用于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和包括該類(lèi)型轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)電的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及包括多個(gè)交替磁極的轉(zhuǎn)子(1),所述多個(gè)交替磁極由永磁體(3)形成,永磁體(3)規(guī)則地分布在轉(zhuǎn)子的磁性本體(2)的周向部分(5)和中心部分(6)之間,并且限定周向磁極區(qū)段(7)。磁極區(qū)段具有預(yù)定磁極間距(Θp),并且包括形成凸角的徑向區(qū)段(8)。根據(jù)本發(fā)明,形成凸角的徑向區(qū)段部分地覆蓋磁體,以例如最大化徑向流動(dòng)通過(guò)每一個(gè)磁極區(qū)段的可用磁通量(ΦU)并且最小化流動(dòng)通過(guò)周向部分的漏磁通量(ΦL)。磁極區(qū)段可具有預(yù)定磁極重疊角(Θr),以例如最大化磁通量(ΦU)并且最小化漏磁通量(ΦL),所述重疊角(Θr)為凸角(8)的從轉(zhuǎn)子的軸上的一點(diǎn)看的可視角度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和包括該類(lèi)型轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)電機(jī)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及設(shè)計(jì)用于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的具有永磁體的的轉(zhuǎn)子。
[0002]本發(fā)明還涉及包括該類(lèi)型的轉(zhuǎn)子的,特別地,應(yīng)用于機(jī)動(dòng)車(chē)輛領(lǐng)域中的旋轉(zhuǎn)電機(jī)?!颈尘凹夹g(shù)】
[0003]由于同步電機(jī)的在輸出、功率系數(shù)和功率密度方面提高的性能,現(xiàn)今的具有永磁體的同步電機(jī)在機(jī)動(dòng)車(chē)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用。
[0004]這些電機(jī)可被制造具有寬范圍的功率和速度,并且在“純電動(dòng)”類(lèi)型的車(chē)輛和基于C02的所謂的“輕度混合動(dòng)力”和“完全混合動(dòng)力”車(chē)輛中都有應(yīng)用。
[0005]“輕度混合動(dòng)力”應(yīng)用通常涉及約8到IOkW的電機(jī),例如裝配到熱力發(fā)動(dòng)機(jī)前部并且由傳動(dòng)帶聯(lián)接到熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)。通過(guò)該類(lèi)型的電動(dòng)機(jī),可能通過(guò)提供電扭矩輔助(特別在加快轉(zhuǎn)速期間提供附加動(dòng)力)降低熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的排量(“發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸減小”)。另夕卜,低速下的牽引力,例如在城市環(huán)境中,也可通過(guò)該同一電動(dòng)機(jī)來(lái)確保。
[0006]應(yīng)用在該動(dòng)力范圍內(nèi)的電機(jī)另一個(gè)示例包括驅(qū)動(dòng)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的雙增壓系統(tǒng)的離心壓縮機(jī)。在低速下,電動(dòng)壓縮機(jī)輔助由排氣驅(qū)動(dòng)的渦輪壓縮機(jī),并且使得可能省掉減小排量方面的附加的步驟。
[0007]“完全混合動(dòng)力”類(lèi)型的應(yīng)用通常涉及用于串聯(lián)和/或并聯(lián)類(lèi)型構(gòu)造的30到50kW電動(dòng)機(jī),具有更好的電動(dòng)機(jī)(一個(gè)或多個(gè))在車(chē)輛的牽引鏈中的整合水平。
[0008]目前具有永磁體的電機(jī)的卓越的性能水平主要由于稀土磁體的開(kāi)發(fā),稀土磁體例如為釹鐵硼(NeFeB)、鐵釤合金(SmFe)或釤鈷合金(SmCo)類(lèi)型,其可具有超過(guò)I特斯拉的剩磁。
[0009]但是,具有永磁體、包括所謂的“磁通量集中”結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子的電機(jī)之前已經(jīng)使得可能使用具有較低剩磁的磁體獲得大的磁通量,所述具有較低剩磁的磁體例如為從燒結(jié)的或粘接的鐵氧體獲得的磁體。
[0010]同樣追溯到很久以前,該類(lèi)型的結(jié)構(gòu)的尺寸和磁特性已經(jīng)被通過(guò)進(jìn)行很多測(cè)試或近期通過(guò)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行了優(yōu)化,例如用于提高電機(jī)的電輸出。
[0011]具有永磁體的轉(zhuǎn)子的磁體和磁極的尺寸優(yōu)化的示例在1971年的FR2.084.279法國(guó)專(zhuān)利中公開(kāi)。
[0012]磁極的尺寸優(yōu)化近年來(lái)由于稀土磁體緣于不利的地理政治狀況變得更昂貴而再次成為關(guān)注的前沿。
[0013]由于在設(shè)計(jì)用于機(jī)動(dòng)車(chē)輛應(yīng)用的電機(jī)的轉(zhuǎn)子中使用稀土磁體不再經(jīng)濟(jì)可行,并且可能不能持久,因此需要包括基于鐵氧體的其他替代。
[0014]但是,由于鐵氧體的剩磁比稀土磁體低,因此由鐵氧體代替稀土磁體導(dǎo)致具有較低性能水平的電機(jī)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0015]本發(fā)明的目的因而是優(yōu)化轉(zhuǎn)子的磁極的形式以最大化磁極中的磁通量,并且因而特別地保持電機(jī)的扭矩。
[0016]其目的具體地為旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子,包括由多個(gè)布置在第一凹部中的永磁體形成的多個(gè)交替的北極和南極。
[0017]這些第一凹部沿轉(zhuǎn)子軸延伸,并且規(guī)則地分布在轉(zhuǎn)子磁性本體的周向部分和中心部分之間,以例如限定多個(gè)具有預(yù)定磁極間距的周向磁極區(qū)段。
[0018]所討論的轉(zhuǎn)子類(lèi)型的永磁體具有第一多邊形徑向區(qū)段和第一軸向?qū)ΨQ(chēng)平面。
[0019]磁極區(qū)段的其部分具有在外部形成凸角的第二徑向區(qū)段和第二軸向?qū)ΨQ(chēng)平面。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)子不同之處在于,該凸角部分地與永磁體重疊,以例如最大化徑向地在每一個(gè)磁極區(qū)段中流通的可用磁通量,并且最小化沿周向方向在轉(zhuǎn)子的周向部分中流通的漏磁通量,轉(zhuǎn)子的該磁極區(qū)段具有預(yù)定磁極重疊角,以最大化該可用磁通量并且最小化漏磁通量,該磁極重疊角定義為凸角從旋轉(zhuǎn)軸的一點(diǎn)看的可視角度,磁極區(qū)段優(yōu)選地具有預(yù)定重疊比,以例如最大化可用磁通量并且最小化漏磁通量,重疊比等于磁極重疊角與預(yù)定磁極間距的比,并且重疊比基本上包括在0.35至0.50之間。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)子的不同之處還在于,永磁體的第一徑向區(qū)段包括矩形部分,其靠近周向部分,鄰近靠近中心部分的楔形狀的部分。
[0022]非常有利地,根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)子另外包括至少多個(gè)第二凹部,所述多個(gè)第二凹部軸向地延伸,并且布置在永磁體之間,在轉(zhuǎn)子的位于中心部分和周向部分之間的中間部分中。
[0023]非磁性支撐體優(yōu)選地布置在這些第二凹部中。
[0024]在根據(jù)本發(fā)明的變形實(shí)施例中,周向部分非常有利地另外包括軸向凹槽,軸向凹槽布置在磁極區(qū)段之間,面對(duì)永磁體,并且形成第一凹部的開(kāi)口。
[0025]將從這樣的事實(shí)獲得優(yōu)點(diǎn):根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的永磁體包含鐵氧體。
[0026]本發(fā)明還涉及包括具有上述特性的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。
[0027]這幾個(gè)重要的說(shuō)明將使得與現(xiàn)有技術(shù)比較由根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子以及由相應(yīng)的電機(jī)提供的優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)。
[0028]在下面的描述中結(jié)合附圖進(jìn)行本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)注意,這附圖僅用于示出描述的文字,不以任何方式構(gòu)成對(duì)本發(fā)明范圍的限制。
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的布置在定子中的本發(fā)明的主實(shí)施例中的具有永磁體的轉(zhuǎn)子的簡(jiǎn)化徑向剖視圖,該定子以局部徑向剖視圖顯示;
[0030]圖2顯示了代表磁極部分中可用磁通量的相之間電動(dòng)勢(shì)常數(shù)根據(jù)磁極重疊角的變化;
[0031]圖3顯示了代表磁極部分中可用磁通量的相之間電動(dòng)勢(shì)常數(shù)根據(jù)重疊比率的變化;
[0032]圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的布置在定子中的根據(jù)本發(fā)明變形實(shí)施例的具有永磁體的轉(zhuǎn)子的簡(jiǎn)化徑向剖視圖,該定子以局部徑向剖視圖顯示;
[0033]圖5a和5b分別顯示了包括圖1中所示的本發(fā)明的主實(shí)施例的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的空載的相之間電動(dòng)勢(shì)的波形和相應(yīng)的諧波水平;
[0034]圖6a和6b分別顯示了包括根據(jù)圖4中所示的本發(fā)明的變形實(shí)施例的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的空載的相之間電動(dòng)勢(shì)的波形和相應(yīng)的諧波水平。
【具體實(shí)施方式】
[0035]圖1中圖示的本發(fā)明的主實(shí)施例中的具有永磁體的轉(zhuǎn)子I的簡(jiǎn)化徑向剖視圖清楚地顯示了第一凹部4中的永磁體的磁性本體2的布置方式,第一凹部4規(guī)則地分布在周向部分5和中心部分6之間,以例如形成多個(gè)交替的北極N和南極S。
[0036]根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)子I為磁通量集中類(lèi)型。永磁體3具有總體大致矩形的橫截面,但是被以朝向轉(zhuǎn)子I的軸X-X’成楔形的形狀倒角。永磁體3在等角度軸向平面附近對(duì)稱(chēng)地延伸。
[0037]永磁體3布置其中的第一凹部4限定了十個(gè)周向磁極區(qū)段7。
[0038]這些磁極區(qū)段7的組件在徑向橫截面中形成具有對(duì)應(yīng)于磁極N,S的突出部的多個(gè)凸角8的大致圓形圖形。
[0039]磁極區(qū)段7包括第二凹部9,第二凹部9布置在永磁體3之間。第二凹部9在等角度軸向平面附近對(duì)稱(chēng)地延伸。
[0040]這些第二凹部9具有圓形橫截面,并且接收非磁性支撐體,非磁性支撐體保持形成轉(zhuǎn)子I和定子11的磁性本體2,10的金屬片組。
[0041]第二凹部9還對(duì)控制轉(zhuǎn)子I中的磁場(chǎng)起作用。
[0042]根據(jù)該電機(jī)的特定實(shí)施例,包括十個(gè)永磁體3的轉(zhuǎn)子I在定子11內(nèi)部旋轉(zhuǎn),定子11具有多個(gè)槽口 12,多個(gè)槽口 12限定多個(gè)定子齒13,定子繞組14圍繞多個(gè)齒13布置。
[0043]包括該類(lèi)型的轉(zhuǎn)子的電機(jī)的特定實(shí)施例例如為應(yīng)用于所謂的“輕度混合動(dòng)力”類(lèi)型的機(jī)動(dòng)車(chē)輛中的8到IOkW電動(dòng)機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0044]在其用作電動(dòng)機(jī)的模式中,該電機(jī)可被設(shè)計(jì)用于起動(dòng)熱力發(fā)動(dòng)機(jī),為熱力發(fā)動(dòng)機(jī)提供扭矩輔助,在車(chē)輛低速下提供電牽引,以及用于驅(qū)動(dòng)離心壓縮機(jī)。
[0045]定子電流經(jīng)過(guò)定子繞組14,該定子繞組14產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子I的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。供給的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩特別地取決于定子電流強(qiáng)度和轉(zhuǎn)子I中的磁通量。
[0046]如前序中所說(shuō)明的,稀土永磁體3由鐵氧體永磁體3替代需要優(yōu)化磁極N,S以在轉(zhuǎn)子I中獲得相似的磁通量,并且因而對(duì)于相同定子電流強(qiáng)度保持相同的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩。
[0047]包括具有上述特性的轉(zhuǎn)子I的電機(jī)的計(jì)算機(jī)模擬已經(jīng)允許本發(fā)明的本體在轉(zhuǎn)子I和定子11中建立磁通量分布。
[0048]已經(jīng)建立的是,由永磁體3產(chǎn)生并且在轉(zhuǎn)子I的磁性本體2中流通的磁通量分布在可用磁通量Φυ和漏磁通量OL之間,可用磁通量Φυ在磁極區(qū)段7中徑向流通,漏磁通量OL沿周向方向在轉(zhuǎn)子I的周向部分5中流通。
[0049]可用磁通量Φυ取決于永磁體3由磁極區(qū)段7的凸角8的重疊度。該重疊度越大,可用磁通量ΦU可增大更大,但是漏磁通量ΦL也增大,漏磁通量ΦL具有降低可用磁通量OU的效果。因此存在最佳重疊度,該最佳重疊度通過(guò)模擬確定,針對(duì)該最佳重疊度磁通量ΦU最大,并且漏磁通量OL最小。
[0050]磁極重疊角Or,即凸角8的從轉(zhuǎn)子I的軸X_X的一點(diǎn)看的可視角度,為使得可能量化永磁體3由磁極區(qū)段7的重疊度的參數(shù)。
[0051]圖1清楚地顯示了永磁體3由轉(zhuǎn)子I的外周上的凸角8部分重疊的示例(其中虛線顯示了非優(yōu)化轉(zhuǎn)子的外表面)。
[0052]圖2是包括上述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的特定原型的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果,其顯示了針對(duì)大致包括在10°至30° (以絕對(duì)值計(jì))范圍內(nèi)的磁極重疊角?r的值,相之間的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)Ke的發(fā)展變化。
[0053]該常數(shù)Ke代表可用磁通量Φυ。據(jù)發(fā)現(xiàn),對(duì)于小于12°的磁極重疊角Or (幾乎沒(méi)有或沒(méi)有重疊度),和大于18°的磁極重疊角Or (漏磁通量Φ L變得占有優(yōu)勢(shì)),該常數(shù)Ke減小。因此存在大致包括在12°至28°范圍內(nèi)的角度重疊角Or的優(yōu)化值范圍Λ Or。
[0054]發(fā)明本體已經(jīng)確定,適用于具有任何數(shù)量Np的磁極N,S的轉(zhuǎn)子I的最佳參數(shù)是重疊比R,其定義為轉(zhuǎn)子I的磁極重疊角Or與磁極間距θρ的比Θι./Θρ(以角度計(jì)的磁極間距?P等于360° /Np)。[0055]也通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬建立圖3,其顯示了對(duì)于上面所述的具有十個(gè)磁極(Op =36° )的轉(zhuǎn)子,相之間的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)Ke的發(fā)展變化。
[0056]據(jù)發(fā)現(xiàn),對(duì)于大致包括在0.35至0.5范圍內(nèi)的值R的集合Λ R,可獲得Ke的最大值(即可用磁通量的最大值)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)化的轉(zhuǎn)子和非優(yōu)化轉(zhuǎn)子(圖1中以虛線所示)之間的增益為約5%。
[0057]轉(zhuǎn)子I的該優(yōu)化結(jié)構(gòu)使得可能在鐵氧體被代替稀土磁體使用時(shí)保持電機(jī)的性能水平,而不過(guò)度增大永磁體3的本體。
[0058]通過(guò)同一技術(shù),對(duì)增大轉(zhuǎn)子I中的磁通量起作用的本發(fā)明還使得可能降低由定子11產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的強(qiáng)度,這是產(chǎn)生指定扭矩所需要的,并且因此使得可能減小制備定子繞組14所需要的銅本體。
[0059]永磁體本體和銅的減小使得可能降低制造成本,因此在車(chē)輛裝備的高度競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域中提供商業(yè)優(yōu)點(diǎn)。
[0060]但是,在上面所述的本發(fā)明的主實(shí)施例中,磁極N,S的使用磁極重疊角的形狀優(yōu)化的可能性受周向部分5具有漏磁阻這一事實(shí)的限制,該周向部分5相對(duì)于永磁體3或多或少是厚的。
[0061 ] 在圖4中所示的變形實(shí)施例中,轉(zhuǎn)子I的周向部分5另外包括軸向凹槽15,軸向凹槽15面對(duì)永磁體30布置在磁極區(qū)段7之間。這些凹槽15在第一凹部4中形成開(kāi)口,并且將磁體3暴露于氣隙16的空氣。這些凹槽15因此構(gòu)成磁通量阻隔物,其使得可能增大磁極重疊角?r而不使這導(dǎo)致漏磁通量Φ?過(guò)大地增大。
[0062]該變形的優(yōu)點(diǎn)是,由于降低電動(dòng)勢(shì)和扭矩的諧波畸變,因此與主實(shí)施例相比較降低由電機(jī)產(chǎn)生的磁噪聲,如通過(guò)分別對(duì)應(yīng)于兩個(gè)實(shí)施例的一方面圖6a和6b與另一方面圖5a和5b所示。
[0063]實(shí)際上,包括根據(jù)本變形(圖4)的轉(zhuǎn)子I的電機(jī)的空載的相之間的電動(dòng)勢(shì)U2ph-ph的波形17顯示為圖6a中的基本上正弦曲線,而該波形17在圖5a中具有畸變18。
[0064]圖6b證明沒(méi)有與基礎(chǔ)諧波19不同的諧波,而在包括根據(jù)本發(fā)明的主實(shí)施例(圖1)的轉(zhuǎn)子I的電機(jī)的空載的相之間的另一電動(dòng)勢(shì)uiph-ph中則存在具有代表為大于基礎(chǔ)諧波19的6%的振幅的第五階諧波。[0065]應(yīng)意識(shí)到,本發(fā)明不僅限于上面所述的優(yōu)選實(shí)施例。
[0066]基于與上面所述的不同數(shù)值的其他實(shí)施例,特別是不同磁極數(shù)Np的其他實(shí)施例以及對(duì)應(yīng)于包括所述類(lèi)型的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的其他測(cè)試或模擬將不偏離本發(fā)明的范圍,只要其可從所附的權(quán)利要求獲得。
【權(quán)利要求】
1.一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子(I),包括多個(gè)北(N)極和南(S)極,所述多個(gè)北(N)極和南(S)極由布置在第一凹部(4)中的多個(gè)永磁體(3)形成,第一凹部(4)沿所述轉(zhuǎn)子(I)的軸(X-X’ )延伸,并且在所述轉(zhuǎn)子⑴的磁性本體⑵的周向部分(5)和中心部分(6)之間規(guī)則地分布,以例如限定具有預(yù)定磁極間距(?P)的多個(gè)周向磁極區(qū)段(7),所述永磁體(3)具有第一多邊形徑向區(qū)段和第一軸向?qū)ΨQ(chēng)平面,所述磁極區(qū)段(7)具有在外部形成凸角(8)的第二徑向區(qū)段和第二軸向?qū)ΨQ(chēng)平面,其特征在于,所述凸角(8)部分地與所述永磁體(3)重疊,以例如最大化徑向地在每一個(gè)所述磁極區(qū)段(7)中流通的可用磁通量(Φυ)并且最小化沿周向方向在所述周向部分(5)中流通的漏磁通量(Φυ,所述磁極區(qū)段(7)具有預(yù)定磁極重疊角(?r),以例如最大化所述可用磁通量(Φυ)并且最小化所述漏磁通量(Φ?),所述磁極重疊角(Or)為凸角(8)從轉(zhuǎn)子的所述軸(X-X’)看的可視角度,所述磁極區(qū)段(7)具有預(yù)定重疊比(R),以例如最大化所述可用磁通量(Φυ)并且最小化所述漏磁通量(Φ?),所述重疊比(R)等于所述磁極重疊角(Or)與所述預(yù)定磁極間距(Op)的比,并且所述重疊比(R)大致包括在0.35至0.50的范圍內(nèi)。
2.根據(jù) 權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子(I),其特征在于,所述第一徑向區(qū)段包括靠近所述周向部分(5)的矩形部分,該矩形部分鄰接靠近所述中心部分(6)的楔形部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子(I),其特征在于,其包括至少多個(gè)第二凹部(9),所述第二凹部(9)軸向地延伸,并且布置在所述永磁體(3)之間,在所述轉(zhuǎn)子(I)的在所述中心部分(6)和所述周向部分(5)之間的中間部分中。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求3所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子(I),其特征在于,非磁性支撐體布置在所述第二凹部(9)中。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子(1),其特征在于,所述永磁體(3)包含鐵氧體。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子(I),其特征在于,所述周向部分(5)另外包括軸向凹槽(15),所述軸向凹槽(15)布置在所述磁極區(qū)段(7)之間,面向所述永磁體(3),并且形成所述第一凹部(4)的開(kāi)口。
7.一種旋轉(zhuǎn)電機(jī),其特征在于,其包括根據(jù)前述權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)子⑴。
【文檔編號(hào)】H02K1/27GK103959608SQ201280059564
【公開(kāi)日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2012年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月1日
【發(fā)明者】L.伯亞路德, J-C.馬特, J-C.拉布羅塞 申請(qǐng)人:法雷奧電機(jī)設(shè)備公司