用于内置永磁体电机转子的几何结构的制作方法
【专利摘要】内置永磁体电机包括绕线定子，和限定多个磁极腔室的转子芯部。所述磁极腔室的每个包括垂直于中心旋转轴线的横截面，其限定具有中心线的横截面形状。所述磁极腔室的每个的横截面形状包括径向在内的屏障部分、径向在外的屏障部分、和中央部分。每个磁极腔室的径向在内的屏障部分和径向在外的屏障部分的每个的横截面形状的中心线通过大体弓形段限定。每个磁极腔室的中央部分的横截面形状的中心线通过直线段限定。不具有重稀土元素的多个稀土磁体中的一个布置在所述多个磁极腔室中的一个的中央部分内。
【专利说明】
用于内置永磁体电机转子的几何结构
技术领域
[0001]本发明大体涉及内置永磁体电机。
【背景技术】
[0002]内置永磁体(IPM)电机包括转子组件，转子组件具有多个绕转子组件外周边布置的极性交替的磁体。转子组件在包括多个绕组的定子内可旋转。转子组件与定子磁性地相互作用，以产生转子组件绕中心旋转轴线的旋转。
[0003]IPM电机可使用铁氧磁体或稀土磁体，诸如NdFeB。当用在相同构造的IPM电机中时，与稀土磁体相比，铁氧磁体较廉价，但产生较低性能。典型地在IPM电机中使用的稀土磁体通常包括重稀土元素，诸如镝或铽，用于操作温度稳定性。不包括重稀土元素的稀土磁体具有比包括重稀土元素的稀土磁体明显低的矫顽性，这使得它们更容易被去磁化。但是，在稀土磁体中包含重稀土元素增加稀土磁体的成本。
【发明内容】
[0004]提供了一种内置永磁体(IPM)电机。IPM电机包括绕线定子和转子芯部。转子芯部包括多个磁极，每个磁极限定多个磁极腔室。所述多个磁极腔室的每个包括垂直于中心旋转轴线的横截面，其限定具有中心线的横截面形状。所述多个磁极腔室的每个的横截面形状包括径向在内的屏障部分、径向在外的屏障部分、和中央部分。中央部分布置在径向在内的屏障部分和径向在外的屏障部分之间。每个磁极腔室的径向在内的屏障部分和径向在外的屏障部分的每个的横截面形状的中心线通过大体锥形段限定。每个磁极腔室的中央部分的横截面形状的中心线通过直线段限定。IPM电机还包括多个磁体。所述多个磁体的一个布置在所述多个磁极腔室的一个的中央部分内。
[0005]相应地，每个磁极腔室的径向在内的屏障部分和径向在外的屏障部分提供了针对去磁化的足够保护，以允许利用不包括任何重稀土元素的稀土磁体，所述元素诸如镝或铽。每个磁极腔室的直的线性中央部分允许利用烧结的预制造稀土磁体，且将稀土磁体牢固地定位在位，因为径向在内的屏障部分和径向在外的屏障部分包括锥形形状，其不允许矩形形状的稀土磁体相对于中心旋转轴线径向向内或向外地移动。
[0006]每个磁极包括多排，它们相对于中心旋转轴线彼此径向地间隔开，每排具有两个磁极腔室，所述磁极腔室对称地布置在磁极轴线的相对侧上。
[0007]每个磁极包括第一排磁极腔室、第二排磁极腔室、第三排磁极腔室和第四排磁极腔室。
[0008]每个磁极腔室的中心线包括由其相应磁极腔室的径向在内的屏障部分限定的内部长度、由其相应磁极腔室的径向在外的屏障部分限定的外部长度，和由其相应磁极腔室的中央部分限定的中央长度。
[0009]每个磁极腔室的中央长度大于相应磁极腔室的内部长度和相应磁极腔室的外部长度。
[0010]每个磁极腔室的内部长度大于其相应磁极腔室的外部长度。
[0011]每个磁极腔室的外部长度为其相应磁极腔室的中央长度的10%至60%。
[0012]每个磁极腔室的内部长度为其相应磁极腔室的中央长度的10%至50%。
[0013]每排的每个磁极腔室的在外屏障部分的中心线的长度随距所述磁极轴线的距离增加而增加。
[0014]所述多个磁极腔室的每个的横截面形状包括第一端部表面、第二端部表面、内边缘表面和外边缘表面，并且其中，每个相应的磁极腔室的内边缘表面和外边缘表面与它们相应的磁极腔室的中心线平行。
[0015]转子芯部包括桥状部，其在每个磁极腔室的内边缘表面和外边缘表面之间延伸，且在径向在外屏障部分和中央部分之间。
[0016]本教导的上述特征和优势及其他特征和优势将从用于实施本教导的最佳模式的以下详细描述连同附图时显而易见。
【附图说明】
[0017]图1是内置永磁体电机的不意性局部横截面图；
[0018]图2是内置永磁体电机的放大示意局部横截面图，其显示了磁极腔室和其中的磁体；
[0019]图3是内置永磁体电机的示意局部横截面图，其显示了转子组件的替换实施例。
【具体实施方式】
[0020]本领域普通技术人员将认识到，诸如“之上”、“之下”、“向上”、“向下”、“顶部”、“底部”等的术语用来描述附图，且不表示对本发明的范围的限制，所述范围如由所附的权利要求所限定的。此外，本发明在此在功能和/或逻辑块部件和/或各处理步骤方面被描述。应意识到，这样的块部件可由任何数量的构造为执行特定功能的硬件、软件、和/或固件部件构成。
[0021 ]参考图1和2，其中，相同的幅图标记在图1中表示相同的部件，内置永磁体(IPM)电机在20处大致示出。IPM电机20可包括，但不限于，电马达或其他类似的装置。
[0022]参考图1和3，IPM电机20包括绕线定子22和转子组件24。转子组件24构造为与绕线定子22磁性地相互作用，以相对于绕线定子22绕中心旋转轴线26旋转。如所示，转子组件24包括沿第一磁极轴线30定心的第一磁极28(例如，北极)，和沿第二磁极34定心的第二磁极32(例如，南极)。第一磁极轴线30和第二磁极轴线34从中心旋转轴线26分别径向向外地延伸通过第一磁极28和第二磁极32的中心。中心旋转轴线26布置在转子芯部36的中心处。
[0023]优选地，转子组件24包括多个第一磁极28和多个第二磁极32。第一磁极28的数量等于第二磁极32的数量。第一磁极28和第二磁极32以交替关系绕中心旋转轴线26成角度地设置。当转子组件24包括多个第一磁极28和多个第二磁极32时，每个第一磁极28在两个第二磁极32之间沿圆周布置，每个第二磁极32在两个第一磁极28之间沿圆周布置。
[0024]如上所述，转子组件24包括转子芯部36，其包括多个磁极28、32。每个磁极(第一磁极28或第二磁极32)限定多个磁极腔室38。第一磁极(一个或多个)28和第二磁极(一个或多个)32被以相同的方式布置和/或构造。转子组件24的每个磁极28、32包括预确定数量的磁极腔室38，以预限定构造布置。转子芯部36的所有磁极腔室38三维地延伸到转子芯部36中，如在图1和3的页面上观察到的。磁极腔室38可包括切口、凹槽等，如本领域已知的。图1所示的转子组件24的实施例和图3所示的转子组件的实施例之间的差异在磁极腔室38的构造和/或形状中被发现。
[0025]转子组件24还包括多个磁体40。所述多个磁体40中的一个布置在所述多个磁极腔室38的每个内。磁体40可包括适于用在IPM电机20中的任何类型的磁性材料。例如，每个磁体40可由铁氧磁性材料和阿尔尼克磁性材料或替换地由稀土磁性材料制造，和包括它们，所述稀土磁性材料诸如但不限于镍铁硼(NdFeB)。优选地，磁体40是不包括任何重稀土元素的稀土磁体40 ο重稀土元素在此描述为包括以下元素:钇(Y)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥?、镱(Yb)和镥L(U)。更具体地，稀土磁体40优选地不包括铽或镝。
[0026]绕线定子22包括多个绕组42，绕组42与布置在转子芯部36的磁极腔室38内的磁体40磁性地相互作用，以产生扭矩，且引起转子芯部36绕中心旋转轴线26相对于绕线定子22旋转，如现有技术已知的。
[0027]每个磁极28、32包括至少一排，可包括多排，相对于中心旋转轴线26彼此径向地间隔开，每排具有两个磁极腔室38，它们对称地布置在其相应磁极轴线的相对侧上。参考图1，转子组件24的磁极的磁极腔室38的构造的示例性实施例被大体示出，且在此关于第一磁极28描述。如所不，第一磁极28包括第一排44、第二排46、第三排48和第四排50，它们相对于中心旋转轴线26彼此径向地间隔。第一排44比第二排46从中心旋转轴线26更远地径向间隔开，第二排46比第三排48从中心旋转轴线26更远地径向间隔开，第三排48比第四排50从中心旋转轴线26更远地径向间隔开。相应地，第四排50是距中心旋转轴线26径向最近的排，而第一排44是距中心旋转轴线26径向最远的排。第一排44、第二排46、第三排48和第四排50的每个包括两个磁极腔室38，每个容纳布置在第一磁极轴线30的相对侧的一个磁体40。虽然第一磁极28的构造的示例性实施例示出为具有四排，每排中有两个腔室，应意识到，构造可与在此所示和所述的示例性实施例不同。
[0028]参考图1和2，每个磁极腔室38包括或限定垂直于中心旋转轴线26的横截面，其限定了横截面形状。如图2最佳地所示，每个磁极腔室38的横截面形状包括中心线52、第一端部表面54、第二端部表面56、内边缘表面58和外边缘表面60。每个相应的磁极腔室的内边缘表面58和外边缘表面60与它们相应的磁极腔室的中心线52大体平行。每个磁极腔室38的第一端部表面54比它们相应的磁极腔室的第二端部表面56更靠近中心旋转轴线26布置。每个磁极腔室38的内边缘表面58比它们相应的磁极腔室的外边缘表面60大体更靠近中心旋转轴线26布置和/或更远离磁极轴线布置。
[0029]所述多个磁极腔室38的每个的横截面形状包括径向在内的屏障部分62、径向在外的屏障部分64和中央部分66。每个磁极腔室的中央部分66布置在它们相应的磁极腔室的径向在内的屏障部分62和径向在外的屏障部分64之间。径向在内的屏障部分62的中心线52段通过附图标记68识别，径向在外的屏障部分64的中心线52段通过附图标记70识别，中央部分66的中心线52段通过附图标记72识别。
[°03°]每个磁极腔室的径向在内的屏障部分62和径向在外的屏障部分64的每个的横截面形状的中心线52通过大体锥形或弓形段限定。每个磁极腔室的中央部分66的横截面形状的中心线52通过直线段限定。[OO31 ]每个磁极腔室的径向在内的屏障部分62和径向在外的屏障部分64的每个的中心线52的大体弓形段通过大体锥形或弓形方程I限定:
[0032]Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F = O I)
[0033]其中，A、B、C、D、E和F是常数，X是沿笛卡尔坐标系的X轴线的值，y是沿笛卡尔坐标系的y轴线的值。相应地，每个磁极腔室的径向在内的屏障部分62和径向在外的屏障部分64的每个的中心线52的大体弓形段可限定局部圆形段、局部椭圆段、局部抛物线段或局部双曲线段的一种。
[0034]每个磁极腔室的中央部分66的中心线52的直线段由一般线性方程2限定:
[0035]y =mx+b 2)
[0036]其中，X是沿笛卡尔坐标系的X轴线的值，y是沿笛卡尔坐标系的y轴线的值，b是y轴线的截距，m是线段的斜率。
[0037]如上所述，所述磁体40的一个布置在每个磁极腔室38内。具体地，每个磁体40布置在所述多个磁极腔室38的一个的中央部分66内。所述多个磁体40的每个包括垂直于中心旋转轴线26的横截面，其限定矩形横截面形状。磁体40是预形成的，且插入和/或定位在磁极腔室38内。这样，磁体40不是注射模制在位。每个磁极腔室38的中央部分66包括垂直于中心旋转轴线26的横截面，其限定矩形横截面形状，其设置尺寸为在其中接收一个磁体40。
[0038]因为每个磁极腔室的中央部分66的中心线52是直线段，因为相应磁极腔室的外边缘表面60和内边缘表面58与中心线52大体平行，中央部分66的横截面形状为大体矩形。因为每个磁极腔室的径向在内的屏障部分62和径向在外的屏障部分64的中心线52包括锥形或弓形段，因为相应磁极腔室的内边缘表面58和外边缘表面60与中心线52大体平行，径向在内的屏障部分62和径向在外的屏障部分64的每个的内边缘表面58和外边缘表面60还包括大体锥形或弓形形状，即弯曲的。因为径向在内的屏障部分62的内边缘表面58和外边缘表面60弯曲以限定大体弓形段，布置在中央部分66内的矩形形状的磁体40不能自由地朝向中心旋转轴线26径向向内移动。换句话说，径向在内的屏障部分62的弯曲的弓形段防止矩形形状的磁体40径向向内移动。类似地，径向在外的屏障部分64的内边缘表面58和外边缘表面60弯曲以限定大体弓形段，布置在中央部分66内的矩形形状的磁体40不能自由地远离中心旋转轴线26径向向外移动。换句话说，径向在外的屏障部分64的弯曲的弓形段防止矩形形状的磁体40径向向外移动。
[0039]每个磁极腔室的中心线52包括内部长度74和外部长度76以及中央长度78。内部长度74由其相应的磁极腔室的径向在内的屏障部分62限定。外部长度76由其相应的磁极腔室的径向在外的屏障部分64限定。中央长度78由其相应的磁极腔室的中央部分66限定。
[0040]优选地，如图1的磁极腔室38的示例性构造所示，每个磁极腔室的中央长度78大于其相应磁极腔室的内部长度74和其相应磁极腔室的外部长度76。每个磁极腔室的外部长度76可以为其相应磁极腔室的中央长度78的10%至60 %。每个磁极腔室的内部长度74可以为其相应磁极腔室的中央长度78的10 %至50 %。每个磁极腔室的内部长度74可比其相应磁极腔室的外部长度76大，如在图1中的磁极腔室38的示例性构造中所示的。但是，如图3的示例性实施例所示，每个磁极腔室的内部长度74小于其相应磁极腔室的外部长度76。如图1中的磁体腔室38的示例性构造所示的，每排的每个磁极腔室的在外屏障部分的中心线52的长度随距其相应磁极轴线的距离增加而增加。
[0041]参考图3，示出转子芯部36和磁极腔室38的替换构造。图3所示的转子组件24的实施例与图1所示的转子组件24的实施例不同之处在于每个磁极中的磁极腔室38的排数，且在于每个磁极腔室38的径向在内的屏障部分62的形状和尺寸。对于图3所示的实施例，径向在外的屏障部分64和中央部分66保持如图2所述。这样，径向在外的屏障部分64和中央部分66则不关于图3详细描述。虽然图3所示的转子组件24的实施例包括三排磁极腔室38，应意识到，排数可以变化，且可包括如图1所示的转子组件24的实施例中所示的四排磁极腔室38，或没有在示例性实施例中特别显示的一些其他的排数。另外，且如图3所示，转子芯部36的每个磁极腔室38可形成为包括磁体止挡件，所述磁体止挡件接合布置它们相应磁极腔室38内的磁体40，防止其在磁极腔室内相对于中心旋转轴线26径向地移动。应意识到，图3的实施例中所示的磁体止挡件可并入在图1和2中所示的实施例中。
[0042]如图3所示，径向在内的屏障部分62不包括图1所示和所述的锥形或弓形部分。而图3所示的转子组件24的实施例包括径向在内的屏障部分62，其具有垂直于中心旋转轴线26的更三角形的横截面，且该实施例比图1所示的径向在内的屏障部分62的实施例在尺寸和/或体积方面小得多。还应意识到，转子组件24可构造为不包括径向在内的屏障部分62。
[0043]参考图3，转子芯部36可构造为包括桥状部90。如图3所示，桥状部90在每个磁极腔室的内边缘表面和外边缘表面之间延伸，且布置在径向在外屏障部分和中央部分之间。此夕卜，桥状部90可还添加到图1和2所示的示例性实施例，在径向在内的屏障部分62和中央部分66之间，和/或在中央屏障部分66和径向在外的屏障部分64之间。这样，桥状部操作为将径向在外屏障部分与中央部分分开。桥状部90通过提供用于磁漏的路径而对去磁化进行保护。
[0044]每个磁极腔室的径向在内的屏障部分62和径向在外的屏障部分64的形状和尺寸与每个磁极中的磁极腔室38的构造结合(如图1和3 二者所示)，提供了针对每个磁极腔室38内的磁体40的去磁化的很好的保护。针对去磁化的这种保护允许使用没有重金属元素的稀土磁体40。
[0045]详细描述和附图或视图支持和描述本发明，但是本发明的范围仅由权利要求限定。尽管已详细描述了用于执行要求保护的发明的最佳模式和其他实施例，存在各种替换涉及和实施例，用于实践限定在所附权利要求中的本发明。
【主权项】
1.一种内置永磁体电机，包括: 绕线定子； 转子芯部，包括多个磁极，每个磁极限定多个磁极腔室； 其中，所述多个磁极腔室的每个包括垂直于中心旋转轴线、限定具有中心线的横截面形状的横截面； 其中，所述多个磁极腔室的每个的横截面形状包括径向在外的屏障部分和中央部分； 其中，每个磁极腔室的径向在外的屏障部分的横截面形状的中心线通过大体弓形段限定； 其中，每个磁极腔室的中央部分的横截面形状的中心线通过直线段限定;和 多个磁体，所述多个磁体中的一个布置在所述多个磁极腔室中的一个的中央部分内。2.如权利要求1所述的内置永磁体电机，其中，所述多个磁体的每个是不具有镝或铽的稀土磁体。3.如权利要求2所述的内置永磁体电机，其中，所述多个磁体的每个是不具有重稀土元素的稀土磁体。4.如权利要求1所述的内置永磁体电机，其中，每个磁极腔室的径向在外的屏障部分的中心线的大体弓形段由以下方程定义:Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F = O 其中，A、B、C、D、E和F是常数，X是沿笛卡尔坐标系的X轴线的值，y是沿笛卡尔坐标系的y轴线的值。5.如权利要求4所述的内置永磁体电机，其中，每个磁极腔室的中央部分的中心线的直线段由以下方程定义: y=mx+b 其中，X是沿笛卡尔坐标系的X轴线的值，y是沿笛卡尔坐标系的y轴线的值，13是7轴线的截距，m是所述线段的斜率。6.如权利要求5所述的内置永磁体电机，其中，所述多个磁极腔室的每个的横截面形状包括径向在内的屏障部分，中央部分布置在径向在内的屏障部分和径向在外的屏障部分之间。7.如权利要求6所述的内置永磁体电机，其中，每个磁极腔室的径向在内的屏障部分的横截面形状的中心线通过大体弓形段限定，该弓形段由以下方程定义:Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F = O 其中，A、B、C、D、E和F是常数，X是沿笛卡尔坐标系的X轴线的值，y是沿笛卡尔坐标系的y轴线的值。8.如权利要求7所述的内置永磁体电机，其中，每个磁极腔室的径向在内的屏障部分和径向在外的屏障部分的每个的中心线的大体弓形段限定局部圆形段、局部椭圆段、局部抛物线段或局部双曲线段中的一种。9.如权利要求1所述的内置永磁体电机，其中，所述多个磁体的每个包括垂直于中心旋转轴线、限定矩形横截面形状的横截面。10.如权利要求9所述的内置永磁体电机，其中，每个磁极腔室的中央部分包括垂直于中心旋转轴线、限定矩形横截面形状的横截面，所述矩形横截面形状设置尺寸为在其中接收所述多个磁体中的一个。
【文档编号】H02K1/24GK105914920SQ201610098781
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年2月23日
【发明人】S.朱尔科维克, K.M.拉曼
【申请人】通用汽车环球科技运作有限责任公司