CN103457372A - 同步电机中的双永磁体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及同步电机中的双永磁体，具体提供一种用于内部永磁同步电机的转子。转子芯结构包括并置到空隙的外柱状壁。所述转子芯结构内形成有多个弓形空腔。所述多个弓形空腔相对于所述转子芯结构的外柱状壁大体上同心层叠。在第一与第二端区段之间延伸的每个弓形空腔都并置到所述转子结构的外柱状表面壁并且包括中央区段。多个永磁体插入到所述多个弓形空腔内。每个第一端区段都保持具有第一磁场强度的相应的第一永磁体。每个第二端区段都保持具有第一磁场强度的相应的第二永磁体。每个中央区段都保持具有第二磁场强度的相应的第三永磁体，所述第二磁场强度小于所述第一磁场强度。

Description

同步电机中的双永磁体
技术领域
本发明的实施方式总体涉及永磁体电动机。
背景技术
永磁体同步电机是轴的旋转率与AC供应电流的频率同步的AC电动机。在定子中生成旋转电场并且转子跟随所述定子的旋转电场。转子与定子的场以相同速率同步旋转。转子和定子称为同步的。
用于常规转子的永磁体构造成提供均匀场强。由于它们在电动机中提供改善的扭矩的强磁场强度，通常期望使用钕磁体(还称为稀土磁体)。然而，在电动机中使用稀土磁体成本高并且增加电动机的总体价格。
发明内容
本发明的实施方式的优点是降低稀土磁体的含量和重量，从而降低电动机的总体成本。内部永磁同步电机采用双永磁体(即，两种或更多种不同类型的磁体材料的组合)来降低转子中采用的稀土磁体的数量。稀土磁体和铁磁体或者具有不同磁场强度的相同材料成分的磁体的组合以多层方式设置在转子中。稀土磁体和铁磁体在两个邻近空腔之间逐渐重叠，以便使由稀土磁体生成的磁场导致的铁磁体的去磁降低最小化。
本发明的实施方式构想了一种用于永磁同步电机的转子。转子芯结构具有柱状本体。所述柱状本体包括并置到空隙的转子芯结构的外柱状壁。所述转子芯结构内形成有多个弓形空腔。所述多个弓形空腔相对于所述转子芯结构的外柱状壁大体上同心层叠。在第一与第二端区段之间延伸的每个弓形空腔都并置到所述转子结构的外柱状表面壁并且包括中央区段。多个永磁体插入到所述多个弓形空腔内。每个第一端区段都保持具有第一磁场强度的相应的第一永磁体。每个第二端区段都保持具有第一磁场强度的相应的第二永磁体。每个中心区段都保持具有第二磁场强度的相应的第三永磁体，所述第二磁场强度小于所述第一磁场强度。
本发明的实施方式构想了一种永磁同步电机，所述永磁同步电机包括定子和转子芯结构。所述转子芯结构与所述定子径向偏置并且与所述定子以空隙间隔开。所述转子芯结构具有柱状本体，所述柱状本体包括所述转子芯结构的外柱状壁。所述转子芯结构内形成有多个弓形空腔。所述多个弓形空腔相对于所述转子芯结构的外柱状壁大体上同心层叠。在第一与第二端区段之间延伸的每个弓形空腔都并置到所述转子结构的外柱状表面壁并且具有中央区段。多个永磁体插入到所述多个弓形空腔内。每个第一端区段都保持具有第一磁场强度的相应的第一永磁体。每个第二端区段都保持具有第一磁场强度的相应的第二永磁体。每个中央区段都保持具有第二磁场强度的相应的第三永磁体，所述第二磁场强度小于所述第一磁场强度。
方案1. 一种用于永磁同步电机的转子，包括：
具有柱状本体的转子芯结构，所述柱状本体包括并置到空隙的转子芯结构的外柱状壁；
在所述转子芯结构内形成的多个弓形空腔，所述多个弓形空腔相对于所述转子芯结构的外柱状壁大体上同心层叠，在第一与第二端区段之间延伸的每个弓形空腔都并置到所述转子结构的外柱状表面壁并且包括中央区段；以及
多个永磁体，所述多个永磁体插入到所述多个弓形空腔内；
其中每个第一端区段都保持具有第一磁场强度的相应的第一永磁体，其中每个第二端区段都保持具有第一磁场强度的相应的第二永磁体，并且其中每个中央区段都保持具有第二磁场强度的相应的第三永磁体，所述第二磁场强度小于所述第一磁场强度。
方案2. 如方案1所述的转子，其中后面弓形空腔层中的第一永磁体有角度地重叠前面弓形空腔层中的第一永磁体，其中所述前面空腔弓形空腔层与后面弓形空腔层的第一永磁体之间的有角度重叠的长度是基于由所述第一永磁体生成的朝向所述外柱状表面壁的磁通量流的优化来确定的。
方案3. 如方案2所述的转子，其中所述后面弓形空腔层中的第二永磁体有角度地重叠所述前面弓形空腔层中的第二永磁体，其中所述前面空腔弓形空腔层与后面弓形空腔层的第二永磁体之间的有角度重叠的长度是基于由所述第二永磁体生成的朝向所述外柱状表面壁的磁通量流的优化来确定的。
方案4. 如方案3所述的转子，其中每个后面与前面弓形空腔层之间的第一永磁体的有角度重叠和第三永磁体的有角度重叠防止由所述第一永磁体与第二永磁体生成的磁通量流朝向每个相应的弓形空腔层中的第三永磁体。
方案5. 如方案4所述的转子，其中相应的前面弓形空腔层中的第一永磁体相对于相应的后面弓形空腔层的第一永磁体起磁通量源的作用，并且其中所述相应的后面空腔弓形层的第一永磁体相对于所述相应的前面弓形空腔层的第一永磁体起磁通量接收器的作用，以便朝向所述外柱状表面壁导引由每个弓形空腔层的第一永磁体生成的磁通量流。
方案6. 如方案5所述的转子，其中所述相应的前面弓形空腔层中的第二永磁体相对于所述相应的后面弓形空腔层的第二永磁体起磁通量源的作用，并且其中所述相应的后面弓形空腔层的第二永磁体相对于所述相应的前面弓形空腔层的第二永磁体起磁通量接收器的作用，以便朝向所述外柱状表面壁导引由每个空腔层的第二永磁体生成的磁通量流。
方案7. 如方案6所述的转子，其中设置在所述相应的后面弓形空腔层中的第一永磁体有角度地重叠前面弓形空腔层中的第三永磁体，其中所述后面空腔弓形空腔层的第一永磁体与所述前面弓形空腔层的第三永磁体之间的有角度重叠的长度是基于所述第二永磁体的去磁降低的最小化来确定的。
方案8. 如方案7所述的转子，其中设置在所述相应的后面弓形空腔层中的第二永磁体有角度地重叠前面弓形空腔层中的第三永磁体，其中所述后面弓形空腔层的第二永磁体与所述前面弓形空腔层的第三永磁体之间的有角度重叠的长度是基于所述第二永磁体的去磁降低的最小化来确定的。
方案9. 如方案1所述的转子，其中所述第一和第二永磁体是稀土磁体并且所述第三永磁体是铁磁体。
方案10. 如方案1所述的转子，其中所述第一、第二和第三永磁体是稀土磁体。
方案11. 如方案1所述的转子，其中所述第一、第二和第三永磁体是铁磁体。
方案12. 如方案1所述的转子，其中所述第一、第二和第三永磁体是弓形的以便符合所述转子芯结构内的多个弓形空腔的形状。
方案13. 如方案1所述的转子，其中至少两个第三永磁体设置在每个弓形空腔层内。
方案14. 一种永磁同步电机，包括：
定子；
转子芯结构，所述转子芯结构与所述定子径向偏置并且与所述定子以空隙间隔开，所述转子芯结构具有柱状本体，所述柱状本体包括所述转子芯结构的外柱状壁；
在所述转子芯结构内形成的多个弓形空腔，所述多个弓形空腔相对于所述转子芯结构的外柱状壁大体上同心层叠，在第一与第二端区段之间延伸的每个弓形空腔都并置到所述转子结构的外柱状表面壁并且具有中央区段；以及
多个永磁体，所述多个永磁体插入到所述多个弓形空腔内；
其中每个第一端区段都保持具有第一磁场强度的相应的第一永磁体，其中每个第二端区段都保持具有第一磁场强度的相应的第二永磁体，并且其中每个中央区段都保持具有第二磁场强度的相应的第三永磁体，所述第二磁场强度小于所述第一磁场强度。
方案15. 如方案14所述的永磁同步电机，其中后面弓形空腔层中的第一永磁体有角度地重叠前面弓形空腔层中的第一永磁体，其中所述前面空腔弓形空腔层与后面弓形空腔层的第一永磁体之间的有角度重叠的长度是基于由所述第一永磁体生成的朝向所述空隙的磁通量流的优化来确定的。
方案16. 如方案15所述的永磁同步电机，其中所述后面弓形空腔层中的第二永磁体有角度地重叠所述前面弓形空腔层中的第二永磁体，其中所述前面空腔弓形空腔层与后面弓形空腔层的第二永磁体之间的有角度重叠的长度是基于由所述第二永磁体生成的朝向所述空隙的磁通量流的优化来确定的。
方案17. 如方案16所述的永磁同步电机，其中每个后面与前面弓形空腔层之间的第一永磁体的有角度重叠和第二永磁体的有角度重叠防止由所述第一永磁体与第二永磁体生成的磁通量流向每个相应的弓形空腔层中的第三永磁体。
方案18. 如方案17所述的永磁同步电机，其中相应的前面弓形空腔层中的第一永磁体相对于相应的后面弓形空腔层的第一永磁体起磁通量源的作用，并且其中所述相应的后面空腔弓形层的第一永磁体相对于所述相应的前面弓形空腔层的第一永磁体起磁通量接收器的作用，以便朝向所述空隙导引由每个弓形空腔层的第一永磁体生成的磁通量流。
方案19. 如方案14所述的永磁同步电机，其中所述第一和第二永磁体是稀土磁体并且所述第三永磁体是铁磁体。
方案20. 如方案14所述的永磁同步电机，其中所述第一、第二和第三永磁体是具有相同材料成分的磁体。
附图说明
图1是内部永磁体电动机的剖视图。
图2是去磁的内部永磁体电动机的剖视图。
图3是最小化去磁的内部永磁体电动机的剖视图。
具体实施方式
图1示出了永磁体电动机10的剖视图。永磁体电动机10包括联接到轴14的转子12。转子可包括任何数量的极(例如2、4、6等)。如图所示的剖视图示出了转子12的一个极(例如北极)。定子16与转子12径向偏置并且与所述转子12以空隙18间隔开。
转子12的功能是驱动联接到轴14的部件。定子16在被激励电压(例如，3相电源)激励时在电动机10内生成旋转磁场。起永磁体作用的转子通过由定子16生成的旋转磁场来锁定。转子12与旋转磁场一起旋转。当转子通过旋转磁场锁定时，电动机10被同步。
如图1所示的转子12采用内部永磁体20。应当理解的是，该电动机可以是任何类型的永磁体电动机并且不需要内部永磁体。内部永磁体20插入多个弓形空腔22内，所述多个弓形空腔22在转子12内形成。多个弓形空腔22以多层方式构造。所述多个弓形空腔22包括第一弓形空腔24、第二弓形空腔26、第三弓形空腔28以及第四弓形空腔30。弓形空腔中的每个都相对于转子12的外柱状壁31大体同心层叠。
每个弓形空腔都包括并置到转子12的外柱状表面壁31的第一端区段32和第二端区段34。每个弓形空腔都包括在第一端区段32与第二端区段34之间延伸的中央区段36。
内部永磁体20包括设置在每个空腔层的第一端区段32内并且生成具有第一磁场强度的磁场的第一磁体40以及设置在每个空腔层的第二端区段34内并且具有第一磁场强度的第二磁体42。第三磁体44设置在每个空腔层的第一磁体40与第二磁体42之间。第三磁体44生成具有第二磁场强度的磁场。由第一磁体40和第二磁体42生成的第一磁场强度大于由第三磁体44生成的第二磁场强度。第三磁体44可包括符合相应空腔的形状的单个弯曲磁体，或者第三磁体44可包括插入相应空腔层内的多于一个的永磁体。相应空腔层内采用的第三磁体44的数量可基于将第三磁体安装到相应空腔中的难易度。也就是说，由于空腔的曲率，采用较小磁体来简化安装可能是更高效和实际的。
与第三磁体44相比，第一和第二磁体40、42可具有不同材料成分或相同材料成分但具有不同磁场强度。例如，第一磁体40和第二磁体42可以是稀土磁体(例如，钕磁体)并且第三磁体44可以是铁磁体。备选地，第一磁体40、第二磁体42和第三磁体44可都是铁磁体或都是稀土磁体，其中与第三磁体44相比第一和第二磁体40、42具有较强磁场。磁体的总成本通过需要更少的较高磁场强度材料来降低。然而，除非适当地构造不同材料的相对位置，否则所得到的磁场可能不能有效地运转电动机。
采用双永磁体的问题是通过较强磁体的磁体去磁从而生成较弱磁场。如图2所示，如果磁体没有适当地定位在相应空腔层之间，那么由铁磁体生成的磁通量流将被邻近稀土磁体去磁。在图2中，稀土磁体40和铁磁体44都是北极磁体。由于通过稀土磁体40施加在铁磁体44上的磁场，来自稀土磁体的磁通量流反向离开空隙18。这通过大体上由箭头48示出的磁通量流来指示。因此，电动机损失扭矩和效率。
为了避免铁磁体的去磁，稀土磁体设置成使得随后空腔中的稀土磁体逐渐重叠前面空腔的铁磁体。如图3所示，第一空腔层24、第二空腔层26、第三空腔层28以及第四空腔层30每个都在第一和第二端区段32、34中含有稀土磁体40、42并且在中心中间区段36中含有铁磁体。第二空腔层26中的稀土磁体40、42有角度地重叠第一空腔层40中的铁磁体44。类似地，第三空腔层28的稀土磁体40、42有角度地重叠第二空腔层26的铁磁体44。与第一／第二空腔层相比，第二／第三空腔层之间有角度地重叠的长度逐渐增大。此外，第四空腔层30的稀土磁体40、42有角度地重叠第三空腔层28的铁磁体44。与第二／第三空腔层相比，第三／第四空腔层之间的有角度地重叠的长度逐渐增大。因此，空腔层中的每个都设计成前面空腔层的铁磁体与后面空腔层的稀土磁体渐进地逐渐有角度重叠。
用于实现每个空腔层的相应磁体之间的有角度重叠的长度的定位基于通过稀土磁体和铁磁体生成的磁通量流的优化。当由稀土磁体共同生成的磁通量流定向成垂直于稀土磁体并且进入空隙18时，指示相应的随后空腔层的稀土磁体到随后空腔层的稀土磁体的定位。这总体上由图3中的50标记。
另外，当定位相应的磁体时，还共同采用相应的随后空腔层的稀土磁体到前面空腔层的铁磁体的定位。当铁磁体的磁场的去磁最小化时，指示每个空腔层的相应磁体之间的重叠的最佳长度。如图3所示，如总体上用52标示的，磁通量流从铁磁体44的中心部分大体上垂直于铁磁体导向并且导向到空隙18。然而，如用54总体上示出的，铁磁体44的端区域处的磁通量流大体上朝向稀土磁体40、42导向。虽然端区域处的磁通量流不是大体上垂直于铁磁体并且在空隙18处导向，但是与图2所示的磁通量流相比铁磁体的去磁被最小化。通过确定提供铁磁体的最小去磁的磁体位置而实现了对相应空腔层之间的磁体的重叠长度的识别。与图2的磁体构造相比，图3中采用相应空腔层之间的磁体的逐渐和渐进重叠的构造，因此生成了电动机的改善的扭矩。因此，可以通过在此处描述的构造中采用具有不同磁场强度的两组磁体来降低与在转子内采用相同磁体-例如稀土磁体关联的成本。
虽然已经详细描述了本发明的某些实施方式，那些熟悉本发明所涉及领域的技术人员将会认识到用于实施所附权利要求限定的本发明的各种备选设计和实施方式。

Claims (10)

1.一种用于永磁同步电机的转子，包括：
具有柱状本体的转子芯结构，所述柱状本体包括并置到空隙的转子芯结构的外柱状壁；
在所述转子芯结构内形成的多个弓形空腔，所述多个弓形空腔相对于所述转子芯结构的外柱状壁大体上同心层叠，在第一与第二端区段之间延伸的每个弓形空腔都并置到所述转子结构的外柱状表面壁并且包括中央区段；以及
多个永磁体，所述多个永磁体插入到所述多个弓形空腔内；
其中每个第一端区段都保持具有第一磁场强度的相应的第一永磁体，其中每个第二端区段都保持具有第一磁场强度的相应的第二永磁体，并且其中每个中央区段都保持具有第二磁场强度的相应的第三永磁体，所述第二磁场强度小于所述第一磁场强度。
2.如权利要求1所述的转子，其中后面弓形空腔层中的第一永磁体有角度地重叠前面弓形空腔层中的第一永磁体，其中所述前面空腔弓形空腔层与后面弓形空腔层的第一永磁体之间的有角度重叠的长度是基于由所述第一永磁体生成的朝向所述外柱状表面壁的磁通量流的优化来确定的。
3.如权利要求2所述的转子，其中所述后面弓形空腔层中的第二永磁体有角度地重叠所述前面弓形空腔层中的第二永磁体，其中所述前面空腔弓形空腔层与后面弓形空腔层的第二永磁体之间的有角度重叠的长度是基于由所述第二永磁体生成的朝向所述外柱状表面壁的磁通量流的优化来确定的。
4.如权利要求3所述的转子，其中每个后面与前面弓形空腔层之间的第一永磁体的有角度重叠和第三永磁体的有角度重叠防止由所述第一永磁体与第二永磁体生成的磁通量流朝向每个相应的弓形空腔层中的第三永磁体。
5.如权利要求4所述的转子，其中相应的前面弓形空腔层中的第一永磁体相对于相应的后面弓形空腔层的第一永磁体起磁通量源的作用，并且其中所述相应的后面空腔弓形层的第一永磁体相对于所述相应的前面弓形空腔层的第一永磁体起磁通量接收器的作用，以便朝向所述外柱状表面壁导引由每个弓形空腔层的第一永磁体生成的磁通量流。
6.如权利要求5所述的转子，其中所述相应的前面弓形空腔层中的第二永磁体相对于所述相应的后面弓形空腔层的第二永磁体起磁通量源的作用，并且其中所述相应的后面弓形空腔层的第二永磁体相对于所述相应的前面弓形空腔层的第二永磁体起磁通量接收器的作用，以便朝向所述外柱状表面壁导引由每个空腔层的第二永磁体生成的磁通量流。
7.如权利要求6所述的转子，其中设置在所述相应的后面弓形空腔层中的第一永磁体有角度地重叠前面弓形空腔层中的第三永磁体，其中所述后面空腔弓形空腔层的第一永磁体与所述前面弓形空腔层的第三永磁体之间的有角度重叠的长度是基于所述第二永磁体的去磁降低的最小化来确定的。
8.如权利要求7所述的转子，其中设置在所述相应的后面弓形空腔层中的第二永磁体有角度地重叠前面弓形空腔层中的第三永磁体，其中所述后面弓形空腔层的第二永磁体与所述前面弓形空腔层的第三永磁体之间的有角度重叠的长度是基于所述第二永磁体的去磁降低的最小化来确定的。
9.如权利要求1所述的转子，其中所述第一和第二永磁体是稀土磁体并且所述第三永磁体是铁磁体。
10.一种永磁同步电机，包括：
定子；
转子芯结构，所述转子芯结构与所述定子径向偏置并且与所述定子以空隙间隔开，所述转子芯结构具有柱状本体，所述柱状本体包括所述转子芯结构的外柱状壁；
在所述转子芯结构内形成的多个弓形空腔，所述多个弓形空腔相对于所述转子芯结构的外柱状壁大体上同心层叠，在第一与第二端区段之间延伸的每个弓形空腔都并置到所述转子结构的外柱状表面壁并且具有中央区段；以及
多个永磁体，所述多个永磁体插入到所述多个弓形空腔内；
其中每个第一端区段都保持具有第一磁场强度的相应的第一永磁体，其中每个第二端区段都保持具有第一磁场强度的相应的第二永磁体，并且其中每个中央区段都保持具有第二磁场强度的相应的第三永磁体，所述第二磁场强度小于所述第一磁场强度。
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