CN109525052A - 用于减小谐波通量的电机转子 - Google Patents

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CN109525052A CN201811073900.3A CN201811073900A CN109525052A CN 109525052 A CN109525052 A CN 109525052A CN 201811073900 A CN201811073900 A CN 201811073900A CN 109525052 A CN109525052 A CN 109525052A
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梁峰
吴伟
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Abstract

提供了一种永磁电机。所述永磁电机可以包括被堆叠以形成转子的多个叠片。每个所述叠片可以限定d轴线，以及位于外圆周上的第一和第二凹形缺口。所述第一和第二凹形缺口可以相对于所述d轴线以±180/N电度设置。N可以是6的倍数。

Description

用于减小谐波通量的电机转子
技术领域
本申请总体涉及永磁电机转子的表面凹槽图案。
背景技术
混合动力电动车辆和电动车辆利用一个或多个电机来为车辆提供推进。各种电机技术可用于此类应用。永磁电机是车辆应用的典型选择。永磁电机包括定子和转子。转子用永磁体构成。定子中的线圈被激励以产生电磁通量，所述电磁通量与由转子的永磁体产生的电磁通量相互作用。通量的相互作用致使转子旋转。由于各种马达设计特性，相互作用的电磁通量产生由谐波分量组成的转矩。转矩可以被描述为具有不同频率的分量的总和。这被视为转矩的脉动或振荡。
发明内容
根据本公开的一个实施例，提供了一种永磁电机。所述永磁电机可以包括被堆叠以形成转子的多个叠片。每个所述叠片可以限定d轴线，以及位于外圆周上的第一和第二凹形缺口。所述第一和第二凹形缺口可以相对于所述d轴线以±180/N电度设置。N可以是6的倍数。
根据本公开的另一个实施例，提供了一种电机。所述电机可以包括被堆叠以形成转子的多个叠片。每个所述叠片可以限定d轴线，以及第一和第二孔口。所述第一和第二孔口可以相对于所述d轴线以±180/N电度设置。N可以是6的倍数以减小谐波阶数为N-1的反电磁通量。
根据本公开的又另一个实施例，提供了一种电机。所述电机可以包括被堆叠以形成转子的多个叠片。每个所述叠片可以限定d轴线和位于外圆周上的第一凹形缺口。所述第一凹形缺口可以包括一对锯齿。所述第一凹形缺口可以与所述d轴线对齐并且被配置成减小谐波阶数为N+1的反电磁通量。
附图说明
图1是示出包括电机的典型传动系和能量存储部件的混合动力车辆的图示。
图2A是转子叠片的平面图的示例。
图2B是沿图2A中的线2B截取的截面图。
图3是示例性转子和定子的局部平面图。
图4A是包括周边凹槽的现有技术转子的局部平面图。
图4B是包括多于一个周边凹槽的转子的局部平面图。
图5是转子的局部平面图，所述转子包括设置在转子内的三角形孔口。
图6是转子的局部平面图，所述转子包括设置在转子内的半圆形孔口。
图7是转子的局部平面图，所述转子包括设置在转子内的梯形孔口。
图8是转子的局部平面图，所述转子包括设置在转子内的三角形孔口和周边凹槽。
图9是转子的局部平面图，所述转子包括设置在转子内的梯形孔口和周边凹槽。
图10是转子的局部平面图，所述转子包括设置在转子内的半圆形孔口和周边凹槽。
图11是转子的局部平面图，所述转子包括由转子限定的双半圆周边凹槽。
图12是转子的局部平面图，所述转子包括由转子限定的多于一个双半圆周边凹槽。
具体实施方式
虽然上文描述了示例性实施方案，但并不意味着这些实施方案描述了本发明的所有可能形式。实际上，在本说明书中使用的措词是用于描述而非限制的措词，并且应理解，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种改变。另外，可对各种实现的实施例的特征进行组合以形成本发明的另外的实施例。
按照需要，本文公开了本发明的详细实施例；然而，应理解，所公开的实施例仅仅是可以体现为各种形式和替代形式的本发明的示例。附图不一定按比例绘制；可将一些特征放大或最小化以示出具体部件的细节。因此，本文所公开的特定结构细节和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅仅作为教导本领域技术人员以不同方式运用本发明的代表性基础。
永磁电机的特征在于安装在由定子包围的转子上或嵌入所述转子内的磁体。安装在转子上或嵌入转子中的磁体与马达的电流引起的内部磁场耦合，所述内部磁场由定子的电输入产生。与其他交流(AC)感应马达类似，通过定子绕组来供应电力。
单独的定子齿组和定子绕组形成多个磁极，所述磁极在定子线圈通过多相正弦电压通电时产生磁通流动模式。例如，三相电机将具有总共8个磁极和48个槽。一组6个槽将是本文公开的48槽电机的特定示例的每个磁极的特征。由定子绕组产生的磁通量与由永磁电机转子中的永磁体产生的转子通量相互作用，使得在定子绕组用多相电压激励时产生转子转矩。
转子的永磁体可能以不同的方式定位或定向以产生期望的磁场。每个磁极可以由被定向成以一个磁极(即，北极或南极)沿径向向外方向的单个永磁体形成。转子的磁极可以由被布置成共同形成磁极的多组永磁体形成。一种这样的布置使磁体以V形图案定向。“V”的内部部分是具有协作以形成转子磁极的类似磁极。每个永磁体可以设置在凹穴或空腔中以保持永磁体。这些凹穴或空腔通常是矩形的并且被设置尺寸以接收永磁体。空腔在相对两端处可以略微过大以限制单独永磁体的北极与南极之间的磁通量泄漏。转子芯中的空隙或空腔阻碍磁通量，因为与转子芯材料(例如，电工钢)相比，真空具有相对较低的磁导率。
由定子绕组和转子通量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两个分量的组合。由于可变转矩分量，产生转矩脉动现象，这在电机作为马达时导致马达转矩输出速度振荡。电动马达中的转矩脉动是由永磁体所产生的谐波磁通量与定子绕组中的电流之间的相互作用引起的。由永磁体产生的谐波磁通量的减小将导致转矩脉动以及铁损的减小。
对于大多数应用，转矩脉动需要减小到可控水平，特别是在混合动力电动车辆动力传动系统应用的情况下，其中转矩脉动分量以与牵引马达的输出轴转速成比例的可变频率发生。通常可以通过动力传动系统的机械部件中的有限带宽来滤除高阶频率。然而，较低频率引起不能轻易过滤的机械振荡。此类振荡在混合动力电动车辆动力传动系统中是不可接受的。在较低频率下存在来自马达的转矩脉动可能致使马达产生不期望的振动和噪声。
通常，转子叠片可以具有围绕转子周边布置的凹穴或空腔以容纳永磁体。永磁体可以被定位成与由定子绕组产生的磁场相互作用。这些凹穴或空腔可以包括通量限制区域以最小化磁体之间不期望的磁通泄漏。
参考图1，示出了典型的插电式混合动力电动车辆(PHEV)。PHEV12可包括机械联接到混合动力变速器16的一个或多个电机14。电机14可以能够作为马达或发电机进行操作。此外，混合动力变速器16机械联接到发动机18。混合动力变速器16还机械联接到驱动轴20，所述驱动轴20机械联接到车轮22。当发动机18打开或关闭时，电机14可以提供推进和减速能力。电机14还用作发电机，并且通过回收通常在摩擦制动系统中作为热量损失的能量来提供燃料经济性益处。通过允许发动机18以更有效的速度操作并允许混合动力电动车辆12以其中发动机18在某些状况下关闭的电动模式进行操作，电机14还可以减小车辆排放。
牵引用电池或电池组24存储可由电机14使用的能量。车辆电池组24通常提供高压直流(DC)输出。一个或多个接触器42可以在打开时将牵引用电池24与高压总线隔离并且在关闭时将牵引用电池24联接到高压总线。牵引用电池24经由高压总线电耦合到一个或多个电力电子模块26。电力电子模块26还电耦合到电机14，并且提供在高压总线与电机14之间双向转移能量的能力。例如，牵引用电池24可以提供DC电压，而电机14可能以三相交流电(AC)操作以起作用。电力电子模块26可以将DC电压转换为三相AC电流以操作电机14。在再生模式中，电力电子模块26可以将来自充当发电机的电机14的三相AC电流转换为与牵引用电池24兼容的DC电压。本文的描述同样适用于纯电动车辆。对于纯电动车辆，混合动力变速器16可以是连接到电机14的齿轮箱，并且发动机18可以不存在。
电机14可以是包括定子122和转子120的内部永磁体(IPM)电机。图2A描绘了示例性转子叠片138，并且图2B描绘了定子122和转子120的配置的侧视图，所述配置具有以轴向堆叠关系布置的多个转子叠片138和多个定子叠片136。转子叠片138可以限定圆形中心开口160，所述圆形中心开口160用于容纳具有可接收驱动键162的键槽的驱动轴。转子叠片138可以限定多个磁体开口142，其相对于相邻对磁体开口142对称地设置。
对应于转子磁极的多个转子扇区124可以由从旋转中心轴线170发射到转子叠片138的外表面150的多个极间轴线(例如，180、184)限定。每个扇区124可包括一对磁体开口142。极间轴线(例如，180、184)可以定位在相邻磁体开口142之间的中间。值得注意的是，图2A仅示出两个可能极间轴线180、184并且未示出所有可能的极间轴线。图2B描绘一系列轴向堆叠转子叠片138的沿着图2A中的线2-B截取的截面图。转子叠片沿中心轴线170堆叠，转子120被配置成围绕所述中心轴线170旋转。定子122围绕转子叠片138的外周边或表面150。
参考图3，示出定子叠片136和部分转子叠片138的局部平面图。转子叠片138和定子叠片136可以由铁合金构成。小气隙140位于定子叠片136的内周边与转子叠片138的外周边150之间。定子叠片136可以限定径向延伸的开口134。
转子叠片138可以在每个转子叠片138的外周边150附近限定对称定位的磁体开口142。每个磁体开口142可以被配置成接收磁体144。取决于设计选择，可以在给定设计中使用任何数量的叠片。转子叠片138和定子叠片136可以沿旋转轴线170以堆叠进行布置。轴向堆叠的转子叠片138和磁体144可以限定多个磁极，例如围绕轴线170分布的180、125和184。
定子122的叠片136可以具有设置在径向延伸的开口134中以形成绕组的导体。定子122可以包括由定子叠片136的堆叠制成的铁芯和承载激励电流的导体的绕组布置。流过定子绕组的电流产生定子电磁通量。可以通过调节流过定子绕组的电流的大小和频率来控制定子通量。因为定子绕组包含在开口134中而不是沿着定子内圆周的均匀正弦分布，所以定子通量中可能存在谐波通量。
转子120可以包括由转子叠片138的堆叠制成的铁芯和插入由铁芯限定的孔或空腔142内的多组永磁体144。转子120中的永磁体144可以产生转子电磁通量。由于分立永磁体的形状和尺寸，转子通量可以包括谐波通量。定子通量和转子通量可以分布在气隙140中。定子通量与转子通量之间的相互作用致使转子120绕轴170旋转。
转子120的磁极可以在几何上限定为对应于由转子叠片138限定的扇区124。每个磁极可以由扇区124表示。磁极位置通常可以由中心磁极轴线125限定，所述中心磁极轴线125沿着相邻磁体开口142之间的中点从轴线170朝向转子138的外表面150径向延伸。极间轴线(例如，180、184)可以在相邻磁极之间从轴线170朝向转子138的外表面150径向延伸。两个相邻磁极之间的角距离可以限定磁极距参数。转子的两个相邻磁极之间的圆周转子表面150上的弧长可以称为磁极距。可以在相邻的中心极轴125之间围绕外转子表面150周向地测量磁极距。每个磁极可以在转子120的外周表面150上具有相关联的表面区域。每个磁极可以由相邻极间轴线180、184之间的表面上的弧长表示。
电磁场或信号可以由具有不同频率和幅度的谐波分量的总和形成。每个谐波分量可以被表示为频率和幅度。信号可以包括基本分量。基本分量可以是具有最大幅度的频率分量。
在操作期间，定子和转子的基本分量通量可以在相同频率下沿相同方向对准和旋转。定子通量和转子通量的基本分量之间的相互作用产生转矩。定子和转子的谐波通量可以具有不同的磁极数、转速和方向。因此，谐波通量之间的相互作用产生转矩波动(称为转矩脉动)。转矩脉动可以具有含不同频率的谐波分量。转矩脉动分量的阶数可以限定为转矩脉动分量频率与以每秒转数为单位的转子速度的比率。
转矩脉动的一个影响是它可能导致转子的速度振荡。此外，转矩脉动可能影响马达和联接到电机的部件的噪声和振动。可以通过联接的机械系统的有限带宽来滤除高阶转矩脉动频率。转矩脉动的较低谐波频率可能引起所联接的系统中的机械振荡。期望减小转矩脉动以减少包含电机的系统中的振动和噪声。
参考图4A，示出了现有技术转子的局部平面图。通常，转子120的外圆周表面150是圆形或光滑的。这里，转子包括围绕转子的d轴线125设置的凹形缺口或凹槽152。
参考图4B，示出根据本公开的至少一个实施例的转子的局部平面图。该实施例包括三个凹槽，而不是以d轴线125为中心的单个凹槽152。第一凹槽152a沿-180/N电度的角度定位，其中N是6的倍数的整数，例如6、12、18等。第二凹槽152b以d轴线125为中心。类似于第一凹槽，第三凹槽152c相对于d轴线沿180/N电度的角度定位，其中N是6的倍数，例如6、12、18等。整数N可以表示转矩脉动的电阶数或与其相关。凹槽及其指定位置被配置成减小反电磁力(反电动势)。
反电动势是通过旋转转子产生的磁场所引起的定子绕组的电压。反电动势谐波会导致可能对电机效率产生不利影响的电流谐波和电机损耗。由于反电动势谐波，转矩脉动也可能增加。可以减小反电动势以实现马达系统中的转矩脉动的减小和马达效率的提高。沿转子周边的转子磁场可以不是正弦分布的并且可以包含N±1阶的谐波。转子磁场谐波将引起相同阶的反电动势谐波。有害的反电动势谐波为N±1阶，其中N是6的倍数，例如6、12、18等。可以通过相对于d轴线沿预定角度定位各种特征来改善反电动势，如图4B所示并且如下所述。
参考图5，示出根据本公开的另一个实施例的转子的局部平面图。两个三角形孔或狭槽154可以定位在磁体空腔142之间并且靠近转子150的边缘。更具体地，三角形孔154相对于d轴线以-180/N电度和+180/N电度的角度定位。三角形槽154的作用是减小N-1阶的反电动势谐波。具体参考图6，转子138包括半圆形槽156，其布置在与图5中的三角形槽154相同的位置。半圆形槽156还减小N-1阶的反电动势谐波。具体参考图7，转子138包括梯形槽158或孔口，其布置在与图5中的三角形槽154相同的位置。与三角形槽154和半圆形槽156一样，梯形槽减小N-1阶的反电动势谐波。
参考图8，示出根据本公开的另一个实施例的转子的局部平面图。转子138结合了图4A所示的单个周边凹槽152和三角形孔或槽154的特征。单个周边凹槽152与d轴线125对齐并且被配置成减小N+1阶的反电动势谐波。三角形槽154相对于d轴线125以-180/N电度和+180/N电度的角度进行定位。图9示出转子138的局部平面图，所述转子138包括围绕d轴线布置的单个外围凹槽152和两个梯形槽158，每个所述梯形槽158相对于d轴线125以-180/N电度和+180/N电度的角度进行定位。图10示出上面已经提到的单个周边凹槽概念和半圆形槽156。梯形槽158和半圆形槽156各自被配置成减少N-1阶的反电动势谐波。
参考图11，示出根据本公开的另一个实施例的转子的局部平面图。转子138可包括彼此相交并由d轴线125二等分的一对锯齿或凹槽152b和152b'。彼此二等分的两个凹槽或锯齿可以称为“双凹槽”，并且提供减小N+1阶的反电动势谐波的优点。锯齿可以被限定为具有锯齿形边缘或锯状特征。除了该对锯齿152b、152b'之外，还实现了前面附图中描述的三角形槽154。值得注意的是，如已经描述的那样，槽可以是三角形、梯形或半圆形。与三角形槽154和半圆形槽156一样，梯形槽减小N-1阶的反电动势谐波。
在图12中阐述双凹槽或锯齿形边缘概念。这里，双凹槽或锯齿由d轴线二等分，其中在d轴线的每一侧具有凹槽或锯齿152b和152b'。槽152a和152a’以-180/N电度定位并且槽152c和152c’以+180/N电度定位定位。双凹槽152b和152b’减小N+1阶的反电动势谐波。凹槽152a、152a'、152c和152c’减小N-1阶的反电动势谐波。
根据本发明，提供了一种永磁电机，其具有被堆叠以形成转子的多个叠片，每个所述叠片限定d轴线，以及相对于所述d轴线以±180/N电度设置的位于外圆周上的第一和第二凹形缺口，其中N是6的倍数。
根据实施例，所述第一和第二凹形缺口包括一对锯齿。
根据实施例，每个所述叠片还限定位于所述外圆周上并设置在所述d轴线上的第三凹形缺口。
根据实施例，所述第一、第二和第三凹形缺口各自位于一对磁体之间。
根据实施例，所述对磁体被布置成V形。
根据实施例，所述第一、第二和第三凹形缺口是弯曲的。
根据实施例，所述第一、第二和第三凹形缺口中的每一个的形状都是椭圆形的。
根据本发明，提供了一种电机，其具有被堆叠以形成转子的多个叠片，每个所述叠片限定d轴线，以及相对于所述d轴线以±180/N电度设置的第一和第二孔口，其中N是6的倍数以减小谐波阶数为N-1的反电磁通量。
根据实施例，每个所述叠片限定所述圆周上的与所述d轴线对齐的凹形缺口，所述凹形缺口被配置成减小谐波阶数为N+1的反电磁通量。
根据实施例，所述第一和第二孔口的形状是三角形的。
根据实施例，所述第一和第二孔口的形状是椭圆形的。
根据实施例，所述第一和第二孔口的形状是梯形的。
根据实施例，所述第一和第二孔口是半椭圆形的。
根据本发明，提供了一种电机，其具有被堆叠以形成转子的多个叠片，每个所述叠片限定d轴线和包括一对锯齿的位于外圆周上的第一凹形缺口，其中所述第一凹形缺口与所述d轴线对齐并且被配置成减小谐波阶数为N+1的反电磁通量。
根据实施例，每个所述叠片还限定第一和第二孔口，并且所述第一和第二孔口相对于所述d轴线以±180/N电度设置以减小谐波阶数为N-1的反电磁通量。
根据实施例，所述第一和第二孔口的形状是三角形的。
根据实施例，所述第一和第二孔口的形状是椭圆形的。
根据实施例，所述第一和第二孔口的形状是梯形的。
根据实施例，每个所述叠片还限定位于外圆周上的第二和第三凹形缺口，其中所述第二和第三凹形缺口中的每一个包括一对锯齿，并且其中所述第二和第三凹形缺口相对于所述d轴线以±180/N电度设置以减小谐波阶数为N-1的反电磁通量。
根据实施例，所述第一、第二和第三凹形缺口各自位于一对磁体之间。

Claims (15)

1.一种永磁电机，其包括：
被堆叠以形成转子的多个叠片，每个所述叠片限定d轴线，以及相对于所述d轴线以±180/N电度设置的位于外圆周上的第一和第二凹形缺口，其中N是6的倍数。
2.根据权利要求1所述的永磁电机，其中所述第一和第二凹形缺口包括一对锯齿。
3.根据权利要求1所述的永磁电机，其中每个所述叠片还限定位于所述外圆周上并设置在所述d轴线上的第三凹形缺口。
4.根据权利要求3所述的永磁电机，其中所述第一、第二和第三凹形缺口各自位于一对磁体之间。
5.根据权利要求4所述的永磁电机，其中所述对磁体被布置成V形。
6.根据权利要求3所述的永磁电机，其中所述第一、第二和第三凹形缺口是弯曲的。
7.根据权利要求1所述的永磁电机，其中所述第一、第二和第三凹形缺口中的每一个的形状都是椭圆形的。
8.一种电机，其包括：
被堆叠以形成转子的多个叠片，每个所述叠片限定d轴线，以及相对于所述d轴线以±180/N电度设置的第一和第二孔口，其中N是6的倍数以减小谐波阶数为N-1的反电磁通量。
9.根据权利要求8所述的电机，其中每个所述叠片限定与所述d轴线对齐的位于所述圆周上的凹形缺口，所述凹形缺口被配置成减小谐波阶数为N+1的反电磁通量。
10.根据权利要求8所述的电机，其中所述第一和第二孔口的形状是三角形的。
11.根据权利要求8所述的电机，其中所述第一和第二孔口的形状是椭圆形的。
12.根据权利要求8所述的电机，其中所述第一和第二孔口的形状是梯形的。
13.根据权利要求8所述的电机，其中所述第一和第二孔口是半椭圆形的。
14.一种电机，其包括：
被堆叠以形成转子的多个叠片，每个所述叠片限定d轴线和包括一对锯齿的位于外圆周上的第一凹形缺口，其中所述第一凹形缺口与所述d轴线对齐并且被配置成减小谐波阶数为N+1的反电磁通量。
15.根据权利要求14所述的电机，其中每个所述叠片还限定位于外圆周上的第二和第三凹形缺口，其中所述第二和第三凹形缺口中的每一个包括一对锯齿，并且其中所述第二和第三凹形缺口相对于所述d轴线以±180/N电度设置以减小谐波阶数为N-1的反电磁通量。
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