CN106464050B - 具有用于旋转电机的磁通量集中的永磁体的转子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于旋转电机的具有永磁体(3)的转子(1)，转子(1)包括多个交替的北极(N)和南极(S)，且由布置在第一凹部(4)中的多个永磁体(3)组成，该第一凹部(4)轴向延伸且规则地分布在所述转子(1)的磁性块(2)的圆周部分(5)和中心部分(6)之间，以限定多个圆周极性区段(10)，所述第一凹部(4)由具有厚度E的中心凸片(9)隔开，所述永磁体(3)具有多边形径向横截面，其包括靠近所述圆周部分(5)的基本矩形部分(8)，所述基本矩形部分相邻于靠近所述中心部分(6)的基本梯形部分(7)。所述转子(1)的特征在于所述梯形部分(7)的第一高度h与中心凸片(9)的厚度E的比率R0(h/E)是预先确定的，使得最大化所述电机的效率。

Description

具有用于旋转电机的磁通量集中的永磁体的转子

技术领域

本发明涉及一种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。它在电牵引马达或用于电动和混合动力车辆中的附件的马达领域中具有特定但非限制性的应用。

背景技术

由于它们在输出、比功率和功率密度方面的提高的性能，具有永磁体的同步电机如今在机动车辆领域中具有广泛的应用。

这些电机能够以宽范围的功率和速度生产，并且在全电动型车辆中以及在称为轻度混合动力和全混合动力类型的低二氧化碳排放的车辆中两者中均具有应用。

轻度混合动力应用通常涉及大约8至20kW的电机，例如装配在热机的前部面上并通过传动带联接到热机的电动马达。对于这种类型的电动马达，可以通过提供供应额外功率的电力转矩辅助来减小热机动化(thermal motorisation)的立方容量(发动机小型化)，特别是在重新启动期间。此外，例如在城市环境中的低速牵引也能够通过该相同的电动马达来确保。

全混合动力型的应用通常涉及用于串联和/或并联型架构的30至50kW的马达，其具有比车辆牵引链中的电动马达(一个或多个)更完整的集成水平。

具有稀土永磁体(例如钕铁硼(NeFeB)、钐铁(SmFe)或钐钴(SmCo)型的磁体)的机器在磁通方面具有显着的性能，因为稀土磁体能够具有超过一特斯拉的剩磁。

然而，具有包括带有所谓的“磁通量集中”结构的转子的永磁体的机器使得可以通过具有较低剩磁的磁体得到大部分磁通量，例如由烧结或粘结的铁氧体得到的磁体。

由于在电机转子中的稀土磁体的实施不再经济可行，所述电机被设计用于机动车辆应用，因此另一替代方案包括基于铁氧体的磁体。

然而，由于铁氧体的剩磁或感应低于稀土磁体的情况，因此必须增大铁氧体磁体的体积以获得等效磁通量。在专利申请FR2982093中，已经提出了一种具有永磁体的转子，该永磁体具有部分梯形的通量集中，这使得可以增加转子中的磁体的体积。

然而，仍然必须优化这种类型的转子的尺寸和磁特性，使得在符合规定的尺寸和机械约束的同时改善磁通量。

发明内容

为此，本发明提出一种用于旋转电机的转子，包括多个交替的北极和南极，该多个交替的北极和南极由布置在第一凹部中的多个永磁体形成，所述第一凹部轴向延伸且规则地分布在所述转子的磁性块的圆周部分和中心部分之间，从而限定多个圆周极性区段，所述第一凹部由具有厚度E的中央舌部隔开，所述永磁体具有多边形径向横截面，所述多边形径向横截面包括靠近所述圆周部分、相邻于基本梯形部分的基本矩形部分，所述基本梯形部分靠近所述中心部分。所述梯形部分的第一高度h与中心舌部的厚度E的比率R0是预先确定的，例如使所述电机的性能最大化。

比率R0的优化使得可以改善电机的性能并且符合规定的机械约束，特别是当电机高速旋转时。

根据一些非限制性实施例，转子还可以包括以下的一个或多个附加特征：

根据一非限制性实施例，比率R0可以在1.9和7之间，并且特别是在2和6之间。

这种类型的比率使得可以限制经由转子的中心部分的漏磁，同时使得可以经受机械应力，特别是当电机高速旋转时。

根据一非限制性实施方案，比率R0在3和5之间。

根据一非限制性实施例的第一变型，比率R0基本上等于3.14。

根据一非限制性实施例的第二变型，比率R0基本上等于4.44。

根据一非限制性实施例的另一变型，比率R0可以基本上等于5.36。

这种类型的比率R0特别适用于可以达到大约每分钟22,000转的旋转速度的机器。

这种类型的比率R0也适用于高功率机器，例如具有可以在10kW和60kW之间的功率的机器。

这种类型的比率R0也被设计用于其中转子的外径等于115mm或更大的机器。

这些不同的机器例如是可逆机器。

对于这些不同的电机，这种类型的比率使得可以最小化经由转子的中心部分的漏磁，同时使得可以够经受机械应力，特别是当电机以其最大速度旋转时。

根据一非限制性实施例，第一凹部通过将一个圆周极性区段与相邻的圆周极性区段隔开的开口敞开到圆周部分上，所述两个圆周极性区段形成彼此相对的第一足部和第二足部，并且被设计成在将永磁体保持在所述第一凹部中，所述足部包括下部面，所述极性区段包括两个纵向面，并且在每个纵向面和足部的下部面之间的接合处具有圆形凹部。

根据一非限制性实施例，圆形凹部在所述纵向面和所述下部面的接合处开始，并且沿着极性区段的纵向面延伸。

根据一非限制性实施例，圆形凹部在所述纵向面和所述下部面的接合处开始，并且沿着足部的下部面延伸。

根据一非限制性实施例，圆形凹部被限定为使得其中心位于极性区段的所述纵向面和足部的所述下部面的接合处。

根据一非限制性实施例，圆形凹部的直径与足部的高度的比率R1在0.4和1之间。

根据一非限制性实施例，足部的高度与足部的宽度的比率R2在0.4和2之间。

根据第一非限制性变型实施例，比率R1基本上等于0.7，而比率R2基本上等于0.5。

根据第二非限制性变型实施例，比率R1基本上等于0.5，而比率R2基本上等于1.6。

转子可以包括十个永磁体，并且特别是十二个永磁体。

还提出了一种旋转电机，其包括根据前述特征中的任一个的转子。

电机可以通过油冷却。

根据第一非限制性实施例，所述旋转电机是可逆机器。

根据第二非限制性实施例，所述旋转电机是电气空调压缩机马达。

电机可以是功率在4kW和60kW之间的类型，并且特别是在10kW和60kW之间的类型。

本发明还涉及一种用于旋转电机的转子，该转子包括多个交替的北极和南极，并且多个交替的北极和南极由布置在第一凹部中的多个永磁体形成，所述第一凹部轴向延伸且规则分布在所述转子的磁性块的圆周部分和中心部分之间，从而限定多个圆周极性区段，所述第一凹部由具有厚度E的中心舌部隔开，所述永磁体具有多边形径向横截面，多边形径向横截面包括靠近所述圆周部分、相邻于基本梯形部分的基本矩形部分，基本梯形部分靠近所述中心部分。所述梯形部分的第一高度h与中心舌部的厚度E的比率R0是预先确定的，使得最小化经由中心部分的漏磁，同时使得可以经受机械应力，特别是当电机高速旋转时。

前述特征可单独或组合地应用于本发明。

本发明还涉及一种用于机动车辆的系统，特别是混合动力机动车辆的系统，包括：

-前述电机；

-被设计成将流体输送到机器的泵，特别是热交换流体，例如加压油。

该系统可以包括冷却回路，其使得可以在流体经由泵进入机器之前冷却流体。

该系统可以包括变速箱，该泵还被设计成将流体输送到变速箱。

该系统可以被构造为使得电机致动变速箱的轴。

作为变型，系统可以包括差速齿轮，泵还被设计成将流体输送到差速齿轮。

该系统可以被构造为使得电机致动差速齿轮的轴。

附图说明

本发明及其不同的应用将通过阅读如下描述和研究附图将更好地理解。

图1表示根据本发明的一非限制性实施例的具有永磁体的转子的径向横截面的简化视图；

图2表示根据第一非限制性实施例的图1中与永磁体协作的转子的极性区段的一部分的结构；

图3表示根据第二非限制性实施例的图1中与永磁体协作的转子的极性区段的一部分的结构；

图4表示根据第三非限制性实施例的图1中与永磁体协作的转子的极性区段的一部分的结构；

图5表示图3中与永磁体协作的转子的两个极性区段。

具体实施方式

在不同附图中示出的在结构或功能方面相同的元件保持相同的附图标记，除非另有说明。

根据图1中所示的一非限制性实施例的具有永磁体的转子1的简化横截面清楚地示出了永磁体3的磁性块2在第一凹部4中的布置，该第一凹部4规则地分布在圆周部分5和中心部分6之间，以便形成多个交替的北极N和南极S。永磁体由铁氧体制成。

根据一非限制性示例，包括这种类型的转子的机器的第一具体实施例是电气空调压缩机马达，所述压缩机用于确保冷却流体在冷却回路中的循环，并且在流体处于气相时通过压缩流体来参与空调的功能。

根据一非限制性示例，包括这种类型的转子的机器的第二具体实施例是用在所谓的轻度混合型的机动车辆中的8至20kW的马达/发电机。该机器称为可逆机器。当它用作马达时，该机器可以被设计用于热机的起动、热机的扭矩辅助以及用于低速下的车辆的电牵引。

根据图1所示的机器的一特定非限制性实施例，包括十个永磁体3的转子1在具有多个凹口的定子(未示出)内旋转。磁体3径向布置，以便获得磁通量集中型的转子结构。定子和转子1传统上利用形成磁性块2的多组金属板制造。在一非限制性示例中，使用硅铁金属板。

如图1所示，磁体3的靠近转子1的中心部分6的部分包括楔形的形状。因此，转子1中的磁体3的径向截面具有靠近转子1的中心部分的基本梯形部分7和靠近圆周部分5的基本矩形部分8。

第一凹部4通过开口12敞开到圆周部分5上，该开口将一个圆周极性区段10与相邻的圆周极性区段10隔开，两个圆周极性区段10形成彼此相对的第一和第二足部13、14，并且被设计成将永磁体3保持在所述第一凹部4中。

极性区段10包括两个纵向面100，其在磁体3的两侧上延伸，并且特别是其基本矩形部分8，并且相关联的足部13、14包括下部面130、140。极性区段10的纵向面100垂直于足部13、14的下部面。

包含磁体3的第一凹部4由形成具有厚度E的分区的中心舌部9隔开，该厚度E被选择为具有低的值，以便最小化经由转子的中心部分6的漏磁。在该特定实施例中，厚度E是恒定的，但是将注意，在某些实施例中它可以是可变的。这些舌部9通过第一凹部4径向保持限定在磁性块2中的圆周极性区段10。由于极性区段10自身径向保持磁体3，因此舌部9必须具有最小的机械阻力，以便经受由于转子1的旋转对磁体3和极性区段10的影响而派生的向心力。因此舌部的厚度E必须足以允许它们经受机械应力σ，并且特别是当电机以高速旋转时。

转子1另外包括布置在极性区段10中的多个第二凹部11，如图1清楚所示。除了它们起有助于控制转子1中的磁场的作用之外，这些第二凹部11减小极性区段10的质量，并且因此减小了由于这些极性区段10而由舌部9经受的机械应力σ，这同时使得可以增加磁体3的质量。

对包括具有楔形形式磁体3的转子1的电机执行的测试和计算机模拟已经导致本发明的主体考虑到所述梯形部分7的第一高度h与所述中心舌部9的长度E的比率R0是使得可以优化机器的性能并且均衡转子1的永磁体的参数，该参数适合以高速旋转的电机。

所执行的测试已经表明，对于磁体3和中心舌部9，在0至22000rpm(转每分)的转速范围内施加的离心力的抗阻方面，比率R0在3和5之间使得可以获得令人满意的结果。

将注意，根据以下公式，舌部9的厚度E由机械应力σ施加影响：

σ＝F/V＝(m x Ra x w2/pp)/(E x L)

即E＝(m x Ra x w2/pp)/(σx L)[1]，其中F为离心力(F＝m x Ra xw^2)，m是磁体和铁的质量，Ra是相对于转子的重心的半径，w是角速度((rd/s))，pp是极对数，V是舌部的体积，σ是机械应力以及L是转子的长度。

此外，将注意到，R0通过h/E＝(Bs+Bp)/(B_aim x 2)[2]在电技术水平被定义，其中Bs是在舌部的饱和磁感应，Bp是极性区段的饱和磁感应，以及B_aim是磁体的剩余感应。将注意到，B_aim取决于铁氧体磁体的温度。

由公式[2]开始，比率R0＝h/E被确定，然后利用公式[1]，确定厚度E。因此推导出高度h。

因此，以铁氧体磁体作为一非限制性示例，其中Bs＝2.2T且Bp＝1.8T。

在用于电动压缩机马达的转子1(速度大约为10000rpm)的情况下，获得比率R0＝h/E＝4.44，其中对于铁氧体磁体温度为25℃，B_aim＝0.45T。在这种情况下，机器被压缩机的冷却剂良好地冷却。

在用于可逆机器的转子1(速度大约为16000rpm)的情况下，获得比率R0＝h/E＝3.14，其中对于铁氧体磁体温度为120℃，B_aim＝0.35T。在这种情况下，机器由机动车辆变速箱油冷却。

在用于可逆电机的转子1(可以基本达到18000rpm至22000rpm的转速)的情况下，获得比率R0＝h/E＝5.36，其中对于铁氧体磁体温度为90℃，B_aim在0.4T和0.5T之间。这种类型的电机可以由油冷却，例如从机动车辆的变速箱或差速齿轮获得的油。

对具有包括楔形形式的磁体3的转子1的电机执行的测试和计算机模拟已经导致本发明的主体注意到由施加在磁体上的离心力引起的实质(susbstantial)机械应力σ1集中在磁体3的处于足部13、14的抓握部(grip)中的拐角32上。

为了避免由这些实质机械力引起的转子1的恶化(deterioration)，根据一非限制性实施例，极性区段10在每个纵向面100和足部13的下部面130、140之间的接合处具有圆形凹部18。因此极性区段10包括两个凹部18。将注意到，接合形成在永磁体3的拐角32处。

由于这些圆形凹部18，获得的机械应力减小。因此，这使得可以减小将磁体3保持在凹部4中的足部13、14的长度L1。此外，足部13、14的宽度L1的减小具有增加开口12的宽度的效果。这种增加具有减小在开口12处漏磁的效果，并且因此增加产生的磁通量。

该圆形凹部18的不同变型实施例在图2至图4中以径向横截面示出，并且在下文中描述。这些图表示具有其中一个足部13的极性区段10的一部分和永磁体3的一部分。将理解，下文中描述的任何内容也适用于第二足部14。

根据图2所示的第一非限制性变型实施例，所述圆形凹部18在纵向面100和下部面130的接合15处开始，并且沿着极性区段10的纵向面100延伸。

如图可见，圆形凹部18包括端部16，所述端部16连接到极性区段10的纵向面100，而没有尖锐边缘。这使得可以避免具有从机械角度来看是脆弱的点。

还可以看出，圆形凹部18与足部13接触的表面相切。在所示的非限制性示例中，接触表面是小薄层17的上部面，小薄层17布置在永磁体3的上部面30和足部13的下部面130之间。小薄层17具有分散施加在足部13和磁体3的顶部上的机械力的功能，以及通过变形吸收磁体3的任何位移的功能。在机器经受非常高的旋转速度的情况下，事实上磁体3倾向于在离心力的影响下远离转子的旋转轴线移动。在另一示例中，在没有小薄层17的情况下，接触表面是磁体3的上部面30。

将注意到，可以根据磁体3的宽度偏移圆形凹部18，这使得可以不减小磁体3上足部13的支撑表面以及在磁体上方的厚度E1(E1对应于足部13的高度)。

根据图3所示的第二非限制性变型实施例，所述圆形凹部18开始于所述纵向面100和所述下部面130的接合处，并且沿着足部13的下部面130、140延伸。

如图可以看出，圆形凹部18包括端部16，该端部16连接到足部13的下部面130，而没有尖锐的边缘。这使得可以避免具有从机械角度来看是脆弱的点。

还可以看出，圆形凹部与垂直于足部13的表面相切。在所示的非限制性示例中，垂直表面是小薄层17的侧向面，其被布置在永磁体3的侧向面31和极性区段10的纵向面100之间。在另一示例中，在没有小薄层17的情况下，垂直表面是磁体3的侧向面31。

将注意到，可以根据磁体3的高度偏移圆形凹部18，但是这减小了磁体3上足部13的支撑表面以及足部13的高度E1。

根据图4所示的第三非限制性变型实施例，所述圆形凹部18被限定为使得其中心C位于所述纵向面100和所述下部面130、140的接合处。如可以看出的，中心C与磁体3的拐角32相对。

如图可以看出，圆形凹部18包括连接到下部面130而没有尖锐边缘的第一端16和连接到纵向面100而没有尖锐边缘的第二端16'。

对包括具有楔形形式的磁体3的转子1的电机执行的测试和计算机模拟已经导致本发明的主体考虑圆形凹部的直径D1与足部13、14的高度E1的比率R1(图5中示出的D1和E1)是使得可以在优化机器的性能(最大化磁通量)的同时最小化机械应力σ1的参数。这同样适用于足部13、14的高度E1与足部13、14的宽度L1(图5中示出的L1)的比率R2。

所执行的测试表明，比率R1(D1/E1)在0.4和1之间以及比率R2(E1/L1)在0.4和2之间使得可以获得从磁性角度来看是最优的圆形凹部和从机械角度来看是最优的圆形凹部之间的良好折衷。

在用于压缩机马达的转子1(在一非限制性示例中包括10000rpm的转速)的情况下，根据一非限制性示例，得到R1＝0.7和R2＝0.5。

在用于交流发电机-起动器的转子1(在一非限制性示例中包括18000rpm的转速)的情况下，根据一非限制性示例，得到R1＝0.5和R＝1.6。

将被理解的是，本发明的描述不限于上述应用、实施例和示例。基于不同于如上指定的数值并且对应于包括所述类型的转子的旋转电机的其它测试或模拟的其他实施例不会脱离本发明的内容，条件是它们派生自如下权利要求。

Claims (17)

1.一种用于旋转电机的转子(1)，包括多个交替的北极(N)和南极(S)，所述北极和南极由布置在第一凹部(4)中的多个永磁体(3)形成，所述第一凹部(4)轴向延伸并且规则地分布在所述转子(1)的磁性块(2)的圆周部分(5)和中心部分(6)之间，以限定多个圆周极性区段(10)，所述第一凹部(4)由具有厚度E的中心舌部(9)隔开，所述永磁体(3)具有多边形径向横截面，所述多边形径向横截面包括靠近所述圆周部分(5)的基本矩形部分(8)，所述基本矩形部分(8)相邻于靠近所述中心部分(6)的基本梯形部分(7)，其特征在于，所述基本梯形部分(7)的第一高度h与中心舌部(9)的厚度E的比率R0(h/E)被预先确定，使得最小化经由所述中心部分的漏磁，同时使得所述中心舌部(9)能够经受机械应力，且其中

第一凹部(4)经由开口(12)敞开至所述圆周部分(5)上，所述开口将一个圆周极性区段(10)与相邻的圆周极性区段(10)隔开，所述两个圆周极性区段(10)形成彼此相对的第一和第二足部(13、14)，并且被设计成将永磁体(3)保持在所述第一凹部(4)中，所述足部(13、14)包括下部面(130、140)，所述极性区段(10)包括两个纵向面(100)，并且在每个纵向面(100)和足部(13、14)的所述下部面(130、140)之间的接合(15)处具有圆形凹部(18)。

2.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述比率R0为1.9至7。

3.根据权利要求2所述的转子，其特征在于，所述比率R0等于3.14。

4.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述比率R0等于5.36。

5.根据权利要求4所述的转子，其特征在于，圆形凹部(18)在所述纵向面(100)和所述下部面(130、140)的接合(15)处开始并且沿着所述极性区段(10)的所述纵向面(100)延伸。

6.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，圆形凹部(18)在所述纵向面(100)和所述下部面(130、140)的接合(15)处开始并且沿足部(13、14)的所述下部面(130、140)延伸。

7.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，圆形凹部(18)被限定为使得其中心(C)位于极性区段(10)的所述纵向面(100)与足部(13、14)的所述下部面(130、140)的接合(15)处。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的转子，其特征在于，所述圆形凹部(18)的直径(D1)与足部(13、14)的高度(E1)的比率R1为0.4至1。

9.根据权利要求5至7中任一项所述的转子，其特征在于，足部(13、14)的高度(E1)与足部(13、14)的宽度(L1)的比率R2为0.4至2。

10.根据前述权利要求8所述的转子，其特征在于，所述比率R1等于0.7，而足部(13、14)的高度(E1)与足部(13、14)的宽度(L1)的比率R2等于0.5。

11.根据前述权利要求8所述的转子，其特征在于，所述比率R1等于0.5，而足部(13、14)的高度(E1)与足部(13、14)的宽度(L1)的比率R2等于1.6。

12.根据前述权利要求1所述的转子，其特征在于，所述基本梯形部分(7)的第一高度h与中心舌部(9)的厚度E的比率R0(h/E)被预先确定，使得在所述电机高速旋转时，最小化经由所述中心部分的漏磁，同时使得所述中心舌部(9)能够经受机械应力。

13.根据前述权利要求2所述的转子，其特征在于，所述比率R0为2至6。

14.根据前述权利要求2所述的转子，其特征在于，所述比率R0为3至5。

15.一种旋转电机，其特征在于，其包括根据前述权利要求中任一项所述的转子(1)。

16.根据前述权利要求15所述的旋转电机，其特征在于，所述旋转电机是可逆机器。

17.根据前述权利要求15所述的旋转电机，其特征在于，所述旋转电机是电空调压缩机马达。