CN108206596B - 用于电机的开有狭槽的转子桥 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于电机的开有狭槽的转子桥。公开了一种具有转子的电机。所述转子限定有空腔、外周边和在空腔与外周边之间的顶桥，所述空腔容纳磁体，所述顶桥包括至少两个狭槽，每个狭槽具有沿径向方向的长度。最大的长度最接近Q轴，最小的长度最接近D轴。当电机正在运转时，通过所述顶桥的气隙磁通密度的变化率不同。

Description

用于电机的开有狭槽的转子桥
技术领域
本公开涉及一种永磁电机转子。
背景技术
电机通常利用转子和定子来产生转矩。电流流经定子的绕组以产生磁场。由定子产生的磁场可与固定到转子的永磁体共同作用以产生转矩。
发明内容
根据本公开的一个实施例，公开了一种具有转子的电机。所述转子限定有空腔、外周边和在空腔与外周边之间的顶桥，所述空腔容纳磁体，所述顶桥包括至少两个狭槽，每个狭槽具有沿径向方向的长度。最大的长度最接近Q轴，最小的长度最接近D轴。当电机正在运转时，通过所述顶桥的气隙磁通密度的变化率不同。
与所述气隙磁通密度相关联的波形可以以阶梯的形式增大和减小。
转子的气隙磁通密度的变化率可导致转矩波动和铁损的减小。
所述电机还可包括周向地包围转子的定子。转子和定子中的每个可产生磁场，所述磁场相互作用以限定谐波水平。转矩波动和铁损随着谐波水平的增大而增大。所述谐波水平可以至少基于气隙磁通密度。
所述至少两个狭槽中的最接近Q轴的第一狭槽可与所述外周边间隔开第一距离，所述至少两个狭槽中的第二狭槽与所述外周边间隔开第二距离。所述第一距离可小于所述第二距离。
所述至少两个狭槽中的每个狭槽的长轴可相对于转子的旋转轴线径向地布置。
所述至少两个狭槽可具有带圆角的矩形形状。
所述至少两个狭槽可具有椭圆形、菱形、六边形或其它不规则的形状。
根据本公开的另一实施例，公开了一种具有转子的电机。所述转子限定有空腔、外周边和在空腔与外周边之间的顶桥，所述空腔容纳磁体。所述转子包括至少两个狭槽，每个狭槽具有宽度。最大的宽度最接近D轴，最小的宽度最接近Q轴，并且每个宽度从最大到最小单调递减。
所述至少两个狭槽的单调递减的宽度可导致在运转期间通过所述顶桥的气隙磁通密度的阶梯型的变化率。
所述阶梯型的变化率可用于消除由电机限定的谐波水平，以减小转矩波动和铁损。
所述至少两个狭槽可具有带圆角的矩形形状。
所述转子还可包括第三狭槽。所述至少两个狭槽中的第一狭槽与所述至少两个狭槽中的第二狭槽可间隔开第一距离，所述至少两个狭槽中的第二狭槽与所述第三狭槽可间隔开第二距离。所述第一距离可大于或等于所述第二距离。
所述至少两个狭槽中的最接近D轴的第一狭槽可与所述外周边间隔开第一距离，所述至少两个狭槽中的第二狭槽可与所述外周边间隔开第二距离。所述第一距离可大于所述第二距离。
最接近D轴的狭槽具有长度H1和宽度W1，并且H1大于或等于W1，并且其中，最接近Q轴的狭槽具有长度H3和宽度W3，并且W3小于H3。
所述至少两个狭槽中的每个狭槽可具有基本上垂直于转子的外周边布置的长轴。
附图说明
图1是电机的转子的叠片堆的透视图。
图2是叠片的俯视图。
图2A是叠片的详细视图。
图3是关于要求保护的转子的气隙磁通密度与角度的关系的曲线图。
具体实施方式
永磁电机的特点是磁体安装在由定子包围的转子上或嵌入在转子内。安装在转子上或嵌入在转子内的磁体与马达的由定子的电输入产生的电流感应的内部磁场耦合。与其它交流(AC)感应马达类似，电力通过定子绕组被供应。
转子的永磁体可以以不同的方式定位或定向以产生期望的磁场。每个极可以由沿径向向外方向以一个极(即，北或南)定向的单个永磁体形成。转子的极可以由布置为共同地形成磁极的永磁体组形成。一种这样的布置是以V形图案定向磁体。“V”形的内部部分具有同样的磁极，该同样的磁极共同形成转子的磁极。每个永磁体可被设置在用于保持永磁体的凹腔(pocket)或空腔中。这些凹腔或空腔通常为矩形，并具有容纳永磁体的尺寸。空腔的相对两端可稍微过大以限制各个永磁体的北极与南极之间的磁通泄漏。转子芯中的空隙或空腔妨碍磁通，这是因为真空与转子芯材料(例如，电工钢)相比具有相对较低的磁导率。
分开的定子齿组和定子绕组形成多个磁极，所述多个磁极在定子线圈利用多相正弦电压被激励时产生磁通流型(flux flow pattern)。例如，三相电机将总共具有8个极和48个槽。在此公开的48槽电机的具体示例的每个极的特征会是一组6个槽。由定子绕组产生的磁通与由永磁电机的转子中的永磁体产生的转子磁通相互作用，从而在定子绕组利用多相电压被激励时产生转子转矩。
由定子绕组和转子磁通场产生的转矩形成均匀的转矩分量和变化的转矩分量。电机的总输出转矩是这两个分量的组合。由于可变的转矩分量，所以产生转矩波动现象，这在电机用作马达时导致马达转矩输出和转速振荡。电动马达中的转矩波动是由永磁体产生的谐波磁通与定子绕组中的电流之间的相互作用引起的。永磁体产生的谐波磁通的减小将导致转矩波动以及铁损的减小。
对于大多数应用，需要将转矩波动减小到可管理的水平，特别是在混合动力电动车辆动力传动系统应用(其中，转矩波动分量以与电动牵引马达的输出轴转速成比例的可变频率发生)的情况下。通常，可通过动力传动系统的机械部件中的有限带宽滤除高阶频率。然而，较低的频率引起不易被滤除的机械振荡。这种振荡在混合动力电动车辆动力传动系统中是不可接受的。来自马达的较低频率的转矩波动的存在可能使马达产生不期望的振动和噪声。
通常，转子叠片可具有围绕转子的周边布置以容纳永磁体的凹腔或空腔。永磁体可被定位成与由定子绕组产生的磁场相互作用。这些凹腔或空腔可包括用于使磁体之间的不期望的磁通泄漏最小化的磁通限制区域。
转子的形状及其相关联的空腔的形状影响沿着转子表面的磁通分布。磁通分布影响电机的转矩波动和铁损。转子的形状具有逐渐变化的顶桥宽度。顶桥宽度的逐渐变化导致磁阻沿桥的平稳变化。这有效地减小了转子磁通谐波，从而实现转矩波动和铁损的减小。要求保护的转子内的空腔的尺寸和形状旨在减小永磁马达内的铁损。
当施加较大的磁场时发生磁饱和。材料不再发生进一步的磁化，或者材料发生最小的磁化。在传统的永磁体转子设计中，顶桥的宽度是大致均匀的。因此，在桥的两端的区域中磁通密度快速增大，这在气隙中产生谐波磁通。可通过在桥中引入空腔以使沿着桥的磁阻变化平稳来减轻快速的磁通变化。这种磁通变化率的减小能够使转矩波动减小20％至30％。还可使铁损减小10％至15％以上。
属性 相对于基准的传统扁平桥减小
转矩波动 20％-30％
磁场弱化情况下的铁损 10％-15％
表1
参照图2，示出了用于八极电机的由定子32包围的转子26的俯视图。转子26包括磁体空腔24。转子26优选为电磁可渗透金属的圆形片。直轴(D轴)30将彼此间隔开的其中两个空腔24(图2A)平分。交轴(Q轴)29被示出为从中心点28沿着大约90°的电角度(相对于D轴，而对于示出的转子示例，Q轴被示出为22.5机械度)延伸。
参照图2A，示出了沿着圈出的区域2A截取的详细视图。定子32周向地包围转子26。转子26限定有磁体空腔24。磁体空腔24由第一腿部10和第二腿部18组成。第一腿部10和第二腿部18间隔开，使得磁体空腔24具有容纳磁体20的尺寸。第一腿部10和第二腿部18通过第一部分12连接在一起。顶桥16是转子26的外周边22与空腔24的第一部分12之间的区域。第一狭槽40设置在顶桥16内，并且被定位成最接近D轴30。第一狭槽40优选地具有宽度W1和径向长度H1。第一狭槽40位于顶桥16中，并且与第二狭槽50和第三狭槽60相比，第一狭槽40最接近D轴30。第二狭槽50设置在顶桥16内。第二狭槽50设置在空腔24与外周边22之间。第二狭槽50具有径向长度H2和宽度W2。高度H2大于第一狭槽的高度H1。第三狭槽60设置在顶桥16内，位于外周边22与空腔24之间。第三狭槽60具有宽度W3和高度H3。第三狭槽60的径向长度H3大于第二狭槽50的径向长度H2。狭槽可采用任何形状，只要狭槽的高度根据它们的位置相对于D轴30减小即可。相对于其它狭槽而言，狭槽越接近Q轴29，狭槽的径向长度越大。
狭槽可以以预定距离间隔开。例如，第一狭槽40与第二狭槽50间隔开距离a。第二狭槽50与第三狭槽60间隔开距离b。距离a大于或等于距离b。
参照图3，示出了用于描绘衡量气隙磁通密度(以特斯拉[T]来测量)与角度(以电角度来测量)的关系的曲线图。随着气隙磁通密度接近峰值，狭槽的形状和尺寸产生气隙磁通密度的阶梯的或渐进的变化。曲线图的第一部分示出了气隙磁通密度的增大和逐渐减小。该增大和逐渐减小归因于第一狭槽40。可以同样地描述曲线图的第二部分和第三部分。每个狭槽导致气隙磁通密度在达到峰值之前增大和逐渐减小。在0度和25度之间的逐渐变化是上文描述的具有三个狭槽的转子26所特有的。这种气隙磁通密度的逐渐变化导致较低的谐波磁通水平，从而使转矩波动减小。
根据需要，在此公开本发明的具体实施例；然而，将理解的是，所公开的实施例仅为本发明的示例，本发明可采用各种可替代形式实现。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部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，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。
虽然上文描述了示例性实施例，但是并不意在这些实施例描述了本发明的所有可能形式。更确切地，说明书中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，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种改变。此外，各个实施的实施例的特征可被组合，以形成本发明的进一步的实施例。

Claims (20)

1.一种电机，包括：
转子，限定有空腔、外周边和在空腔与外周边之间的顶桥，所述空腔容纳磁体，所述顶桥限定有至少两个狭槽，每个狭槽具有沿径向方向的长度，具有最大的长度的狭槽最接近Q轴，具有最小的长度的狭槽最接近D轴。
2.根据权利要求1所述的电机，其中，与在运转期间通过所述顶桥的气隙磁通密度相关联的波形以阶梯的形式增大和减小。
3.根据权利要求1所述的电机，其中，在运转期间通过所述顶桥的气隙磁通密度的变化率导致转矩波动和铁损的减小。
4.根据权利要求3所述的电机，还包括周向地包围转子的定子，其中，转子和定子中的每个产生磁场，所述磁场相互作用以限定谐波水平，其中，转矩波动和铁损随着谐波水平的增大而增大。
5.根据权利要求4所述的电机，其中，所述谐波水平至少基于气隙磁通密度。
6.根据权利要求1所述的电机，还包括最接近Q轴的第三狭槽，其中，所述至少两个狭槽中的第一狭槽与所述至少两个狭槽中的第二狭槽间隔开第一距离，其中，所述至少两个狭槽中的第二狭槽与所述第三狭槽间隔开第二距离，其中，所述第一距离大于或等于所述第二距离。
7.根据权利要求1所述的电机，其中，所述至少两个狭槽中的最接近Q轴的第一狭槽与所述外周边间隔开第一距离，所述至少两个狭槽中的第二狭槽与所述外周边间隔开第二距离，其中，所述第一距离小于或等于所述第二距离。
8.根据权利要求1所述的电机，其中，所述至少两个狭槽中的最接近D轴的第一狭槽具有长度H1和宽度W1，并且H1大于W1，其中，所述至少两个狭槽中的最接近Q轴的第二狭槽具有长度H2和宽度W2，并且W2小于或等于H2。
9.根据权利要求1所述的电机，其中，所述至少两个狭槽中的每个狭槽的长轴相对于转子的旋转轴线径向地布置。
10.根据权利要求1所述的电机，其中，所述至少两个狭槽具有带圆角的矩形形状。
11.根据权利要求1所述的电机，其中，所述至少两个狭槽具有椭圆形形状。
12.一种电机，包括：
转子，限定有空腔、外周边和在空腔与外周边之间的顶桥，所述空腔容纳磁体，所述顶桥限定有至少两个狭槽，每个狭槽具有宽度，具有最大的宽度的狭槽最接近D轴，具有最小的宽度的狭槽最接近Q轴，并且各个狭槽的宽度从最大到最小单调递减。
13.根据权利要求12所述的电机，其中，所述至少两个狭槽的单调递减的宽度导致在运转期间通过所述顶桥的气隙磁通密度的阶梯型的变化率。
14.根据权利要求13所述的电机，其中，所述阶梯型的变化率用于消除由电机限定的谐波水平，以减小转矩波动和铁损。
15.根据权利要求12所述的电机，其中，所述至少两个狭槽具有带圆角的矩形形状。
16.根据权利要求12所述的电机，其中，所述至少两个狭槽具有大体上椭圆形的形状。
17.根据权利要求12所述的电机，还包括最接近Q轴的第三狭槽，其中，所述至少两个狭槽中的第一狭槽与所述第三狭槽间隔开第一距离，所述至少两个狭槽中的第二狭槽与所述第三狭槽分开第二距离，其中，所述第一距离大于或等于所述第二距离。
18.根据权利要求12所述的电机，其中，所述至少两个狭槽中的最接近D轴的第一狭槽与所述外周边间隔开第一距离，所述至少两个狭槽中的第二狭槽与所述外周边间隔开第二距离，其中，所述第一距离大于或等于所述第二距离。
19.根据权利要求12所述的电机，其中，最接近D轴的狭槽具有长度H1和宽度W1，并且H1大于或等于W1，其中，最接近Q轴的狭槽具有长度H3和宽度W3，并且W3小于H3。
20.一种电机，包括：
转子，限定有空腔、外周边和在空腔与外周边之间的顶桥，所述空腔容纳磁体，所述顶桥限定有多个狭槽，每个狭槽具有长度和宽度，具有最大的长度的狭槽最接近Q轴，具有最小的长度的狭槽最接近D轴，各个狭槽的长度从最大到最小单调递减，并且各个狭槽的宽度从最大到最小单调递减。
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