具有混合勵磁轉子的同步旋轉電機的製作方法

2023-09-13 09:01:55

專利名稱：具有混合勵磁轉子的同步旋轉電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有轉子的同步旋轉電機，所述轉子配備有永磁體和勵磁線圈。更特別地，本發明涉及該類型的用於諸如電動車輛和混合動力機動車輛中的電牽引電動機和/或發電機的應用的電機。
背景技術：
由於它們在特定和容積功率輸出方面的增加的性能，當今同步永磁體電機在機動車輛領域中找到廣泛應用。此外，稀土永磁體的具有可接受經濟條件的大規模可用性使得，對於新世代的機動車輛，這些電機的選擇可行。這些電機可以以大範圍的功率和速度生產，並在「全電動」類型的車輛以及稱為「輕度混合動力」和「全混合動力」類型的低CO2排放車輛中找到應用。「輕度混合動力」應用大致涉及約8-10KW的電機，例如，安裝在內燃機的前部面上並通過驅動帶聯接至內燃機的電動機。可以用這樣的電動機通過在扭矩中供應提供額外功率的電輔助(尤其是當加速時)來減少內燃機的立方容積(「發動機尺寸減少」)。此外，低速度牽引，例如在城市環境中，還可以通過該同一電動機被保證。「全混合動力」類型的應用大致涉及串聯和/或並聯類型布置的30-50KW的電動機，其具有將電動機(一個或多個)併入車輛的傳動系中的更成功水平。但是，具有僅由永磁體造成的勵磁的電機呈現出去磁通問題。否則，在機動車輛中，當電機在車輛的各種交通狀況中用作牽引電動機時，其必須能夠在各種負載和速度條件下操作，且因此必須能夠去磁通以達到高速度區域。具有混合勵磁的電機可被更容易地去磁通，並提供在轉子中將由永磁體提供的增加的能量密度和控制氣隙中由勵磁線圈提供的磁通的能力結合的可能性。具有混合勵磁的電機的令人感興趣的結構在Li Li等的名稱為「Some armaturereaction compensation methods, numerical design of experiments andoptimizationfor a hybrid excitation machine」 並發表在 IEMDC, Miami, USA(2009)中的文章中被披露。

發明內容
本發明提出一種具有混合勵磁的同步旋轉電機，其具有在上述文章中披露的類型的轉子拓撲，並且其設計已經被優化，以便增加用於汽車工業的這些電機的收益和性能。根據第一方面，本發明涉及一種具有混合勵磁的旋轉電機，包括配備有定子線圈的定子和包括多個交替的北極和南極的轉子，所述北極和南極由多個永磁體和多個勵磁線圈形成。永磁體被容置在相應的第一凹部中，所述第一凹部軸向地延伸並規則地分布在轉子的磁性本體的圓周部分內，以便限定多個圓周極段。勵磁線圈容置在相應的第二凹部中，所述第二凹部軸向地延伸，並規則地分布在轉子的磁性本體的中間部分內，所述中間部分位於轉子的圓周部分和中央部分之間。每一個勵磁線圈插入在相應的徑向極齒中，所述極齒在兩個相繼的第二凹部之間形成分隔部，每一個極齒在對應的極的中央徑向軸線上基本上對準。根據本發明，至少一個圓周極段包括第三凹部，所述第三凹部在中央徑向軸線上基本上對準，且在第三凹部的頂部處具有最大寬度以及在第三凹部的根部處具有最小寬度，根部是第三凹部最靠近轉子的中央部分的端部，並且極齒寬度對永磁體高度的比為大約O. 65至I。根據一個特定特徵,極齒具有大約2mm至大約IOmm的寬度，並且第三凹部的最大寬度對圓周極段的極寬度的比具有大約O. 13至大約O. 44的值。優選地，為了獲得扭矩增加和慣量減少的組合效果，極齒具有大約4mm至大約6. 5mm的寬度，並且第三凹部的最大寬度對圓周極段的極寬度的比具有大約O. 22至大約O. 29的值。根據本發明的又一特定特徵，第三凹部的最小寬度為電機的最小氣隙寬度的大約O. 8倍至最小氣隙寬度的大約1. 2倍。根據本發明的又一特定特徵，包括第三凹部的圓周極段在第三凹部的頂部和外部極面之間包括磁性本體的形成橋的部分，所述橋具有大約O. 7mm至大約2mm高度。根據本發明的一個特定實施例，第三凹部在極齒中延伸。例如，第三凹部可基本上在極齒的整個高度上延伸。第三凹部可有利地以變寬的形狀被實施。本發明的旋轉電機可有利地形成為用於機動車輛的電動機、發電機或電動機/發電機。


本發明的其他特徵和優勢將參考以下附圖在閱讀多種具體形式的實施例的以下詳細描述時更明顯，其中圖1是橫截面圖，以簡化方式顯示出根據本發明的具有混合勵磁的旋轉電機的一具體形式的實施例的結構；圖2A和2B是電機的轉子的局部橫截面圖，顯不出混合勵磁操作；圖3A、3B和3C是電機的轉子的局部橫截面圖，對於具有明顯變寬形狀的凹部顯示出實施例的兩種不同形式和尺寸設計參數，所述凹部設置在轉子的磁性本體的圓周部分內；圖4示出作為最大凹部寬度Lh和極齒寬度Ln的函數的扭矩C和慣量I的曲線；圖5是電機的轉子的局部橫截面圖，其中定義了極齒的寬度Ln和永磁體的高度Hm ;和圖6是作為極齒寬度對永磁體高度的比Ln/Hm的函數的電機功率曲線。
具體實施例方式圖1顯示出根據本發明的具有混合勵磁的旋轉電機的具體實施例1的結構，所述旋轉電機包括定子10和轉子11。電機I的轉子11包括多個交替的北凸極和南凸極，其由多個永磁體PM和多個勵磁線圈EC形成。根據本發明的這樣的電機的具體實施例例如是具有8-10KW的電動機/發電機，用於稱為「輕度混合」類型的機動車輛中的應用。在它的電動機操作模式中，這樣的電機可被設計用於起動內燃機，內燃機的扭矩輔助以及車輛的低速度電牽引。在它的發電機操作模式中，電機可工作在正常交流發電機模式或再生制動模式中。該電機的實施例的一個具體形式包括定子10和轉子11，所述定子10具有72個槽101，所述轉子11包括12個交替的北極和南極。轉子11具有約IOOmm的直徑和約50mm的軸向長度。轉子11包括12個永磁體PM，所述永磁體PM具有大致矩形形式，尺寸為長度X高度 X 寬度=50mmx5mmx6mmo定子10和轉子11以常規方式構造有形成磁性本體的金屬板片包。定子10的槽101設計為接收定子線圈(未示出)並且在它們之間形成多個定子齒。根據實施例的形式，槽101將被設計為容置集中線圈，所述集中線圈纏繞在大齒上，或分布線圈。轉子11具有多葉式圓柱體的大體形式，每一個葉對應於轉子的一磁極。磁體PM以埋入的方式布置在轉子11的圓周部分內，並在轉子11的整個長度上軸向地延伸。磁體PM被容置在相應的凹部El中，並分布在轉子11的圓周部分內，以使得沿周向方向的兩個相繼的磁體PM以不同的極性取向布置，如圖1所示。例如，如果PMl和PM2是相繼的磁體，則相應的極性取向可以是N-S和S-N或S-N和N-S,仍然沿相同的周向方向。磁體PM優選地是由稀土構成的永磁體,諸如釹鐵硼(NeFeB)、衫鐵(SmFe)、衫鈷(SmCo)類型的磁體，或由燒結或粘結的鐵氧體製成的磁體。轉子11具有中央孔，所述中央孔在它的兩個面端部露出且意圖接收它的驅動軸A0將注意到，在本發明中,軸A可以以磁性材料實施。除了容納磁體PM的凹部E1，轉子11還包括凹部E2和E3，所述凹部E2和E3對於每一個極重複並基本上在轉子的整個長度上軸向地延伸。凹部E2設計為在轉子11中容置勵磁線圈EC。凹部E2位於磁體PM之下，其中凹部E2與磁體PM —樣多。兩個相繼的凹部E2由形成極齒RT的徑向分隔部分開，對應的勵磁線圈EC繞所述極齒RT纏繞。勵磁線圈EC可以以串聯、並聯或串聯/並聯的布置方式電連接。凹部E3實現多種功能。總體上，它們主要具有有助於控制磁通和減少轉子的慣量的功能。取決於應用，凹部E3將需要通過在磁場線上的模擬而被優化，以便找到在電動機模式下由電機傳遞的最大扭矩和轉子的最小慣量之間的最佳可行折中。凹部E3還可以被優化以改進電機在電樞的磁反應方面的行為。將注意到，一些凹部E2可有利地用於轉子11的拉杆(tie-rod)。在該形式的實施例中，凹部E3容納空氣。對於一些應用，它們可以填充有非磁性材料，甚至是磁性材料(但具有低密度)。凹部E3這裡基本上徑向地布置在轉子11中，在兩個相繼的磁體PM之間並在極的中央徑向軸線上對準，該軸線常規地指定為「軸線q」。參考圖2A和2B，現在描述在轉子11的磁極處的混合勵磁的操作，已知該操作對於轉子11的所有磁極是相同的。圖2A顯示出勵磁線圈EC未被激勵的情況，意味著其不傳導勵磁電流。如圖2A所示，由永磁體PM產生的磁通Fl於是通過轉子11的磁性本體。當然,轉子11的磁路的磁阻必須被確定，以便避免永磁體PM的任何去磁。在該操作模式下，考慮到磁通Fl不流動通過定子10,這意味著在定子線圈中沒有電動勢(e. m. f.)產生。
圖2B顯示出勵磁線圈EC被激勵的情況，意味著其傳導勵磁電流。圖2B的示意圖對應於流動通過線圈EC的勵磁電流具有一強度以使得由磁體PM產生的磁通完全被約束為循環通過定子10 (磁通F1』)。流動通過線圈EC的勵磁電流使得附加的磁通在對應的極齒RT處出現。該附加的磁通被分為兩部分Fll和F22，所述部分Fll和F22在凹部E3的兩側通過並隨後在定子10中循環。如圖2B所示，磁通F21和F22朝向相關極齒RT通過經由位於該相關極齒的兩側的相鄰極齒RT發生。參考圖3A、3B和3C，現在以更詳細的方式描述凹部E3。如圖3A、3B和3C所示，在該形式的實施例中，凹部E3具有明顯變寬的形狀。變寬部分位於轉子11的圓周部分中。當然，除了該變寬的形狀以外的那些形狀對於凹部E3也是可行的並仍在本發明的範圍內，這裡描述的變寬的形狀僅作為示例性實施例給出。必須考慮以下參數，以限定E3，即-Lb，其是在凹部E3的根部處的所述凹部E3的最小寬度；-Hp，其是在凹部E3的頂部和對應的極的外部面之間的金屬板片的高度，高度Hp在下面指定為「橋高度」；_Pe，其是凹部E3的深度；-Lh,其是在凹部E3的頂部處的所述凹部E3的最大寬度；_Ln,其是極齒RT的寬度；和-Lp，其是極的寬度，在轉子11的外部圓周上測得。由本發明實體實施的模擬和測試已經顯示出，凹部最小寬度參數Lb必須作為轉子11和定子10之間的氣隙寬度的函數被確定。在這裡描述的實施例的形式中，由於轉子11的多葉式結構，轉子11和定子10之間的氣隙可變。氣隙寬度e (在圖3A中示出)是氣隙的最小寬度，即，在軸線q處的氣隙。將注意到，氣隙的變化性有助於減少諧波並因此減少鐵損。本發明實體已經顯示出，凹部的最小寬度Lb必須仍基本上等於氣息寬度e。實際上，太高的寬度Lb導致極的磁飽和，且結果導致機械扭矩的下降。優選地，凹部的最小寬度Lb必須是氣隙寬度e的大約O. 8倍(O. 8xe)至氣息寬度e的大約1. 2倍(1. 2xe)。橋高度Hp必須被最小化，以獲得磁飽和，通過沿軸線q阻止磁通，其引起扭矩的增力口。高度Hp的減少還有利於慣量的顯著降低。考慮到慣量與半徑的平方成比例，距轉子的中心儘可能最遠的質量的任何降低非常有利於慣量的降低。但是，該橋高度Hp必須被設置尺寸為使得橋可以承受轉子經受的機械應力，特別是離心力。橋高度Hp因此不能小於由這些機械應力施加的最小值。本發明實體實施的測試已經顯示出，大約O. 7mm至大約2mm的橋寬度Hp是良好的折中。關於凹部E3的深度Pe，圖3A、3C和3B示出了實施例的兩種可行形式。在圖3A、3C中的實施例的形式中，凹部E3的根部的底部位於凹部E2的高圓角CAh處。對於一些應用，在凹部E3的根部的底部和凹部E2的高圓角CAh之間的飽和區域ZSl可被設置尺寸以便控制磁通。在圖3B中的實施例的形式中，凹部E3基本上在極齒RT的整個高度上延伸。凹部E3的根部的底部位於凹部E2的低圓角CAb處。類似於圖3A、3C中的實施例的形式，在凹部E3的根部的底部和凹部E2的高圓角CAb之間的飽和區域ZS2可被設置尺寸以便控制磁通。這裡將注意到，極齒RT的寬度Ln』將大於圖3A、3C中的實施例的形式的Ln，以針對齒RT保持相同的磁性本體寬度。根據本發明，凹部E3的最大寬度Lh作為Lp的函數而設置尺寸，所述Lp是轉子11的外部圓周上測得的極的寬度(如圖3C所示)，以便優化慣量和扭矩之間的折中。圖4顯示出作為比Lh/Lp和最大凹部寬度Lh的函數的扭矩C和慣量I的曲線。扭矩曲線通過圓形式的點示出。慣量曲線通過菱形形式的點示出。通過研究這些曲線，明顯的是，對於大約O. 13至大約O. 44的值Lh/Lp可以找到慣量和扭矩之間的良好折中。大約2至大約IOmm的值Lh給出良好的結果。將注意到，對於分別為O. 22至O. 29以及4至6. 5mm的值Lh/Lp和Lh，可以減少慣量並同時增加扭矩。考慮到本發明實體在上面提供的教導，本領域技術人員將在給定區間中選擇最佳適於被考慮的應用的值Lh/Lp和Lh。參考圖6和7，現在討論本發明實體提出的在極齒RT的寬度Ln和永磁體PM的高度Hm之間的比的優化。本發明實體實施的測試和模擬已經顯示出，這是用於為電機設置尺寸的關鍵點，其對電機的功率具有重大影響。在永磁體產生的磁通的百分比和勵磁線圈產生的磁通的百分比之間，換句話說，在永磁體和被加入轉子中的銅的量之間，必須找到折中。參數Hm這裡表示由磁體產生的磁通。參數Ln涉及轉子中銅的量，且因此涉及勵磁線圈產生的磁通。實際上，根據極齒的寬度Ln，將可以使更多或更少的銅加入凹部E2中。此外，寬度Ln必須被仔細地設置尺寸，以便一方面避免在磁路太遠離磁飽和的操作點處的極齒RT的磁性本體的不充分拉動，另一方面避免會限制勵磁線圈產生的磁通的通過的極齒RT的磁性本體的過飽和。由本發明實體繪製的圖7的曲線指示出作為比Ln/Hm的值的函數的電機功率P。大約O. 65至大約I的比Ln/Hm被證明是良好的折中並確保了電機的性能。
權利要求
1.一種具有混合勵磁的旋轉電機，包括配備有定子線圈的定子(10)和包括多個交替的北極和南極的轉子(11)，所述北極和南極由多個永磁體(PM)和多個勵磁線圈(EC)形成,所述永磁體(PM)被容置在相應的第一凹部(El)中，所述第一凹部(El)軸向地延伸並規則地分布在所述轉子(11)的磁性本體的圓周部分內，以便限定多個圓周極段，所述勵磁線圈(EC)容置在相應的第二凹部(E2)中，所述第二凹部軸向地延伸，並規則地分布在所述轉子(11)的磁性本體的中間部分內，所述中間部分位於所述轉子(11)的所述圓周部分和中央部分(A)之間，每一個所述勵磁線圈(EC)插入在相應的徑向極齒(RT )中，所述極齒(RT )在兩個所述相繼的第二凹部(E2)之間形成分隔部，每一個極齒(RT)在對應的極的中央徑向軸線(q)上基本上對準，其特徵在於，極齒寬度(Ln)對永磁體高度(Hm)的比(Ln/Hm)為大約O.65至大約I。
2.根據權利要求1所述的旋轉電機，其特徵在於，至少一個所述圓周極段包括第三凹部(E3)，所述第三凹部(E3)在所述中央徑向軸線(q)上基本上對準，且在第三凹部(E3)的頂部處具有最大寬度(Lh)以及在第三凹部(E3)的根部處具有最小寬度(Lb)，所述根部是第三凹部(E3)最靠近所述轉子的中央部分(A)的端部，以及所述極齒(RT)具有大約2mm至大約IOmm的寬度(Ln),並且所述第三凹部(E3)的所述最大寬度(Lh)對所述圓周極段的極寬度(Lp)的比(Lh/Lp)具有大約O. 13至大約O. 44的值。
3.根據權利要求2所述的旋轉電機，其特徵在於，所述極齒(RT)具有大約4mm至大約6.5mm的寬度(Ln),並且所述第三凹部(E3)的所述最大寬度(Lh)對所述圓周極段的極寬度(Lp)的所述比(Lh/Lp)具有大約O. 22至大約O. 29的值。
4.根據權利要求2或3所述的旋轉電機，其特徵在於，所述第三凹部(E3)的所述最小寬度(Lb)為電機的最小氣隙寬度(e)的大約O. 8倍至最小氣隙寬度的大約1. 2倍。
5.根據權利要求2至4中的任一項所述的旋轉電機，其特徵在於，包括所述第三凹部(E3)的所述圓周極段在所述第三凹部(E3)的所述頂部和外部極面之間包括形成橋的磁性本體部分，所述橋具有大約O. 7mm至大約2mm的高度(Hp)。
6.根據權利要求2至5中的任一項所述的旋轉電機，其特徵在於，所述第三凹部(E3)在所述極齒(RT)中延伸。
7.根據權利要求6所述的旋轉電機，其特徵在於，所述第三凹部(E3)基本上在所述極齒(RT)的整個高度上延伸。
8.根據權利要求2至7中的任一項所述的旋轉電機，其特徵在於，所述第三凹部(E3)具有變寬的形狀。
9.根據權利要求1至8中的任一項所述的旋轉電機，其特徵在於，其以用於機動車輛的電動機的形式被實施。
10.根據權利要求1至8中的任一項所述的旋轉電機，其特徵在於，其以用於機動車輛的發電機或電動機/發電機的形式被實施。
全文摘要
本發明涉及一種具有轉子(11)的電機(1)，所述轉子包括永磁體(PM)和勵磁線圈(EC)。磁體容置在第一軸向凹部(E1)中，所述第一軸向凹部分布在磁性本體的圓周部分內，因此限定圓周極段。線圈容置在第二軸向凹部(E2)中，所述第二徑向凹部分布在磁性本體的中間部分中並限定極齒(RT)。根據本發明，極齒寬度對永磁體高度的比為大約0.65至大約1。
文檔編號H02K21/04GK103038987SQ201180037185
公開日2013年4月10日 申請日期2011年6月7日 優先權日2010年7月29日
發明者J-C.馬特, J-C.米波, L.李, A.福吉亞 申請人:法雷奧電機設備公司