CN114846724A - 具有可变气隙的同步磁阻机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转电机(尤其是永磁体辅助的同步磁阻电机)中的可变气隙。

Description

具有可变气隙的同步磁阻机

发明领域

本发明涉及一种与递送优选直流电压的总线一起工作并提供高转速的旋转电机，尤其是一种(永磁体辅助)同步磁阻电机，并且更具体而言是这种机器的可变气隙。

通常，这种电机包括彼此同轴布置的定子和转子。

永磁体辅助的同步磁阻电机的转子通常包括转子本体，该转子本体具有布置在转子轴杆上的叠片(lamination)束。这些叠片包括用于永磁体的壳体和用于产生通量屏障的穿孔，所述通量屏障允许磁体的磁通量径向地指向定子并用于促进磁阻扭矩的生成。该转子通常容纳在承载电绕组的定子内，该电绕组允许生成使转子能够被驱动旋转的磁场。

发明背景

如在专利申请WO-2016/188764中更好地描述的，转子包括贯穿叠片延伸的多个轴向凹槽。径向地彼此上下布置并且彼此相距一距离的第一系列的轴向凹槽形成用于磁通量发生器(在此是矩形棒形式的永磁体)的壳体。

然而，观察到，反电动势谐波和扭矩波动在这种类型的永磁体辅助的同步磁阻机器中是显著的。

这可能在转子处生成颠簸和振动，从而在使用这个机器时引起不适。

文献CN206775356U描述了气隙中的正弦磁场，其可以减小扭矩波动和电磁噪声。此外，文献CN208174384U描述了在转子表面处的凹槽，其允许减小发动机扭矩波动。然而，这些电机不是针对宽的转速范围来优化的。

通常，观察到，电机被优化为具有有利于扭矩的最小气隙或具有有利于高速效率的较大气隙。

本发明旨在克服上述缺点，并且尤其是改变气隙形状，以寻找在小气隙电机的低速下的最大扭矩性能和在大气隙电机的高转速下的功率性能这两者。发明内容本发明涉及一种包括转子和定子的电机，该转子包括：

-p对磁极，各自具有磁极轴，

-气隙，其限定转子和定子之间的空间，所述气隙具有非恒定的径向厚度，

其特征在于，所述空气间隙具有由以下公式限定的厚度e₀(θ_m)：

其中：

-θ_m是所述气隙的机械位置，e_0，moyen是所述气隙的平均厚度，Δe是所述气隙的最大变化，p是极对的数量，h是预定谐波等级，Δθ

是磁极的轴线与正弦函数的最大幅值的点之间的初始径向相位差。

根据一个实施例，每个磁极包括定位在轴向凹槽中的至少三个磁体。

根据一个实施例，每个磁极包括三个不对称的通量屏障，它们是外部通量屏障、中央通量屏障和内部通量屏障。每个通量屏障包括位于每个轴向凹槽的两侧上的两个倾斜凹槽。这两个倾斜凹槽形成开口角，该开口角对应于两条线之间的角，这两条线各自穿过该转子的中心并且穿过定位在每个通量屏障的对应凹槽的外部面处的中点，并且所述通量屏障基本上具有平底V形。

根据一个实施例，初始相位差是从通量屏障的开口角直接推导出的。

根据一个实施例，磁极对的所述数量p的范围在2与9之间，优选地在3与6之间，并且优选地是4。

根据一个实施例，所述转子具有与所述气隙接触的、基本上圆柱形的、具有可变半径的表面，并且所述定子具有与所述气隙接触的、基本上圆柱形的、具有恒定半径的表面。

根据一个实施例，所述气隙具有范围在0.4mm与1mm之间的厚度，并且所述气隙的平均厚度优选地是0.6mm。

根据一个实施例，预定谐波等级是偶整数。

根据一个实施例，预定的谐波等级是2或14，或这些谐波的组合。

根据一个实施例，所述电机是同步磁阻电机类型的，优选地在每个磁极中具有3个磁体。

附图的简要说明

参考附图并阅读通过非限制性示例给出的各实施例的以下描述，本发明的其它特征和优势将变得清楚，在附图中：

-图1解说了根据现有技术的电机，

-图2解说了根据现有技术的电机，

-图3解说了根据本发明的一个实施例的可变气隙，

-图4解说了气隙变化作为机械位置的函数的示例，

-图5解说了气隙变化作为电气位置的函数的示例，

-图6解说了作为谐波等级h和相位差Δθ的函数的平均扭矩变化，

-图7解说了作为谐波等级h和相位差Δθ的函数的平均扭矩波动，

-图8解说了作为谐波等级h和相位差Δθ的函数的最大功率变化，

-图9解说了作为谐波等级h和相位差Δθ的函数的在最大转速(这里是14000rpm)下的最大功率变化，以及

-图10解说了作为谐波等级h和相位差Δθ的函数的在最大转速(这里是14000rpm)下在70kW处的转子损耗变化。

本发明的详细描述

本发明涉及一种电机，尤其是一种永磁体辅助的同步磁阻型电机。在本说明书的其余部分中描述了一种永磁体辅助的同步磁阻型电机，然而，本发明涉及所有类型的具有内转子的永磁体辅助的电机。

如现有技术中普遍已知的，在图1和图2中通过非限制性实例示出了这种电机。该电机包括转子1，该转子以本身已知的方式包括轴杆(未示出)，该轴杆优选地是磁性的，在该轴杆上布置了叠片束3。这些叠片3有利地是铁磁性的、平坦的、完全相同的、轧制的和圆形的；它们通过任何已知的手段被彼此组装。叠片3可以具有转子轴杆穿过的中心孔(未示出)和贯穿叠片3延伸的多个轴向凹槽6、8。

径向布置在彼此上方并且彼此相距一定距离的第一系列的轴向凹槽6形成用于磁通量发生器(在此是永磁体7，优选地是棒的形式)的壳体。轴向凹槽6可大致形成梯形。然而，轴向凹槽6可采用其他形状，特别是矩形形状、正方形形状等。

第二系列的凹槽由相对于径向方向的倾斜方向的穿孔8组成，从轴向凹槽6开始并在叠片3的边缘12的附近(即在该电机的气隙处)结束。倾斜的穿孔8相对于磁体7的凹槽6对称地布置，以便每次形成基本上平底V形几何图形，其中平坦底部由磁体7的壳体6形成，并且该V形的倾斜臂由倾斜的穿孔8形成。倾斜的穿孔8形成通量屏障。然后，来自磁体7的磁通量仅可穿过凹槽之间的叠片3的实心部分。这些实心部分由铁磁材料构成。

图1中解说的转子3包括p对磁极(或2×p个磁极以及相关联的通量屏障(9、10、11))，磁极由在相同径向方向上的用于磁体的三个凹槽6组成。

极间距P由极对的数量p限定。以度数表示，极间距可用如下公式确定：

对于图1中解说的示例，转子1包括八个磁极(p＝4)，因此极间距P是45°。每个磁极由三个永磁体7组成，所述三个永磁体7定位在设置成用于容纳永磁体7的三个轴向凹槽6中。转子1还包括三个通量屏障：外部通量屏障9(与外部凹槽6相关联，即最靠近转子1的周边)、中央通量屏障10(与中央凹槽6相关联)和内部通量屏障11(与内部凹槽6相关联，即最靠近转子1的中心)。如图2中所解说的，该电机还包括定子15。定子15包括用于转子1的圆形内部空间。定子15还包括槽14，其中磁通量发生器(未示出)(特别是电线圈)插入槽14中。

如在图1和2中可见，每个通量屏障(9、10、11)包括相对于每个磁极的磁体7的壳体对称地安排的两个倾斜穿孔。因此每次形成基本上平底的V形几何图形，该平底由壳体7形成并且该V形的倾斜臂由倾斜穿孔形成。限定V形开口的开口角(θ1、θ2、θ3)对应于每个磁极的每个通量屏障(9、10、11)。这些开口角对应于两条线之间的角，所述两条线各自穿过转子1的中心C且穿过定位在每个通量屏障的倾斜径向方向的穿孔8的外表面12处的中点M。该外表面12位于转子1的周边上，位于电机的机械气隙处，如在说明书的其余部分中所详述。

本发明的特征在于可变气隙，该可变气隙取决于机械位置而不是恒定的(该机械位置是该气隙处的角位置)，如图3中所解说的。图3通过非限制性实例示意性地解说了电机的围绕气隙18的构成元件。该附图示出了一种电机，该电机包括转子1和定子15，转子1具有p对磁极以及气隙18，p对磁极各自包括磁极轴线，该气隙限定转子1与定子15之间的空间，所述气隙18具有非恒定的径向厚度。本发明的具体特征在于用以下公式限定气隙18的厚度e₀(θm)：其中：

其中：

-θ_m是所述气隙18的机械位置，e_0，moyen是所述气隙18的平均厚度，Δe是所述气隙18的最大变化，p是极对的数量，h是预定谐波等级，Δθ是磁极的轴线与正弦函数的最大幅值的点之间的初始径向相位差。

气隙18的机械位置θ_m是沿着气隙18的路径的角位置。机械位置θ_m是以度数测量并且其可以在0°和360°之间的范围内。

气隙18的尺寸是定子15的内半径与转子1的外半径之间的差。

气隙18的平均厚度e_0，moyen是该电机的设计和构造参数。气隙18的平均厚度e_0，moyen以mm为单位测量，并且确定为在0°和360°之间的所有机械位置θ_m中、在定子15和转子1彼此最靠近的机械位置θ_m处的气隙18的最小厚度点与其中定子15和转子1彼此最远离的另一机械位置θ_m处的最大厚度点之间的积分的平均值。图4中示出了平均厚度e_0，moyen。气隙18的最大变化Δe以mm为单位测量，并且确定为其中定子15和转子1彼此最靠近的机械位置θ_m处的气隙18的最小厚度点与其中定子15和转子1彼此最远离的另一机械位置θ_m处的最大厚度点之间的差。

气隙18的最大变化Δe在图3中示出。通过观察这个变型实施例中在0.9mm处的峰值，在图4中也可以看到气隙18的最大变化Δe。

以度数为单位来测量初始径向相位差Δθ，并将其确定为磁极的轴线(通过转子1的中心)与通过最接近的最大变化点Δe的转子1的半径之间的角度。初始径向相位差Δθ在图3中示出。

图4和图5分别示出了气隙18因变于机械位置和电气位置而变化的示例(θ_e＝p*θ_m)。例如，考虑谐波6和65°相位差，对于具有4个极对的机器，可以看到根据机械和电气位置的气隙的形状。

根据本发明的一个实施例，电机的每个磁极可以包括位于轴向凹槽6中的至少三个磁体7。在图1、2中并且部分地在图3中解说了这个实施例。图1示出了通过示例的方式定位在轴向凹槽6中的三个磁体7，轴向凹槽6大致形成梯形并具有至少两个平行面，这些面大致定位在以转子1的中心为中心的切线上。图3示出了沿着梯形的侧面具有基本上径向面的轴向凹槽6。每个基本上径向的面具有用于磁体7的接触点和定心点，并且在该接触点的每侧上具有两个弯曲部分。这两个弯曲部分优选地具有圆弧的形状，或者更有利地具有水滴的形状，并且这两个弯曲部分中的一者优选地短于另一者。

根据本发明的一个实施例，该电机的每个磁极可以包括构成每个磁极的三个不对称的通量屏障，它们是外部通量屏障9、中央通量屏障10以及内部通量屏障11。如图1中所解说的，每个通量屏障9、10、11包括定位在每个轴向凹槽6的两侧上的两个倾斜凹槽8。这两个倾斜凹槽8形成了开口角(θ1、θ2、θ3)，该开口角对应于两条线之间的角，这两条线各自穿过转子1的中心C(在图1中示出)并且穿过定位在每个通量屏障9、10、11的对应凹槽8的外面12处的中点M(在图1中示出)。所述通量屏障基本上具有平底V形形状。通量屏障在引导磁通量中起重要作用。

根据本发明的一个实施例，初始相位差Δθ可以从通量屏障9、10、11的开口角(θ1、θ2、θ3)直接推导出。实际上，如图3中所解说的初始相位差Δθ是直接取决于这些电机设计选择并且首先取决于通量屏障几何形状的参数。

根据本发明的一个实施例，磁极对的所述数量p的范围可在2与9之间，优选地在3与6之间，并且优选地是4。图1、图2和图3示出了具有4个磁极的电机。然而，本发明可以应用于任何所需数量的极对。

根据本发明的一个实施例，转子1可以具有与所述气隙18接触的表面(即，在转子侧上界定气隙的表面)，该表面基本上是圆柱形的，具有可变半径。在此，气隙变化在图4中解说。根据该实施例，所述定子15具有与所述气隙18接触的表面，所述表面基本上是圆柱形的，具有恒定半径。换言之，可以借助于其外半径不是恒定的转子来实现气隙厚度的变化。

根据本发明的一个实施例，气隙18可具有范围在0.4mm与1mm之间的厚度，并且所述气隙的平均厚度优选地是0.7mm。在实现本发明时，本领域技术人员基于各种参数(诸如机器的组成元件的总尺寸、本申请的领域所需的制造精度和预期性能)来适配气隙厚度。

为了确定允许本发明的公式的有益效果最大化的预定谐波等级h的选择，提出了根据谐波等级h、相位差Δθ的变化，通过数值模拟来研究电机最重要的工作参数，即：

·平均扭矩

·扭矩波动

·最大功率

·最大速度处的最大功率

·转子损耗。

这些非限制性示例是针对具有4个磁极对并且每个磁极具有3个磁体的永磁体辅助的同步磁阻电机来执行的。图6解说了作为谐波等级h和相位差Δθ的函数的平均扭矩变化。根据右手边的图例，灰度强度水平对应于作为谐波等级h和相位差Δθ的函数的扭矩变化。应注意，扭矩变化非常低，相对于最大平均扭矩+/-0.7％的变化。然而，还应注意，一些谐波等级生成比其他等级更高的变化。例如，谐波等级2、10、14、15、16和17似乎对平均扭矩具有比其他谐波更显著的影响(见图中的较亮区域)。

图7解说了作为谐波等级h和相位差h的函数的平均扭矩波动。根据右手边的图例，灰度强度水平对应于取决于谐波等级h和相位差h的平均扭矩波动。应注意，一些谐波等级对电机性能具有高度负面影响(见较亮的区域)。因此，应注意，一些谐波等级看起来在9与12之间的谐波等级范围中生成大量波动。在这个范围内产生新的扭矩谐波对于该电机的正确操作是不利的，因为相反，所寻求的是由扭矩波动生成的振动的减小。如在先前的情况下，一些谐波和相位差等级似乎更有利于扭矩波动减小。图8解说了作为谐波等级h和相位差Δθ的函数的最大功率变化。根据右手边的图例，取决于谐波等级h以及相位差Δθ，灰度强度水平对应于最大功率。应注意，功率变化非常低，相对于平均值具有+/-1.5％的变化。应注意，影响最大功率的谐波等级与平均扭矩的等级基本上相同，诸如举例而言10和14(见较亮的区域)，但是一些(诸如这里的4和5)出现，而其他消失(这里是2)。然而，这些变化是特别低的。图9解说了作为谐波等级h和相位差Δθ的函数的在最大转速(这里是14000rpm)下的最大功率变化。根据右手边的图例，灰度强度水平对应于作为谐波等级h和相位差的函数的最大功率变化。应注意，一些谐波等级对电机性能具有高度正面影响(见较亮的区域)。根据所考虑的谐波等级，即等级4、10、12和14，相对于平均功率而言，似乎有可能节省7％以上。

图10解说了作为谐波等级h和相位差Δθ的函数的在最大转速(这里是14000rpm)下在70kW处的转子损耗变化。根据右手边的图例，灰度强度水平对应于作为谐波等级h和相位差Δθ的函数的转子损耗变化。应注意，一些谐波等级对转子损耗有非常正面的影响，其相对于平均值可以降低15％(见较亮区域)。更具体地说，谐波等级2、12和14对于降低转子损耗似乎感兴趣。

上述研究的结果在下表1中给出(符号o对应于基本零影响，符号+对应于正面影响，符号++对应于高度正面影响，符号-对应于负面影响，符号--对应于高度负面影响)：

表1

量化了正弦可变厚度气隙的优点，该气隙允许在低速时实现最大扭矩性能，这是小气隙电机的特点，并且在高转速下实现最大效率和功率性能，这是大气隙电机的特点。要强调的是，谐波2和14对于所研究的电机来说是最感兴趣的。

根据本发明的一个实施例，预定谐波等级因此是偶数整数。优选地，预定谐波等级是2或14。替换地，也可以选择这些谐波的组合。

这里给出的结果针对具有4个极对的机器被示出，但气隙形状的通用公式和谐波等级研究允许将此结果推广到任何极对数量。

根据本发明的一个实施例，所述电机是同步磁阻型电机，具有四个磁极对，每个磁极中优选包括3个磁体。优选地，对于该电机设计，在为气隙厚度定义的公式中纳入考虑的谐波是谐波2和/或14。

Claims (10)

1.一种电机，包括转子(1)和定子(15)，转子(1)包括：

-p对磁极，各自具有磁极轴，

-气隙(18)，其限定转子(1)和定子(15)之间的空间，所述气隙(18)具有非恒定的径向厚度，

其特征在于，所述气隙(18)具有由以下公式限定的厚度e₀(θ_m)：

其中：

-θ_m是所述气隙(18)的机械位置，e_0，moyen是所述气隙(18)的平均厚度，Δe是所述气隙(18)的最大变化，p是极对的数量，h是预定谐波等级，Δθ是磁极的轴线与正弦函数的最大幅值的点之间的初始径向相位差。

2.如权利要求1所述的电机，其特征在于，每个磁极包括位于轴向凹槽(6)中的至少三个磁体(7)。

3.如权利要求2所述的电机，其特征在于，包括构成每个磁极的三个不对称通量屏障，所述三个不对称通量屏障是外部通量屏障(9)、中央通量屏障(10)、和内部通量屏障(11)，每个通量屏障(9、10、11)包括位于每个轴向凹槽(6)的两侧上的两个倾斜凹槽(8)，所述两个倾斜凹槽(8)形成与各自穿过转子(1)的中心C并且穿过位于每个通量屏障(9、10、11)的相应凹槽(8)的外表面(12)中的中点(M)的两条线(θ1、θ2)之间的角度相对应的开口角(θ1、θ2、θ3)，并且所述通量屏障基本上具有平底V形。

4.如权利要求3所述的电机，其特征在于，所述初始相位差Δθ是从通量屏障(9、10、11)的开口角(θ1、θ2、θ3)直接推导出的。

5.如前述权利要求中任一项所述的电机，其特征在于，磁极对的所述数量D的范围在2与9之间、优选地在3与6之间、并且优选地是4。

6.如前述权利要求中任一项所述的电机，其特征在于，所述转子(1)具有与所述气隙(18)接触的、基本上圆柱形的、具有可变半径的表面，并且所述定子(15)具有与所述气隙(18)接触的、基本上圆柱形的、具有恒定半径的表面。

7.如前述权利要求中任一项所述的电机，其特征在于，所述气隙(18)具有范围在0.4mm与1mm之间的厚度，并且所述气隙(18)的平均厚度优选地是0.7mm。

8.如前述权利要求中任一项所述的电机，其特征在于，所述预定谐波等级是偶数整数。

9.如前述权利要求中任一项所述的电机，其特征在于，所述预定谐波等级是2或14，或这些谐波的组合。

10.如前述权利要求中任一项所述的电机，其特征在于，所述电机是同步磁阻电机类型的，优选地在每个磁极中具有3个磁体。

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