專利名稱：用于容錯(cuò)式永磁體電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及永磁體(PM)電動(dòng)機(jī)，例如發(fā)電機(jī)和/或電動(dòng)馬達(dá)，并且更具體而言，涉及容錯(cuò)式PM機(jī)器。
背景技術(shù)：
已知由于電感應(yīng)的原因，電動(dòng)機(jī)可使用永磁體(PM)作為主要機(jī)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生高幅度的磁場(chǎng)。不像包括可受電控制(例如被選擇性地接通或斷開(kāi))的電磁體的機(jī)器那樣，PM保持接通。也就是說(shuō)，由于PM的內(nèi)在鐵磁屬性的原因，PM所產(chǎn)生的磁場(chǎng)是持久的。因此，如果具有PM的電動(dòng)機(jī)經(jīng)歷故障，則可能無(wú)法便利地使機(jī)器停止，因?yàn)镻M的磁場(chǎng)的持久的性質(zhì)會(huì)導(dǎo)致機(jī)器持續(xù)運(yùn)行。這樣的故障可為由于定子繞組中的缺陷而產(chǎn)生的故障電流或設(shè)置在機(jī)器內(nèi)的有缺陷的或磨損了的機(jī)械構(gòu)件所引起的機(jī)械故障的形式。在上面提到的或其它有關(guān)的故障期間無(wú)法停用PM可損害PM機(jī)器和/或聯(lián)接到其上的裝置。由于前述考慮，已經(jīng)提出了各種機(jī)器和/或控制架構(gòu)來(lái)發(fā)展容錯(cuò)式PM機(jī)器。由于其較低的成本和其運(yùn)行通用性而得到普遍接受的一種類型的容錯(cuò)式PM機(jī)器包括分?jǐn)?shù)槽距集中繞組。這種類型的容錯(cuò)式PM機(jī)器提供了較大的可靠性，但是在運(yùn)行中，被激勵(lì)的繞組可產(chǎn)生豐富的空間諧波頻譜，包括許多異步諧波，異步諧波不利于形成有用的磁動(dòng)勢(shì) (MMF)，而是可使機(jī)器的各種構(gòu)件(例如轉(zhuǎn)子磁體和磁鋼結(jié)構(gòu))中的電磁損耗增加。已經(jīng)提出了可幫助改善轉(zhuǎn)子冷卻需求的措施，例如使用鐵芯損耗較低的薄的層疊的磁鋼和/或沿軸向分段的磁體。但是，這樣的措施實(shí)質(zhì)上是設(shè)計(jì)來(lái)只減輕癥狀而很少能或不能解決根本問(wèn)題的方法。例如，這樣的措施實(shí)質(zhì)上接受“容忍”異步諧波，并且只是試圖通過(guò)“層疊”磁體和鐵芯來(lái)減小它們的有害作用(例如電磁損耗)。因此，這樣的措施可能會(huì)犧牲功率效率且增加增量成本。由于前述考慮，應(yīng)當(dāng)理解，繼續(xù)存在對(duì)關(guān)于容錯(cuò)式PM機(jī)器的進(jìn)一步改進(jìn)的需要。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一方面，提供了一種用于永磁體電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。至少一個(gè)護(hù)芯 (back-core)疊片設(shè)置在多個(gè)永磁體的周圍。護(hù)芯疊片包括布置成在削弱異步磁通分量的同時(shí)避開(kāi)同步磁通分量的多個(gè)高磁阻區(qū)。異步和同步磁通分量由機(jī)器的定子的多個(gè)分?jǐn)?shù)槽集中繞組的空間諧波分量產(chǎn)生。在本發(fā)明的另一方面，提供了一種電動(dòng)永磁體機(jī)器。定子包括多個(gè)分?jǐn)?shù)槽集中繞組。轉(zhuǎn)子操作性地聯(lián)接到定子上。轉(zhuǎn)子具有設(shè)置在多個(gè)永磁體的周圍的多個(gè)堆迭的護(hù)芯疊片。各個(gè)護(hù)芯疊片包括布置成在削弱異步磁通分量的同時(shí)避開(kāi)同步磁通分量的多個(gè)高磁阻區(qū)。異步和同步磁通分量由機(jī)器的定子的繞組的空間諧波分量產(chǎn)生。在又一方面，提供了一種構(gòu)造用于永磁體電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子的方法。護(hù)芯疊片在機(jī)器的轉(zhuǎn)子中設(shè)置在多個(gè)永磁體的周圍。多個(gè)高磁阻區(qū)限定在護(hù)芯疊片中。該多個(gè)高磁阻區(qū)可定位成最大程度地增大異步磁通分量的路徑中的磁阻，同時(shí)對(duì)同步分量有最小影響，從而最大程度地提高機(jī)器的功率密度。異步和同步磁通分量由機(jī)器的定子的多個(gè)分?jǐn)?shù)槽集中繞組的空間諧波分量產(chǎn)生。


當(dāng)參照附圖來(lái)閱讀以下詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些和其它特征、方面以及優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，在附圖中，相同符號(hào)在所有的圖中表示相同部件，其中圖1是包括體現(xiàn)本發(fā)明的各方面的護(hù)芯結(jié)構(gòu)的容錯(cuò)式永磁體機(jī)器的一個(gè)實(shí)例實(shí)施例的示意圖。圖2示出了圖1中顯示的PM機(jī)器的實(shí)例磁通密度分布。圖3示出了體現(xiàn)本發(fā)明的各方面的護(hù)芯疊片的一個(gè)實(shí)例實(shí)施例。圖4示出了體現(xiàn)本發(fā)明的各方面的護(hù)芯疊片的另一個(gè)實(shí)例實(shí)施例。圖5示出了可布置成促進(jìn)冷卻氣體流通過(guò)沿軸向延伸的冷卻管道的護(hù)芯疊片的迭堆。部件列表10永磁體電動(dòng)機(jī)12 定子14定子芯16階梯形定子槽18分?jǐn)?shù)槽集中繞組22 槽楔M 轉(zhuǎn)子26轉(zhuǎn)子芯28護(hù)芯結(jié)構(gòu)30永磁體32固持環(huán)50高磁阻區(qū)52間隔開(kāi)的弓形節(jié)段54 間隙56直極軸線60異步分量的磁通路徑62同步分量的磁通路徑64分段式護(hù)芯疊片66 開(kāi)口70整體式護(hù)芯疊片72無(wú)磁性區(qū)80堆迭的護(hù)芯疊片82迭堆端部84迭堆端部86用于冷卻管道的傾斜裝置
88 間隙
具體實(shí)施例方式如下面更詳細(xì)地論述的那樣，本發(fā)明的各方面涉及可包括分?jǐn)?shù)槽距集中繞組的容錯(cuò)式永磁體機(jī)器。如本文所用，用語(yǔ)“容錯(cuò)”指的是各種機(jī)器線圈/相之間的磁分離和物理分離，同時(shí)減小噪聲、扭矩脈動(dòng)和諧波磁通分量。本發(fā)明的發(fā)明人提出了一種創(chuàng)新的且一流的方法，其適于大幅減小大體與分?jǐn)?shù)槽距集中繞組的空間諧波的頻譜相關(guān)聯(lián)的電磁轉(zhuǎn)子損耗。如之前所提到的那樣，這種頻譜包括不會(huì)增加有用的MMF的許多異步諧波。所提出的方法可有利地構(gòu)造成最大程度地增大異步諧波所遇到的磁阻，同時(shí)對(duì)有用的或同步的MMF分量基本無(wú)影響，從而最大程度地提高機(jī)器的功率密度。下面的描述示出了可受益于本發(fā)明的各方面的容錯(cuò)式永磁體機(jī)器的一個(gè)實(shí)例實(shí)施例。將理解，本發(fā)明的各方面不限于下面描述的實(shí)例實(shí)施例。圖1是容錯(cuò)式永磁體(PM)機(jī)器10的示意圖。PM機(jī)器10包括具有定子芯14的定子12。定子芯14限定多個(gè)階梯形定子槽16，該多個(gè)階梯形定子槽16包括纏繞在階梯形定子槽16內(nèi)的分?jǐn)?shù)槽集中繞組18。分?jǐn)?shù)槽集中繞組在PM機(jī)器10的各種相和線圈之間提供磁分離和物理分離。在示出的實(shí)施例中，階梯形定子槽16具有二階梯構(gòu)造。可使用相應(yīng)的槽楔22來(lái)封閉相應(yīng)的階梯形定子槽16的開(kāi)口。將理解，階梯形定子槽16可包括不止兩個(gè)階梯。包括轉(zhuǎn)子芯沈的轉(zhuǎn)子M可設(shè)置在定子12的外部且與其同心。在一個(gè)實(shí)施例中， 轉(zhuǎn)子芯沈包括彼此電絕緣的軸向節(jié)段，以減小渦電流損耗。轉(zhuǎn)子芯沈包括設(shè)置在多個(gè)永磁體30的周圍的層疊的護(hù)芯結(jié)構(gòu)觀。護(hù)芯結(jié)構(gòu)觀在現(xiàn)有技術(shù)中一般稱為“護(hù)鐵”結(jié)構(gòu)。 護(hù)芯結(jié)構(gòu)觀可包括多個(gè)堆迭的疊片。如下面更詳細(xì)地描述的那樣，“疊片”指的是薄環(huán)或沿周向分段的結(jié)構(gòu)，它們中的多個(gè)典型地沿著轉(zhuǎn)子軸線堆迭在一起而形成機(jī)器構(gòu)件。根據(jù)本發(fā)明的各方面，各個(gè)護(hù)芯疊片可包括布置成在削弱異步磁通分量的同時(shí)避開(kāi)同步磁通分量的多個(gè)高磁阻區(qū)50，異步和同步磁通分量由機(jī)器的分?jǐn)?shù)槽集中繞組的空間諧波分量引起。如圖1中所示出，各個(gè)護(hù)芯疊片可形成沿周向分段的結(jié)構(gòu)。例如，分段式護(hù)芯疊片可由多個(gè)間隔開(kāi)的弓形節(jié)段52組成，弓形節(jié)段52定位成在相鄰節(jié)段之間限定多個(gè)間隙M。 也就是說(shuō)，在這個(gè)實(shí)例實(shí)施例中，該多個(gè)間隙M構(gòu)成該多個(gè)高磁阻區(qū)50。圖2示出了 PM機(jī)器10 (圖1)的實(shí)例磁通密度分布。實(shí)線60表示不利于MMF的形成的異步分量的實(shí)例磁通路徑，而線62則表示產(chǎn)生有用的MMF的同步分量的實(shí)例磁通路徑。根據(jù)圖2應(yīng)當(dāng)理解，高磁阻區(qū)50的位置可布置成最大程度地增大異步諧波所遇到的磁阻，同時(shí)對(duì)有用的或同步的MMF分量基本沒(méi)有影響。在一個(gè)實(shí)例實(shí)施例中，各個(gè)高磁阻區(qū)50 可被對(duì)應(yīng)的磁體的相應(yīng)的直極軸線(例如軸線56)橫穿?；氐綀D1，PM機(jī)器10可包括設(shè)置在護(hù)芯結(jié)構(gòu)28的周圍的至少一個(gè)固持環(huán)32，以固持磁體30。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的那樣，如圖1中所示出，PM機(jī)器10表示里面翻到外面的構(gòu)造，其中，轉(zhuǎn)子M在定子12的外部旋轉(zhuǎn)。將理解，轉(zhuǎn)子M可設(shè)置在定子12的內(nèi)部。為了期望獲得進(jìn)一步的背景信息的讀者，對(duì)美國(guó)專利申請(qǐng)12/249，620作出了參照，該專利申請(qǐng)被共同轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人且通過(guò)弓I用而結(jié)合在本文中。圖3示出了可構(gòu)造為整體式機(jī)械結(jié)構(gòu)(代替沿周向分段的結(jié)構(gòu))的護(hù)芯疊片64 的另一個(gè)實(shí)例實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)例實(shí)施例中，整體式護(hù)芯疊片包括多個(gè)開(kāi)口 66，這構(gòu)成了該多個(gè)高磁阻區(qū)。如果對(duì)于給定應(yīng)用，期望護(hù)芯疊片提供實(shí)心環(huán)的形狀，則構(gòu)想到，可由多個(gè)盲孔代替開(kāi)口 66來(lái)限定高磁阻區(qū)。例如，不打穿疊片的整個(gè)厚度。將理解，高磁阻區(qū)不限于任何特定的幾何形狀。因此，應(yīng)當(dāng)從實(shí)例意義而非限制意義上來(lái)解釋圖3中顯示的開(kāi)口 66、圖1中顯示的間隙M或圖4中的無(wú)磁性區(qū)72的長(zhǎng)方形形狀。如圖4中所顯示，在另一個(gè)實(shí)例實(shí)施例中，整體式護(hù)芯疊片70可包含雙態(tài)磁性材料，其中，使用本領(lǐng)域中充分理解的技術(shù)(例如激光熱處理)來(lái)對(duì)雙態(tài)磁性材料進(jìn)行熱處理，以限定多個(gè)無(wú)磁性區(qū)72，在這個(gè)實(shí)例實(shí)施例中，該多個(gè)無(wú)磁性區(qū)72構(gòu)成該多個(gè)高磁阻區(qū)。將理解，該多個(gè)高磁阻區(qū)(例如開(kāi)口或間隙)可適于提供可選的轉(zhuǎn)子冷卻管道。例如，如圖5中所顯示，護(hù)芯疊片的迭堆80可在迭堆的相應(yīng)的端部82和84之間限定沿軸向延伸的管道(由線86示意性地表示)，該管道可用來(lái)允許傳送冷卻氣體。如果期望的話，開(kāi)口或間隙88的相應(yīng)的位置可布置在迭堆80的各個(gè)疊片中，以促進(jìn)冷卻氣體流通過(guò)沿軸向延伸的管道。例如，可選擇各個(gè)開(kāi)口或間隙的相應(yīng)的位置，以在端部82和84之間限定用于冷卻管道的歪斜或傾斜的裝置，以在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)提供通風(fēng)作用。如果各個(gè)疊片中的各個(gè)相應(yīng)的開(kāi)口或間隙88定位成與線86 —致，就可實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。在運(yùn)行中，本發(fā)明的各方面提供了可用于包括分?jǐn)?shù)槽距集中繞組的電動(dòng)機(jī)中的改進(jìn)的護(hù)芯結(jié)構(gòu)。該護(hù)芯布置可構(gòu)造有高磁阻區(qū)，高磁阻區(qū)恰當(dāng)?shù)囟ㄎ怀稍跍p小異步磁通分量且又減小與這樣的異步分量相關(guān)聯(lián)的電磁損耗的同時(shí)對(duì)同步磁通(有用的MMF)分量實(shí)際上無(wú)影響。例如，這可有助于減少機(jī)器的轉(zhuǎn)子的冷卻需要以及/或者改進(jìn)機(jī)器的功率密度。雖然在本文中示出和描述了本發(fā)明的僅某些特征，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到許多修改和變化。因此，應(yīng)當(dāng)理解，所附權(quán)利要求意圖覆蓋落在本發(fā)明的真實(shí)精神內(nèi)的所有這樣的修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種用于永磁體電動(dòng)機(jī)(10)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(M)，包括設(shè)置在多個(gè)永磁體(30)的周圍的至少一個(gè)護(hù)芯疊片( )，所述至少一個(gè)護(hù)芯疊片 (28)包括布置成在削弱異步磁通分量的同時(shí)避開(kāi)同步磁通分量的多個(gè)高磁阻區(qū)(50)，所述異步和同步磁通分量由所述機(jī)器(10)的定子(1 的多個(gè)分?jǐn)?shù)槽集中繞組(18)的空間諧波分量產(chǎn)生。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述至少一個(gè)護(hù)芯疊片08)包括沿周向分段的結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述分段式護(hù)芯疊片包括定位成在相鄰節(jié)段之間限定多個(gè)間隙(54)的多個(gè)間隔開(kāi)的弓形節(jié)段(52)，其中，所述多個(gè)間隙(54) 構(gòu)成所述多個(gè)高磁阻區(qū)(50)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述至少一個(gè)護(hù)芯疊片包括整體式機(jī)械結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述整體式護(hù)芯疊片包括多個(gè)開(kāi)口 (66)，其中，所述多個(gè)開(kāi)口(66)構(gòu)成所述多個(gè)高磁阻區(qū)(50)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述整體式護(hù)芯疊片(70)包含雙態(tài)磁性材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述雙態(tài)磁性材料被熱處理，以限定所述多個(gè)高磁阻區(qū)(50)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，在護(hù)芯疊片的迭堆中的所述多個(gè)高磁阻區(qū)(50)限定沿軸向延伸的管道(86)，其中，所述沿軸向延伸的管道構(gòu)造成促進(jìn)冷卻氣體流通過(guò)所述沿軸向延伸的管道。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述多個(gè)高磁阻區(qū)(50)定位成最大程度地增大所述異步磁通分量的路徑中的磁阻，同時(shí)對(duì)所述同步分量具有最小影響，從而最大程度地提高所述機(jī)器(10)的功率密度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述多個(gè)磁體的相應(yīng)的直極軸線 (56)橫穿對(duì)應(yīng)的高磁阻區(qū)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述磁體沿軸向分段。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括設(shè)置在所述至少一個(gè)護(hù)芯疊片的周圍的至少一個(gè)固持環(huán)(32)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于容錯(cuò)式永磁體電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。提供了一種用于永磁體電動(dòng)機(jī)(10)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(24)。護(hù)芯疊片(28)設(shè)置在多個(gè)永磁體(30)的周圍。護(hù)芯疊片(28)包括布置成在削弱異步磁通分量的同時(shí)避開(kāi)同步磁通分量的多個(gè)高磁阻區(qū)(50)。異步和同步磁通分量由機(jī)器的定子(12)的多個(gè)分?jǐn)?shù)槽集中繞組(18)的空間諧波分量產(chǎn)生。
文檔編號(hào)H02K1/27GK102545428SQ20111038525
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月18日
發(fā)明者A·M·F·艾爾-雷菲, M·沙 申請(qǐng)人:通用電氣公司