专利名称：具有双励磁转子的同步旋转电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括转子的同步旋转电机，所述转子配备有永磁体和励磁线圈。更特别地，本发明涉及该类型的用于如电动和混合动力机动车辆中的电牵引电动机和/或发电机的应用的电机。
背景技术：
由于具有永磁体的同步电机在输出、特定功率和功率密度方面的增加的性能，当前，具有永磁体的同步电机在机动车辆领域具有广泛的应用。此外，稀土永磁体的具有可接受经济条件的大规模可用性使得，对于新世代的机动车辆，这些电机的选择可行。这些电机可以以大范围的功率和速度生产，并在“全电动”类型的车辆以及具有已知为“轻度混合动力”和“全混合动力”类型的低CO2排放的车辆中找到应用。“轻度混合动力”应用大致涉及约8至IOKW的电机，例如，装配在热机的前表面上并通过驱动带联接至热机的电动机。借助该类型的电动机，可以通过提供特别是在加速期间供应额外动力的电扭矩辅助而减少热机械化(“发电机缩小化”)的立体容积。此外，在低速下的牵引，例如在城市环境中，还可以通过该相同电动机被提供。“全混合动力”类型的应用大致涉及用于串联和/或并联类型的架构的30至50KW的电动机，其具有将电动机(一个或多个)并入车辆的牵引链的更强化水平。但是，具有仅通过永磁体进行的励磁的电机具有场弱化困难。在机动车辆中，当电机用作用于车辆的不同行进需求的牵引电动机时，电机必须能够以不同载荷率和速度运作，且因此其场必须可以被弱化，以便达到高速区段。在具有双励磁的电机中更易于场弱化，这些电机提供在它们的转子中将由永磁体提供的高水平能量密度和控制气隙中由励磁线圈提供的磁流的能力结合的可能性。用于双励磁电机的有利结构在Li Li等的、名称为“Some armature reactioncompensation methods, numerical design of experiments and optimization for ahybrid excitation machine” 并发表在 IEMDC, Miami, USA (2009)的文章中披露。
发明内容
本发明提出一种双励磁的同步旋转电机，其具有在前述文章中披露的类型的转子技术，并且其设计已经被优化，以便增加用于汽车工业的这些电机的优势和性能。根据第一方面，本发明涉及一种具有双励磁的旋转电机，包括设置有定子绕组的定子和包括多个交替的北极和南极的转子，所述北极和南极由多个永磁体和多个励磁线圈形成，永磁体被容置在相应的第一凹部中，所述第一凹部轴向地延伸并规则地分布在转子的磁性质量件的圆周部分中，以便限定多个圆周极段，励磁线圈被容置在相应的第二凹部中，所述第二凹部轴向地延伸并规则地分布在所述转子的磁性质量件的中间部分中，中间部分位于转子的中央部分和圆周部分之间，每一个励磁线圈插入到相应的径向极齿中，所述极齿在两个相继的第二凹部之间形成分隔部。根据本发明，转子的至少一个圆周极段包括至少一个用于引导的器件，所述用于引导的器件当基本上为零的励磁电流通过励磁线圈时，用于使由对应的永磁体产生的磁流的预定部分朝向定子引导，以在转子和定子之间引入具有预定值的磁耦合。根据一特定特征，用于引导的器件包括所述转子的磁性质量件的颈部。根据另一特定特征，用于引导的器件包括专用凹部，所述专用凹部设置在转子的磁性质量件中，并填充有空气。根据另一特定特征，用于引导的器件包括专用凹部，所述专用凹部设置在转子的磁性质量件中，并填充有非磁性材料。根据本发明的特定实施例，用于引导的器件的颈部具有宽度，所述宽度小于或等于(ByBs).Lpm,是永磁体的剩余磁感应强度；Bs是在颈部的位置处的磁性质量件的饱和感应强度；和Lpm是永磁体的宽度。根据另一特定特征，颈部的宽度大于预定的下限。根据本发明的旋转电机可有利地以用于机动车辆的电动机、发电机、或电动机/发电机的形式制造。
本发明的其它特征和优势将通过阅读多个特定实施例的以下说明并参考以下附图而显现，在附图中:图1是横截面图，显示出根据本发明的具有双励磁的旋转电机的第一特定实施例的大体结构；图2是显示出图1中的电机的转子的极段的局部横截面图；和图3是横截面图，显示出根据本发明的具有双励磁的旋转电机的第二特定实施例。
具体实施例方式图1显示出根据本发明的具有双励磁的旋转电机的特定实施例1的大体结构，所述旋转电机包括定子10和转子11。电机I的转子11包括多个交替的北凸极和南凸极，所述北凸极和南凸极由多个永磁体PM和多个励磁线圈EC形成。根据本发明的该类型的电机的具体实施例例如是具有8至IOKW的电动机/发电机，用于称为“轻度混合动力”类型的机动车辆中的应用。在作为电动机运作的模式下，该类型的电机可以被设计为用于热机的起动、热机的扭矩辅助、以及用于当车辆处于低速时的电牵引。在电机作为发电机运作的模式下，其可在正常交流发电机模式下、或在再生制动模式下运作。该电机I包括定子10和转子11，所述定子10具有24个槽101，所述转子11包括4个交替的北极和南极。转子11包括4个永磁体PM。
定子10和转子11以常规方式制造有形成磁性质量件的金属板组。定子10的槽101设计为接收定子绕组(未示出)并且在彼此之间形成多个定子齿。根据一些实施例，槽101将被设计为容置缠绕到大齿上的集中式绕组或分布式绕组。磁体PM根据所谓的“极间”组装而布置在转子11的圆周部分中，并沿转子11的整个长度轴向地延伸。磁体PM被容置在相应的极间凹部El中，并分布在转子11的圆周部分中，使得沿周向方向，两个相继的磁体PM以不同的极取向布置，如图1所示。例如，如果PMl和PM2是相继的磁体，则相应的极取向可以是N-S和S-N或S-N和N-S，总是沿相同的周向方向。磁体PM优选地是包括稀土的永磁体，诸如钕铁硼(NeFeB)、衫铁(SmFe)、衫钴(SmCo )类型的磁体或从烧结或粘结的铁氧体获得的磁体。转子11包括中央孔，所述中央孔在转子的两个面端部敞开，且设计为接收转子的驱动轴A。将注意到，在本发明中,轴A可以由磁性材料制成。除了容纳磁体PM的凹部E1，转子11还包括凹部E2和E3，所述凹部E2和E3对于每一个极重复并沿转子的基本上整个长度延伸。凹部E2设计为在转子11中容置励磁线圈EC。凹部E2位于磁体PM之下，其中凹部E2与磁体PM —样多。两个相继的凹部E2由形成极齿RT的径向分隔部分开，对应的励磁线圈EC绕所述极齿RT缠绕。励磁线圈EC可根据串联、并联、或串联/并联的组装而被电连接。将注意到的是，在根据本发明的电机I的一些实施例中，一些凹部E2可用作用于转子11的组装支架。凹部E3在该情况下敞开到凹部E2中，且它们的功能是有助于磁流的控制。将注意到，这些凹部E3还对转子惯量的减少具有有益效果。更具体地，凹部E3允许通过由励磁线圈EC供应的低励磁、或零励磁而进行转子11和定子10之间的磁耦合的定大小。因此，当励磁线圈EC被供应有很小励磁电流或没有励磁电流时，可以确保转子11和定子10之间的从动(follower)磁f禹合。参考图2，已知对于转子11的所有极所描述的运作均相同，现在将详细描述凹部E3履行的功能。图2显示出双励磁运作状态，其中供应至励磁线圈EC的励磁电流为零。在该情况下，设置在极的磁性质量件中的凹部E3建立流动屏障，所述流动屏障抵抗由磁体PM产生的通过转子11的磁性质量件的磁流的总反馈。如在图2中所示的，在以上运作状态下，磁体的磁流于是包括定子耦合流(标记为Fs，其流过定子10)和转子反馈流(标记为Fk，其流过转子11)。本发明允许当励磁线圈EC被供应有很少励磁电流或没有励磁电流时流Fs相对于流Fk的部分的定大小，或相反地，使得为转子11和定子10之间的磁稱合定大小。当励磁线圈EC被供应有显著量的电流时，其产生的磁流(未示出)抵抗转子反馈流，且由磁体产生的所有磁流随后在定子中流动。因此可以通过本发明提供一种具有永磁体的双励磁电机，其中，当转子被很少励磁电流激励或没有励磁电流激励时，确保了转子和定子之间的可观(scalable)的从动磁耦
口 ο
如图2中所示，凹部E3在电动机的磁性质量件中在凹部E3和转子的外圆周之间产生颈部ET。该颈部ET使得可以限制由于线性模式下引入的磁阻和/或由于磁饱和而造成的转子磁反馈流Fk。将注意到，颈部Let (图2中所示)的宽度的参数是在存在很少励磁或没有励磁的模式下调节转子和定子之间的磁稱合的定大小参数(dimensioning parameter)。根据应用，凹部E3必须通过磁场线上的模拟而被优化，以便获得尽可能好的平衡(compromise)，特别是在发电机模式下运作和在电动机模式下运作之间，例如在可逆电机的情况下。由发明实体实行的测量和测试已经显示出，电机作为电动机运作的情况下，在颈部ET的磁饱和时运作是有利的。但是,在一些应用中，在磁饱和时的这种运作可还对于电机作为发电机运作有利。作为对颈部ET中的磁饱和的限制，应用以下公式:Br.Lpm=Bs.Let(I)其中: Br是磁体PM的剩余磁感应强度；Bs是在颈部ET的位置处的金属板的饱和感应强度；和Lpm是磁体PM的宽度。公式(I )给出等式:Let= (Br/Bs).Lpm⑵对于等于或小于.Lpm的颈部Let的宽度，磁饱和因此将介入，但是已知Let的下限由材料的机械强度(即，形成转子11的金属板的机械强度)强制决定。可施加在转子上的显著的离心力必须被考虑用于对Let的该下限定大小。在低的电励磁情况下，作为发电机运作时，可有利的是，通过适当定颈部Let的宽度的大小，朝向定子引导由磁体PM提供的磁流或该流的一部分，从而该流不抵抗由激励线圈EC产生的流。由本发明提供的该可能性使得可以例如调节机动车辆交流发动机中的从动动力传递。在机动车辆交流发电机中，从动动力传递对应于交流发动机在没有电励磁的情况下在21000rpm的旋转速度时必须传递的最大电流。图3示出根据本发明的电机的第二实施例1’。该实施例对应于本发明的特定应用，已知之前关于图1描述的第一实施例更多地是笼统实施例，没有针对工业应用优化。电机I’包括定子10和转子11，所述定子10具有36个槽101，所述转子11包括6个交替的北极和南极。转子11包括6个永磁体PM。该电机I’还不同于图1中的电机I大致在于凹部的构造。实际上，在该实施例中，在电机I的极段中的凹部E2和E3的功能由单个凹部E4实现，凹部E4的形式被限定为引入具有与电机I的颈部相同功能的颈部ET。在电机I中，凹部E3容纳空气。在电机I’中，凹部E4尽可能地被励磁线圈EC的铜填充。将注意到，本发明的其他应用可以包括凹部E3，在该情况下凹部E3被非磁性材料、或被磁性但具有低密度的材料填充。
权利要求
1.一种具有双励磁的旋转电机，包括设置有定子绕组的定子(10)和包括多个交替的北极和南极的转子(11)，所述北极和南极由多个永磁体(PM)和多个励磁线圈(EC)形成， 所述永磁体(PM)被容置在相应的第一凹部(EI)中，所述第一凹部(EI)轴向地延伸并规则地分布在所述转子(11)的磁性质量件的圆周部分中，以便限定多个圆周极段， 所述励磁线圈(EC)被容置在相应的第二凹部(E2 ;E4)中，所述第二凹部(E2 ;E4)轴向地延伸并规则地分布在所述转子(11)的磁性质量件的中间部分中，所述中间部分位于所述转子(11)的中央部分(A)和所述圆周部分之间，每一个所述励磁线圈(EC)插入到相应的径向极齿(RT)中，所述极齿(RT)在两个相继的所述第二凹部(E2 ;E4)之间形成分隔部， 其特征在于，至少一个所述圆周极段包括至少一个用于引导的器件(E3、ET)，所述用于引导的器件当基本上为零的励磁电流通过所述励磁线圈(EC)时，用于使由所述对应的永磁体(PM)产生的磁流的预定部分(Fs)朝向所述定子(10)引导，以在所述转子(11)和所述定子(10)之间引入具有预定值的磁耦合。
2.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，所述用于引导的器件包括所述转子(11)的磁性质量件的颈部(ET)。
3.根据权利要求2所述的旋转电机，其特征在于，所述用于引导的器件包括专用凹部(E3 )，所述专用凹部(E3 )设置在所述转子(11)的磁性质量件中，并填充有空气。
4.根据权利要求2所述的旋转电机，其特征在于，所述用于引导的器件包括专用凹部(E3)，所述专用凹部(E3)设置在所述转子(11)的磁性质量件中，并填充有非磁性材料。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的旋转电机，其特征在于，所述颈部(ET)具有颈部宽度(LET)，所述颈 部宽度小于或等于(B^Bs).Lpm, Br是所述永磁体(PM)的剩余磁感应强度； Bs是在所述颈部(ET)的位置处的磁性质量件的饱和感应强度；和 Lpm是永磁体(PM)的宽度。
6.根据权利要求2或3所述的旋转电机，其特征在于，颈部(Let)的所述宽度大于预定下限。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的旋转电机，其特征在于，其以用于机动车辆的电动机的形式被制造。
8.根据权利要求1至6中的任一项所述的旋转电机，其特征在于，其以用于机动车辆的发电机的形式被制造。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的旋转电机，其特征在于，其以用于机动车辆的电动机/发电机的形式被制造。
全文摘要
一种电机(1')具有转子(11)，所述转子包括永磁体(PM)和励磁线圈(EC)。磁体容置在第一轴向凹部(E1)中，所述第一轴向凹部分布在转子的磁性质量件的圆周部分上，因此限定圆周极段。线圈容置在第二轴向凹部(E4)中，所述第二轴向凹部分布在磁性质量件的中间部分中。根据本发明，圆周极段包括至少一个器件(ET)，所述器件用于当基本上为零的励磁电流流动通过所述对应的励磁线圈(EC)时，将来自对应的永磁体的磁通的一部分引导至定子(10)以便引入转子-定子磁耦合。
文档编号H02K1/27GK103141009SQ201180047199
公开日2013年6月5日 申请日期2011年7月28日 优先权日2010年9月30日
发明者A.吉美诺, G.弗雷德里克 申请人:法雷奥电机设备公司