CN114123701A - 电机及车辆 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种电机。该电机，包括：定子；转子，被支撑在所述定子内旋转，该转子包括：堆叠形成转子芯的多个转子叠片，其中该转子芯具有凹腔；磁体，设置在该凹腔中。该转子叠片进一步包括外边缘以及非对称设置于外边缘上的多个凹槽。

Description

电机及车辆
技术领域
本公开涉及电机以及包括电机的车辆。
背景技术
许多汽车制造商正在生产电动车辆和混合动力电动车辆，以改善燃料经济性并减少污染。这些车辆包括牵引电池和由电池供电的一个或更多个电机。每个电机包括定子和被支撑在定子内旋转的转子。转子被安装在轴上，所述轴通过一个或更多个动力传动系统部件可驱动地连接到驱动轮。电流流过定子绕组以产生磁场。由定转子产生的磁场可与转子上的永磁体配合以产生扭矩。由电机产生的扭矩通过动力传动系统部件被传递给驱动轮来推进车辆。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种电机，包括：定子；转子，被支撑在所述定子内旋转，该转子包括：堆叠形成转子芯的多个转子叠片，其中该转子芯具有凹腔；磁体，设置在该凹腔中。该转子叠片进一步包括外边缘以及非对称设置于外边缘上的多个凹槽。
根据本发明的一个实施例，多个转子叠片中的一部分转子叠片相对于另一部分转子叠片呈180度翻转设置。
根据本发明的另一个实施例，一部分转子叠片大的数量大致等于所述另一部分转子叠片数量。
根据本发明的另一个实施例，所述多个凹槽位于不同的磁极上。
根据本发明的另一个实施例，所述多个凹槽中至少一个位于q轴线上。
根据本发明的另一个实施例所述多个凹槽中至少一个位于d轴线与q轴线之间，。
根据本发明的另一个实施例，所述多个凹槽中为弧形凹槽，所述弧形凹槽的半径在0.5mm至2mm之间。
根据本发明的另一个实施例，所述弧形凹槽的深度小于或等于1.5mm，。
根据本发明的另一个实施例，所述凹腔包括呈V型设置的多个第一凹腔和第二凹腔，并且所述磁体包括设置于所述第一凹腔和第二凹腔内的第一磁体和第二磁体。
根据本发明的另一个实施例，所述第一磁体和第二磁体分别沿所述转子的中心轴线方向上对齐设置。
根据本发明的另一个实施例，所述转子芯包括分别由一个或多个转子叠片形成的第一区块和第二区块，所述第二区块相对于所述第一区块翻转180度设置。
根据本发明的另一个实施例，所述第一区块的转子叠片的数量和所述第二区块的转子叠片的数量大致相等。
根据本发明的另一方面，提供一种包括：定子；转子，被支撑在所述定子内旋转，所述转子包括：堆叠形成转子芯的多个转子叠片，所述转子叠片具有内边缘以及与所述内边缘相对的外边缘，所述转子芯具有设置于内边缘与外边缘之间的凹腔；永磁体，被设置在所述凹腔中；其中所述转子叠片进一步包括非对称设置于所述外边缘上的多个凹槽，并且多个转子叠片中的一部分转子叠片相对于另一部分转子叠片呈180度翻转设置。
根据本发明的一个实施例，所述多个凹槽中至少一个位于q轴线上。
根据本发明的另一个实施例，多个凹槽中至少一个位于d轴线与q轴线之间。
根据本发明的另一个实施例，所述多个凹槽位于不同的磁极上。
根据本发明的另一个实施例，所述转子芯包括分别由一个或多个转子叠片形成的第一区块和第二区块，所述第二区块相对于所述第一区块翻转180度设置。
根据本发明的另一个实施例，所述第一区块的转子叠片的数量和所述第二区块的转子叠片的数量大致相等。
根据本发明的另一个实施例，所述第一区块的数量等于第二区块的数量。
根据本发明又一方面，提供一种具有上述电机的车辆。
附图说明
图1是示例性电气化车辆的示意性框图。
图2是实例性电机的透视图。
图3A是电机的部分截面图。
图3B是电机的另一部分截面图。
图4A是图2中所示的电机的转子叠片示意图。
图4B是图4A中的转子叠片的局部示意图。
图5是具有多个区块的转子芯的一个示例透视图。
图6是具有多个区块的转子芯的另一个示例透视图。
图7A是具有多个叠片的转子芯的第一区块俯视图。
图7B是具有多个叠片的转子芯的第二区块俯视图。
具体实施方式
在此描述本公开的实施例。然而，应理解的是，公开的实施例仅为示例，其它实施例可采取各种替代的形式。附图无需按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以显示特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应解释为限制，而仅作为用于教导本领域技术人员以各种形式利用本发明的代表性基础。如本领域的普通技术人员将理解的，参考任一附图示出和描述的各种特征可与一个或更多个其它附图中示出的特征结合，以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合为典型应用提供代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可以期望用于特定应用或实施方式。
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。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。
图1描绘了根据本发明一个或多个实施例的电气化车辆12的框图10，所述车辆12包括机械连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可以机械地连接到发动机18。混合动力变速器16还可以机械地连接到驱动轴20，所述驱动轴20机械地连接到车轮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还可以用作发电机，并且可以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。电机14还可以提供减少的污染物排放，因为混合动力电动车辆12可以在某些条件下以电动模式或混合动力模式进行操作以减少车辆12的总体燃料消耗。
牵引电池(或电池组)24存储并提供可由电机14使用的能量。牵引电池24可以提供来自牵引电池24内的一个或多个电池单元阵列(有时称为电池单元堆叠)的高压DC输出。电池单元阵列可以包括一个或多个电池单元。牵引电池24可以通过一个或多个接触器(未示出)电连接到一个或多个电力电子控制器26。一个或多个接触器在打开时将牵引电池24与其他部件隔离，并在关闭时将牵引电池24连接到其他部件。
电力电子控制器26还可以电连接到电机14，并且可以被配置成在牵引电池24与电机14之间双向传递电能。例如，牵引电池24可提供DC电压，而电机14可能需要三相AC电压来起作用。电力电子控制器26可以根据电机14的要求将DC电压转换为三相AC电压。在再生模式中，电力电子控制器26可以将来自充当发电机的电机14的三相AC电压转换为牵引电池24所需的DC电压。本文描述的部分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。
除了提供用于推进的能量之外，牵引电池24还可以为其他车辆电气系统提供能量。DC/DC转换器28可以将牵引电池24的高压DC输出转换为与其他车辆负载兼容的低压DC电源。其他高压负载(诸如压缩机和电加热器)可以直接连接到高压而不使用DC/DC转换器28。低压系统可以电连接到辅助电池30(例如，12V电池)。
电池控制器33可以与牵引电池24通信。电池控制器33可以被配置成监测和管理牵引电池24的操作，诸如通过管理每个电池单元的温度和充电状态的电子监测系统(未示出)。
例如，车辆12可以是电气化车辆，其包括用于插电式混合动力电动车辆(PHEV)、全混合动力电动车辆(FHEV)、轻度混合动力电动车辆(MHEV)或电池电动车辆(BEV)的部件。牵引电池24可以由外部电源36再充电。外部电源36可以是与电源插座的连接。外部电源36可以电连接到电动车辆供电设备(EVSE)38。EVSE 38可以提供用于调节和管理电源36与车辆12之间的电能传递的电路和控件。外部电源36可以向EVSE 38提供DC或AC电力。
EVSE 38可以具有用于插入车辆12的充电端口34中的充电连接器40。充电端口34可以是被配置成将电力从EVSE 38传递到车辆12的任何类型的端口。充电端口34可以电连接到充电器或电力转换器32。电力转换器32可以调节从EVSE 38供应的电力以向牵引电池24提供适当的电压和电流水平。电力转换器32可以与EVSE 38接口连接以协调向车辆12的电力递送。EVSE连接器40可以具有与充电端口34的相应凹槽配合的销。
图2示出用于电气化车辆的示例性电机，在本文中通常称为电机42。电机42可以包括定子44和转子46。在一些示例中，电气化车辆可包括两个电机。一个电机可以主要用作马达并且另一个电机可以主要用作发电机。马达可以进行操作以将电力转换为机械动力并且发电机可以进行操作以将机械动力转换为电力。
在一个示例中，定子44可以限定空腔50。转子46的尺寸可以被设计成用于在空腔50内进行设置和操作。可操作地连接到转子46的轴(未示出)可以驱动其旋转和/或将通过转子46的操作产生的旋转能量传递到车辆12的一个或多个子系统。定子44可以包括绕组48，所述绕组48围绕空腔50的外周设置以围绕转子46的外表面。在电机马达示例中，可以将电流馈送到绕组48以致使转子46旋转。在电机发电机示例中，可以通过转子46的旋转而在绕组48中产生的电流以为车辆12的部件供电。
参考图3A，其示出了电机42的一部分界面图。在一个火多个实施例中，转子46包括由一个或多个转子叠片63形成的转子芯62。定子44可以包括由一个或多个定子叠片59形成的定子芯58。转子芯62绕着轴线54相对于定子芯62旋转。
图3B示出包括定子芯58和转子芯62的局部径向截面图42。定子芯58和转子芯62可以在定子芯58的内周与转子芯62的外周之间限定气隙64。定子芯58可以限定多个开槽60，所述开槽60从定子芯58的内周径向延伸并且尺寸设计成容纳或保持线圈绕组(例如，绕组48)。转子芯62可以限定设置在转子芯62的外周附近的多个凹腔，例如第一凹腔66和第二凹腔68，并且所述第一凹腔66和第二凹腔68的尺寸被设计成接收磁体，例如第一磁体70和第二磁体72。应当理解的是，磁体和凹腔可以包括垂直于旋转轴线54的对应截面形状，诸如所示的矩形形状或者可选地为弧形形状。进一步的，如图所示，将位于磁极74中间的轴线称为d轴线，并且将位于磁极间(即磁极74与相邻磁极74之间)的轴线称为q轴线。所述一对相邻的凹腔66，68关于d轴线对称并呈V形布置。第一磁体70和第二磁体72关于d轴线对称并呈V形布置于对应的第一凹腔66和第二凹腔68内。转子芯62还可以限定用于接收驱动轴56的圆形中心开口、以及被配置成适应冷却油通过转子46流动的一个或多个开口(未示出)。
继续参考图4A，示出了根据本发明一个或多个实施例的转子叠片102的示意图。转子芯62可由多个堆叠的转子叠片102形成。每个叠片102可从坯件制成所示的最终几何形状，所述坯件由冲压或以其它方式制造成。叠片可以是钢或其它磁性材料。在一个或多个实施例中，转子叠片102为环形状，具有内边缘104与内边缘104是对的外边缘106。内边缘104形成接收驱动轴56的中心开口108。
在示出的实施例中，转子芯62包括八个磁极110，例如分别对应于磁极1-8的磁极110a-110h。应该明白地，根据需要可以设置其它合适数量的磁极。进一步的，如图所示，将位于磁极110a中间的轴线称为d轴线，并且将位于磁极间(即磁极110a与相邻磁极110b之间)的轴线称为q轴线。在具有八个磁极110的情况下，相邻q轴线之间的夹角α为45度，相邻的d轴线与q轴线之间的夹角β为22.5度。每个极110具有一对相邻的第一开口112和第二开口114，所述开口112，114位于所述内边缘104和所述外边缘106之间。因此，在一个或多个实施例中，转子叠片102共具有8对第一开口112和第二开口114。所述一对相邻的开口112，114关于d轴线对称并呈V形布置。在一个或多个实施例中，多个转子叠片102的开口112，114分别叠加形成转子芯62的第一凹腔66和第二凹腔68。因此，转子芯62也具有8对第一凹腔66和第二凹腔68。在一个或多个实施例中，磁体114为永磁体并且其中的每一个可以包括以下中的一个或多个：铁氧体磁体、铝镍钴磁体、稀土磁体(诸如但不限于钕铁硼(NedFeB))等。在一个或多个实施例中，第一磁体116和第二磁体118可分别为一整块磁铁形成。在其它实施例中，第一磁体116和第二磁体118也可以分别由多个磁铁块堆叠形成。进一步的，第一磁体116和第二磁体118可分别沿转子的中心轴线方向上对齐设置。相对于传统的多个磁铁块错位倾斜设置，对齐设置可有助于提高转矩，并且简化了制造有利于节约成本。
进一步，为了降低电机的转矩脉动，每个转子叠片102包括非对称设置于转子叠片102的外边缘106上的多个凹槽(磁空气间隙)116。在一个或多个实施例中，所谓的非对称设计指的是多个凹槽在叠片102的外边缘106上沿圆周方向非对称设计以使得转子叠片102整体上非对称。在一个或多个实施例中，多个凹槽116中至少一个位于q轴线上。进一步的，多个凹槽116中至少一个位于d轴线与q轴线之间。具体的，如图4A所示，转子叠片102包括位于磁极1上的且位于d轴线与q轴线之间的凹槽116a、位于磁极2和磁极3上且同时位于q轴线上的凹槽116b、位于磁极4上且位于d轴线与q轴线之间的凹槽116c、位于磁极5上且位于d轴线与q轴线之间的凹槽116d、位于磁极5和磁极6上且同时位于q轴线上的凹槽116e以及位于磁极8上且位于d轴线与q轴线之间的凹槽116f。此外，位于d轴线与q轴线之间的凹槽116a、116c、116d以及116f相对于q轴线更靠近d轴线。多个凹槽116a-116f位于不同的磁极上，或者换句话说，同一磁极110上不存在完整的两个或以上的凹槽。尽管图4A中示出了多个凹槽116a-116f的具体布置，应该明白地是本发明转子叠片地多个凹槽116a-116f也可以有其它布置方式。
图4B示意性地示出了图4A中地凹槽116a的放大图。在一个或多个实施例中，凹槽116可为弧形槽。该弧形槽具有半径R和深度D。在一个或多个实施例中，弧形槽的半径R为0.5mm至2mm之间，弧形槽的深度D为小于或等于1.5mm。应该理解地是，在其它实施例中，凹槽1116还可以为其它形状，例如矩形或三角形。其中，当凹槽为矩形槽时，其长度为小于或等于5mm，且其深度为小于或等于1.5mm。当凹槽为三角形槽时，其角度为小于180度，且其深度为小于或等于1.5mm。
参考图5，其示意性地示出了转子芯62包括分别由一个或多个转子叠片102堆叠形成的第一区块130和第二区块150。
继续参考图7A和7B，其中图7A示意性地示出了第一区块130的俯视图，图7B示意性地示出了第二区块150的俯视图。在一个或多个实施例中，所述第二区块150相对于所述第一区块130翻转180度设置。应该理解的此处所述第二区块150相对于所述第一区块130翻转180度设置而不是旋转180度设置。所述第一区块130的一个或多个转子叠片102的多个凹槽例如116a-116f分别对齐设置，并且一个或多个转子叠片102上的多个第一开口112和第二开口114分别彼此对齐设置已形成图3B中的转子芯62的第一凹腔66和第二凹腔68在轴线54方向上的一部分。所述第一区块150的一个或多个转子叠片102的多个凹槽例如116a-116f亦对齐设置，并且一个或多个转子叠片102上的多个第一开口112和第二开口114分别彼此对齐设置已形成图3B中的转子芯62的第一凹腔66和第二凹腔68在轴线54方向上的另一部分。
由于转子叠片102上的多个第一开口112和第二开口114在圆周方向上均匀对称设置，因此当第一区块130和第二区块150组装已形成转子芯时，第一区块130上的多个第一开口112和第二开口114和第二区块150上的多个第一开口112和第二开口114分别彼此对齐以形成转子芯62的第一凹腔66和第二凹腔68。根据本发明的一个方面，制造本发明的转子芯62，只需要一种规格的转子叠片，不需要另外开模，因此节省了制造成本。
根据本发明另一方面，减小转矩脉动，在转子叠片102上采用非对称设置的凹槽。进一步的，尽管转子叠片102是非对称设计，但是将所述第二区块150相对于所述第一区块130翻转180度设置，对于整个转子芯来说解决或至少部分解决了电磁偏差和质量不平衡。因此，本发明的电机还能够在正向和反向转动时获得相同或类似的性能。
参考表1和表2，表1示出了先前设计和本发明在转速1000转/分钟下24阶和48阶机械频率下的转矩脉动。表2示出了先前设计和本发明在转速14000转/分钟下24阶和48阶机械频率下的转矩脉动。在一个或多个实施例中，先前设计为具有对称设置的转子叠片的设计。可以看出，在24阶和48阶机械频率下，无论是转速1000转/分钟还是转速14000转/分钟，本发明的电机的转矩脉冲都有了明显的改善。
表1
转速：1000转/分钟
Figure BDA0002650551690000091
表2
转速：14000转/分钟
Figure BDA0002650551690000092
尽管在一个或多个实施例中，转子芯62可以包括一个第一区块130和一个第二区块150。应该理解地是，在其它实施例中，转子芯62可以包括任何合适数量的第一区块130和第二区块150。例如，如图6所示，转子芯62’可以包括交替设置的第一区块130’和第二区块150’。在一个或多个实施例中，为了解决或至少部分解决电磁偏差和质量不平衡的问题，第一区块130’的数量和第二区块150’的数量大致相等。进一步的，在一个或多个实施例中，第一区块130的转子叠片的数量大致等于第二区块的转子叠片的数量。
在其它实施例中，第一区块130’的数量和第二区块150’的数量可不相等，并且第一区块130’的转子叠片102的数量和第二区块150’的转子叠片102的数量可不相等，但是转子芯62’中第一部分的转子叠片102的数量相对于翻转180’度的第二部分的转子叠片102的数量大致相等亦可解决或至少部分解决电磁偏差和质量不平衡的问题，其中所述第一部分的转子叠片102的数量和第二部分的转子叠片102的数量之和等于整个转子芯62’的转子叠片的数量。此外，应该理解的是第一部分的转子叠片并不必然彼此邻接，第二部分的转子叠片也并不必然彼此邻接，第一部分的转子叠片和第二部分的转子叠片可以交替设置，包括有规律或无规律的交替设置。
虽然上文描述了示例性实施例，但是并不意味着这些实施例描述了权利要求所涵盖的所有可能形式。在说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，应当理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下能够进行各种变化。如前所述，各个实施例的特征可组合，以形成本发明可能没有明确描述或说明的进一步的实施例。虽然各个实施例能被描述为在一个或更多个期望特性方面提供优点或优于其它实施例或现有技术实施方式，但是本领域的普通技术人员认识到，根据具体应用和实施方式，一个或更多个特征或特性可被折衷，以实现期望的总体系统属性。这些属性包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、市场性、外观、封装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、易组装性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术实施方式合意的实施例不在本公开的范围之外，且可期望用于特定应用。

Claims (20)

1.一种电机，包括：
定子；
转子，被支撑在所述定子内旋转，所述转子包括：
堆叠形成转子芯的多个转子叠片，所述转子芯具有凹腔；
磁体，被设置在所述凹腔中；
其中所述转子叠片进一步包括外边缘以及非对称设置于所述外边缘上的多个凹槽。
2.根据权利要求1所述的电机，其中，所述多个转子叠片中的一部分转子叠片相对于另一部分转子叠片呈180度翻转设置。
3.根据权利要求1所述的电机，其中，所述一部分转子叠片大的数量大致等于所述另一部分转子叠片数量。
4.根据权利要求1所述的电机，其中，所述多个凹槽位于不同的磁极上。
5.根据权利要求1所述的电机，其中，所述多个凹槽中至少一个位于q轴线上。
6.根据权利要求1所述的电机，其中，所述多个凹槽中至少一个位于d轴线与q轴线之间。
7.根据权利要求1所述的电机，其中，所述多个凹槽中为弧形凹槽，所述弧形凹槽的半径在0.5mm至2mm之间。
8.根据权利要求6所述的电机，其中，所述弧形凹槽的深度小于或等于1.5mm。
9.根据权利要求1所述的电机，其中，所述凹腔包括呈V型设置的多个第一凹腔和第二凹腔，并且所述磁体包括设置于所述第一凹腔和第二凹腔内的第一磁体和第二磁体。
10.根据权利要求9所述的电机，其中，所述第一磁体和第二磁体分别沿所述转子的中心轴线方向上对齐设置。
11.根据权利要求1所述的电机，其中，所述转子芯包括分别由一个或多个转子叠片形成的第一区块和第二区块，所述第二区块相对于所述第一区块翻转180度设置。
12.根据权利要求11所述的电机，其中所述第一区块的转子叠片的数量和所述第二区块的转子叠片的数量大致相等。
13.一种电机，包括：
定子；
转子，被支撑在所述定子内旋转，所述转子包括：
堆叠形成转子芯的多个转子叠片，所述转子叠片具有内边缘以及与所述内边缘相对的外边缘，所述转子芯具有设置于内边缘与外边缘之间的凹腔；
永磁体，被设置在所述凹腔中；
其中所述转子叠片进一步包括非对称设置于所述外边缘上的多个凹槽，并且多个转子叠片中的一部分转子叠片相对于另一部分转子叠片呈180度翻转设置。
14.根据权利要求13所述的电机，其中，所述多个凹槽中至少一个位于q轴线上。
15.根据权利要求13所述的电机，其中，所述多个凹槽中至少一个位于d轴线与q轴线之间。
16.根据权利要求13所述的电机，其中，所述多个凹槽位于不同的磁极上。
17.根据权利要求13所述的电机，其中，所述转子芯包括分别由一个或多个转子叠片形成的第一区块和第二区块，所述第二区块相对于所述第一区块翻转180度设置。
18.根据权利要求17所述的电机，其中，所述第一区块的转子叠片的数量和所述第二区块的转子叠片的数量大致相等。
19.根据权利要求17所述的电机，其中，所述第一区块的数量等于第二区块的数量。
20.一种包括如权利要求1-19中所述电机的车辆。
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