生的磁通量小。也就是，d轴电感（Ld）小。
如上所述，转子结构的示例能够使q轴电感增大，使得Ld-Lq的值增大，因此磁阻转矩增大。由于磁阻转矩（其对在高水平驱动速度下的电动机的总转矩有大的影响）增大，所以电动机即使在高水平的驱动速度下也保持高功率操作。
此外，电动机140包括第一连接部142，该第一连接部142包括非磁材料或空气，从而防止由永磁体141产生的磁通量泄露到转子芯150的内侧。也就是，第一连接部142防止由永磁体141产生的磁通量的一些泄露到转子芯150的内侧，从而改善电动机10的性能。非磁材料可以是具有约“1”的磁导率的材料，并可以由铝、塑料、纤维增强塑料（FRP）等制成。
图5A、5B和5C是示出根据各示范性实施例的各方面的模组的视图。根据示范性实施例的方面，第一永磁体141和第一连接部142所布置的长度、宽度、距离和角度的范围可以改变。
如图1和5A所示，转子120的模组140可以包括成对的第一永磁体500a和第一连接部510a。第一连接部510a将成对的第一永磁体500a的端部彼此连接。例如，第一连接部510a将第一永磁体500a的邻近转子芯150的内侧的端部彼此连接。第一连接部510a包括非磁材料或空气。第一连接部510a与转子芯150的内表面间隔开。
第一永磁体500a的彼此面对的内侧可以磁化为N极或S极。因此，沿从第一永磁体500a的外侧出发经过第一永磁体500a到第一永磁体500a的内侧的方向、或沿相反的方向实现磁化。
如图1和5B所示，转子120的模组140可以包括成对的第一永磁体500b、第一连接部510b、成对的第二永磁体520b以及第二连接部530b。
第一连接部510b将第一永磁体500b的端部彼此连接。例如，第一连接部510b将第一永磁体500b的邻近转子芯150的内侧的端部彼此连接。第一连接部510b可以包括非磁材料或空气。第一连接部510b与转子芯150的内表面间隔开。
第一连接部510b可以包括中央部，称作图5C中的连接部510c，利用硬磁材料形成。
成对的第二永磁体520b与成对的第一永磁体500b间隔开。
第二连接部530b将第二永磁体520b的端部彼此连接。例如，第二连接部530b可以将第二永磁体520b的邻近转子芯150的内侧的端部彼此连接。第二连接部530b可以包括非磁材料或空气。第二连接部530b与转子芯150的内表面间隔开。
也就是，包括第一永磁体500b和第一连接部510b的模组140还可以包括另一模组，该另一模组包括第二永磁体520b和第二连接部530b。
第一永磁体500b的彼此面对的内侧可以磁化为N极或S极。第二永磁体520b的彼此面对的内侧被磁化为与第一永磁体500b的内侧相同的磁极。
因而，沿从第二永磁体520b的外部经过第二永磁体520b和第一永磁体500b到第一永磁体500b的内部的方向、或沿相反的方向实现磁化。
如果永磁体的数目增加，则由永磁体产生的磁通量增加，电动机10的性能得到改善。此外，永磁体的数目的增加增加了由q轴电流产生的磁通量的路径，使得q轴电感增大，电动机10的性能得到改善。
如图1和5C所示，电动机120的模组140包括成对的永磁体500c和第一连接部，该第一连接部包括中央部510c和其余部520c。
第一连接部510c和520c将第一永磁体500c的端部彼此连接。例如，第一连接部510c和520c将第一永磁体500c的邻近转子芯150的内侧的端部彼此连接。第一连接部510c和520c与转子芯150的内表面间隔开。
第一连接部510c和520c的中央部510c包括永磁体或空气，其余部520c包括非磁材料或空气。
第一永磁体500c的面对的内侧可以磁化为N极或S极，中央部510c被磁化为能够增加在模组140中产生的总磁通量的预定磁极。例如，第一连接部的中央部510c的内侧具有与第一永磁体500c的面对的内侧相同的磁极。
因而，沿从第一永磁体500c的外侧出发经过第一永磁体500c到第一永磁体500c的内侧的方向、或沿相反的方向实现磁化。
如上所述，增加利用硬磁材料的磁体形成的中央部510c增大了由永磁体500c产生的磁通量。因而，改善了电动机10的性能。
如图1和5D所示，电动机120的模组140包括成对的第一永磁体500d、第一连接部510d和第三永磁体520d。
第一连接部510d将第一永磁体500d的端部彼此连接。例如，第一连接部510d将第一永磁体500d的邻近转子芯150的内侧的端部彼此连接。第一连接部510d包括非磁材料或空气。第一连接部510d与转子芯150的内表面间隔开。
第三永磁体520d设置在转子芯150的外侧处且在第一永磁体500d之间。
第一永磁体500d需要被磁化为使得N极或S极彼此面对，并且第三永磁体520d需要在能够增加在模组140中产生的总磁通量的方向上磁化。
为此，第一永磁体500d的面对的内侧被磁化为N极或S极，第三永磁体520d具有能够增加在模组140中产生的总磁通量的磁极。例如，如果第一永磁体500d的内侧被磁化为N极，则第三永磁体520d的下侧被磁化为S极并且第三永磁体520d的上侧被磁化为N极。
如上所述，第三永磁体520d的添加增大了由永磁体500d产生的磁通量。因而，改善了电动机10的性能。
图6A、6B和6C是用于说明根据各示范性实施例的各方面的电动机的性能的视图。模拟结果通过用于电动机的电磁设计的程序名为Maxwell的模拟软件来提供。
如公式1和图6A所示，一般的轮辐型电动机具有0.160mH的d轴电感（Ld）、0.202mH的q轴电感（Lq），并具有0.042mH的电感差（Lq-Ld）。同时，根据示范性实施例的电动机（其与一般的电动机使用相同数量的磁体）具有0.159mH的d轴电感（Ld）、0.228mH的q轴电感（Lq），并具有0.069mH的电感差（Lq-Ld）。示范性实施例的电动机的电感差（Lq-Ld）比一般的轮辐型电动机大62.8％，如图6A中的600a所示。也就是，根据示范性实施例的电动机具有大于一般的电动机的电感差（Lq-Ld）。
如上所述，根据示范性实施例的电动机具有大于一般电动机的电感差（Lq-Ld），使得磁阻转矩增大。在高水平的驱动速度下，磁阻转矩比磁转矩对电动机的总转矩有更大的影响。因而，根据示范性实施例的电动机可以在高水平的驱动速度下提供比一般的轮辐型电动机更高的功率操作。
图6B示出电动机的转矩随电动机的旋转速度的增加的变化。如图6B所示，当RPM提高时，根据示范性实施例的电动机与一般的轮辐型电动机相比示出平滑的转矩下降（见图6B的600b）。也就是，即使PRM升高，根据示范性实施例的电动机也保持高水平的转矩。而一般的轮辐型电动机的转矩随着RPM的升高而迅速降低（见图6B的610b）。
如上所述，即使驱动速度增加，示例的电动机也保持高水平的转矩。
图6C示出电动机的输出随电动机的旋转速度的增加的变化。如图6C所示，当RPM提高时，根据示范性实施例的电动机与一般的轮辐型电动机相比示出平滑的输出功率下降（见图6C的600c）。也就是，即使PRM升高，根据示范性实施例的电动机也保持高水平的输出功率。而一般的轮辐型电动机的输出功率随着RPM的升高而迅速降低（见图6C的610c）。
如上所述，即使驱动速度增加，示例的电动机也保持高水平的输出功率。
虽然用于说明的目的而已经描述了本发明构思的示范性实施例，但是本领域技术人员将理解，可以有各种变型、添加和替换，而不背离如权利要求所公开的本发明构思的范围和精神。
本申请要求于2011年5月26日提交的韩国专利申请No.10-2011-0050342的权益，其公开内容通过引用整体结合于此。

Claims (25)

1.一种转子，包括：
转子芯，具有孔，该孔耦合到设置在所述转子的中心处的轴；和
模组，设置在所述转子芯中，并包括：
成对的第一永磁体，彼此间隔开，和
第一连接部，将所述第一永磁体的端部彼此连接。
2.如权利要求1所述的转子，其中所述第一连接部将所述第一永磁体的邻近所述转子芯的内侧的所述端部彼此连接。
3.如权利要求1所述的转子，其中所述第一连接部与所述转子芯的内表面间隔开。
4.如权利要求1所述的转子，其中所述模组包括：
成对的第二永磁体，设置在所述第一永磁体之间并与所述第一永磁体间隔开；以及
第二连接部，将所述第二永磁体的端部彼此连接。
5.如权利要求1所述的转子，其中所述模组包括：
第三永磁体，在所述第一永磁体之间设置在所述转子芯的外侧处。
6.如权利要求1所述的转子，其中所述模组提供为偶数个模组，该偶数个模组彼此间隔开并设置在所述转子芯上且与所述转子芯的内表面间隔开。
7.如权利要求1所述的转子，其中所述模组埋入在所述转子芯中。
8.如权利要求1所述的转子，其中所述第一连接部包括：
中央部，包括永磁体；和
其余部，包括非磁材料或空气。
9.如权利要求1所述的转子，其中所述第一连接部包括非磁材料或空气，且
其中所述转子芯包括软磁材料。
10.一种转子包括：
转子芯，具有孔，该孔耦接到设置在所述转子的中心处的轴；
第一模组，包括成对的第一永磁体和第一连接部，该第一连接部将所述成对的第一永磁体的邻近所述转子芯的内表面的第一端彼此连接，其中所述第一模组设置在所述转子芯中且与所述转子芯的内表面间隔开；以及
第二模组，包括成对的第二永磁体和第二连接部，该第二连接部将所述成对的第二永磁体的邻近所述转子芯的所述内表面的第二端彼此连接，其中所述第二模组设置在所述转子芯中且与所述第一模组和所述转子芯的内表面间隔开。
11.一种电动机，包括：
转子，包括转子芯，该转子芯具有孔，该孔耦接到设置在所述转子的中心处的轴；
定子，与所述转子间隔开，并包括线圈绕其缠绕的至少一个槽；以及
模组，设置在所述转子芯中，包括：
成对的第一永磁体，彼此间隔开，和
第一连接部，将所述第一永磁体的端部彼此连接。
12.如权利要求11所述的电动机，其中所述第一连接部将所述第一永磁体的邻近所述转子芯的内表面的端部彼此连接，并且所述第一连接部与所述转子芯的所述内表面间隔开。
13.如权利要求11所述的电动机，其中所述模组包括：
成对的第二永磁体，设置在所述第一永磁体之间并与所述第一永磁体间隔开；以及
第二连接部，将所述第二永磁体的端部彼此连接。
14.如权利要求11所述的电动机，其中所述模组包括：
第三永磁体，在所述第一永磁体之间设置在所述转子芯的外侧处。
15.如权利要求11所述的电动机，其中所述模组提供为偶数个模组，该偶数个模组彼此间隔开且与所述转子芯的内表面间隔开地设置在所述转子芯上。
16.如权利要求11所述的电动机，其中所述第一连接部包括：
中央部，包括永磁体；和
其余部，包括非磁材料或空气。
17.如权利要求11所述的电动机，
其中所述第一连接部包括非磁材料或空气，且
其中所述转子芯包括软磁材料。
18.一种转子芯，包括：
软磁材料：和
模组，包括：
成对的第一永磁体，彼此间隔开；和
第一连接部，将所述成对的第一永磁体的邻近所述转子芯的内部的端部彼此连接。
19.如权利要求18所述的转子芯，其中所述模组还包括：
第三永磁体，在所述第一永磁体之间设置在所述转子芯的外侧处。
20.如权利要求18所述的转子芯，其中所述模组还包括：
成对的第二永磁体，设置在所述第一永磁体之间并与所述第一永磁体间隔开；以及
第二连接部，将所述第二永磁体的端部彼此连接。
21.如权利要求18所述的转子芯，其中所述第一连接部包括：
中央部，包括永磁体；和
其余部，包括非磁材料或空气。
22.一种用于转子芯的模组，包括：
成对的第一永磁体，彼此间隔开；和
第一连接部，将所述成对的第一永磁体的端部彼此连接。
23.如权利要求22所述的用于转子芯的模组，其中所述模组还包括：
第三永磁体，在所述第一永磁体之间设置在所述转子芯的外侧处。
24.如权利要求22所述的用于转子芯的模组，其中所述模组还包括：
成对的第二永磁体，设置在所述第一永磁体之间并与所述第一永磁体间隔开；以及
第二连接部，将所述第二永磁体的端部彼此连接。
25.如权利要求22所述的用于转子芯的模组，其中所述第一连接部包括：
中央部，包括永磁体；和
其余部，包括非磁材料或空气。
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