CN107046352B - 内部永磁电机 - Google Patents

Abstract

本公开描述了一种内部永磁电机，并且包括具有多个电绕组的定子和设置在定子内形成的圆柱形空隙中的转子。转子包括组装到轴上的多个钢叠片，其中轴限定纵向轴线。其中每个钢叠片包括多个极，并且每个极包括布置在外周附近的多个槽。钢叠片的槽纵向对齐。多个永久磁铁设置在槽的第一子集中，并且由各向异性材料组装的多个分组设置在槽的第二子集中。

Description

内部永磁电机

技术领域

本发明涉及内部永磁电机，更具体地涉及用于这种电机的转子组件。

背景技术

内部永磁电机通常包括可旋转地设置在定子内的转子，其中转子具有围绕转子的外周设置的多个极性交替的磁体。定子通常包括多个绕组，其在用电流激励时产生交替极性的电磁极。永磁电机可以具有相对高的转矩/功率密度和其它性能，使得它们优于其他装置，例如具有有刷或无刷激励器的绕组磁场同步电机。然而，永磁电机可以使用大量的磁性材料。

发明内容

本公开描述了一种内部永磁电机，并且包括具有多个电绕组的定子和设置在定子内形成的圆柱形空隙中的转子。转子包括组装到轴上的多个钢叠片，其中轴限定纵向轴线。每个钢叠片包括多个极，并且每个极包括设置在外周附近的多个槽。钢叠片的槽纵向对齐。多个永久磁铁设置在槽的第一子集中，并且由各向异性材料组装的多个分组设置在槽的第二子集中。

本教导的上述特征和优点以及其它特征和优点从下面结合附图以及用于执行如所附权利要求中限定的本教导的一些最佳模式和其他实施例的详细描述中是显而易见的。

附图说明

现在将参考附图通过示例的方式描述一个或多个实施例，其中：

图1示意性地示出根据本公开的包括形成圆柱形空隙的环形定子的永磁电机的横截面图，同轴转子插入该圆柱形空隙中；

图2示意性地示出了根据本公开的图1描述的永磁电机的单个叠片的单极部的横截面视图，该单极部包括极装置，该极装置包括设置在其外周附近的多个槽，其中永久磁铁或各向异性分组被插入到槽的子集中；

图3示意性地示出根据本公开的各向异性分组的第一实施例的透视图，其包括由具有散置的非磁性隔片的多个各向异性叠片组成的叠片堆叠；

图4示意性地示出了根据本公开的各向异性分组的第二实施例的透视图，其包括由多个各向异性叠片组成的叠片堆叠，每个叠片具有用作磁通壁垒的多个空隙；以及

图5示意性地示出了根据本公开的各向异性分组的第三实施例的透视图，其包括由多个各向异性叠片组成的叠片堆叠。

具体实施方式

现在参考附图，其中所述描述仅出于说明某些示例性实施例的目的，而不是用于限制本发明的目的。图1示意性地示出了永磁电机10的横截面图，该永磁电机10包括形成圆柱形空隙的环形定子12，同轴转子20插入该圆柱形空隙中，在定子12和转子20之间形成空气间隙14。转子20包括具有端部的可旋转轴26，该端部延伸穿过在定子12的端盖内形成的孔，其中布置有适当的安装和轴承装置。轴26限定了纵向轴线，其径向线延伸垂直于该纵向轴线。定子12容纳沿圆周布置的多个电绕组(未示出)。电绕组电连接到合适的装置，例如逆变器，其可以由控制器控制以产生旋转电场，该旋转电场感应出靠近转子20的磁场，并与永久磁铁的磁场相互作用以在转子20内产生机械转矩。电机10可以被控制为作为转矩电动机和/或发电机运转。与永磁电机10的物理配置和操作有关的细节对于本领域技术人员是已知的，因此这里不再详细描述。

转子20由多个盘状叠片22构成，盘状叠片22由各向同性的钢或诸如压缩铁粉的其它铁磁材料制成。多个叠片堆叠并压配合或以其它方式固定地组装到轴26上以与其一致地旋转。转子20包括多个极部25，其围绕转子轴26周向地分布，其优选地以相同的预定间隔分布。单个叠片22的一个极部25在图1中示出，并且在图2中详细的示意性地示出。转子20的实施例可以具有两个极部25、四个极部25、六个极部25、八个极部25或任何其它合适数量的极部25。

如图所示，转子20的单个叠片22的极部25包括极装置30，该极装置30包括布置在其外周边24附近的层31a、31b、31c和31d中的多个槽31，其中层31a、31b、31c和31d由外周边24限定。虽然示出了四个层，但是可以采用任何数量的层。当多个叠片组装到轴26上时，槽31被对齐并且被布置成平行于由轴26限定的纵向轴线。装置可以插入到一些或所有槽31中，并且多个槽31的子集可以是未填充的，并且因此可以用作磁通壁垒。

当转子20用于永磁电机10上时，永久磁铁34可以插入到槽31的子集中，例如，如图所示的层31c和31d中的槽，并且因此限定每个极装置30的极。每个极装置30限定直轴或d轴线28和正交或q轴线29，其中d轴线28与磁极的中心对齐，q轴线29与d轴线28正交，并且与转子的两个磁极的中点对齐。d轴线28表示具有最低电感的取向，q轴线29表示具有最高电感的取向。因此，每个极装置30具有与之相关联的d轴线28和q轴线29。

凸极比定义如下：

ξ，＝L_q/L_d

其中

ξ，是凸极比，

L_q是沿着d轴线28的电感，以及

L_d是沿着q轴线29的电感。

如本领域技术人员已知的，永磁电机的性能随着凸极比的增大而提高。

各向异性插入件36可以插入到槽31的第二子集中，例如，如图所示的层31a和31b中的槽。图中示出了各向异性分组36之一的面部38和叠片轧制方向40。

在一个实施例中，槽31的子集可保持空隙。可选地，所有槽31可以包含永久磁体34或各向异性分组36，而槽31中没有任何一个保持空隙。

图3示意性地示出了各向异性分组36的第一实施例，其包括由多个各向异性叠片44构成的叠片堆叠42，所述叠片具有散布的非磁性隔片46，其中各向异性叠片44沿轴向分层。各向异性分组36的面部38被识别出，并且指示各向异性分组36的部分在转子20的任一端均可见。各向异性材料是沿着不同轴显示不等物理性质的材料。本文所述的各向异性叠片44优选显示出与感应磁导率相关的磁性特性，该感应磁导率在加工时随材料的轧制方向而变化。具体地，与材料的正交方向相比，本文所述的各向异性叠片44优选地显示出在轧制方向上增加的感应磁导率、增加的磁化强度和增加的磁通密度。在一个实施例中，多个各向异性叠片44可以由晶粒取向的钢材料制成。在一个实施例中，晶粒取向的钢材料包括通过冷轧处理的铁-硅磁性合金，其用于实现与感应磁导率、磁化强度和增加的磁通密度相关的优选的磁性特性。可选地，多个各向异性叠片44可以由使用快速凝固方法形成的非晶态金属合金制成。

叠片轧制方向40指示多个各向异性叠片44，当各向异性分组36插入转子20中时，转子20的优选的主要d轴线28和q轴线29也是如此。非磁性隔片46可以通过氧化物沉积在各向异性叠片44的表面上来制造，或者可以由铝或氧化铝制成，或者包括两者，这取决于所需的厚度。各向异性分组36和非磁性隔片46的厚度优选地在考虑磁性能、磁导率、温度，转矩产生和其它因素的情况下使用在模拟电动机负载条件下的电动机模拟来确定。图中还示出了各向异性分组36的深度50，并且指示各向异性分组36伸入到转子20的槽31中的长度。优选地，并且如图所示，各向异性分组36的低磁阻轴线与转子20的q轴线29对齐，其对应于多个各向异性叠片44的冷轧方向40。各向异性分组36的深度50可以被限制，以便减少涡流损耗和便于插入。

可选地，各向异性分组36的第一实施例可包括由多个各向异性叠片44组成的叠片堆叠42，其中各向异性叠片44沿轴向分层而没有散置的非磁性隔片。

图4示意性地示出了各向异性分组136的第二实施例，其包括由多个各向异性叠片144组成的叠片堆叠142，每个叠片具有多个用作磁通壁垒的空隙146，其中各向异性叠片144沿径向分层。各向异性分组136的面部138被识别出，并且指示各向异性分组136的部分在转子20的任一端均可见。空隙146可以使用任何合适的技术制造，例如冲压或激光切割。每个各向异性叠片144具有平坦表面，空隙146被制造在平坦表面中。堆叠的各向异性叠片144的平坦表面具有类似于转子20的相关槽31的至少一部分的横截面形状的形状，各向异性分组136被组装到该转子20中。

多个各向异性叠片144中的每一个优选地由晶粒取向的钢材料制成。在一个实施例中，晶粒取向的钢材料包括通过冷轧处理的铁-硅磁性合金，其用于实现与轧制方向上的磁导率相关的优选磁性能。可选地，多个各向异性叠片144可以由使用快速凝固方法形成的非晶态金属合金制成。

叠片轧制方向40指示多个各向异性叠片144，当各向异性分组136插入转子20中时，转子20的优选的主要d轴线28和q轴线29也是如此。各向异性分组136的厚度优选地在考虑磁性能、磁导率、温度、转矩产生和其它因素的情况下在模拟电动机负载条件下使用电动机模拟来确定。图中还示出了各向异性分组136的深度50，并且指示各向异性分组136伸入到转子20的槽31中的长度。优选地，如图所示，转子20的q轴线29与各向异性分组136的低磁阻轴线对齐，其对应于多个各向异性叠片144的冷轧方向40。因此，各向异性分组136的该实施例包括由多个各向异性叠片144组成的叠片堆叠142，每个叠片具有用作磁通壁垒的多个空隙146，其中转子20的q轴线29与低磁阻轴线对齐，其对应于材料的冷轧方向。在各个各向异性叠片144之间不需要隔片。然而，叠片堆叠142的端部在d轴线通量的路径中不存在障碍。该泄漏路径是低材料磁导率的方向上，垂直于轧制方向上，因此泄漏将相对较低。

图5示意性地示出了各向异性分组236的第三实施例，其包括由多个各向异性叠片244构成的叠片堆叠242。在一个实施例中，多个非磁性隔片246可以与各向异性叠片244彼此交替。可选地，可以不使用非磁性隔片246。各向异性分组236的面部238被识别出，并且指示各向异性分组236的部分在转子20的任一端均可见。每个各向异性叠片244具有平坦表面，该平坦表面具有类似于转子20的相关联的槽31的至少一部分的横截面形状，各向异性分组236组装到该转子中。多个各向异性叠片244中的每一个优选地由晶粒取向的钢材料制成。在一个实施例中，晶粒取向的钢材料包括通过冷轧处理的铁-硅磁性合金，其用于实现与轧制方向上的磁导率相关的优选磁性能。可选地，多个各向异性叠片244可以由使用快速凝固方法形成的非晶态金属合金制成。

叠片轧制方向40指示多个各向异性叠片244，当各向异性分组236插入转子20中时，转子20的优选的主要d轴线28和q轴线29也是如此。图中还示出了各向异性分组236的深度50，并且指示各向异性分组236伸入到转子20的槽31中的长度。优选地，如图所示，转子20的q轴线29与各向异性分组236的低磁阻轴线对齐，其对应于多个各向异性叠片244的冷轧方向40。

本公开提高了内部永磁转子的转子凸极性，这导致对永久磁体的依赖性降低，因此允许减小磁体的质量以在一些实施例中实现类似的性能。可选地，电机的性能如转矩/安培和效率可以得到改进。此外，由于使用轴向插入转子槽中的晶粒取向的钢叠片，可以改善内部永磁电机的实施例的凸极性。晶粒取向的钢叠层轴向放置在径向叠层的转子槽中，产生具有轴向和径向叠层的混合结构。高凸极比(L_q＞＞L_d)可以增加转矩产生并提高电机效率。增加的凸极性也提高了电机的高速性能。转子凸极的增加通过晶粒取向叠片的轴向插入而引起的q轴线电感的增加来实现，同时保持d轴线电感不受影响。使用径向叠片和轴向叠片组有助于更高的极数增加的每安培转矩和增加的峰值电动机转矩或减小电动机尺寸和磁体质量以实现类似的性能。

如本说明书和权利要求中所使用的，术语“例如”，“比如”，“诸如”和“像”和动词“包括”，“具有”，当与一个或多个组件或其他项目的列表结合使用时，每个都被解释为开放式的，意味着列表不被认为是排除其他附加组件或项目。其他术语将使用其最广泛的合理含义来解释，除非它们在需要不同解释的上下文中使用。此外，在阅读权利要求书时，旨在当使用诸如“一”，“一个”，“至少一个”或“至少一个部分”的词语时，并不意图将权利要求限制为仅一个项目，除非具体地在权利要求中相反地说明。

应当理解，虽然在上述说明中使用的诸如优选的，优选地，优选的或更优选的词的使用指示所描述的特征可能是更期望的，但是它可以不是必要的，并且可以在本公开的范围内预期缺少该特征的实施例，本发明的范围由所附权利要求限定。

详细描述和附图或图是对本教导的支持和描述，但是本教导的范围仅由权利要求书限定。虽然已经详细描述了用于执行本教导的一些最佳模式和其他实施例，但是存在用于实践在所附权利要求书中限定的本教导的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种内部永磁电机，其包含：

包括多个电绕组的定子；

转子，其设置在所述定子内形成的圆柱形空隙中并且包括组装到轴上的多个钢叠片，

其中所述轴限定纵向轴线，

其中每个钢叠片包括多个极，并且每个极包括布置在外周附近的多个槽，每个极具有与磁极的中心对齐的d轴线，以及正交于d轴线的q轴线；

其中所述钢叠片的所述槽纵向对齐；

多个永久磁铁；以及

由各向异性材料组装的多个分组；

其中所述多个永久磁铁设置在所述槽的第一子集中；以及

其中由各向异性材料组装的所述多个分组设置在所述槽的第二子集中，使得q轴线电感增大，而d轴线电感不受影响。

2.根据权利要求1所述的内部永磁电机，其中由各向异性材料组装的所述多个分组以相对于所述纵向轴线的轴向方向设置在所述槽的第二子集中。

3.根据权利要求1所述的内部永磁电机，其中由各向异性材料组装的每个分组包含包括多个叠片的堆叠，所述叠片由晶粒取向的钢材料制成，其中所述多个叠片的晶粒取向的钢材料沿着共同的轴线对齐。

4.根据权利要求3所述的内部永磁电机，其中与所述多个叠片的所述晶粒取向的钢材料相关联的所述共同的轴线平行于与所述转子的一个极相关联的d轴线。

5.根据权利要求3所述的内部永磁电机，其中与所述多个叠片的所述晶粒取向的钢材料相关联的所述共同的轴线对齐于与所述转子的一个极相关联的低磁阻的轴线。

6.根据权利要求3所述的内部永磁电机，其中由晶粒取向的钢材料制成的所述多个叠片沿径向分层。

7.根据权利要求3所述的内部永磁电机，其中由晶粒取向的钢材料制成的所述多个叠片沿轴向分层。

8.根据权利要求1所述的内部永磁电机，其中所述多个槽具有保持空隙的第三子集。

9.根据权利要求3所述的内部永磁电机，其中所述晶粒取向的钢材料包含铁-硅磁性合金。

10.一种用于内部永磁电机的转子，所述转子包含：

组装到轴上的多个钢叠片，其中所述轴限定纵向轴线，其中每个钢叠片包括多个极，其中每个极包括设置在外周边附近的多个槽，并且其中所述钢叠片的槽纵向对齐，每个极具有与磁极的中心对齐的d轴线，以及正交于d轴线的q轴线；

多个永久磁铁；以及

由各向异性材料组装的多个分组，其中所述多个永久磁铁设置在所述槽的第一子集中，并且其中由各向异性材料组装的所述多个分组设置在所述槽的第二子集中，使得q轴线电感增大，而d轴线电感不受影响。