專利名稱：用于具有附加氣隔層的永磁電機的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明大體上涉及諸如電動機的磁設備，且具體地涉及內部永磁電機。
背景技術：
內部永磁(IPM)電機由于其理想的特性即良好的扭矩密度、良好的總效率和良 好的恒功率范圍等，而有利于燃料電池和混合電動車輛的運行。永磁電機中的轉子磁場 通過其結構而獲得，不像其它電機如感應電機、開關電機或同步磁阻電機，在這些電機 中，磁場是由電源所供應的定子電流產生的。因此，與其它的這類電機相比，永磁電機 顯示出優越的效率。 然而，如同表面永磁(PM)電機，IPM電機因如下事實而負荷，即永磁磁場即便 在電機未通電時也存在，從而導致因轉子的旋轉永磁磁場感應而產生的損耗。而且，永 磁磁場感應產生通向定子繞組中的電壓("反電動勢")。對于強永磁電機，該反電動勢 可能十分顯著。 在IPM電機中，有時會添加第二轉子隔層(barrier),并且任選地在其內放置小磁 體(用于使轉子隔層上方的電橋飽和)。該第二磁體層或氣穴(air pocket)用作對于下方第 一磁體層的永磁磁場的隔層，從而減小氣隙磁通量，并且還降低電機反電動勢和由永磁 磁場感應產生的損耗。對于一些電機，由于有限的空間，添加第二隔層可能不容易。而 且，第二隔層的添加可能會削弱轉子結構或可能未覆蓋整個下方磁體，導致下方隔層磁 體的某些部分直接曝露在氣隙中，而這又引起更高的損耗和更高的反電動勢。
發明內容
因此，希望的是，提供一種IPM電機，其降低與磁場相關的損耗，同時最大限 度地減小反電動勢和氣隙磁通量。結合附圖和上述技術領域和背景技術，根據隨后的詳 細描述和附屬權利要求，本發明的其它理想特征和特性將變得明顯。
通過參考詳細描述和權利要求并結合以下附圖，可更全面地理解本發明，在附 圖中類似的標號指代類似的部件。 圖1以截面圖的方式描繪了各種內部永磁(IPM)電機；
圖2以截面圖的方式描繪了根據一個實施例的IPM電機； 周3和圖4為曲線圖，顯示了根據一個實施例的IPM電機的示例性的經驗性結 果。
具體實施例方式
以下詳細描述在本質上僅是說明性的，而非意圖限制本發明或本發明的應用和 用途。而且，也非意圖受到在前述技術領域、背景技術、發明內容或以下具體實施方式
中提出的明示或暗示的理論的限制。在本文中可通過功能和/或邏輯的單元部件和各種處 理步驟來描述本發明。應該理解，這樣的單元部件可以由任意數量的構造成執行特定功 能的硬件、軟件或固件部件來實現。為了簡明起見，文中不對涉及電動機、磁等常規技 術和系統進行詳細描述。 通常，各種實施例著重介紹永磁電機("PM電機")，特別是包括轉子的內部 永磁電機("IPM電機")，該轉子具有在相同轉子槽內位于第一磁體隔層上方的附加氣 隔層。因此，不需要第二隔層(即用以降低氣隙通量)。第一層永磁體上方所添加的氣 隔層，用作第一層磁體的隔層并降低磁通量。因而，降低了電機反電動勢和磁體感生損 耗(如鐵損)。磁體上方所添加的氣隔層還類似于雙隔層轉子幾何形狀而一定程度地提高 了轉子凸極性(saliency)。這部分地補償了因在氣隙內永磁場的下降而引起的轉矩降低。
內部PM電機一般包括有一個或多個轉子隔層(或簡稱為"隔層")。這些隔層 將阻抗(磁阻)引入磁場從而引入轉子凸極性。該凸極性為轉矩源，即通常所說的磁阻轉 矩。
一般來說，隔層數越多，磁阻轉矩便越大。例如，圖l(a)至圖l(c)示出了經過各 個示范性IPM電機100的部分截面，這些IPM電機100具有單隔層或雙隔層轉子106。 更具體地說，圖1(a)示出了具有磁體110和轉子槽或腔體(隔層)125的轉子100，其中， 轉子槽或腔體(隔層)125在相對于磁體110的各個位置處結合到該結構中。如同常規的 一樣，IPM電機100包括具有多個繞組102的定子101，該繞組102與轉子106中的磁體 110磁性地相互作用。各個腔體設置在轉子106的區域104內，并且根據結構中所結合的 層數，所有的這些腔體或其一部分以常規方式填充有永磁體。 圖l(b)更具體地描述了雙隔層PM轉子，其中在第二隔層部分地填充有磁體 110。類似的是，圖l(c)示出了雙隔層PM轉子，其中在第二層內沒有磁體，即第二隔層 僅包括充有空氣的腔體。圖l(b)和圖l(c)中所示的添加的第二隔層增加了對下方磁體隔 層的阻抗，從而減小了氣隙磁通量。然而，如前所述，在轉子中添加第二隔層可機械地 削弱轉子。另外，對于有些電機而言，添加任何的這種第二隔層因例如有限的空間(如 圖l(a)的轉子)而在幾何結構上便是不可行的。 也可以設置具有多于兩個隔層的轉子，然而，這樣的設計不合需要地增加了制 造復雜性。增加隔層數改善了轉子凸極性，并因而改善了電機轉矩。而且，第二轉子隔 層常常作為內磁體層的隔層而工作，因此減小了氣隙中的磁通量。氣隙中磁通量的減小 降低了磁體轉矩，但如前所述，由提高的轉子凸極性些微地補償。 在混合應用中，當PM電機作為傳動裝置的一部分時，通常即使電機不產生轉矩 或產生非常低的轉矩，電機也連同不同的齒輪組一起旋轉。若電機驅動循環相當大的部 分是無負載或低負載運行，則會影響傳動裝置的總效率。旋轉的磁通量還會在定子繞組 中感應產生電壓，通常稱為反電動勢。永磁轉子的高磁通量可在定子中感應產生非常高 的電壓，尤其是在電機的高速運行期間。因此，對于這種電機而言，希望的是降低電機 氣隙通量。
圖2描繪了根據本發明一個實施例的IPM電機200，在其中，在放置磁體的腔體 或槽中結合了氣隔層，而非添加額外的隔層。也就是說，如圖所示， 一對磁體110放置 在構造成大于磁體本身的相應腔體中，從而允許鄰近磁體形成氣隔層。
在圖2示出的截面圖中，腔體包括由磁體110填充的區域和由與其鄰近的各個氣 穴(即氣穴226、 225和227)所限定的區域的組合。因此，用語"腔體"用來指代在插 入磁體110之前如此限定的區間。盡管圖2顯示了磁體110和氣穴225、 226以及227的 截面視圖，但可理解的是，腔體延伸至轉子106的區間104內，并且將限定具有任何適當 形狀的三維容積。 可選擇各氣穴225、 226以及227的大小、位置和幾何形狀，以達到所希望的設 計目標。例如，在示出的實施例中，氣隔層225被構造成鄰近磁體110的"頂部"(即 徑向地朝向轉子101的外表面)。這些頂部氣隔層225大致為三角形(或三角形狀 (trianguloid))的，并大致延伸各磁體110的整個長度。在本實施例中，成對的矩形磁體構 造為相對于彼此成角度的，即限定向外面向定子101的鈍角，并且，氣穴225的最寬部分 (對應于各頂點)鄰近磁體110的最接近定子101的角部。 在本實施例中，附加的"底部"氣隔層227限定在磁體110與氣隙225相反的 一側，并且其截面面積大體上小于氣隙225的截面面積。在示出的實施例中，底部氣隙 227也大致為三角形并鄰近磁體110的角部。 圖2中還示出了 "側部"氣隙226，如圖所示，在本實施例中，氣隙226設置成 鄰近磁體110的邊緣。在一個實施例中，側部氣隙226延伸磁體110的整個高度(沿徑 向)。 如圖所示，還可在轉子106內設置附加的常規氣穴(轉子槽)125，即不與上述限 定的腔體鄰接的氣穴。 上述結構在許多方面都有優勢。具體而言，在永磁體IIO上方所添加的氣隔層 225用作第一層磁體的隔層并且減小了磁通量，由此還降低了電機反電動勢和磁體感應損 耗。同時，轉子凸極性因直軸(磁體軸線)電感的降低而提高。 例如，圖3為經驗曲線圖，顯示了圖2中的轉子與圖l(a)的轉子(無氣隔層)相 比較的無負載鐵損(自旋損耗)。從圖中可以看出，鐵損大大減少。氣隔層的添加還降 低了電機的反電動勢。圖4描繪了上述兩個轉子的反電動勢。從圖中可以看出，電機的 反電動勢顯著地下降減小。由于一些轉矩損耗由轉子提高的凸極性(更高磁阻轉矩)所補 償，故電機轉矩因氣隔層的添加(低磁通量)所引起的減小是很小的。
雖然在上述詳細描述中給出了至少一個示例實施例，但應認識到的是，還存在 著大量的變型。例如，除了示出的單層之外，還可以結合另外的隔層。還應當認識到， 文中所述的示例實施例并非意圖以任何方式限制本發明的范圍、適用性或構造。相反， 上述的詳細描述將為本領域技術人員提供用于實施所述實施例的方便的路線圖。應當理 解，在不脫離本發明及其法定等同物的范圍的情況下，可以在部件的功能和構造方面作 出各種改動。
權利要求
一種內部永磁電機，包括繞線定子；轉子，其構造成用以與所述繞線定子電磁地相互作用，所述定子具有外表面；多個腔體，其設置在所述轉子內，各腔體均具有總容積；以及多個磁體，其設置在所述多個腔體內，使得各腔體的總容積僅部分地由相應的磁體所填充，并使得氣隔層鄰近各磁體而形成。
2. 根據權利要求1所述的內部永磁電機，其特征在于，所述氣隔層包括位于所述轉子 的外表面和所述磁體之間的頂部氣隔層。
3. 根據權利要求2所述的內部永磁電機，其特征在于，所述頂部氣隔層大致為三角形 狀的。
4. 根據權利要求3所述的內部永磁電機，其特征在于，所述多個磁體均成對地構造而 限定了朝向所述轉子的外表面的凹角，且其中，所述大致為三角形狀的頂部氣隔層具有 頂點，所述頂點與最接近所述外表面的所述磁體的角部相鄰近。
5. 根據權利要求2所述的內部永磁電機，其特征在于，所述氣隔層還包括鄰近所述頂 部氣隔層的側部氣隔層。
6. 根據權利要求2所述的內部永磁電機，其特征在于，所述氣隔層還包括底部氣隔 層，所述底部氣隔層與所述頂部氣隔層相反地鄰近所述磁體。
7. 根據權利要求1所述的內部永磁電機，其特征在于，所述內部永磁電機還包括第二 組氣隔層，所述第二組氣隔層不與由所述腔體形成的所述氣隔層相鄰接。
8. —種制造內部永磁電機的方法，所述方法包括 提供繞線定子；提供具有外表面的轉子；在所述轉子中形成多個腔體，各腔體均具有總容積；在所述多個腔體中布置多個磁體，使得各腔體的所述總容積僅部分地由相應的磁體 填充，并使得氣隔層鄰近各磁體而形成；以及 將所述繞線定子設置成與所述轉子磁性連通。
9. 根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述氣隔層包括位于所述轉子的外表面 和所述磁體之間的頂部氣隔層。
10. 根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述頂部氣隔層大致為三角形狀的。
11. 根據權利要求10所述的方法，其特征在于，所述多個磁體均成對地構造而限定了 朝向所述轉子的外表面的凹角，且其中，所述大致為三角形狀的所述頂部氣隔層具有鄰 近頂點，所述頂點與最接近所述外表面的所述磁體的角部相鄰近。
12. 根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述氣隔層還包括鄰近所述頂部氣隔 層的側部氣隔層。
13. 根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述氣隔層還包括底部氣隔層，所述 底部氣隔層與所述頂部氣隔層相反地鄰近所述磁體。
14. 根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述內部永磁電機還包括第二組氣隔 層，所述第二組氣隔層不與由所述腔體形成的所述氣隔層相鄰接。
15. —種結合混合電動車輛的所用類型的牽引電動機，所述牽引電動機包括繞線定子；轉子，其構造成用以與所述繞線定子電磁地相互作用，所述定子具有外表面；多個腔體，其設置在所述轉子內，各腔體均具有總容積；以及多個磁體，其設置在所述多個腔體內，使得各腔體的所述總容積僅部分地由相應的磁體所填充，并使得氣隔層鄰近各磁體而形成，其中，所述氣隔層包括位于所述轉子的外表面和所述磁體之間的頂部氣隔層。
16. 根據權利要求15所述的牽引電動機，其特征在于，所述頂部氣隔層大致為三角形狀的。
17. 根據權利要求16所述的牽引電動機，其特征在于，所述多個磁體均成對地構造而限定了朝向所述轉子的外表面的凹角，且其中，所述大體為三角形狀的頂部氣隔層具有頂點，所述頂點與最接近所述外表面的所述磁體的角部相鄰近。
18. 根據權利要求16所述的牽引電動機，其特征在于，所述氣隔層還包括鄰近所述頂部氣隔層的側部氣隔層。
19. 根據權利要求16所述的牽引電動機，其特征在于，所述氣隔層還包括底部氣隔層，所述底部氣隔層與所述頂部氣隔層相反地鄰近所述磁體。
20. 根據權利要求16所述的牽引電動機，其特征在于，所述內部永磁電機還包括第二組氣隔層，所述第二組氣隔層不與由所述腔體形成的所述氣隔層相鄰接。
全文摘要
本發明涉及用于具有附加氣隔層的永磁電機的方法和裝置。具體而言，例如在牽引電動機和混合電動車輛中所用類型的內部永磁電機(“IPM電機”)，包括具有附加氣隔層的轉子，該氣隔層在相同轉子槽內位于第一磁體隔層上方。各磁體均僅填充各腔體的一部分，從而限定該氣隔層。第一層永磁體上方的附加氣隔層，用作第一層磁體的隔層并降低了磁通量。
文檔編號H02K1/27GK101692588SQ20081017983
公開日2010年4月7日 申請日期2008年12月1日 優先權日2008年12月1日
發明者E·L·凱澤, K·M·拉曼, M·D·拉巴 申請人:通用汽車環球科技運作公司