专利名称：用于评估永磁体电机的系统和方法
用于评估永》兹体电才几的系统和方法技术领域[1] 本发明总体上涉及用于评估永;兹体电才几的系统和方法，且更具 体地涉及用于评估带有不恰当地组装的永磁体的永磁体电机的系统和 方法。
背景技术：
[2] 永磁体电机用于诸如混合和电动车辆的应用中。永磁体电机包 括具有支撑永磁体的铁心的转子和靠近转子的永磁体支撑绕组的定子。 由转子铁心支撑的永磁体和由定子支撑的绕组中的电流的相互作用产 生旋转力以驱动例如汽车。[3] 转子中的永磁体通常偏斜以减少永磁体电机中的嵌齿和转矩 脉动。偏斜是这样的过程，其中转子中的磁体可以相对于彼此放置成轴 向角度或以数个级旋转。前一过程称为连续偏斜，因为通过将磁体以一 定角度放置，转子磁体角沿转子长度连续变化。在称为分级偏斜的后一 过程中，机器转子铁心在沿机器轴向长度的部分中形成且每部分的磁体 相对于前一段的磁体稍微旋转。偏斜减少了气隙磁通中的谐波，且因此 减少了嵌齿和转矩脉动。嵌齿是由旋转磁体与定子齿的相互作用产生的 转矩或力脉动。总体而言，转矩脉动是类似于嵌齿的现象，但影响绕组 电流。偏斜使得转子制造更复杂，因为偏斜的磁体难以恰当地定位和对 准。永磁体电机的评估和不正确地组装的转子的识别可能是重要的，尤 其是在流水线结束(end-of-line)制造测试时。典型地，评估包括测量 由转子的旋转磁体在定子绕组中产生的反电动势(EMF)。然而，不正 确地组装的转子的反EMF可能并未从恰当地组装的转子足够地变动以 表示》兹体的不正确组装。[4] 因此，希望提供用于评估永磁体电机的改进方法。此外，希望 提供用于评估永磁体电机的改进系统。另外，本发明的其它希望的特征 和特性从随后的详细说明和所附权利要求书结合附图以及前述技术领域和背景技术显而易见。发明内容[5] 根据本发明的示范性实施例，提供用于评估永磁体电机的方 法。所述方法包括步骤旋转永磁体电机的转子；确定永磁体电机的总 体谐波失真；和将永磁体电机的确定的总体谐波失真与基准总体谐波失 真比4交。[6] 根据本发明的另 一 示范性实施例，提供用于评估永磁体电机的 方法。所述方法包括旋转永磁体电机的转子；和确定永磁体电机的总 体谐波失真(THD)。[7] 根据本发明的又一示范性实施例，提供用于评估永磁体电机的 系统。所述系统包括设置为旋转永磁体电机转子的输入机器；和设置 为确定永磁体电机的总体谐波失真的分析仪。
[8] 本发明将在其后结合以下附图描述，其中相同的附图标记表示 相同的元件，且其中[9] 图1是图示根据本发明示范性实施例、用于评估永磁体电机的 方法的流程图；[10]图2是图示根据本发明示范性实施例、用于评估永磁体电机的 系统的方块图；[11]图3是图2的系统中用于评估的永磁体电机的局部截面图；[12]图4是通过图3的平面4-4看的适于在图3的永磁体电机中使 用的恰当地组装的永i兹体的侧一见图；[13]图5是通过图3的平面4-4看的用于如图3的永磁体电机的电 机中的不恰当地组装的永磁体的侧视图；[14]图6是图示带有图5的不恰当地组装的永磁体的永磁体电机的 反电动势(EMF)与带有图4的恰当地组装的永磁体的永磁体电机的反 EMF比较的曲线图；[15]图7是表示带有图5的不恰当地组装的永磁体的永磁体电机的 谐波和相应电压的曲线图；[16]图8是表示带有如图4的永磁体的恰当地组装的永磁体的永磁 体电机的谐波和相应电压的曲线图；[17]图9是通过图3的平面4-4看的用于如图3的永f兹体电才几的电机中的不恰当地组装的永磁体的侧视图；[18]图IO是图示带有图9的不恰当地组装的永》兹体的永磁体电机 的反EMF与带有图4的恰当地组装的永磁体的永磁体电机的反EMF比 较的曲线图；和[19]图ll是表示带有图9的不恰当地组装的永磁体的永磁体电机 的谐波和相应电压的曲线图。
具体实施方式
[20]以下详细说明性质上仅为示范性的，且不打算限定本发明或本 发明的应用和使用。此外，不受前述技术领域、背景技术、发明内容或 以下详细说明中表示的任何明确的或隐含的理，论限制。[21]参见图1,提供用于评估永磁体电机的方法100的示范性实施 例，且此外将描述图2的系统8。在各个实施例中，电才几10可以作为制 造商或OEM机构的流水线结束的变速器或电机测试的一部分进行评 估。[22]根据本发明示范性实施例，方法100以用输入机器12旋转电 机10的转子20(图3)(步骤110)开始。输入机器12可以为例如测 功机。电机10形成各种汽车部件的部分，例如燃料电池车辆的牵引系 统或用于混合或电动车辆的电才几。电才几10也可以用于与才几动车辆无关 的高温应用中。电机10可以包括集中或分布式绕组才几器的嵌入和表面 安装永磁体机器。[23]图3是电机10的部分的截面图。电机10包括定子16和可旋 转地布置在定子16内的转子20。定子16包括定子铁心22,定子铁心 22通过堆叠多个磁性薄钢板形成，所述多个磁性薄钢板堆叠时一起形成 具有中空芯部的圆柱体形状。多个狭槽24在定子铁心22中形成且以周 向布置设置。定子铁心22也包括布置在狭槽24之间的多个定子齿26。 绕组18(或"线圏")缠绕通过狭槽24且围绕定子齿26。本发明的实 施例可应用于电机10的任何相、极、和狭槽结构。[24]转子20包括转子铁心28,转子铁心28通过堆叠多个磁性薄 钢板形成，所述多个磁性薄钢板堆叠时一起形成圆柱体形状。转子铁心 28设置在定子铁心22中空芯部中，同时从定子铁心22间隔预定距离， 以便在定子铁心22和转子铁心28之间形成间距30。多个插入孔在转子铁心28中形成且以周向布置设置以支撑插入在其中的多个永磁体32。 在可替换实施例中，永磁体32可以安装在转子20的外表面上。通常， 永磁体32偏斜，如以下更详细所述，且用手插入转子20中。示范性的 永磁体32是稀土磁体，如钕铁硼或钐钴磁铁，但是根据设计需要陶资 和铝镍钴磁体可用于其它实施例。旋转轴33插入在转子20中心处形成 的中空区域中，且与转子20—起旋转。[25]当转子20经由旋转轴33相对于定子16运动时，永磁体32移 动通过绕组18且因而通过电^兹感应在绕组18中感应电压。相反，如果 电流通过例如电池(未示出)供应给绕组18, /人而在定子16处产生不兹 场，磁场与转子20中的永磁体32相互作用，使得转子20和附接的旋 转轴33旋转产生旋转驱动力。[26]图4是通过图3的平面4-4看的适于用于图3的永磁体电机的 永磁体32的侧一见图。永磁体32包括6个偏斜的磁体部分34、 36、 38、 40、 42和44。转子部分34、 36、 38、 40、 42和44以预定角度相对于 彼此旋转或"偏移"以形成给定的偏斜模式，如图4所示。每个转子部 分34、 36、 38、 40、 42和44相对于其它转子部分的旋转角度取决于转 矩脉动和嵌齿频率。虽然图示了 6个》兹体部分34、 36、 38、 40、 42和 44，可设置更多或更少数量的磁体部分。图4所示的永磁体32是恰当 地组装的；兹体部分34、 36、 38、 40、 42和44形成的偏刮4莫式的一个示 例。在该所示实施例中，磁体部分34、 36、 38、 40、 42和44形成三级 偏斜模式，其带有笫一磁体部分34、从所述第一磁体部分34偏移的第 二磁体部分36、从第一和第二磁体部分34和36偏移的第三和第四磁体 部分38和40、与笫二^兹体部分36齐平的第五》兹体部分42、和与第一 磁体部分34齐平的第六磁体部分44。总体上，磁体部分34、 36、 38、 40、 42和44的偏斜^t式试图最小化主脉动频率(基本的)和由转子和 定子齿槽效应引起的第二谐波。齿槽效应是由磁体32产生的定子狭槽 24和转子20的相互作用。齿槽效应可能为嵌齿和转矩脉动的源，且由 齿槽效应引起的嵌齿和转矩脉动可能为电机中的噪音源。根据具体的电 机设计、成本和希望的结果可以设置其它偏斜;溪式，且磁体部分34、 36、 38、 40、 42和44的所示布置仅为优化的偏斜才莫式的一个示例。[27]图5是相对于优化的、恰当地组装的永磁体32而言不恰当地 组装的永磁体46的侧碎见图，其出现在待评估的电机中，如图3的电才几10。永磁体46包括6个偏斜磁体部分48、 50、 52、 54、 56和58。如图 所示，永磁体46包括第一磁体部分48、与第一磁体部分48齐平的第二 不兹体部分50、彼此齐平且相对于第一和第二,兹体部分48和50偏移的第 三和第四磁体部分52和54、相对于第三和第四磁体部分52和54偏移 且与第一和第二磁体部分48和50齐平的第五f兹体部分56、和相对于其 它磁体部分48、 50、 52、 54和56偏移的第六》兹体部分58。与图4所示 的恰当地组装的永磁体32相比，显然永磁体46的第一磁体部分48处 于不正确的位置。具体而言，第一磁体部分48应当相对于第二和第五 磁体部分50和56偏移且相对于第六磁体部分58齐平。第一磁体部分 46可能例如由于制造错误未对准。[28]在评估永磁体电机的永磁体的常规系统和方法中，测量永磁体 电机的反电动势。反EMF定义为每单位以与跨过设备存在的电场相对 的方向通过该设备的电荷获得的能量数量，且以伏测量。反EMF可以 例如通过联接到电机10的功率分析仪14测量，如图2所示。图6是模 拟当电机转子完成完整的电循环时带有一个不恰当地组装的永磁体(如 图5的不恰当地组装的永磁体46)的永磁体电机的反EMF61与带有恰 当地组装的永磁体(如图4的恰当地组装的永》兹体32 )的永i兹体电才几的 反EMF63比较的曲线图。[29]从图6的曲线图可以看出，带有一个不恰当地组装的永磁体的 转子的反EMF61相对接近于带有恰当地组装的永磁体的转子的反 EMF63。例如，带有图4的永磁体32的恰当地组装的转子和带有图5 的永磁体46的不恰当地组装的转子的反EMF61和63仅相差1.5% ,这 通常在制造商和供应商的可接受公差内。反EMF的可接受公差可以为 例如5%。因此，如果仅考虑反EMF，可能不能检测出带有不恰当地组 装的7JCF兹体46的电才几。[30]回到图1、 2和3， #4居示范性方法100,测量 1c;兹体电才几的总 体谐波失真(THD)以评估永磁体的布置(步骤120) 。 THD是存在的 谐波失真的测量值且定义为所有谐波分量的幂的总和与基础谐波的幂 的比，且以百分比表示为失真因子。THD可以通过以下方程表示。<formula>formula see original document page 8</formula>其中K"指的是谐波n的电压。[31] THD可以"直接地"测量，即，THD可以通过将功率分析仪 14附接到定子16的绕组18 (图3)上直接地测量。在可替换实施例中， THD可以从反EMF测量值计算。[32]图7是表示用至少一个不恰当地组装的永磁体(如图5的永磁 体46 )组装的电机的谐波和每个谐波的相应电压的示范性曲线图。在一 个示范性实施例中，当电机由输入机器12旋转时，THD可以通过图2 的功率分析仪14在电机IO上测量。从图7的值，用不恰当地组装的永 磁体46组装的电机的THD确定为2.04 % 。[33]相反，图8是表示用恰当地组装的磁体(如图4的恰当地组装 的永磁体32)组装的电机的谐波和每个谐波的相应电压的示范性曲线 图。从图8的值，THD计算为1.40/。。由于图4的永磁体32为恰当地组 装的磁体，图8所示的THD可认为是该组件的基准THD且可以为待评 估的其它类型电机提供比较THD。[34]根据示范性方法100,待评估的永磁体电机(例如带有图5的 磁体46的永磁体电机)的THD与恰当地组装的永磁体电机(例如带有 图4的磁体32的永磁体电机)的基准THD比较(步骤130 )。在该示 例中，带有图4的永磁体32的恰当地组装的转子的基准THD和带有至 少一个不恰当地组装的永磁体46的转子的THD相差46% ,这是相对大 的差。因此，与反EMF比较相比，THD提供不正确组装转子的更显著 的指标，且具体地，带有一个或更多未对准磁体部分的一个或更多磁体 的更显著的指标。总体而言，在一个示范性实施例中，如果测量的THD 与电机的基准THD相差小于10% ,电机评估为恰当地组装的。在另一 实施例中，如果测量的THD与电机的基准THD相差小于5 % ,电机评 估为恰当地组装。[35]图9是相对于优化的、恰当地组装的永磁体32而言另一不恰 当地组装的永磁体60的侧视图，其出现在根据本发明示范性实施例待 评估的电机转子中。永磁体60包括6个偏斜磁体部分62、 64、 66、 68、 70和72。永磁体60包括第一磁体部分62、与第一磁体部分62齐平的 第二^兹体部分64、彼此齐平且相对于第一和第二磁体部分62和64偏移 的第三和第四磁体部分66和68、相对于第三和笫四磁体部分66和68 偏移且与第一和第二磁体部分62和64齐平的第五磁体部分70、和相对 于第三和第四磁体部分66和68偏移且与第 一、第二和第五磁体部分62、64和70齐平的第六;兹体部分72。与图4所示的恰当地组装的永^兹体32 相比，第一和笫六磁体部分62和72处于不正确的位置。具体而言，第 一和笫六磁体部分62和72应当相对于第二和第五磁体部分64和70偏移。[36]图IO是模拟带有不恰当地组装的永磁体(如图9的永磁体60) 的永磁体电机的反EMF73与带有恰当地组装的磁体(如图4的恰当地 组装的永磁体32)的永磁体电机的反EMF75比较的曲线图。在该情况 下，不恰当地组装的》兹体具有两个未对准部分。然而，带有不恰当地组 装的永》兹体的永磁体电机的反EMF73与带有恰当地组装的永磁体的永 磁体电机的反EMF75仅相差2.7 % ,这又是错误组装电机的不足的指标。[37]图11是表示用不恰当地组装的永》兹体(如图9的永》兹体60) 组装的电机的THD的曲线图。用不恰当地组装的永石兹体60组装的电机 的THD确定为3.2% 。由此，带有图4的恰当地组装的永;兹体32的转 子和带有图9的不恰当地组装的永磁体60的转子的THD相差230% , 这表示电机被错误组装。总体而言，测量的THD与基准THD相差越大， 未对准磁体部分的数量越大。[38]虽然在前述详细i兌明中已经阐述至少一个示范性实施例，应当 理解存在大量的变型。也应当理解，示范性实施例或多个示范性实施例 仅为示例，且不旨在以任何方式限定本发明的范围、应用或结构。相反， 前述详细说明提供本领域技术人员实施示范性实施例或多个示范性实 施例的便利的路线图。应当理解，可以对元件的功能和布置进行各种修 改，而不偏离所附权利要求书及其合法等价物陈述的本发明的范围。
权利要求
1.一种用于评估永磁体电机的方法，所述方法包括步骤旋转永磁体电机的转子；确定永磁体电机的总体谐波失真；和将永磁体电机的确定的总体谐波失真与基准总体谐波失真比较。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，转子靠近带有绕组 的定子可旋转地装配，从而旋转转子在定子绕组中感应电压，且其中 确定步骤包括确定在绕组处永磁体电机的总体谐波失真。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定步骤包括直接 地测量永磁体电机的总体谐波失真。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定步骤包括测量 永磁体电机的反电动势且从所述反电动势计算永磁体电机的总体谐波 失真。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，旋转步骤包括在流 水线结束电机测试时旋转永磁体电机的转子。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，旋转步骤包括在流 水线结束变速器制造测试时旋转永磁体电机的转子。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果确定的总体谐 波失真与基准总体谐波失真相差大于10%,比较步骤指示转子不恰当 地组装。
8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果确定的总体谐 波失真与基准总体谐波失真相差大于5%,比较步骤指示转子不恰当地 组装。
9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定步骤包括从以 下方程计算总体谐波失真(THD):_ R其中Fw指的是谐波w的电压。
10. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，转子包括多个永 磁体，且其中每个永磁体包括多个偏斜磁体部分，且其中比较步骤包括当多个偏斜磁体部分中的至少一个未对准时进 行指示。
11. 一种用于评估永磁体电机的方法，所述方法包括以下步骤 旋转永磁体电机的转子；和 确定永磁体电机的总体谐波失真(THD)。
12. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，确定步骤包括从 以下方程计算总体谐波失真(THD):THD = ^——^——^-^其中Kw指的是谐波w的电压。
13. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，旋转步骤包括在 流水线结束变速器制造测试时旋转永磁体电机的转子。
14. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，转子包括多个永 磁体，且其中每个永磁体包括多个偏斜磁体部分，且其中所述方法还 包括将永磁体电机的确定的总体谐波失真(THD)与基准总体谐波失真 比较和当多个偏斜磁体部分中的至少一个未对准时进行指示。
15. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，指示步骤包括 如果确定的总体谐波失真(THD)与基准总体谐波失真相差大于10%, 确定多个偏斜磁体部分中的至少一个未对准。
16. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，指示步骤包括 如果确定的总体谐波失真(THD)与基准总体谐波失真相差大于5%， 确定多个偏斜磁体部分中的至少一个未对准。
17. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，确定步骤包括直 接地测量总体谐波失真(THD)。
18. —种用于评估永磁体电才几的系统，所述系统包括 设置为旋转永磁体电机转子的输入机器；和设置为确定永磁体电机的总体谐波失真的分析仪。
19. 根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述分析仪还设 置为将永磁体电机的总体谐波失真与恰当地组装的永磁体电机的基准 总体谐波失真比较。
20. 根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述输入机器为 流水线结束测功机。
全文摘要
提供用于评估永磁体电机的系统和方法。所述方法包括步骤旋转永磁体电机的转子；确定永磁体电机的总体谐波失真；和将永磁体电机的确定的总体谐波失真与基准总体谐波失真比较。
文档编号H02K15/00GK101335478SQ200810129529
公开日2008年12月31日 申请日期2008年6月30日 优先权日2007年6月28日
发明者E·L·凯泽, K·M·拉曼, M·D·拉巴 申请人:通用汽车环球科技运作公司