CN103986295A - 内置永磁体电机 - Google Patents

Abstract

内置永磁体电机包括定子，该定子包括多个电导体。内置永磁体电机还包括相对于定子同心布置的转子。转子构造为相对于定子绕旋转轴线旋转，且包括多个极性件，所述极性件绕旋转轴线环形地布置。极性件的至少一个包括磁性层，所述磁性层构造为与电导体磁性地相互作用。磁性层具有大体锥形截面形状。

Description

内置永磁体电机

技术领域

本公开涉及内置永磁体（IPM）电机以及用于制造其的方法。

背景技术

内置永磁体（IPM）电机是无刷电马达，其具有嵌入在其转子芯部中的永磁体。永磁体电马达通常是可靠的，轻的且热高效的。但是过去，永磁体主要用在小的、低功率电马达上，这是由于与找到能够保持高强度磁场的材料相关的相对难度，以及技术处于初级阶段。

材料技术的最近进步使得能够制造低成本高强度永磁体。这些技术进步有助于用于大量应用的紧凑、高功率永磁电机的开发，诸如用于推进车辆，即混合动力或电动车辆。IPM电机特别地通常特征在于，具有有利的输出扭矩对马达物理尺寸的比，以及减小的输入电压。IPM电机通常是可靠的，大部分是因为永磁体保持在电机转子的专用槽内。当由外部源供有发动能量（motive energy）时，IPM电机可还用作发电机。因此，IPM电机已经在运输工业中作为用于电动和混合动力电动车辆的可行发电站而获得接受。

发明内容

本发明涉及内置永磁电机。在一实施例中，内置永磁体电机包括定子，该定子包括多个电导体。内置永磁体电机还包括相对于定子同心布置的转子。转子构造为相对于定子绕旋转轴线旋转，且包括多个极性件，所述极性件绕旋转轴线环形地布置。极性件的至少一个包括磁性层，所述磁性层构造为与电导体磁性地相互作用。磁性层具有大体锥形截面形状。

在一实施例中，磁性层包括第一永磁体和第二永磁体。第一和第二永磁体一起限定基本上锥形的截面形状。第一和第二永磁体可以是连结磁体。磁性层限定的基本上锥形截面形状可以是基本上抛物线的形状、基本上双曲线的形状或基本上半椭圆的形状。

转子可包括第一磁性层和第二磁性层。第二磁性层包括第三永磁体和第四永磁体。第三永磁体和第四永磁体可一起限定基本上半椭圆的形状。转子可还包括第三磁性层，第三磁性层包括第五永磁体和第六永磁体。第五和第六永磁体可限定基本上双曲线的形状。转子可还包括极内桥，极内桥将第一永磁体与第二永磁体分开。气隙可限定在旋转体和定子之间。通过第一磁性层或第二磁性层限定的基本上锥形截面形状的焦点可定位在气隙中。极内桥可沿中心极轴线为细长的，该中心极轴线与旋转轴线和焦点相交。

本发明还涉及车辆。在一实施例中，车辆包括传动系和操作地连接至该传动系的内置永磁体电机。内置永磁体电机包括定子，该定子包括多个电导体。内置永磁体电机可还包括旋转体，其至少部分地布置在定子内且构造为相对于定子旋转。旋转体包括多个磁性层。每个磁性层具有基本上锥形截面形状，该锥形截面形状具有定位在定子和旋转体之间的焦点。每个磁性层包括第一弯曲永磁体和第二弯曲永磁体。

在一实施例中，第一和第二弯曲永磁体可以是连结磁体。每个磁性层可仅包括第一和第二弯曲永磁体。第一弯曲磁体可以是第二弯曲永磁体的镜像。每个磁性层限定的锥形截面形状可以是基本上半椭圆的形状、基本上双曲线的形状或基本上抛物线的形状的组选择。磁性层可具有基本上不同的形状。磁性层可具有基本上相同的形状。

本公开还涉及制造内置永磁体电机的方法。在一实施例中，方法包括将第一连结磁体布置在转子的第一旋转体腔体中，将第二连结磁体布置在转子的第二旋转体腔体中。第一和第二连结磁体一起限定基本上锥形截面形状，诸如基本上抛物线形状、基本上双曲线形状或基本上半椭圆形状。

在一实施例中，方法还包括将第三连结磁体布置在旋转体的第三旋转体腔体中，将第四连结磁体布置在旋转体的第四旋转体腔体中。第三和第四连结磁体可一起限定一形状，其不同于通过第一和第二连结磁体一起限定的基本上锥形截面形状。

在一实施例中，方法可还包括将第三连结磁体布置在旋转体的第三旋转体腔体中，将第四连结磁体布置在旋转体的第四旋转体腔体中。第三和第四连结磁体可一起限定一形状，其与通过第一和第二连结磁体一起限定的基本上锥形截面形状基本上相同。

本发明的上述特征和优势及其他特征和优势将从用于实施如所附的权利要求中定义的本发明的一些最佳模式和其它实施例的以下详细描述连同附图时显而易见。

附图说明

图1是包括内置永磁体电机的车辆的示意图;

图2是在图1中大体示出的内置永磁体电机的前横截面视图；和

图3是在图2中示出的内置永磁体电机的极性件的放大横截面视图。

具体实施方式

参考附图，其中相同的附图标记表示相同的部件，图1示出车辆10，车辆10包括构造为推进车辆10的内置永磁（IPM）马达或电机12。IPM电机12可构造为提供扭矩或力给车辆10的另外的部件，由此推进车辆12。除了推进车辆10，IPM电机12可用于为其他适当设备提供动力。IPM电机12可以是无刷马达，且包括六个大体相同的互连段12A，所述互连段沿旋转轴线X并排布置，该轴线沿IPM电机12的长度限定。但是，可以设想IPM电机12可包括更多或更少段12A。互连段12A的数量与IPM电机12能够产生用于为车辆10提供动力的扭矩直接有关。

车辆10包括传动系14，传动系具有变速器和驱动轴（未示出）。传动系14经由一个或多个适当联接器操作地连接在IPM电机12和从动轮16之间，该联接器诸如恒定速度和万向接头（未示出）。IPM电机12和传动系14之间的操作性连接允许IPM电机12将扭矩供应给从动轮16，以便推进车辆10。

除了传动系14，车辆10包括能量存储装置18，能量存储装置构造为供应电能给IPM电机12和其他车辆系统（未示出）。为此，能量存储装置18电连接到IPM电机12。由于该电连接，IPM电机12构造为从能量存储装置18接收电能，且可当被车辆10的动能源（在IPM电机12之外）驱动时用作发电机。这样的外部动能可以例如被内燃机（未示出）提供，或经由车辆惯性体被从动轮16提供。

图2显示了图1中大体示出的IPM电机12的一部分的横截面视图。IPM电机12包括具有孔22的定子20和布置在孔22中的电导体24。电导体24电连接到能量存储装置18（图1）。该电连接允许能量存储装置18（图1）供应电能给电导体24。定子20可具有大体环形形状，且可围绕旋转轴线X布置。此外，定子20可限定外定子表面23和与外定子表面23相反的内定子表面25。外定子表面23和内定子表面25二者可限定围绕旋转轴线X的周边。孔22可布置为比外定子表面23更靠近内定子表面25，且每个形状和尺寸可确定为接收一个或多个电导体24。如在此所用的，术语“孔”包括但不限于，缝隙、槽、开口或在定子20中构造和成形为接收至少一个电导体24的任何腔体。电导体24可由适当导电材料制成，诸如金属材料，例如铜和铝。电导体24可构造为棒或绕组，且可具有任何适当形状，诸如大体矩形、立方形和柱形形状。无论其形状，每个电导体24的形状和尺寸确定为被接收在一个孔22中。尽管附图显示了孔22包含两个电导体24，但每个孔22可包括更多或更少的电导体24。

IPM电机12还包括转子26，转子围绕旋转轴线X布置，且布置在定子20内。定子20可与转子26同心地布置。转子26可完全或部分地由金属材料形成，诸如不锈钢，可具有大体环形的形状，且限定多个转子腔体30和布置在转子腔体30内的多个弯曲永磁体32。弯曲永磁体32严密地适配在旋转体腔体30中，且包括稀土元素的合金，诸如钕、钐、或其他任何适当铁磁性材料。适当的铁磁性材料包括钕铁硼（NdFeB）合金和钐钴（SmCo）合金。弯曲永磁体32可围绕旋转轴线X环形地布置，且构造为与电导体24磁性地相互作用。在IPM电机12的操作期间，响应于在电导体24和弯曲永磁体32之间形成的磁通，转子26相对于定子20绕旋转轴线X回转，由此产生驱动扭矩以为车辆10提供动力。

在所示实施例中，转子26限定外转子端27和与外转子端27相对的内转子端29。外转子端27和内转子端29二者均可限定绕旋转轴线X的圆周。IPM电机12可限定内定子表面25和外转子端部27之间的气隙31。气隙31可具有大体环形形状和绕转子26的跨距。转子26包括多个极片（？）42，所述极性件绕转子中心C环形布置，该中心可与旋转轴线X重合。尽管附图示出八个极性件42，但转子26可包括更多或更少的极性件42。极间桥44使顺序的极性件42分开，且可沿各极间轴线46为细长的。每个极间轴线46延伸通过旋转体中心C且基本通过各极间桥44的中部，且限定两个连续极性件42之间的划分部。顺序的极性件42具有相反的极性。每个极性件42还限定中心极轴线49，中心极轴线延伸通过旋转体中心C和大致通过所述极性件42的中部。每个极性件42的中心极轴线49可还与旋转轴线X相交。

参考图3，每个极性件42包括多个弯曲永磁体32，它们布置在沿径向方向彼此间隔的磁性层48、50和52中，径向方向通过箭头R指示。具体地，每个极性件42包括第一磁性层48、第二磁性层50和第三磁性层52。尽管附图示出三个磁性层48、50和52，但每个极性件42可包括更多或更少磁性层。每个磁性层48、50或52可包括一对弯曲永磁体32，它们沿切向方向彼此间隔，所述切向方向通过箭头T指示。切向方向（如箭头T所指示）可基本垂直于径向方向（通过箭头R指示）。尽管附图示出每个磁性层48、50和52仅具有两个弯曲永磁体32，但磁性层48、50和52可每个包括更多或更少的弯曲永磁体32。每个弯曲永磁体32可以是单片结构。

所有或一些弯曲永磁体32可以是连结磁体。如在此所用的，术语“连结磁体”不包括烧结磁体。烧结磁体通过在炉子中熔化原材料、将熔化原材料铸造到模子中，且将原材料冷却以形成锭子而制备。锭子然后被制成粉，最终的粉末随后经历液相烧结过程，由此，粉末磁性地排列成密实块体。这些块体然后被热处理、切割成形、表面处理并磁化。相反，为了制造连结磁体，铁磁性材料（诸如钕合金）的薄带被熔纺。该带然后被制成粉，与聚合物混合，且然后压制或注射模制成连结磁体。连结磁体提供比烧结磁体更小的磁通，且因此没有烧结磁体那么有力。但是，连结磁体可成形为复杂形状零件，且比烧结磁体经受更低的涡流损失。

重要的是形成复杂形状的永磁体（诸如弯曲磁体32），以增加IPM电机12的磁阻扭矩，且因此最大化其功率输出。因此，磁性层48、50或52的至少一个具有大体锥形的截面形状。如在此所用的，术语“锥形截面形状”包括大体的抛物线、大体的双曲线和大体的半椭圆形状，并排除大体的半圆形状。尽管严格数学意义上，术语“半椭圆形状”可包括半圆形状，如在此所用的，但术语“半椭圆形状”排除半圆形状。类似地，在本公开中，术语“大体的半椭圆形状”排除大体的半圆形状。由于它们的大体的锥形截面形状，磁性层48、50、52可更远地布置到内置转子端部29中，由此改善IPM电机12的磁阻扭矩。

第一磁性层48可仅包括布置在第一转子腔室30A中的第一永磁体32A和布置在第二转子腔室30B中的第二永磁体32B。但是，第一磁性层48可包括更多或更少的弯曲永磁体32。第一极内桥34将第一永磁体32A与第二永磁体32B沿箭头T所指的切向方向分开。此外，第一极内桥34可沿中心极轴线49为细长的，且增强转子26的结构整体性。

在所示实施例中，第一永磁体32A和第二永磁体32B可一起限定基本上抛物线的形状。相应地，第一磁性层48可具有基本上抛物线形状。第一磁性层48的基本上抛物线形状可绕中心或焦点F限定。焦点F可位于气隙31中，且是由第一永磁体32A和第二永磁体32B共同限定的抛物线的焦点。中心极轴线49与焦点F相交，且与由第一永磁体32A和第二永磁体32B共同限定的抛物线的对称轴线重合。这样，第一永磁体32A可以是第二永磁体32B的镜像。第一极内桥34布置在第一永磁体32A和第二永磁体32B之间，且限定由第一磁性层48限定的抛物线的顶点。第一磁性层48可替换地具有基本双曲线或基本半椭圆形状。在任一情况下，焦点F可限定由第一永磁体32A和第二永磁体32B共同限定的双曲线或半椭圆的焦点，且中间极轴线49可限定由第一磁性层48限定的双曲线或抛物线的对称轴线。

第二磁性层50的至少一部分布置为比第一磁性层48更靠近内转子端部29。第二磁性层50可仅包括布置在第三转子腔室30C中的第三永磁体32C和布置在第四转子腔室30D中的第四永磁体32D。但是，可以设想第二磁性层50可包括更多或更少永磁体。第二极内桥54将第三永磁体32C与第四永磁体32D沿箭头T所指的切向方向分开。此外，第二极内桥54可沿中心极轴线49为细长的，且增强转子26的结构整体性。

在所示实施例中，第三永磁体32C和第四永磁体32D一起限定基本上半椭圆的形状。相应地，第二磁性层50可具有基本上半椭圆形状。焦点F是通过第二磁性层50限定的半椭圆的焦点，中心极轴线49是通过第二磁性层50限定的半椭圆的对称轴线。这样，第三永磁体32C是第四永磁体32D的镜像。第二极内桥54布置在第三永磁体32C和第四永磁体32D之间，且限定通过第二磁性层50限定的半椭圆的顶点。第二磁性层50可替换地具有基本抛物线或基本双曲线形状。在任一情况下，焦点F可限定通过第二磁性层50限定的抛物线或双曲线的焦点，中心极轴线49限定通过第二磁性层50限定的抛物线或双曲线的对称轴线。

第三磁性层52的至少一部分布置为比第二磁性层50更靠近内转子端部29。第三磁性层52包括布置在第五转子腔室30E中的第五永磁体32E和布置在第六转子腔室30F中的第六永磁体32F。尽管附图显示第三磁性层52仅具有两个永磁体，但第三磁性层52可包括更多或更少永磁体。第三极内桥56将第五永磁体32E与第六永磁体32F沿箭头T所指的切向方向分开。此外，第三极内桥56可沿中心极轴线49为细长的，且增强转子26的结构整体性。

第五永磁体32E和第六永磁体32F一起限定基本上双曲线的形状。相应地，第三磁性层52具有基本上双曲线形状。焦点F是通过第三磁性层52限定的双曲线的焦点，中心极轴线49是通过第三磁性层52限定的双曲线的对称轴线。由此，第五永磁体32E是第六永磁体32F的镜像。第三极内桥56布置在第五永磁体32E和第六永磁体32F之间，且限定通过第三磁性层52限定的双曲线的顶点。代替基本上双曲线形状，第三磁性层52可具有基本上的半椭圆或抛物线形状。在任一情况下，焦点F可限定通过第三磁性层52限定的半椭圆或抛物线的焦点，中心极轴线49可限定通过第三磁性层52限定的半椭圆或抛物线的对称轴线。

尽管图3示出具有三种不同形状的磁性层的极性件42，但转子26的任何极性件42可包括基本相同形状的磁性层。例如，任何极性件42可包括三个磁性层，每个磁性层具有大体抛物线的形状。可设想，任何极性件42可包括具有基本相同形状的两个磁性层，和具有不同形状的第三磁性层。例如，极性件42的一个可包括具有基本双曲线形状的两个磁性层，和具有基本半椭圆形状的第三磁性层。替换地，极性件42的一个或多个可包括具有基本抛物线形状的两个磁性层，和具有基本双曲线形状的第三磁性层。任何极性件42可还包括磁性层，每个磁性层具有基本不同的形状。

还设想，磁性层可设置在关于旋转体中心C的不同位置处。例如，第三磁性层52的至少一部分可布置为比第一磁性层48的任何其他部分更靠近外转子端部27。另外，极性件42可包括第一磁性层48、第二磁性层50和第三磁性层52的不同组合。

本公开还涉及制造IPM电机12的方法。通过使用连结的永磁体，制造过程被简化，且因此制造成本最小化。在示例性实施例中，制造IPM电机12的方法包括将第一连结磁体（诸如第一永磁体32A）布置在转子26的第一旋转体腔体30A中；以及将第二连结磁体（诸如第二永磁体32B）布置在第二旋转体腔体30B中。在该方法中，第一和第二连结磁体（诸如第一和第二永磁体32A、32B）一起限定基本上锥形的截面形状。该基本上锥形的截面形状可为基本上抛物线形状、基本上双曲线形状或基本上半椭圆形状。该制造方法可还包括将第三连结磁体（诸如第三永磁体32C）布置在第三旋转体腔体30C中，和将第四连结磁体（诸如第四永磁体32D）布置在第四旋转体腔体30D中。第三和第四连结磁体（诸如第三和第四永磁体32C、32D）一起限定一形状，该形状与由第一和第二连结磁体（诸如第一和第二永磁体32A、32B）一起限定的基本上锥形截面形状基本上相同。替换地，第三和第四连结磁体（诸如第三和第四永磁体32C、32D）可一起限定一形状，该形状与由第一和第二连结磁体（诸如第一和第二永磁体32A、32B）一起限定的形状不同。

详细描述和附图或视图支持和描述本发明，但是本发明的范围仅由权利要求限定。尽管已详细描述了用于执行要求保护的发明的最佳模式和其他实施例，存在各种替换涉及和实施例，用于实践限定在所附权利要求中的本发明。

Claims (10)

1.一种内置永磁体电机，包括：

定子，包括多个电导体；和

转子，相对于定子同心地布置，所述转子构造为相对于定子绕旋转轴线旋转，且包括多个极性件，所述极性件绕旋转轴线环形地布置，所述极性件的至少一个包括磁性层，所述磁性层构造为与电导体磁性地相互作用，其中，磁性层具有基本上锥形的截面形状。

2.如权利要求1所述的内置永磁体电机，其中，磁性层包括第一永磁体和第二永磁体，所述第一和第二永磁体一起限定基本上锥形的截面形状。

3.如权利要求2所述的内置永磁体电机，其中，所述第一和第二永磁体是连结磁体。

4.如权利要求2所述的内置永磁体电机，其中，该基本上锥形截面形状从包括基本上抛物线的形状、基本上双曲线的形状和基本上半椭圆的形状的组选择。

5.如权利要求4所述的内置永磁体电机，其中，磁性层是第一磁性层，且转子还包括第二磁性层，该第二磁性层包括第三永磁体和第四永磁体。

6.如权利要求5所述的内置永磁体电机，其中，所述第三永磁体和第四永磁体一起限定基本上半椭圆的形状。

7.如权利要求6所述的内置永磁体电机，其中，转子还包括第三磁性层，所述第三磁性层包括第五永磁体和第六永磁体，所述第五和第六永磁体限定基本上双曲线的形状。

8.如权利要求2所述的内置永磁体电机，其中，转子还包括极内桥，所述极内桥将第一永磁体与第二永磁体分开。

9.如权利要求8所述的内置永磁体电机，其中，气隙限定在旋转体和定子之间，基本上锥形截面形状的焦点定位在气隙中。

10.如权利要求9所述的内置永磁体电机，其中，极内桥沿中心极轴线为细长的，该中心极轴线与旋转轴线和焦点相交。