CN1983775A

CN1983775A - 电机

Info

Publication number: CN1983775A
Application number: CNA2006101667681A
Authority: CN
Inventors: 涩川佑一
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2006-12-14
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2026-12-14
Also published as: CN1983775B; US7573176B2; US20070152535A1

Abstract

本发明公开了一种电机，该电机具有两个转子，至少一个转子构作成具有在该转子周向延伸的第一磁路，至少一个转子构作成具有在该转子径向延伸的第二磁路，且至少一个转子是内嵌永磁类型(IPM)并包括面向定子轴向端部的内侧轭。相应转子的所述各永磁体的相同磁极借以磁性连接的所述内侧轭的一部分的磁阻低于相应转子的所述各永磁体的不同磁极借以磁性连接的所述内侧轭的另一部分的磁阻。

Description

电机

技术领域

本发明一般涉及电机，且特别涉及配备单个定子和两个转子并以复合电流操作的电机。

背景技术

已公开日本专利申请(Tokkaihei)11-356015披露了一种所谓的以复合电流操作的电机。该出版物公开的电机是单定子双转子类型，包括同心配置以形成三层结构的单个定子及内转子和外转子。每个转子配备有以相等间隔周向配置的多个永磁体。内转子和外转子中的至少一个转子配备有感应线圈。该定子配置有供以复合电流的单个线圈，以产生与转子数量相等的旋转磁场。采用这种配置形式，在小电流损失的情况下，可以独立地控制内转子和外转子的旋转。

发明内容

在上述单定子双转子型电机中，其中利用复合电流独立地控制内转子和外转子的旋转，不可避免地发生的情况是：一个转子(即，内转子或外转子)的磁路穿过另一个转子(即，外转子或内转子)的永磁体。也就是，由于具有两个独立控制的转子的电机的特性，在内转子和外转子之间不可避免地发生所谓的互相干涉作用，而易于引起不期望出现的铁损的增加。

为了阐明这种不期望出现的现象，图3A和3B显示了一种传统的电机1。但是，如从图3B可见，附图中所示的电机是轴向间隙型的，总体上包括绕公共轴线配置的固定的单个定子2，设置于该单个定子2前面并绕公共轴线可选转地配置的前转子4，以及设置在该单个定子2后面并绕公共轴线可选转地配置的后转子5。尽管没有在附图中示出，但是前转子4和后转子5的旋转运动通过沿公共轴线延伸的同心配置的驱动主轴传递给驱动装置(未示出)。如图所示，前转子4和后转子5中的每一个都配备有多个永磁体3。图3A是从定子2的一个方向所取的前转子4的示意平面图，而图3B是沿图3A的3B-3B线截取的示意剖面视图。

如从附图中可见，在电机1的操作下，在及沿着转子4和5的周向上产生多个磁路“p”。

如图3更好地理解，内转子4(或外转子5)的磁路“p”被迫穿过外转子5(或内转子4)的永磁体3，而这会导致磁阻的某些增加以及由此增加铁损。

因而，本发明的目的是提供一种没有上述缺陷的电机。

根据本发明，提供了一种电机，包括：具有虚拟轴线的定子；以及可绕所述虚拟轴线独立旋转的多个转子，所述转子中的至少两个转子配置在所述定子的轴向前部位置和后部位置，每个转子具有多个永磁体；其中，所述转子中的至少一个转子构作成具有沿所述转子的周向延伸的第一磁路，所述转子中的至少一个转子构作成具有沿所述转子的径向延伸的第二磁路，所述转子中的至少一个转子为内嵌永磁类型(IPM)并包括面向所述定子轴向端部的内侧轭；以及其中，所述各永磁体的相同磁极借以磁性连接的所述内侧轭的一部分的磁阻低于所述各永磁体的不同磁极借以磁性连接的所述内侧轭的另一部分的磁阻。

根据本发明，进一步提供了一种电机，包括：具有虚拟轴线的定子；以及第一转子和第二转子，所述第一转子和第二转子配置在所述定子的轴向前部位置和后部位置，可绕所述虚拟轴线独立旋转，每个转子上安装有多个永磁体；其中，所述第一转子和第二转子中的至少一个转子构作成具有沿所述转子周向延伸的第一磁路，所述第一转子和第二转子中的至少一个转子构作成具有在所述转子的径向延伸的第二磁路，所述第一转子和第二转子中的至少一个转子是内嵌永磁类型(IPM)并包括面向所述定子的轴向端部的内侧轭；以及其中，相应转子的所述各永磁体的相同磁极借以磁性连接的所述内侧轭的一部分的磁阻低于相应转子的所述各永磁体的不同磁极借以磁性连接的所述内侧轭的另一部分的磁阻。

附图说明

根据结合附图所作的下述说明，本发明的其他目的和优点将更加明显，其中：

图1A，1B和1C为示出本发明一实施例的电机的附图，其中图1A是从定子方向所取的前(或第一)转子的示意平面图，图1B为沿图1A的1B-1B线截取的示意剖面视图，而图1C为从定子方向所取的后(或第二)转子的示意平面图；

图2A和2B是描述后(或第二)转子的内侧轭和磁体之间的磁路关系的附图，其中，图2A是示出内侧轭中产生的磁路的视图，而图2B是内侧轭和相关联的其他部分的展开立面图。

图3A和3B是示出传统电机的附图，其中，图3A为从定子方向所取的前转子的平面示意图，而图3B是沿图3A的3B-3B线截取的示意剖面视图。

具体实施方式

下文中将参考附图，特别是图1A、1B、1C、2A和2B，对作为本发明一实施例的电机10进行详细描述。

为了易于理解，在下面的描述中，使用诸如右、左、上、下、右侧等这样的各种方向术语。然而，这些方向术语只是相对于示出相应的部件或部分的附图或各附图来理解。

参考图1A、1B和1C，显示了根据本发明的一种电机10。随着说明的进行会更加明显，本发明的电机10是轴向间隙型的，具有分别位于定子前侧和后侧的可相互旋转且共轴配置的前和后转子。

如图1B更好地显示，电机10总体上包括环绕旋转主轴单元14的轴线配置的固定环形定子、以及第一转子12和第二转子13，二者共轴地配置在固定环形定子11的前部位置和后部位置且可绕旋转主轴单元14的轴线独立地旋转。

如图所示，每一转子12或13与环形定子11以距离“a” 轴向隔开。

旋转主轴单元14包括同心配置且可相对于彼此旋转的第一主轴14a和第二主轴14b。如图所示，第一主轴14a呈中空结构的并在一端与第一转子12连接以与其一同旋转。同时，第二主轴14b呈实心结构并与第二转子13连接以与其一同旋转。如图所示，第二主轴14b穿过环形定子11的中心部分并具有穿过第一主轴14a中空部分的延伸部。尽管没有在附图中示出，但是在第一主轴14a和第二主轴14b之间配置适当的环形轴承，以允许二者之间的相对旋转。

环形定子11包括环形外定子铁心单元16和环形内定子铁心单元17，二者绕旋转主轴单元14同心地设置。如图所示，内定子铁心单元17同心地容纳于外定子铁心单元16中，二者之间保持一环形空间(未以附图标记标出)。

外定子铁心单元16和内定子铁心单元17中的每一个包括以相等的间隔绕旋转主轴单元14周向配置的多个定子铁心。每个定子铁心具有套绕其上的定子线圈15。

应指出，外定子铁心单元16和内定子铁心单元17配置成在二者之间具有180度的电角度差。也就是，外定子铁心单元16具有电角度“U”，而内定子铁心单元17具有电角度“U-”，如图所示。

从图1A和1B可见，第一转子12包括具有内侧轭18a和外侧轭18b的转子铁心18，以及置于内侧轭18a和外侧轭18b之间的多个永磁体19。也就是，第一转子12具有所谓的内嵌永磁体式结构(IPM)。

如图所示，内侧轭18a共轴地面向固定环形定子11。永磁体19以适当的间隔、绕旋转主轴单元14的轴线周向配置。可从图1A中更好地理解第一转子12的永磁体19的配置形式。

更具体地说，如图1A所示，永磁体19包括绕旋转主轴单元14的轴线交替配置的第一组永磁体和第二组永磁体。从图1A可见，每个磁体19形状呈矩形并配置成径向延伸。每个矩形磁体19具有矩形内表面，该矩形内表面面向环形定子11的外和内定子铁心单元16和17的相应轴向端部。

为了交替地配置第一和第二组永磁体19，在图1A中，第一组的每个磁体19的N极和S极朝向左侧和右侧，而在图1A中，第二组的每个磁体19的N极和S极朝向右侧和左侧。

从图1B和图1C可见，第二转子13包括转子铁心20，该转子铁心包括内侧轭20a和外侧轭20b，以及设置在内侧轭20a和外侧轭20b之间的8个永磁体21a和21b。类似于上述第一转子12，第二转子13具有所谓的内嵌永磁型结构(IPM)。

如图所示，内侧轭20a面向固定环形定子11的轴向端部。

如从图1C中可见，8个永磁体21a和21b构成径向外组永磁体和径向内组永磁体，每一组包括四个永磁体21a和21b。径向外组的四个永磁体21a配置在面向定子11的环形外定子铁心单元16的轴向端部的虚拟外圆上，而径向内组的另外四个永磁体21b配置在面向定子11的环形内定子铁心单元17的轴向端部的虚拟内圆上。

如从图1C可理解，每个虚构圆上的四个永磁体21a或21b以相等间隔配置。

应指出，如从图1C可理解，径向外组和径向内组的径向相邻的一对永磁体21a和21b配置成，在它们互相面对的边缘具有相反极性(即，N极和S极，或S极和N极)，而周向相邻的一对永磁体21a和21a(或，21b和21b)配置成，在它们互相面对的边缘具有相反极性(即，N极和S极，或S极和N极)。

如从图1C可见，第二转子13的转子铁心20的内侧轭20a，在其表面(即，面向定子11的轴向端部的表面)上形成有四个螺旋形延伸凸脊22，各凸脊以等间隔从内侧轭20a的中心突起部(未以标记标出)螺旋形向外延伸。如图所示，利用这四个螺旋凸脊22，内侧轭20a的表面被分隔为四个相等的螺旋区域S-1、S-2、S-3、和S-4。

如图所示，每一个螺旋区域S-1、S-2、S-3、或S-4配置和成型为：包围外组的一个永磁体21a和内组的周向相邻的一个永磁体21b。这样，设置在每个螺旋区域S-1、S-2、S-3、或S-4中的外永磁体21a和内永磁体21b在极性配置上具有相同极性。

应指出，四个螺旋形延伸凸脊22用非磁性材料制成，且由此，四个螺旋区域S-1、S-2、S-3、和S-4彼此之间磁性隔绝。如有需要，可以采用沟槽来代替凸脊22。

从图2A和图2B可见，特别是从图2A，由于设置了四个磁性隔绝的区域S-1、S-2、S-3、和S-4，当外永磁体21a的N极和内永磁体21b的N极(或外永磁体21a的S极和内永磁体21b的S极)相偶联时，在外永磁体21a和相对应的内永磁体21b之间形成连接磁路，该连接磁路磁性连接相邻永磁体21a和21b的相同磁极。

在下文中，参考附图对本发明的电机10的操作进行详细描述。

当给定复合电流(compound current)馈送给定子11的定子线圈15用于驱动第一转子12和第二转子13时，产生两种类型的磁路“r1”和“r2”，它们是用于驱动第二转子13的路径“r1”，和用于驱动第一转子12的路径“r2”。

也就是，如下文中描述的，磁路“r1”经由内定子铁心单元17、第二转子13的内侧轭20a、内永磁体21b、第二转子13的外侧轭20b、外永磁体21a、内侧轭20a、外定子铁心单元16以及第一转子12的内侧轭18a走向内定子铁心单元17。

更具体地说，磁路“r1”从定子11的内定子铁心单元17行进至第二转子13的内侧轭20a，随后从内永磁体21b经由外侧轭20b径向向外行进至外永磁体21a，随后从第二转子13的内侧轭20a行进至定子11的外定子铁心单元16，并随后行进至第一转子12的内侧轭18a，并回到定子11的内定子铁心单元17

同时，磁路“r2”从定子11的内定子铁心单元17行进至第二转子13的内侧轭20a，随后在内侧轭20a中沿周向行进至定子11的相邻外定子铁心单元16，随后从外定子铁心单元16沿周向行进至定子11的相邻内定子铁心17，同时穿过第一转子12的永磁体19。

至于磁路“r2”，可以产生另一路径“r2”，该路径从定子11的外定子铁心单元16行进至第二转子13的内侧轭20a，随后在内侧轭20a内沿周向行进至内定子铁心单元17，随后从内定子铁心单元17行进至外定子铁心单元16，同时穿过第一转子12的永磁体19。

在于第二转子13中行进期间，来自内定子铁心单元17的磁路“r1”经过内侧轭20a的、配置有四个内永磁体21b的径向内侧部分，沿径向向外方向在外侧轭20b中行进，经过内侧轭20a的、配置有四个外永磁体21a的径向外侧部分，并朝向外定子铁心单元16行进。

而在此期间，来自内定子铁心17或外定子铁心16的另一磁路“r2”经由内侧轭20a行进，而不通过或穿过内侧轭20a的、配置有外永磁体21a和内永磁体21b的径向外侧和内侧部分。也就是，磁路“r2”沿周向在内侧轭20a中行进至内侧轭20a的、配置有相邻内和外永磁体21b和21a的部分，且随后磁路“r2”从该处朝向内定子铁心单元17和外定子铁心单元16行进。

也就是，在第二转子13的结构中，产生两种类型的磁路，一个是沿第二定子13的径向延伸的磁路，而另一个是沿第二转子13的周向延伸的磁路。沿周向延伸的磁路由内侧轭20a产生，借此相同极性的相邻的外和内永磁体21a和21b磁性偶联。

在第一转子12和第二转子13的每一个中，由于外和内永磁体21a和21b在转子12或13的径向上紧密地配置，所以径向延伸的磁路可以在并沿着转子12或13的径向路径行进。换句话说，允许磁路取最短的路径。

因而，穿过第一转子12的、与旋转主轴单元14的轴线垂直的端面的磁路，与现有技术中产生的周向延伸的磁路相比可以确定地缩短。这样，在本发明中，由于该缩短的磁路，可以减少电机10的不期望出现的铁损。

如上文描述的，在本发明的电机10中，由复合电流独立驱动的第一和第二转子12和13具有如下结构特征。也就是，对于第一转子12来说，形成了沿第一转子12周向延伸的磁路，而对于第二转子13来说，形成了沿第二转子13径向延伸的磁路。换句话说，第一和第二转子12和13上产生相互不同的磁路。第一和第二转子12和13是内嵌永磁类型(IPM)。由于IPM结构的特性，第二转子13中永磁体21a和21b的相同磁极通过内侧轭20a磁性偶联或连接。

通常，当磁路配置成沿转子的周向延伸时，趋于产生较大铁损。然而，在本发明中，如上所述，磁路配置成沿径向延伸。这意味着，在本发明中磁路的长度被缩短，且由此本发明的电机10的工作效率确定地提高。进而，因为采用单个定子11，电机10的整体尺寸也可减小。

如果采用这样一种配置形式，其中沿第一转子周向延伸的第一磁路和沿第二转子径向延伸的第二磁路配置成穿过另一转子即第二和第一转子的永磁体，则第一和第二转子的独立旋转会产生磁阻的某些增加，且由此电机的扭矩趋于降低。然而，在本发明中，由于转子12和13的内嵌永磁类型(IPM)的特性以及利用第一和第二转子12和13的内侧轭18a和20a，所以转子12和13的相应磁通被允许穿过相应的内侧轭20a和18a。这样，在本发明中，磁阻得以降低且因此由电机10产生的扭矩增加。

由于在本发明中，不同磁极通过内侧轭20磁性连接，以便沿第二转子13的周向延伸的磁路由内侧轭20a产生。这种配置形式易于引起所谓的磁性短路(magnetic short path)并由此易于引起扭矩的降低。然而，在本发明中，实际上采用了一种措施，其中第二转子13的永磁体的相同磁极借以磁性连接的内侧轭20a的一部分的磁阻，低于第二转子13的永磁体的不同磁极借以磁性连接的内侧轭20b的另一部分的磁阻。也就是，在其中磁路配置成沿径向延伸的第二转子13中，永磁体的相同磁极通过内侧轭20a磁性连接，以由此减小磁阻并由此产生沿转子周向延伸的磁路，且在第二转子13中，永磁体的不同磁极不通过内侧轭20a连接。因而，可以在本发明中避免扭矩的减小。

进而，在本发明中，实际采用了另一种措施，其中在高速范围内，由沿转子径向延伸的磁路产生的转子扭矩，大于沿转子周向延伸的磁路产生的转子扭矩，而在低速范围内，由径向延伸的磁路产生的转子扭矩，等于或小于由周向延伸的磁路产生的转子扭矩。通常，在诸如本发明之一等电机中，其中一个转子构建成提供在转子周向延伸的磁路，而另一个转子构建成提供在转子径向延伸的磁路，当电机经理高速旋转时，具有周向延伸磁路的转子的铁损小于具有径向延伸磁路的转子的铁损。这样，在高速旋转情况下，当具有周向延伸磁路的转子的载荷增加时，电机10的总工作效率提高。

如上所述，在本发明的电机10中，转子12和13中的至少一个被构建成具有沿转子周向延伸的磁路，转子12和13中的至少一个被构建成具有在转子径向延伸的磁路，且转子12和13中的至少一个由于采用所谓的内嵌永磁体型结构(IPM)而具有一前轭。此外，在本发明中，永磁体相同磁极之间经由前轭的磁阻设置为小于永磁体不同磁极之间的磁阻，且由此，可以减小不期望出现的铁损，这会增加电机10的工作效率。

尽管上述描述针对具有两个转子的电机，但本发明的思想可以应用于具有三个或三个以上转子的电机。进而，如有需要，本发明所使用的永磁体可以是Halbach类型的。

于2005年12月15日递交的日本专利申请2005-361777的全部内容在此合并作为参考。

尽管已经参考本发明的实施例对本发明作出如上描述，但是本发明并不限于上述这些实施例。本领域技术人员可以根据上述说明来对这些实施例作出各种修改和改变。

Claims

1、一种电机，包括：

具有虚拟轴线的定子；以及

可绕所述虚拟轴线独立旋转的多个转子，所述转子中的至少两个转子配置在所述定子的轴向前部位置和后部位置，每个转子具有多个永磁体；

其中，所述转子中的至少一个转子构作成具有沿所述转子的周向延伸的第一磁路，所述转子中的至少一个转子构作成具有沿所述转子的径向延伸的第二磁路，所述转子中的至少一个转子为内嵌永磁类型并包括面向所述定子轴向端部的内侧轭；以及

其中，所述各永磁体的相同磁极借以磁性连接的所述内侧轭的一部分的磁阻低于所述各永磁体的不同磁极借以磁性连接的所述内侧轭的另一部分的磁阻。

2、一种电机，包括：

具有虚拟轴线的定子；以及

第一转子和第二转子，所述第一转子和第二转子配置在所述定子的轴向前部位置和后部位置，可绕所述虚拟轴线独立旋转，每个转子上安装有多个永磁体；

其中，所述第一转子和第二转子中的至少一个转子构作成具有沿所述转子周向延伸的第一磁路，所述第一转子和第二转子中的至少一个转子构作成具有在所述转子的径向延伸的第二磁路，所述第一转子和第二转子中的至少一个转子是内嵌永磁类型并包括面向所述定子的轴向端部的内侧轭；以及

其中，相应转子的所述各永磁体的相同磁极借以磁性连接的所述内侧轭的一部分的磁阻低于相应转子的所述各永磁体的不同磁极借以磁性连接的所述内侧轭的另一部分的磁阻。

3、根据权利要求2所述的电机，其中所述第一转子构作成具有所述第一磁路，所述第二转子构作成具有所述第二磁路，且所述第二转子是内嵌永磁类型并包括所述内侧轭。

4、根据权利要求3所述的电机，其中所述第二转子的所述各永磁体的相同磁极借以磁性连接的所述第二转子内侧轭的所述一部分的磁阻低于所述第二转子的所述各永磁体的不同磁极借以磁性连接的所述内侧轭的所述另一部分的磁阻。

5、根据权利要求4所述的电机，其中所述定子包括绕所述虚拟轴线同心设置的环形内定子铁心单元和环形外定子铁心单元，每个定子铁心单元包括以相等间隔绕所述虚拟轴线周向配置的多个定子铁心，每个定子铁心具有绕设其上的定子线圈。

6、根据权利要求5所述的电机，其中所述第二转子包括：

转子铁心，该转子铁心包括所述内侧轭和外侧轭，所述内侧轭面向所述定子的所述轴向端部；以及

设置在所述内侧轭和所述外侧轭之间的八个永磁体，所述永磁体构成径向外组永磁体和径向内组永磁体，每组永磁体包括四个永磁体，所述径向外组永磁体的四个永磁体配置在面向所述定子的所述环形外定子铁心单元的轴向端部的虚拟外圆上，而所述径向内组永磁体的四个永磁体配置在面向所述定子的所述环形内定子铁心单元的轴向端部的虚构内圆上，所述径向外组永磁体和所述径向内组永磁体的径向相邻对永磁体设置成在它们相互面对的边缘处具有相反的磁极，且所述径向外组永磁体和所述径向内组永磁体的周向相邻对永磁体设置成在它们相互面对的边缘处具有相反的磁极。

7、根据权利要求6所述的电机，其中所述第二转子的所述内侧轭在其面向所述定子轴向端部的表面上形成有四个螺旋延伸的凸脊，所述各凸脊以相等间隔从所述内侧轭的中心部分呈螺旋形地向外延伸，使得在所述内侧轭的所述表面上形成有四个等同的螺旋区域，每个螺旋区域配置和成型得包围所述径向外组永磁体中的一个永磁体和所述径向内组永磁体中的一个周向相邻的永磁体。

8、根据权利要求7所述的电机，其中所述四个螺旋延伸的凸脊由非磁性材料制成。

9、根据权利要求7所述的电机，其中设置有四个螺旋延伸的沟槽，用以代替所述四个螺旋延伸的凸脊。

10、根据权利要求2所述的电机，其中在所述电机高速范围内，由在所述转子径向延伸的磁路产生的转子扭矩设置为大于由在所述转子周向延伸的磁路产生的转子扭矩，而在所述电机的低速范围内，由所述径向延伸的磁路产生的转子扭矩等于或小于由所述周向延伸的磁路产生的转子扭矩。

11、根据权利要求2所述的电机，其中所述第一转子和第二转子的永磁体为Halbach永磁体。