一种电机转子和包含该转子的车辆电机的制作方法

1.本发明总体上涉及电机技术领域，更具体地，涉及一种电机转子和包含该转子的车辆电机。


背景技术：

2.永磁电机中具有安装在由定子包围的转子上或嵌入所述转子内的磁体。转子上的磁体与电机中电流引起的内部磁场耦合，所述内部磁场由对定子绕组的电输入产生。由定子绕组和转子通量场产生的转矩形成均匀的转矩分量和变化的转矩分量，电机的总输出转矩是两个分量的组合。但由于变化的转矩分量产生了转矩波动现象。电机中的转矩波动是由永磁体所产生的谐波磁通量与定子绕组中的电流之间的相互作用引起的。
3.转矩波动会导致在电机转动的过程中瞬时输出力矩随时间不断变化，同时围绕某一平均值上下波动。转矩波动大的话，拖动负载时稳定性就低。也即是说抖动很大，而且也影响了速度的稳定性，使电机能耗增加。
4.为了解决此类问题，目前已经提出了一些通过调整转子或定子的局部结构来改善转矩波动的方案。如美国专利文献us14/337820中提出了一种用于永磁同步电机的转子，其中第一层的空腔周向地形成在转子芯结构内。在所述第一层中的多对空腔形成v形构型并且围绕在所述第一层中的所述转子芯结构周向地间隔开。第二层的空腔周向地形成在所述转子芯结构内。在所述第二层中的多对空腔形成v形构型并且围绕在所述第二层中的所述转子芯结构周向地间隔开。第一组永磁体插入在所述第一层中的每个空腔内，且第二组永磁体插入在所述第二层中的每个空腔内。具有永磁体设置在其中的所述第二层的每个相应v形构型延伸的距离大于从所述圆柱状外壁到所述圆柱状内壁的径向距离的一半。
5.但是，本发明人认识到，在现有技术的该类解决方案中仍然存在进一步的改进空间。


技术实现要素：

6.本公开总结了实施例的各方面，并且不应当用于限制权利要求。根据在此描述的技术可设想到其他实施方式，这对于本领域普通技术人员来说在研究以下附图和具体实施方式后将是显而易见的，并且这些实施方式意图被包含在本技术的范围内。
7.本技术的发明人认识到，需要一种电机转子和包含该转子的车辆电机，该电机转子和电机可以在不增加整体生产成本和降低转矩的情况下，通过简单改变转子叠片的局部拓扑结构显著降低转矩波动，从而改善输出稳定性并降低电机的总体能耗。
8.根据本发明的一个方面，提供了一种电机转子，包括转子芯，转子芯包含：
9.沿转子芯周向分布的若干对磁体，每对磁体共同构成开口朝向转子芯的外周的v形形状；
10.每个v形形状内侧的第一槽孔和第二槽孔，第一槽孔和第二槽孔之间形成有磁桥，磁桥的两侧分别向外周方向弯折，并且磁桥的中部的至少一部分区域向外周方向拱起。
11.根据本发明的一个实施例，第二槽孔位于第一槽孔与外周之间并且垂直于v形形状的中轴线，第一槽孔两侧的侧翼部分向第二槽孔方向倾斜，侧翼部分之间的第一主体部与第二槽孔平行并在中部的部分区域向第二槽孔方向加宽。
12.根据本发明的一个实施例，第一主体部包括两端的渐变区和中间的平台区，渐变区的朝向所述第二槽孔的侧边从侧翼部分向第二槽孔方向倾斜，平台区的侧边彼此平行。
13.根据本发明的一个实施例，第二槽孔在中间收窄以形成第二主体部，并且第二主体部与第一槽孔的平台区相对应且彼此平行。
14.根据本发明的一个实施例，第二槽孔还包括位于第二主体部两侧的加宽部，每个加宽部包括端侧区和连接端侧区与第二主体部的连接区，连接区朝向第一槽孔的侧边与第一槽孔的渐变区的相邻侧边平行，端侧区朝向第一槽孔的侧边与第一槽孔的侧翼部分的相邻侧边平行。
15.根据本发明的一个实施例，第二槽孔的加宽部的最大宽度大于等于2倍的第二主体部的宽度。
16.根据本发明的一个实施例，第一槽孔的平台区的宽度大于等于2倍的第一槽孔的侧翼部分的宽度。
17.根据本发明的一个实施例，磁桥各部分的宽度一致。
18.根据本发明的一个实施例，转子芯还包含位于磁桥径向内侧的槽状部。
19.根据本发明的一个实施例，槽状部位于构成v形形状的每对磁体的径向内侧端部之间。
20.根据本发明的另一个方面，提供了一种电机转子，包括转子芯，转子芯包含：
21.沿转子芯周向分布的若干对永磁体，每对永磁体共同构成开口朝向转子芯的外周的v形形状；
22.每个v形形状内侧的第一槽孔和第二槽孔，第一槽孔和第二槽孔之间形成有磁桥，磁桥的两侧分别向外周方向弯折，并且磁桥的中部的至少一部分区域向外周方向偏移形成拱起。
23.根据本发明的一个实施例，第二槽孔位于第一槽孔与外周之间并且垂直于v形形状的中轴线，第一槽孔两侧的侧翼部分向第二槽孔方向倾斜，侧翼部分之间的第一主体部与第二槽孔平行并在中部的部分区域向第二槽孔方向加宽。
24.根据本发明的一个实施例，第一主体部包括两端的渐变区和中间的平台区，渐变区的朝向第二槽孔的侧边从侧翼部分向第二槽孔方向倾斜，平台区的侧边彼此平行。
25.根据本发明的一个实施例，第二槽孔在中间收窄以形成第二主体部，并且第二主体部与第一槽孔的平台区相对应且彼此平行。
26.根据本发明的一个实施例，第二槽孔还包括位于第二主体部两侧的加宽部，每个加宽部包括端侧区和连接端侧区与第二主体部的连接区，连接区朝向第一槽孔的侧边与第一槽孔的渐变区的相邻侧边平行，端侧区朝向第一槽孔的侧边与第一槽孔的侧翼部分的相邻侧边平行。
27.根据本发明的一个实施例，第二槽孔的加宽部的最大宽度大于等于2倍的第二主体部的宽度。
28.根据本发明的一个实施例，第一槽孔的平台区的宽度大于等于2倍的第一槽孔的
侧翼部分的宽度。
29.根据本发明的一个实施例，磁桥各部分的宽度一致。
30.根据本发明的一个实施例，转子芯还包含位于磁桥径向内侧的槽状部。
31.根据本发明的再一个方面，提供了一种车辆电机，包括以上任一实施例所述的电机转子。
附图说明
32.为了更好地理解本发明，可以参考以下附图中所示的实施例。附图中的部件不一定按比例绘制，并且可以省略相关的元件，或者在一些情况下比例可能已经被放大，以便强调和清楚地示出本文描述的新颖特征。另外，如本领域中已知的，系统部件可以被不同地布置。此外，在附图中，贯穿几个视图，相同的附图标记表示相应的部分。
33.图1示出了包含根据本发明的一个或多个实施例的车辆电机的电气化车辆的框图；
34.图2示出了根据本发明的一个或多个实施例的示例性电机的示意图；
35.图3示出了根据本发明的一个或多个实施例的电机转子的端面示意图；
36.图4示出了根据本发明的一个或多个实施例的示例性电机的部分轴向截面图；
37.图5示出了现有技术中的电机的部分截面图；
38.图6示出了包含根据本发明的一个或多个实施例的电机转子的电机的局部径向截面图；
39.图7示出了根据本发明的一个或多个实施例的电机转子的局部放大视图；
40.图8示出了根据本发明的一个或多个实施例的电机转子的第一槽孔和第二槽孔的放大视图。
具体实施方式
41.以下描述了本公开的实施例。然而，应该理解，所公开的实施例仅仅是示例，并且其他实施例可以采取各种替代形式。附图不一定按比例绘制；某些功能可能被夸大或最小化以显示特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅是作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考任何一个附图所示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中所示的特征组合以产生没有明确示出或描述的实施例。所示特征的组合为典型应用提供了代表性实施例。然而，与本公开的教导相一致的特征的各种组合和修改对于某些特定应用或实施方式可能是期望的。
42.在本技术文件中，当一个元件或者部分被称为“在...上”、“接合至”、“连接至”或者“耦接至”另一元件或者部分时，该元件或者部分可直接在另一元件或者部分上，接合、连接或者耦接至另一元件或者部分，或者可存在介于其间的元件或者部分。相反，当一个元件被称为是“直接在...上”、“直接接合至”、“直接连接至”或者“直接耦接至”另一元件或者部分时，可不存在介于其间的元件或者部分。用于描述元件之间的关系的其他词应当以类似的方式来解释。
43.如在以上背景技术中所提到的，本发明人意识到，在现有技术中的方案中，对于如
何在不增加整体生产成本和降低转矩的情况下，通过简单改变转子叠片的局部拓扑结构来显著降低转矩波动，从而改善输出稳定性并降低电机的总体能耗，存在一定的改进空间。例如，发明人意识到，对电机的转子叠片的拓扑结构的特定调整可以显著降低转矩波动。基于现有技术中的这些问题，本技术的发明人在一个或多个实施例中提供了一种电机转子和包含该转子的车辆电机，相信其能解决现有技术中的一个或多个问题。
44.在现有的电机中，如永磁电机，安装在电机转子上或嵌入转子中的磁体与电机定子中的电流引起的内部磁场耦合。单独的定子齿组和定子绕组形成多个磁极，该磁极在定子线圈通过多相正弦电压电流时产生磁通流动模式。例如，三相电机将具有总共8个磁极和48个槽。由定子绕组产生的磁通量与由电机转子中的磁体产生的转子通量相互作用，使得在定子绕组被多相电压激励时产生转子转矩。
45.转子的磁体可能以不同的方式定位或定向以产生期望的磁场。每个磁极可以由被定向成以一个磁极(即，北极或南极)沿径向向外方向的单个磁体形成。转子的磁极也可以由被布置成共同形成磁极的多组磁体形成。一种这样的布置使磁体以v形形状构造定向。"v"的内部部分是具有协作以形成转子磁极的类似磁极，参考图3所示。每个磁体可以设置在纵长孔隙中以保持其位置。这些纵长孔隙通常是矩形的并且被设置为与磁体形状配合。纵长孔隙在相对两端处可以略微过大以限制单独磁体的北极与南极之间的磁通量泄漏。转子芯中的空隙或空腔阻碍磁通量，因为与转子芯材料(例如，电工钢)相比，真空具有相对较低的磁导率。
46.图1描绘了包含根据本发明一个或多个实施例的电机转子或车辆电机的电气化车辆12的框图。在本发明的背景下，电气化车辆12例如可以为插电式混合动力电动车辆(phev)、全混合动力电动车辆(fhev)、轻度混合动力电动车辆(mhev)或电池电动车辆(bev)等等。
47.在图1的实施例中，车辆12包括机械连接到混合动力变速器16的一个或多个电机14。电机14能够作为马达或发电机进行操作。此外，混合动力变速器16可以机械地连接到发动机18。混合动力变速器16还可以机械地连接到驱动轴20，驱动轴20机械地连接到车轮22。当发动机18启用或关闭时，电机14可以提供推进和/或减速能力。电机14还可以用作发电机，并且可以通过回收通常在摩擦制动系统中作为热量损失的能量来提供燃料经济性方面的益处。电机14还可以提供减少的污染物排放，因为混合动力电动车辆12可以在某些条件下以电动模式或混合动力模式进行操作，从而可以减少车辆12的总体燃料消耗。
48.牵引电池(或电池组)24存储并提供可由电机14使用的能量。牵引电池24可以提供来自牵引电池24内的一个或多个电池单元阵列(有时称为电池单元堆叠)的高压dc(直流)输出。电池单元阵列可以包括一个或多个电池单元。牵引电池24可以通过一个或多个接触器(未示出)电连接到一个或多个电力电子控制器26。一个或多个接触器在打开时将牵引电池24与其他部件隔离，并在闭合时将牵引电池24连接到其他部件。
49.电力电子控制器26还可以电连接到电机14，并且可以被配置成在牵引电池24与电机14之间双向传递电能。例如，牵引电池24可提供dc电压，而电机14可能需要三相ac(交流)电压来起作用。电力电子控制器26可以根据电机14的要求将dc电压转换为三相ac电压。在再生模式中，电力电子控制器26可以将来自充当发电机的电机14的三相ac电压转换为牵引电池24所需的dc电压。本领域技术人员可以理解的是，本文描述的部分同样适用于纯电动
车辆。对于纯电动车辆，混合动力变速器16可以是连接到电机14的齿轮箱，并且发动机18可以不存在。
50.除了提供用于推进的能量之外，牵引电池24还可以为其他车辆电气系统提供能量。dc/dc转换器28可以将牵引电池24的高压dc输出转换为与其他车辆负载兼容的低压dc电源。其他高压负载(诸如压缩机和电加热器)可以直接连接到高压而不使用dc/dc转换器28。低压系统可以电连接到辅助电池30(例如，12v电池)。
51.电池控制器33可以与牵引电池24通信。电池控制器33可以被配置成监测和管理牵引电池24的操作，诸如通过管理每个电池单元的温度和荷电状态的电子监测系统(未示出)来实现。
52.牵引电池24可以由外部电源36再充电。外部电源36可以是与电源插座的连接。外部电源36可以电连接到电动车辆供电设备(evse)38。evse 38可以提供用于调节和管理电源36与车辆12之间的电能传递的电路和控件。外部电源36可以向evse 38提供dc或ac电力。
53.evse 38可以具有用于插入车辆12的充电端口34中的充电连接器40。充电端口34可以是被配置成将电力从evse 38传递到车辆12的任何类型的端口。充电端口34可以电连接到充电器或电力转换器32。电力转换器32可以调节从evse 38供应的电力以向牵引电池24提供适当的电压和电流水平。电力转换器32可以与evse 38接口连接以协调向车辆12的电力递送。evse连接器40可以具有与充电端口34的相应凹槽配合的销。
54.图2示出了根据本发明的一个或多个实施例的示例性电机，在本文中总体上称为电机42。电机42可以包括定子44和转子46。在一些用于车辆的实施例中，电气化车辆12可包括两个电机。一个电机可以主要用作马达，而另一个电机可以主要用作发电机。马达可以用于将电力转换为机械动力，并且发电机可以用于将机械动力转换为电力。
55.在一个示例中，参考图2，定子44可以限定空腔50。转子46的尺寸可以被设计成用于在空腔50内进行设置和操作。可操作地连接到转子46的轴(未示出)可以驱动转子46旋转和/或将通过转子46的操作产生的旋转能量传递到车辆12的一个或多个子系统。定子44可以包括绕组48，所述绕组48围绕空腔50的外周设置以围绕转子46的外表面。在电机作为马达的示例中，可以将电流馈送到绕组48以使转子46旋转。在电机作为发电机示例中，可以通过转子46的旋转而在绕组48中产生电流，从而为车辆12的部件供电。
56.参考图3，其示出了根据本发明的一个或多个实施例的电机转子的端面示意图。其中，若干对磁体13在转子芯62上周向分布，每对磁体13共同构成了相应的磁极。在图3所示的实施例中，共示出了包括8对纵长槽孔和8个磁极。本领域技术人员应当理解，具体数目在此仅为例示而非限定。
57.参考图4，其示出了电机42的一部分的轴向截面图。在一个或多个实施例中，转子46包括由一个或多个转子叠片63形成的转子芯62。定子44可以包括由一个或多个定子叠片59形成的定子芯58。转子芯62绕着轴线54相对于定子芯58旋转。
58.下面继续参考图2和3，并进一步参考图6，图6中示出了包含根据本发明的一个或多个实施例的电机转子的电机的局部径向截面图。如图中所示，电机转子46包括转子芯62。转子芯62包含沿转子芯62周向分布的若干对磁体13，每对磁体13共同构成开口朝向转子芯11的外周21的v形形状16。转子芯62还包含在每个v形形状16内侧的第一槽孔15和第二槽孔17。第一槽孔15和第二槽孔17为贯穿转子叠片63的孔，在二者之间的转子叠片63部分形成
了磁桥25，磁桥25的两侧分别向外周21方向弯折。其中，磁桥25的中部的至少一部分区域向外周21方向拱起，例如图8中所示的部分35。本领域技术人员可以理解，向外周21方向拱起的部分可以为任意形状，例如可以为一个或者多个突起的三角形、矩形、梯形形状。此外，在本发明的背景下，周向分布指的是若干对磁体13围绕着转子芯62的旋转轴线54呈圆周状分布。
59.与本发明的转子相比，现有技术中的转子在每对磁体13形成的v形形状16内侧通常不包含第一槽孔15、第二槽孔17和磁桥25的设计，参考图5所示的现有设计的转子的示意图。
60.在一个或多个实施例中，磁体13可以包括以下中的一个或多个：铁氧体磁体、铝镍钴磁体、稀土磁体(诸如但不限于钕铁硼(nedfeb))等。在一个或多个实施例中，磁体13可各自为一整块磁体形成。在其它实施例中，磁体13也可以分别由多个磁体块堆叠形成。
61.根据本发明的一些实施方式，参考图7和8，第二槽孔17位于第一槽孔15与外周21之间并且垂直于v形形状16的中轴线a。第一槽孔15两侧的侧翼部分19向第二槽孔17方向倾斜。第一槽孔15还包括侧翼部分19之间的第一主体部23，第一主体部23与第二槽孔17平行并在中部的部分区域(如部分35)向第二槽孔17方向加宽。在该实施例中，该加宽部分形成了前面所述的“拱起”。在一些实施例中，v形形状16的中轴线a延伸通过转子芯62的旋转轴线54。
62.在一些进一步的实施例中，参考图8所示，第一主体部23包括两端的渐变区29和中间的平台区35。渐变区29的朝向第二槽孔17的侧边b’从侧翼部分19向第二槽孔17方向倾斜。其中，平台区35的侧边彼此平行。在一些其他实施例中，平台区35和渐变区29的远离第二槽孔17的侧边相互对齐，成为一条直线。
63.根据若干进一步的实施例，继续参考图8所示，第二槽孔17在中间部分具有收窄的第二主体部27，并且第二主体部27与第一槽孔15的平台区35相对应，并且平行于第一槽孔15的平台区35。
64.在若干进一步的实施例中，第二槽孔17还包括位于第二主体部27两侧的加宽部39。每个加宽部39包括位于第二槽孔17末端的端侧区41、以及连接端侧区41与第二主体部27的连接区43。连接区43朝向第一槽孔15的侧边b与第一槽孔15的渐变区39的相邻侧边b’平行。端侧区41朝向第一槽孔15的侧边c与第一槽孔15的侧翼部分19的相邻侧边c’平行。
65.在本发明的一些实施例中，参考图8，第二槽孔17的加宽部39的最大宽度大于等于2倍的第二主体部27的宽度。根据一些进一步的实施例，第二槽孔17的加宽部39的最大宽度大于等于3倍的第二主体部27的宽度。其中，第二槽孔17的加宽部39的最大宽度可以为连接区43与端侧区41邻接处的宽度。
66.在本发明的一些实施例中，参考图8，第一槽孔15的平台区35的宽度大于等于2倍的第一槽孔15的侧翼部分19的宽度。根据一些进一步的实施例，第一槽孔15的平台区35的宽度大于等于3倍的第一槽孔15的侧翼部分19的宽度。其中，第一槽孔15的侧翼部分19的宽度为垂直于侧翼部分19的侧边(如侧边c’)测量得到的宽度。在一些进一步的实施例中，第一槽孔15和第二槽孔17分别关于v形形状16的中轴线a对称。
67.根据本发明的若干实施方式，参考图7和8，磁桥25各部分的宽度一致。其中，磁桥25各部分的宽度为垂直于对应的磁桥25部分的侧边测量得到的宽度。在一些进一步的实施
例中，磁桥25关于v形形状16的中轴线a对称。
68.在本发明的一些实施例中，参考图6和7中所示，转子芯62还包含位于磁桥25径向内侧的槽状部45。其中，槽状部45为贯穿转子叠片63的孔。在若干进一步的实施例中，槽状部45位于构成v形形状16的每对磁体13的径向内侧端部47之间。也即是说，槽状部45位于v形形状16的收窄端附近。在另一些实施例中，槽状部45关于v形形状16的中轴线a对称。
69.参考表1所示，其中示出了现有设计和本发明设计的电机在转速1000转/分钟下的24阶、48阶和96阶机械频率下的转矩波动。在一个或多个实施例中，现有设计为在每对磁体13形成的v形形状16内侧不包含第一槽孔15、第二槽孔17和磁桥25的设计。可以看出，在24阶、48阶、96阶机械频率下，本发明的电机的转矩波动相比现有设计有了明显的改善，脉动百分比％分别由1.60％、3.39％和3.34％下降到了1.52％、1.53％和1.33％，其中数值越小代表波动越小，转矩输出越平稳，并且噪音越小。
70.表1
[0071][0072]
根据本发明的另一个方面，再次参考图2到8，还提供了一种电机转子46，电机转子46包括转子芯62。转子芯62包含沿转子芯62周向分布的若干对永磁体13，每对永磁体13共同构成开口朝向转子芯11的外周21的v形形状16。转子芯62还包含在每个v形形状16内侧的第一槽孔15和第二槽孔17。第一槽孔15和第二槽孔17为贯穿转子叠片63的孔，在二者之间的转子叠片63部分形成了磁桥25，磁桥25的两侧分别向外周21方向弯折。其中，磁桥25的中部的至少一部分区域向外周21方向偏移形成拱起。应当理解，在相互不冲突的情况下，以上针对根据本发明的第一个方面的电机转子阐述的所有实施方式、特征和优势同样地适用于根据本发明的该另一个方面的电机转子。也就是说，上面所述的所有实施例及其变化都可以直接移转应用并结合于此。为了本公开的简洁起见，在此不再重复阐述。
[0073]
根据本发明的又一方面，参考图2，还提供了一种车辆电机14，包括如上任一实施例中阐述的电机转子46。同样地，以上针对根据本发明的电机转子46阐述的所有实施方式、特征和优势同样地适用于根据本发明的车辆电机14，并且在此不再赘述。
[0074]
综上所述，相比于现有技术，本发明提出了一种电机转子和包含该转子的车辆电机，该电机转子和电机可以在不增加整体生产成本和降低转矩的情况下，通过简单改变转子叠片的局部拓扑结构显著降低转矩波动，从而改善输出稳定性并降低电机的总体能耗。
[0075]
在技术上可行的前提下，以上针对不同实施例所列举的技术特征可以相互组合，从而形成本发明范围内的另外实施例。
[0076]
在本技术中，反意连接词的使用旨在包括连接词。定或不定冠词的使用并不旨在指示基数。具体而言，对“该”对象或“一”和“一个”对象的引用旨在表示多个这样对象中可能的一个。此外，可以使用连接词“或”来传达同时存在的特征，而不是互斥方案。换句话说，连接词“或”应理解为包括“和/或”。术语“包括”是包容性的并且具有与“包含”相同的范围。
[0077]
上述实施例是本发明的实施方式的可能示例，并且仅是为了使本领域技术人员清楚地理解本发明的原理而给出。本领域技术人员应当理解：以上针对任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的整体构思下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以彼此进行组合，并产生如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在具体实施方式中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明所要求的保护范围之内。