本公開涉及電機(jī)。更具體地，本公開涉及具有外部轉(zhuǎn)子的磁阻輔助外部轉(zhuǎn)子pmsm(永磁同步電機(jī))。

背景技術(shù)：

油價(jià)上漲、空氣污染和其他環(huán)境問題是在汽車應(yīng)用中嘗試用電力牽引系統(tǒng)取代內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的背后的動力。在不同類型的電力牽引系統(tǒng)中，具有永磁材料的機(jī)器由于其高轉(zhuǎn)矩密度和高效率而表現(xiàn)出巨大的潛力，這通常導(dǎo)致緊湊的尺寸和更高的車輛自主性。

通常，電力列車的牽引電機(jī)被設(shè)計(jì)為具有寬的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速范圍(以單一齒輪比一起使用)、低轉(zhuǎn)速下的高轉(zhuǎn)矩(用于更好的加速)以及最大速度下的可接受功率。此外，這些機(jī)器在中速范圍內(nèi)應(yīng)具有高效率值，以增加車輛的自主性。由于應(yīng)用的限制，這種機(jī)器的可用空間是有限的。成本是另一個(gè)關(guān)鍵因素。這些要求在設(shè)計(jì)過程中提出了應(yīng)符合的不同的約束條件，這使其成為一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

近年來，存在用于重型應(yīng)用的直接驅(qū)動機(jī)器的趨勢，這消除了在動力傳動系中使用變速箱的需要。這有助于降低成本，并還提高整個(gè)系統(tǒng)的效率和可靠性。

稀土永磁體通常用于牽引電動機(jī)中，主要是由于其良好的性能。然而，地球的資源并不是無窮無盡的，稀土永磁體變得非常昂貴。因此，正在研究在電動機(jī)中減少使用永磁體。

附圖說明

在附圖中：

圖1示意性地示出了外部轉(zhuǎn)子電機(jī)；

圖2示意性地示出了外部轉(zhuǎn)子spm機(jī)器的典型轉(zhuǎn)子配置；

圖3示意性地示出了在磁體和剛性轉(zhuǎn)子之間的增加的疊片條；

圖4示意性地示出了根據(jù)第一示例性實(shí)施例的外部轉(zhuǎn)子機(jī)器中的磁體的移位；

圖5是示出由于極移位引起的齒槽轉(zhuǎn)矩減小的曲線圖；

圖6是示出由于極移位引起的轉(zhuǎn)矩波動減小的曲線圖；

圖7是示出參考spm與圖4的外部轉(zhuǎn)子機(jī)器的對比曲線圖；以及

圖8是根據(jù)第二示例性實(shí)施例的外部轉(zhuǎn)子電機(jī)的正面剖視圖。

具體實(shí)施方式

通過在磁體之間設(shè)置不同尺寸的易磁化的突起，從而使一些極偏移，實(shí)現(xiàn)永磁體量的減少，同時(shí)降低齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動。

更具體地，根據(jù)示例性實(shí)施例，提供了一種外部轉(zhuǎn)子電機(jī)，包括內(nèi)部定子和與內(nèi)部定子同軸的外部轉(zhuǎn)子。外部轉(zhuǎn)子包括面向所述內(nèi)部定子的內(nèi)部表面。外部轉(zhuǎn)子包括在轉(zhuǎn)子的內(nèi)部表面上沿圓周方向布置的永磁體，以及分別布置在相鄰永磁體之間的易磁化的突起。易磁化的突起被配置和設(shè)計(jì)尺寸以定位磁體，從而減少齒槽轉(zhuǎn)矩(coggingtorque)和轉(zhuǎn)矩波動(torqueripple)。

當(dāng)與權(quán)利要求和/或說明書中的術(shù)語“包括”一起使用時(shí)，使用詞語“一”、“一個(gè)”可以意思是“一個(gè)”，但是它也與“一個(gè)或更多”、“至少一個(gè)”以及“一個(gè)或多于一個(gè)”的含義一致。類似地，“另一”一詞可能意味著至少第二個(gè)或更多。

如本說明書和權(quán)利要求書中所使用的，詞語“包括”(和任何形式的包括，例如原形和第三人稱單數(shù)形式)、“有”(和任何形式的有，例如原形和第三人稱單數(shù)形式)、“具有”(和任何形式的具有，例如原形和第三人稱單數(shù)形式)或“包含”(或任何形式的包含)是包容性的或開放式的，并且不排除額外的未被敘述的元件或過程步驟。

在本說明書和所附權(quán)利要求書中，使用例如“縱向”、“水平”、“前”、“后”、“向上”、“向下”等本質(zhì)上是方向、幾何和/或空間的各種術(shù)語。應(yīng)當(dāng)理解，這樣的術(shù)語僅用于描述的方便性和相對意義，并且不以任何方式被視為對本發(fā)明的范圍的限制。

應(yīng)在本文和所附權(quán)利要求中廣泛地解釋“連接”一詞，以便包括機(jī)械零件或部件之間的任何協(xié)作或被動關(guān)聯(lián)。例如，這些部件可以通過直接聯(lián)接或者使用其它零件間接聯(lián)接組裝在一起。聯(lián)接也可以是遠(yuǎn)程的，例如使用磁場等。

在閱讀以下僅通過示例參考附圖給出的示例性實(shí)施例的非限制性描述時(shí)，本發(fā)明的磁阻輔助外部轉(zhuǎn)子pmsm的其它目的，優(yōu)點(diǎn)和特征將變得更加明顯。

一般來說，示例性實(shí)施例提供有設(shè)置在相鄰永磁體之間的易磁化的突起。由于用于減少齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動的磁體偏移，這些突起的尺寸不相等。

現(xiàn)在參考附圖，圖1以側(cè)剖視圖示出外部轉(zhuǎn)子電機(jī)10。電機(jī)10包括由堆疊的疊片14制成的內(nèi)部定子12，該定子12設(shè)置有通常放置在向外面向的槽中的線圈(未示出)。電機(jī)10還包括具有內(nèi)部表面20的外部圓柱形轉(zhuǎn)子18，永磁體22安裝到該內(nèi)部表面20。

在任何電機(jī)中，轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子和定子通量之間的相互作用的結(jié)果。在表面安裝的永磁機(jī)器(pmsm)中，稀土磁性材料是轉(zhuǎn)子通量的源，而電流是定子通量的源。通常，可以通過控制電流相對于轉(zhuǎn)子磁通量矢量的角度來最大化轉(zhuǎn)矩與電流的比率。該轉(zhuǎn)矩由下式表示。

在同步磁阻機(jī)器中，由于磁路和因此磁通路徑的各向異性而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。d軸和q軸的不同磁阻和轉(zhuǎn)子與最低磁阻路徑對準(zhǔn)的趨勢導(dǎo)致產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，如下式所示。

t＝k_2(ld-lq)＊idiq(2)

如下所示，內(nèi)插式永磁體機(jī)器享有轉(zhuǎn)矩的兩個(gè)分量。

通常，外部轉(zhuǎn)子機(jī)器的優(yōu)點(diǎn)是其較高的氣隙半徑，這導(dǎo)致相同磁力的較高轉(zhuǎn)矩。為了保持這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，轉(zhuǎn)子18的厚度應(yīng)該保持盡可能薄。轉(zhuǎn)子通常由剛硬的碳鋼制成，以便承受離心力和振動，如圖1和圖2所示。

為了產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)子磁路中可能產(chǎn)生顯著的各向異性(顯著性)，由于可用空間有限，這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。此外，由于引入的各向異性，這導(dǎo)致更高的渦流損耗。因此，使用碳鋼材料來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)通常是不實(shí)際的。另一方面，由疊片制成的薄轉(zhuǎn)子不能正常地支撐高速時(shí)存在的離心力。因此，從圖3可以看出，在磁體22'和硬質(zhì)碳鋼轉(zhuǎn)子18之間增加疊片條23，以實(shí)現(xiàn)所需的顯著性和剛硬要求。

磁體22'和轉(zhuǎn)子疊片條23的尺寸通常通過使用隨機(jī)優(yōu)化算法和通過考慮通常在汽車應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)約束來優(yōu)化。

與具有相同尺寸的參考spm機(jī)器相比，優(yōu)化后的最終解決方案具有相當(dāng)少的磁體。此外，與原始spm機(jī)器相比，所提出的機(jī)器的性能顯示出明顯的改進(jìn)。詳細(xì)比較如下。

使用磁阻轉(zhuǎn)矩的缺點(diǎn)之一是相關(guān)聯(lián)的齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動。通常，將轉(zhuǎn)矩脈動保持在可接受的水平是令人感興趣的。所選擇的減小轉(zhuǎn)矩波動的方法將應(yīng)用極偏移拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(pole-shiftingtopology)。

理論上，如圖4所示，可以通過使磁體周向地偏移來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩諧波消除。

在許多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)矩諧波的主要分量取決于每極每相的槽(spp)的數(shù)量。例如，具有spp＝1的三相機(jī)器每個(gè)極對具有六個(gè)槽，其導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的6次諧波。在spp＝2的機(jī)器的情況下，主要諧波為12次諧波。為了消除6次諧波，磁體可偏移30電角度。而為了消除12次諧波，15電角度通常就足夠了。

圖4所示的極偏移方法可以簡化制造過程。然而，它受到機(jī)器的幾何結(jié)構(gòu)的物理限制，并且可能在所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中引起更高的飽和電平。在圖4中，單獨(dú)的環(huán)形段30設(shè)置有中心突起32、位于中心突起32的任一側(cè)上的兩個(gè)側(cè)向突起34,36以及兩個(gè)永磁體容納部分38和40。

從圖4可以看出，環(huán)形段30包括在突起32,34,36和相應(yīng)的側(cè)向磁體接收部之間的四個(gè)圓形凹口42。在段30內(nèi)，凹口42一起限定突起和相應(yīng)磁體之間的通道，從而防止磁場直接從磁體去到突起。每個(gè)凹口42與磁體接收部一起形成一個(gè)小的肩部，其幫助磁體定位和保持在位。

插入磁體接收部38中的磁體44的其北極面向定子，而插入磁體接收部40中的磁體46的其南極面向定子。

中心突起32的寬度大于側(cè)向突起34和36的組合。因此相鄰磁體之間的間距不相等，從而產(chǎn)生極偏移。如上所述，偏移角取決于電動機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

在圖5和圖6中分別將由極偏移方法引起的齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動減小與相同的機(jī)器在沒有極偏移的情況進(jìn)行了比較?；谒镜慕Y(jié)果，可以得出結(jié)論，通過所提出的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)顯著的減小。

在圖6中，將所提出的磁阻輔助外部轉(zhuǎn)子pm機(jī)器的性能與原始的表面安裝的pm機(jī)器進(jìn)行比較。為了公平比較，在兩臺機(jī)器中都使用相同的定子組件。比較了兩種不同的場景。在第一種場景中，新機(jī)器在低速條件下的最大所需轉(zhuǎn)矩被認(rèn)為與spm機(jī)器相同。在第二個(gè)場景中，機(jī)器的最大速度與spm機(jī)器的最大速度保持相等。在圖7中，將兩種場景的轉(zhuǎn)矩-速度特性與參考spm機(jī)器進(jìn)行比較。

基于圖7，可以得出以下結(jié)論：

在第一種場景下，與參考spm機(jī)器相比以大約少35％的磁體實(shí)現(xiàn)了30％的最大速度增加。

在第二種場景下，以大約少15％的磁體，增加最大轉(zhuǎn)矩20％。場景2中轉(zhuǎn)矩增加的百分比低于場景1中的速度增長百分比。這被認(rèn)為是由于芯飽和以及磁阻轉(zhuǎn)矩的貢獻(xiàn)。

除了這些事實(shí)之外，磁阻輔助機(jī)器的更高的d軸電感導(dǎo)致更容易的場弱化、更低的短路電流以及因此更低的持續(xù)耐受短路電流的能力。這意味著使用提出的磁阻輔助概念設(shè)計(jì)容錯(cuò)機(jī)器更容易。最后，較高的電感意味著較低的渦流損耗，這是由于pwm開關(guān)所致，它是確定機(jī)器的高速連續(xù)功率的一個(gè)非常重要的因素。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到附圖的圖8，將描述根據(jù)第二示例性實(shí)施例的電機(jī)100。

一般來說，盡管上文所述和圖4中所示的實(shí)施例使用堆疊的疊片來體現(xiàn)設(shè)在相鄰永磁體之間的易磁化的突起，但是提出插入式軟磁材料(也稱鐵磁材料)的塊，例如，如smc(軟磁性復(fù)合材料)或磁性粉末，以在電機(jī)100中體現(xiàn)這些突起。smc塊的增加減小了正交軸線磁阻，因?yàn)樗鼫p少了正交軸線通量路徑中的氣隙厚度。因此，這在電機(jī)中產(chǎn)生更強(qiáng)的補(bǔ)償磁阻轉(zhuǎn)矩，從而提高其性能。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過使用粉末冶金，可以生產(chǎn)適于定位在相鄰永磁體之間的smc塊，因此替換外部轉(zhuǎn)子電機(jī)中的一些永磁體。已發(fā)現(xiàn)力拓公司(riotinto)制造的磁性粉末，如atomet1和atomet3適于制造smc塊。

永磁體122的其北極面向定子12，永磁體123的其南極面向定子12。

從電機(jī)100的正視圖圖8可以更好地看出，smc塊124a和124b以及永磁體122,123交替地安裝到轉(zhuǎn)子18的內(nèi)部表面20。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，粘合劑(未示出)可以設(shè)置在smc塊124a,124b和轉(zhuǎn)子18之間以及在磁體122,123和轉(zhuǎn)子18之間?？商娲?，其它機(jī)械元件(未示出)可以用來將smc塊和磁體適當(dāng)?shù)匕惭b到轉(zhuǎn)子18。

在電機(jī)100中，永磁體122和123不是等間隔的，因此存在兩個(gè)尺寸的smc塊124a和124b。

實(shí)際上，如上所述，為了減小機(jī)器100中的齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動，永磁體122,123在轉(zhuǎn)子18的內(nèi)部表面20上不是等間隔的。從該圖可以看出分隔具有面向定子12的北極的兩個(gè)相繼的磁體122的360度的電角度126不是常規(guī)地由位于它們之間的磁體123一分為二。

實(shí)際上，極的角度偏移取決于設(shè)計(jì)要求。如上所述，選擇30電角度偏移以減小6次轉(zhuǎn)矩諧波，而選擇15度以減小12次轉(zhuǎn)矩諧波，等等。

在圖8所示的情況下，在該配置中應(yīng)用15度偏移，因?yàn)樾枰?2次諧波中減小齒槽和轉(zhuǎn)矩波動。實(shí)際上，電角度128為165度。

因此，smc塊124a和124b在尺寸上不相同，以在相鄰塊和磁體之間保持基本相等的距離。

如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的，這里所示和上文所述的電機(jī)10和100是示意性的，并且對于它們的操作缺乏許多要求的元件。事實(shí)上，只顯示和討論了與外部轉(zhuǎn)子電機(jī)的理解有關(guān)的元件。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以通過改變永磁體和smc塊的尺寸來實(shí)現(xiàn)所使用的永磁體材料的量的減少。

應(yīng)當(dāng)理解，磁阻輔助外部轉(zhuǎn)子pmsm在其應(yīng)用上不限于附圖中所示并且在上文中描述的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和零件。磁阻輔助外部轉(zhuǎn)子pmsm能夠具有其他實(shí)施例并以各種方式進(jìn)行實(shí)踐。還應(yīng)當(dāng)理解，本文使用的措辭或術(shù)語是為了描述而不是限制的目的。因此，盡管上面已經(jīng)通過其示例性實(shí)施例描述了磁阻輔助外部轉(zhuǎn)子pmsm，但是在不脫離其精神、范圍和性質(zhì)的情況下，可以對其進(jìn)行修改。