內置永磁體電的制造方法
【專利摘要】內置永磁體電機包括定子，該定子包括多個電導體。內置永磁體電機還包括相對于定子同心布置的轉子。轉子構造為相對于定子繞旋轉軸線旋轉，且包括多個極性件，所述極性件繞旋轉軸線環(huán)形地布置。極性件的至少一個包括磁性層，所述磁性層構造為與電導體磁性地相互作用。磁性層具有大體錐形截面形狀。
【專利說明】內置永磁體電機
【技術領域】
[0001]本公開涉及內置永磁體(IPM)電機以及用于制造其的方法。
【背景技術】
[0002]內置永磁體(IPM)電機是無刷電馬達，其具有嵌入在其轉子芯部中的永磁體。永磁體電馬達通常是可靠的，輕的且熱高效的。但是過去，永磁體主要用在小的、低功率電馬達上，這是由于與找到能夠保持高強度磁場的材料相關的相對難度，以及技術處于初級階段。
[0003]材料技術的最近進步使得能夠制造低成本高強度永磁體。這些技術進步有助于用于大量應用的緊湊、高功率永磁電機的開發(fā)，諸如用于推進車輛，即混合動力或電動車輛。IPM電機特別地通常特征在于，具有有利的輸出扭矩對馬達物理尺寸的比，以及減小的輸入電壓。IPM電機通常是可靠的，大部分是因為永磁體保持在電機轉子的專用槽內。當由外部源供有發(fā)動能量(motive energy)時，IPM電機可還用作發(fā)電機。因此，IPM電機已經(jīng)在運輸工業(yè)中作為用于電動和混合動力電動車輛的可行發(fā)電站而獲得接受。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明涉及內置永磁電機。在一實施例中，內置永磁體電機包括定子，該定子包括多個電導體。內置永磁體電機還包括相對于定子同心布置的轉子。轉子構造為相對于定子繞旋轉軸線旋轉，且包括多個極性件，所述極性件繞旋轉軸線環(huán)形地布置。極性件的至少一個包括磁性層，所述磁性層構造為與電導體磁性地相互作用。磁性層具有大體錐形截面形狀。
[0005]在一實施例中，磁性層包括第一永磁體和第二永磁體。第一和第二永磁體一起限定基本上錐形的截面形狀。第一和第二永磁體可以是連結磁體。磁性層限定的基本上錐形截面形狀可以是基本上拋物線的形狀、基本上雙曲線的形狀或基本上半橢圓的形狀。
[0006]轉子可包括第一磁性層和第二磁性層。第二磁性層包括第三永磁體和第四永磁體。第三永磁體和第四永磁體可一起限定基本上半橢圓的形狀。轉子可還包括第三磁性層,第三磁性層包括第五永磁體和第六永磁體。第五和第六永磁體可限定基本上雙曲線的形狀。轉子可還包括極內橋，極內橋將第一永磁體與第二永磁體分開。氣隙可限定在旋轉體和定子之間。通過第一磁性層或第二磁性層限定的基本上錐形截面形狀的焦點可定位在氣隙中。極內橋可沿中心極軸線為細長的，該中心極軸線與旋轉軸線和焦點相交。
[0007]本發(fā)明還涉及車輛。在一實施例中，車輛包括傳動系和操作地連接至該傳動系的內置永磁體電機。內置永磁體電機包括定子，該定子包括多個電導體。內置永磁體電機可還包括旋轉體，其至少部分地布置在定子內且構造為相對于定子旋轉。旋轉體包括多個磁性層。每個磁性層具有基本上錐形截面形狀，該錐形截面形狀具有定位在定子和旋轉體之間的焦點。每個磁性層包括第一彎曲永磁體和第二彎曲永磁體。
[0008]在一實施例中，第一和第二彎曲永磁體可以是連結磁體。每個磁性層可僅包括第一和第二彎曲永磁體。第一彎曲磁體可以是第二彎曲永磁體的鏡像。每個磁性層限定的錐形截面形狀可以是基本上半橢圓的形狀、基本上雙曲線的形狀或基本上拋物線的形狀的組選擇。磁性層可具有基本上不同的形狀。磁性層可具有基本上相同的形狀。
[0009]本公開還涉及制造內置永磁體電機的方法。在一實施例中，方法包括將第一連結磁體布置在轉子的第一旋轉體腔體中，將第二連結磁體布置在轉子的第二旋轉體腔體中。第一和第二連結磁體一起限定基本上錐形截面形狀，諸如基本上拋物線形狀、基本上雙曲線形狀或基本上半橢圓形狀。
[0010]在一實施例中，方法還包括將第三連結磁體布置在旋轉體的第三旋轉體腔體中，將第四連結磁體布置在旋轉體的第四旋轉體腔體中。第三和第四連結磁體可一起限定一形狀，其不同于通過第一和第二連結磁體一起限定的基本上錐形截面形狀。
[0011]在一實施例中，方法可還包括將第三連結磁體布置在旋轉體的第三旋轉體腔體中，將第四連結磁體布置在旋轉體的第四旋轉體腔體中。第三和第四連結磁體可一起限定一形狀，其與通過第一和第二連結磁體一起限定的基本上錐形截面形狀基本上相同。
[0012]本發(fā)明的上述特征和優(yōu)勢及其他特征和優(yōu)勢將從用于實施如所附的權利要求中定義的本發(fā)明的一些最佳模式和其它實施例的以下詳細描述連同附圖時顯而易見。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是包括內置永磁體電機的車輛的示意圖；
[0014]圖2是在圖1中大體示出的內置永磁體電機的前橫截面視圖；和
[0015]圖3是在圖2中示出的內置永磁體電機的極性件的放大橫截面視圖。
【具體實施方式】
[0016]參考附圖，其中相同的附圖標記表示相同的部件，圖1示出車輛10，車輛10包括構造為推進車輛10的內置永磁(IPM)馬達或電機12。IPM電機12可構造為提供扭矩或力給車輛10的另外的部件，由此推進車輛12。除了推進車輛10，IPM電機12可用于為其他適當設備提供動力。IPM電機12可以是無刷馬達，且包括六個大體相同的互連段12A，所述互連段沿旋轉軸線X并排布置，該軸線沿IPM電機12的長度限定。但是，可以設想IPM電機12可包括更多或更少段12A?；ミB段12A的數(shù)量與IPM電機12能夠產(chǎn)生用于為車輛10提供動力的扭矩直接有關。
[0017]車輛10包括傳動系14,傳動系具有變速器和驅動軸(未不出)。傳動系14經(jīng)由一個或多個適當聯(lián)接器操作地連接在IPM電機12和從動輪16之間，該聯(lián)接器諸如恒定速度和萬向接頭(未示出)。IPM電機12和傳動系14之間的操作性連接允許IPM電機12將扭矩供應給從動輪16，以便推進車輛10。
[0018]除了傳動系14，車輛10包括能量存儲裝置18，能量存儲裝置構造為供應電能給IPM電機12和其他車輛系統(tǒng)(未示出)。為此，能量存儲裝置18電連接到IPM電機12。由于該電連接，IPM電機12構造為從能量存儲裝置18接收電能，且可當被車輛10的動能源(在IPM電機12之外)驅動時用作發(fā)電機。這樣的外部動能可以例如被內燃機(未示出)提供，或經(jīng)由車輛慣性體被從動輪16提供。
[0019]圖2顯示了圖1中大體示出的IPM電機12的一部分的橫截面視圖。IPM電機12包括具有孔22的定子20和布置在孔22中的電導體24。電導體24電連接到能量存儲裝置18 (圖1)。該電連接允許能量存儲裝置18 (圖1)供應電能給電導體24。定子20可具有大體環(huán)形形狀，且可圍繞旋轉軸線X布置。此外，定子20可限定外定子表面23和與外定子表面23相反的內定子表面25。外定子表面23和內定子表面25 二者可限定圍繞旋轉軸線X的周邊?？?2可布置為比外定子表面23更靠近內定子表面25，且每個形狀和尺寸可確定為接收一個或多個電導體24。如在此所用的，術語“孔”包括但不限于，縫隙、槽、開口或在定子20中構造和成形為接收至少一個電導體24的任何腔體。電導體24可由適當導電材料制成，諸如金屬材料，例如銅和鋁。電導體24可構造為棒或繞組，且可具有任何適當形狀，諸如大體矩形、立方形和柱形形狀。無論其形狀，每個電導體24的形狀和尺寸確定為被接收在一個孔22中。盡管附圖顯示了孔22包含兩個電導體24，但每個孔22可包括更多或更少的電導體24。
[0020]IPM電機12還包括轉子26，轉子圍繞旋轉軸線X布置，且布置在定子20內。定子20可與轉子26同心地布置。轉子26可完全或部分地由金屬材料形成，諸如不銹鋼，可具有大體環(huán)形的形狀，且限定多個轉子腔體30和布置在轉子腔體30內的多個彎曲永磁體32。彎曲永磁體32嚴密地適配在旋轉體腔體30中，且包括稀土元素的合金,諸如釹、衫、或其他任何適當鐵磁性材料。適當?shù)蔫F磁性材料包括釹鐵硼(NdFeB)合金和釤鈷(SmCo )合金。彎曲永磁體32可圍繞旋轉軸線X環(huán)形地布置，且構造為與電導體24磁性地相互作用。在IPM電機12的操作期間，響應于在電導體24和彎曲永磁體32之間形成的磁通，轉子26相對于定子20繞旋轉軸線X回轉，由此產(chǎn)生驅動扭矩以為車輛10提供動力。
[0021]在所示實施例中，轉子26限定外轉子端27和與外轉子端27相對的內轉子端29。外轉子端27和內轉子端29 二者均可限定繞旋轉軸線X的圓周。IPM電機12可限定內定子表面25和外轉子端部27之間的氣隙31。氣隙31可具有大體環(huán)形形狀和繞轉子26的跨距。轉子26包括多個極片(？)42，所述極性件繞轉子中心C環(huán)形布置，該中心可與旋轉軸線X重合。盡管附圖示出八個極性件42，但轉子26可包括更多或更少的極性件42。極間橋44使順序的極性件42分開，且可沿各極間軸線46為細長的。每個極間軸線46延伸通過旋轉體中心C且基本通過各極間橋44的中部，且限定兩個連續(xù)極性件42之間的劃分部。順序的極性件42具有相反的極性。每個極性件42還限定中心極軸線49，中心極軸線延伸通過旋轉體中心C和大致通過所述極性件42的中部。每個極性件42的中心極軸線49可還與旋轉軸線X相交。
[0022]參考圖3，每個極性件42包括多個彎曲永磁體32，它們布置在沿徑向方向彼此間隔的磁性層48、50和52中，徑向方向通過箭頭R指示。具體地，每個極性件42包括第一磁性層48、第二磁性層50和第三磁性層52。盡管附圖示出三個磁性層48、50和52，但每個極性件42可包括更多或更少磁性層。每個磁性層48、50或52可包括一對彎曲永磁體32，它們沿切向方向彼此間隔，所述切向方向通過箭頭T指示。切向方向(如箭頭T所指示)可基本垂直于徑向方向(通過箭頭R指示)。盡管附圖示出每個磁性層48、50和52僅具有兩個彎曲永磁體32，但磁性層48、50和52可每個包括更多或更少的彎曲永磁體32。每個彎曲永磁體32可以是單片結構。
[0023]所有或一些彎曲永磁體32可以是連結磁體。如在此所用的，術語“連結磁體”不包括燒結磁體。燒結磁體通過在爐子中熔化原材料、將熔化原材料鑄造到模子中，且將原材料冷卻以形成錠子而制備。錠子然后被制成粉，最終的粉末隨后經(jīng)歷液相燒結過程，由此，粉末磁性地排列成密實塊體。這些塊體然后被熱處理、切割成形、表面處理并磁化。相反，為了制造連結磁體，鐵磁性材料(諸如釹合金)的薄帶被熔紡。該帶然后被制成粉，與聚合物混合，且然后壓制或注射模制成連結磁體。連結磁體提供比燒結磁體更小的磁通，且因此沒有燒結磁體那么有力。但是，連結磁體可成形為復雜形狀零件，且比燒結磁體經(jīng)受更低的渦流損失。
[0024]重要的是形成復雜形狀的永磁體(諸如彎曲磁體32)，以增加IPM電機12的磁阻扭矩，且因此最大化其功率輸出。因此，磁性層48、50或52的至少一個具有大體錐形的截面形狀。如在此所用的，術語“錐形截面形狀”包括大體的拋物線、大體的雙曲線和大體的半橢圓形狀，并排除大體的半圓形狀。盡管嚴格數(shù)學意義上，術語“半橢圓形狀”可包括半圓形狀，如在此所用的，但術語“半橢圓形狀”排除半圓形狀。類似地，在本公開中，術語“大體的半橢圓形狀”排除大體的半圓形狀。由于它們的大體的錐形截面形狀，磁性層48、50、52可更遠地布置到內置轉子端部29中，由此改善IPM電機12的磁阻扭矩。
[0025]第一磁性層48可僅包括布置在第一轉子腔室30A中的第一永磁體32A和布置在第二轉子腔室30B中的第二永磁體32B。但是，第一磁性層48可包括更多或更少的彎曲永磁體32。第一極內橋34將第一永磁體32A與第二永磁體32B沿箭頭T所指的切向方向分開。此外，第一極內橋34可沿中心極軸線49為細長的，且增強轉子26的結構整體性。
[0026]在所示實施例中，第一永磁體32A和第二永磁體32B可一起限定基本上拋物線的形狀。相應地，第一磁性層48可具有基本上拋物線形狀。第一磁性層48的基本上拋物線形狀可繞中心或焦點F限定。焦點F可位于氣隙31中，且是由第一永磁體32A和第二永磁體32B共同限定的拋物線的焦點。中心極軸線49與焦點F相交，且與由第一永磁體32A和第二永磁體32B共同限定的拋物線的對稱軸線重合。這樣,第一永磁體32A可以是第二永磁體32B的鏡像。第一極內橋34布置在第一永磁體32A和第二永磁體32B之間，且限定由第一磁性層48限定的拋物線的頂點。第一磁性層48可替換地具有基本雙曲線或基本半橢圓形狀。在任一情況下，焦點F可限定由第一永磁體32A和第二永磁體32B共同限定的雙曲線或半橢圓的焦點，且中間極軸線49可限定由第一磁性層48限定的雙曲線或拋物線的對稱軸線。
[0027]第二磁性層50的至少一部分布置為比第一磁性層48更靠近內轉子端部29。第二磁性層50可僅包括布置在第三轉子腔室30C中的第三永磁體32C和布置在第四轉子腔室30D中的第四永磁體32D。但是，可以設想第二磁性層50可包括更多或更少永磁體。第二極內橋54將第三永磁體32C與第四永磁體32D沿箭頭T所指的切向方向分開。此外，第二極內橋54可沿中心極軸線49為細長的，且增強轉子26的結構整體性。
[0028]在所示實施例中，第三永磁體32C和第四永磁體32D —起限定基本上半橢圓的形狀。相應地，第二磁性層50可具有基本上半橢圓形狀。焦點F是通過第二磁性層50限定的半橢圓的焦點，中心極軸線49是通過第二磁性層50限定的半橢圓的對稱軸線。這樣，第三永磁體32C是第四永磁體32D的鏡像。第二極內橋54布置在第三永磁體32C和第四永磁體32D之間，且限定通過第二磁性層50限定的半橢圓的頂點。第二磁性層50可替換地具有基本拋物線或基本雙曲線形狀。在任一情況下，焦點F可限定通過第二磁性層50限定的拋物線或雙曲線的焦點，中心極軸線49限定通過第二磁性層50限定的拋物線或雙曲線的對稱軸線。[0029]第三磁性層52的至少一部分布置為比第二磁性層50更靠近內轉子端部29。第三磁性層52包括布置在第五轉子腔室30E中的第五永磁體32E和布置在第六轉子腔室30F中的第六永磁體32F。盡管附圖顯示第三磁性層52僅具有兩個永磁體，但第三磁性層52可包括更多或更少永磁體。第三極內橋56將第五永磁體32E與第六永磁體32F沿箭頭T所指的切向方向分開。此外，第三極內橋56可沿中心極軸線49為細長的，且增強轉子26的結構整體性。
[0030]第五永磁體32E和第六永磁體32F —起限定基本上雙曲線的形狀。相應地，第三磁性層52具有基本上雙曲線形狀。焦點F是通過第三磁性層52限定的雙曲線的焦點，中心極軸線49是通過第三磁性層52限定的雙曲線的對稱軸線。由此，第五永磁體32E是第六永磁體32F的鏡像。第三極內橋56布置在第五永磁體32E和第六永磁體32F之間，且限定通過第三磁性層52限定的雙曲線的頂點。代替基本上雙曲線形狀，第三磁性層52可具有基本上的半橢圓或拋物線形狀。在任一情況下，焦點F可限定通過第三磁性層52限定的半橢圓或拋物線的焦點，中心極軸線49可限定通過第三磁性層52限定的半橢圓或拋物線的對稱軸線。
[0031]盡管圖3示出具有三種不同形狀的磁性層的極性件42，但轉子26的任何極性件42可包括基本相同形狀的磁性層。例如，任何極性件42可包括三個磁性層，每個磁性層具有大體拋物線的形狀?？稍O想，任何極性件42可包括具有基本相同形狀的兩個磁性層，和具有不同形狀的第三磁性層。例如，極性件42的一個可包括具有基本雙曲線形狀的兩個磁性層，和具有基本半橢圓形狀的第三磁性層。替換地，極性件42的一個或多個可包括具有基本拋物線形狀的兩個磁性層，和具有基本雙曲線形狀的第三磁性層。任何極性件42可還包括磁性層，每個磁性層具有基本不同的形狀。
[0032]還設想，磁性層可設置在關于旋轉體中心C的不同位置處。例如，第三磁性層52的至少一部分可布置為比第一磁性層48的任何其他部分更靠近外轉子端部27。另外，極性件42可包括第一磁性層48、第二磁性層50和第三磁性層52的不同組合。
[0033]本公開還涉及制造IPM電機12的方法。通過使用連結的永磁體，制造過程被簡化，且因此制造成本最小化。在示例性實施例中，制造IPM電機12的方法包括將第一連結磁體(諸如第一永磁體32A)布置在轉子26的第一旋轉體腔體30A中；以及將第二連結磁體(諸如第二永磁體32B)布置在第二旋轉體腔體30B中。在該方法中，第一和第二連結磁體(諸如第一和第二永磁體32A、32B) —起限定基本上錐形的截面形狀。該基本上錐形的截面形狀可為基本上拋物線形狀、基本上雙曲線形狀或基本上半橢圓形狀。該制造方法可還包括將第三連結磁體(諸如第三永磁體32C)布置在第三旋轉體腔體30C中，和將第四連結磁體(諸如第四永磁體32D)布置在第四旋轉體腔體30D中。第三和第四連結磁體(諸如第三和第四永磁體32C、32D) —起限定一形狀,該形狀與由第一和第二連結磁體(諸如第一和第二永磁體32A、32B)—起限定的基本上錐形截面形狀基本上相同。替換地，第三和第四連結磁體(諸如第三和第四永磁體32C、32D)可一起限定一形狀，該形狀與由第一和第二連結磁體(諸如第一和第二永磁體32A、32B) —起限定的形狀不同。
[0034]詳細描述和附圖或視圖支持和描述本發(fā)明，但是本發(fā)明的范圍僅由權利要求限定。盡管已詳細描述了用于執(zhí)行要求保護的發(fā)明的最佳模式和其他實施例，存在各種替換涉及和實施例，用于實踐限定在所附權利要求中的本發(fā)明。
【權利要求】
1.一種內置永磁體電機，包括: 定子，包括多個電導體；和 轉子，相對于定子同心地布置，所述轉子構造為相對于定子繞旋轉軸線旋轉，且包括多個極性件，所述極性件繞旋轉軸線環(huán)形地布置，所述極性件的至少一個包括磁性層，所述磁性層構造為與電導體磁性地相互作用，其中，磁性層具有基本上錐形的截面形狀。
2.如權利要求1所述的內置永磁體電機,其中,磁性層包括第一永磁體和第二永磁體，所述第一和第二永磁體一起限定基本上錐形的截面形狀。
3.如權利要求2所述的內置永磁體電機，其中，所述第一和第二永磁體是連結磁體。
4.如權利要求2所述的內置永磁體電機，其中，該基本上錐形截面形狀從包括基本上拋物線的形狀、基本上雙曲線的形狀和基本上半橢圓的形狀的組選擇。
5.如權利要求4所述的內置永磁體電機，其中，磁性層是第一磁性層，且轉子還包括第二磁性層，該第二磁性層包括第三永磁體和第四永磁體。
6.如權利要求5所述的內置永磁體電機，其中，所述第三永磁體和第四永磁體一起限定基本上半橢圓的形狀。
7.如權利要求6所述的內置永磁體電機，其中，轉子還包括第三磁性層，所述第三磁性層包括第五永磁體和第六永磁體，所述第五和第六永磁體限定基本上雙曲線的形狀。
8.如權利要求2所述的內置永磁體電機，其中，轉子還包括極內橋，所述極內橋將第一永磁體與第二永磁體分開。
9.如權利要求8所述的內置永磁體電機，其中，氣隙限定在旋轉體和定子之間，基本上錐形截面形狀的焦點定位在氣隙中。
10.如權利要求9所述的內置永磁體電機，其中，極內橋沿中心極軸線為細長的，該中心極軸線與旋轉軸線和焦點相交。
【文檔編號】H02K1/27GK103986295SQ201410043168
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年1月29日 優(yōu)先權日:2013年2月7日
【發(fā)明者】S.朱爾科維克, K.M.拉曼, Q.牛, P.J.薩瓦吉安 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責任公司