CN103891105B - 旋转电机的转子、以及包括该转子的旋转电机 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的转子(1)包括多个交替的北极(N)和南极(S)，所述的多个南北极由多个具有径向的多边形区段并且布置在第一凹进(4)中的永磁体(3)形成。这些第一凹进轴向延伸，并且在转子的磁物质(2)的中心部分(6)和周向部分(5)之间均匀分布，以限定多个周向的极区段。依据本发明，径向区段包括靠近周向部分的基本矩形的部分(8)，该基本矩形的部分邻接靠近中心部分的基本梯形部分(7)。根据转子的另一个特征，在径向方向的梯形部分的第一高度(h)与矩形部分的第二高度(H)的比(R)以最大化电机效率的方式预先确定。

Description

旋转电机的转子、以及包括该转子的旋转电机
技术领域
本发明涉及一种设计用于旋转电机的具有永磁体的转子。
本发明还涉及一种包括这种类型的转子的旋转电机，特别是用于电动和混合动力汽车中的诸如电动牵引电机或配件电机的应用。
背景技术
因为在比功率和功率密度方面不断提升的性能，现今的具有永磁体的同步电机在机动车辆的领域中具有广泛应用。
这些电机能够被生产为具有广泛的功率和速度，并且这些电机在“全电动”类型的车辆中以及在所谓的“微混”和“全混”类型的具有低CO2排放的车辆中都有应用。
“微混”应用通常涉及大约8-20千瓦的电机，例如安装在热发动机的前表面并且通过传动带耦合到后者的电机。由于这种类型电机的使用，通过提供供给辅助功率的电机转矩协助，特别是当转速提高时，可以降低热发动机的容量(“发动机小型化”)。此外，例如在城市环境中，低速的牵引也可通过同样的电机保证。
“全混”类型的应用通常涉及30-50千瓦的电机，其用于串联式和/或并联式的构架，并具有电机(或多个电机)在车的牵引链中的更好的集成度。
具有永磁体的本机器的非凡的性能水平很大程度上是由于可具有超特斯拉水平的剩磁的钕铁硼(NeFeB)、钐铁(SmCo)、或钐钴(SmCo)的稀土磁体的开发。
然而，包括具有所谓的“汇流”结构的具有永磁体的机器从前就可以通过使用具有更低剩磁的磁体来获得大量的磁流量，例如从烧结或粘结的铁氧体获得的磁体。
并且在以前，这种类型的结构的尺寸特性和磁特性通过进行很多试验或通过最近的比如用于改善机器的电性能的计算机仿真而已经被优化了。
具有永磁体的转子的磁极和磁体的尺寸优化的实例于1971年在专利发明FR2.084.279中被公开。
由于与不利的地理政治局势相关的稀土磁体的价格的上升，磁体的尺寸优化最近再一次变为关注的主题。
由于在设计用于机动车辆应用的电机转子中使用稀土磁体在经济上不再可行，并且或许是不可持续的，其他替代物由基于铁氧体的磁体组成。
然而，由于铁氧体的剩磁或感应低于稀土磁体的情况，需要增加磁体的铁氧体的体积以获得相同的磁流量。
由于施加的磁的限制，将意识到在给定大小的转子中不可能无限增加铁氧磁体的体积。
发明内容
本发明的目的从而是从而优化转子磁体的体积，以最大化机器的性能，同时符合规定的尺寸和机械限制。
具体地，其目的是包括多个交替的的南极和北极、由多个布置在第一凹进中的永磁体形成的旋转的转子。
这些第一凹进轴向延伸，并且在转子的磁物质的周向部分和中心部分之间均匀分布，以比如限定多个周向的极区段。
正被讨论的转子类型的永磁体具有多边形的径向区段。
根据本发明，永磁体的径向区段包括靠近周向部分的基本矩形的部分该基本矩形的部分邻接靠近中心部分的基本梯形的部分，且在径向上梯形部分的第一高度h与矩形部分的第二高度H的比值R在0.25到0.70之间，并且该比值R被预先确定以比如最大化所述电机的性能。
根据本发明的转子的极区段的每个优选地由轴向延伸的中心舌部径向地固持，并且在连贯的第一凹进的两个之间形成区分件。
在该情况下，矩形部分在周向上的宽度L预先确定以比如在机器运转期间舌部经受的机械应力σ的极限σ0内最大化永磁体的每个的体积。
更特别地，在舌部经受的机械应力σ的相同的极限σ0内根据舌部的预先确定的最小厚度E，表示磁体区段性质的高度h/H的比具有上限。
优势将来源于根据本发明的旋转电机的转子的永磁体由铁氧体组成的事实。
根据特定的实施例，根据本发明的转子在中心部分和周向部分之间的转子的中间部分还附加地包括多个轴向延伸、并且布置在永磁体之间的第二凹进。
根据另一个特定的实施例，该转子的周向部分至少部分地相对于永磁体径向打开。
本发明还涉及一种包括具有上述特征的转子的旋转电机。
这些少量的基本说明将使本领域的技术人员明白由根据本发明的旋转电机的转子以及对应的电机提供的相比于现有技术的优势。
在下面的说明书和附图中提供有本发明的详细的说明。应当注意到这些附图仅仅用于说明书中的文字的图示，并且不以任何方式构成对本发明范围的限制。
附图说明
图1示出了根据本发明的具有永磁体的转子在径向横截面的简化视图。
图2示出了对于恒定的发动机转矩，根据表示这些永磁体的径向区段的特性的高度的比的包括具有根据本发明的类型的永磁体的转子的电机的定子电流的变化。
图3示出了对于恒定的发动机转矩，根据表示这些永磁体的径向区段的特性的高度的比的在运行期间，由径向维持具有根据本发明的类型的永磁体的转子的极区段的舌部经受的机械应力的变化。
具体实施方式
在图1中示出的具有在本发明的优选实施例中的永磁铁的转子1的简化的径向横截面清晰的展示了在周向部分5和中心部分6之间均匀分布的第一凹进4中的永磁体3在磁物质2中的布置，以比如形成多个交替的北极N和南极S。
包括这种类型转子的机器的具体的实施例是例如用于所谓的“微混”类型的机动车辆应用的8-20千瓦的电动机/发电机。
在该机器用作电动机的模式下，该机器可被设计用于热发动机的启动、热发动机的转矩协助、以及用于车辆在低速时的电动牵引。
本就该机器的特定实施例，包括10个永磁体3的转子1在具有多个槽口的定子(未示出)中旋转。
定子和转子1以使用多套形成磁物质2的金属盘的常规方式生产。
定子中的槽口设计为接收定子绕组(未示出)，并且形成于多个定子齿的一个和另一个之间。根据实施例，槽口将被设计为容纳卷绕到大齿上的集中绕组或分布式绕组。
定子电流穿过定子绕组，从而产生了驱动转子1的旋转磁场。供给的发动机转矩特定地依赖于转子1中的磁场流和定子电流Is的强度。
如前文所述，铁氧体对稀土磁体的代替需要更多的大体积磁体以在转子1中获得相似的磁流量。
为了维持对于相同定子电流强度Is的相同发动机转矩的目的，因此铁磁体的体积必须被优化。
根据现有技术已知的具有汇流的转子通常包括具有布置在等角度轴平面上的矩形直段的磁条。
因此，根据周向方向的条的宽度由转子的中心部分的圆形区段的跨度的长度限制，但是条仅占据了磁物质在周向部分的很小部分。
为了最大化磁体3的体积的目的，本发明因此建议提供磁体3靠近转子1的中心部分6的部分呈楔形的形状。
从而，磁体3在转子1中的径向部分具有靠近转子1的中心部分的基本上梯形的部分7，和靠近周向部分5的基本上矩形的部分8。
对于包括具有形为楔形的磁体3的转子1的电机的测试和计算机仿真，使得发明人考虑在径向方向梯形部分7的第一高度h与矩形部分的第二高度H的比R是影响机器电性能的参数。
图2示出了为了获得根据测试机器的高度h/H的比R的相同的发动机转矩所必须的定子电流Is。
可以发现在定子强度最小处高度h/H的比的值的范围ΔR：实际上，在这个例子中，ΔR在0.25到0.7之间，该强度Is约为140A，但是当磁体3的区段趋向矩形区段(R＝0)时，该强度Is趋向超过175A的强度。
在运行过程中转子1承受的机械应力也已经被发明体所考虑，以优化磁体3的体积。
在示于图1的转子1的特别的实施例中，磁体3的区段的基本的梯形部分7的侧面位于平行于转子1的轴平面的平面上(大的底座和小的底座基本位于平行于转子1的切向平面)。
容纳磁体3的第一凹进4从而由形成具有厚度E的区分件的中心舌部9隔开，该厚度E选为较小值以最小化经由转子的中心部分6的流的泄漏。在该特别的实施例中，厚度E为常量，但是需要注意到其在某些实施例中可以是变量。
这些舌部9径向地固持在磁物质2中由第一凹进4限定的周向的极区段10。
极区段10本身径向地固持磁体3，并且舌部9必须具有经受来源于转子1的旋转对磁体3和极区段10的作用的向心力所需的最小机械强度。
磁体3的宽度L和舌部9的厚度E是由于几何原因而反向变化的两个参数。在提供足够的舌的厚度E以允许其经受机械应力σ的情况下，因此宽度L增大以最大化磁体3的体积，。
由于相同的几何原因，高度h/H的比R影响舌部9经受的机械应力σ的水平，如图3所示。
在该例子中，应考虑的是不可超过的极限σ0约为250MPa。高度h/H的比R不可超过约为1的R0的值。
根据本发明的转子1非常有利地包括多个第二凹进11，其布置在极区段10中，如在图1中清晰地示出。
这些第二凹进11除了对转子1中的磁场的控制所贡献的功能之外，其还减少了极区段10的质量，并且从而降低了舌部9由于这些极区段10而经受的机械应力σ，从而可以同时增大磁体3的质量。
根据本发明的转子1的第一凹进4优选地包括朝向磁物质2的外围的开口12。
这些开口具有以下效果：增大磁路的这些部分的磁阻，并且从而限制了磁体3的泄漏流，同时还贡献了转子1的周向部分5的质量的减少，从而使得可以增加磁体3的质量，而同时将舌部9经受的机械应力保持在极限σ0内。
应当意识到本发明不仅限于上述的优选实施例。
特别地，具有包括矩形部分8和梯形部分7的径向段的磁体3有利地由两个并列的条组成，一个具有矩形直段，第二个具有梯形直段。
基于不同于上述所说明的、并且对应于包括所描述的类型的转子的旋转电机的其他测试或仿真的数值的其他实施例不会超出根据下面的权利要求得到的本发明的范围。

Claims (7)

1.一种旋转电机的转子(1)，其包括多个交替的北极(N)和南极(S)，所述的北极和南极由布置第一凹进(4)中的多个永磁体(3)形成，所述第一凹进(4)轴向延伸且在所述的转子(1)的磁物质(2)的周向部分(5)和中心部分(6)之间均匀分布，以限定多个周向的极区段(10)，所述永磁体(3)具有多边形的径向区段，其特征在于所述径向区段包括靠近所述周向部分(5)的基本上矩形的部分(8)，该基本上矩形的部分(8)邻接靠近所述中心部分(6)的基本上梯形的部分(7)，且在径向方向上所述梯形部分(6)的第一高度h与所述矩形部分(7)的第二高度H的比R在0.25和0.70之间，并且所述的比预先确定以最大化所述电机的性能。
2.根据权利要求1所述的旋转电机的转子(1)，其特征在于所述极区段(10)的每个由轴向延伸并且形成在相继的两个所述第一凹进(4)之间的区分件的中心舌部(9)径向地固持。
3.根据前述权利要求2所述的旋转电机的转子(1)，其特征在于所述矩形部分(8)在周向方向的宽度L预先确定，以在所述中心舌部(9)经受的机械应力σ的限制σ0内最大化所述永磁体(3)的每个的体积。
4.根据前述权利要求1-3的任意一项所述的旋转电机的转子(1)，其特征在于所述永磁体(3)由铁氧体组成。
5.根据前述权利要求1-3的任意一项所述的旋转电机的转子(1)，其特征在于所述转子在所述中心部分(6)和所述周向部分(5)之间的所述转子的中间部分包括多个轴向延伸、并且在布置在所述永磁体之间的第二凹进(11)。
6.根据前述权利要求1-3的任意一项所述的旋转电机的转子(1)，其特征在于所述周向部分(5)至少部分地和所述永磁体(3)相对地径向打开。
7.旋转电机，其特征在于所述的旋转电机包括根据前述权利要求1-6的任意一项所述的转子(1)。
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