CN105191087B - 具有永磁体的同步电马达 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有永磁体的同步电马达(1、11)，包括绕线定子(11)和转子(1)，所述定子包括轴向延伸的定子齿(13)，所述定子齿形成在框架(10)中，所述转子包括多个在柱形头部(2)的第一凹部(4)中轴向地延伸的永磁体(3)。根据本发明，转子(1)的第一外直径(D1)与定子(11)的第二外直径(D2)的尺寸比被预先确定为使得，马达提供最佳的效率。根据另外的特征，尺寸比预先确定为使得由焦耳效应导致的定子损失减小到最小。本发明可应用于机动车辆的电动压缩机中。

Description

具有永磁体的同步电马达
技术领域
本发明涉及具有永磁体的同步电马达，用于在机动车辆工业中应用，特别地用于电动压缩机。
背景技术
由于同步电机在输出、单位功率和功率密度方面的增加的性能，具有永磁体的旋转电机现今在机动车辆领域具有广泛的应用。
这些电机可以被制成有宽范围的功率和速度，并在“全电动”类型的车辆以及称为为“轻度混合动力”和“全混合动力”类型的低CO2排放的车辆中找到应用。
轻度混合动力应用大致涉及约8至15kW的电机，例如，装配在热机的前表面上并通过驱动带联接至热机的电马达。借助该类型的电马达，可以通过提供特别是在重新起动期间供应额外动力的电扭矩辅助而减少热机动化的容积(“发动机缩小化”)。此外，在低速下的牵引，例如在城市环境中，还可以通过该相同电马达被确保。
电机在该功率范围的另一应用例子是驱动用于热机的双增压系统的离心压缩机。在低速时，电动压缩机辅助由排气驱动的涡轮压缩机，且使得可以在减小容量方面省去附加步骤。
全混合动力类型的应用大致涉及用于串联和/或并联类型的30至50KW的结构，其具有和车辆的牵引链中的电马达(一个或多个)相比更优的一体化水平。
但是，这些电动车辆的电池对于气候条件敏感，且车辆的自主性在严苛条件下明显降低。因此需要空调系统。
在具有热机的车辆中，空调系统的压缩机通常机械地联接至该热机。
在电动车辆中，压缩机由电马达驱动，其必须符合多个约束，不仅是在功率、扭矩和旋转速度方面，还有尺寸和重量方面。
该类型的马达在2011年摩洛哥马拉喀什的会议"Progress in ElectromagnetismResearch Symposium"中递交的文章(“Design and study of a permanent magnetsynchronous motor”,p.160,PIERS,20-232011年3月)有所讨论。
这关注具有NdFeB类型的永磁体的同步马达，其具有6kW的名义功率、6Nm的最大扭矩和10,000rpm的最大速度。马达的重量小于2kg，其长度小于50mm。
在这些条件下，为了符合日益增长的能量约束，本发明主体确定了对具有增加的性能的马达的需求。
发明内容
由此本发明的目的是优化上述类型的马达的尺寸参数，以获得最佳可行性能。
特别地，其目的是一种具有永磁体的同步电马达，包括绕线定子和转子，所述定子包括定子齿，所述定子齿轴向地延伸且形成在外壳中，所述转子包括多个这些在头部中的第一凹部中轴向地延伸的永磁体。
根据本发明，该具有永磁体的同步电马达具有转子的第一外直径与定子的第二外直径的尺寸比，其预先确定为使得，所述马达具有最佳的性能。
有利地，所述尺寸比被预先确定为使得，焦耳效应导致的定子损失最小。
优选地，该转子是磁通集中类型的。
根据本发明的同步电马达由此区别在于，永磁体每个包括接近转子的圆周部分的第一平行六面体部分，邻近楔形件形式的第二部分，所述第二部分接近所述转子的中心部分。
根据本发明的马达的转子还有利地包括至少多个第二凹部，其轴向地延伸且设置在永磁体之间，所述永磁体在中心部分和圆周部分之间的转子的中间部分中。
拉杆优选地设置在这些第二凹部中。
根据本发明的马达的永磁体由铁素体构成将获得优势。
本发明还涉及一种电动压缩机，其设计为装备机动车辆，其特征在于，其包括具有上述特征的具有永磁体的同步电马达，以及总体上具有由这种马达构成的机动车辆的任何设备。
这几个主要说明将使得，与现有技术相比的根据本发明的具有永磁体的同步电马达以及利用其的电动压缩机提供的优势对本领域的技术人员变得明显。
本发明的详细说明在以下描述中给出与附图一起给出。应注意到，这些图的目的仅是示出说明的文字，它们并不以任何方式构成对本发明范围的限制。
附图说明
图1示出对应于本发明主要实施例的同步电马达的转子的径向截面简易视图，该转子具有永磁体且设置在定子中，该定子以局部径向截面示出；
图2示出定子由于焦耳效应导致的损失的变化，该变化根据对应于本发明主要实施例的同步电机的转子对定子的尺寸比；
图3示出对应于本发明主要实施例的同步电马达的电动势常数根据转子对定子的尺寸比的变化；
图4示出对应于本发明主要实施例的同步电马达的定子电阻根据转子对定子的尺寸比的变化。
具体实施方式
图1所示的对应于本发明主实施例的具有永磁体的转子1的简易径向截面清楚地示出永磁体3的头部2在第一凹部4中的设置，所述第一凹部在圆周部分5和中心部分6之间均匀地分布，以便形成多个交替的北极N和南极S。
根据本发明的马达的转子1是磁通集中类型的。永磁体3具有大体矩形横截面，但以楔形件的形式朝向转子1的轴线X-X'倒角。它们在等角轴向平面附近对称地延伸。
在所示的特定例子中，内部布置有永磁体3的第一凹部4界定十个圆周极扇区7。
这些极扇区7的组件在径向横截面中形成大体圆形的图案，多个突出部8对应于N、S极的凸伸部。
极扇区7包括第二凹部9，其设置在永磁体3之间。它们在等角轴向平面附近对称地延伸。
这些第二凹部9具有圆形横截面，且接收拉杆，所述拉杆保持形成转子1的头部2的金属板组。
这些第二凹部9还有助于控制转子1的磁场。
在根据本发明的马达的特定实施例中，转子1——包括十个由铁素体构成的永磁体3——在具有多个凹口12的定子11的外壳10内旋转，所述凹口限定多个定子齿13，定子绕组14围绕定子齿设置。
特定实施例例如是8至15kW的马达1、11，用于在所谓的轻度混合动力类型的机动车辆中应用。
该马达1、11可被设计用于起动热机、用于热机的扭矩辅助和在车辆低速时的电牵引以及用于驱动离心压缩机。
定子绕组14具有通过它们的定子电流，并产生驱动转子1的旋转磁场。提供的马达扭矩特别取决于转子1中的磁通量和定子电流密度。
马达1、11在马达扭矩方面的性能增加的需求主要导致马达输出的降低，这是由于定子绕组14中的定子电流增加引起的焦耳效应PJ导致的定子损失的增加。
本发明主体已经发现，通过计算机模拟，可以通过优化特征尺寸比r而减小焦耳效应PJ导致的定子损失以此增加马达1、11的输出，该比r等于转子1的第一外直径D1与定子11的第二外直径D2之比。
如图2清晰地可见，焦耳效应PJ导致的定子损失表达为r＝D1/D2的函数，其对于包含在范围0.63至0.70的Δr的范围内的r显然具有最小值。
这通过以下解释：
-转子1的第一外直径D1的增加导致转子1产生的通量的增加(这导致马达1、11的Ke的增加，如图3所示)，然后导致产生扭矩所需的定子电流的减小；
-当转子1的第一外直径D1增加同时保持恒定的回转次数以便不增加定子绕组14的感应(仅考虑转子1的第一外直径D1的增加对马达1、11的感应的影响)，电线的横截面必须减小，因为凹口12的表面积变小(保持凹口12恒定的填充水平)；在该情况下，定子电阻Rs如图4所示地增加。
已经发现定子电流减小(通过转子1的第一外直径D1的增加)和定子电阻Rs的增加(由电线横截面减小导致)之间的最佳妥协，以便保持最小的由焦耳效应PJ导致的定子损失，且因此改善马达1、11的性能(图2)。
实际上，如果转子1的第一外直径D1增加，必须增加定子齿13和外壳3二者的宽度，即，定子11的第二外直径D2，以便增加马达1、11产生的总磁通量，在该情况下，凹口12的表面积减小。因此，电线的横截面减小，因为圈数不能改变。
通过在模拟期间计算填充水平，注意到由电线尺寸的非线性导致的不连续性(例如，没有尺寸在在0.53mm至0.56mm之间的电线)。
应意识到，本发明不简单地限于之前描述的优选实施例。
具有与那些上述特征不同的大体特征(特别是具有不同数量的极)和对应于马达(上述包括转子1和定子11的类型)的其他测试或模拟的其他实施例将不偏离本发明的范围，只要它们从所附权利要求获得。

Claims (6)

1.一种具有永磁体的同步电马达(1、11)，包括绕线定子(11)和转子(1)，所述绕线定子包括定子齿(13)，所述定子齿轴向地延伸且形成在外壳(10)中，所述转子包括多个在头部(2)中的第一凹部(4)中轴向地延伸的永磁体(3)，其特征在于，所述转子(1)的第一外直径(D1)与所述定子(11)的第二外直径(D2)的尺寸比(r)被预先确定为使得，所述马达(1，11)具有最大的性能，所述尺寸比处于0.63至0.7；
其中，所述永磁体(3)每个包括接近所述转子(1)的圆周部分(5)的第一平行六面体部分，该第一平行六面体部分邻近楔形件形式的第二部分，所述楔形件形式的第二部分接近所述转子(1)的中心部分(6)；
其中，所述永磁体(3)由铁素体构成，
其中，所述尺寸比(r)被确定为使得，由焦耳效应(PJ)导致的定子损失最小。
2.根据权利要求1所述的具有永磁体的同步电马达(1、11)，其特征在于，所述转子(1)是磁通集中类型的。
3.根据权利要求1所述的具有永磁体的同步电马达(1、11)，其特征在于，所述转子(1)包括至少多个第二凹部(9)，所述第二凹部轴向地延伸且设置在所述永磁体(3)之间，所述永磁体在所述中心部分(6)和所述圆周部分(5)之间的所述转子(1)的中间部分中。
4.根据权利要求3所述的具有永磁体的同步电马达(1、11)，其特征在于，拉杆设置在所述第二凹部(9)中。
5.一种机动车辆的设备，其特征在于，其由根据前述权利要求1至4中的任一项所述的具有永磁体的同步电马达(1、11)构成。
6.一种电动压缩机，其设计为装备机动车辆，其特征在于，其包括根据前述权利要求1至4中的任一项所述的具有永磁体的同步电马达(1、11)。
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