电机的制作方法

1.本技术涉及一种包括具有多屏障(multibarrier)设计的转子的电机，优选永磁辅助磁阻电机(permanent magnet assisted reluctance machine)，适用于混合动力、插电式混合动力和电动车辆。


背景技术：

2.永磁同步磁阻电机是一种交流马达，其中轴的旋转与交流电源电流的频率同步。在定子中产生旋转磁场，具有永磁体的转子随着定子的旋转电场而转动。这样，转子和定子被称为同步。
3.通常，汽车工业中使用的永磁电机包含稀土永磁体，例如钕-铁-硼(ndfeb)。由于稀土永磁体的强大的磁场可提高马达的扭矩，因此它们可在较宽的温度范围内实现高性能。其它磁体(例如铁氧体磁体)用于某些应用中，但这些磁体强度较低且更容易退磁。
4.转子可以具有不同的永磁体布局。在一些转子中，磁体与转子的外圆周基本平行地布置，而另一些磁体呈v形或弓形地布置。在这些配置中，磁体可以布置有一个在另一个之上布置的磁性层。


技术实现要素：

5.根据本发明的第一方面，一种用于车辆的电机包括定子和包含多个极(pole)的转子。每个极包括第一磁通屏障和第二磁通屏障，其中，所述第二磁通屏障与所述第一磁通屏障相邻并从所述第一磁通屏障径向向外地定位。所述第一磁通屏障和所述第二磁通屏障中的每一个包括位于中心管道中的中心铁氧体磁体与在从所述中心管道的每一端以一定角度延伸的外部管道中在所述铁氧体磁体的每一侧上的第一和第二稀土磁体。
6.这种使用多个磁通屏障的转子，每个磁通屏障具有中心铁氧体磁体和外部稀土磁体，通过使用稀土磁体作为辅助磁体，为电机提供增加的扭矩密度，同时使其在高速下机械稳固并且保持成本合理。
7.根据一个实施例，第一和第二稀土磁体是钕-铁-硼(ndfeb)磁体和/或钐-钴(smco)磁体。使用这种稀土磁体作为辅助磁体提供足够的磁力，同时通过使稀土磁体的使用最小化来使成本和环境影响最小化。
8.根据一个实施例，所述中心铁氧体磁体与所述第一和第二稀土磁体具有相同的退磁点。可选地，这可以通过设定每个磁体的厚度来实现。因为对于退磁更敏感的磁体(例如，更薄的铁氧体磁体)不必限制最大电流，因此通过选择或形成具有相同退磁点的磁体，在电机中可以使用更大的电流以实现更高的性能。
9.根据一个实施例，所述中心磁体和第一与第二稀土磁体中的每一个是矩形棱柱。将每个磁体和/或管道成形为矩形棱柱和/或具有矩形横截面可以意味着所述管道和/或磁体(比例如弯曲的磁体/管道)更容易形成或切割，并且所述磁体也可以更容易地插入到所述转子的管道中。此外，具有矩形横截面的管道能够确保磁体在插入后保持就位。可选地，
在所述磁体与管道之间的每一个主要侧面上能够有非常小的间隙，以将所述磁体可靠地保持就位。
10.根据一个实施例，用于稀土磁体的外部管道与用于铁氧体磁体的中心管道连接。这可适用于有效地形成管道并在磁体之间提供气隙。可选地，所述外部管道和/或稀土磁体从连接到中心管道/磁体的一侧到外侧可以稍微逐渐变细。这种锥形可以确保磁体维持在所述转子内的位置。进一步可选地，所述外部管道沿着垂直于所述中心管道延伸的中心线对称。
11.根据一个实施例，所述中心铁氧体磁体比所述稀土磁体厚。通过使所述中心铁氧体磁体比所述稀土磁体更厚，所述中心铁氧体磁体可以提供磁通链的主要来源，允许使用更昂贵的稀土磁体作为简单的辅助磁体。这减少了所需稀土磁体的体积，因此降低了转子的总成本，同时保持了高性能。
12.根据一个实施例，所述电机还包括第三磁通屏障，所述第三磁通屏障与所述第二磁通屏障相邻并且从所述第二磁通屏障径向向外地定位。可选地，所述电机还可以包括第四磁通屏障，所述第四磁通屏障与所述第三磁通屏障相邻并且从所述第三磁通屏障径向向外地定位。所述第三磁通屏障和所述第四磁通屏障中的每一个将包括在中心管道中的中心铁氧体磁体，以及在从中心管道的每一端以一定角度延伸的外部管道中在所述中心铁氧体磁体的每一侧上的第一和第二稀土磁体。在进一步的实施例中，所述电机可以包括甚至更多的磁通屏障，例如，五个或六个。
13.根据一个实施例，所述电机还包括只包含一种类型的磁体的磁通屏障。这种磁通屏障的形状可以与具有中心铁氧体磁体和稀土磁体的磁通屏障相同，具有中心管道和以一定角度延伸的侧管道。所述磁通屏障可以例如仅包括铁氧体磁体，从而在没有昂贵的稀土磁体的情况下提供磁强度。这种单磁体型磁通屏障可以位于由铁氧体和稀土磁体形成的磁通屏障之间，或者可以位于一侧上。在进一步的实施例中，整个极可以由这样的磁通屏障形成，而其他极由包括中心铁氧体磁体和侧稀土磁体的磁通屏障形成。可以根据系统性能要求和特定磁体的可用性来选择这种配置。
14.根据本发明的又一方面，一种形成电机的方法包括形成具有中心管道和两个外部管道的转子，所述两个外部管道连接到所述中心管道的端部并从所述中心管道的端部以一定角度朝向所述转子的外周径向向外延伸，所述中心管道和所述外部管道中的每一个具有矩形横截面；在所述中心管道中插入铁氧体磁体；以及在所述外部管道的每一个中插入稀土磁体。这种方法提供了一种形成用于电机的转子的有效且平价且仍然提供高性能的方式。通过将磁体(和管道)形成为具有矩形横截面(或至少不是弓形或弯曲的)的矩形棱柱形状，磁体和管道的制造更容易、效率更高并且因此成本更低。使用更厚的铁氧体磁体来提供磁通链的主要来源允许使用昂贵的稀土磁体作为简单的辅助磁体，从而减少稀土磁体所需的体积和转子的总成本，同时保持高性能。
15.根据一个实施例，形成具有中心管道和两个外部管道的转子的步骤包括将中心管道形成为比两个外部管道更厚。这种配置能够容纳更厚的中心铁氧体磁体，使其不易退磁并提供所需的磁强度，降低总成本。
16.根据一个实施例，所述方法还包括从所述中心管道和两个外部管道径向向外形成第二中心管道和两个第二外部管道，所述两个第二外部管道连接到所述第二中心管道的端
部并从所述第二中心管道的端部以一定角度朝向所述转子的外周径向向外延伸，所述第二中心管道和第二外部管道中的每一个具有矩形横截面；在所述第二中心管道中插入第二铁氧体磁体；以及在每个所述第二外部管道中插入第二稀土磁体。可选地，可以形成具有铁氧体和稀土磁体的第三中心管道和外部管道。形成多个磁通屏障，每个磁通屏障具有中心铁氧体磁体和外部稀土元素磁体辅助，从而使电机具有增加的扭矩密度和在高速下在机械方面更稳固的设计。
17.在附图和以下描述中阐述了一个或多个示例的细节。本公开的其他特征、目的和优点将根据描述和附图以及根据权利要求中显而易见。
附图说明
18.图1a是示意性电机的剖视图。
19.图1b是来自图1a的电机的极的剖视图。
20.图2是示意性电机的第二实施例的剖视图。
具体实施方式
21.图1a是示意性电机10的剖视图，图1b是电机10的极12的剖视图。电机10包括具有绕组16的定子14；以及具有极12的转子18。虽然转子18显示为具有四个极，但是不同的转子可以根据系统和扭矩要求具有更多或更少的极。
22.转子18的每个极12(图1a中所示)包括多个磁通屏障。在所示的实施例中，转子18的每个极12包括三个磁通屏障20。每个磁通屏障20包括三个磁体，在中心管道21中的中心磁体22和在外部管道25、27中的两个外部磁体24、26。中心磁体是铁氧体磁体，并且在转子18的外圆周附近垂直于转子18的半径线定位。外部磁体24、26每个都从中心磁体22的端部(在磁体的端部之间具有气隙)以一定角度朝向转子18的圆周并远离中心磁体地延伸。该角度通常是与几乎延伸到转子18的圆周的管道25、27成钝角，但具体的位置和角度可以根据磁体屏障的数量、磁体屏障的定位等而变化。外部磁体24、26是稀土磁体，例如钕-铁-硼(ndfeb)或钐-钴(smco)磁体。
23.磁体22、24、26都在转子18中的管道23、25、27内保持就位。中心磁体22由通常是矩形棱柱形状的中心管道23保持就位。外部磁体24、26保持在外部管道25、27中，外部管道25、27也大体上是矩形棱柱形状，但是可以不同并且朝向外边缘稍微变细。每个外部管道25、27连接到中心管道23的端部。管道23、25、27的尺寸通常大约为相应管道将接收的磁体的(横截面)厚度，在每一个主侧面上具有非常小的间隙。管道的横截面长度通常比它将接收的磁体更长，以在将外部磁体24、26与中心磁体22分开的端部提供空气间隙，以及在每个外部磁体24、26的端部提供间隙。
24.在每个磁通屏障20中，中心铁氧体磁体22比外部稀土磁体24、26更厚(具有更大的体积)。因为使铁氧体磁体更厚减少退磁的机会，这有助于解决退磁问题(特别是对于铁氧体磁体)。这也允许使用更小的稀土磁体24、26，从而通过需要更小的稀土磁体体积来降低总成本。通过将中心铁氧体磁体22的厚度设定为匹配稀土磁体24、26的相同退磁点，每个磁体的厚度可以设定为使得所有磁体具有相同的退磁点(即电机在不被退磁的情况下可以承受的最大电流)。因为不必限制最大电流(使用更薄的铁氧体磁体是这样的情况)，这允许使
用更高的电流(允许更高的性能)。
25.从图1b中一个极12的局部放大图可以看出，每个磁通屏障20a、20b、20c包括三个磁体。第一磁通屏障20a由分别位于管道23a、25a和27a中的中心磁体22a与外部磁体24a和26a组成。第二磁通屏障20b与第一磁通屏障20a相邻并从第一磁通屏障20a径向向外地定位；并且包括中心磁体22b和外部磁体24b、26b。第三磁通屏障20c与第二磁通屏障20b相邻并且从第二磁通屏障20b径向向外地定位，并且包括中心磁体22c和外部磁体24c、26c。管道和磁体通常沿垂直于中心管道23和中心铁氧体磁体22延伸的中心线对称布置。
26.可以看出，磁通屏障20a、20b、20c从径向最外屏障到径向最内屏障增加尺寸，第一磁通屏障20a最小(具有较小的磁体)到最大屏障(具有最大磁体22c、24c、26c的第三磁通屏障20c)。虽然示出了三个磁通屏障，但其他实施例可以具有更多或更少的磁通屏障，例如2-5个。每个磁通屏障20a、20b、20c的磁体布置成与每个极12中的其他磁通屏障的相应的类似磁体平行。第一磁通屏障20a布置成尽可能靠近转子18的外周，同时仍然允许保持转子的刚度。
27.在使用中，磁场在定子14的绕组16中旋转。转子18中的永磁体22、24、26与定子14的旋转磁场锁定，导致转子18随着磁场旋转。中心铁氧体磁体22是磁通链(magnetic flux linkage)的主要来源，而稀土外部磁体24、26协助该链。
28.在现有技术系统中，典型的同步磁阻电机通常具有抛物线磁通屏障，抛物线磁通屏障优化了凸极性(saliency)，但损害了高速应用(例如电动车辆)的结构完整性。图1a-1b的多屏障电机中所示的配置，具有多个磁通屏障，每个磁通屏障具有中心铁氧体磁体22和辅助的外部稀土元素磁体24、26，导致电机具有增加的扭矩密度和在高速下更机械稳固的设计。与传统的现有技术的铁氧体辅助电机相比，所示设计可以将扭矩增加三倍以上，并且与具有类似配置但仅使用铁氧体磁体的电机相比，所示设计可以将扭矩增加一倍以上。
29.较厚的中心铁氧体磁体22的使用降低了总成本，而在侧面较小的稀土磁体确保可获得所需的磁强度，尤其是对于高速性能。通过将磁体(和管道)形成为具有矩形横截面(或至少不是弓形或弯曲的)的矩形棱柱形状，磁体和管道二者的制造更容易、效率更高并且因此成本更低。使用较厚的铁氧体磁体22来提供磁通链的主要来源允许使用昂贵的稀土磁体作为简单的辅助磁体，从而减少稀土磁体所需的体积和转子的总成本，同时保持高性能。通过添加铁氧体磁体，这种配置具有比传统同步磁阻电机显著更高的扭矩密度，并且避免了仅使用铁氧体磁体的转子不可逆退磁的问题。此外，多屏障设计导致比传统永磁电机更高的磁阻扭矩。使用铁氧体磁体和以一定角度延伸到铁氧体磁体侧面的稀土辅助磁体，以可承受的投资成本提供具有可行的扭矩密度的转子，并有助于减少与稀土磁体的开采和使用相关的环境影响。
30.图2是示意性电机10的第二实施例的剖视图。图2的电机10运行并且具有与关于图1a-1b所示和描述的电机的部件相同的部件。唯一的区别是每个极12仅由两个磁通屏障20组成，每个磁通屏障由中心铁氧体磁体22和外部稀土元素磁体24、26组成。在其他转子18中，极12可以具有更多磁通屏障，例如4-6，每个磁通屏障由中心较厚的铁氧体磁体22和较小的稀土磁体24、26组成。
31.尽管所示的磁通屏障中的每个磁通屏障包括中心铁氧体磁体和两侧稀土磁体，但是在一些实施例中，可以另外使用诸如仅铁氧体磁体的单一类型磁体的磁通屏障。这样的
磁通屏障可以布置在极中，或者邻近所示的磁通屏障或者在所示的磁通屏障之间，例如代替图1a-1b所示电机中的稀土磁体24c、26c。这可以提供额外的磁力，同时保持合理的成本。
32.虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的保护范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物替代其要素。此外，在不脱离本发明的实质性保护范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不限于所公开的特定或优选实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的保护范围内的所有实施例。