專利名稱：用于具有附加氣隔層的永磁電機(jī)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及諸如電動(dòng)機(jī)的磁設(shè)備，且具體地涉及內(nèi)部永磁電機(jī)。
背景技術(shù)：
內(nèi)部永磁(IPM)電機(jī)由于其理想的特性即良好的扭矩密度、良好的總效率和良 好的恒功率范圍等，而有利于燃料電池和混合電動(dòng)車輛的運(yùn)行。永磁電機(jī)中的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng) 通過(guò)其結(jié)構(gòu)而獲得，不像其它電機(jī)如感應(yīng)電機(jī)、開(kāi)關(guān)電機(jī)或同步磁阻電機(jī)，在這些電機(jī) 中，磁場(chǎng)是由電源所供應(yīng)的定子電流產(chǎn)生的。因此，與其它的這類電機(jī)相比，永磁電機(jī) 顯示出優(yōu)越的效率。 然而，如同表面永磁(PM)電機(jī)，IPM電機(jī)因如下事實(shí)而負(fù)荷，即永磁磁場(chǎng)即便 在電機(jī)未通電時(shí)也存在，從而導(dǎo)致因轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)永磁磁場(chǎng)感應(yīng)而產(chǎn)生的損耗。而且，永 磁磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生通向定子繞組中的電壓("反電動(dòng)勢(shì)")。對(duì)于強(qiáng)永磁電機(jī)，該反電動(dòng)勢(shì) 可能十分顯著。 在IPM電機(jī)中，有時(shí)會(huì)添加第二轉(zhuǎn)子隔層(barrier),并且任選地在其內(nèi)放置小磁 體(用于使轉(zhuǎn)子隔層上方的電橋飽和)。該第二磁體層或氣穴(air pocket)用作對(duì)于下方第 一磁體層的永磁磁場(chǎng)的隔層，從而減小氣隙磁通量，并且還降低電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)和由永磁 磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生的損耗。對(duì)于一些電機(jī)，由于有限的空間，添加第二隔層可能不容易。而 且，第二隔層的添加可能會(huì)削弱轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)或可能未覆蓋整個(gè)下方磁體，導(dǎo)致下方隔層磁 體的某些部分直接曝露在氣隙中，而這又引起更高的損耗和更高的反電動(dòng)勢(shì)。
發(fā)明內(nèi)容
因此，希望的是，提供一種IPM電機(jī)，其降低與磁場(chǎng)相關(guān)的損耗，同時(shí)最大限 度地減小反電動(dòng)勢(shì)和氣隙磁通量。結(jié)合附圖和上述技術(shù)領(lǐng)域和背景技術(shù)，根據(jù)隨后的詳 細(xì)描述和附屬權(quán)利要求，本發(fā)明的其它理想特征和特性將變得明顯。
通過(guò)參考詳細(xì)描述和權(quán)利要求并結(jié)合以下附圖，可更全面地理解本發(fā)明，在附 圖中類似的標(biāo)號(hào)指代類似的部件。 圖1以截面圖的方式描繪了各種內(nèi)部永磁(IPM)電機(jī)；
圖2以截面圖的方式描繪了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的IPM電機(jī)； 周3和圖4為曲線圖，顯示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的IPM電機(jī)的示例性的經(jīng)驗(yàn)性結(jié) 果。
具體實(shí)施例方式
以下詳細(xì)描述在本質(zhì)上僅是說(shuō)明性的，而非意圖限制本發(fā)明或本發(fā)明的應(yīng)用和 用途。而且，也非意圖受到在前述技術(shù)領(lǐng)域、背景技術(shù)、發(fā)明內(nèi)容或以下具體實(shí)施方式
中提出的明示或暗示的理論的限制。在本文中可通過(guò)功能和/或邏輯的單元部件和各種處 理步驟來(lái)描述本發(fā)明。應(yīng)該理解，這樣的單元部件可以由任意數(shù)量的構(gòu)造成執(zhí)行特定功 能的硬件、軟件或固件部件來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了簡(jiǎn)明起見(jiàn)，文中不對(duì)涉及電動(dòng)機(jī)、磁等常規(guī)技 術(shù)和系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)描述。 通常，各種實(shí)施例著重介紹永磁電機(jī)("PM電機(jī)")，特別是包括轉(zhuǎn)子的內(nèi)部 永磁電機(jī)("IPM電機(jī)")，該轉(zhuǎn)子具有在相同轉(zhuǎn)子槽內(nèi)位于第一磁體隔層上方的附加氣 隔層。因此，不需要第二隔層(即用以降低氣隙通量)。第一層永磁體上方所添加的氣 隔層，用作第一層磁體的隔層并降低磁通量。因而，降低了電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)和磁體感生損 耗(如鐵損)。磁體上方所添加的氣隔層還類似于雙隔層轉(zhuǎn)子幾何形狀而一定程度地提高 了轉(zhuǎn)子凸極性(saliency)。這部分地補(bǔ)償了因在氣隙內(nèi)永磁場(chǎng)的下降而引起的轉(zhuǎn)矩降低。
內(nèi)部PM電機(jī)一般包括有一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子隔層(或簡(jiǎn)稱為"隔層")。這些隔層 將阻抗(磁阻)引入磁場(chǎng)從而引入轉(zhuǎn)子凸極性。該凸極性為轉(zhuǎn)矩源，即通常所說(shuō)的磁阻轉(zhuǎn) 矩。
一般來(lái)說(shuō)，隔層數(shù)越多，磁阻轉(zhuǎn)矩便越大。例如，圖l(a)至圖l(c)示出了經(jīng)過(guò)各 個(gè)示范性IPM電機(jī)100的部分截面，這些IPM電機(jī)100具有單隔層或雙隔層轉(zhuǎn)子106。 更具體地說(shuō)，圖1(a)示出了具有磁體110和轉(zhuǎn)子槽或腔體(隔層)125的轉(zhuǎn)子100，其中， 轉(zhuǎn)子槽或腔體(隔層)125在相對(duì)于磁體110的各個(gè)位置處結(jié)合到該結(jié)構(gòu)中。如同常規(guī)的 一樣，IPM電機(jī)100包括具有多個(gè)繞組102的定子101，該繞組102與轉(zhuǎn)子106中的磁體 110磁性地相互作用。各個(gè)腔體設(shè)置在轉(zhuǎn)子106的區(qū)域104內(nèi)，并且根據(jù)結(jié)構(gòu)中所結(jié)合的 層數(shù)，所有的這些腔體或其一部分以常規(guī)方式填充有永磁體。 圖l(b)更具體地描述了雙隔層PM轉(zhuǎn)子，其中在第二隔層部分地填充有磁體 110。類似的是，圖l(c)示出了雙隔層PM轉(zhuǎn)子，其中在第二層內(nèi)沒(méi)有磁體，即第二隔層 僅包括充有空氣的腔體。圖l(b)和圖l(c)中所示的添加的第二隔層增加了對(duì)下方磁體隔 層的阻抗，從而減小了氣隙磁通量。然而，如前所述，在轉(zhuǎn)子中添加第二隔層可機(jī)械地 削弱轉(zhuǎn)子。另外，對(duì)于有些電機(jī)而言，添加任何的這種第二隔層因例如有限的空間(如 圖l(a)的轉(zhuǎn)子)而在幾何結(jié)構(gòu)上便是不可行的。 也可以設(shè)置具有多于兩個(gè)隔層的轉(zhuǎn)子，然而，這樣的設(shè)計(jì)不合需要地增加了制 造復(fù)雜性。增加隔層數(shù)改善了轉(zhuǎn)子凸極性，并因而改善了電機(jī)轉(zhuǎn)矩。而且，第二轉(zhuǎn)子隔 層常常作為內(nèi)磁體層的隔層而工作，因此減小了氣隙中的磁通量。氣隙中磁通量的減小 降低了磁體轉(zhuǎn)矩，但如前所述，由提高的轉(zhuǎn)子凸極性些微地補(bǔ)償。 在混合應(yīng)用中，當(dāng)PM電機(jī)作為傳動(dòng)裝置的一部分時(shí)，通常即使電機(jī)不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 或產(chǎn)生非常低的轉(zhuǎn)矩，電機(jī)也連同不同的齒輪組一起旋轉(zhuǎn)。若電機(jī)驅(qū)動(dòng)循環(huán)相當(dāng)大的部 分是無(wú)負(fù)載或低負(fù)載運(yùn)行，則會(huì)影響傳動(dòng)裝置的總效率。旋轉(zhuǎn)的磁通量還會(huì)在定子繞組 中感應(yīng)產(chǎn)生電壓，通常稱為反電動(dòng)勢(shì)。永磁轉(zhuǎn)子的高磁通量可在定子中感應(yīng)產(chǎn)生非常高 的電壓，尤其是在電機(jī)的高速運(yùn)行期間。因此，對(duì)于這種電機(jī)而言，希望的是降低電機(jī) 氣隙通量。
圖2描繪了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的IPM電機(jī)200，在其中，在放置磁體的腔體 或槽中結(jié)合了氣隔層，而非添加額外的隔層。也就是說(shuō)，如圖所示， 一對(duì)磁體110放置 在構(gòu)造成大于磁體本身的相應(yīng)腔體中，從而允許鄰近磁體形成氣隔層。
在圖2示出的截面圖中，腔體包括由磁體110填充的區(qū)域和由與其鄰近的各個(gè)氣 穴(即氣穴226、 225和227)所限定的區(qū)域的組合。因此，用語(yǔ)"腔體"用來(lái)指代在插 入磁體110之前如此限定的區(qū)間。盡管圖2顯示了磁體110和氣穴225、 226以及227的 截面視圖，但可理解的是，腔體延伸至轉(zhuǎn)子106的區(qū)間104內(nèi)，并且將限定具有任何適當(dāng) 形狀的三維容積。 可選擇各氣穴225、 226以及227的大小、位置和幾何形狀，以達(dá)到所希望的設(shè) 計(jì)目標(biāo)。例如，在示出的實(shí)施例中，氣隔層225被構(gòu)造成鄰近磁體110的"頂部"(即 徑向地朝向轉(zhuǎn)子101的外表面)。這些頂部氣隔層225大致為三角形(或三角形狀 (trianguloid))的，并大致延伸各磁體110的整個(gè)長(zhǎng)度。在本實(shí)施例中，成對(duì)的矩形磁體構(gòu) 造為相對(duì)于彼此成角度的，即限定向外面向定子101的鈍角，并且，氣穴225的最寬部分 (對(duì)應(yīng)于各頂點(diǎn))鄰近磁體110的最接近定子101的角部。 在本實(shí)施例中，附加的"底部"氣隔層227限定在磁體110與氣隙225相反的 一側(cè)，并且其截面面積大體上小于氣隙225的截面面積。在示出的實(shí)施例中，底部氣隙 227也大致為三角形并鄰近磁體110的角部。 圖2中還示出了 "側(cè)部"氣隙226，如圖所示，在本實(shí)施例中，氣隙226設(shè)置成 鄰近磁體110的邊緣。在一個(gè)實(shí)施例中，側(cè)部氣隙226延伸磁體110的整個(gè)高度(沿徑 向)。 如圖所示，還可在轉(zhuǎn)子106內(nèi)設(shè)置附加的常規(guī)氣穴(轉(zhuǎn)子槽)125，即不與上述限 定的腔體鄰接的氣穴。 上述結(jié)構(gòu)在許多方面都有優(yōu)勢(shì)。具體而言，在永磁體IIO上方所添加的氣隔層 225用作第一層磁體的隔層并且減小了磁通量，由此還降低了電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)和磁體感應(yīng)損 耗。同時(shí)，轉(zhuǎn)子凸極性因直軸(磁體軸線)電感的降低而提高。 例如，圖3為經(jīng)驗(yàn)曲線圖，顯示了圖2中的轉(zhuǎn)子與圖l(a)的轉(zhuǎn)子(無(wú)氣隔層)相 比較的無(wú)負(fù)載鐵損(自旋損耗)。從圖中可以看出，鐵損大大減少。氣隔層的添加還降 低了電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)。圖4描繪了上述兩個(gè)轉(zhuǎn)子的反電動(dòng)勢(shì)。從圖中可以看出，電機(jī)的 反電動(dòng)勢(shì)顯著地下降減小。由于一些轉(zhuǎn)矩?fù)p耗由轉(zhuǎn)子提高的凸極性(更高磁阻轉(zhuǎn)矩)所補(bǔ) 償，故電機(jī)轉(zhuǎn)矩因氣隔層的添加(低磁通量)所引起的減小是很小的。
雖然在上述詳細(xì)描述中給出了至少一個(gè)示例實(shí)施例，但應(yīng)認(rèn)識(shí)到的是，還存在 著大量的變型。例如，除了示出的單層之外，還可以結(jié)合另外的隔層。還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到， 文中所述的示例實(shí)施例并非意圖以任何方式限制本發(fā)明的范圍、適用性或構(gòu)造。相反， 上述的詳細(xì)描述將為本領(lǐng)域技術(shù)人員提供用于實(shí)施所述實(shí)施例的方便的路線圖。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，可以在部件的功能和構(gòu)造方面作 出各種改動(dòng)。
權(quán)利要求
一種內(nèi)部永磁電機(jī)，包括繞線定子；轉(zhuǎn)子，其構(gòu)造成用以與所述繞線定子電磁地相互作用，所述定子具有外表面；多個(gè)腔體，其設(shè)置在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)，各腔體均具有總?cè)莘e；以及多個(gè)磁體，其設(shè)置在所述多個(gè)腔體內(nèi)，使得各腔體的總?cè)莘e僅部分地由相應(yīng)的磁體所填充，并使得氣隔層鄰近各磁體而形成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)部永磁電機(jī)，其特征在于，所述氣隔層包括位于所述轉(zhuǎn)子 的外表面和所述磁體之間的頂部氣隔層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的內(nèi)部永磁電機(jī)，其特征在于，所述頂部氣隔層大致為三角形 狀的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的內(nèi)部永磁電機(jī)，其特征在于，所述多個(gè)磁體均成對(duì)地構(gòu)造而 限定了朝向所述轉(zhuǎn)子的外表面的凹角，且其中，所述大致為三角形狀的頂部氣隔層具有 頂點(diǎn)，所述頂點(diǎn)與最接近所述外表面的所述磁體的角部相鄰近。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的內(nèi)部永磁電機(jī)，其特征在于，所述氣隔層還包括鄰近所述頂 部氣隔層的側(cè)部氣隔層。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的內(nèi)部永磁電機(jī)，其特征在于，所述氣隔層還包括底部氣隔 層，所述底部氣隔層與所述頂部氣隔層相反地鄰近所述磁體。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)部永磁電機(jī)，其特征在于，所述內(nèi)部永磁電機(jī)還包括第二 組氣隔層，所述第二組氣隔層不與由所述腔體形成的所述氣隔層相鄰接。
8. —種制造內(nèi)部永磁電機(jī)的方法，所述方法包括 提供繞線定子；提供具有外表面的轉(zhuǎn)子；在所述轉(zhuǎn)子中形成多個(gè)腔體，各腔體均具有總?cè)莘e；在所述多個(gè)腔體中布置多個(gè)磁體，使得各腔體的所述總?cè)莘e僅部分地由相應(yīng)的磁體 填充，并使得氣隔層鄰近各磁體而形成；以及 將所述繞線定子設(shè)置成與所述轉(zhuǎn)子磁性連通。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述氣隔層包括位于所述轉(zhuǎn)子的外表面 和所述磁體之間的頂部氣隔層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述頂部氣隔層大致為三角形狀的。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述多個(gè)磁體均成對(duì)地構(gòu)造而限定了 朝向所述轉(zhuǎn)子的外表面的凹角，且其中，所述大致為三角形狀的所述頂部氣隔層具有鄰 近頂點(diǎn)，所述頂點(diǎn)與最接近所述外表面的所述磁體的角部相鄰近。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述氣隔層還包括鄰近所述頂部氣隔 層的側(cè)部氣隔層。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述氣隔層還包括底部氣隔層，所述 底部氣隔層與所述頂部氣隔層相反地鄰近所述磁體。
14. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述內(nèi)部永磁電機(jī)還包括第二組氣隔 層，所述第二組氣隔層不與由所述腔體形成的所述氣隔層相鄰接。
15. —種結(jié)合混合電動(dòng)車輛的所用類型的牽引電動(dòng)機(jī)，所述牽引電動(dòng)機(jī)包括繞線定子；轉(zhuǎn)子，其構(gòu)造成用以與所述繞線定子電磁地相互作用，所述定子具有外表面；多個(gè)腔體，其設(shè)置在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)，各腔體均具有總?cè)莘e；以及多個(gè)磁體，其設(shè)置在所述多個(gè)腔體內(nèi)，使得各腔體的所述總?cè)莘e僅部分地由相應(yīng)的磁體所填充，并使得氣隔層鄰近各磁體而形成，其中，所述氣隔層包括位于所述轉(zhuǎn)子的外表面和所述磁體之間的頂部氣隔層。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的牽引電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述頂部氣隔層大致為三角形狀的。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的牽引電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述多個(gè)磁體均成對(duì)地構(gòu)造而限定了朝向所述轉(zhuǎn)子的外表面的凹角，且其中，所述大體為三角形狀的頂部氣隔層具有頂點(diǎn)，所述頂點(diǎn)與最接近所述外表面的所述磁體的角部相鄰近。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的牽引電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述氣隔層還包括鄰近所述頂部氣隔層的側(cè)部氣隔層。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的牽引電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述氣隔層還包括底部氣隔層，所述底部氣隔層與所述頂部氣隔層相反地鄰近所述磁體。
20. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的牽引電動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述內(nèi)部永磁電機(jī)還包括第二組氣隔層，所述第二組氣隔層不與由所述腔體形成的所述氣隔層相鄰接。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于具有附加氣隔層的永磁電機(jī)的方法和裝置。具體而言，例如在牽引電動(dòng)機(jī)和混合電動(dòng)車輛中所用類型的內(nèi)部永磁電機(jī)(“IPM電機(jī)”)，包括具有附加氣隔層的轉(zhuǎn)子，該氣隔層在相同轉(zhuǎn)子槽內(nèi)位于第一磁體隔層上方。各磁體均僅填充各腔體的一部分，從而限定該氣隔層。第一層永磁體上方的附加氣隔層，用作第一層磁體的隔層并降低了磁通量。
文檔編號(hào)H02K1/27GK101692588SQ20081017983
公開(kāi)日2010年4月7日 申請(qǐng)日期2008年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月1日
發(fā)明者E·L·凱澤, K·M·拉曼, M·D·拉巴 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司