用于旋轉電機的轉子，以及包括這種類型的轉子的旋轉電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種轉子(1)，其包括由在轉子的磁性本體(2)的中心部分(6)和周向部分(5)之間均勻分布的、并且限定了周向磁極區(qū)段(7)的永磁體(3)形成的多個交替的磁極。周向部分包括布置在磁極區(qū)段之間、面向磁體、并且形成包含磁體的凹部(4)中的開口的周向凹槽(15)。根據本發(fā)明，所述開口具有預定的第一寬度(a)，以諸如最小化流動通過所述周向部分(5)的泄露磁通量(ΦL)，并且最大化徑向流動穿過每個磁極區(qū)段(7)的有用磁通量(ΦU)。所述周向部分可具有預定的開口比例，以諸如最小化泄露磁通量(ΦL)并最大化有用磁通量(ΦU)，所述開口比例等于所述第一寬度比磁體在周向方向上的第二寬度(w)的第一比例。
【專利說明】用于旋轉電機的轉子，以及包括這種類型的轉子的旋轉電機
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種設計用于旋轉電機的具有永磁體的轉子。
[0002]本發(fā)明還涉及一種包括這種類型的轉子的旋轉電機，特別是用于在機動車輛領域中的應用。
【背景技術】
[0003]因為在輸出、比功率和功率密度方面不斷提升的性能，現今的具有永磁體的同步電機在機動車輛的領域中具有廣泛應用。
[0004]可生產具有廣泛的功率和轉速范圍的這些電機，并且這些電機在“全電動”類型的車輛中以及在所謂的“微混”和“全混”類型的基于低C02的車輛中都有應用。
[0005]“微混”應用通常涉及大約8-10KW的電機，例如安裝至熱發(fā)動機的前部并且通過傳動帶聯接到后者的電機。借助于這種類型電機的使用，通過提供供給額外功率的電機轉矩協助，特別是在轉速提高期間，可以降低熱發(fā)動機的容量(“發(fā)動機小型化”)。此外，例如在城市環(huán)境中，低速的牽引也可通過同樣的電機保證。
[0006]在該功率范圍中的電機的應用的另一個示例由驅動熱發(fā)動機的雙增壓系統(tǒng)的離心壓縮機組成。在低速時，電壓縮機輔助由排出的氣體驅動的渦輪壓縮機，并使得可以省略降低容量的附加步驟。
[0007]“全混”類型的應用通常涉及30-50KW的電機，其用于串聯式和/或并聯式的構架，并具有在車的牽引鏈中的電機(或多個電機)的更好的集成水平。
[0008]具有永磁體的本發(fā)明的非凡的性能水平很大程度上是由于可具有超過I特斯拉水平的剩磁的諸如釹鐵硼(NeFeB)、釤鐵(SmFe)、或釤鈷(SmCo)類型的稀土磁體的開發(fā)。
[0009]然而,具有永磁體、包括具有所謂的“磁通量集中(flux concentration) ”結構的機器從前就可以通過使用更低剩磁的磁體來實現大量的磁通量，該更低剩磁的磁體例如從燒結或粘結的鐵氧體獲得的磁體。
[0010]并且追隨到很久以前，這種類型的結構的尺寸特性和磁特性已經通過進行很多測試或在最近或者通過進行計算機模擬而被優(yōu)化了，以改善機器的電輸出。
[0011]具有永磁體的轉子的磁體和磁極的尺寸優(yōu)化的一個實例于1971年在專利發(fā)明FR2084279Z中被公開。
[0012]由于緣于不利的地理政治局勢稀土磁體變得更昂貴，磁極的尺寸優(yōu)化最近再一次變?yōu)殛P注的前沿。
[0013]由于在設計用于機動車輛應用的電機轉子的稀土磁體的使用在經濟上不再可行，并且或許不持久，其他替代方式包括基于鐵氧體的磁體。
[0014]然而，由于鐵氧體的剩磁低于稀土磁體，稀土磁體被鐵氧體的替換導致機器具有低的性能水平。
【發(fā)明內容】

[0015]本發(fā)明的目的是從而優(yōu)化轉子的磁極的形式，以最大化磁極中的磁通量，并且從而特別地保持機器的轉矩。
[0016]具體的，其目的是包括多個由多個布置在第一凹部中的永磁體形成的交替的南極和北極的旋轉電機的轉子。
[0017]這些第一凹部沿轉子的軸延伸，并且在轉子的磁性本體的周向部分和中心部分之間均勻分布，以例如限定多個周向磁極區(qū)段。
[0018]正被討論的類型的轉子的永磁體具有第一多邊形徑向區(qū)段和第一對稱軸向平面。
[0019]周向部分繼而包括布置在磁極區(qū)段之間、面向永磁體并且形成第一凹部的開口的軸向凹槽。
[0020]根據本發(fā)明的轉子的區(qū)別特征在于:這個開口具有諸如用于最小化沿周向方向在周向部分中流通的漏磁通量、并且最大化在每個磁極區(qū)段中徑向流通的有用磁通量的第一預定寬度，這個周向部分具有諸如用于最小化漏磁通量并且最大化有用磁通量的預定開口比例，這個開口比例等于開口的第一寬度比永磁體在周向方向上的第二寬度得到的第一比例，并且這個開口比例基本上包含于0.35到0.8之間。
[0021]根據本發(fā)明的轉子的區(qū)別特征還在于:永磁體的第一徑向區(qū)段包括靠近周向部分的矩形部分，鄰接靠近中心部分的成楔形的部分。
[0022]有優(yōu)勢地，根據本發(fā)明的轉子在中心部分和周向部分之間的轉子的中間部分中還附加地包括軸向延伸、并且在永磁體之間布置的至少多個第二凹部。
[0023]非磁性支撐件優(yōu)選地布置在這些第二凹部中。
[0024]在根據本發(fā)明的轉子的變型實施例中，磁極區(qū)段額外地很有優(yōu)勢地包括在外部上形成凸角的第二徑向區(qū)段和第二對稱軸向平面。
[0025]磁體的第二寬度比開口的第一寬度和凸角在周向方向上的第三寬度的和得到的第二比例基本上包含在0.25到0.6之間，優(yōu)選地為該變型中轉子的特征。
[0026]優(yōu)勢將來源于根據本發(fā)明的旋轉電機的轉子的永磁體由鐵氧體組成的事實。
[0027]本發(fā)明還涉及一種包括具有上述特征的轉子的旋轉電機。
[0028]這些少量的本質的說明將使得相比于現有技術，由根據本發(fā)明的旋轉電機的轉子以及相應的電機提供的優(yōu)勢對于本領域的技術人員是顯而易見的。
[0029]在下面的說明書和附圖中給出了本發(fā)明的詳細的說明。應當注意到這些附圖僅僅用于圖解說明書中的文本，并且不以任何方式構成對本發(fā)明范圍的限制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1示出了在本發(fā)明的主實施例中的具有永磁體的轉子的簡化的徑向橫截面的視圖，該轉子布置于示出在根據本發(fā)明的旋轉電機的部分徑向橫截面中的定子中。
[0031]圖2示出了形成轉子的周向部分的開口的凹槽對在根據本發(fā)明的轉子中的磁通量的流通的影響的簡化的模型。
[0032]圖3示出了根據由示于圖2的簡化模型所獲得的開口比例，在最大有用通量附近的有用通量的相對變化。
[0033]圖4示出了根據由包括根據示于圖1的實施例的轉子的完整電機的計算機模擬獲得的開口比例，在最大值附近相位間的電動勢常數的絕對和相對變化。
[0034]圖5示出了根據本發(fā)明的變型實施例的具有永磁體的轉子的簡化的徑向橫截面視圖，該轉子布置于以部分徑向橫截面視圖示出的根據本發(fā)明的旋轉電機的定子中。
[0035]圖6a和6b分別示出了包括根據示于圖5的本發(fā)明的變型實施例的旋轉電機的空載相位間的電動勢的波形以及相應的諧波水平。
[0036]圖7a和7b分別示出了示于圖5的類型的旋轉電機的空載相位間的電動勢的波形和相應的諧波水平，但是所述旋轉電機的轉子的周向部分不包括形成開口的凹槽。
【具體實施方式】
[0037]在本發(fā)明的主實施例中，具有永磁鐵的轉子I的簡化徑向橫截面在圖1中示出，其清晰地展示了在第一凹部4中的永磁體3在磁性本體2中的布置，其中永磁體3在周向部分5和中心部分6之間均勻分布，以形成交替的多個北極N和南極S。
[0038]根據本發(fā)明的轉子I是磁通量集中類型。永磁體3具有整體上基本上矩形的截面，但是其被倒角形成為朝向轉子I的軸X-X’的楔形。它們在等角度軸向平面附近對稱延伸。
[0039]永磁體3布置于其中的第一凹部4劃出了 10個周向磁極區(qū)段7的界限。
[0040]周向部分5包括布置在磁極區(qū)段7之間、面向永磁體3并且形成第一凹部4的開口的軸向凹槽8。
[0041]磁極區(qū)段7包 括布置在永磁體3之間的第二凹部9。它們在等角度軸平面附近對稱延伸。
[0042]這些第二凹部9具有圓形橫截面，并且接收保持形成定子11和轉子I的磁性本體
2、10的金屬板組的非磁性支撐件。
[0043]這些第二凹部9也為在轉子I中控制磁場做出了貢獻。
[0044]根據該機器的一個具體的實施例，包括10個永磁體3的轉子I在具有限定了多個定子齒13的多個槽口 12的定子11中旋轉，其中環(huán)繞定子齒布置有定子繞組14。
[0045]包括這種類型轉子I的電機的一個特定的實施例是例如用于所謂的“微混”類型的機動車輛應用的8-10KW的電動機/發(fā)電機。
[0046]在該電機用作電動機的模式下，該電機可被設計用于熱發(fā)動機的啟動、熱發(fā)動機的轉矩協助、車輛在低速時的電動牽引、以及用于離心壓縮機的驅動。
[0047]定子電流穿過定子繞組14，其產生旋轉轉子I的旋轉磁場。供給的發(fā)動機轉矩特別地依賴于定子電流強度和轉子I中的磁通量。
[0048]如前文所述，稀土永磁體3被鐵氧體永磁體3的代替需要磁極N、S的優(yōu)化，以在轉子I中獲得類似的磁通量，并且從而維持用于相同定子強度的相同發(fā)動機轉矩。
[0049]包括具有上述特征的轉子I的電機的計算機模擬允許了發(fā)明體在轉子I和在定子11中建立磁通量的分配。
[0050]已經確定由永磁體3產生的并且在轉子I的磁性本體2中流通的磁通量在在磁極區(qū)段7中徑向流通的有用磁通量Φυ和沿周向方向在轉子I的周向部分5中流通的漏磁通量OL之間分配。
[0051]漏磁通量OL依賴于包含永磁體3的凹部4的開口 8的第一寬度a。該第一寬度a越大，因為周向部分5在該位置處的第一磁阻增加，因此第一漏磁通量Φ?減少的越多，但是由于N、S極與定子齒13面對的表面減少，所以有用磁通量Φυ也減少。
[0052]因此有開口 8的第一最優(yōu)寬度a，其由漏磁通量OL最小并且有用磁通量Φυ最大的模擬決定。
[0053]在圖2中示出了第一寬度a對轉子I中的有用磁通量Φυ和漏磁通量Φ?的分配的影響的簡化模型。
[0054]開口 8的第一寬度a的變化被加至等于永磁體3的第一寬度a比第二寬度w的比例的開口比例g的變化。因此，該比例g從當第一凹部4完全對外部敞開時取得的0，到當這些第一凹部4完全關閉時取得的I變化。
[0055]該第一磁阻來源于轉子I的周向部分5的具有等于g的第一長度的第一區(qū)段8和具有第二長度l_g的第二區(qū)段5的磁阻的總和，其中第一區(qū)段具有第一相對磁導率μ O (等于空氣的磁導率)，并且第二區(qū)段的第二相對磁導率μ I是轉子I的第一殼2的磁導率。第一和第二區(qū)段8、5具有以w為一個單元的厚度e。
[0056]干涉該簡化模型的第二磁阻是其中有用磁通量Φυ在轉子I的N、S極和定子11的具有第三長度Lst的定子齒13之間流通的磁路的磁阻，其第三相對磁導率μ 2是定子11的第二殼10的磁導率。
[0057]在該簡化模型中，可以認為N、S極與定子齒13面對的表面依據lst*(l.5_g)的規(guī)律線性地變化，使得該磁路在周向方向上的尺寸根據相同的規(guī)律變化。
[0058]永磁體3被認為是具有來源于在周向方向上尺寸等于1、以w為單元高度等于h、和具有第四相對磁導率 μ 3的媒介的平行的第三磁阻的通量發(fā)生器φ = Φυ+Φ?。
[0059]圖3示出了根據g,在最大OUmax附近的有用磁通量Φυ的相對變化。
[0060]發(fā)現當開口比例g上升到0.80時，有用磁通量Φυ增大。
[0061]在該簡化的模型中，基本上包含于0.35到0.80之間的g的值的范圍Λ g使得有用磁通量Φυ可以最大，其中有用通量Φυ在該范圍Ag中僅變化0.5%。
[0062]包括根據本發(fā)明的轉子I的旋轉電機的更加現實的計算機模擬證實了有效磁通量Φυ的最大值存在于開口比例g的值的基本等于0.8處,如圖4所不。
[0063]該圖示出了對于基本上包含于0.3到0.9之間的開口比例g的值的相位之間的電動勢常數Ke的發(fā)展。
[0064]該常數Ke代表有用磁通量Φυ。發(fā)現其朝向約0.8的開口的比例g增加以達到最大值。
[0065]當使用鐵氧體來代替稀土磁體，轉子I的優(yōu)化結構幫助機器性能水平的保持，而無需過度地增加永磁體3的本體。
[0066]根據同一技術，為轉子I的磁通量的增加做出貢獻的發(fā)明還使得可以降低由定子11產生的旋轉磁場的強度，這對產生給定的轉矩是必要的，并且從而使得可以減少為了生產定子繞組14而所需的銅的量。
[0067]永磁體3的本體的減少和銅的減少使得可以降低制造成本，并且從而在車載設備的高競爭領域提供商業(yè)優(yōu)勢。
[0068]然而，使用第一凹部4的開口的第一寬度a而在本發(fā)明的上述的主實施例中的有用的磁通量Φυ的優(yōu)化的可能性，被以下事實所限制:周向磁極區(qū)段7具有當a增加時趨向于降低的第三寬度P，從而使得轉子I的N、S極和定子11的定子齒13之間的磁路的第二磁阻迅速升高。
[0069]在設計為減少第一寬度a的升高造成的負面影響的變型實施例中，如圖5所示，磁極區(qū)段7具有形成凸角15的第二徑向區(qū)段。
[0070]這些磁極區(qū)段7的組件然后形成為徑向橫截面基本上為圓形形狀，該形狀具有對應于N、S極的突出物的多個凸角15。
[0071]從而，永磁體3被處于轉子I的外圍的凸角15部分的覆蓋增加了周向部分5的厚度(圖5中的虛線示出了在主實施例中的轉子的外表面)，并且使得當開口比例g上升時削弱了轉子1-定子11的磁路的第二磁阻的升高，換句話說，其幫助最大化有用磁通量Φυ而同時最小化漏磁通量Φ?。
[0072]在該變型實施例中，發(fā)明本體決定了永磁體3的第二寬度w比開口 8的第一寬度a和凸角的第三寬度P的和得到的第二比例是最優(yōu)的，該第二比例基本上包含在0.25到0.6之間。
[0073]該變型的優(yōu)勢在于由電機產生的磁噪聲借由扭矩和電動勢的諧波失真的降低而降低，如圖6a和6b所不ο
[0074]實際上，包括根據該變型(圖5)的轉子I的機器的空載的相位Ulph-ph之間電動勢的波形17在圖6a中看起來是基本上呈正弦曲線。
[0075]圖6 b證實了除了基諧波18外沒有其他諧波。
[0076]比較來看，圖7a和7b示出了對應于示于圖5的類型的旋轉電機(未示出)的相同特征，但是所述旋轉電機的轉子I的周向部分5不包括形成開口 8的凹槽。在圖7a中，可以清楚地看到相位U2ph-ph之間的電動勢與正弦波形17相比具有失真。
[0077]圖7b證實了在該例中存在具有表示基諧波18的高于6%的幅值的第五階諧波20，然而在包括根據變形實施例(圖5)的轉子I的電機中該第五階諧波不存在。
[0078]應當意識到本發(fā)明不被上述優(yōu)選實施例簡單地限制。
[0079]基于不同于那些上述規(guī)定的數值的，特別是磁極Np的不同數量，以及對應于包括所描述類型的轉子的旋轉電機的其他測試或模擬的其他實施例，只要其來源于所附權利要求，則其將不會背離本發(fā)明的內容。
【權利要求】
1.一種旋轉電機的轉子(I)，所述轉子包括由布置在第一凹部(4)中的多個永磁體(3)形成的多個交替的北(N)極和南(S)極，所述第一凹部沿所述轉子(I)的軸(X-X’ )延伸，并且在所述轉子(I)的磁性本體(2)的中心部分(6)和周向部分(5)之間規(guī)則地分布，以諸如限定多個周向磁極區(qū)段(7)，所述永磁體(3)具有第一多邊形徑向區(qū)段和第一軸向對稱平面，并且所述周向部分(5)包括軸向凹槽(15)，所述軸向凹槽布置在所述磁極區(qū)段(7)之間，面向所述永磁體(3)并且形成所述第一凹部(4)的開口，其特征在于:所述開口(8)具有第一預定寬度(a)，以諸如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、并且最大化在每個所述磁極區(qū)段(7)中徑向流通的有用磁通量(Φυ)，所述周向部分(5)具有預定的開口比例(g)，以諸如最小化所述漏磁通量^L)并且最大化所述有用磁通量(Φυ)，所述開口比例等于所述第一寬度(a)比所述永磁體(3)在周向方向上的第二寬度(w)得到的第一比例，并且所述開口比例(g)基本上包含于0.35到0.8之間。
2.如權利要求1所述的旋轉電機的轉子(1)，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)的成楔形的部分。
3.如權利要求1或2所述的旋轉電機的轉子(I)，其特征在于:其在所述轉子(I)的位于所述中心部分(6)和所述周向部分(5)之間的中間部分中包括軸向延伸、并且布置在所述永磁體(3)之間的至少多個第二凹部(9)。
4.如前述權利要求3所述的旋轉電機的轉子(I)，其特征在于非磁性支撐件布置在所述第二凹部(9)中。
5.如前述權利要求1-4中的任意一項所述的旋轉電機的轉子(I)，其特征在于所述永磁體(3)包括鐵氧體 。
6.如前述權利要求1-5中的任意一項所述的旋轉電機的轉子(1)，其特征在于所述磁極區(qū)段(7)具有在外部上形成凸角(15)的第二徑向區(qū)段和第二軸向對稱平面。
7.如前述權利要求6所述的旋轉電機的轉子(I)，其特征在于:所述第二寬度(w)比所述第一寬度(a)和所述凸角(15)在所述周向方向上的第三寬度(P)的和得到的第二比例基本上包含于0.25到0.6之間。
8.一種旋轉電機，其特征在于其包括如前述權利要求1-7中的任意一項所述的轉子⑴。
【文檔編號】H02K1/27GK103988400SQ201280059590
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2012年11月6日 優(yōu)先權日: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 申請人:法雷奧電機設備公司