CN106972660A - 电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电机，所述电机可包括相邻的成对的叠片，每个叠片限定凹腔，在所述凹腔中布置有永磁体以形成磁极。叠片可以以极偏斜的方式堆叠以形成转子的一部分。定子可围绕转子。为了增大永磁体之间的漏泄路径的磁阻，电机可进一步包括位于所述相邻的成对的叠片之间的分隔叠片，该分隔叠片限定具有基于所述凹腔的形状的叠加的形状的切口部分。

Description

电机

技术领域

本公开涉及磁场在电机转子中的利用。

背景技术

电机通常使用转子和定子来产生转矩。电流流过定子绕组以产生磁场。由定子产生的磁场可与转子上的永磁体配合以产生转矩。

发明内容

一种电机可包括相邻的成对的区段，每个区段限定其中布置有永磁体以形成磁极的凹腔。所述区段可以以极偏斜的方式堆叠而形成转子的一部分。定子可围绕所述转子。所述电机可进一步包括位于所述相邻的成对的区段之间的分隔区段，所述分隔区段限定切口部分，所述切口部分的形状基于所述凹腔的形状的叠加，以增大永磁体之间的漏泄路径的磁阻。

一种分隔区段可具有设置于所述切口部分内的材料，所述材料的导磁率低于2。成对的区段和分隔区段可由不同的材料制成。所述分隔区段的厚度可小于其他区段的厚度。

根据本发明，提供一种电机，所述电机包括：成对的区段，每个区段限定凹腔，在所述凹腔中布置有永磁体以形成磁极，所述成对的区段以极偏斜的方式堆叠而形成转子的一部分；分隔区段，位于所述成对的区段之间，并由铁磁材料制成，所述分隔区段限定磁阻部分，所述磁阻部分的形状基于所述凹腔的形状，以阻止永磁体之间的磁通漏泄；以及定子，围绕所述转子。

根据本发明的一个实施例，所述形状进一步基于所述凹腔的形状的叠加。

根据本发明的一个实施例，所述分隔区段具有设置于所述磁阻部分内的抗磁或顺磁物质。

根据本发明的一个实施例，设置于所述磁阻部分内的物质为大气气体。

根据本发明的一个实施例，设置于所述磁阻部分内的物质为聚四氟乙烯。

根据本发明的一个实施例，所述成对的区段和所述分隔区段由不同的材料制成。

根据本发明的一个实施例，所述分隔区段的厚度小于所述成对的区段中的每个的厚度。

根据本发明的一个实施例，所述成对的区段和所述分隔区段由相同的材料制成。

根据本发明，提供一种转子，所述转子包括：分隔区段，设置于成对的极偏斜的区段之间并与所述区段接触，并且所述分隔区段限定切口部分，所述切口部分具有基于与所述成对的极偏斜的区段相关联的永磁体凹腔形状的叠加的形状，并被构造为阻止在由所述成对的极偏斜的区段携带的永磁体之间的磁通漏泄。

根据本发明的一个实施例，所述分隔区段具有设置于所述切口部分内的抗磁或顺磁物质。

根据本发明的一个实施例，所述分隔区段的导磁率低于2的部分为大气气体。

附图说明

图1A是转子区段的平面图；

图1B是包括图1A中所示的用于电机的叠片堆的转子区段的侧视图；

图2A是具有包括多个极的转子的电机的示意图，其中，磁通线仅由永磁体产生；

图2B是具有包括多个激励绕组的定子的电机的示意图，其中，磁通线仅由定子绕组产生；

图3A是在两个偏斜区段之间设置有分隔区段的电机转子的透视图；

图3B是一对相邻的偏斜区段的透视图，在其中一个偏斜区段上设置有分隔区段；

图4是具有ABBA构造且在AB区段之间具有分隔区段的转子的透视图；

图5是两个重叠的偏斜转子区段的平面图；

图6是具有切口部分的分隔区段的平面图；

图7是分隔区段的切口部分的截面图；以及

图8是具有切口部分的分隔区段的平面图。

具体实施方式

在此描述了本公开的实施例。然而，应当理解的是，所公开的实施例仅为示例，其它实施例可采用各种可替代形式。附图不一定按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为具有限制性，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的各种特征可以与在一个或更多个其它附图中示出的特征组合以产生未被明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的多种组合和变型可被期望用于特定的应用或实施方式。

电机的特征在于：由存在于气隙磁通和气隙磁导中的谐波引起的不期望的转矩振荡。大部分电机，尤其是永磁(PM)电机都设计有转子偏斜，即活性转子材料的区段可沿着转子轴线偏斜或错列。偏斜可产生沿着转子轴线错列的永磁体和磁极。由于磁性元件不是成一直线的，因此偏斜区段可造成电机在所有可用的转速下的平均转矩整体下降，但如上文所讨论的，偏斜有助于使谐波最少化。

例如，就具有两个转子区段、48槽定子的八极电机而言，通常的偏斜角为3.75°。转子的偏斜意在产生比使用具有对齐的永磁体的转子可能实现的机械转矩更为平稳的机械转矩。偏斜可消除由谐波引起的不期望的转矩波动，并且可以使用许多不同的偏斜角来达到这个效果。然而，偏斜不考虑应该通过设计而对齐但是由于制造公差而未精确对齐的两个极。

在电机的所有转速下产生的平均转矩都可由于偏斜而减小，部分原因是在偏斜的永磁体之间可能出现磁场漏泄。这种漏泄可造成电机的可用转矩略微减小，并且在无偏斜的电机中不会存在这种漏泄。

在不增加转矩的情况下，偏斜可为磁通从一个叠片区段到相邻的叠片区段的漏泄打开路径。由于磁场通常遵循相反极之间的最小阻力路径，所以用于减小转矩波动的永磁体的偏斜或错列结果可导致出现额外的磁通漏泄。转子的一个区段可包括一个叠片或者堆叠在一起的多个叠片。一个区段的叠片可相对于该区段中的其它叠片偏斜，或者相对于转子的其他区段整体偏斜。这意味着转子的一个区段可包括堆叠在一起的任意数量的叠片或者单个复合材料块。

为了使磁场和产生的转矩最大化，通常使活性转子材料的量最大化。活性转子材料可包括能够产生或携带磁场或电场的材料。使这种材料的量最大化理论上产生最大的转矩。选择具有最高导磁率的转子材料。引入不具有高导磁率的材料很可能会降低电机的转矩产生，这是因为转子将具有浪费的空间(即不产生转矩的材料)。高导磁率的材料通常可被称作铁磁材料或亚铁磁材料。可以推知，由活性转子材料整体构成的转子将比由活性转子材料部分构成的转子产生更有效的磁场。

引入非活性转子材料的一个或多个磁阻层(magnetically reluctant layer)使转子中永磁体的利用率意外地提高并使电机的转矩输出增大。例如，引入厚度为定子与转子之间的气隙厚度的两倍的磁阻层可使比转矩增大超过0.25％。这个量尽管看起来微不足道，但却可合理地降低电机的成本，这是因为永磁体的利用率的提高可使永磁体的尺寸减小。电机的比转矩的增加可取决于磁阻层相对于气隙的厚度以及流过定子的电流。

当永磁体被设置在区段上或者区段内时，永磁体可具有多个取向。例如，永磁体可以以V形姿态布置，在各个V形处提供磁极。永磁体还可被定向成使得其中一个磁极的方向径向向外。磁体的取向和位置可对电机的效率有直接的影响，任何偏斜的取向或位置都可能造成永磁体之间出现磁场漏泄。

永磁体的磁极可单独地或共同地形成转子的磁极。许多转子具有多个永磁体，其被布置成与定子的磁场共同作用以产生转矩。可使用永磁体、感应场、励磁线圈或其组合来产生磁极。

叠片通常由具有高导磁率的材料制成。这种高导磁率允许磁通无强度损失地流过叠片。具有高导磁率的材料可包括铁、电工钢、铁氧体或许多其他的合金。具有叠片的转子也可支撑导电笼(electrically conductive cage)或绕组以产生感应磁场。具有四个叠片或叠片区段的转子可具有以ABBA取向配置的区段。所述的ABBA取向是指“A”区段相对于“B”区段以相同的程度偏斜。转子可具有其他的叠片配置(例如，ABC或ABAB)。

由电工钢或其他导磁材料制成的分隔区段可被放置在具有永磁体的相邻区段之间。该分隔区段可限定由低导磁率材料或物质构成的切口部分或插入物。低导磁率的区域或切口可被有策略地放置并被量身定制以使永磁体的磁场重新定向至更期望的路线。低导磁率的区域可具有固相、液相或气相。所述区域可以是抗磁性材料或顺磁性材料(例如，水、铜、铋、超导体、木头、空气及真空)，并且许多不同类型的物质能够获得相似的结果并落入这些指定(designation)中。低导磁率材料能够减少具有偏斜极的区段之间的磁场漏泄或将磁场重新定向至更期望的路线。这种减少或重新定向可增大电机产生的转矩。

由导磁材料和非导磁材料构成的分隔区段可使磁通沿转子的轴线成形以提供更理想的磁场。具有电工钢或磁性材料部分的分隔区段可保持穿过转子的磁通，并且当与由非导磁材料制成的分隔区段比较时，可提供额外的转矩输出。分隔区段可具有材料的外缘以沿转子长度方向保持定子和转子之间期望的气隙。内部容积可具有导磁区域和非导磁区域。非导磁区域的切口部分的各种形状或尺寸可提供可观的磁通重新定向。在至少一个实施例中，所述形状可以是用于转子的永磁体的凹腔的叠加。分隔区段可由具有掺杂或改变的材料状态的完全相同的材料制成，以提供不同水平的导磁率而形成低导磁率区域或切口。

电机的比转矩输出、分隔区段的厚度和施加的电流之间可存在某种关系。分隔区段可被设计成与转子和定子之间的气隙具有相同的厚度。通常，电机的气隙距离可在0.5mm到1.0mm之间的范围内。比如，气隙厚度可为0.7mm。具有低导磁率部分、切口或凹腔的分隔区段的厚度可为0.85mm。具有低导磁率部分的分隔区段的厚度可增加或减小以使特定的电机受益。与不具有部分磁阻分隔叠片的转子相比，具有厚度为1.7mm的部分磁阻分隔区段的转子可产生更大的转矩。

现参照图1A，示出了转子区段10。区段10可限定适于保持永磁体的多个凹腔或空腔12。区段10的中央可限定用于容纳驱动轴的圆形中央开口14以及可容纳驱动键(未示出)的键槽16。空腔可被定向成使得容纳在凹腔或空腔12中的永磁体(未示出)形成八个交错的磁极30和32。本领域公知的是，电机可具有各种数量的极。磁极30可被配置为N极。磁极32可被配置为S极。永磁体也可布置成不同形式。如图1A所示，用于保持永磁体的凹腔或空腔12被布置成V形34。现参照图1B，多个区段10可形成转子8。转子具有用于容纳驱动轴(未示出)的圆形中央开口14。

现参照图2A，示出了区段10的一部分位于定子40内。区段10限定适于保持永磁体20的凹腔或空腔12。永磁体20采用V形布置，共同形成磁极。图中示出了从永磁体20发出的磁通线24。磁通线24可穿过区段10和气隙22进入定子40。通常，当磁通线24更为密集时，磁通的场密度更大。对磁通线24重新定向可引起某些位置的磁场密度增加，如图2A所示。定子40具有未通电的绕组42。

参照图2B，示出了区段10的一部分位于定子40内。定子40可具有通电的绕组42。磁通线44可从绕组42发出。磁通线44可穿过定子40和气隙22进入区段10。三相电机可具有绕组A、B和C。磁通线44和磁通线24可以以已知的方式在位置46处至少部分地相互作用以产生转矩。

参照图3A，相邻的一对偏斜的区段或叠片10和80可具有适于保持永磁体20和82的空腔12和84。永磁体20和82可被磁化成使得N极26相对于转子面向径向向外的方向。永磁体20和82可被磁化成使得S极28面向总体上向内的方向。永磁体20和82可被布置为形成磁极30和88。磁极30和88可以是偏斜的或错列的。具有低导磁率区域的分隔区段或分隔叠片86可被设置于区段或叠片10和80之间或区段或叠片10和80中的至少一个上。该分隔区段的外径可恰好与区段10和80的外径相符或者该分隔区段的外径可超过或小于叠片10和80的外径。如图3B所示，永磁体20可相对于永磁体82偏移，从而形成偏斜转子。具有低导磁率区域、切口或部分的分隔区段86可被放置在叠片10和80之间。

参照图4，偏斜转子8可具有多个叠片10和80。所述多个叠片可以以ABBA形式偏斜，其中，字母表示在转子8的堆叠中叠片的相对偏斜和位置。分隔区段86可置于相邻的AB叠片之间。

参照图5，示出了转子8的两个偏斜的或极偏斜的区段10和80。叠片可具有重叠的空腔或凹腔12和84。如图所示，凹腔12和84具有重叠的部分和非重叠的部分。如上文所述，叠片可由高导磁率材料制成。

现参照图6，分隔区段86限定其形状为凹腔12和84的叠加的切口或磁阻部分110。切口部分110可被置为空(真空)，允许填充空气，或填充具有低导磁率的材料。为了允许导磁，分隔区段86可由与其他区段类似的材料制成。来自永磁体的磁通可流经阻力最小的路径。这意味着，磁通将流经由高导磁材料制成的区域而不是切口部分110。

现参照图7，分隔区段86的切口部分110可具有与相邻的区段10和80的叠加相似的平滑形状。具有平滑形状的切口部分110可提供相似的磁通成形特征，还提供与磁阻填充材料的改善的配合。分隔区段可包括多种切口部分类型的组合，包括如图8所示的切口部分。

现参照图8，示出了分隔区段86的另一个示例。分隔区段86可具有限定切口部分110的形状。切口部分110可与定子和转子之间的气隙相通或者薄环可包含切口部分以确保切口部分110不暴露于气隙。切口部分110可被填充适合的插入物以填充空置空间并确保与转子8的其他叠片一致。

说明书中所使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述，可将各种实施例的特征组合以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步的实施例。尽管针对一个或更多个期望特性，各种实施例可能已经被描述为提供优点或者优于其它实施例或现有技术实施方式，但是本领域普通技术人员应该认识到，根据特定的应用和实施方式，一个或更多个特征或特性可被折衷以实现期望的整体系统属性。这些属性可包括但不限于：成本、强度、耐用性、生命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、易组装性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术实施方式满足期望的实施例并不在本公开的范围之外，并可被期望用于特定的应用。

Claims (10)

1.一种电机，包括：

相邻的成对的区段，每个区段由一个或更多个叠片形成，并且每个区段限定凹腔，在所述凹腔中布置有永磁体以形成磁极，所述相邻的成对的区段以极偏斜的方式堆叠而形成转子的一部分；

分隔区段，由一个或更多个叠片形成，并设置于所述相邻的成对的区段之间，所述分隔区段限定切口部分，所述切口部分的形状基于所述凹腔的形状的叠加；以及

定子，围绕所述转子。

2.如权利要求1所述的电机，其中，所述分隔区段具有设置于所述切口部分内的抗磁或顺磁物质。

3.如权利要求2所述的电机，其中，所述成对的区段和所述分隔区段由不同的材料制成。

4.如权利要求1所述的电机，其中，所述分隔区段的厚度小于所述成对的区段中的每个的厚度。

5.如权利要求1所述的电机，其中，所述成对的区段和所述分隔区段由相同的材料制成。

6.如权利要求2所述的电机，其中，设置于所述切口部分内的物质为大气气体。

7.如权利要求2所述的电机，其中，设置于所述切口部分内的物质为真空。

8.一种电机，包括：

成对的区段，每个区段限定凹腔，在所述凹腔中布置有永磁体以形成磁极，所述成对的区段以极偏斜的方式堆叠而形成转子的一部分；

分隔区段，位于所述成对的区段之间，并由铁磁材料制成，所述分隔区段限定磁阻部分，所述磁阻部分的形状基于所述凹腔的形状，以阻止永磁体之间的磁通漏泄；以及

定子，围绕所述转子。

9.一种转子，包括：

分隔区段，设置于成对的极偏斜的区段之间并与所述区段接触，并且所述分隔区段限定切口部分，所述切口部分具有基于与所述成对的极偏斜的区段相关联的永磁体凹腔形状的叠加的形状，并被构造为阻止在由所述成对的极偏斜的区段携带的永磁体之间的磁通漏泄。

10.如权利要求9所述的转子，其中，所述分隔区段具有设置于所述切口部分内的抗磁或顺磁物质。