CN103208872B - 转子和包括该转子的发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种转子和包括该转子和定子的发动机。该转子包括转子芯和转子磁极。转子磁极在转子芯上环绕地布置，并且每个转子磁极形成为不对称的形状。定子与转子间隔开，并且包括构造为用于缠绕线圈的槽。

Description

转子和包括该转子的发动机

技术领域

根据示例性实施例的装置涉及一种发动机(motor)，其用于诸如电动车和家用器具的各种工业领域，以将电能转换成机械能。

背景技术

由于空气污染引起的有害环境影响以及化石燃料的日益短缺，混合动力车和电动车已经越来越流行。混合动力车使用内燃机产生动力，并且使用电动机作为辅助动力源。电动车使用电动机作为其主动力源。

随着电池和发动机的技术的发展，预期被称为无污染汽车的电动车将取代诸如混合动力汽车的“过渡”车，这是因为电动车在驱动时不会释放污染物或二氧化碳。

电动车的发动机起到引擎(engine)的作用，其将从电池供应的电能转换成机械能。因而，电池和发动机的性能是确定电动车的功率和驱动距离的最重要因素之一。因此，为了实现电动车的功率和驱动距离的增加，发动机的功率密度和效率的改进以及电池性能的提高被认为是重要的。

此外，对于全球污染以及其对环境的影响的日益关注和低碳经济的引入，在包括家用器具和电动汽车的广泛领域内引起了高效率系统的问题。因此，越来越需要将高效率发动机实施为系统的核心驱动源。

发明内容

根据一个示例性实施例的方面，提供一种转子，该转子包括：转子芯；以及多个转子磁极，沿着转子芯的圆周布置，其中每个转子磁极形成为不对称的形状。

根据另一示例性实施例的方面，提供一种转子，该转子包括：转子芯；以及多个转子磁极，沿着转子芯的圆周布置，其中转子芯的与每个转子磁极相应的外部分偏心地形成。

根据另一示例性实施例的方面，提供一种发动机，该发动机包括：转子，包括转子芯以及沿着转子芯的圆周布置的转子磁极，其中每个转子磁极形成为不对称的形状；以及定子，与转子间隔开，定子包括多个槽，多个槽构造为用于在其上缠绕线圈。

根据另一示例性实施例的方面，提供一种发动机，该发动机包括：转子，包括转子芯以及沿着转子芯的圆周布置的多个转子磁极，其中转子芯的与每个转子磁极相应的外部分偏心地形成；以及定子，与转子间隔开，定子包括多个槽，多个槽构造为用于在其上缠绕线圈。

通过使转子磁极不对称，凸极比增加。这可以改善根据实施方式的发动机的功率密度，并且还可以降低制造成本。

另外，示例性实施例可以由于d轴电感的减小而使得在规定的电压范围内每个定子上的线圈的匝数增大，由此引起设计的高自由度。

附图说明

通过以下结合附图对示例性实施例的详细说明，这些和其它示例性特征和方面变将得显然，在附图中：

图1是示出示例性发动机的剖视图的图示；

图2是示出图1所示的发动机的局部剖视图的图示；

图3是示出图1所示的发动机中包括的转子的透视图的图示；

图4是示出矢量图的示例的图示，该矢量图显示出根据示例性实施例的凸极比(saliency ratio)关于转子磁极的不对称形状的增大；

图5是示出发动机中包括的另一示例性转子的局部剖视图的图示；

图6是示出发动机中包括的另一示例性转子的局部剖视图的图示；以及

图7是示出发动机中包括的另一示例性转子的剖视图的图示。

在整个附图以及详细说明中，除非另外说明，相同的附图标记将理解为表示相同的元件、特征和结构。为了清晰、图示和方便，这些元件的相对尺寸和描绘可以被夸大。

具体实施例

提供以下说明以协助阅读者获得对在此说明的方法、装置和/或系统的全面理解。因此，将向本领域的普通技术人员间接地表明在此说明的方法、装置和/或系统的各种改变、变形和等效物。此外，为了增加清晰性和简明性，可以省略众所周知的功能和结构的说明。

图1示出发动机的示例性剖视图。图2示出图1所示的发动机的局部剖视图。图3示出图1所示的发动机中包括的转子的透视图。

参考图1至图3，发动机100可以包括转子110和定子120。

转子110可以包括转子芯111以及多个转子磁极112。转子芯111可以由软磁材料制成。转子芯111可以具有沿长度方向穿过其中心的通孔。轴130可以插入通孔并且耦接到通孔。因此，当转子110转动时，轴130随着转子110一起旋转。轴130可以由非磁性材料制成。

转子磁极112沿着转子芯111的圆周方向布置。转子磁极112可以嵌入转子芯111中，并且相互间隔开预定距离。备选地，转子磁极可以简单地附接到转子芯。可以存在偶数个转子磁极112。在转子芯111的外圆周表面上，两个相邻转子磁极112的其中之一用作N极，而另一个转子磁极112用作S极。转子磁极112可以布置为相互间隔预定距离。

每个转子磁极112可以设计成不对称的，以改进凸极比。凸极比是q轴电感与d轴电感的比率。例如，每个转子磁极112可以包括第一永磁体113和第二永磁体114。第一永磁体113和第二永磁体114可以彼此间隔开并且均可以部分地嵌入转子芯111中。例如，第一永磁体113的一端相比于另一端可以定位于转子芯111的更内侧，而第二永磁体114的一端相比于另一端可以定位于转子芯111的更内侧。换言之，如图2所示，磁体的更靠近轴的一端相比于磁体的更远离轴的相反端在径向方向上插入到转子芯中达到更大的深度。

如图3所示，第一永磁体113和第二永磁体114可以沿着转子芯111的旋转轴延伸，第一永磁体113和第二永磁体114的每个具有预定的截面面积。第一永磁体113和第二永磁体114的每个的截面面积通过沿垂直于转子芯111的旋转轴的方向切割第一永磁体113和第二永磁体114而限定。

第一永磁体113具有不同于第二永磁体114的截面面积。为此，第一永磁体113的厚度t1可以设置成不同于第二永磁体114的厚度t2。例如，第一永磁体113可以形成为其厚度t1大于第二永磁体114的厚度t2。在这个示例中，如果第一永磁体113的厚度增加，则第二永磁体114的厚度t2可以减小与第一永磁体113的厚度t1的增量相同的量，从而能够保持第一永磁体113和第二永磁体114的总量。换言之，第一和第二永磁体的总截面面积(垂直于转子芯的旋转轴的截面中)固定为预定总量，从而如果磁体之一的厚度增加、因而增大了该磁体的截面面积，则另一磁体的厚度减小，这减小了该另一磁体的截面面积。

在另一示例中，第一永磁体113的长度可以不同于第二永磁体114的长度，或者第一永磁体113可具有与第二永磁体114不同的厚度和不同的长度。

第一永磁体113的一端与第二永磁体114的一端之间的间隔可以比第一永磁体113的另一端与第二永磁体114的另一端之间的间隔窄，由此第一永磁体113和第二永磁体114可以设置成V形布置。在又一示例中，第一永磁体113和第二永磁体114可以设置成彼此平行。因而，第一永磁体113和第二永磁体114的布置不局限于上述示例。第一永磁体113和第二永磁体114可以设置成使得其N极或S极彼此面对。第一永磁体113和第二永磁体114可以由硬磁材料形成。

定子120设置为与转子110间隔开。在内部型转子110的情况下，定子120可以是具有中空部的圆筒形。转子110可以可旋转地插入到定子120的中空部。定子120可以包括用于缠绕线圈的槽(slot)121。当电流流过线圈时，定子120产生旋转的磁场。

此外，分隔芯(division core)115可以插置在第一永磁体113与第二永磁体114之间。如同转子芯111，分隔芯115可以由磁性材料制成。此外，连接部分116可以将第一永磁体113的一端和第二永磁体114的一端彼此连接。连接部分116可以设置在转子芯111的内侧。连接部分116可以由非磁性材料制成或可以只是空气。因此，连接部分116能够防止磁通泄漏。作为另一示例，连接部分116可以具有由磁性材料制成的中心部分以及由非磁性材料或空气形成的剩余部分。在连接部分116的中心部分由磁性材料制成并且连接部分116的剩余部分由空气制成的情况下，连接部分116的中心部分可以通过由非磁性材料形成的固定件而紧固到转子芯。

因为每个转子磁极112被设计成不对称的磁极，所以凸极比增加，并且这种增加可以参考以下的方程式1和图4详细说明。方程式1用于计算发动机的转矩。图4示出矢量图的示例，该矢量图显示出凸极比关于转子磁极的不对称形状的增大。

T＝P_n{Ψ_ai_q+(L_d-L_q)i_di_q}

＝T_m+T_r ....(1)

这里，T表示转矩，p_n表示磁极对，Ψ_a表示空载磁链(no load flux linkage)，i_d表示d轴电流，L_d表示d轴电感，i_q表示q轴电流，L_q表示q轴电感。

在方程式1的右侧，术语P_n×Ψ_a×i_q表示磁矩T_m，而术语P_n×(L_d-L_q)×i_d×i_q表示磁阻转矩T_r。磁矩T_m是由转子的永磁体和定子的相应转子磁场之间的磁引力所引起的转矩。磁阻转矩T_r是由磁性体所引起的转矩，该磁性体的特征在于沿着最小化磁场中的磁路的磁阻方向布置。

一般而言，L_q大于L_d。因而，(L_d-L_q)的值通常为负(-)值。因为i_d为负(-)值并且i_q为正(+)值，所以磁阻转矩T_r为正(+)值。因此，当(L_d-L_q)的值增加时，磁阻转矩T_r也增加。

在图4中，α和α’的每个表示相位差，I_a表示相电流，β表示电流角度，Ψ_o表示负载磁链，E_a表示空载逆电动势，E_o表示负载逆电动势。

假定每个转子磁极的永磁体的使用率相同，如果转子磁极的设计是不对称的，如图4所示，则相位差沿着转子的旋转方向从α减小为α’。在这个示例中，因为永磁体的使用率不变，所以无负载磁链Ψ_a和负载磁链Ψ_o在对称和不对称的设计中实质上相同。因为q轴磁路的磁阻几乎不变，所以L_q×i_q的值在对称和不对称的设计中几乎不变。这里，i_q是不变的值，因而q轴电感基本相同。

相反，因为d轴磁路的磁阻增加，所以L_d×i_d的值变小。在这种情况下，因为i_d是不变的值，所以d轴电感减小。因此，凸极比能够增大。也就是说，d轴电感的减小导致L_d-L_q的值增大，因此，转矩分量中的磁阻转矩T_r升高。

因此，当使用相同量的永磁体时，与对称的转子磁极相比，不对称的转子磁极保持逆电动势处于相同水平并且实现更大的磁阻转矩T_r，从而可以提高发动机100的功率密度和效率。此外，在不对称的转子磁极中d轴电感的降低能够使在给定的电压范围内缠绕在定子120上的线圈的匝数增大，由此提供设计中的高自由度。

图4中的示例显示出d轴电感在转子110逆时针转动时降低，相同的结果将在转子110顺时针转动时显示。不对称的转子磁极112的构造可以适用于外部型转子，因而其不限于此。

图5示出在发动机中包括的转子的另一示例的局部剖视图。

参考图5，转子210的转子磁极212可以包括至少一个永磁体213，永磁体213在与沿着转子芯211的径向方向的中心轴垂直的方向上延伸。永磁体213可以嵌入转子芯211中。永磁体213的右部分和左部分(关于沿着转子芯211的径向方向的中心轴)可以具有不同的厚度，从而永磁体213能够具有不对称的形状。

例如，永磁体213的左边部分的厚度t3可以大于右边部分的厚度t4。当然，可以将永磁体213的右边部分形成得比左边部分厚。因而，不对称的永磁体213可以使凸极比增大，如上所述。

转子芯211可以包括磁通阻隔件(flux barrier)214。磁通阻隔件214可以与永磁体213的每个端部接触。磁通阻隔件214可以防止永磁体213的磁通泄漏。

图6示出在发动机中包括的另一示例性转子的局部剖视图。

参考图6，转子310的转子磁极312可以包括一个或更多的磁通阻隔件313。在这个示例中，转子磁极312不包括永磁体。磁通阻隔件313可以设置在转子芯311的内侧，产生与定子120相关的磁阻转矩。磁通阻隔件313形成为在右部分和左部分(关于沿着转子芯311的径向方向的中心轴)之间具有不同的厚度，由此导致不对称的形状。

例如，磁通阻隔件313的左边部分的厚度t5可以大于右边部分的厚度t6。备选地，可以将磁通阻隔件313的右边部分形成为比左边部分厚。因此，不对称的磁通阻隔件313可以使凸极比增大，如上所述。

在每个转子磁极312中包括多个磁通阻隔件313的情况下，每组磁通阻隔件313可以沿着转子芯311的相同径向方向设置，每个磁通阻隔件313在中心弯曲，朝向转子芯311的中心突出。磁通阻隔件313的形状可以变化，只要其能够实现上述功能。

图7示出发动机中包括的另一示例性转子的剖视图。

参考图7，转子410的转子芯411的与转子磁极412相应的外部分偏心地形成，以增加凸极比。例如，转子磁极412可以包括具有相同尺寸和形状的一对永磁体413。永磁体413可以嵌入转子芯411中并且可以通过连接部分414彼此连接。

此外，转子芯411可以包括插置在一对永磁体413之间的分隔芯415。在这个示例中，分隔芯415的左边部分415a和右边部分415b(关于沿着转子芯411的径向方向的中心轴)可以具有不同的截面面积，由此允许转子芯411偏心。

例如，分隔芯415的左边部分415a可以比右边部分415b更多地突出到定子120。备选地，可以将右边部分415b形成为比左边部分415a更多地突出到定子120。因而，分隔芯415的偏心率能够使凸极比增大，如上所述。

转子芯411的偏心构造可以适用于图5所示的转子210。在这种情况下，永磁体213可以形成为关于永磁体213的中心轴的对称形状。此外，转子芯411的偏心构造可以适用于图6所示的转子310。在这种情况下，每个磁通阻隔件312可以形成为关于磁通阻隔件312的中心轴的对称形状。

根据在此说明的一个或更多的示例性实施例，由于通过使转子磁极不对称而使得凸极比增加，即使在使用相同量的永磁体时，发动机的功率密度可以得到改善，并且由此可以降低制造成本。另外，根据一个或更多的示例性实施例，由于d轴电感的减小，因此在规定的电压范围内可以实现每个定子上的线圈的匝数的增大，这使得实现了设计的高自由度。

以上已经描述了多个示例。然而，应该理解，可以进行各种变型。例如，如果所述技术以不同的顺序执行和/或如果在所述系统、构造、器件或电路中的部件以不同的方式组合和/或被其它部件或其等效物替代或补充，则可以实现适当的结果。因此，其它实施方式在随附的权利要求的范围之内。

本申请要求2012年1月16日提交到韩国知识产权局的韩国专利申请No.10-2012-0004987的权益，其全部公开通过全文引用结合于此。

Claims (4)

1.一种转子，包括：

转子芯；以及

多个转子磁极，沿着所述转子芯的圆周布置，其中所述多个转子磁极的每个形成为不对称的形状，

其中所述多个转子磁极的每个包括：

嵌入所述转子芯中的永磁体，所述永磁体在与沿着所述转子芯的径向方向的中心轴垂直的方向上延伸而具有比沿所述转子芯的径向方向的厚度大的长度，且包括沿着所述转子芯的径向方向具有第一厚度的右部分以及沿着所述转子芯的径向方向具有第二厚度的左部分，所述第二厚度不同于所述第一厚度，从而所述永磁体关于所述中心轴不对称，并且关于其延伸方向上的轴也不对称，并且被形成为在所述转子芯的径向方向上的外侧形成台阶部分。

2.根据权利要求1所述的转子，其中所述转子芯包括多个磁通阻隔件，其中，对于每个永磁体，一个磁通阻隔件接触所述右部分的一侧以及另一磁通阻隔件接触所述左部分的一侧。

3.一种转子，包括：

转子芯；以及

多个转子磁极，沿着所述转子芯的圆周布置，其中所述多个转子磁极的每个形成为不对称的形状且不包括永磁体，

其中所述多个转子磁极的每个包括：

设置在所述转子芯中且沿所述转子芯的圆周方向布置的磁通阻隔件，所述磁通阻隔件包括关于沿着所述转子芯的径向方向的中心轴的右部分和左部分、以及朝向所述转子芯的中心突出的中心，所述右部分在所述转子芯的径向方向上具有第一厚度，所述左部分在所述转子芯的径向方向上具有第二厚度，其中所述第二厚度不同于所述第一厚度，从而所述磁通阻隔件被形成为在所述转子芯的径向方向上的外侧形成台阶部分。

4.根据权利要求3所述的转子，其中所述多个转子磁极的每个包括在所述转子芯的径向方向上交叠的两个或更多磁通阻隔件，其中所述两个或更多磁通阻隔件的每个在其中心弯曲，使得所述磁通阻隔件的所述中心朝向所述转子芯的中心突出。