CN110474455B - 具有混合转子拓扑结构的内置式永磁体机器 - Google Patents

Abstract

提供包括定子和转子的内置式永磁体电动机组件。定子包括电磁绕组。转子围绕转子轴线与定子同心地设置，并且转子具有多个转子部段。多个转子部段可包括第一转子部段和第二转子部段。第一转子部段可具有第一袋状部，所述第一袋状部被布置成根据第一转子拓扑结构接收第一磁体组的至少第一磁体。第二转子部段可以围绕转子轴线相对于第一转子部段轴向地堆叠。第二转子部段可被布置成根据第二转子拓扑结构接收第二磁体组的至少第二磁体，所述第二转子拓扑结构具有与第一转子拓扑结构不同的构造。

Description

具有混合转子拓扑结构的内置式永磁体机器

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2018年5月11日提交的序列号为62/670,486的美国临时专利申请的优先权，该临时专利申请通过引用整体并入本文。

技术领域

本申请涉及一种内置式永磁体机器，尤其涉及一种具有混合转子拓扑结构的内置式永磁体机器。

背景技术

内置式永磁体机器或组件通常包括定子和转子，所述定子具有定子线圈绕组，所述转子具有与由定子线圈绕组限定的定子极配合的永磁体。当该机器用作电动机时，定子线圈绕组可以通过电流激励以提供转子转矩。由定子线圈绕组产生的电磁通量流动路径与由永磁体产生的通量流动路径的相互作用可伴随有谐波波形分量。这些谐波分量可能会引入转矩波动、增加的齿槽转矩或反EMF谐波。

发明内容

根据本公开的一个方案，内置式永磁体电动机组件包括定子和转子。定子包括电磁绕组。转子围绕转子轴线与定子同心地设置，并且转子具有多个转子部段。多个转子部段包括第一转子部段和第二转子部段。第一转子部段具有第一袋状部，所述第一袋状部被布置成根据第一转子拓扑结构接收第一磁体组的至少第一磁体。第二转子部段围绕转子轴线相对于第一转子部段轴向地堆叠。第二转子部段被布置成根据第二转子拓扑结构接收第二磁体组的至少第二磁体，第二转子拓扑结构具有与第一转子拓扑结构不同的构造。

根据本公开的另一方案，用于内置式永磁体电动机组件的转子包括转子芯，该转子芯具有围绕转子轴线彼此轴向地堆叠的第一转子部段和第二转子部段。第一转子部段限定多个第一磁体袋状部。第一磁体被接收在多个第一磁体袋状部的第一袋状部内。第二转子部段限定多个第二磁体袋状部。多个第一磁体袋状部中的每一个与多个第二磁体袋状部中的每一个被布置成使得第一转子部段的第一磁性北极与第二转子部段的第二磁性北极共用一轴线。

根据本公开的又一方案，内置式永磁体电动机组件包括定子和转子。定子限定中心开口。转子组件被设置在中心开口内并包括第一转子部段和第二转子部段，第一转子部段具有限定第一转子拓扑结构的多个第一磁体袋状部，第二转子部段具有限定第二转子拓扑结构的多个第二磁体袋状部。第一转子拓扑结构被进一步限定为具有V型构造，第二转子拓扑结构被进一步限定为具有与V型构造不同的构造。第一转子部段和第二转子部段彼此轴向地堆叠，使得从轴向视角看过去，多个第一磁体袋状部其中之一至少部分地在多个第二磁体袋状部其中之一上延伸。

从以下结合附图的描述中，这些和其他优点及特征将变得更加明显。

附图说明

在说明书结尾的权利要求书中特别指出并清楚地要求保护被视为本公开的主题。通过以下结合附图的详细描述，本公开的前述和其他特征以及优点将变得显而易见，其中：

图1A是内置式永磁体电动机组件的一部分的示例的立体图；

图1B是图1A的内置式永磁体电动机组件的横截面的正视图，示出了V型构造转子部段的示例的一部分；

图1C是图1A的内置式永磁体电动机组件的横截面的后视图，示出了转子部段的辐条型构造的示例的一部分；

图1D是图1A的内置式永磁体电动机组件的转子芯的一部分的示例的立体图；

图1E是图1A的内置式永磁体电动机组件的磁体布置的示例的立体图；

图1F是示出了图1B和图1C的横截面图的叠加的示意图，用以从轴向图示出图1A的永磁体电动机组件的磁体袋状部和磁体的示例关系；

图2A是内置式永磁体电动机组件的一部分的示例的立体图；

图2B是图2A的内置式永磁体电动机组件的横截面正视图，示出了转子部段的V型构造的另一示例的一部分；

图2C是图2A的内置式永磁体电动机组件的横截面后视图，示出了转子部段的I型构造的示例的一部分；

图2D是图1A的内置式永磁体电动机组件的转子芯的一部分的示例的立体图；

图2E是图2A的内置式永磁体电动机组件的磁体布置的示例的立体图；

图2F是示出了图2B和图2C的横截面图的叠加的示意图，用以从轴向图示出图2A的永磁体电动机组件的磁体袋状部和磁体的示例关系；以及

图3是内置式永磁体转子的又一个示例的横截面正视图，示出了可影响齿槽转矩波形的移位的磁通屏障的示例。

具体实施方式

现在参考附图，其中将参考不限制本公开的具体实施例来描述本公开，应理解的是，所公开的实施例仅是本公开的说明，其可以以各种替代形式实施。这些附图不一定按比例；某些特征可能被放大或最小化以显示特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本公开的代表性基础。

与表面式永磁体组件相比，内置式永磁体组件可提供转矩密度改进。内置式永磁体组件可具有优于表面式永磁体组件的进一步益处，诸如例如，更宽的磁场弱化或恒定功率区域、磁阻转矩和对准转矩的存在(例如，对于相同的电流密度来说总体更高的转矩密度)、更好的磁体保持力、更低的消磁风险和更小的短路电流。

现有的内置式永磁体组件拓扑结构可能具有一些缺点，这些缺点影响内置式永磁体组件的整体性能和效率，诸如例如，齿槽转矩(coggingtorque)、反EMF谐波和转矩波动/轴转矩中的波动。可以提供根据本公开使用混合转子拓扑结构的内置式永磁体组件以克服这些缺点并提供更有效的内置式永磁体组件，该内置式永磁体组件还减少了引起的电动机转矩脉动(fluctuation)。

图1A至图3示出了内置式永磁体机器(本文中也称为内置式永磁体组件)的部分的示例。图1A示出了内置式永磁体机器或组件(本文通常称为内置式永磁体电动机组件10)的一部分的示例。内置式永磁体电动机组件10可以是内置式永磁体同步机器，其可以用于要求紧凑、高效和高转矩密度的内置式永磁体电动机组件的应用中。内置式永磁体电动机组件10可包括定子12、转子组件14和转子轴16，转子组件围绕转子轴线18与定子12同心设置，转子组件14安放在所述转子轴上。转子轴16可以限定转子组件14围绕其旋转的转子轴线18。定子12和转子组件14均可围绕转子轴线18设置并沿该转子轴线延伸。

定子12包括定子芯20和电磁绕组22。每个电磁绕组22的第一端可以设置在内定子表面24附近，并且每个电磁绕组22的第二端可以与外定子表面26间隔开。电磁绕组22可以成形为在从外定子表面26朝向内定子表面24延伸的方向上逐渐变细(taper)，并且使得多个电磁绕组22的每个绕组的宽度沿着锥化方向(taper direction，锥度方向)减小。或者，电磁绕组22可在从内定子表面24朝向外定子表面26延伸的方向上逐渐变细。电磁绕组22可以具有至少部分地在内定子表面24与外定子表面26之间延伸的基本恒定的横截面形状。

转子组件14可以围绕转子轴16可旋转地设置在定子12内，使得内置式永磁体电动机组件10被布置为内置式转子电动机。在另一个示例中，转子组件14可以围绕定子12设置以限定外置式转子电动机。

转子组件14可包括设置在转子轴16上的转子芯30。转子芯30可在内转子表面32与外转子表面34之间径向地延伸(相对于转子轴线18)。内转子表面32可以接触转子轴16并且可以设置成比外转子表面34更靠近转子轴线18。外转子表面可以与内定子表面24间隔开，例如通过它们之间的气隙而间隔开。

内置式永磁体电动机组件10的转子组件14可包括具有不同转子拓扑结构的多个转子部段。多个转子部段中的每一个均可以沿着转子轴线18相对于彼此轴向地堆叠。不同的转子拓扑结构可以采用不同的磁体或磁体袋状部构造，诸如例如，V型、辐条型、棒型、或I型，如本文进一步描述的。设想轴向堆叠的多个转子部段中的每一个可具有某些特征改变的各种转子拓扑结构。可以改变的特征的示例包括转子部段轴向长度、磁体长度、磁体厚度、磁体袋状部的极弧角、磁体袋状部构造或磁通屏障的存在。沿转子轴线18可相对于彼此堆叠的具有不同转子拓扑结构的多个转子部段或不同转子可改善齿槽转矩、感应电压中的谐波和轴转矩中的波动。

通过使单独的转子或转子部段提供相等幅度但处于相反相位的齿槽，具有不同转子拓扑结构的组合的或堆叠的转子可消除齿槽。此外，具有不同转子拓扑结构的转子的组合或堆叠可通过谐波消除而实现正弦感应电压。

图1B至图1F示出了转子组件14的部分的示例。转子组件14可包括具有第一转子拓扑结构的第一转子部段40和具有第二转子拓扑结构的第二转子部段42。第一转子部段40和第二转子部段42可以布置成沿着转子轴线18相对于彼此轴向堆叠。第二转子拓扑结构可以不同于第一转子拓扑结构，使得与每个转子拓扑结构相关的磁体袋状部具有不同的磁体袋状部布置。

第一转子部段40的第一转子拓扑结构可以布置为V型内置式永磁体转子部段，例如，如图1B中所示的。在另一个示例中，第二转子部段42的第二转子拓扑结构可以布置为辐条型内置式永磁体转子部段，例如，如图1C中所示的。

第一转子部段40的V型内置式永磁体的齿槽转矩随极弧变化而改变相位和幅度，而第二转子部段42的辐条型内置式永磁体中的齿槽相位保持不变。将第一转子部段40与第二转子部段42组合在单个转子组件中可以潜在地消除或减小齿槽转矩。还观察到，如果第一转子部段40的V型构造的反EMF波形和第二转子部段42的辐条型构造的反EMF(back-EMF，反电动势)波形相组合，则可能产生更为正弦的反EMF。

图1B、图2B和图3示出了包括磁体袋状部和磁体的V型构造的转子拓扑结构的示例。第一转子部段40的第一转子拓扑结构可部分地由至少部分地延伸穿过第一转子部段40的磁体袋状部限定。多个第一磁体袋状部中的每一个可被布置成接收第一磁体组的磁体52。多个第一磁体袋状部可包括第一磁体袋状部54、第二磁体袋状部56和第三磁体袋状部58。

第一磁体组中的多个磁体其中之一可被设置在第一磁体袋状部54内。第一磁体袋状部54可以包括沿第一轴线62延伸的第一边缘60。第二磁体袋状部56可以接收第一磁体组中的多个磁体其中之一。第二磁体袋状部56可从位于第一磁体袋状部54与第二磁体袋状部56之间的非磁体袋状部68延伸，使得第一磁体袋状部54和第二磁体袋状部56布置成相对于彼此限定一角度。

例如，第二磁体袋状部56可包括第二边缘64。第二边缘64可沿第二轴线66延伸。第一轴线62和第二轴线66可彼此相交并在其间限定一角度。它们之间的角度可以基本等于0度与180度之间。

第三磁体袋状部58可以从第一磁体袋状部54或第二磁体袋状部56中任一相对于转子轴线18沿周向移位。第三磁体袋状部58可以布置成接收第一磁体组的多个磁体其中之一。气隙或非磁体袋状部68可从第一磁体袋状部54和第二磁体袋状部56的拐角或端部朝向外转子表面30延伸。

图1C示出了第二转子部段42的第二转子拓扑结构的示例的进一步细节。例如，第二转子部段42可布置为辐条型内置式永磁体转子部段。第二转子拓扑结构可以由至少部分地延伸穿过第二转子部段42的多个第二磁体袋状部70限定。多个第二磁体袋状部70中的每一个可被布置成接收第二磁体组的磁体72。

多个第二磁体袋状部70中的一个磁体袋状部可包括沿轴线78延伸的边缘76。边缘76可至少部分地在内转子表面32与外转子表面34之间延伸。

设置在多个第二磁体袋状部70其中之一内的磁体72可以周向地设置在第三磁体袋状部58和第二磁体袋状部56的磁体52之间。例如，多个第二磁体袋状部70的其中一个磁体袋状部可与区域80轴向对齐并且间隔开。区域80可位于第二磁体袋状部56与第三磁体袋状部58之间。

第一转子拓扑结构的磁体袋状部可被布置成将其中的磁体定向成限定第一磁性北极，并且第二转子拓扑结构的磁体袋状部可被布置成将其中的磁体定向成限定第二磁性北极。第一磁性北极可以限定第一北轴线，第二磁性北极可以限定第二北轴线。第一北轴线和第二北轴线可被限定在同一轴线上。例如，在图1D中，第一磁性北极可被限定在沿着第一北轴线81的位置处。第二磁性北极可被限定在沿着第二北轴线83的位置处。第一北轴线81和第二北轴线83被示出为共用同一轴线。

第二转子部段42可以限定第一非磁体袋状部90和第一槽92的组，例如图1C和图1D中示出的。每个第一非磁体袋状部90可以从多个第二磁体袋状部70其中之一的径向内侧端部朝向内转子表面32延伸。一对第一非磁体袋状部90可以彼此布置成限定冠形形状。

第一槽92可以限定在第一槽92的边缘之间测量的槽周向宽度。多个第二磁体袋状部70中的每一个可以限定在多个第二磁体袋状部70其中之一的边缘之间测量的磁体袋状部周向宽度。磁体袋状部周向宽度可大于槽周向宽度。

轴向堆叠的具有V型构造的第一转子部段40和具有辐条型构造的第二转子部段42的组合可以产生消除或减少了阶(order，次序)(诸如第5阶)的可接受正弦反EMF。与V型构造自身相比，相对于彼此轴向堆叠的具有V型构造的转子部段和具有辐条型构造的转子部段可以改善反EMF常数。也可以减小齿槽峰值到峰值。

现在参考图2A至图2F，内置式永磁体电动机组件10的转子组件14可包括具有第三转子拓扑结构的第三转子部段和具有第四转子拓扑结构的第四转子部段，第三转子拓扑结构类似于如前所述的第一转子拓扑结构。第四转子部段可沿着转子轴线18相对于第三转子部段轴向地堆叠。第四转子拓扑结构可以与第三转子拓扑结构不同。第三转子部段的第三转子拓扑结构可以布置为如前所述的V型构造。

第四转子拓扑结构可以布置为棒型或I型内置式永磁体转子部段，例如，如图2C中所示。第四转子拓扑结构可以由多个第四磁体袋状部限定，所述第四磁体袋状部延伸穿过第四转子部段并且每个第四磁体袋状部均被布置成接收第四磁体组的磁体102。

第三转子拓扑结构的磁体袋状部可被布置成将其中的磁体定向成限定第三磁性北极，并且第四转子拓扑结构的磁体袋状部可被布置成将其中的磁体定向成限定第四磁性北极。第三磁性北极可以限定第三北轴线，第四磁性北极可以限定第四北轴线。第三北轴线和第四北轴线可被限定在同一轴线上。例如，图2D示出了第三磁性北极可被限定在沿着第三北轴线105的位置处，第四磁性北极可被限定在沿着第四北轴线107的位置处。第三北轴线105和第四北轴线107被示出为共用同一轴线。

多个第四磁体袋状部中的磁体袋状部104可包括沿轴线108延伸的边缘106，例如，如图2C中所示。在一个示例中，磁体袋状部104的边缘106可以仅在两个点处与外转子表面34相交。

图2E示出了包括磁体布置的组件的一部分的示例，在所述磁体布置中，一转子部段包括V型构造而另一转子部段包括I型构造。图2F是示出了图2B和图2C的横截面图的叠加的示意图，用以从轴向视角示出永磁体电动机组件的磁体袋状部和磁体的示例关系。例如，从轴向图看，转子部段可以彼此布置成使得第一磁体袋状部54和第二磁体袋状部56至少部分地在磁体袋状部104上方延伸。

与棒型构造自身相比，相对于彼此轴向堆叠的具有V型构造的转子部段和具有棒型构造的转子部段可改善反EMF常数。

包括第三转子部段和第四转子部段的布置可以减小第5阶反EMF谐波。包括第三转子部段和第四转子部段的布置还可以减小第7阶反EMF谐波。也可以减小齿槽峰值到峰值。将所有减小量与本文所述的仅具有第三拓扑结构的转子或仅具有第四拓扑结构的转子的电动机进行比较。

V型内置式永磁体与辐条型内置式永磁体和/或V型内置式永磁体与I型内置式永磁体的组合可以实现内置式永磁体电动机组件10的反EMF和齿槽转矩的减小。转子部段的轴向堆叠量可取决于每个相邻转子部段的磁体尺寸和磁体材料特性。这可形成采用单个定子和具有两个不同转子拓扑结构(例如V型和辐条型或V型和I型)的至少两个转子部段的内置式永磁体电动机组件，这两个转子部段沿转子轴线18彼此轴向间隔开。转子组件14的不同转子拓扑结构的实施可被称为“双转子拓扑结构”或“混合转子拓扑结构”。

可以采用通过齿槽消除的双转子拓扑结构的进一步性能改进，同时减少反EMF谐波。因此，一个转子部段的齿槽与邻近该一个转子部段设置或相对于该一个转子部段轴向堆叠的另一个转子部段的齿槽可能需要为180°异相的。

图1F和图3示出了磁通屏障120，该磁通屏障可以邻近定子12和转子组件14彼此接触的区域设置。磁通屏障120可以径向地设置在转子部段内，使得磁通屏障120径向地设置在外转子表面34与内转子表面32之间。磁通屏障120可被设置在至少一个转子部段的外转子表面34上。添加磁通屏障120可以提供其中转子部段齿槽与同一组件中的另一个转子部段齿槽为异相的一种设计。

轴向堆叠中的多个转子部段的第一转子部段可限定第一堆叠长度，该第一堆叠长度在第一转子部段的相对表面之间测量。多个转子部段中的第二转子部段可限定第二堆叠长度，该第二堆叠长度在第二转子部段的相对表面之间测量。磁通屏障120可以与第一转子部段或第二转子部段中的至少一个组合，以改善反EMF和齿槽性能。

具有设置有不同转子拓扑结构的转子部段的转子组件14的布置可同时减小反EMF谐波和齿槽转矩。

图1F和图2F进一步用方向箭头示出了相应磁体产生的磁性方向。例如，在图1F中，方向箭头示出了设置在第一磁体袋状部54内的磁体的磁性在从外转子表面34朝向转子轴线18的方向上行进。作为另一个示例，在图2F中，方向箭头示出了设置在第一袋状部54内的磁体的磁性沿与设置在磁体袋状部104内的磁体的磁性方向不同的方向行进。

设置有不同转子拓扑结构的转子部段的布置可以提供若干益处，诸如：1)与偏斜(skew，斜交)或其他磁体布置相比，减少了磁体片的数量；2)与具有相同磁体或磁体袋状部构造的轴向堆叠的转子部段相比，减小了磁体总质量；3)由于具有不同转子拓扑结构(带有或不带有磁通屏障)的转子部段的组合，改善了反EMF；4)由于一个转子部段的齿槽峰值的移位使得该齿槽相对于另一个转子部段的齿槽呈异相，具有或不具有设置在转子部段的外表面附近的磁通屏障均改善了齿槽；5)转子部段的磁通量轴线沿转子芯30的轴向长度均无移位；6)生产中的磁化过程容易。

虽然仅结合有限数量的实施例详细描述了本公开，但应容易理解，本公开不局限于这些公开的实施例。而是，可以修改本公开以包含此前未描述但与本公开的精神和范围相当的任何数量的变型、改变、替换或等同布置。另外，虽然已经描述了本公开的多个实施例，但是应该理解，本公开的各方案可以仅包括所描述的实施例中的一些或所描述的实施例的组合。因此，本公开不应被视为受前述描述的限制。

Claims (9)

1.一种内置式永磁体电动机组件，包括：

定子，具有电磁绕组；和

转子，所述转子围绕转子轴线与所述定子同心地设置，所述转子具有多个转子部段，所述多个转子部段包括：

第一转子部段，所述第一转子部段具有多个第一袋状部，所述第一袋状部被布置成根据第一转子拓扑结构接收第一磁体组的至少第一磁体；

第二转子部段，所述第二转子部段围绕所述转子轴线相对于所述第一转子部段轴向地堆叠，所述第二转子部段具有多个第二袋状部且被布置成根据第二转子拓扑结构接收第二磁体组的至少第二磁体，所述第二转子拓扑结构具有不同于所述第一转子拓扑结构的构造，

所述第二磁体周向地设置在两个所述第一磁体之间，

所述内置式永磁体电动机组件还包括一个或多个磁通屏障，所述磁通屏障设置成邻近所述定子接触所述转子的区域，

其中，所述第一转子部段或所述第二转子部段其中之一限定一对非磁体袋状部，所述一对非磁体袋状部中的每一个从多个磁体袋状部其中之一延伸，所述一个或多个磁通屏障不位于所述一对非磁体袋状部中，

其中，所述多个第一袋状部是V型构造，所述多个第二袋状部是辐条型构造。

2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述第一转子拓扑结构由V型构造的多个第一袋状部的定向限定。

3.根据权利要求2所述的组件，其中，所述V型构造被进一步限定为其中至少两个所述第一袋状部被进一步布置在所述第一转子部段上以限定V形的构造。

4.根据权利要求1所述的组件，其中，所述第一袋状部和所述第二袋状部彼此布置成使得所述第一磁体的第一磁性在从外转子表面朝向所述转子轴线的第一方向上行进，并且使得定位于邻近所述第一磁体的所述第二磁体的第二磁性在从所述转子轴线朝向所述外转子表面的第二方向上行进。

5.根据权利要求1所述的组件，其中，所述一对非磁体 袋状部中的每一个彼此布置成限定冠形形状。

6.根据权利要求1所述的组件，其中，所述第二转子拓扑结构由辐条型构造的第二袋状部的定向限定。

7.根据权利要求6所述的组件，其中，所述辐条型构造进一步由至少一个第二袋状部限定，所述至少一个第二袋状部被进一步布置成与从所述第一转子部段的中心点延伸的径向轴线对齐，以限定所述辐条型构造。

8.根据权利要求1所述的组件，其中，所述第二转子部段限定从外表面延伸的槽，所述槽限定槽周向宽度，并且每个所述第二袋状部限定磁体袋状部周向宽度，所述磁体袋状部周向宽度大于所述槽周向宽度。

9.根据权利要求1所述的组件，其中，所述第一磁体被接收在所述第一袋状部其中之一内，所述第二转子部段具有第二袋状部，每个所述第二袋状部的尺寸被设计成接收所述第二磁体，所述第一袋状部与所述第二袋状部被设置成使得由所述第一磁体产生的第一磁性北极与由所述第二磁体产生的第二磁性北极共用一轴线。

Images