CN101978579B - 具有聚集通量的极片的永磁体转子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁电机，其包括定子(301)和转子(305)，转子(305)适于相对于定子(301)旋转。转子(305)中包括多个永磁体(307)，其在圆周方向上由沿轴向Iy延伸的转子极片(309)彼此隔开，用于对来自永磁体(307)的磁通量进行聚集。定子(301)的结构限定了定子(301)和转子(305)之间的用于在定子(301)和转子(305)之间连通磁通量的空气隙的轴向边界，其特征为至少部分永磁体(307)沿轴向延伸至定子结构所限定的空气隙轴向边界之外。

Description

具有聚集通量的极片的永磁体转子

技术领域

本发明涉及永磁体电机领域，更具体地涉及一种DC无刷式永磁体电机。

背景技术

永磁体电机，尤其是直流无刷式永磁体电机可被实现为电调制极电机。近几年来，由调制磁极电机、爪形磁极电机、伦德尔(Lundell)电机及横向磁场电机(TFM)逐步发展而来的电机设计愈发令人关注。早在约1910年时Alexandersson和Fessenden就提出了利用以上电机原理的电机。这种日渐增长的关注的最重要原因之一在于：相对于例如感应式电机、开关磁阻电机，甚至是永磁体无刷式电机，该设计可实现极高的转矩输出。另外，该类电机的优势体现在其线圈通常是易于制造的。调制磁极电机布局(topology)的实现实例包括，例如，爪形磁极式、钩足式、伦德尔式或TFM式电机。通常来说，聚集通量的转子由多个软磁性材料的极片和同样数量的永磁体相隔组成。永磁体沿圆周方向磁化，其中每个双数永磁体具有相反的磁化矢量方向。

现有技术中的转子设计使用了高性能NeFeB磁体来使极场的强度达到最大并使结构的性能重量比最小化。一种替换方法是使用一个性能相对较差但成本较低的磁体，但此时磁体的截面面积需要适当增加来达到同样的磁极强度。目前所知的设置低性能磁体的方法是在整个径向方向上增大转子，这将增加转子的重量和惯性力矩。夹在中间的软磁极片也必须径向延伸以便获取来自永磁体的磁通量。

希望能提高电机性能，和/或在不降低其性能的前提下降低该电机的生产成本。

发明内容

此处公开一种包括定子和转子的永磁体电机。其中电机的转子适于相对于定子旋转。转子包括在圆周方向上由沿轴向延伸的极片彼此隔开的多个永磁体，所述极片用于聚集来自所述永磁体的磁通量。定子的结构限定了定子和转子之间的空气隙的轴向边界，该空气隙用于在转子和定子之间连通(communicate)磁通量。

此处公开的永磁体电机的实施例中，部分或者全部的永磁体轴向延伸超过定子结构所限定的空气隙的轴向边界。用于在转子和定子之间连通磁通量的定子和转子间的空气隙也被称作有效(active)空气隙。因此，永磁体的轴向长度大于由空气隙的轴向外边界限定的有效空气隙的整体轴长度。通常定子可包括软磁体结构，而空气隙的轴向边界可由软磁体结构的面对空气隙也就是面对转子的部分来限定。特别地，空气隙的轴向边界可由软磁体结构的面对空气隙也就是面对转子的部分的轴向边界来限定。

因此，来自较大磁体的磁通量可集中到由定子的轴向尺寸限定的有效空气隙区域中，从而提高电机的性能和/或允许使用较低性能磁体而不降低电机的性能，从而降低电机的生产成本。此外，不需要增大电机的径向尺寸就可以提高性能和/或降低成本。在许多应用中，由于诸如空间限制或希望降低电机中转动部件的惯性动能等原因，不希望增大径向尺寸。

定子可包含有多个定子齿，每个定子齿都沿径向方向朝转子凸出并有一个朝向转子的端面。定子齿的端面限定空气隙的轴向边界。

此处公开的永磁体电机的实施例中，极片的形状为使来自永磁体的磁通量被集中到由定子限定的有效空气隙区域附近。

这引出了一种提高调制磁极电机的空气隙磁通量密度的转子磁极结构。并且由于可使用更小的永磁体来获得所需的磁通量，惯性动能也得到了降低，这改善了电机的动态性能。另外软极片元件的形状允许磁通量的聚集，从而改善电机的性能。

在某些实施例中，所述极片的至少一个具有接触面，每个接触面与各个相邻永磁体的对应接触面紧邻，以及位于这些接触面之间的中心部件，其中该中心部件的轴向长度小于相邻的永磁体的轴向长度且/或其径向厚度小于相邻的永磁体的径向厚度。在某些实施例中，所述极片的至少一个在轴向方向上，且/或在径向方向上相对于所述有效空气隙而尺寸被限，即，与提供和相邻永磁体的接触面的极片侧面部件相比，使得提供相邻于有效空气隙的表面并通过有效空气隙提供转子和定子间的磁通量连通的极片中心部件的径向和/或轴向尺寸更小。

在一个实施例中，极片元件中的至少一个具有覆盖相邻永磁体表面的接触面，以及中心部件，其在朝向有效空气隙区域附近的方向上尺寸被限。因此来自整个永磁体表面的磁通量被导引并集中在一个区域，提高了磁极电机的性能。

在一个实施例中，极片在朝向有效空气隙区域附近的方向上轴向被限。通过在轴向上限制极片的尺寸，实际上就可能聚集和利用来自比定子部件轴向范围更广的磁体的磁通量。

更低性能的永磁体可以在轴向上延伸超出定子结构的轴向边界，将通量沿轴向集中回由定子轴长度限定的有效空气隙区域中。沿轴向延伸的软极片可以使转子的径向厚度相对于现有技术中的方案更小，从而使惯性动量达到最小化。

在一个实施例中，极片在朝向有效空气隙区域附近的径向方向上尺寸被限。通过在径向上限制极片的尺寸，实际上就可能聚集和利用来自比现有技术的转子中使用的磁体径向范围更广的磁体的磁通量。

在一个实施例中永磁体电机为轴向型。

在一个实施例中永磁体电机为径向型。

在一个实施例中所述极片的至少一个是压缩软磁粉制成的。

软磁粉可为基本纯净的水雾化铁粉或具有覆盖有电绝缘材料的不规则颗粒的海绵状铁粉。此处的术语“基本纯净”表示粉末应基本无异物，而O、C和N杂质的数量需要维持为最低。平均颗粒大小通常可为小于300μm大于10μm。

然而，只要具有足够的软磁性，并适于模压，任何软磁性金属粉末或金属合金粉末均可以使用。

粉末颗粒的电绝缘材料可以使用无机材料制作。在US6348265中公开的绝缘材料尤为合适，在此引入该文作为参考，该文涉及一种基粉颗粒，其基本含纯铁且具有绝缘的含氧和磷的阻挡层。带有绝缘颗粒的粉末可采用瑞典

AB公司提供的

500、

550或

700。

因此，可利用粉末成形方法以相同的操作来高效制作整合的极片，其中通过单次压模工具制作来进行成形。

附图说明

以下将参考图片描述本发明的优选实施例，其中：

图1为现有技术的径向永磁体电机以及现有技术的转子/定子设计的分解透视示意图；

图2为图1中径向径向永磁体电机的剖面图；

图3a例示了一种具有轴向延伸的磁通量聚集的转子和定子的电机实例；

图3b例示了一种具有轴向延伸的磁通量聚集的转子的转子极片；

图4例示了永磁体和定子齿的相对尺寸的实例；

图5a例示了一种具有轴向和径向延伸的磁通量聚集的定子和转子的电机实例；以及

图5b例示了一种具有轴向和径向延伸的磁通量聚集的转子的转子极片。

具体实施方式

本发明为永磁体电机100的领域，该电机的一个实例在图1的分解透视示意图中示出。永磁体电机定子10的基本特征为使用了磁性线圈，例如，中心单绕组20，其为由软磁芯结构形成的多个齿102提供磁性。定子芯然后形成于绕组20周围，不过在其他常见电机结构中绕组形成于各个齿芯段周围。调制磁极电机布局的实例有时被认为例如包括爪形磁极式、钩足式、伦德尔式或TFM式电机。更具体的，所示出永磁体电机100中包括：两个定子芯部分14和16，其各自包括多个齿102且基本为环状；置于第一和第二环状定子芯部分之间的线圈20；以及包括多个永磁体22的转子30。此外，定子芯部分14和16、线圈20以及转子30围绕共同的几何轴103，且两个定子芯部分14和16的多个齿设置为朝转子30的方向凸出，以形成一个如图3所示的封闭磁通量回路。图1中的电机为径向式，因为本例中定子包围转子，定子齿沿径向方向朝转子方向凸出。然而，同样的，定子亦可置于转子内侧，这种类型将在其后的某些图片中例示。以下所呈现的本发明的范围并不局限于任何特定类型的永磁体电机，其在轴向式和径向式电机上均适用，且对于定子置于转子的内侧或者外侧的情况均适用。类似的，本发明也并不局限于单相电机，在多相电机中同样适用。

有效转子结构30由偶数个片段(segment)22和24组成，其中半数又称为极片24的片段，由软磁材料制成，而另一半数片段为永磁体材料22。永磁体和极片互相间隔放置。现有技术的方法是分别制造这些部件。通常片段的数量都比较多，典型地可达10-50个独立片段。永磁体22被放置为使得永磁体22的磁化方向基本是圆周的，即南极和北极分别朝向一个基本圆周的方向。

另外，沿圆周方向计数的每个第二个永磁体22的磁化方向和其它永磁体相反。软磁极片24在所需的电机结构中的磁功能为全三维式，需要软磁极片24在三个空间方向上均可以以高磁导有效地承载磁通量。传统的使用层叠钢片的设计在垂直于钢片平面的方向上不能达到所需的高磁导，因此使用具有更高磁通量各向均性的软磁结构和材料将比现有技术使用的层叠钢片结构更加有利。

图2示出和图1相同的径向永磁体电机，但是组装后的电机剖面图更加清晰地示出了看到定子齿102如何伸向转子，以及两个定子芯部分14和16的定子齿是如何彼此以旋转交错的方式放置的。

图3a和图3b示出了具有根据本发明的定子和转子的电机实例。定子301有齿303，并置于转子305之内。转子305包括永磁体307和转子极片309。图3b示出了以上描述的转子的转子极片，其中为说明之便，转子极片和永磁体已被去除。转子极片307的形状做成为可以使来自永磁体的磁通量聚集到定子和转子之间的有效空气隙区域附近。永磁体307在轴向方向上长于定子301的轴长，并且为了使通量聚集到由定子长度w限定的有效空气隙区域，转子片的中心件311在轴向上相对于由定子303的长度w限定的有效空气隙被限定。本例中，中心件的长度I与定子的总长度w相对应。为了将来自整个永磁体的磁通量进行聚集，转子片的端部有覆盖相邻永磁体的整个表面的接触面313。

图4示出是永磁体和定子齿之间的相对尺寸实例。

图4a示出转子401的一部分，该部分包括转子极片409和与其相邻两个永磁体407。永磁体407和转子极片409各自沿着与转子的旋转轴417相平行的方向延展。永磁体的轴向长度标记为L_m。在转子转动过程中，所示的转子极片沿着箭头410所示方向运动。图4a还示出了与转子极片409和永磁体407对向放置的定子齿的端面413a和413b，即端面413a和413b朝向转子并由有效空气隙和转子隔开。通常有效空气隙的轴向长度W由定子整体轴向尺寸限定，具体地，由定子结构的径向靠近转子的部分的总轴向长度来限定。在该实施例中，定子包括两组定子齿，分别具有端面组413a和端面组413b，其中一组定子齿的端面与对应的另一组定子齿的端面呈轴向错位。因此，有效空气隙的长度W由各端面组的端面的轴向最外沿边界423a和423b之间的轴向距离所限定。此外，在本实施例中，狭长的转子极片409具有外侧外部部分424，其向各个相邻永磁体提供接触面426，转子极片409还有一个中心部件425。侧面外部部件424和中心部件425具有不同的轴向长度。具体地，中心部件的轴向长度L小于永磁体407的轴向长度，小于转子极片409的侧面外部部件424的轴向长度。本实例中，侧面外部部件的轴向长度与永磁体的轴向长度L_m相同。因此转子极片的接触面426覆盖永磁体407的整个轴长。在图5的实例中，中心件425的长度L等于有效空气隙长度W，从而可将来自永磁体整体长度的磁通量向有效空气隙导引和聚集，从而最小化磁损。无论如何，可以理解的是，侧面外部部件的长度可与永磁体长度不同，且/或中心件长度可与定子轴向尺寸所限定的有效空气隙长度W不同。此外，如下文将描述的，与转子极片409在与图平面正交的方向上的厚度也可横向变化和/或沿着转子极片纵向变化。因此，在使用中，由永磁体407产生的圆周磁通量通过接触面426进入转子极片424，并向中心件425导引和聚集，在此磁通量朝定子方向，即在本实施例中的径向方向，脱离永磁体。因此，转子极片424从永磁体的整个轴长接受磁通量，具体地，从一个比有效空气隙有更大轴向长度的区域接受磁通量，并向更窄的有效空气隙聚集磁通量，从而可以有效利用由轴向长度大于空气隙的永磁体产生的磁通量。

图4b示出另一个实例，其与图4a的实例相似，但用于一种不同的永磁体电机，其定子齿的端面413在轴向上延伸超过有效空气隙的全长L。

图5a和5b展示了一个具有定子和转子的电机实例。定子501有齿503，径向地置于转子505之内，此即所谓的外部转子结构。转子505包括如前所述的永磁体507和转子极片509。图5b例示了如上描述的转子的极片，其中转子极片和永磁体部分为说明之便已被去除。转子极片509的形状做成为可以使永磁体中的磁通量聚集到定子和转子之间的有效空气隙区域附近。该实施例中，为了使磁通量聚集到有效空气隙区域附近，永磁体507在轴向和径向方向上均长于转子极片509的中心件511，即转子极片509的中心件511在轴向和径向方向上相对于有效空气隙而尺寸被限。本例中，中心件的轴向长度I与定子的轴向总长w相对应，而进一步地，中心件511的径向深度/厚度d相对于定子附近空气隙而尺寸被限。为了将来自永磁体的磁通量进行聚集，转子片的端部具有覆盖相邻永磁体的整个表面的接触面513。

尽管本文对几个实施例进行了详细描述的展示，但本发明并不局限于此，而也可由以下权利要求限定的主题范围内的其他方式来实施。例如，本发明主要结合对称型转子结构进行描述，其中永磁体的侧面表面在径向上是对齐的。然而可以理解的是，在某些实施例中，可以使用其他转子设置，例如磁极嵌入式转子结构、V形磁极结构、楔形设计转子，或以上的组合，等等。本申请中描述的转子结构也可使用于AC同步永磁体电机。

Claims (8)

1.一种永磁体电机，包括定子和转子，所述转子适于相对于所述定子旋转，所述转子包括多个永磁体，所述永磁体在圆周方向上通过轴向延伸的转子极片彼此隔开，所述转子极片用于聚集来自所述永磁体的磁通量，所述定子的结构限定了定子和转子之间的用于在定子和转子之间连通磁通量的空气隙的轴向边界，其特征在于：至少部分所述永磁体沿轴向延伸至由所述定子结构限定的所述空气隙的轴向边界之外，其中，所述极片的至少一个具有接触面，每个接触面与各个相邻永磁体的对应接触面紧邻，所述极片还具有在所述接触面之间的中心部件，该中心部件的轴向长度小于所述相邻永磁体的轴向长度，

其中，所述定子具有多个定子齿，每个定子齿都沿径向方向朝所述转子凸出并具有朝向所述转子的端面，所述定子齿的所述端面限定所述空气隙的轴向边界，

且其中包括至少两组分别具有各自端面组的定子齿，其中一组定子齿的端面与对应的另一组定子齿的端面呈轴向错位，每个端面具有靠近对应的另一组的端面的一条边，和远离对应的另一组的端面的边，其中所述空气隙的轴向边界由不同组定子齿的端面的远边来限定。

2.如权利要求1所述的永磁体电机，其中，所述极片的至少一个具有接触面，每个接触面与各个相邻永磁体的对应接触面紧邻，所述极片还具有在接触面之间的中心部件，该中心部件的径向厚度小于对应的相邻永磁体的径向厚度。

3.如权利要求2所述的永磁体电机，其中，所述极片的至少一个具有接触面，所述接触面覆盖各个相邻永磁体的对应接触面。

4.如权利要求1所述的永磁体电机，其中，所述定子具有磁通量产生装置，该装置被设置为产生被导向定子齿的磁通量，从而在定子和转子之间的空气隙中产生磁通量，来使得转子相对于定子转动。

5.如以上任一项权利要求所述的永磁体电机，其中，所述极片的形状为使来自所述永磁体的磁通量聚集到定子和转子之间的空气隙附近。

6.如权利要求1-4中的任何一项所述的永磁体电机，其中，所述永磁体电机为径向型。

7.如权利要求1-4中的任何一项所述的永磁体电机，其中，所述极片的至少一个由压实的软磁粉制成。

8.如权利要求1-4中的任何一项所述永磁体电机，其中，所述定子的至少一部分由压实的软磁粉制成。

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