CN103038988B - 具有混合励磁转子的同步旋转电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有转子（11）的电机（1），所述转子包括永磁体（PM）和励磁线圈（EC）。磁体容置在第一轴向凹部（E1）中，所述第一轴向凹部分布在磁性本体的圆周部分内，因此限定圆周极段。线圈容置在第二轴向凹部（E2）中，所述第二径向凹部分布在磁性本体的中间部分中。根据本发明，圆周极段包括第三凹部（E3），以及磁性本体的形成具有大约0.7mm至大约2mm高度的桥的部分保持在所述凹部的顶端和外部极面之间。

Description

具有混合励磁转子的同步旋转电机
技术领域
本发明涉及一种具有转子的同步旋转电机，所述转子配备有永磁体和励磁线圈。更特别地，本发明涉及该类型的用于诸如电动车辆和混合动力机动车辆中的电牵引电动机和/或发电机的应用的电机。
背景技术
由于它们在特定和容积功率输出方面的增加的性能，当今同步永磁体电机在机动车辆领域中找到广泛应用。此外，稀土永磁体的具有可接受经济条件的大规模可用性使得，对于新世代的机动车辆，这些电机的选择可行。
这些电机可以以大范围的功率和速度生产，并在“全电动”类型的车辆以及称为“轻度混合动力”和“全混合动力”类型的低CO2排放车辆中找到应用。
“轻度混合动力”应用大致涉及约8-10KW的电机，例如，安装在内燃机的前部面上并通过驱动带联接至内燃机的电动机。可以用这样的电动机通过在扭矩中供应提供额外功率的电辅助（尤其是当加速时）来减少内燃机的立方容积（“发动机尺寸减少”）。此外，低速度牵引，例如在城市环境中，还可以通过该同一电动机被保证。“全混合动力”类型的应用大致涉及串联和/或并联类型布置的30-50KW的电动机，其具有将电动机（一个或多个）并入车辆的传动系中的更成功水平。
但是，具有仅由永磁体造成的励磁的电机呈现出去磁通问题。否则，在机动车辆中，当电机在车辆的各种交通状况中用作牵引电动机时，其必须能够在各种负载和速度条件下操作，且因此必须能够去磁通以达到高速度区域。
具有混合励磁的电机可被更容易地去磁通，并提供在转子中将由永磁体提供的增加的能量密度和控制气隙中由励磁线圈提供的磁通的能力结合的可能性。
具有混合励磁的电机的令人感兴趣的结构在Li Li等的名称为“Some armature reaction compensation methods,numerical design of experiments and optimization for a hybrid excitation machine”并发表在IEMDC,Miami,USA(2009)中的文章中被披露。
发明内容
本发明提出一种具有混合励磁的同步旋转电机，其具有在上述文章中披露的类型的转子拓扑，并且其设计已经被优化，以便增加用于汽车工业的这些电机的收益和性能。
根据第一方面，本发明涉及一种具有混合励磁的旋转电机，包括配备有定子线圈的定子和包括多个交替的北极和南极的转子，所述北极和南极由多个永磁体和多个励磁线圈形成。永磁体被容置在相应的第一凹部中，所述第一凹部轴向地延伸并规则地分布在转子的磁性本体的圆周部分内，以便限定多个圆周极段。励磁线圈容置在相应的第二凹部中，所述第二凹部轴向地延伸，并规则地分布在转子的磁性本体的中间部分内，所述中间部分位于转子的圆周部分和中央部分之间。每一个励磁线圈插入在相应的径向极齿中，所述极齿在两个相继的第二凹部之间形成分隔部，每一个极齿在对应的极的中央径向轴线上基本上对准。
根据本发明，至少一个圆周极段包括第三凹部，所述第三凹部在中央径向轴线上基本上对准，并在第三凹部的顶端和外部极面之间包括磁性本体的形成桥的部分，所述桥具有大约0.7mm至大约2mm高度。
根据另一特定特征，第三凹部在该第三凹部的顶端处具有最大宽度并且在该第三凹部的根部处具有最小宽度，根部是第三凹部最靠近转子的中央部分的端部。
根据又一特定特征，第三凹部的最小宽度为电机的最小气隙宽度的大约0.8倍至最小气隙宽度的大约1.2倍。
根据又一特定特征，径向极齿具有大约2mm至大约10mm的宽度，并且第三凹部的最大宽度对圆周极段的极宽度的比具有大约0.13至大约0.44的值。优选地，为了获得扭矩增加和惯量减少的组合效果，径向极齿具有大约4mm至大约6.5mm的宽度，并且第三凹部的最大宽度对圆周极段的极宽度的比具有大约0.22至大约0.29的值。
根据本发明的实施例的一个特定形式，第三凹部在极齿中延伸。例如，第三凹部可基本上在极齿的整个高度上延伸。
仍根据本发明的另一特定特征，极齿宽度对永磁体高度的比为大约0.65至大约1。
本发明的旋转电机可有利地形成为用于机动车辆的电动机、发电机或电动机/发电机。
附图说明
本发明的其他特征和优势将参考以下附图在阅读多种具体形式的实施例的以下详细描述时更明显，其中：
图1是横截面图，以简化方式显示出根据本发明的具有混合励磁的旋转电机的一具体形式的实施例的结构；
图2A和2B是电机的转子的局部横截面图，显示出混合励磁操作；
图3A、3B和3C是电机的转子的局部横截面图，对于具有明显变宽形式的凹部显示出实施例的两种不同形式和尺寸设计参数，所述凹部设置在转子的磁性本体的圆周部分内；
图4示出作为最大凹部宽度Lh和极齿宽度Ln的函数的扭矩C和惯量I的曲线；
图5是电机的转子的局部横截面图，其中定义了极齿的宽度Ln和永磁体的高度Hm；和
图6是作为极齿宽度对永磁体高度的比Ln/Hm的函数的电机功率曲线。
具体实施方式
图1显示出根据本发明的具有混合励磁的旋转电机的具体实施例1的结构，所述旋转电机包括定子10和转子11。电机1的转子11包括多个交替的北凸极和南凸极，其由多个永磁体PM和多个励磁线圈EC形成。
根据本发明的这样的电机的具体实施例例如是具有8-10KW的电动机/发电机，用于称为“轻度混合”类型的机动车辆中的应用。在它的电动机操作模式中，这样的电机可被设计用于起动内燃机，内燃机的扭矩辅助以及车辆的低速度电牵引。在它的发电机操作模式中，电机可工作在正常交流发电机模式或再生制动模式中。
该电机的实施例的一个具体形式包括定子10和转子11，所述定子10具有72个槽101，所述转子11包括12个交替的北极和南极。转子11具有 约100mm的直径和约50mm的轴向长度。转子11包括12个永磁体PM，所述永磁体PM具有大致矩形形式，尺寸为：长度x高度x宽度=50mmx5mmx6mm。
定子10和转子11以常规方式构造有形成磁性本体的金属板片包。
定子10的槽101设计为接收定子线圈（未示出）并且在它们之间形成多个定子齿。根据实施例的形式，槽101将被设计为容置集中线圈，所述集中线圈缠绕在大齿上，或分布线圈。
转子11具有多叶式圆柱体的大体形式，每一个叶对应于转子的一磁极。
磁体PM以埋入的方式布置在转子11的圆周部分内，并在转子11的整个长度上轴向地延伸。磁体PM被容置在相应的凹部E1中，并分布在转子11的圆周部分内，以使得沿周向方向的两个相继的磁体PM以不同的极性取向布置，如图1所示。例如，如果PM1和PM2是相继的磁体，则相应的极性取向可以是N-S和S-N或S-N和N-S，仍然沿相同的周向方向。
磁体PM优选地是由稀土构成的永磁体，诸如钕铁硼（NeFeB）、钐铁（SmFe）、钐钴（SmCo）类型的磁体，或由烧结或粘结的铁氧体制成的磁体。
转子11具有中央孔，所述中央孔在它的两个面端部露出且意图接收它的驱动轴A。将注意到，在本发明中，轴A可以以磁性材料实施。
除了容纳磁体PM的凹部E1，转子11还包括凹部E2和E3，所述凹部E2和E3对于每一个极重复并基本上在转子的整个长度上轴向地延伸。
凹部E2设计为在转子11中容置励磁线圈EC。凹部E2位于磁体PM之下，其中凹部E2与磁体PM一样多。两个相继的凹部E2由形成极齿RT的径向分隔部分开，对应的励磁线圈EC绕所述极齿RT缠绕。励磁线圈EC可以以串联、并联或串联/并联的布置方式电连接。
凹部E3实现多种功能。总体上，它们主要具有有助于控制磁通和减少转子的惯量的功能。取决于应用，凹部E3将需要通过在磁场线上的模拟而被优化，以便找到在电动机模式下由电机传递的最大扭矩和转子的最小惯量之间的最佳可行折中。凹部E3还可以被优化以改进电机在电枢的磁反应方面的行为。
将注意到，一些凹部E2可有利地用于转子11的拉杆（tie-rod）。
在该形式的实施例中，凹部E3容纳空气。对于一些应用，它们可以填 充有非磁性材料，甚至是磁性材料（但具有低密度）。凹部E3这里基本上径向地布置在转子11中，在两个相继的磁体PM之间并在极的中央径向轴线上对准，该轴线常规地指定为“轴线q”。
参考图2A和2B，现在描述在转子11的磁极处的混合励磁的操作，已知该操作对于转子11的所有磁极是相同的。
图2A显示出励磁线圈EC未被激励的情况，意味着其不传导励磁电流。如图2A所示，由永磁体PM产生的磁通F1于是通过转子11的磁性本体。当然，转子11的磁路的磁阻必须被确定，以便避免永磁体PM的任何去磁。在该操作模式下，考虑到磁通F1不流动通过定子10，这意味着在定子线圈中没有电动势（e.m.f.）产生。
图2B显示出励磁线圈EC被激励的情况，意味着其传导励磁电流。图2B的示意图对应于流动通过线圈EC的励磁电流具有一强度以使得由磁体PM产生的磁通完全被约束为循环通过定子10（磁通F1'）。流动通过线圈EC的励磁电流使得附加的磁通在对应的极齿RT处出现。
该附加的磁通被分为两部分F11和F22，所述部分F11和F22在凹部E3的两侧通过并随后在定子10中循环。如图2B所示，磁通F21和F22朝向相关极齿RT通过经由位于该相关极齿的两侧的相邻极齿RT发生。
参考图3A、3B和3C，现在以更详细的方式描述凹部E3。
如图3A、3B和3C所示，在该形式的实施例中，凹部E3具有明显变宽的形式。变宽部分位于转子11的圆周部分中。
当然，除了该变宽的形式以外的那些形式对于凹部E3也是可行的并仍在本发明的范围内，这里描述的变宽的形式仅作为示例性实施例给出。
必须考虑以下参数，以限定E3，即：
-Lb，其是在凹部E3的根部处的所述凹部E3的最小宽度； 
-Hp，其是在凹部E3的顶端和对应的极的外部面之间的金属板片的高度，高度Hp在下面指定为“桥高度”；
-Pe，其是凹部E3的深度；
-Lh，其是在凹部E3的顶端处的所述凹部E3的最大宽度； 
-Ln，其是极齿RT的宽度；和 
-Lp，其是极的宽度，在转子11的外部圆周上测得。
由本发明实体实施的模拟和测试已经显示出，凹部最小宽度参数Lb必 须作为转子11和定子10之间的气隙宽度的函数被确定。在这里描述的实施例的形式中，由于转子11的多叶式结构，转子11和定子10之间的气隙可变。气隙宽度e（在图3A中示出）是气隙的最小宽度，即，在轴线q处的气隙。将注意到，气隙的变化性有助于减少谐波并因此减少铁损。
本发明实体已经显示出，凹部的最小宽度Lb必须仍基本上等于气息宽度e。实际上，太高的宽度Lb导致极的磁饱和，且结果导致机械扭矩的下降。优选地，凹部的最小宽度Lb必须是气隙宽度e的大约0.8倍（0.8xe）至气息宽度e的大约1.2倍（1.2xe）。
桥高度Hp必须被最小化，以获得磁饱和，通过沿轴线q阻止磁通，其引起扭矩的增加。高度Hp的减少还有利于惯量的显著降低。考虑到惯量与半径的平方成比例，距转子的中心尽可能最远的质量的任何降低非常有利于惯量的降低。但是，该桥高度Hp必须被设置尺寸为使得桥可以承受转子经受的机械应力，特别是离心力。桥高度Hp因此不能小于由这些机械应力施加的最小值。本发明实体实施的测试已经显示出，大约0.7mm至大约2mm的桥宽度Hp是良好的折中。
关于凹部E3的深度Pe，图3A、3C和3B示出了实施例的两种可行形式。
在图3A、3C中的实施例的形式中，凹部E3的根部的底部位于凹部E2的高圆角CAh处。对于一些应用，在凹部E3的根部的底部和凹部E2的高圆角CAh之间的饱和区域ZS1可被设置尺寸以便控制磁通。
在图3B中的实施例的形式中，凹部E3基本上在极齿RT的整个高度上延伸。凹部E3的根部的底部位于凹部E2的低圆角CAb处。类似于图3A、3C中的实施例的形式，在凹部E3的根部的底部和凹部E2的高圆角CAb之间的饱和区域ZS2可被设置尺寸以便控制磁通。这里将注意到，极齿RT的宽度Ln'将大于图3A、3C中的实施例的形式的Ln，以针对齿RT保持相同的磁性本体宽度。
根据本发明，凹部E3的最大宽度Lh作为Lp的函数而设置尺寸，所述Lp是转子11的外部圆周上测得的极的宽度（如图3C所示），以便优化惯量和扭矩之间的折中。
图4显示出作为比Lh/Lp和最大凹部宽度Lh的函数的扭矩C和惯量I的曲线。扭矩曲线通过圆形式的点示出。惯量曲线通过菱形形式的点示出。
通过研究这些曲线，明显的是，对于大约0.13至大约0.44的值Lh/Lp可以找到惯量和扭矩之间的良好折中。大约2至大约10mm的值Lh给出良好的结果。将注意到，对于分别为0.22至0.29以及4至6.5mm的值Lh/Lp和Lh，可以减少惯量并同时增加扭矩。考虑到本发明实体在上面提供的教导，本领域技术人员将在给定区间中选择最佳适于被考虑的应用的值Lh/Lp和Lh。
参考图6，现在讨论本发明实体提出的在极齿RT的宽度Ln和永磁体PM的高度Hm之间的比的优化。本发明实体实施的测试和模拟已经显示出，这是用于为电机设置尺寸的关键点，其对电机的功率具有重大影响。
在永磁体产生的磁通的百分比和励磁线圈产生的磁通的百分比之间，换句话说，在永磁体和被加入转子中的铜的量之间，必须找到折中。参数Hm这里表示由磁体产生的磁通。参数Ln涉及转子中铜的量，且因此涉及励磁线圈产生的磁通。实际上，根据极齿的宽度Ln，将可以使更多或更少的铜加入凹部E2中。此外，宽度Ln必须被仔细地设置尺寸，以便一方面避免在磁路太远离磁饱和的操作点处的极齿RT的磁性本体的不充分拉动，另一方面避免会限制励磁线圈产生的磁通的通过的极齿RT的磁性本体的过饱和。
由本发明实体绘制的图6的曲线指示出作为比Ln/Hm的值的函数的电机功率P。大约0.65至大约1的比Ln/Hm被证明是良好的折中并确保了电机的性能。

Claims (10)

1.一种具有混合励磁的旋转电机，包括配备有定子线圈的定子(10)和包括多个交替的北极和南极的转子(11)，所述北极和南极由多个永磁体(PM)和多个励磁线圈(EC)形成，所述永磁体(PM)被容置在相应的第一凹部(E1)中，所述第一凹部(E1)轴向地延伸并规则地分布在所述转子(11)的磁性本体的圆周部分内，以便限定多个圆周极段，所述励磁线圈(EC)容置在相应的第二凹部(E2)中，所述第二凹部轴向地延伸，并规则地分布在所述转子(11)的磁性本体的中间部分内，所述中间部分位于所述转子(11)的所述圆周部分和中央部分(A)之间，每一个所述励磁线圈(EC)插入在相应的径向极齿(RT)中，所述极齿(RT)在两个相继的所述第二凹部(E2)之间形成分隔部，每一个极齿(RT)在对应的极的中央径向轴线(q)上基本上对准，其特征在于，至少一个所述圆周极段包括第三凹部(E3)，所述第三凹部(E3)在所述中央径向轴线(q)上基本上对准，并在所述第三凹部(E3)的顶端和外部极面之间包括磁性本体的形成桥的部分，所述桥具有0.7mm至2mm的高度。
2.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，所述第三凹部(E3)在该第三凹部(E3)的所述顶端处具有最大宽度(Lh)并且在该第三凹部(E3)的根部处具有最小宽度(Lb)，所述根部是所述第三凹部(E3)最靠近所述转子的中央部分(A)的端部。
3.根据权利要求2所述的旋转电机，其特征在于，所述第三凹部(E3)的所述最小宽度(Lb)为电机的最小气隙宽度(e)的0.8倍至所述最小气隙宽度的1.2倍。
4.根据权利要求2或3所述的旋转电机，其特征在于，所述极齿(RT)具有2mm至10mm的宽度(Ln)，并且所述第三凹部(E3)的所述最大宽度(Lh)对所述圆周极段的极宽度(Lp)的比(Lh/Lp)具有0.13至0.44的值。
5.根据权利要求4所述的旋转电机，其特征在于，所述极齿(RT)具有4mm至6.5mm的宽度(Ln)，并且所述第三凹部(E3)的所述最大宽度(Lh)对所述圆周极段的极宽度(Lp)的所述比(Lh/Lp)具有0.22至0.29的值。
6.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，所述第三凹部(E3)在所述极齿(RT)中延伸。
7.根据权利要求6所述的旋转电机，其特征在于，所述第三凹部(E3)基本上在所述极齿(RT)的整个高度上延伸。
8.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，极齿的宽度(Ln)对永磁体高度(Hm)的比(Ln/Hm)为0.65至1。
9.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，其以用于机动车辆的电动机的形式被实施。
10.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，其以用于机动车辆的发电机或电动机/发电机的形式被实施。
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