專利名稱：用于具有不對(duì)稱轉(zhuǎn)子磁體的永磁電機(jī)的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及例如為電動(dòng)機(jī)的磁裝置，更具體地涉及內(nèi)置式永磁電機(jī)。
背景技術(shù)：
內(nèi)置式永磁(IPM)電機(jī)由于其理想的特性，即良好的扭矩密度、良好的整體效率、良好的恒定功率范圍等而受到燃料電池和混合動(dòng)力電動(dòng)車輛操作的青睞。在諸如感應(yīng)電 機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)或同步磁阻電機(jī)之類的其它電機(jī)中，源所供應(yīng)的定子電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)子場(chǎng)，與 這些電機(jī)不同，永磁電機(jī)中的轉(zhuǎn)子場(chǎng)是借助其結(jié)構(gòu)而獲得的。因此，與其它此類電機(jī)相比， 永磁電機(jī)展現(xiàn)了優(yōu)異的效率。然而，與表面式永磁電機(jī)一樣，內(nèi)置式永磁電機(jī)為下述事實(shí)所累即使在不向該電 機(jī)提供動(dòng)力時(shí)也會(huì)存在永磁場(chǎng)，導(dǎo)致了由轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)永磁場(chǎng)引起的損失。而且，這樣的結(jié)構(gòu) 遭受了波動(dòng)和齒槽扭矩，其具有兩個(gè)主要來源。第一個(gè)來源是繞組諧波，多數(shù)繞組諧波是從 五次和七次繞組空間諧波產(chǎn)生的六次諧波。這些繞組諧波可通過縮短繞組節(jié)距而降低。例 如，對(duì)于每極六槽的設(shè)計(jì)，可使繞組節(jié)距縮短一個(gè)槽(1/6短節(jié)距)。扭矩波動(dòng)的第二個(gè)也是最顯著的來源是由于將磁體埋置在轉(zhuǎn)子內(nèi)引起的開槽效 應(yīng)(slotting effect)。轉(zhuǎn)子槽與定子槽(繞組槽)之間的相互作用產(chǎn)生顯著的扭矩波動(dòng)。 最小化該效應(yīng)的一種方法是使轉(zhuǎn)子或定子偏斜，這引起一定程度的平均，從而有效地消除 大量扭矩波動(dòng)和齒槽效應(yīng)。在工業(yè)中所述偏斜方法廣泛公知，并以常規(guī)方式執(zhí)行來降低齒 槽效應(yīng)和波動(dòng)扭矩。然而，該方法降低了電機(jī)扭矩并增加了制造復(fù)雜性和制造成本。

發(fā)明內(nèi)容
因此，期望提供一種改進(jìn)的、可制造的、降低了齒槽效應(yīng)和扭矩波動(dòng)的內(nèi)置式永磁 電機(jī)。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種內(nèi)置式永磁電機(jī)，其包括定子；配置成與所述 定子磁性地相互作用的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有外表面和由相應(yīng)磁極軸線限定的多個(gè)磁極；設(shè) 置在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)的多個(gè)轉(zhuǎn)子屏障(rotor barrier)；以及布置在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)的多個(gè)永磁體， 使得所述磁體相對(duì)于所述磁極軸線不對(duì)稱配置。優(yōu)選地，在所述內(nèi)置式永磁電機(jī)中，各磁極內(nèi)的所述磁體具有基本相同的尺寸和 形狀，但是相對(duì)于所述磁極軸線不對(duì)稱地隔開。優(yōu)選地，在所述內(nèi)置式永磁電機(jī)中，各磁極內(nèi)的所述磁體具有不同尺寸。優(yōu)選地，在所述內(nèi)置式永磁電機(jī)中，各磁極內(nèi)的所述磁體具有不同形狀。優(yōu)選地，在所述內(nèi)置式永磁電機(jī)中，所述多個(gè)磁極包括第一磁極和第二磁極，并且 所述第一磁極內(nèi)的磁體與所述第二磁極內(nèi)的磁體具有不同的配置。優(yōu)選地，在所述內(nèi)置式永磁電機(jī)中，所述多個(gè)磁體成對(duì)地配置，限定朝向所述轉(zhuǎn)子 外表面的凹角。優(yōu)選地，在所述內(nèi)置式永磁電機(jī)中，所述多個(gè)磁體為鐵磁體。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種制造內(nèi)置式永磁電機(jī)的方法，包括提供定子；提供轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子配置成與所述定子磁性地相互作用，所述轉(zhuǎn)子具有外表面和多個(gè)磁極； 在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)形成多個(gè)轉(zhuǎn)子屏障；在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)放置多個(gè)永磁體，使得所述轉(zhuǎn)子屏障相對(duì) 于其相應(yīng)的磁極軸線是不對(duì)稱的。優(yōu)選地，在所述方法中，各磁極內(nèi)的所述磁體具有基本相同的尺寸和形狀，但是相 對(duì)于所述磁極軸線不對(duì)稱地隔開。優(yōu)選地，在所述方法中，各磁極內(nèi)的所述磁體具有不同尺寸。優(yōu)選地，在所述方法中，各磁極內(nèi)的所述磁體具有不同形狀。優(yōu)選地，在所述方法中，所述多個(gè)磁極包括第一磁極和第二磁極，并且所述第一磁 極內(nèi)的磁體與所述第二磁極內(nèi)的磁體具有不同的配置。優(yōu)選地，在所述方法中，所述多個(gè)磁體成對(duì)地配置，限定朝向所述轉(zhuǎn)子外表面的凹角。優(yōu)選地，在所述方法中，所述多個(gè)磁體為鐵磁體。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種與混合動(dòng)力電動(dòng)車輛一同使用形式的牽引電動(dòng) 機(jī)，所述牽引電動(dòng)機(jī)包括定子；配置成與所述定子磁性地相互作用的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有 外表面和由相應(yīng)磁極軸線限定的多個(gè)磁極；設(shè)置在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)的多個(gè)轉(zhuǎn)子屏障；以及布置 在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)的多個(gè)永磁體，使得所述磁體配置成產(chǎn)生轉(zhuǎn)子屏障不對(duì)稱性。優(yōu)選地，在所述牽引電動(dòng)機(jī)中，各磁極內(nèi)的所述磁體具有基本相同的尺寸和形狀， 但是相對(duì)于所述磁極軸線不對(duì)稱地隔開。優(yōu)選地，在所述牽弓I電動(dòng)機(jī)中，各磁極內(nèi)的所述磁體具有不同尺寸。優(yōu)選地，在所述牽引電動(dòng)機(jī)中，各磁極內(nèi)的所述磁體具有不同形狀。優(yōu)選地，在所述牽引電動(dòng)機(jī)中，所述多個(gè)磁極包括第一磁極和第二磁極，并且所述 第一磁極內(nèi)的磁體與所述第二磁極內(nèi)的磁體具有不同的配置。優(yōu)選地，在所述牽引電動(dòng)機(jī)中，所述多個(gè)磁體成對(duì)地配置，限定朝向所述轉(zhuǎn)子外表 面的凹角。結(jié)合附圖以及上述技術(shù)領(lǐng)域和背景技術(shù)，從以下詳細(xì)說明和所附權(quán)利要求將會(huì)明 了本發(fā)明其它理想的特征和特點(diǎn)。


通過結(jié)合附圖進(jìn)行考慮時(shí)參照詳細(xì)說明和權(quán)利要求，可得到對(duì)本發(fā)明更完整的理 解，在所有附圖中相同附圖標(biāo)記指代類似元件。圖Ia和圖Ib以剖視圖示出各種內(nèi)置式永磁(IPM)電機(jī)；以及圖2以剖視圖示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的內(nèi)置式永磁電機(jī)。
具體實(shí)施例方式以下詳細(xì)說明本質(zhì)上僅是說明性的，并不旨在限制本發(fā)明或其應(yīng)用和使用。而且， 并不意圖受前述技術(shù)領(lǐng)域、背景技術(shù)、發(fā)明內(nèi)容或以下詳細(xì)說明所呈現(xiàn)的任何明示或暗示 理論的約束。本發(fā)明在此可按功能和/或邏輯塊部件以及各種處理步驟進(jìn)行描述。應(yīng)當(dāng)理 解，這樣的塊部件可由配置成執(zhí)行具體功能的任何數(shù)量的硬件、軟件和/或固件部件實(shí)現(xiàn)。為簡(jiǎn)潔起見，在此不再詳細(xì)描述與電動(dòng)機(jī)、磁學(xué)等有關(guān)的常規(guī)技術(shù)和系統(tǒng)。總的來說，各種實(shí)施例都針對(duì)永磁電機(jī)(“PM電機(jī)”)，更具體地針對(duì)內(nèi)置式永磁電 機(jī)(“IPM電機(jī)”)，其包括相對(duì)于轉(zhuǎn)子外周不對(duì)稱配置的轉(zhuǎn)子磁體，從而產(chǎn)生與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子 磁體偏斜所實(shí)現(xiàn)的平均效果類似的平均效果。在替代實(shí)施例中，磁體的跨距、布置和/或形 狀可因磁極而異。如已知的，內(nèi)置式永磁電機(jī)通常包含有一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子屏障(或簡(jiǎn)稱“屏障”)。圖 Ia和圖Ib例如示出了具有單屏障轉(zhuǎn)子和雙屏障轉(zhuǎn)子的各種示例性內(nèi)置式永磁電機(jī)100的 局部剖視圖。更具體地說，圖Ia示出轉(zhuǎn)子104，其具有磁體110以及在相對(duì)于磁體110的各 位置包含至該結(jié)構(gòu)中的氣穴125。如同常規(guī)情況的，內(nèi)置式永磁電機(jī)100包括定子101，該 定子101具有與轉(zhuǎn)子104內(nèi)的磁體110磁性地相互作用的多個(gè)繞組102。在轉(zhuǎn)子104內(nèi)設(shè) 置各種腔，并且所有這些腔或這些腔的一部分可按傳統(tǒng)方式填充或不填充永磁體，這取決 于結(jié)構(gòu)中所包含的層數(shù)。圖Ib更具體地示出了雙屏障永磁轉(zhuǎn)子，其中第二屏障局部填充有磁體110。圖Ib 中所示增設(shè)的第二屏障向由低磁體屏障產(chǎn)生的磁場(chǎng)增加了額外阻抗，從而降低氣隙磁通。 然而，在轉(zhuǎn)子中增設(shè)第二屏障能機(jī)械地削弱轉(zhuǎn)子。而且，對(duì)于某些電機(jī)，增設(shè)任何此類第二 屏障在幾何結(jié)構(gòu)上是不可行的(例如，圖Ia的轉(zhuǎn)子)。也可設(shè)置具有超過兩個(gè)屏障的轉(zhuǎn)子；然而，這樣的設(shè)計(jì)不期望地提高了制造復(fù)雜 性。增加屏障的數(shù)量改善了轉(zhuǎn)子凸極，因而改善電機(jī)扭矩。而且，第二轉(zhuǎn)子屏障經(jīng)常作為內(nèi) 磁體層的屏障，因此降低了氣隙中的磁通。氣隙中磁通的降低減小了磁扭矩，但某種程度上 被增大的轉(zhuǎn)子凸極補(bǔ)償。在混合動(dòng)力應(yīng)用中，當(dāng)永磁電機(jī)為變速器的一部分時(shí)，很常見的是電機(jī)與不同齒 輪組一起旋轉(zhuǎn)，盡管電機(jī)不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩或者產(chǎn)生非常小的轉(zhuǎn)矩。若無負(fù)載或輕負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)是電 機(jī)驅(qū)動(dòng)循環(huán)的主要部分，則會(huì)影響變速器的整體效率。旋轉(zhuǎn)的磁通還在定子繞組中感生出 通常稱為反電勢(shì)的電壓。永磁轉(zhuǎn)子的高磁通可在定子中感生很高的電壓，尤其是在電機(jī)的 高速運(yùn)轉(zhuǎn)期間。因此，對(duì)于此類電機(jī)非常期望降低電機(jī)的氣隙磁通。如圖Ia和圖Ib所示，在傳統(tǒng)內(nèi)置式永磁電機(jī)中，各磁體110的配置均是對(duì)稱的， 即相對(duì)于所示磁極的軸線150 (或經(jīng)過該軸線的垂直平面)表現(xiàn)反射對(duì)稱性。相比之下，圖2示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的內(nèi)置式永磁電機(jī)，其中磁體110相對(duì) 于各磁極內(nèi)的對(duì)應(yīng)軸線150不對(duì)稱地定位。也就是說，磁體IlOB相對(duì)于軸線150B不表現(xiàn) 雙折反射對(duì)稱性(bi-foldreflectional symmetry)。同樣，磁體IlOA相對(duì)于軸線150A不 表現(xiàn)雙折反射對(duì)稱性。如先前提到的，對(duì)于各磁極來說，不對(duì)稱性的特點(diǎn)和程度可相同或不 同(如圖2中所示)。內(nèi)置式永磁電機(jī)相對(duì)于磁極軸線150的不對(duì)稱性可按各種方式實(shí)現(xiàn)，即不僅僅通過圖2中所示的幾何不對(duì)稱性來實(shí)現(xiàn)。例如，磁體110可具有不同尺寸(例如，質(zhì)量)或形 狀。總的來說，本文中這是指轉(zhuǎn)子屏障不對(duì)稱性。可利用任何的不對(duì)稱配置，只要其產(chǎn)生與 傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子磁體偏斜所實(shí)現(xiàn)的平均效果類似的平均效果。通常，可選擇各磁體110的尺寸、位置和幾何形狀來實(shí)現(xiàn)期望的不對(duì)稱性，并因而 為轉(zhuǎn)子106提供期望的平均水平?？山?jīng)驗(yàn)性地或者通過本領(lǐng)域已知的常規(guī)計(jì)算機(jī)建模方法 進(jìn)行這種優(yōu)化。
盡管圖2示出了磁體110和氣穴125的剖視圖，然而應(yīng)理解腔延伸到轉(zhuǎn)子104中并限定具有任何合適形狀的三維體積。通過形成腔，然后使該腔填充或部分填充磁體110 而合適地形成轉(zhuǎn)子104，在這種情況下形成了與磁體110相鄰的各氣穴，即氣穴125。術(shù)語 “腔”因而用于指在插入磁體110之前存在的空區(qū)域。在圖2中，成對(duì)的矩形磁體110被配置成相互成角度，即限定了面向外的朝向定子 表面的鈍角。應(yīng)當(dāng)理解，通過本發(fā)明可構(gòu)想多種其它配置方式。盡管在前述詳細(xì)說明中提供了至少一個(gè)示例性實(shí)施例，然而應(yīng)當(dāng)理解還存在大量 的變型。例如，除所示的單層以外可包含附加的屏障層。還應(yīng)當(dāng)理解，本文所述的一個(gè)或多 個(gè)示例性實(shí)施例并不旨在以任何方式限制本發(fā)明的范圍、應(yīng)用性或配置方式。相反，前述詳 細(xì)說明為本領(lǐng)域技術(shù)人員實(shí)施所述一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例提供方便的路線圖。應(yīng)當(dāng)理解在不背 離本發(fā)明范圍及其法律等同物的情況下可對(duì)元件的功能和布局進(jìn)行各種更改。
權(quán)利要求
一種內(nèi)置式永磁電機(jī)，包括定子；配置成與所述定子磁性地相互作用的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有外表面和由相應(yīng)磁極軸線限定的多個(gè)磁極；設(shè)置在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)的多個(gè)轉(zhuǎn)子屏障；以及布置在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)的多個(gè)永磁體，使得所述磁體相對(duì)于所述磁極軸線不對(duì)稱配置。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)置式永磁電機(jī)，其中各磁極內(nèi)的所述磁體具有基本相同的尺 寸和形狀，但是相對(duì)于所述磁極軸線不對(duì)稱地隔開。
3.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)置式永磁電機(jī)，其中各磁極內(nèi)的所述磁體具有不同尺寸。
4.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)置式永磁電機(jī)，其中各磁極內(nèi)的所述磁體具有不同形狀。
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(gè)磁極包括第一磁極和第二磁 極，并且所述第一磁極內(nèi)的磁體與所述第二磁極內(nèi)的磁體具有不同的配置。
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(gè)磁體成對(duì)地配置，限定朝向所 述轉(zhuǎn)子外表面的凹角。
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(gè)磁體為鐵磁體。
8.一種制造內(nèi)置式永磁電機(jī)的方法，包括 提供定子；提供轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子配置成與所述定子磁性地相互作用，所述轉(zhuǎn)子具有外表面和多個(gè) 磁極；在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)形成多個(gè)轉(zhuǎn)子屏障；在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)放置多個(gè)永磁體，使得所述轉(zhuǎn)子屏障相對(duì)于其相應(yīng)的磁極軸線是不對(duì)稱的。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中各磁極內(nèi)的所述磁體具有基本相同的尺寸和形狀， 但是相對(duì)于所述磁極軸線不對(duì)稱地隔開。
10.一種與混合動(dòng)力電動(dòng)車輛一同使用形式的牽引電動(dòng)機(jī)，所述牽引電動(dòng)機(jī)包括 定子；配置成與所述定子磁性地相互作用的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有外表面和由相應(yīng)磁極軸線限 定的多個(gè)磁極；設(shè)置在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)的多個(gè)轉(zhuǎn)子屏障；以及布置在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)的多個(gè)永磁體，使得所述磁體配置成產(chǎn)生轉(zhuǎn)子屏障不對(duì)稱性。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于具有不對(duì)稱轉(zhuǎn)子磁體的永磁電機(jī)的方法和設(shè)備?？偟膩碚f，各種實(shí)施例都針對(duì)永磁電機(jī)(“PM電機(jī)”)，更具體地針對(duì)內(nèi)置式永磁電機(jī)(“IPM電機(jī)”)，其包括相對(duì)于轉(zhuǎn)子外周不對(duì)稱配置的轉(zhuǎn)子磁體，從而產(chǎn)生與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子磁體偏斜所實(shí)現(xiàn)的平均效果類似的平均效果。在替代實(shí)施例中，磁體的跨距、布置和/或形狀可因磁極而異。
文檔編號(hào)H02K1/27GK101820238SQ20101011461
公開日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2010年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月20日
發(fā)明者E·L·凱澤, K·M·拉曼, P·J·薩瓦吉安 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司