用于內置永磁體電機轉子的幾何結構的制作方法
【專利摘要】內置永磁體電機包括繞線定子，和限定多個磁極腔室的轉子芯部。所述磁極腔室的每個包括垂直于中心旋轉軸線的橫截面，其限定具有中心線的橫截面形狀。所述磁極腔室的每個的橫截面形狀包括徑向在內的屏障部分、徑向在外的屏障部分、和中央部分。每個磁極腔室的徑向在內的屏障部分和徑向在外的屏障部分的每個的橫截面形狀的中心線通過大體弓形段限定。每個磁極腔室的中央部分的橫截面形狀的中心線通過直線段限定。不具有重稀土元素的多個稀土磁體中的一個布置在所述多個磁極腔室中的一個的中央部分內。
【專利說明】
用于內置永磁體電機轉子的幾何結構
技術領域
[0001]本發明大體涉及內置永磁體電機。
【背景技術】
[0002]內置永磁體(IPM)電機包括轉子組件，轉子組件具有多個繞轉子組件外周邊布置的極性交替的磁體。轉子組件在包括多個繞組的定子內可旋轉。轉子組件與定子磁性地相互作用，以產生轉子組件繞中心旋轉軸線的旋轉。
[0003]IPM電機可使用鐵氧磁體或稀土磁體，諸如NdFeB。當用在相同構造的IPM電機中時，與稀土磁體相比，鐵氧磁體較廉價，但產生較低性能。典型地在IPM電機中使用的稀土磁體通常包括重稀土元素，諸如鏑或鋱，用于操作溫度穩定性。不包括重稀土元素的稀土磁體具有比包括重稀土元素的稀土磁體明顯低的矯頑性，這使得它們更容易被去磁化。但是，在稀土磁體中包含重稀土元素增加稀土磁體的成本。

【發明內容】

[0004]提供了一種內置永磁體(IPM)電機。IPM電機包括繞線定子和轉子芯部。轉子芯部包括多個磁極，每個磁極限定多個磁極腔室。所述多個磁極腔室的每個包括垂直于中心旋轉軸線的橫截面，其限定具有中心線的橫截面形狀。所述多個磁極腔室的每個的橫截面形狀包括徑向在內的屏障部分、徑向在外的屏障部分、和中央部分。中央部分布置在徑向在內的屏障部分和徑向在外的屏障部分之間。每個磁極腔室的徑向在內的屏障部分和徑向在外的屏障部分的每個的橫截面形狀的中心線通過大體錐形段限定。每個磁極腔室的中央部分的橫截面形狀的中心線通過直線段限定。IPM電機還包括多個磁體。所述多個磁體的一個布置在所述多個磁極腔室的一個的中央部分內。
[0005]相應地，每個磁極腔室的徑向在內的屏障部分和徑向在外的屏障部分提供了針對去磁化的足夠保護，以允許利用不包括任何重稀土元素的稀土磁體，所述元素諸如鏑或鋱。每個磁極腔室的直的線性中央部分允許利用燒結的預制造稀土磁體，且將稀土磁體牢固地定位在位，因為徑向在內的屏障部分和徑向在外的屏障部分包括錐形形狀，其不允許矩形形狀的稀土磁體相對于中心旋轉軸線徑向向內或向外地移動。
[0006]每個磁極包括多排，它們相對于中心旋轉軸線彼此徑向地間隔開，每排具有兩個磁極腔室，所述磁極腔室對稱地布置在磁極軸線的相對側上。
[0007]每個磁極包括第一排磁極腔室、第二排磁極腔室、第三排磁極腔室和第四排磁極腔室。
[0008]每個磁極腔室的中心線包括由其相應磁極腔室的徑向在內的屏障部分限定的內部長度、由其相應磁極腔室的徑向在外的屏障部分限定的外部長度，和由其相應磁極腔室的中央部分限定的中央長度。
[0009]每個磁極腔室的中央長度大于相應磁極腔室的內部長度和相應磁極腔室的外部長度。
[0010]每個磁極腔室的內部長度大于其相應磁極腔室的外部長度。
[0011]每個磁極腔室的外部長度為其相應磁極腔室的中央長度的10%至60%。
[0012]每個磁極腔室的內部長度為其相應磁極腔室的中央長度的10%至50%。
[0013]每排的每個磁極腔室的在外屏障部分的中心線的長度隨距所述磁極軸線的距離增加而增加。
[0014]所述多個磁極腔室的每個的橫截面形狀包括第一端部表面、第二端部表面、內邊緣表面和外邊緣表面，并且其中，每個相應的磁極腔室的內邊緣表面和外邊緣表面與它們相應的磁極腔室的中心線平行。
[0015]轉子芯部包括橋狀部，其在每個磁極腔室的內邊緣表面和外邊緣表面之間延伸，且在徑向在外屏障部分和中央部分之間。
[0016]本教導的上述特征和優勢及其他特征和優勢將從用于實施本教導的最佳模式的以下詳細描述連同附圖時顯而易見。
【附圖說明】
[0017]圖1是內置永磁體電機的不意性局部橫截面圖；
[0018]圖2是內置永磁體電機的放大示意局部橫截面圖，其顯示了磁極腔室和其中的磁體；
[0019]圖3是內置永磁體電機的示意局部橫截面圖，其顯示了轉子組件的替換實施例。
【具體實施方式】
[0020]本領域普通技術人員將認識到，諸如“之上”、“之下”、“向上”、“向下”、“頂部”、“底部”等的術語用來描述附圖，且不表示對本發明的范圍的限制，所述范圍如由所附的權利要求所限定的。此外，本發明在此在功能和/或邏輯塊部件和/或各處理步驟方面被描述。應意識到，這樣的塊部件可由任何數量的構造為執行特定功能的硬件、軟件、和/或固件部件構成。
[0021 ]參考圖1和2，其中，相同的幅圖標記在圖1中表示相同的部件，內置永磁體(IPM)電機在20處大致示出。IPM電機20可包括，但不限于，電馬達或其他類似的裝置。
[0022]參考圖1和3，IPM電機20包括繞線定子22和轉子組件24。轉子組件24構造為與繞線定子22磁性地相互作用，以相對于繞線定子22繞中心旋轉軸線26旋轉。如所示，轉子組件24包括沿第一磁極軸線30定心的第一磁極28(例如，北極)，和沿第二磁極34定心的第二磁極32(例如，南極)。第一磁極軸線30和第二磁極軸線34從中心旋轉軸線26分別徑向向外地延伸通過第一磁極28和第二磁極32的中心。中心旋轉軸線26布置在轉子芯部36的中心處。
[0023]優選地，轉子組件24包括多個第一磁極28和多個第二磁極32。第一磁極28的數量等于第二磁極32的數量。第一磁極28和第二磁極32以交替關系繞中心旋轉軸線26成角度地設置。當轉子組件24包括多個第一磁極28和多個第二磁極32時，每個第一磁極28在兩個第二磁極32之間沿圓周布置，每個第二磁極32在兩個第一磁極28之間沿圓周布置。
[0024]如上所述，轉子組件24包括轉子芯部36，其包括多個磁極28、32。每個磁極(第一磁極28或第二磁極32)限定多個磁極腔室38。第一磁極(一個或多個)28和第二磁極(一個或多個)32被以相同的方式布置和/或構造。轉子組件24的每個磁極28、32包括預確定數量的磁極腔室38，以預限定構造布置。轉子芯部36的所有磁極腔室38三維地延伸到轉子芯部36中，如在圖1和3的頁面上觀察到的。磁極腔室38可包括切口、凹槽等，如本領域已知的。圖1所示的轉子組件24的實施例和圖3所示的轉子組件的實施例之間的差異在磁極腔室38的構造和/或形狀中被發現。
[0025]轉子組件24還包括多個磁體40。所述多個磁體40中的一個布置在所述多個磁極腔室38的每個內。磁體40可包括適于用在IPM電機20中的任何類型的磁性材料。例如，每個磁體40可由鐵氧磁性材料和阿爾尼克磁性材料或替換地由稀土磁性材料制造，和包括它們，所述稀土磁性材料諸如但不限于鎳鐵硼(NdFeB)。優選地，磁體40是不包括任何重稀土元素的稀土磁體40 ο重稀土元素在此描述為包括以下元素:釔(Y)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩?、鐿(Yb)和镥L(U)。更具體地，稀土磁體40優選地不包括鋱或鏑。
[0026]繞線定子22包括多個繞組42，繞組42與布置在轉子芯部36的磁極腔室38內的磁體40磁性地相互作用，以產生扭矩，且引起轉子芯部36繞中心旋轉軸線26相對于繞線定子22旋轉，如現有技術已知的。
[0027]每個磁極28、32包括至少一排，可包括多排，相對于中心旋轉軸線26彼此徑向地間隔開，每排具有兩個磁極腔室38，它們對稱地布置在其相應磁極軸線的相對側上。參考圖1，轉子組件24的磁極的磁極腔室38的構造的示例性實施例被大體示出，且在此關于第一磁極28描述。如所不，第一磁極28包括第一排44、第二排46、第三排48和第四排50，它們相對于中心旋轉軸線26彼此徑向地間隔。第一排44比第二排46從中心旋轉軸線26更遠地徑向間隔開，第二排46比第三排48從中心旋轉軸線26更遠地徑向間隔開，第三排48比第四排50從中心旋轉軸線26更遠地徑向間隔開。相應地，第四排50是距中心旋轉軸線26徑向最近的排，而第一排44是距中心旋轉軸線26徑向最遠的排。第一排44、第二排46、第三排48和第四排50的每個包括兩個磁極腔室38，每個容納布置在第一磁極軸線30的相對側的一個磁體40。雖然第一磁極28的構造的示例性實施例示出為具有四排，每排中有兩個腔室，應意識到，構造可與在此所示和所述的示例性實施例不同。
[0028]參考圖1和2，每個磁極腔室38包括或限定垂直于中心旋轉軸線26的橫截面，其限定了橫截面形狀。如圖2最佳地所示，每個磁極腔室38的橫截面形狀包括中心線52、第一端部表面54、第二端部表面56、內邊緣表面58和外邊緣表面60。每個相應的磁極腔室的內邊緣表面58和外邊緣表面60與它們相應的磁極腔室的中心線52大體平行。每個磁極腔室38的第一端部表面54比它們相應的磁極腔室的第二端部表面56更靠近中心旋轉軸線26布置。每個磁極腔室38的內邊緣表面58比它們相應的磁極腔室的外邊緣表面60大體更靠近中心旋轉軸線26布置和/或更遠離磁極軸線布置。
[0029]所述多個磁極腔室38的每個的橫截面形狀包括徑向在內的屏障部分62、徑向在外的屏障部分64和中央部分66。每個磁極腔室的中央部分66布置在它們相應的磁極腔室的徑向在內的屏障部分62和徑向在外的屏障部分64之間。徑向在內的屏障部分62的中心線52段通過附圖標記68識別，徑向在外的屏障部分64的中心線52段通過附圖標記70識別，中央部分66的中心線52段通過附圖標記72識別。
[°03°]每個磁極腔室的徑向在內的屏障部分62和徑向在外的屏障部分64的每個的橫截面形狀的中心線52通過大體錐形或弓形段限定。每個磁極腔室的中央部分66的橫截面形狀的中心線52通過直線段限定。[OO31 ]每個磁極腔室的徑向在內的屏障部分62和徑向在外的屏障部分64的每個的中心線52的大體弓形段通過大體錐形或弓形方程I限定:
[0032]Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F = O I)
[0033]其中，A、B、C、D、E和F是常數，X是沿笛卡爾坐標系的X軸線的值，y是沿笛卡爾坐標系的y軸線的值。相應地，每個磁極腔室的徑向在內的屏障部分62和徑向在外的屏障部分64的每個的中心線52的大體弓形段可限定局部圓形段、局部橢圓段、局部拋物線段或局部雙曲線段的一種。
[0034]每個磁極腔室的中央部分66的中心線52的直線段由一般線性方程2限定:
[0035]y =mx+b 2)
[0036]其中，X是沿笛卡爾坐標系的X軸線的值，y是沿笛卡爾坐標系的y軸線的值，b是y軸線的截距，m是線段的斜率。
[0037]如上所述，所述磁體40的一個布置在每個磁極腔室38內。具體地，每個磁體40布置在所述多個磁極腔室38的一個的中央部分66內。所述多個磁體40的每個包括垂直于中心旋轉軸線26的橫截面，其限定矩形橫截面形狀。磁體40是預形成的，且插入和/或定位在磁極腔室38內。這樣，磁體40不是注射模制在位。每個磁極腔室38的中央部分66包括垂直于中心旋轉軸線26的橫截面，其限定矩形橫截面形狀，其設置尺寸為在其中接收一個磁體40。
[0038]因為每個磁極腔室的中央部分66的中心線52是直線段，因為相應磁極腔室的外邊緣表面60和內邊緣表面58與中心線52大體平行，中央部分66的橫截面形狀為大體矩形。因為每個磁極腔室的徑向在內的屏障部分62和徑向在外的屏障部分64的中心線52包括錐形或弓形段，因為相應磁極腔室的內邊緣表面58和外邊緣表面60與中心線52大體平行，徑向在內的屏障部分62和徑向在外的屏障部分64的每個的內邊緣表面58和外邊緣表面60還包括大體錐形或弓形形狀，即彎曲的。因為徑向在內的屏障部分62的內邊緣表面58和外邊緣表面60彎曲以限定大體弓形段，布置在中央部分66內的矩形形狀的磁體40不能自由地朝向中心旋轉軸線26徑向向內移動。換句話說，徑向在內的屏障部分62的彎曲的弓形段防止矩形形狀的磁體40徑向向內移動。類似地，徑向在外的屏障部分64的內邊緣表面58和外邊緣表面60彎曲以限定大體弓形段，布置在中央部分66內的矩形形狀的磁體40不能自由地遠離中心旋轉軸線26徑向向外移動。換句話說，徑向在外的屏障部分64的彎曲的弓形段防止矩形形狀的磁體40徑向向外移動。
[0039]每個磁極腔室的中心線52包括內部長度74和外部長度76以及中央長度78。內部長度74由其相應的磁極腔室的徑向在內的屏障部分62限定。外部長度76由其相應的磁極腔室的徑向在外的屏障部分64限定。中央長度78由其相應的磁極腔室的中央部分66限定。
[0040]優選地，如圖1的磁極腔室38的示例性構造所示，每個磁極腔室的中央長度78大于其相應磁極腔室的內部長度74和其相應磁極腔室的外部長度76。每個磁極腔室的外部長度76可以為其相應磁極腔室的中央長度78的10%至60 %。每個磁極腔室的內部長度74可以為其相應磁極腔室的中央長度78的10 %至50 %。每個磁極腔室的內部長度74可比其相應磁極腔室的外部長度76大，如在圖1中的磁極腔室38的示例性構造中所示的。但是，如圖3的示例性實施例所示，每個磁極腔室的內部長度74小于其相應磁極腔室的外部長度76。如圖1中的磁體腔室38的示例性構造所示的，每排的每個磁極腔室的在外屏障部分的中心線52的長度隨距其相應磁極軸線的距離增加而增加。
[0041]參考圖3，示出轉子芯部36和磁極腔室38的替換構造。圖3所示的轉子組件24的實施例與圖1所示的轉子組件24的實施例不同之處在于每個磁極中的磁極腔室38的排數，且在于每個磁極腔室38的徑向在內的屏障部分62的形狀和尺寸。對于圖3所示的實施例，徑向在外的屏障部分64和中央部分66保持如圖2所述。這樣，徑向在外的屏障部分64和中央部分66則不關于圖3詳細描述。雖然圖3所示的轉子組件24的實施例包括三排磁極腔室38，應意識到，排數可以變化，且可包括如圖1所示的轉子組件24的實施例中所示的四排磁極腔室38，或沒有在示例性實施例中特別顯示的一些其他的排數。另外，且如圖3所示，轉子芯部36的每個磁極腔室38可形成為包括磁體止擋件，所述磁體止擋件接合布置它們相應磁極腔室38內的磁體40，防止其在磁極腔室內相對于中心旋轉軸線26徑向地移動。應意識到，圖3的實施例中所示的磁體止擋件可并入在圖1和2中所示的實施例中。
[0042]如圖3所示，徑向在內的屏障部分62不包括圖1所示和所述的錐形或弓形部分。而圖3所示的轉子組件24的實施例包括徑向在內的屏障部分62，其具有垂直于中心旋轉軸線26的更三角形的橫截面，且該實施例比圖1所示的徑向在內的屏障部分62的實施例在尺寸和/或體積方面小得多。還應意識到，轉子組件24可構造為不包括徑向在內的屏障部分62。
[0043]參考圖3，轉子芯部36可構造為包括橋狀部90。如圖3所示，橋狀部90在每個磁極腔室的內邊緣表面和外邊緣表面之間延伸，且布置在徑向在外屏障部分和中央部分之間。此夕卜，橋狀部90可還添加到圖1和2所示的示例性實施例，在徑向在內的屏障部分62和中央部分66之間，和/或在中央屏障部分66和徑向在外的屏障部分64之間。這樣，橋狀部操作為將徑向在外屏障部分與中央部分分開。橋狀部90通過提供用于磁漏的路徑而對去磁化進行保護。
[0044]每個磁極腔室的徑向在內的屏障部分62和徑向在外的屏障部分64的形狀和尺寸與每個磁極中的磁極腔室38的構造結合(如圖1和3 二者所示)，提供了針對每個磁極腔室38內的磁體40的去磁化的很好的保護。針對去磁化的這種保護允許使用沒有重金屬元素的稀土磁體40。
[0045]詳細描述和附圖或視圖支持和描述本發明，但是本發明的范圍僅由權利要求限定。盡管已詳細描述了用于執行要求保護的發明的最佳模式和其他實施例，存在各種替換涉及和實施例，用于實踐限定在所附權利要求中的本發明。
【主權項】
1.一種內置永磁體電機，包括: 繞線定子； 轉子芯部，包括多個磁極，每個磁極限定多個磁極腔室； 其中，所述多個磁極腔室的每個包括垂直于中心旋轉軸線、限定具有中心線的橫截面形狀的橫截面； 其中，所述多個磁極腔室的每個的橫截面形狀包括徑向在外的屏障部分和中央部分； 其中，每個磁極腔室的徑向在外的屏障部分的橫截面形狀的中心線通過大體弓形段限定； 其中，每個磁極腔室的中央部分的橫截面形狀的中心線通過直線段限定;和 多個磁體，所述多個磁體中的一個布置在所述多個磁極腔室中的一個的中央部分內。2.如權利要求1所述的內置永磁體電機，其中，所述多個磁體的每個是不具有鏑或鋱的稀土磁體。3.如權利要求2所述的內置永磁體電機，其中，所述多個磁體的每個是不具有重稀土元素的稀土磁體。4.如權利要求1所述的內置永磁體電機，其中，每個磁極腔室的徑向在外的屏障部分的中心線的大體弓形段由以下方程定義:Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F = O 其中，A、B、C、D、E和F是常數，X是沿笛卡爾坐標系的X軸線的值，y是沿笛卡爾坐標系的y軸線的值。5.如權利要求4所述的內置永磁體電機，其中，每個磁極腔室的中央部分的中心線的直線段由以下方程定義: y=mx+b 其中，X是沿笛卡爾坐標系的X軸線的值，y是沿笛卡爾坐標系的y軸線的值，13是7軸線的截距，m是所述線段的斜率。6.如權利要求5所述的內置永磁體電機，其中，所述多個磁極腔室的每個的橫截面形狀包括徑向在內的屏障部分，中央部分布置在徑向在內的屏障部分和徑向在外的屏障部分之間。7.如權利要求6所述的內置永磁體電機，其中，每個磁極腔室的徑向在內的屏障部分的橫截面形狀的中心線通過大體弓形段限定，該弓形段由以下方程定義:Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F = O 其中，A、B、C、D、E和F是常數，X是沿笛卡爾坐標系的X軸線的值，y是沿笛卡爾坐標系的y軸線的值。8.如權利要求7所述的內置永磁體電機，其中，每個磁極腔室的徑向在內的屏障部分和徑向在外的屏障部分的每個的中心線的大體弓形段限定局部圓形段、局部橢圓段、局部拋物線段或局部雙曲線段中的一種。9.如權利要求1所述的內置永磁體電機，其中，所述多個磁體的每個包括垂直于中心旋轉軸線、限定矩形橫截面形狀的橫截面。10.如權利要求9所述的內置永磁體電機，其中，每個磁極腔室的中央部分包括垂直于中心旋轉軸線、限定矩形橫截面形狀的橫截面，所述矩形橫截面形狀設置尺寸為在其中接收所述多個磁體中的一個。
【文檔編號】H02K1/24GK105914920SQ201610098781
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年2月23日
【發明人】S.朱爾科維克, K.M.拉曼
【申請人】通用汽車環球科技運作有限責任公司