用于具有插入永磁体的无刷同步电机的转子

技术领域

本发明涉及电机结构的一般技术领域。

更具体地，本发明涉及一种用于具有插入金属板堆叠中的永磁体的无刷同步电机的转子构造，称为IPM(插入永磁体)转子。

背景技术

已知这种类型的构造提供高的电机扭矩。

这些电机的价格主要在于所用永磁体的性质。

因此，使用基于稀土的永磁体将比使用基于铁氧体的永磁体产生高得多的成本。

因此，在这种情况下，适合的是在最大程度上减少用于获得给定的气隙磁通的基于稀土的永磁体的数量。

与任何同步电机一样，还适合的是优化有效扭矩，以获得最佳效率。

永磁体在金属板堆叠中也应具有良好的机械强度，并且金属板堆叠应足够坚固，以便可以保持永磁体。

为此，从文献WO2012014836A1中已知，设置有具有插入金属板堆叠中的永磁体的转子，该金属板堆叠具有颈部和磁通屏障，以促进由永磁体产生的磁通在气隙中的定向。

此外，在具有插入永磁体IPM的磁体电机的拓扑中，需要产生扭矩振荡。这些扭矩波动根据应用于电机电源的控制策略或多或少是大的。因此，至少对于确定的控制策略，还合适的是在最大程度上减小这些扭矩波动(英文为“torque ripple”)。

为此，例如从文献JP2009118731中已知设置有具有集成永磁体转子的电机，该集成永磁体转子具有磁通屏障和气隙表面上的凹口。永磁体两两设置成“V”形，以集中气隙中的磁通。

所提出的解决方案旨在减少扭矩波动。然而，如果要使用昂贵的磁体，则两两设置成“V”形的永磁体的设置显著增加了永磁体的数量，并因此增加了电机的成本。这种拓扑实际上更适合于使用低成本磁体，例如铁氧体磁体，并允许将磁体的磁通集中在气隙中。本发明不涉及具有磁通集中磁体的电机拓扑。

众所周知，具有插入永磁体(IPM)转子的同步电机受到很大的齿槽扭矩(英文为“cogging torque”)，特别是当使用稀土时。事实上，在这种类型的拓扑中，转子的转入永磁体对定子的齿施加磁吸引力。该力与转子的旋转运动相反，因此产生齿槽扭矩，该齿槽扭矩通过转子的表面的形状产生谐波并因此产生振动和噪声。

已知转子的外表面的形状以及永磁体的颈部和插入区域的形状可以被加工以减少齿槽扭矩。

为此，文献US2012/0256514提出了转子的外表面形状以及磁通屏障，但也提出了设置在定子上的对称磁通屏障，这使得电机的结构非常复杂。此外，永磁体数量仍然很大并因此没有优化。

从文献US2018/0205274中还已知一种具有集成永磁体转子的电动机，该集成永磁体转子具有分布成“V”形的永磁体，这些永磁体具有磁通屏障，这些磁通屏障在气隙附近具有特定的形状和定向。

然而，如前所述，两两设置成“V形”的永磁体的设置显著增加了所需的永磁体数量并因此增加了电机的成本。

发明内容

因此，本发明的目的是解决上述缺点的全部或部分，特别是通过提出一种用于具有插入永磁体的无刷同步电机的转子，其结构允许获得在永磁体数量确定的情况下获得最大有用扭矩，同时减少针对确定的控制策略的扭矩振荡和齿槽扭矩。该结构还允许保持对机械应力的良好抵抗力和插入永磁体的良好保持，特别是在转子的相对高速下。

为此，本发明涉及一种用于具有插入永磁体的无刷同步电机的转子，所述转子布置成根据预定控制策略被供电，所述转子具有限定转子的气隙表面的基本上圆柱形形状并且包括：

-数量p个永磁体对，所述永磁体对限定了转子的磁极；和

-数量2p个容置部，所述容置部根据预定节距极角(π/p)周期性布置，并且布置成接收多个永磁体，容置部配置在金属板堆叠中并且设置成使电机的气隙中的永磁体的磁通径向定向，

永磁体设置在容置部中并根据与转子的数量p个永磁体对相关联的预定节距极角(π/p)沿着转子的圆周分布在转子的气隙表面附近，每个永磁体具有与两个相邻永磁体的磁通方向相反的磁通方向，以便在气隙中根据节距极角(2π/p)产生磁感应，

容置部各自具有：布置成接收永磁体的部分，以及与所述部分邻接并与插入到容置部的所述部分中的永磁体的端表面邻接的第一凹部和第二凹部，所述端表面平行于永磁体的磁化方向，

转子的气隙表面包括：基本上设置在永磁体的容置部的第一凹部和邻接永磁体的另一容置部的第二凹部之间的轮廓平坦区域，和弯曲区域，所述弯曲区域的轮廓形状由极性方程给出，所述极性方程包括根据确定的控制策略所选择的系数，以限定电动势信号的形状和所述电机中的注入电流的信号的形状之间的谐波，所述弯曲区域基本上在限定的角度间隔内从位于两个相邻永磁体的第一连续凹部和第二连续凹部之间的半径延伸到位于对应于气隙中的节距极半角(π/2p)的相邻永磁体中的一个的第一连续凹部和第二连续凹部之间的半径，

所述第一和第二凹部限定磁通屏障，所述磁通屏障在所述第一和第二凹部和转子的气隙表面之间形成磁饱和磁性颈部，

所述第一和第二凹部具有朝转子的气隙表面的方向凸出的上表面，并且在横向于转子的轴线的截面平面内从转子的气隙表面的第一近端点延伸到转子的气隙表面的第二近端点，使得从该第二点到转子的气隙表面的距离大于或等于预定最小值，所述第一近端点设置在布置成接收永磁体的容置部的部分的端部，

在第一点和第二点之间的第一和第二凹部的上表面的横向于转子的轴线的截面平面中的轮廓点由参数方程组限定，该参数方程组利用在第一点和第二点处具有预定初始条件的立方样条，以使电机的气隙中的磁通最大化。

气隙表面的外表面轮廓允许使用预定控制策略并在永磁体体积最小的情况下显著改善具有插入到金属板堆叠中的永磁体的无刷同步电机的扭矩。

这种构造还允许每个转子极使用单个永磁体，因此与具有两个设置成V形的永磁体的构造相比降低了成本。

颈部和磁通屏障的形状自身允许将低磁阻赋予给这些区域并因此允许使它们磁通量迅速饱和，从而将剩余磁通量集中到气隙。

这些形状还允许保持对机械应力的良好抵抗力。

根据本发明的一个方面，利用立方样条的参数方程组的第一点和第二点处的预定初始条件将上表面的导数的方向施加到第一点和第二点。

根据本发明的一个方面，第一点处的上表面的导数的方向被施加成与永磁体的端表面在横向于转子的轴线的截面平面中的切线方向基本上共线，并且其中，第二点处的上表面的导数的矢量的方向被施加成与转子的气隙表面的点处的切线的方向基本上共线，该点是所述气隙表面的最接近第二点的点。

根据本发明的一个方面，第一点和第二点处的导数的矢量的振幅和极角被确定成使气隙中的磁通最大化，并且第一点和第二点处的导数的矢量的坐标被确定成使得：

-在上表面和气隙表面之间的距离保持大于或等于预定最小值，以及

-参数方程组保持双射。

根据本发明的一个方面，磁性颈部具有大于或等于金属板堆叠中的金属板中的一个的厚度的预定最小值。

根据本发明的一个方面，给出转子的气隙表面的轮廓的极性方程是以下形式：

其中，R

本发明还涉及一种电机，包括如前所述的转子，所述电机由在电机的相位中产生周期性电流方波的控制策略控制，并且其中，气隙的磁感应的傅立叶级数谐波分解被确定成获得类似于注入电流的电动势，从而具有电机的最大平均扭矩、最小扭矩波动和最小齿槽扭矩。

该设置允许以较少的扭矩波动产生更大的有用扭矩。

附图说明

参考附图，根据以下给出的通过非限制性示例呈现的本发明的特定实施方式的描述，将更好地理解本发明的目的、方面和优点，在附图中：

图1是根据本发明的转子在其与电机的定子的环境中的构造的截短示意图。

图2是根据本发明的转子的构造的截短示意图。

图3是根据本发明的转子的构造的放大示意图。

图4是根据本发明的转子的构造的转子和定子的相对位置的场线的示意图。

图5示出了获得根据本发明的转子的外表面的轮廓的功能。

图6示出了允许获得根据本发明的转子的金属板堆叠的凹部的上表面的轮廓的立方样条函数。

图7是示出由转子的几何形状限定的梯形和正弦电动势的傅立叶级数分解的比较的曲线图。

图8是由定子的磁极和根据本发明的转子的磁极之间的磁相互作用形成的磁路的示意图。

具体实施方式

仅示出了为理解本发明所必需的元件。为了便于阅读附图，相同的元件在不同的图中具有相同的附图标记。

如图1所示，由预定性质的控制电子设备(未示出)供电的用于插入永磁体M的无刷同步电机的转子1具有限定转子1的气隙表面SE的基本上圆柱形形状。

该转子1插入在定子2内。在转子1的气隙表面SE和定子2的齿SD的表面之间的最小距离限定了电机的气隙e。

如图2中更具体所示，转子1包括限定转子1的磁极的数量p个永磁体M对、和根据预定节距极角π/p周期性布置以接收多个永磁体M的数量2p个容置部L。

每个永磁体M由稀土例如钕或钐钴组成，并且具有由图1中每个永磁体M上表示的粗箭头指示的磁化方向。

永磁体M设置在配置于金属板堆叠T中的容置部L中并且根据与转子1的数量p个永磁体M对相关联的预定节距极角π/p沿着转子1的圆周分布在转子1的气隙表面SE附近。

金属板堆叠以常规方式由软铁制成。

每个永磁体M具有与两个相邻永磁体的磁通方向相反的磁通方向，以便在气隙e中根据2π/p的节距极角产生磁感应。

如图2所示，容置部L设置成使电机的气隙e中的永磁体M的磁通径向定向。

如图3中更详细所示，容置部L各自具有布置成接收永磁体M的部分PA、以及分别设置在容置部L的布置成接收永磁体M的部分PA的两侧的第一凹部E1和第二凹部E2。

转子的气隙表面的形状：

对于具有插入金属板堆叠T中的永磁体M的无刷同步电机，梯形FEM(电动势)是优选的，因为它允许产生更大的且具有更少扭矩波动的扭矩。

事实上，这种电子控制策略也适用于这种类型的电机，因为它在电机的相位中产生周期性电流方波，并且气隙e的磁感应的傅立叶级数谐波分解被确定成获得类似于注入电流的电动势，这允许具有最大平均电机扭矩、最小扭矩波动和最小齿槽扭矩。

电机的另一个重要有害方面是其齿槽扭矩，该齿槽扭矩是由因连续磁平衡/不平衡位置引起的空载磁能变化造成的。有必要减少这种不期望的齿槽扭矩，特别是在具有插入永磁体M(IPM)的电机的情况下。

为此，合适的是向转子1的气隙表面SE赋予特定形状，以使其确保气隙磁感应的更平滑过渡。在这种情况下，可以几乎取消齿槽扭矩。完全正弦的气隙感应将允许使齿槽扭矩尽可能地最小化，因为根据角度的磁通变化是最小的。然而，正弦气隙感引起对梯形控制策略有用的更多扭矩波动。

气隙e形成为具有气隙磁导率，该气隙磁导率根据由作为孔径角函数的期望谐波组成的信号而变化。

因此，转子1的气隙表面SE根据以磁极中心为原点的极坐标系Ref中的极性方程进行参数化，该极性方程的形式为：

[数式2]

其中，R

如图3所示，该方程限定了转子1的气隙表面SE的点A′和点B′之间的减小。

在这种情况下，第一点A′和第二点B′处的导数的矢量的振幅和极角被确定成对应于具有气隙e的磁感应的预定谐波分解的方程，使得：

-在定子2的齿SD的表面和气隙表面SE之间的距离，换句话说气隙e，和

-方程的解保持双射。

仅保留方程的双射解的事实允许避免形成与气隙表面SE的轮廓不兼容的环的解。

在极端，方程被抵消，因此不可能使用该公式来限定气隙e中的整个节距极半角π/2p上的气隙表面SE的轮廓。因此，角度范围的末端被截断。

图5将根据本发明的转子1所采用的气隙表面SE的轮廓相对于具有光滑即完全圆柱形的气隙表面SE的轮廓的形状进行比较。

限定气隙表面SE的减小的曲线R

该点R

以极角π/p限定的气隙表面SE的图案由围绕原始轴线、曲线R

该图案基本上在永磁体M的容置部L的第一凹部E1和第二凹部E2之间以限定的角间隔从位于两个相邻永磁体M的第一连续凹部E1和第二连续凹部E2之间的半径延伸到位于对应于气隙E中的节距极半角π/2p的相邻永磁体M中的一个的第一连续凹部E1和第二连续凹部E2之间的半径。

气隙表面SE的这种图案在转子1的气隙表面SE的整个周边上重复。

在所示示例中，对于直径约58cm的转子，线段

这导致气隙表面SE的轮廓由弯曲区域ZC和平坦区域ZP限定。由于气隙表面SE的平坦区域ZP在该角度时的宽度，该平坦区域ZP对齿槽扭矩的影响很小，但对FEM的影响也很小。

转子1的气隙表面SE的平坦区域ZP基本上设置在两个相邻容置部L之间。

转子1的气隙表面SE的该轮廓的新颖性在于这样的事实：将谐波添加到限定气隙e磁导率的方程的分母，以便在气隙感应中具有更多谐波，从而在FEM中具有更多谐波。

特别地，如图7所示，谐波如FEM在电控制间隔π/3和2π/3上更为梯形。

选择某些谐波的事实允许具有与光滑转子相比更平滑的感应前沿并降低了电机的齿槽扭矩。

相反，与纯正弦形式相比，谐波的添加增加了齿槽扭矩。因此，谐波的选择是控制扭矩波动、期望平均扭矩(即电机的有用扭矩)和适合的是最小化的齿槽扭矩之间的折衷。

注入谐波的数量依赖于转子1的工业化约束并因此依赖于转子的尺寸。转子越大，就越能注入谐波。在所示转子1的示例中，谐波数可以例如等于i＝9。

借助谐波所描述的该气隙表面SE因此利用在电机的相位中产生周期性电流方波的控制策略提供了更大的平均扭矩，并且对齿槽扭矩的影响很小。

磁通屏障的形状：

如图3所示，永磁体M具有端表面SA1、SA2，这些端表面SA1、SA2各自分别面向第一容置部E1和第二容置部E2。端表面SA1、SA2各自平行于永磁体M的磁化方向。

因此，第一和第二凹部E1、E2限定磁通屏障BFM并在金属板T堆叠上形成磁性颈部IM，这些磁性颈部IM设置在所述第一和第二凹部E1、E2和转子1的气隙表面SE之间。

磁性颈部的小厚度迅速引起其饱和。这种饱和如图4所示，在图4中可以看出，只有一小部分磁场线通过磁性颈部IM直接回环到转子1中。

为了优化磁通屏障BFM的功能，第一和第二凹部E1、E2具有朝转子1的气隙表面SE的方向凸出的上表面SUP，并且在横向于转子1的轴线的截面平面内从转子1的气隙表面SE的第一近端点A延伸到转子1的气隙表面SE的第二近端点B，使得从该第二点B到转子1的气隙表面SE的距离大于预定最小值VMP。

该预定最小值VMP被选择成保持对机械应力的良好抵抗力和插入永磁体M的良好保持，特别是在转子1的相对高速下，并且还可以在工业化方法的过程中容易切割磁性金属板。

从磁性角度来看，优选具有尽可能薄且尽可能长的磁性颈部IM的厚度。这导致区域的快速磁饱和。通常，对应于预定最小值VMP的磁性颈部IM的最小厚度至少等于金属板堆叠T中的金属板的厚度。在所有情况下，该预定最小值VMP不能小于金属板堆叠T中使用的金属板的厚度。

在第一点A和第二点B之间的第一和第二凹部E1、E2的上表面SUP的横向于转子1的轴线的截面平面中的轮廓点由参数方程组限定，该参数方程组利用在第一点A和第二点B处具有预定初始条件的立方样条，以使电机的气隙中的磁通最大化。

如图6所示，立方样条是一种允许通过平滑函数插值曲线的数学工具。立方样条表示所获得曲线的规则性和所用多项式的程度之间非常引人关注的折衷。它们的规则性允许避免感应形态的不连续性并减少齿槽扭矩。

该立方样条函数是用4个参数(a、b、c和d)来描述的，并且是t的函数。针对每个x轴和y轴限定了一个函数。

[数式3]

f

[数式4]

f

这些参数的确定涉及表示形成线性系统的不同条件的4个公式的表达式：

[数式5]

f(t＝0)→P

初始坐标

[数式6]

f(t＝1)→P

最终坐标

[数式7]

起始导数

[数式8]

到达导数

[数式9]

P

[数式10]

P

[数式11]

V1＝C

[数式12]

V2＝3a+2b+C

利用Pi、Pf、V1和V2的值，针对每个x轴和Y轴确定参数a、b、c和d，因此立方样条函数可以用于使磁通屏障BFM的上表面SUP的形状参数化。在这种情况下，初始点和终点的坐标是固定的，因为它们依赖于转子1的几何形状。仅确定导数的表达式：

[数式13]

具有数值模拟的优化允许确定第一点A和第二点B处的上表面SUP的导数的矢量的坐标，以便尽可能最佳地引导磁通并因此与期望的气隙感应形态相关。

因此，第一点A处的上表面SUP的导数的矢量的坐标被施加成与永磁体M的端表面SA1、SA2在横向于转子1的轴线的截面平面中的切线方向基本上共线，并且第二点B处的上表面的导数的矢量的方向被施加成与转子1的气隙表面SE的点B′处的切线的方向基本上共线，B′是气隙表面(SE)的最接近所述第二点(B)的点。B'是最接近与限定气隙表面SE的减小的曲线R

第一点A和第二点B处的导数的矢量的振幅和极角被确定成使气隙e中的磁通最大化。

因此，第一点A和第二点B处的导数的矢量的振幅和极角的极限被确定成使得：

-在上表面SUP和气隙表面SE之间的距离，换句话说磁性颈部IM的最小厚度，保持大于或等于预定最小值VMP，以及

-参数方程组保持双射。

与气隙表面SE的轮廓的弯曲区域ZC的限定一样，仅保留方程的双射解的事实允许避免形成与第一和第二凹部E1、E2的上表面SUP的轮廓不兼容的环的解。

当所施加的导数标准太大或角度限定不当时，可能会出现这种情况。

因此，磁通屏障BFM允许在间隙e中引导磁通量，同时减少永磁体M的数量并因此最佳利用材料。

当然，本发明绝不限于仅通过示例给出的所描述和示出的实施方式。在不脱离本发明的保护范围的情况下，尤其是从各种元件的构造的观点看或通过替换技术等同物，能够进行修改。

因此，为了简化转子的工业化，能够通过使用参数方程组或任何其他方程的近似来限定气隙表面SE的轮廓的弯曲区域ZC，该参数方程组利用在第一点A′和第二点B′处具有预定初始条件的立方样条，以使电机的气隙(e)中的磁通最大化。