CN112217301A - 用于具有转子混合的内部永磁体的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

内部永磁机包括具有电磁绕组的定子。该内部永磁机还包括转子，该转子与定子同心地设置并且围绕转子轴线设置，该转子包括由第一转子叠片限定的转子芯，该第一转子叠片布置成接收根据第一转子拓扑结构的第一磁体组和根据第二转子拓扑结构的第二磁体组。

Description

用于具有转子混合的内部永磁体的装置和方法
技术领域
本公开涉及一种具有混合转子拓扑(结构)(hybrid rotor topology)的内部永磁机(interior permanent magnet machine，内置式永磁机)。
背景技术
内部永磁机通常包括具有定子线圈绕组的定子和具有永磁体的转子，所述永磁体与由定子线圈绕组限定的定子极协作。当该内部永磁机用作马达(motor，电机)时，定子线圈绕组可以由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路与由永磁体产生的通量流路的相互作用可能伴随有谐波波形分量，所述谐波波形分量可能引起马达转矩变动(fluctuation，波动)。这些马达转矩变动可体现为转矩波动(ripple)、增加的齿槽转矩(cogging torque)或反电动势谐波(back EMF harmonic)。
发明内容
根据本公开的一个方面，内部永磁机包括具有电磁绕组的定子。该内部永磁机还包括转子，所述转子与所述定子同心地设置并且围绕转子轴线设置，所述转子包括由第一转子叠片(lamination)限定的转子芯，所述第一转子叠片被布置成接收根据第一转子拓扑(结构)的第一磁体组和根据第二转子拓扑(结构)的第二磁体组。
根据本公开的另一方面，用于内部永磁机的转子包括由第一转子叠片限定的转子芯，所述第一转子叠片限定第一磁体袋(magnet pocket)、第二磁体袋和第三磁体袋，第一磁体袋具有沿第一轴线延伸的第一边缘，第二磁体袋具有沿第二轴线从第一边缘延伸的第二边缘，第一轴线相对于第二轴线以非平行的关系设置，第三磁体袋在周向上偏离第一磁体袋和第二磁体袋，第三磁体袋具有沿第三轴线延伸的边缘，该第三轴线相对于第一轴线和第二轴线以非平行的关系设置。
根据本公开的又一方面，内部永磁机包括具有电磁绕组的定子。该内部永磁机还包括转子，所述转子与所述定子同心地设置并且围绕转子轴线设置，所述转子包括由第一转子叠片限定的转子芯，所述第一转子叠片布置成接收根据第一转子拓扑结构的第一磁体组和根据第二转子拓扑结构的第二磁体组，所述转子芯在第一转子拓扑结构的第一磁体组和第二转子拓扑结构的第二磁体组之间具有轴向变化。
从以下结合附图的描述中，这些以及其他优点和特征将变得更加明显。
附图说明
在说明书的结尾处的权利要求书中特别指出并明确要求保护被视为本发明的主题。通过以下结合附图的详细描述，本发明的前述和其他特征以及优点变得显而易见，其中：
图1是永磁机的剖视图；
图2是图1的永磁机的一部分的第一转子拓扑结构和第二转子拓扑结构的剖视图；
图3是在第一转子拓扑结构的第一磁体组与第二转子拓扑结构的第二磁体组之间没有任何轴向变化的转子芯的剖视图；以及
图4是在第一转子拓扑结构的第一磁体组与第二转子拓扑结构的第二磁体组之间具有轴向变化的转子芯的剖视图。
具体实施方式
现在参照附图，其中将参考不限制本公开的特定实施例描述本公开，应理解，所公开的实施例仅是本公开的说明，可以以各种替代形式实施本公开。这些图不一定按比例绘制；为了显示特定部件的细节，一些特征可能被放大或最小化。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，而仅仅是作为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。
各种行业(诸如汽车、航空、船舶、农业、住宅等)的电气化都可能需要使用高效的马达驱动器。为了提供更高效的马达驱动器，如果在高转矩密度机中的旋转本体上使用磁体，则马达驱动器可能需要更高的转矩密度以及更坚固的保持机构。
与表面永磁机相比，内部永磁机可提供显著的转矩密度改进。内部永磁机可能还具有优于表面永磁机的其他益处，诸如：磁场削弱(field weakening)范围更广或功率范围恒定，磁阻转矩连同对准转矩一定存在(例如，对于相同的电流密度来说总体上更高的转矩密度)，磁体保持(magnet retention)更好，退磁风险更低，或短路电流更小，以及其他益处。
现有的内部永磁机拓扑结构可能具有影响内部永磁机的整体性能和效率的一些缺点，诸如：齿槽转矩；反电动势谐波，特别是当用在具有每极每相1/2槽的永磁机中时由于五阶、七阶、十一阶和十三阶的强槽谐波导致的反电动势谐波；以及与表面永磁马达相比，转矩波动/轴转矩中的波动。斜极(skewing，倾斜)是一种公知的用于减少转矩中这样的变动的技术。但是，斜极会导致轴向力脉动。在生产环境中，斜极还会给转子组件中磁体的磁化带来挑战。此外，斜极可能会使转子中的磁体数量变大，并且可能由于磁体与磁体之间在尺寸和强度方面的不同而带来挑战。(本公开)提供了一种采用混合转子拓扑结构的内部永磁机来克服这些缺点，并提供了减少马达转矩变动的更高效的内部永磁机。
内部永磁机可以是内部永磁同步机(interior permanent magnet synchronousmachine，内置式永磁同步电机)，其可以用在需要紧凑、高效和高转矩密度的内部永磁机的应用中。
参考图1，示出了内部永磁机10。内部永磁机10包括：定子12；与定子12同心设置的转子或转子组件14；以及转子轴16，转子组件14安放在所述转子轴上。转子轴16沿转子轴线18(图中未示出该轴线)延伸。定子12和转子组件14均围绕转子轴线18设置并沿该转子轴线延伸。在运行时，定子和转子组件14由于偏心而可能不会保持在相同的转子轴线18中。
定子12包括定子芯20和电磁绕组22、内定子周缘(periphery)24和外定子周缘26。内定子周缘24设置得比外定子周缘26更靠近转子轴线18。电磁绕组22可以被设置成靠近内定子周缘24且可与外定子周缘26间隔开。电磁绕组22可以沿从外定子周缘26朝向内定子周缘24延伸的方向呈锥度(taper，渐缩)，以使得多个电磁绕组22中的每个绕组的宽度在从外定子周缘26朝向内定子周缘24延伸的方向上减小。电磁绕组22可以沿从内定子周缘24朝向外定子周缘26延伸的方向呈锥度。电磁绕组22可以具有在内定子周缘24与外定子周缘26之间延伸的基本恒定的截面形状。
在一些实施例中，转子组件14可以可旋转地设置在定子12内，并且可以围绕转子轴16设置，以使得内部永磁机10被布置为内部转子马达。在一些实施例中，转子组件14可以围绕定子12设置，以使得内部永磁机10被配置为外部转子马达。
参照图2，内部永磁机10的转子组件14包括由第一转子叠片38限定的转子芯30，该第一转子叠片被布置成接收根据第一转子拓扑结构42的第一磁体组40和根据第二转子拓扑结构46的第二磁体组44。转子组件14的任何极对中的一个极是根据第一转子拓扑结构42设计的，而另一个极是根据第二转子拓扑结构46设计的。在第一转子拓扑结构42中，一对磁体52可以布置为形成小于180度的角度的V形。在第二转子拓扑结构46中，单个磁体52可放置在转子组件14的表面附近。在另一个实施例中，第二转子拓扑结构46可以在转子组件14的表面附近的袋中包括彼此之间具有180度角的多个磁体52，或者换句话说，水平或者呈棒状(bar-shape)的对准的多个磁体52。在所提出的技术中，对于两个相邻极存在两种不同的转子拓扑结构。该技术被称为叠片混合(hybridization on a lamination)。
不同的转子拓扑结构可以采用不同的磁体52或磁体袋构造，诸如在相同转子叠片上从一个极到相邻极的极弧角(pole arc angle)的不同。第一转子拓扑结构42由第一磁体袋54和从第一磁体袋54延伸的第二磁体袋56限定。第一磁体袋54包括第一边缘60，而第二磁体袋56包括从第一边缘60延伸的第二边缘64。第一边缘60沿第一轴线62延伸，当与沿第二轴线66延伸的第二边缘64相比时，所述第一边缘以非平行的关系设置。这种角度上的变化可以改善齿槽转矩问题。
第二转子拓扑结构46由第三磁体袋58限定，该第三磁体袋在周向上偏离第一磁体袋54和第二磁体袋56。第三磁体袋58包括沿第三轴线108延伸的边缘106，该第三轴线设置成与转子轴线18平行但不与该转子轴线共面。第三轴线108与第一轴线62和第二轴线66中的至少一个相交。
第一转子拓扑结构42的V形内部永磁体52与第二转子拓扑结构46的棒状(Bar-shaped)内部永磁体52的组合可以实现内部永磁机10的反电动势和齿槽转矩的显著降低。
可以采用通过齿槽消除对双转子拓扑结构的性能的进一步改进，同时减少反电动势谐波。磁通屏障(flux barrier，隔磁槽)80、非磁性材料袋68、气袋(air pocket)70等可以被引入到转子组件14中。磁通屏障80被放置在转子芯30内，靠近内定子周缘24。另外，磁通屏障80可靠近定子12的外周缘，以用于外部转子马达(未示出)。磁通屏障80和非磁性材料袋塑造(shape)气隙中的磁通密度，从而影响齿槽、反电动势和转矩波动的量级和谐波含量。特别地，磁通屏障80塑造每个V形内部永磁体52和棒状内部永磁体52的齿槽和反电动势，使得组合的组件具有减少的齿槽和反电动势谐波，从而导致转矩波动减小。
参照图3和图4，示出了使用叠片混合的实施例，其中在第一转子拓扑结构42的第一磁体组40与第二转子拓扑结构46的第二磁体组44之间具有轴向变化。轴向变化意味着第一转子拓扑结构42的第一磁体组40的V形磁体52不再与第二转子拓扑结构46的第二磁体组44的V形磁体52轴向对准。而是，第一转子拓扑结构42的第一磁体组40布置成V形，并与布置成棒状的第二转子拓扑结构46的第二磁体组44轴向对齐，从而产生轴向变化。在一些实施例中，第二转子拓扑结构46可以包含一个磁体52或以棒状放置的多个磁体52。由于机器的槽-极组合(而形成的)北极和南极的混合特性，随着齿槽循环的时间周期改变而需要轴向变化。图1和图2的内部永磁机的槽-极组合不改变齿槽循环时间周期，因此对于这样的槽-极组合不需要轴向变化。
尽管仅结合有限数量的实施例详细地描述了本公开，但是应当容易理解，本公开不局限于所公开的实施例。相反，可以对本公开进行修改以包含迄今未描述但与本公开的精神和范围相对应的任何数量的变型、变更、替换或等同布置。另外，尽管已经描述了本公开的各种实施例，但是应当理解，本公开的各个方面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，本公开不应被视为由前述描述限制。

Claims (19)

1.一种内部永磁机，包括：
定子，具有电磁绕组；以及
转子，其与所述定子同心地设置，并且围绕转子轴线设置，所述转子包括由第一转子叠片限定的转子芯，所述第一转子叠片布置成接收根据第一转子拓扑结构的第一磁体组和根据第二转子拓扑结构的第二磁体组。
2.根据权利要求1所述的内部永磁机，其中，所述第一转子拓扑结构的齿槽和所述第二转子拓扑结构的齿槽彼此异相180度。
3.根据权利要求1所述的内部永磁机，其中，所述第一转子拓扑结构由第一磁体袋和从所述第一磁体袋延伸的第二磁体袋限定。
4.根据权利要求3所述的内部永磁机，其中，所述第一磁体袋包括第一边缘，并且所述第二磁体袋包括从所述第一边缘延伸的第二边缘。
5.根据权利要求4所述的内部永磁机，其中，所述第一边缘沿第一轴线延伸，所述第一轴线相对于所述转子轴线以非垂直的关系设置。
6.根据权利要求5所述的内部永磁机，其中，所述第二边缘沿第二轴线延伸，所述第二轴线相对于所述转子轴线以非垂直的关系设置。
7.根据权利要求6所述的内部永磁机，其中，所述第一轴线相对于所述第二轴线以非平行且非垂直的关系设置。
8.根据权利要求6所述的内部永磁机，其中，所述第二转子拓扑结构由第三磁体袋限定，所述第三磁体袋在周向上偏离所述第一磁体袋和所述第二磁体袋。
9.根据权利要求8所述的内部永磁机，其中，所述第三磁体袋包括沿第三轴线延伸的边缘，所述第三轴线设置成与所述转子轴线平行但不与所述转子轴线共面。
10.根据权利要求9所述的内部永磁机，其中，所述第三轴线与所述第一轴线和所述第二轴线中的至少一个相交。
11.根据权利要求1所述的内部永磁机，其中，所述第一磁体组的第一转子拓扑结构被布置为V形内部永磁转子部段，所述第二磁体组的第二转子拓扑结构被布置为棒状内部永磁转子部段。
12.根据权利要求1所述的内部永磁机，其中，所述转子包括至少一个磁通屏障，所述磁通屏障被放置在所述转子芯内，靠近内定子周缘。
13.根据权利要求1所述的内部永磁机，其中，所述转子包括至少一个袋，所述袋位于所述转子芯内。
14.一种用于内部永磁机的转子，包括：
由第一转子叠片限定的转子芯，所述第一转子叠片限定第一磁体袋、第二磁体袋和第三磁体袋，所述第一磁体袋具有沿第一轴线延伸的第一边缘，所述第二磁体袋具有沿第二轴线从所述第一边缘延伸的第二边缘，所述第一轴线相对于所述第二轴线以非平行的关系设置，所述第三磁体袋在周向上偏离所述第一磁体袋和所述第二磁体袋，所述第三磁体袋具有沿第三轴线延伸的边缘，所述第三轴线相对于所述第一轴线和所述第二轴线以非平行的关系设置。
15.根据权利要求14所述的转子，还包括设置在所述转子芯的外表面上的磁通屏障。
16.根据权利要求14所述的转子，其中，所述第三轴线与所述第一轴线和所述第二轴线中的至少一个相交。
17.根据权利要求14所述的转子，其中，所述第一转子叠片还限定第一非磁性袋和第二非磁性袋，所述第一非磁性袋从所述第一磁体袋朝向所述转子芯的外表面延伸，所述第二非磁性袋从所述第二磁体袋朝向所述转子芯的外表面延伸。
18.根据权利要求17所述的转子，其中，所述第一转子叠片还限定第三非磁性袋，所述第三非磁性袋从所述第三磁体袋朝向所述第二磁体袋延伸。
19.一种内部永磁机，包括：
定子，具有电磁绕组；以及
转子，其与所述定子同心地设置，并且围绕转子轴线设置，所述转子包括由第一转子叠片限定的转子芯，所述第一转子叠片布置成接收根据第一转子拓扑结构的第一磁体组和根据第二转子拓扑结构的第二磁体组，所述转子芯在所述第一转子拓扑结构的第一磁体组与所述第二转子拓扑结构的第二磁体组之间具有轴向变化。
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