永磁电机制造技术

公开了一种具有最优电动效率的永磁电机。所述永磁电机适用于混合动力汽车动力系统。建立电机转子中非对称的磁通量分布图案以提高当电机处于电动模式时电机的运行效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种具有非对称转子设计的永磁电机。
技术介绍
永磁电机通常具有包括黑色金属铁芯和嵌入的永磁体组的转子。围绕转 子的定子包括黑色金属和流过交流电的绕组。这种电机(有时称为内置式永 磁电机)能够用作电动机或发电机。》兹体组被插入在转子铁芯的孔或腔(cavity )中。通过在转子铁芯中设置沟槽可降低转子的重量和转子的转动惯量。在一 些应用中，沟槽也用于接纳用于散热的冷却油流。这些沟槽或油孔通常 与永磁体的转子磁极相邻地对称布置。如果孔的大小引起转子的磁通量流区 域中的磁通量流通路的宽度的显著减小，则对于给定的定子电流，永磁电机 将具有降低的有效电^t性能。孔的位置也影响^t通量流通路。如果永磁电机用于混合动力汽车动力系统，则在判断通量流分布的变化 对整体性能的影响时，永磁电机的重量降低、热管理和电流容量具有特别的 重要性并且应该被考虑在内。在已知的用于混合动力汽车动力系统的永磁电机中，使用圆形油孔，并 且环绕所述油孔创建电》兹通量流通路。油孔相对于嵌入的永^兹体对称地布置。如果油孔没有包括在转子设计中，并且永磁电机不需要油孔以用于冷却 或降低重量的目的，则在永磁体之下的区域中的磁通量具有较宽的通过通量 的通路。因此，在该区域中的通量饱和度较低。此外，饱和度由于可用于通 量流通路的较大的横截面积而相对均匀。然而，当在转子设计中引入油孔时， 磁通量被迫流过在》兹体和油孔之间的位置处更窄的通^各。由此造成的饱和度 的增加需要更高的电流来补偿电磁扭矩的降低。
技术实现思路
当结合本专利技术的特点的永磁电机作为混合动力汽车动力系统的组件时，永磁电机在电力从发动机驱动的发电机和/或从蓄电池传送到电动机时用作 电动机。电动机将电能转换为机械能，机械能被传输到汽车驱动轮。当汽车 处于制动模式时，机械能从驱动轮分配到永磁电机，永磁电机将机械能转换 为在蓄电池充电模式期间被存储在蓄电池中的电能。如果汽车动力系统是串联式混合动力汽车动力系统，则从发电机输出的 不用于产生动力的电能可用于为蓄电池充电，其中，发动机动力驱动将机械 能转换为电能的发电机为蓄电池充电并在电动模式下驱动永磁电机。如果永磁电机是并联式混合动力汽车动力系统的一部分，则将来自发动 机的机械能分割，其中， 一部分机械能被直接传送到驱动轮。其余的发动机 机械能用于驱动发电机。发电机将电能提供给蓄电池并将电能提供给用作电 动机的永磁电机，永磁电机转而将所述电能转换为机械能以驱动驱动轮，从 而补充来自发动机的机械能。然而，在汽车制动时永磁电机在发电模式下运 行期间，只有一部分汽车动能通过^L械制动和发动才几制动^t消^^。因为混合动力汽车动力系统的这种非对称运行特性，包含本专利技术的特点 的永磁电机适用于并联式混合动力汽车动力系统和串联式混合动力汽车动力 系统。具有本专利技术的特点的转子的部件的非对称布置将导致在电动期间永磁 电机的电磁性能的提高，尽管在发电模式运行期间永磁电机的电磁性能会降 低。但是，因为永磁电机在总的运行时间中的大部分'时间内在电动模式下运 行，所以永磁电机在电动期间的性能提高相比在发电模式下运行期间的性能 降低，对总体性能更为重要。当永磁电机在空载条件下运行时，转子中的磁通量分布相对于磁体对称， 并且磁通线围绕油孔均匀地分布。然而，在负载条件下，永石兹体的-兹通量分 布与定子电流产生的》兹通量分布相互作用，并且当永》兹电机用作电动机时， 所得的磁通量分布朝向转子的转动方向移动，而当永磁电机用作发电机时， 所得的磁通量分布向相反方向移动。因为如上所述，电动运行模式在混合动力汽车动力系统中的永磁电机中 占据主要地位，所以可制作油孔的位置和形状以优化电动模式下永磁电机的 运行，从而提高整体性能。因此，油孔的策略上的位置、大小和形状可提高 电动模式下电动机-发电机的性能，尽管在发电模式下性能稍有降低。对于电 动模式和发电模式的不同扭矩需求使得可以设计具有非对称几何形状的转 子，这将充分利用主要的磁通量分布通路。具有本专利技术的特点的永磁电机的转子可具有叠片的铁磁材料的转子铁 芯。叠片的数量可根据期望的转子的总厚度而变化。多个磁体被嵌入到转子 中，接近于定子和转子之间的气隙。可构造油孔的形状，以在不明显降低电 动机扭矩的情况下允许去除最多的转子材料。在公开的本专利技术实施例中，油孔通常可以是三角形，而非圓形。此外， 油孔的策略上的位置将使通量分布最优化，以在电动期间实现提高的电磁性 能。油孔相对于磁体的位置是非对称的。可通过相对于包含油孔的几何中心 的对称轴以一定的角度布置油孔，或者通过相对于对称轴在一侧布置油孔， 来实现这种非对称。根据本专利技术的另一实施例，可通过以非对称方式布置^t体，而非油孔， 来实现非对称的转子设计，从而油孔的位置相对于》兹体变为最优。根据本专利技术的另一实施例，可接近于磁体在转子中设置非对称布置的额 外的孔或腔，以增加电机产生的电磁扭矩。附图说明图1是包含本专利技术特点的转子叠片和定子叠片的部分径向剖视图la是本专利技术的转子的实施例的俯视图lb是从图la的剖面线lb-lb的平面观看的剖视图lc是容纳在形成于图la和图lb的转子中的磁体开口( magnet opening) 中的磁体的等轴测图2是包含本专利技术特点的转子的图解视图，其中，电磁通量线被指示并 且定子没有电流，仅由磁体产生从北极(N)到南极(S)的磁通线；图2a是与图2的示图相似的示图，其中，定子包含具有电流的励磁绕组， 而不包括^兹体，仅由定子绕组产生^^通线；图3是与图2和图2a的示图相似的示图，但是包括当永磁电机在电动模 式下负载运行时，由磁体和定子绕组电流的组合效应产生的通量分布；图4是与图3的示图相似的示图，其具有当永磁电机在发电模式下运行 时，由磁体和定子绕组电流的组合效应产生的通量分布；图5是如图3所示的转子和定子的示图，但是其中，当永磁电机在电动 模式下运行时，油孔相对于相邻的磁体被不对称地布置；图6是与图5的示图相似的示图，其中，永磁电机在发电模式下运行；图7是对于低饱和区域的通量分布的磁动势(MMF)和通量密度之间的 关系的曲线图7a是对于高饱和区域的通量分布的通量密度对磁动势的曲线图8是与图5和图6的剖视图相似的剖视图，但是其中，与图5和图6 中所示的油孔具有位于对称轴的转动中心的油孔布置不同，油孔相对于它们 的几何中心转动，并且布置到相邻石兹体的对称线的一侧；图9是与图8相似的剖视图，其中，电机在如图8所示的负载条件下， 在发电模式下而不是在电动模式下运行；图IO是本专利技术的实施例，其中，磁体而非油孔相对于对称轴被非对称地布置；图11是本专利技术另一实施例的转子的部分径向剖视图，其中，转子具有通 常位于相邻的i兹体对之间的直轴上的额外的腔；图12是与图11的示图相似的示图，其显示当转子中的额外的腔相对于 相邻的磁体对对称地布置时，在电动运行期间的磁通线；图13是与图12的示图相似的示图，其显示当额外的腔在电动运行期间 非对称地布置时，在电动运行期间的磁通线；图14是动力系统部件为串并联结构的混合动力汽车动力系统的示意性框图15是串并联式混合动力汽车动力系统的示意性框图，其中，示出了动 力系统扭矩分配式行星齿轮传动， 一部分发动机扭矩用于驱动发电机，并且 其余的发动机扭本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种永磁电机，包括：　转子、紧密接近于转子的定子和定子中的绕组；　定子和转子之间的气隙，其中，转子可驱动地连接到转子轴并且相对于定子转动；　嵌入到转子中的多个磁体，紧密接近于定子绕组；　转子中为三角形的开口，用于接纳冷却介质流或降低重量；　定子绕组和磁体具有彼此相互作用的通量分布，以建立每个开口和相邻的磁体之间的组合磁通量流通路，从而通常为三角形的开口在减少转子的旋转质量的同时，在磁体和开口之间的转子区域中实现每单位转子长度的最小平均电磁通量饱和。

【技术特征摘要】
US 2007-8-16 11/839,9281.一种永磁电机，包括转子、紧密接近于转子的定子和定子中的绕组；定子和转子之间的气隙，其中，转子可驱动地连接到转子轴并且相对于定子转动；嵌入到转子中的多个磁体，紧密接近于定子绕组；转子中为三角形的开口，用于接纳冷却介质流或降低重量；定子绕组和磁体具有彼此相互作用的通量分布，以建立每个开口和相邻的磁体之间的组合磁通量流通路，从而通常为三角形的开口在减少转子的旋转质量的同时，在磁体和开口之间的转子区域中实现每单位转子长度的最小平均电磁通量饱和。2、 如权利要求1所述的永》兹电机，其中，所述开口相对于邻近的磁体对 非对称，从而当电机处于电动运行模式时，在所述开口和》兹体之间的转子区 域的电磁通量密度被最优化，以实现提高的效率。3、 如权利要求1所述的永磁电机，其中，多个相邻的》兹体对和与每对磁 体相邻的开...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁峰，迈克尔W德格内尔，阿尔佛雷德R穆诺茨，
申请(专利权)人：福特全球技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]