專利名稱：用于帶有附加轉(zhuǎn)子槽的永磁電機(jī)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及例如電機(jī)的磁性設(shè)備，并且尤其涉及內(nèi)置式永磁電機(jī)。
背景技術(shù)：
內(nèi)置式永磁(IPM)電機(jī)對于燃料電池和混合動力電動車輛的運(yùn)轉(zhuǎn)是有利的，這是 由于內(nèi)置式永磁電機(jī)具有令人期望的特性——即，良好的轉(zhuǎn)矩密度、良好的總效率、良好的 恒功率范圍等等。永磁電機(jī)依靠其結(jié)構(gòu)獲得該永磁電機(jī)中的轉(zhuǎn)子磁場，這不同于其它電機(jī)， 例如感應(yīng)式電機(jī)、開關(guān)磁阻式電機(jī)或同步磁阻式電機(jī)，在這些電機(jī)中，是通過由電源供給的 定子電流來生成磁場。因此，永磁電機(jī)與其它的這種電機(jī)相比呈現(xiàn)出更優(yōu)良的效率。
然而，如同表面式永磁(PM)電機(jī)的情況一樣，IPM電機(jī)擔(dān)負(fù)著這樣的事實(shí)即使在 電機(jī)沒被供電時也存在永磁場，這就產(chǎn)生由轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)永磁場所引起的損耗。而且，這種結(jié) 構(gòu)會經(jīng)受轉(zhuǎn)矩脈動和嵌齒效應(yīng)轉(zhuǎn)矩，其具有兩個主要來源。第一個是繞組諧波，大部分繞組 諧波是從五次繞組諧波與七次繞組諧波生成的六次諧波及其整數(shù)倍。通過縮短繞組節(jié)距能 減弱這些繞組諧波。例如，對于每磁極6槽的設(shè)計來說，繞組可以將節(jié)距縮短一個槽(1/6 短節(jié)距)。 轉(zhuǎn)矩脈動的第二且最重要的來源是由于將磁鐵埋入轉(zhuǎn)子內(nèi)所引起的齒槽效應(yīng)。轉(zhuǎn) 子槽與定子槽(繞組槽)之間的相互作用會生成明顯的轉(zhuǎn)矩脈動。最小化這種效應(yīng)的一種 方式是將轉(zhuǎn)子或定子偏斜，這會導(dǎo)致某種平均化，有效消除大部分的轉(zhuǎn)矩脈動和嵌齒效應(yīng)。 偏斜是工業(yè)上普遍公知的，并且通常被執(zhí)行以便降低嵌齒效應(yīng)和脈動轉(zhuǎn)矩。然而，這種方法 降低了電機(jī)轉(zhuǎn)矩，并且增加了制造復(fù)雜性和成本。

發(fā)明內(nèi)容
因此，需要提供改進(jìn)的、可制造的IPM電機(jī)，其降低了嵌齒效應(yīng)和轉(zhuǎn)矩脈動。參照 附圖和前述技術(shù)領(lǐng)域以及背景技術(shù)，本發(fā)明的其它所需特性和特征將通過隨后的詳細(xì)描述 和附上的權(quán)利要求變得明顯。


通過參照詳細(xì)描述和權(quán)利要求同時結(jié)合附圖考慮，可以得到對本發(fā)明的更完整的
理解，在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相似的元件。 圖1以截面圖的形式示出了各種內(nèi)置式永磁(IPM)電機(jī)； 圖2以截面圖的形式示出了根據(jù)一個實(shí)施例的IPM電機(jī)；以及 圖3以截面圖的形式示出了根據(jù)一個替代性實(shí)施例的IPM電機(jī)。
具體實(shí)施例方式
下列詳細(xì)說明本質(zhì)上僅僅是說明性的，并且不意圖限制本發(fā)明或本發(fā)明的應(yīng)用和 用途。而且，也不意圖用前述技術(shù)領(lǐng)域、背景技術(shù)、發(fā)明內(nèi)容，或下列詳細(xì)說明中存在的明示 或暗示的理論來限制。本文可以用功能塊部件和/或邏輯塊部件、以及各種工藝步驟來描 述本發(fā)明。應(yīng)該認(rèn)識到，這些塊部件可以通過許多構(gòu)造成執(zhí)行指定功能的硬件、軟件和/或 固件部件來實(shí)現(xiàn)。為了簡潔起見，本文不對與電機(jī)相關(guān)的常用技術(shù)和系統(tǒng)、磁學(xué)等等做詳細(xì) 說明。 通常，各種實(shí)施例都涉及永磁電機(jī)("PM電機(jī)")，更具體地，涉及內(nèi)置式永磁電機(jī) ("IPM電機(jī)")，內(nèi)置式永磁電機(jī)包括帶有靠近轉(zhuǎn)子表面的附加槽的轉(zhuǎn)子，由此產(chǎn)生附加的 齒槽效應(yīng)。這樣，通過平均化效應(yīng)，該結(jié)構(gòu)能消除或降低轉(zhuǎn)子屏障(barrier)的齒槽效應(yīng)。 這樣，就降低了轉(zhuǎn)矩的脈動和嵌齒效應(yīng)。 內(nèi)置式PM電機(jī)常常結(jié)合有一個或多個轉(zhuǎn)子屏障(或僅僅是"屏障")。例如，圖la 和圖lb分別示出了帶有單屏障和雙屏障的轉(zhuǎn)子106的通過各種示例性IPM電機(jī)100的局部 截面。更具體地，圖la示出了帶有磁體110和空氣槽(凹處)或空氣屏障125的轉(zhuǎn)子106， 空氣槽(凹處)或空氣屏障125相對于磁體110在各個位置被結(jié)合入該結(jié)構(gòu)中。與常規(guī)的 一樣，IPM 100包括具有多個繞組102的定子101，多個繞組102與轉(zhuǎn)子106內(nèi)的磁體110 磁性地相互作用。在轉(zhuǎn)子106的區(qū)域104內(nèi)設(shè)置各種空腔，并且以常規(guī)手段使這些空腔的 全部或一部分填有永磁體，這取決于并入該結(jié)構(gòu)的層數(shù)。 圖lb更具體地示出了帶有部分地填有磁體110的第二屏障的雙屏障PM轉(zhuǎn)子。同 樣地，圖lc示出了第二層中沒有磁體(即，第二層只包括填滿空氣的空腔)的雙屏障PM轉(zhuǎn) 子。圖lb所示的增加的第二屏障增大了對下部磁體屏障的阻抗，這降低了氣隙磁通量。然 而，如之前提到的，在轉(zhuǎn)子中增加第二屏障會從機(jī)械上弱化轉(zhuǎn)子。而且，對于某些電機(jī)，由于 空間有限，這種第二屏障的加入在幾何結(jié)構(gòu)上是不可行的(例如，圖la的轉(zhuǎn)子)。
還可以提供帶有多于兩個屏障的轉(zhuǎn)子；然而，這種設(shè)計不期望地增大了制造復(fù)雜 性。增大屏障的數(shù)目改善了轉(zhuǎn)子凸極性，并且因此提高了電機(jī)轉(zhuǎn)矩。而且，第二轉(zhuǎn)子屏障常 常用作對內(nèi)磁體層的屏障，因此降低了氣隙中的磁通量。氣隙中磁通量的降低會減小磁轉(zhuǎn) 矩，但是可以通過增大的轉(zhuǎn)子凸極性來稍作補(bǔ)償。 在混合動力應(yīng)用中，當(dāng)PM電機(jī)是變速器的一部分時，即使電機(jī)沒有產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩或產(chǎn)
生很低的轉(zhuǎn)矩，電機(jī)也一直與不同的齒輪組一起旋轉(zhuǎn)。如果空載或輕載運(yùn)轉(zhuǎn)是電機(jī)驅(qū)動循
環(huán)的絕大部分，那么就影響了變速器的總效率。轉(zhuǎn)動的磁通量還引起定子線圈中的電壓，通
常稱之為反電動勢。永磁轉(zhuǎn)子的高磁通量會在定子中引起很高的電壓，尤其在電機(jī)的高速
運(yùn)轉(zhuǎn)期間。因此，電機(jī)氣隙磁通量的降低對于這種電機(jī)來說是非常需要的。 圖2和圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的IPM電機(jī)200的不同實(shí)施例，其中，
沿著周邊(即，在靠近轉(zhuǎn)子表面202處)設(shè)置附加轉(zhuǎn)子槽235。 如圖所示，轉(zhuǎn)子106內(nèi)的空腔填有或部分填有磁體110，在這種情況下，在其附近 形成不同的空氣槽(凹處)或屏障，即空氣槽125。術(shù)語"空腔"由此被用于代表在插入磁 鐵110之前所存在的空區(qū)域。術(shù)語"轉(zhuǎn)子屏障"指的是設(shè)在轉(zhuǎn)子106的轂區(qū)內(nèi)的所有屏障 或空氣槽125 ( S卩，除了槽235以外)。盡管圖2示出了磁體110和空氣槽125的截面圖，但是應(yīng)當(dāng)理解，空腔延伸到轉(zhuǎn)子106的轉(zhuǎn)子區(qū)域104中，并且限定出具有任何適當(dāng)形狀的三維 容積。 可以選擇每個附加槽的尺寸、位置和幾何形狀來實(shí)現(xiàn)所需的設(shè)計目標(biāo)。這些屬性 優(yōu)選地被選擇，以便關(guān)于存在于轉(zhuǎn)子106內(nèi)的轉(zhuǎn)子屏障產(chǎn)生平均化效應(yīng)。可以憑經(jīng)驗或通 過本領(lǐng)域公知的常規(guī)計算機(jī)建模方法進(jìn)行這種優(yōu)化。 圖2和圖3分別示出了兩種不同的實(shí)施例，在這兩種不同實(shí)施例中，將這種附加槽
分別加入單屏障轉(zhuǎn)子和雙屏障轉(zhuǎn)子中。在圖2中，一對矩形磁體110被配置成相互成角度 相向——即，限定成朝著定子表面的對外朝向的鈍角。 在一個實(shí)施例中，每個磁極具有兩個這樣的附加槽235 ;然而，可以使用任意數(shù)量 的這種槽235。而且，這些槽不需要被關(guān)于磁體110對稱或均勻地布置。
在所示實(shí)施例中，每個槽235的截面積優(yōu)選為相等，但是本發(fā)明也包含了帶有不 同尺寸的槽。例如，這些附加槽具有的截面積可以基本上小于轉(zhuǎn)子隔離物的總截面積。
圖3示出了關(guān)于雙層轉(zhuǎn)子的替代性實(shí)施例，其中，兩個附加槽235位于該兩個第一 層磁體110的外部。和上述實(shí)施例一樣，附加槽235位于基本上與最接近表面103的磁體
iio角部相對應(yīng)的半徑處。 還可以選擇轉(zhuǎn)子106的區(qū)域104內(nèi)的槽235的深度(即，離表面202的徑向距離) 來實(shí)現(xiàn)特定設(shè)計目標(biāo)。例如，在一個實(shí)施例中，槽235位于離表面202的1-1. 5mm處。然而， 應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，本發(fā)明并未被限制于此。 盡管在前述詳細(xì)說明中展現(xiàn)了至少一個示例的實(shí)施例，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，存在許多 變化。例如，除了所示的單層之外，還可以并入附加屏障層。還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，本文所描述的示 例性實(shí)施例或多個示例性實(shí)施例決不意圖以任何方式限制本發(fā)明的范圍、適用性或結(jié)構(gòu)。 相反，前述詳細(xì)說明會給本領(lǐng)域技術(shù)人員提供便利路線圖來實(shí)施所描述的實(shí)施例或多個實(shí) 施例。應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明及其法定等同物的范圍的情況下，可以在功能和元件布置 上作出各種變化。
權(quán)利要求
一種內(nèi)置式永磁電機(jī)，包括纏繞的定子；轉(zhuǎn)子，其構(gòu)造成與所述纏繞的定子磁性地相互作用，該轉(zhuǎn)子具有外表面；設(shè)在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)的多個轉(zhuǎn)子屏障；布置在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)的多個永磁體，該多個永磁體具有到所述外表面的最小距離；以及設(shè)在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)的多個附加槽，其與所述外表面的距離小于或等于所述多個永磁體到所述外表面的最小距離。
2. 如權(quán)利要求1所述的內(nèi)置式永磁電機(jī)，其中，所述附加槽具有的截面積基本上小于 所述轉(zhuǎn)子屏障的總截面積。
3. 如權(quán)利要求1所述的內(nèi)置式永磁電機(jī)，其中，所述多個磁體與多個磁極相關(guān)，并且其 中所述多個附加槽是正好兩個附加槽。
4. 如權(quán)利要求1所述的內(nèi)置式永磁電機(jī)，其中，所述多個磁體成對配置，限定朝著所述 轉(zhuǎn)子外表面的凹角。
5. 如權(quán)利要求1所述的內(nèi)置式永磁電機(jī)，其中，所述多個附加槽距離所述轉(zhuǎn)子外表面 小于約1. 5mm。
6. 如權(quán)利要求1所述的內(nèi)置式永磁電機(jī)，其中，所述多個附加槽圍繞所述轉(zhuǎn)子的外表 面均勻分布。
7. 如權(quán)利要求1所述的內(nèi)置式永磁電機(jī)，其中，所述多個附加槽被配置成使得由所述 多個轉(zhuǎn)子屏障引起的轉(zhuǎn)矩脈動效應(yīng)被平均化。
8. —種制造內(nèi)置式永磁電機(jī)的方法，包括 提供纏繞的定子；提供轉(zhuǎn)子，其構(gòu)造成與所述纏繞的定子磁性地相互作用，該轉(zhuǎn)子具有外表面； 在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)形成多個轉(zhuǎn)子屏障；在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)布置多個永磁體，該多個永磁體具有到所述外表面的最小距離；以及 在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)形成多個附加槽，其與所述外表面的距離小于或等于所述多個永磁鐵到 所述外表面的最小距離。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述附加槽具有的截面積基本上小于所述轉(zhuǎn)子屏 障的總截面積。
10. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述多個磁體與多個磁極相關(guān)，并且其中所述多 個附加槽是正好兩個附加槽。
11. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述多個磁體成對配置，限定朝著所述轉(zhuǎn)子外表 面的凹角。
12. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述多個附加槽距離所述轉(zhuǎn)子的外表面小于約 1. 5mm。
13. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述多個附加槽圍繞所述轉(zhuǎn)子的外表面均勻分布。
14. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述多個附加槽被配置成使得由所述多個轉(zhuǎn)子屏 障引起的轉(zhuǎn)矩脈動效應(yīng)被平均化。
15. 與混合動力電動車輛一起使用的牽引電動機(jī)，該牽引電動機(jī)包括纏繞的定子；轉(zhuǎn)子，其構(gòu)造成與所述纏繞的定子磁性地相互作用，該轉(zhuǎn)子具有外表面； 設(shè)在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)的多個轉(zhuǎn)子屏障；布置在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)的多個永磁體，該多個永磁體具有到所述外表面的最小距離；以及 設(shè)在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)的多個附加槽，其與所述外表面的距離小于或等于所述多個永磁體到 所述外表面的最小距離。
16. 如權(quán)利要求15所述的牽引電動機(jī)，其中，所述附加槽具有的截面積基本上小于所 述轉(zhuǎn)子屏障的總截面積。
17. 如權(quán)利要求15所述的牽引電動機(jī)，其中，所述多個磁體與多個磁極相關(guān)，并且其中 所述多個附加槽是正好兩個附加槽。
18. 如權(quán)利要求15所述的牽引電動機(jī)，其中，所述多個磁體成對配置，形成朝著所述轉(zhuǎn) 子外表面的凹角。
19. 如權(quán)利要求15所述的牽引電動機(jī)，其中，所述多個附加槽距離所述轉(zhuǎn)子的外表面 小于約1. 5mm。
20. 如權(quán)利要求15所述的牽引電動機(jī)，其中，所述多個附加槽被配置成使得由所述多 個轉(zhuǎn)子屏障弓I起的轉(zhuǎn)矩脈動效應(yīng)被平均化。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于帶有附加轉(zhuǎn)子槽的永磁電機(jī)的方法和裝置。具體地，提供了一種與例如牽引電動機(jī)和混合動力電動車一起使用的類型的內(nèi)置式永磁電機(jī)，即“IPM電機(jī)”，該內(nèi)置式永磁電機(jī)包括帶有附加的、小的轉(zhuǎn)子槽的轉(zhuǎn)子，這些轉(zhuǎn)子槽配置成關(guān)于設(shè)置在這些轉(zhuǎn)子槽內(nèi)的轉(zhuǎn)子屏障來提供平均化效應(yīng)。
文檔編號H02K21/02GK101741199SQ200910206409
公開日2010年6月16日 申請日期2009年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月12日
發(fā)明者E·L·凱澤, K·M·拉曼 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司