用于旋转电机的转子，以及包括这种类型的转子的旋转电的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种转子(1)，其包括由在转子的磁性本体(2)的中心部分(6)和周向部分(5)之间均匀分布的、并且限定了周向磁极区段(7)的永磁体(3)形成的多个交替的磁极。周向部分包括布置在磁极区段之间、面向磁体、并且形成包含磁体的凹部(4)中的开口的周向凹槽(15)。根据本发明，所述开口具有预定的第一宽度(a)，以诸如最小化流动通过所述周向部分(5)的泄露磁通量(ΦL)，并且最大化径向流动穿过每个磁极区段(7)的有用磁通量(ΦU)。所述周向部分可具有预定的开口比例，以诸如最小化泄露磁通量(ΦL)并最大化有用磁通量(ΦU)，所述开口比例等于所述第一宽度比磁体在周向方向上的第二宽度(w)的第一比例。
【专利说明】用于旋转电机的转子，以及包括这种类型的转子的旋转电机
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种设计用于旋转电机的具有永磁体的转子。
[0002]本发明还涉及一种包括这种类型的转子的旋转电机，特别是用于在机动车辆领域中的应用。
【背景技术】
[0003]因为在输出、比功率和功率密度方面不断提升的性能，现今的具有永磁体的同步电机在机动车辆的领域中具有广泛应用。
[0004]可生产具有广泛的功率和转速范围的这些电机，并且这些电机在“全电动”类型的车辆中以及在所谓的“微混”和“全混”类型的基于低C02的车辆中都有应用。
[0005]“微混”应用通常涉及大约8-10KW的电机，例如安装至热发动机的前部并且通过传动带联接到后者的电机。借助于这种类型电机的使用，通过提供供给额外功率的电机转矩协助，特别是在转速提高期间，可以降低热发动机的容量(“发动机小型化”)。此外，例如在城市环境中，低速的牵引也可通过同样的电机保证。
[0006]在该功率范围中的电机的应用的另一个示例由驱动热发动机的双增压系统的离心压缩机组成。在低速时，电压缩机辅助由排出的气体驱动的涡轮压缩机，并使得可以省略降低容量的附加步骤。
[0007]“全混”类型的应用通常涉及30-50KW的电机，其用于串联式和/或并联式的构架，并具有在车的牵引链中的电机(或多个电机)的更好的集成水平。
[0008]具有永磁体的本发明的非凡的性能水平很大程度上是由于可具有超过I特斯拉水平的剩磁的诸如钕铁硼(NeFeB)、钐铁(SmFe)、或钐钴(SmCo)类型的稀土磁体的开发。
[0009]然而,具有永磁体、包括具有所谓的“磁通量集中(flux concentration) ”结构的机器从前就可以通过使用更低剩磁的磁体来实现大量的磁通量，该更低剩磁的磁体例如从烧结或粘结的铁氧体获得的磁体。
[0010]并且追随到很久以前，这种类型的结构的尺寸特性和磁特性已经通过进行很多测试或在最近或者通过进行计算机模拟而被优化了，以改善机器的电输出。
[0011]具有永磁体的转子的磁体和磁极的尺寸优化的一个实例于1971年在专利发明FR2084279Z中被公开。
[0012]由于缘于不利的地理政治局势稀土磁体变得更昂贵，磁极的尺寸优化最近再一次变为关注的前沿。
[0013]由于在设计用于机动车辆应用的电机转子的稀土磁体的使用在经济上不再可行，并且或许不持久，其他替代方式包括基于铁氧体的磁体。
[0014]然而，由于铁氧体的剩磁低于稀土磁体，稀土磁体被铁氧体的替换导致机器具有低的性能水平。
【发明内容】
[0015]本发明的目的是从而优化转子的磁极的形式，以最大化磁极中的磁通量，并且从而特别地保持机器的转矩。
[0016]具体的，其目的是包括多个由多个布置在第一凹部中的永磁体形成的交替的南极和北极的旋转电机的转子。
[0017]这些第一凹部沿转子的轴延伸，并且在转子的磁性本体的周向部分和中心部分之间均匀分布，以例如限定多个周向磁极区段。
[0018]正被讨论的类型的转子的永磁体具有第一多边形径向区段和第一对称轴向平面。
[0019]周向部分继而包括布置在磁极区段之间、面向永磁体并且形成第一凹部的开口的轴向凹槽。
[0020]根据本发明的转子的区别特征在于:这个开口具有诸如用于最小化沿周向方向在周向部分中流通的漏磁通量、并且最大化在每个磁极区段中径向流通的有用磁通量的第一预定宽度，这个周向部分具有诸如用于最小化漏磁通量并且最大化有用磁通量的预定开口比例，这个开口比例等于开口的第一宽度比永磁体在周向方向上的第二宽度得到的第一比例，并且这个开口比例基本上包含于0.35到0.8之间。
[0021]根据本发明的转子的区别特征还在于:永磁体的第一径向区段包括靠近周向部分的矩形部分，邻接靠近中心部分的成楔形的部分。
[0022]有优势地，根据本发明的转子在中心部分和周向部分之间的转子的中间部分中还附加地包括轴向延伸、并且在永磁体之间布置的至少多个第二凹部。
[0023]非磁性支撑件优选地布置在这些第二凹部中。
[0024]在根据本发明的转子的变型实施例中，磁极区段额外地很有优势地包括在外部上形成凸角的第二径向区段和第二对称轴向平面。
[0025]磁体的第二宽度比开口的第一宽度和凸角在周向方向上的第三宽度的和得到的第二比例基本上包含在0.25到0.6之间，优选地为该变型中转子的特征。
[0026]优势将来源于根据本发明的旋转电机的转子的永磁体由铁氧体组成的事实。
[0027]本发明还涉及一种包括具有上述特征的转子的旋转电机。
[0028]这些少量的本质的说明将使得相比于现有技术，由根据本发明的旋转电机的转子以及相应的电机提供的优势对于本领域的技术人员是显而易见的。
[0029]在下面的说明书和附图中给出了本发明的详细的说明。应当注意到这些附图仅仅用于图解说明书中的文本，并且不以任何方式构成对本发明范围的限制。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1示出了在本发明的主实施例中的具有永磁体的转子的简化的径向横截面的视图，该转子布置于示出在根据本发明的旋转电机的部分径向横截面中的定子中。
[0031]图2示出了形成转子的周向部分的开口的凹槽对在根据本发明的转子中的磁通量的流通的影响的简化的模型。
[0032]图3示出了根据由示于图2的简化模型所获得的开口比例，在最大有用通量附近的有用通量的相对变化。
[0033]图4示出了根据由包括根据示于图1的实施例的转子的完整电机的计算机模拟获得的开口比例，在最大值附近相位间的电动势常数的绝对和相对变化。
[0034]图5示出了根据本发明的变型实施例的具有永磁体的转子的简化的径向横截面视图，该转子布置于以部分径向横截面视图示出的根据本发明的旋转电机的定子中。
[0035]图6a和6b分别示出了包括根据示于图5的本发明的变型实施例的旋转电机的空载相位间的电动势的波形以及相应的谐波水平。
[0036]图7a和7b分别示出了示于图5的类型的旋转电机的空载相位间的电动势的波形和相应的谐波水平，但是所述旋转电机的转子的周向部分不包括形成开口的凹槽。
【具体实施方式】
[0037]在本发明的主实施例中，具有永磁铁的转子I的简化径向横截面在图1中示出，其清晰地展示了在第一凹部4中的永磁体3在磁性本体2中的布置，其中永磁体3在周向部分5和中心部分6之间均匀分布，以形成交替的多个北极N和南极S。
[0038]根据本发明的转子I是磁通量集中类型。永磁体3具有整体上基本上矩形的截面，但是其被倒角形成为朝向转子I的轴X-X’的楔形。它们在等角度轴向平面附近对称延伸。
[0039]永磁体3布置于其中的第一凹部4划出了 10个周向磁极区段7的界限。
[0040]周向部分5包括布置在磁极区段7之间、面向永磁体3并且形成第一凹部4的开口的轴向凹槽8。
[0041]磁极区段7包 括布置在永磁体3之间的第二凹部9。它们在等角度轴平面附近对称延伸。
[0042]这些第二凹部9具有圆形横截面，并且接收保持形成定子11和转子I的磁性本体
2、10的金属板组的非磁性支撑件。
[0043]这些第二凹部9也为在转子I中控制磁场做出了贡献。
[0044]根据该机器的一个具体的实施例，包括10个永磁体3的转子I在具有限定了多个定子齿13的多个槽口 12的定子11中旋转，其中环绕定子齿布置有定子绕组14。
[0045]包括这种类型转子I的电机的一个特定的实施例是例如用于所谓的“微混”类型的机动车辆应用的8-10KW的电动机/发电机。
[0046]在该电机用作电动机的模式下，该电机可被设计用于热发动机的启动、热发动机的转矩协助、车辆在低速时的电动牵引、以及用于离心压缩机的驱动。
[0047]定子电流穿过定子绕组14，其产生旋转转子I的旋转磁场。供给的发动机转矩特别地依赖于定子电流强度和转子I中的磁通量。
[0048]如前文所述，稀土永磁体3被铁氧体永磁体3的代替需要磁极N、S的优化，以在转子I中获得类似的磁通量，并且从而维持用于相同定子强度的相同发动机转矩。
[0049]包括具有上述特征的转子I的电机的计算机模拟允许了发明体在转子I和在定子11中建立磁通量的分配。
[0050]已经确定由永磁体3产生的并且在转子I的磁性本体2中流通的磁通量在在磁极区段7中径向流通的有用磁通量Φυ和沿周向方向在转子I的周向部分5中流通的漏磁通量OL之间分配。
[0051]漏磁通量OL依赖于包含永磁体3的凹部4的开口 8的第一宽度a。该第一宽度a越大，因为周向部分5在该位置处的第一磁阻增加，因此第一漏磁通量Φ?减少的越多，但是由于N、S极与定子齿13面对的表面减少，所以有用磁通量Φυ也减少。
[0052]因此有开口 8的第一最优宽度a，其由漏磁通量OL最小并且有用磁通量Φυ最大的模拟决定。
[0053]在图2中示出了第一宽度a对转子I中的有用磁通量Φυ和漏磁通量Φ?的分配的影响的简化模型。
[0054]开口 8的第一宽度a的变化被加至等于永磁体3的第一宽度a比第二宽度w的比例的开口比例g的变化。因此，该比例g从当第一凹部4完全对外部敞开时取得的0，到当这些第一凹部4完全关闭时取得的I变化。
[0055]该第一磁阻来源于转子I的周向部分5的具有等于g的第一长度的第一区段8和具有第二长度l_g的第二区段5的磁阻的总和，其中第一区段具有第一相对磁导率μ O (等于空气的磁导率)，并且第二区段的第二相对磁导率μ I是转子I的第一壳2的磁导率。第一和第二区段8、5具有以w为一个单元的厚度e。
[0056]干涉该简化模型的第二磁阻是其中有用磁通量Φυ在转子I的N、S极和定子11的具有第三长度Lst的定子齿13之间流通的磁路的磁阻，其第三相对磁导率μ 2是定子11的第二壳10的磁导率。
[0057]在该简化模型中，可以认为N、S极与定子齿13面对的表面依据lst*(l.5_g)的规律线性地变化，使得该磁路在周向方向上的尺寸根据相同的规律变化。
[0058]永磁体3被认为是具有来源于在周向方向上尺寸等于1、以w为单元高度等于h、和具有第四相对磁导率 μ 3的媒介的平行的第三磁阻的通量发生器φ = Φυ+Φ?。
[0059]图3示出了根据g,在最大OUmax附近的有用磁通量Φυ的相对变化。
[0060]发现当开口比例g上升到0.80时，有用磁通量Φυ增大。
[0061]在该简化的模型中，基本上包含于0.35到0.80之间的g的值的范围Λ g使得有用磁通量Φυ可以最大，其中有用通量Φυ在该范围Ag中仅变化0.5%。
[0062]包括根据本发明的转子I的旋转电机的更加现实的计算机模拟证实了有效磁通量Φυ的最大值存在于开口比例g的值的基本等于0.8处,如图4所不。
[0063]该图示出了对于基本上包含于0.3到0.9之间的开口比例g的值的相位之间的电动势常数Ke的发展。
[0064]该常数Ke代表有用磁通量Φυ。发现其朝向约0.8的开口的比例g增加以达到最大值。
[0065]当使用铁氧体来代替稀土磁体，转子I的优化结构帮助机器性能水平的保持，而无需过度地增加永磁体3的本体。
[0066]根据同一技术，为转子I的磁通量的增加做出贡献的发明还使得可以降低由定子11产生的旋转磁场的强度，这对产生给定的转矩是必要的，并且从而使得可以减少为了生产定子绕组14而所需的铜的量。
[0067]永磁体3的本体的减少和铜的减少使得可以降低制造成本，并且从而在车载设备的高竞争领域提供商业优势。
[0068]然而，使用第一凹部4的开口的第一宽度a而在本发明的上述的主实施例中的有用的磁通量Φυ的优化的可能性，被以下事实所限制:周向磁极区段7具有当a增加时趋向于降低的第三宽度P，从而使得转子I的N、S极和定子11的定子齿13之间的磁路的第二磁阻迅速升高。
[0069]在设计为减少第一宽度a的升高造成的负面影响的变型实施例中，如图5所示，磁极区段7具有形成凸角15的第二径向区段。
[0070]这些磁极区段7的组件然后形成为径向横截面基本上为圆形形状，该形状具有对应于N、S极的突出物的多个凸角15。
[0071]从而，永磁体3被处于转子I的外围的凸角15部分的覆盖增加了周向部分5的厚度(图5中的虚线示出了在主实施例中的转子的外表面)，并且使得当开口比例g上升时削弱了转子1-定子11的磁路的第二磁阻的升高，换句话说，其帮助最大化有用磁通量Φυ而同时最小化漏磁通量Φ?。
[0072]在该变型实施例中，发明本体决定了永磁体3的第二宽度w比开口 8的第一宽度a和凸角的第三宽度P的和得到的第二比例是最优的，该第二比例基本上包含在0.25到0.6之间。
[0073]该变型的优势在于由电机产生的磁噪声借由扭矩和电动势的谐波失真的降低而降低，如图6a和6b所不ο
[0074]实际上，包括根据该变型(图5)的转子I的机器的空载的相位Ulph-ph之间电动势的波形17在图6a中看起来是基本上呈正弦曲线。
[0075]图6 b证实了除了基谐波18外没有其他谐波。
[0076]比较来看，图7a和7b示出了对应于示于图5的类型的旋转电机(未示出)的相同特征，但是所述旋转电机的转子I的周向部分5不包括形成开口 8的凹槽。在图7a中，可以清楚地看到相位U2ph-ph之间的电动势与正弦波形17相比具有失真。
[0077]图7b证实了在该例中存在具有表示基谐波18的高于6%的幅值的第五阶谐波20，然而在包括根据变形实施例(图5)的转子I的电机中该第五阶谐波不存在。
[0078]应当意识到本发明不被上述优选实施例简单地限制。
[0079]基于不同于那些上述规定的数值的，特别是磁极Np的不同数量，以及对应于包括所描述类型的转子的旋转电机的其他测试或模拟的其他实施例，只要其来源于所附权利要求，则其将不会背离本发明的内容。
【权利要求】
1.一种旋转电机的转子(I)，所述转子包括由布置在第一凹部(4)中的多个永磁体(3)形成的多个交替的北(N)极和南(S)极，所述第一凹部沿所述转子(I)的轴(X-X’ )延伸，并且在所述转子(I)的磁性本体(2)的中心部分(6)和周向部分(5)之间规则地分布，以诸如限定多个周向磁极区段(7)，所述永磁体(3)具有第一多边形径向区段和第一轴向对称平面，并且所述周向部分(5)包括轴向凹槽(15)，所述轴向凹槽布置在所述磁极区段(7)之间，面向所述永磁体(3)并且形成所述第一凹部(4)的开口，其特征在于:所述开口(8)具有第一预定宽度(a)，以诸如最小化沿周向方向在所述周向部分(5)中流通的漏磁通量(Φυ、并且最大化在每个所述磁极区段(7)中径向流通的有用磁通量(Φυ)，所述周向部分(5)具有预定的开口比例(g)，以诸如最小化所述漏磁通量^L)并且最大化所述有用磁通量(Φυ)，所述开口比例等于所述第一宽度(a)比所述永磁体(3)在周向方向上的第二宽度(w)得到的第一比例，并且所述开口比例(g)基本上包含于0.35到0.8之间。
2.如权利要求1所述的旋转电机的转子(1)，其特征在于:所述第一径向区段包括靠近所述周向部分(5)的矩形部分，该矩形部分邻接靠近所述中心部分(6)的成楔形的部分。
3.如权利要求1或2所述的旋转电机的转子(I)，其特征在于:其在所述转子(I)的位于所述中心部分(6)和所述周向部分(5)之间的中间部分中包括轴向延伸、并且布置在所述永磁体(3)之间的至少多个第二凹部(9)。
4.如前述权利要求3所述的旋转电机的转子(I)，其特征在于非磁性支撑件布置在所述第二凹部(9)中。
5.如前述权利要求1-4中的任意一项所述的旋转电机的转子(I)，其特征在于所述永磁体(3)包括铁氧体 。
6.如前述权利要求1-5中的任意一项所述的旋转电机的转子(1)，其特征在于所述磁极区段(7)具有在外部上形成凸角(15)的第二径向区段和第二轴向对称平面。
7.如前述权利要求6所述的旋转电机的转子(I)，其特征在于:所述第二宽度(w)比所述第一宽度(a)和所述凸角(15)在所述周向方向上的第三宽度(P)的和得到的第二比例基本上包含于0.25到0.6之间。
8.一种旋转电机，其特征在于其包括如前述权利要求1-7中的任意一项所述的转子⑴。
【文档编号】H02K1/27GK103988400SQ201280059590
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2012年11月6日 优先权日:2011年12月1日
【发明者】L.伯亚路德, J-C.马特, J-C.拉布罗塞 申请人:法雷奥电机设备公司