CN105656270B - 用于电力助力转向系统的低成本喷射模制埋置永磁体电机 - Google Patents

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Abstract

一种内置永磁体电机，包括：壳体；环形定子，其固定在壳体中并具有在施加电压时生成磁场的线圈；转子，其被设置成用于在环形定子内且相对于环形定子的旋转。转子包括由壳体可旋转地支撑的轴和围绕转子的外圆周设置的磁板对。三角形部件设置在磁板对和轴之间。三角形部件具有匹配至磁板对的各个磁板的各个内端的平面。三角形部件朝向定子引导通过转子的旋转产生的通量。

Description

用于电力助力转向系统的低成本喷射模制埋置永磁体电机
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2014年11月18日提交的美国临时专利申请No.62/081,214的优先权，其全部内容通过引用而并入本文中。
技术领域
本发明大体上涉及在转子中包括内置永磁体的永磁电机。
背景技术
永磁无刷(PMBLDC或PMSM)电机可展现相对低高的转矩密度，并因此在用于高性能应用的工业驱动中是有用的。带有内置磁体的永磁(PM)电机可在变速驱动中使用。
由于磁条和磁槽的制造公差，带有矩形磁条的内置永磁(IPM)电机的磁体在磁槽内的放置是一个问题。该磁体放置导致波动转矩，这取决于电机的槽/磁极组合。对于高性能应用，转矩波动是PM电机所面临的一个重要挑战，因为它能导致震动和速度脉动。此外，相比于表面永磁(SPM)电机，在IPM电机的齿槽转矩极小化是更有挑战的。IPM电机允许更小的气隙和线性偏移线(linear skewing)。由于永磁体的矩形形状，永磁体的成形存在设计难点。
已经尝试各种技术来极小化齿槽转矩。常规的技术趋于增加了复杂性并且可能不利地影响输出转矩。另外，在采用烧结磁铁的电机中，增加的复杂性显著地促进了成本。
已经采用了磁极成形、转子磁体或定子结构的偏移、转子磁体的台阶式偏移、组合槽和磁极、磁体成形、定子齿上凹槽的并入以极小化PM电机的齿槽转矩。然而遗憾的是，这些常规的技术造成另外的设计挑战。例如，分段定子的使用，虽然在电机的填槽和制造时间上带来改善，但是还引起某些不期望的谐波，诸如归因于定子分段之间设置的气隙的大量9次谐波。
因此，期望具有用于在IBPM的转子中埋置磁体的改善的转子设计和技术。
发明内容
在本发明的一个方面，一种内置永磁体电机包括：壳体；环形定子，其固定在壳体中，且具有在施加电压时生成磁场的线圈；转子，其被设置成用于在环形定子内且相对于环形定子的旋转，转子包括：由壳体可旋转地支撑的轴；围绕转子外圆周设置的磁板对，其中磁板对的各个磁板具有从外圆周朝向轴延伸的相反的侧面，相反的侧面通过各个磁板的内端界定；以及三角形部件，其设置在磁板对和轴之间，三角形部件具有匹配至磁板对的各个磁板的各个内端的平面，三角形部件朝向定子引导通过转子的旋转产生的通量。
在本发明的另一个方面，一种内置永磁体转子包括：转子，其被设置成用于在环形定子内且相对于环形定子的旋转，转子包括：由壳体可旋转地支撑的轴；围绕转子外圆周设置的磁板对，其中磁板对的各个磁板具有从外圆周朝向轴延伸的相反的侧面，相反的侧面通过各个磁板的内端界定；三角形部件，其设置在磁板对和轴之间，三角形部件具有匹配至磁板对的各个磁板的各个内端的平面，三角形部件朝向定子引导通过转子的旋转产生的通量。
从下面结合附图的描述中，这些和其他优点和特征将变得更加显而易见。
附图说明
在说明书的结尾部分，权利要求特别地指出并清楚地要求了被认作本发明的主题。从结合附图的以下详细描述，本发明的前述的和其他的特征以及优点是显而易见的，在附图中：
图1示出了按照本发明的电机；
图2示出了按照本发明的转子；
图3示出了按照本发明的转子的磁板对；
图4示出了按照本发明的转子的具体的几何形状；
图5示出了通过比较常规的烧结磁体相对按照本发明的示例性设计的结果的对于转矩常数(Kt)饱合度的关系；以及
图6示出了通过比较常规的烧结磁体相对按照本发明的示例性设计的结果的对于平均转矩的示例性关系。
具体实施方式
现在参考附图，其中将参考特定实施例对本发明进行描述，但不限制本发明。图1示出IPM电机100的横截面视图。如图1所示，IPM电机100包括：壳体102、固定于壳体102内的环形定子104和转子106。环形定子104可具有适合于导电的线圈。在本实施例中，定子104的线圈由多个芯108形成。转子106包括轴110，该轴可旋转地附接至壳体102。环形定子104的线圈中的电流可促使轴110相对于环形定子104旋转。在一些实施例中，包括环形定子104和转子106的IPM电机100可以是圆柱形状的或圆盘形状的。
图2示出了按照本发明的一些实施例的转子106。除了轴110外，转子106包括至少一个磁板对202。磁板对202可围绕转子102的外圆周203设置。在本实施例中，外圆周203朝向轴110向内间隔开的，在转子106的外表面和磁板对202的磁板的外端之间形成空隙。
在图2中所示的实施例中，多个磁板对204是围绕转子周向地间隔开的。尽管为了便于说明，6个磁板对被示出为多个磁板对204，但是在转子106中可能存在任意数目的磁板对，例如三对、四队、十对等。
相邻的磁板对可在磁极极性中交替。例如，第一磁板对具有N极磁极极性，那么第二磁板对可具有S极磁极极性。多个磁板对的磁极磁性的交替可遍及转子连续。此外，相邻的磁板对可由通过距离P限定的节距间隔开。如图2所示，多个磁板对204是围绕转子106近似等距离地间隔开的，所以节距P是在磁板对之间近似相等的。
在一些实施例中，多个磁板对204为各向异性的喷射模制的磁铁。转子106可通过采用粉末金属、铸造法、或者其他合适的金属来制造。
图3更详细地示出了转子106的磁板对202。磁板对202具有磁板304和305。在本实施例中，磁板304和305各自具有相反的凸面306和308，凸面306和308从外圆周朝轴110延伸。磁板304、305的相反的凸面306、308通过相应的磁板304、305的外端310、311和内端312、313界定。
在一些实施例中，磁板304、305可以是喷射模制的，或者通过使用喷射模制工艺填充的。本发明不受限于喷射模制工艺。另外，在一些实施例中，磁板304、305可以是压缩磁体。磁板304、305可以代表多个磁对的任意磁板。
在本实施例中，磁板304、305被定向以在磁板对的磁板之间形成夹角α。夹角α可随着离轴110的径向距离(例如，磁板对的从内端朝外端的距离)的增加而增大。
如图3所示，转子106还可包括多个三角形部件。在本实施例中，多个三角形部件中的三角形部件314设置在磁板对202和轴之间。三角形部件314具有匹配至磁板对202的磁板304、305的内端312、313的平面。因此，三角形部件314的平面可物理地接触磁板对202的每一个磁板304、305。
三角形部件314的平面可通过三角形部件的第二侧面和第三侧面界定。三角形部件的第二侧面和第三侧面可邻近于彼此，并从平面向轴110延伸，形成三角形部件314的顶点。三角形部件的顶点可延伸至轴，或者如图2所示，顶点可与轴间隔开。顶点与轴的间隔留下内侧圆周到轴的空间。
多个三角形部件可由任意的非磁性材料制成，非磁性材料包括但不限于塑料、铝或者胶剂。备选地，多个三角形部件可以是由转子106与磁板对202的内端312、313形成的气隙。三角形部件与转子106的组合可以在转子106内改变，或者在转子106内是一致的。
多个三角形部件构造成通过引导通量远离轴110来减少通量泄漏。因此，通量是径向向外集中的，同时软化电机的转矩脉动。
图4示出了转子106的特定的几何形状。限定了磁体的内弧直径(IAD)，磁体外弧直径(OAD)。磁体与外侧转子半径之间的最小距离通过WEB限定。外侧磁体厚度(OMT)、内侧肋厚度(IRT)、以及单个磁极的两磁板之间的角矩离由α限定。这些参数成形非磁性材料，减小了齿槽转矩和波动转矩，这些参数还在下面显示。外侧非磁体厚度(ONMT)、内侧非磁体厚度(INMT)和非磁体宽度(NMW)可限定减少通量泄漏的三角形部件，使通量径向向外地集中，同时软化电机的转矩脉动。
图5示出了通过比较常规的烧结内置永磁体相对按照本发明的示例性设计的结果的对于转矩常数(Kt)饱合度的关系。在示例性实施例中，喷射模制的IBPM显示了相对于烧结内置永磁体电机的较大的Kt。
图6示出了通过比较常规的烧结内置永磁体相对按照本发明的一些实施例的示例性设计的结果的对于平均转矩(Tavg)的关系。在示例性实施例中，喷射模制的IBPM显示了相对于烧结内置永磁体电机的较大的平均转矩。
尽管仅结合有限数目的实施例对本发明进行了详细描述，但是应该容易理解，本发明并不限于这些公开的实施例。而是，本发明可以被修改以并入至此没有描述的但符合本发明的精神和范围的各种变化、替代、置换或等效布置。另外，尽管已经描述了本发明各种实施例，但是应该理解的是本发明的各方面可仅包括已描述的实施例中的一些。因此，本发明不被看作由在前的描述限定。

Claims (14)

1.一种内置永磁体电机，包括：
壳体；
环形定子，其固定在所述壳体中，且具有在施加电压时生成磁场的线圈；
转子，其被设置成用于在所述环形定子内且相对于所述环形定子的旋转，所述转子包括：
由所述壳体可旋转地支撑的轴；
围绕所述转子的外圆周设置的磁板对，所述磁板对是喷射模制的磁体，所述磁板对的各个磁板具有从所述外圆周朝向所述轴延伸的相反的侧面，所述相反的侧面通过各个磁板的内端界定；
三角形部件，其设置在所述磁板对和所述轴之间，所述三角形部件具有匹配至所述磁板对的各个磁板的各个内端的平面，所述三角形部件朝向所述定子引导通过所述转子的旋转产生的通量。
2.根据权利要求1所述的内置永磁体电机，其特征在于，所述三角形部件包括朝向所述轴延伸的相邻的侧面。
3.根据权利要求1所述的内置永磁体电机，其特征在于，所述相反的侧面中的至少一个侧面是呈凸面的。
4.根据权利要求1所述的内置永磁体电机，其特征在于，所述三角形部件是非磁性的。
5.根据权利要求4所述的内置永磁体电机，其特征在于，所述三角形部件由塑料制成。
6.根据权利要求1所述的内置永磁体电机，其特征在于，多个磁板对和多个三角形部件是围绕由所述轴形成的轴线在所述转子内周向地间隔开的。
7.根据权利要求1所述的内置永磁体电机，其特征在于，所述三角形部件的第二侧面和第三侧面形成所述三角形部件的顶点。
8.根据权利要求1所述的内置永磁体电机，其特征在于，所述转子、所述环形定子和所述轴为圆柱形的。
9.根据权利要求1所述的内置永磁体电机，其特征在于，所述磁板对和所述三角形部件沿着圆柱形的转子延伸。
10.一种内置永磁体转子，包括：
转子，其被设置成用于在环形定子内且相对于所述环形定子的旋转，所述转子包括：
由壳体可旋转地支撑的轴；
围绕所述转子的外圆周设置的磁板对，所述磁板对是喷射模制的磁体，所述磁板对的各个磁板具有从所述外圆周朝向所述轴延伸的相反的侧面，所述相反的侧面通过各个磁板的内端界定；
三角形部件，其设置在所述磁板对和所述轴之间，所述三角形部件具有匹配至所述磁板对的各个磁板的各个内端的平面，所述三角形部件朝向所述定子引导通过所述转子的旋转产生的通量。
11.根据权利要求10所述的内置永磁体转子，其特征在于，所述三角形部件包括朝向所述轴延伸的相邻的侧面。
12.根据权利要求10所述的内置永磁体转子，其特征在于，所述相反的侧面中的至少一个侧面是呈凸面的。
13.根据权利要求10所述的内置永磁体转子，其特征在于，所述三角形部件是非磁性的。
14.根据权利要求10所述的内置永磁体转子，其特征在于，多个磁板对和多个三角形部件是围绕由所述轴形成的轴线在所述转子内周向地间隔开的。
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