专利名称：扭矩波动最小化的电动机和确定定子极几何形状的方法
技术领域：
本发明涉及一种电动机，更具体地说涉及一种具有低扭矩波动的电动机，其用于汽车和卡车中等，本发明还涉及一种用于确定定子极几何形状以控制电动机中的扭矩波动的方法。
背景技术：
在一般的实践中，作为用于降低电动机中扭矩波动的技术，开发了偏斜技术用于降低扭矩波动。偏斜技术的特点是以偏斜图案来形成定子极，从而使得定子具有沿着转子的轴线方向偏移的旋转位置。采用这种结构，定子极偏移180度的电角度以允许定子在任意旋转位置具有相同数量的气隙。理论上这可以使定子沿着定子的圆周内边缘具有零差别的磁阻，从而不会引起扭矩波动。但是随着将偏斜角设置到一个过大的值，转子的磁通量的利用效率下降，从而导致输出扭矩的下降。在定子偏移180度的情况下，电动机产生的扭矩是没有发生定子极偏移的电动机产生的扭矩的一半。因此在实践中没有尝试使定子极偏移180度的电角度；确定偏斜角以消除具有最大扭矩波动的频率成分，其中该最大扭矩波动是由定子极上没有偏斜的定子引起的。在这种情况下，扭矩波动不能完全消除。
另外还尝试通过附加地形成辅助槽口来降低扭矩波动，如在T.IEEJapan，Vol.122-D，No.4，2002第338页到345页中公开的标题为“Cogging Torque Reduction in Permanent Magnet BrushlessMotors”的文献中所公开的。在这种相关技术中，辅助缺口附加地加入到消除磁阻变化的位置中，其中磁阻变化发生在定子心之间的气隙部分中。
随便提一下，对于在上面的文献中公开的采用添加的缺口的相关技术，在定子心之间的气隙部分中产生的磁阻和加入的槽口是不均等地变化的，其中添加的缺口对于在某种程度上减小扭矩波动是有效的，但是对于整体上使扭矩波动最小化没有显著的效果。
发明内容
本发明考虑上述的文献而完成并且本发明的目的是提供一种电动机，这种电动机包括一个转子和一个定子，该定子的定子极几何形状在定子的圆周边缘上提供了均衡的磁体分布图案(或构造)，本发明还提供了一种用于确定定子极几何形状以用于使电动机中的扭矩波动最小化的方法。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种电动机，它包括一个具有在其上设置多个定子极的圆周边缘的定子，并且转子可旋转的与定子处于面对面的关系且具有一个面对定子的圆周边缘的外部边缘。定子包括分别与定子极相关联的磁阻均等化装置以使沿着定子的圆周边缘的磁阻差最小。
对于上述结构，定子极分别具有磁阻均等化元件，通过其可以以简单的构造制造具有最小化的扭矩波动的电动机。同样，电动机能够以最少的组件数以低成本制造。
对于上述结构的电动机，磁阻均等化装置可以包括至少一个非磁体段和磁体段。
采用这样一种结构，磁阻均等化装置结构上简单并且可以以简单的构造以低成本制造电动机。
对于上述结构的电动机，定子极可以分别以给定的角度偏斜，并且磁阻均等化装置可以包括分别部分组合到定子极中的非磁体段。
采用上述结构，允许定子极分别部分组合非磁体段，使得电动机以简单的结构构成，而提供沿定子的圆周边缘均等的磁阻。这显著降低了扭矩波动以使得电动机平稳旋转。
对于上述结构的电动机，定子极可以分别以给定的角度偏斜，并且磁阻均等化元件可以包括分别设置在邻近定子极的侧面区域中的磁体段。
采用上述结构，允许定子极分别与磁体段相关联，使得电动机以简单的结构构成，而能提供沿着定子的圆周边缘均等的磁阻。这显著降低了扭矩波动，使得电动机能平稳旋转。
对于上述结构的电动机，定子极可以包括非一致的布置在定子的圆周边缘中的定子极，并且磁阻均等化元件可以包括分别交替(或一个隔一个)地设置在定子极的轴向端部的非磁体段。
对于上述结构，使用磁阻均等化装置，包括非磁体段，与以相应的非一致构形形成的各定子极组合来提供具有沿着定子的圆周边缘均等的磁阻的定子。这使得显著降低了扭矩波动，即使具有包括非一致定子极的定子。
对于上述结构的电动机，定子极可以包括布置在定子的圆周边缘中的非一致定子极，并且磁阻均等化装置可以包括分别交替地设置在邻近定子极的轴向端部的侧面区域中的磁体段。
对于上面讨论的结构，使用磁阻均等化装置，包括磁体段，与以相应的非一致构形形成的定子极组合以提供沿着定子的圆周边缘具有均等磁阻的定子。这显著降低了扭矩波动，即使具有包括非一致定子极的定子。
对于上述结构的电动机，定子极可以包括布置在定子的圆周边缘中的非一致定子极，并且磁阻均等化装置可以包括分别设置在第一组定子极中的磁体段和设置在第二组定子极中的非磁体段以使得沿着定子圆周边缘的磁阻差最小化。
对于上述结构，通过结合磁阻均等化装置，包括分别设置在第一组定子极中的磁体段和设置在第二组定子极中的非磁体段，即使定子包括非一致定子极还是能够提供沿着定子的圆周边缘均等的磁阻。因此电动机的扭矩波动可以显著减小。
对于上述结构的电动机，每个非磁体段可以包括气隙。
由于非磁体段包括起磁阻均等化装置的作用的气隙的结构，用于将非磁性材料填充到非磁体段中的工时和用于此目的的材料节省了。因此定子可以以简单的过程进行具有使扭矩波动最小化的有利效果地制造。
对于上述结构的电动机，相数S可以是奇数，并且定子和转子的总偏斜角基本上位于360/(2S)度的电角度。
对于这样一种结构，通过设置定子和转子的总偏斜角(或者极间气隙的夹角)，沿着定子的圆周边缘的磁体分布率可以基本上均等化。这通过具有简单结构的定子显著降低了扭矩波动。
对于上述结构的电动机，定子的相数S可以是奇数，并且定子具有等价于定子和转子的总偏斜角基本上位于360/(2S)度的电角度的情况下的值的铁铁对气隙。
对于这种结构，定子的均等化的磁体分布率具有较小的磁阻变化，显著降低了扭矩波动。
对于电动机，相数S可以是奇数，定子和转子的总偏斜角可以位于由从基本上为360/(2S)度的电角度减去相当于非磁体段沿定子的圆周边缘的宽度的0％-100％的角度所获得的值上。
对于上述结构，定子的均等化的磁体分布率具有较小的磁阻变化，显著降低了扭矩波动。
对于电动机，相数S可以是奇数，并且定子可以具有等价于从基本上为360/(2S)度的电角度减去相当于非磁体段沿定子的圆周边缘的宽度的0％-100％的角度所获得的值的铁铁对气隙。
对于上述结构，定子的均等化的磁体分布率具有较小的磁阻变化，显著降低了扭矩波动。
对于电动机，磁阻均等化元件可以包括分别与定子极相关联的位于关于定子中点的对称位置的第一组非磁性段和第二组非磁性段。
这种结构能够使用简单的定子结构显著降低扭矩波动。
对于电动机，相数S可以是奇数，并且定子和动子的总偏斜角基本上位于360/(2S)的电角度。磁阻均等化装置可以包括分别轴向延伸穿过邻近定子极的极间气隙的非磁性段，每个非磁性段具有基本上与极间气隙相同的宽度和与定子极相同的偏斜角。
采用这种结构，定子可以以简单的结构显著降低扭矩波动。
按照本发明的另一方面，还提供了一种用于确定定子极几何形状以使电动机中的扭矩波动最小化的方法，该方法包括确定定子，该定子具有在其上设置多个定子极的圆周边缘；确定转子，其可旋转地设置在定子中，以与定子呈现面对面的关系；并设置分别与定子极相关联的磁阻均等化元件以使沿着定子的圆周边缘的磁阻差最小。
采用这种方法，电动机的定子可以简单设计提供以沿着定子的圆周表面，可以通过简单的步骤获得均等的磁体分布率的定子极几何形状确定的定子。这使得成本降低并且电动机制造简单，同时以结构简单的定子显著降低了扭矩波动。
上述用于确定定子极几何形状的方法还包括设置分别与多个定子极相关联的磁阻均等化元件。
通过上述方法使用分别与多个定子极组合的磁阻均等化元件，使得确定定子极几何形状的步骤简单有效，降低了电动机定子设计的工时，同时降低了制造成本。
图1是横剖视图，示出了应用本发明的三相四极六槽电动机的结构；图2A示出了图1中所示的电动机的转子的展开图；图2B示出了图1中所示的电动机的定子的展开图；图2C示出了沿着定子的圆周边缘的磁体分布率，纵轴表示磁体分布率，而横轴表示定子的圆周边缘；图3A示出了应用本发明的定子的展开图，定子包括以给定角偏斜的定子极；图3B示出了沿着图3A中所示的定子的圆周边缘的磁体分布率，纵轴表示磁体分布率，而横轴表示定子的圆周边缘；图4A示出了按照本发明的第一实施例的电动机的定子的展开图；图4B示出了沿着图4A中示出的定子的圆周边缘的磁体分布率，其中纵轴表示磁体分布率，而横轴表示定子的圆周边缘；图5A示出了按照本发明的第二实施例的电动机的定子的展开图；图5B示出了沿着图5A中示出的定子的圆周边缘的磁体分布率，其中纵轴表示磁体分布率，而横轴表示定子的圆周边缘；图6A示出了应用本发明的另一种电动机的定子的展开图；图6B示出了沿着图6A中示出的定子的圆周边缘的磁体分布率，其中纵轴表示磁体分布率，而横轴表示定子的圆周边缘；图7A示出了按照本发明的第三实施例的电动机的定子的展开图；图7B示出了沿着图7A中示出的定子的圆周边缘的磁体分布率，其中纵轴表示磁体分布率，而横轴表示定子的圆周边缘；图8A示出了按照本发明的第四实施例的电动机的定子的展开图；图8B示出了沿着图8A中示出的定子的圆周边缘的磁体分布率，其中纵轴表示磁体分布率，而横轴表示定子的圆周边缘；图9A示出了本发明的另一种电动机的定子的展开图；图9B示出了沿着图9A中示出的定子的圆周边缘的磁体分布率，其中纵轴表示磁体分布率，而横轴表示定子的圆周边缘；图10A示出了按照本发明的第五实施例的电动机的定子的展开图；图10B示出了沿着图10A中示出的定子的圆周边缘的磁体分布率，其中纵轴表示磁体分布率，而横轴表示定子的圆周边缘；图11A示出了按照本发明的第六实施例的电动机的定子的展开图；图11B示出了沿着图11A中示出的定子的圆周边缘的磁体分布率，其中纵轴表示磁体分布率，而横轴表示定子的圆周边缘；图11C示出了由图11A中所示的电动机改进形式的电动机的定子的展开图；图11D示出了沿着图11C中示出的定子的圆周边缘的磁体分布率，其中纵轴表示磁体分布率，而横轴表示定子的圆周边缘；图11E示出了由图11A中所示的电动机进一步改进形式的电动机的定子的展开图；图11F示出了沿着图11E中示出的定子的圆周边缘的磁体分布率，其中纵轴表示磁体分布率，而横轴表示定子的圆周边缘；图12A示出了按照本发明的第七实施例的电动机的定子的展开图；图12B示出了沿着图12A中示出的定子的圆周边缘的磁体分布率，其中纵轴表示磁体分布率，而横轴表示定子的圆周边缘；图13A示出了按照本发明的第八实施例的电动机的定子的展开图；图13B示出了沿着图13A中示出的定子的圆周边缘的磁体分布率，其中纵轴表示磁体分布率，而横轴表示定子的圆周边缘；图14A示出了按照本发明的第九实施例的电动机的定子的展开图；图14B示出了沿着图14A中示出的定子的圆周边缘的磁体分布率，其中纵轴表示磁体分布率，而横轴表示定子的圆周边缘；
图15A示出了按照本发明的第十实施例的电动机的定子的展开图；图15B示出了沿着图15A中示出的定子的圆周边缘的磁体分布率，其中纵轴表示磁体分布率，而横轴表示定子的圆周边缘；图16A示出了按照本发明的第十一实施例的电动机的转子的展开图；图16B示出了定子的展开图，该定子包括第一组定子极，用于按照本发明确定定子极几何形状的方法；图16C示出了第二组定子极的展开图，相对于第一组定子极偏移了180度的电角度，用于按照本发明确定定子极几何形状的方法；图16D示出了在实施按照本发明确定定子极几何形状的方法时综合图16B和16C所示的第一组和第二组定子极得到的定子的展开图；图16E示出了沿着图16D中示出的定子的圆周边缘的磁体分布率，其中纵轴表示磁体分布率，而横轴表示定子的圆周边缘；图17A示出了按照本发明的第十二实施例的电动机的转子的展开图；图17B示出了另一种定子的展开图，该定子包括第一组定子极，用于按照本发明确定定子极几何形状的另一种方法；图17C示出了第二组定子极的展开图，相对于第一组定子极偏移了180度的电角度，用于按照本发明确定定子极几何形状的另一种方法；图17D示出了在实施按照本发明确定定子极几何形状的另一种方法时综合图17B和17C所示的第一组和第二组定子极得到的定子的展开图；图17E示出了沿着图17D中示出的定子的圆周边缘的磁体分布率，其中纵轴表示磁体分布率，而横轴表示定子的圆周边缘；图18A示出了按照本发明的第十三实施例的电动机的转子的展开图；图18B示出了在实施按照本发明确定定子极几何形状的方法时获得的定子的展开图；图19A是横向横截面图，示出了应用本发明的具有环形定子绕组的电动机的具体结构；
图19B示出了图19A中示出的电动机的转子的展开图；图19C示出了图19A中示出的电动机的定子极的展开图；图19D示出了图19A中示出的电动机的各相中的定子绕组的展开图。
具体实施例方式
下面参考附图对按照本发明的实施例的电动机进行详细描述。电动机经常由于磁阻变化而遭受扭矩波动，这种磁阻变化取决于转子在存在磁阻差时的转动，这种磁阻差由转子的旋转位置引起。首先描述一下发生扭矩波动的原理。
图1是横剖视图，示出了应用本发明的三相四极六槽电动机的结构。另外图2A示出了图1中示出的电动机的转子的展开图。图2B示出了图1中示出的电动机的定子的展开图。图2C示出了沿着图2B中所示的定子的圆周边缘的磁体分布率(％)。
如图1所示，电动机1包括转子2和定子5，转子2可旋转地支承在定子5中。转子2具有一个外部边缘，其上载装有位于关于转子2的中心的第一对称位置的N极永磁体3和位于关于转子2的中心的第二对称位置的S极永磁体4，永磁体3和4交替地(或一个隔一个地)布置在转子2的外部周边上。另外定子5取一种形状做成在所谓的集中绕组(或集成绕组)中的绕组结构的形式，并且包括多个其上载装有不同相的集中绕组的定子极。更确切地说U相定子极TBU1、TBU2分别载装有U相绕组WBU1、WBU2。类似地，V相定子极TBV1、TBV2分别载装有V相绕组WBV1、WBV2。同样，W相定子极TBW1、TBW2分别载装有W相绕组WBW1、WBW2。定子极分别具有槽SL1。
沿着定子5的圆周边缘的磁阻主要取决于磁性材料区段(的定子极)关于定子的轴向长度的比，并且由此变化，即比越高，磁阻就越小。因此对于图2A和2B所示的这样一种包括转子2和定子5的结构，每个定子凸极(定子极)的磁体区段比为0％，并且对于凸极间隔的每个周期的扭矩波动与0％和100％磁体区段比之间的磁阻差是同步发生的。考虑上面的原理，扭矩波动可以通过将定子构造成具有最小磁体区域变化的定子极几何形状来使其最小化。
尽管图1和图2A至2C也示出了一种具有三相四极六槽面磁类的电动机1的实施例，上述的减小扭矩波动的方案并不限于上面列举的电动机，而是可以应用于任意相数、极数、槽数和转子类型的各种类型的电动机。此外，图1中示出的电动机1的类型是具有转子2，其上安装有磁体3、4，但本发明并不限于这种电动机，而是可以应用到具有其上载装有磁体的定子的电动机。接下去描述用于使电动机的扭矩波动最小化的方案。
按照本发明，定子具有带有磁阻均等化元件、例如非磁体段和磁体段的定子极几何形状，其以一种给定的沿定子的圆周边缘的分布图案结合到定子极中，这种分布图案的方式是使磁体区域比均等化，以降低磁阻差。采用这样一种定子极几何形状可以显著降低扭矩波动。更具体地说，定子最好可包括一个圆周边缘，在其上非磁体段和磁体段分别以具有沿定子的圆周边缘充分均等化的磁体分布率的定子极几何形状附加地结合到定子极中。
图3A和3B是表示应用本发明的电动机的视图。该电动机包括转子(未示出)和定子50，定子50包括分别由槽SL2隔开的偏斜定子极50a至50g。采用这种结构，定子极50a至50g以30度的机械角度偏斜，并且定子50的磁体分布率在图3B所示的宽的范围内变化。也就是说，磁体分布率具有低比率的磁体分布区域MRa和高比率的磁体分布区域MRb，它们交替地布置在沿定子50的圆周边缘的宽的范围内。
图4A和4B是表示按照本发明的第一实施例的电动机的视图。对于本实施例的电动机，定子50A除了定子极50b至50g基本上具有与在图3A中所示的定子50相同的结构，定子极50b至50g在高比率磁体分布区域分别具有设置包括非磁体段100的磁阻均等化元件的轴向端部。对于图4A中所示的具有附加地结合非磁体段100的高比率磁体分布区域的定子50A，定子50A具有低比率磁体分布区域MRA1和高比率磁体分布区域MRA2，它们在沿着定子50A的圆周边缘的最小化的范围MRA内变化。由于低比率磁体分布区域MRA1和高比率磁体分布区域MRA2的磁体分布率变化较小，定子50A在定子的圆周边缘上具有大致上均等化的磁阻。这使得电动机的扭矩波动降低了。
图5A和5B是表示按照本发明的第二实施例的电动机的视图。对于本实施例的电动机，定子50B除了定子极50b至50g基本上具有与在图3A中所示的定子50相同的结构，定子极50b至50g在位于低比率磁体分布区域的区域中分别具有设置包括磁体段110的磁阻均等化元件的轴向端部。对于图5A中所示的具有附加地结合作为磁阻均等化元件的磁体段110的低比率磁体分布区域的定子50B，定子50B具有低比率磁体分布区域MRA1和高比率磁体分布区域MRA2，它们在沿着定子50B的圆周边缘的最小化的范围内变化。由于低比率磁体分布区域MRA1和高比率磁体分布区域MRA2的磁体分布率变化较小，如图5B所示的定子50B具有大致均等化的磁阻区域MRB。
随着已经对第一和第二实施例附加地仅结合非磁体段100，如图4A中所示，和磁体段110，如图5A中所示，中的一个的结构进行了描述，应当理解，可以对电动机进行改进，使得其同时包括作为磁阻均等化元件的具有类似的有利效果的非磁体段100和磁体段110。此外本发明并不限制磁阻均等化元件、例如结合到电动机的定子中的非磁体段100和磁体段110的形状和数量。
图6A和6B是表示应用本发明的电动机的另一个示例的的视图。对于图6A和6B中所示的结构，电动机包括定子60，定子包括分别由槽SL3隔开的不一致的凸定子极60a至60g。更具体地说，定子60包括平行四边形的定子磁极60a、60d、60g、以倒置的构形设置在定子极60a、60d之间的梯形的定子磁极60b、60c和以倒置的构形设置在定子极60d、60g之间的梯形的定子磁极60b、60c。对于这种结构，定子60的磁体分布区域MRC在图6B所示的宽的范围内变化。也就是说，磁体分布区域包括低比率磁体分布区域MRC1和高比率磁体分布区域MRC2，它们交替地沿着定子60的圆周边缘分布。
图7A和7B是表示按照本发明的第三实施例的电动机的视图。对于本实施例的电动机，定子60A除了定子极60b至60g基本上具有与在图6A中所示的定子60相同的结构，定子极60b至60g分别具有设置包括非磁体段100的磁阻均等化元件的轴向端部，非磁体段在高比率磁体分布域内交替地设置在定子极60b至60g的相对的轴向端部中。更具体地说，对于图7A中所示的结构，梯形定子磁极60b、60c、60e、60f的狭窄端分别结合非磁体段100。定子极60d、60g也分别结合非磁体段100。对于这种如图7A所示的具有附加地结合非磁体段100的高比率磁体分布区域的定子60A，定子60A具有低比率磁体分布区域MRD1和高比率磁体分布区域MRD2，它们在沿着定子60A的圆周边缘的最小化的范围内变化。由于低比率磁体分布区域MRD1和高比率磁体分布区域MRD2的磁体分布率变化较小，定子60A具有大致均等的磁阻区域MRD。
图8A和8B是表示按照本发明的第四实施例的电动机的视图。对于本实施例的电动机，定子60B除了定子极60b至60g基本上具有与在图6A中所示的定子60相同的结构，定子极60b至60g分别具有设置包括磁体段110的磁阻均等化元件的轴向端部，磁体段在定子极60b至60g的轴向端部的低比率磁体分布区域内交替地设置在邻接定子极60b至60g的轴向宽的端部的区域中。更具体地说，对于图8A中所示的结构，梯形定子磁极60b、60c、60e、60f在低比率磁体分布区域中具有其上分别连接磁体段110的宽的端部。定子极60d、60g也分别结合磁体段110。对于图8A中所示的低比率磁体分布区域附加地结合磁体段110的定子60B，定子60B具有低比率磁体分布区域MRE1和高比率磁体分布区域MRE2，它们在沿着定子60B的圆周边缘的最小化的范围内变化。由于低比率磁体分布区域MRE1和高比率磁体分布区域MRE2的磁体分布率变化较小，定子60B具有大致均等的磁阻区域MRE。
图9A和9B是表示应用本发明的另一种类型的电动机的视图。对于图9A中所示的电动机的结构，定子70包括以任意不一致形状形成的布置在定子70的圆周边缘上的定子磁极70a至70g。对于这种结构，定子70具有磁体分布率MRF，包括MRF1至MRF5，其在沿着定子圆周边缘的宽的范围内变化。具有以上述形状构形成的定子极的定子70优选包括以下面将要描述的方式布置的磁阻均等化元件。
图10A和10B是表示按照本发明的第五实施例的电动机的视图。对于本实施例的电动机，定子70A除了定子极70b至70g基本上具有与在图9A中所示的定子70相同的结构，定子极70b至70g具有设置包括设置在高比率磁体分布区域的非磁体段100和设置在低比率磁体分布区域的磁体段110的磁阻均等化元件的轴向端部。更具体地说，对于图10A中所示的结构，定子磁极70b、70c、70f、70g分别具有非磁体段100。定子磁极70c、70f的宽的端部具有在低比率磁体分布区域设置磁体段110的角部。此外，定子极70d、70g分别具有分别结合磁体段110的相应的上角部。对于这种在图10A中所示的附加地结合非磁体段100和磁体段110的定子70A，定子70A具有第一比率磁体分布区域MRG1、第二比率磁体分布区域MRG2和第三比率磁体分布区域MRG3，它们在沿着定子70A的圆周边缘的最小化的区域中变化。由于磁体分布区域MRG1至MRG3的磁体分布率变化较小，定子70A具有大致均等的磁阻区域MRG。
图11A和11B是表示按照本发明的第六实施例的电动机的视图。对于本实施例的电动机，定子50C除了定子极50b至50g基本上具有与在图3A中所示的定子50相同的结构，定子极50b至50g在高比率磁体分布区域分别具有设置包括非磁体段100的磁阻均等化元件的轴向端部。更具体地说，定子极片50b至50g的轴向端部分别具有形成有非磁体段100的角区域。对于图11A中所示的高比率磁体分布区域附加地结合非磁体段100的定子50C，定子50C具有沿着定子50C的圆周边缘完全均等的磁阻区域MRH。
图11C和11D是表示图11A和11B的第六实施例的改进形式的电动机的视图。在该改进形式中，定子50CA包括磁阻均等化装置，它包括在关于定子的中点的对称位置分别与定子极相关联的第一组非磁体段100a和第二组非磁体段100b。更具体地说，第一组非磁体段100a分别设置在定子的定子极50b至50g的一个端部上的右角部，而第二组非磁体段100b分别设置在定子的定子极50b至50g的另一个端部上的左角部。上述定子的结构的磁体分布区域MRHA具有一致的磁体分布率，显著降低了扭矩波动。
图11E和11F是表示图11A和11B的第六实施例的进一步改进的形式的电动机的视图。在该改进形式中，定子50CB包括磁阻均等化装置，它包括分别设置在极间气隙中的从定子级50A1-50A13的一个端部轴向延伸到另一个端部的非磁体段100c。上述定子的结构的磁体分布区域MRHB具有一致的磁体分布率，显著降低了扭矩波动。
图12A和12B是表示按照本发明的第七实施例的电动机的视图。对于本实施例的电动机，定子50D除了定子极50b至50g基本上具有与在图3A中所示的定子50相同的结构，定子极50b至50g分别具有一个在低比率磁体分布区域中连接包括磁体段110的磁阻均等化元件的轴向端部。更具体地说，定子50D分别在邻近定子极片50b至50g的轴向端部具有低比率磁体分布区域，在其中磁体段110分别与定子极50b至50g相关联地设置。对于图12A中所示的具有附加地结合作为磁阻均等化元件的磁体段110的低比率磁体分布区域的定子50D，定子50D具有完全均等的磁阻区域MRI，显著抑制了电动机中的扭矩波动。
图13A和13B是表示按照本发明的第八实施例的电动机的视图。对于本实施例的电动机，定子60C除了定子极60b至60g基本上具有与在图6A中所示的定子60相同的结构，定子极60b至60g分别具有设置包括非磁体段100的磁阻均等化元件的轴向端部，非磁体段在高比率磁体分布区域内交替地设置在定子极60b至60g的相对的轴向端部中。更具体地说，对于图13A中所示的结构，梯形定子磁极60b、60c、60e、60f具有其上分别布置了非磁体段100的狭窄端。对于图13A中所示的在高比率磁体分布区域附加地结合非磁体段100的定子60C，定子60C具有完全均等的磁阻区域MRK。
图14A和14B是表示按照本发明的第九实施例的电动机的视图。对于本实施例的电动机，定子60D除了定子极60b至60g基本上具有与在图6A中所示的定子60相同的结构，定子极60b至60g分别具有包括磁体段110的磁阻均等化元件，磁阻均等化元件在低比率磁体分布区域内交替地设置在邻近定子极60b至60g的轴向宽的端部的区域中。更具体地说，对于图14A中所示的结构，梯形定子磁极60b、60c、60e、60f分别具有连接磁体段110的宽的端部。对于这种如图14A所示的在低比率磁体分布区域附加地结合磁体段110的定子60D，定子60D具有完全均等的磁阻区域MRL。
图15A和15B是表示按照本发明的第十实施例的电动机的视图。对于本实施例的电动机，定子70B除了定子极70b至70g基本上具有与在图9A中所示的定子70相同的结构，定子极70b至70g具有设置包括设置在高比率磁体分布区域的非磁体段100和设置在低比率磁体分布区域的磁体段110的磁阻均等化元件的轴向端部。更具体地说，对于图15A中所示的结构，定子磁极70b、70c、70f、70g分别具有非磁体分布段100。定子磁极70c、70f具有角部在低比率磁体分布区域设置磁体段110的宽的端部。对于这种如图15A所示的附加地结合非磁体段100和磁体段110的定子70B，定子70D具有完全均等的磁阻区域MRM。
上面描述的第一到第十实施例只集中在定子的磁体分布率上，而在实践中制造电动机时不能忽略三维磁通流。特别是不仅磁通量流入每个凸极的上端和下端部分(在轴向上的两端)，而且磁通量从邻近每个凸极的上端和下端部分的气隙部分中流出。因此由这样的环流的磁通量引起的不利的影响特别是对于平面形状的电动机是不能忽略的，对于平面形状的电动机也就是一种轴长和电动机直径的比值较小的电动机，在这种电动机中这种不利的影响在定子极的轴线方向上的两个端部是特别显著的。此外，类似的环流磁通量在转子的旋转方向上也存在，因此由这种磁通量引起的不利影响也不能忽视。
因此，一个定子构形成具有在关于定子磁极的中心对称的点上具有磁性材料部分，以使得由环流的磁通量产生的不利影响在每个定子极的上部区域和下部区域上对称，提供使这种不利影响最小化的能力。作为替代方案，对于具有S个相、定子和转子的总偏斜角基本上位于值为360/(2S)的电角度中的电动机，磁极可以具有一个大致的中央区域，具有与出现在相邻的定子极之间的非磁性件相同的宽度和相同的角度的非磁性件穿过该中央区域沿轴线方向延伸。对于这种布置，电动机具有与相邻的凸极之间的气隙部分基本上相同的形状的非磁性件就足够了，并且三维磁通流可以基本上均等化，从而进一步减小了不利影响。
另外对于上面所述的各种非磁体段100最好分别由气隙构成。这减少了用于将非磁性材料填充到非磁体段100中的工时，并且可以省略了作为非磁体段100填充的材料，在降低成本的同时获得了使扭矩波动最小化的有利效果。
下面参考图16A至16E来解释按照本发明的用于确定使电动机中的扭矩波动最小化的定子极几何形状的方法。如上已经提出，扭矩波动是由于在转子的旋转位置中出现磁阻波动而产生的。当发生这种情况时，波动扭矩不依赖于构成转子的磁体的极性。因此当只考虑扭矩波动时，可以假定处于给定位置的定子是与从给定位置偏移180度的电角度到达另一个位置的定子等同的，在考虑扭矩波动时根据以图16B至16C中所示的方式综合这些定子得到的定子极几何形状是没有问题的。但是当考虑定子极几何形状来降低扭矩波动时这种尝试提供了简单的代表方案，并不试图构造具有这种实际上综合的定子极几何形状的电动机。
假定相数S是奇数，而偏斜角的值为360/(2S)的电角度，综合某种定子和从该定子偏移180度电角度的定子来提供一种定子极几何形状，其具有气隙，每个气隙位于相邻的定子极之间，并且相互之间的间隔相同，并且沿着定子圆周边缘具有均等化的磁体分布率。
图16A至16E示出了具有三相四极六槽电动机的一个例子。对于这种示例性的结构，电动机包括转子80，其上载装有交替地设置的N极和S极的外部边缘，且还包括定子90，该定子包括定子极90a至90g，分别通过槽SL10沿定子90的圆周方向等距隔开。定子极90a至90g以一个60度的电角度偏斜，也就是说，30度的机械角度。对于这种结构，综合定子90和另一个从定子90偏移了180度电角度的定子90A可以形成一个综合的定子90B。对于这种定子极几何形状，综合的定子90B包括定子极90Ba至90Bm，它们具有极间气隙Ag(在其中只有一个定子偏移的结构的情况下铁铁对气隙)以30度的机械角度并列并且以30度的电角度偏斜。因此定子90B的磁体分布率MRN在定子90B的圆周边缘中均等化了。
同样如图17A至17E所示，一种改进的电动机形式最好包括转子91，其上载装有交替地设置的N极和S极的外部边缘，且还包括定子92，其包括定子极94a至94g，构成了与图14A中所示的定子相同的非一致凸极构形，其沿定子94的圆周方向间隔开。对于这种结构，综合定子94和另一个从定子94偏移了180度电角度的定子94A使得定子94B以图17D所示的综合的定子极几何形状构成。对于这种结构，综合的定子94B包括定子极94Ba至94Bm，具有极间气隙SL10。因此定子94B的磁体分布率MRO在定子94B的圆周边缘中均等化了。
理论上以上述方式设置定子和转子的总的偏斜角(或者极间气隙的夹角)提供了一种定子极几何形状，它使得扭矩波动显著降低了。但是由于在实践中出现了来自每个定子极的两个轴向端部的三维磁通流(以下指“环流磁通量”)，分析表明，定子的偏斜角最好略小于理论值。偏斜角的减小量取决于沿着定子的圆周边缘的极间非磁性部分的宽度，并且占据相当于该宽度0-100％的角度。
图18A和18B示出了改进形式的三相四极六槽电动机。电动机包括转子96和定子98，定子98包括定子极98a至98g，它们通过沿定子98的圆周边缘的气隙Ag1相互之间等距隔开。对于图18A和18B中所示的结构，因为S＝3，定子98最好以60度的电角度和30度的机械角度偏斜，并且在理论上定子98的磁体分布率在定子98的圆周边缘中均等化了。但是图18B中所示的定子98具有倾角为8度机械角度的极间气隙Ag1，因此最好从总偏斜角中减去0至8度的机械角度和0至16度的电角度。对于图18B中所示的定子极几何形状，定子90包括偏斜了减去8度的电角度的52度的角度的定子极片98a至98g。
此外，另一种具有上述结构的定子极几何形状的替代方案也是可以的，其中附加地结合包括磁体段和非磁体段的磁通均等化元件，以使由磁体分布率变化以外的因素引起的磁阻差最小化，由此进一步显著降低了扭矩波动。
另外本发明还可以应用到所有类型的使用磁体的电动机中，而与相数、极数、槽数、转子类型、内转子/外转子和径向型/轴向型无关。同样，因为电动机的扭矩在在导电状态期间包括在非导电状态期间的扭矩波动和导电状态期间的扭矩波动的综合结果，本发明的应用还可以降低扭矩脉动。
此外，尽管在日本专利申请文件No.2003-378403中提出的具有环形定子绕组的电动机由于定子的固有的磁极结构容易使扭矩波动增压，采用本发明的方法可以进一步降低扭矩波动。
图19A是表示具有环形定子绕组的电动机的具体结构的横截面图。图19A所示的电动机200包括三相交流电动机，其包括转子10，该转子具有在8个极中载装的多个永磁体12的外部边缘，且还包括定子14。转子10具有由定子壳体14H可旋转地支承的转子轴11。永磁体12具有N极和S极，它们交替地设置在转子10的圆周边缘上。图19B是表示沿圆周方向展开的转子10的展开图。图19C以展开图示出了定子14的结构。如图19B所示，定子14包括四个U相定子极19、四个V相定子极20和四个W相定子极21。定子极19、20、21具有凸起形状，它们具有面向转子10的内部边缘。环形U相绕组15、V相绕组16、17和W相绕组18与U相定子极19、V相定子极20和W相定子极21相关联地设置。图19D是每个相的绕组的圆周展开图。对于这种示例性的结构，尽管示出的转子和定子中都没有偏斜的基本配置，但是本发明并不限于这种结构，可以构成附加地包括非磁体段和磁体段以用于降低扭矩波动的结构。例如磁路不仅可以在图3A中所示的偏斜形式的电动机中简单构成，而且还可以在图6A和9A中所示的形式的定子中简单构成，其中定子由于标准电动机以两维磁通流为前提而很难制造。
随着已经对本发明的特定实施例作了详细的描述，对于本领域的普通技术人员可以根据公开文本中所有的技术方案开发出各种改进方案以及那些详细描述的实施例的替代方案。因此公开的具体方案仅仅是用于说明，并不限制本发明的范围，本发明的范围将在下面的权利要求中给出完整的范围和其所有等价方案。
权利要求
1.一种电动机，它包括具有其上设置多个定子极的圆周边缘的定子；与所述定子面对面的可旋转的转子，其具有面对所述定子的圆周边缘的外部边缘；所述定子包括分别与定子极相关联的磁阻均等化装置，以使沿着所述定子的圆周边缘的磁阻差最小化。
2.按权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述磁阻均等化装置包括至少一个非磁体段和磁体段。
3.按权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述定子极分别以给定的角度偏斜；并且所述磁阻均等化元件分别包括部分结合在所述定子极中的所述非磁体段。
4.按权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述定子极分别以给定的角度偏斜；并且所述磁阻均等化元件包括分别设置在邻近所述定子极的侧面区域中的磁体段。
5.按权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述定子极包括布置在所述定子的所述圆周边缘中的非一致的定子极；以及所述磁阻均等化元件包括分别交替地设置在所述定子极的轴向端部的非磁体段。
6.按权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述定子极包括布置在所述定子的所述圆周边缘中的非一致的定子极；并且所述磁阻均等化元件包括分别交替地设置在邻近所述定子极的轴向端部的侧面区域中的磁体段。
7.按权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述定子极包括布置在所述定子的所述圆周边缘中的非一致的定子极；并且所述磁阻均等化元件包括分别设置在第一组定子极中的磁体段和设置在第二组定子极中的非磁体段，以使沿着所述定子的所述圆周边缘的磁阻差最小化。
8.按权利要求2所述的电动机，其特征在于，每个所述非磁体段包括气隙。
9.按权利要求1所述的电动机，其特征在于，相数S是奇数；并且所述定子和所述转子的总偏斜角基本上位于360/(2S)度的电角度上。
10.按权利要求1所述的电动机，其特征在于，相数是奇数；并且所述定子具有铁铁对气隙，等价于所述定子和所述转子的总偏斜角基本上位于360/(2S)度的电角度的情况下的值。
11.按权利要求1所述的电动机，其特征在于，相数S为奇数；并且所述定子和所述转子的总偏斜角位于由从基本上为360/(2S)度的电角度减去相当于非磁体段沿所述定子的所述圆周边缘的0％-100％的角度所获得的值上。
12.按权利要求1所述的电动机，其特征在于，相数S为奇数；并且所述定子具有铁铁对气隙，等价于从基本上为360/(2S)度的电角度减去相当于非磁体段沿着所述定子的所述圆周边缘的0％-100％的角度获得的值。
13.按权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述磁阻均等化装置包括分别与定子极相关联的位于关于定子的中点的对称位置上的第一组非磁体段和第二组非磁体段。
14.按权利要求1所述的电动机，其特征在于，相数S是奇数；并且所述定子和所述转子的总偏斜角基本上位于360/(2S)度的电角度；其中磁阻均等化装置包括分别轴向延伸穿过邻近定子极的极间气隙的非磁体段，每个非磁体段具有与极间气隙基本上相同的宽度和与所述定子极基本上相同的偏斜角。
15.一种用于确定定子极几何形状以使电动机中的扭矩波动最小化的方法，所述方法包括确定定子，所述定子具有其上设置多个定子极的圆周边缘；确定可旋转地设置在所述定子中的转子，以呈现与所述定子面对面的相互关系；以及设置分别与所述定子极向关联的磁阻均等化元件，以使沿着所述定子的所述圆周边缘的磁阻差最小。
全文摘要
一种具有减小的扭矩波动的电动机和相关的用于确定定子极几何形状的方法。电动机包括转子(80、91、96)和定子(50A、50B、50C、50D、60A、60B、60C、60D、70A、90B、94B、94B、98)，其具有结合作为磁阻均等化装置的非磁体段(110)和磁体段(100)的定子极几何形状以提供沿着定子的圆周边缘均等的磁体分布。该方法包括确定第一组以360/(2S)的电角度偏斜的定子极，确定第二组从第一组定子极偏斜180度电角度的定子极，并综合第一和第二组定子极片以提供一种包括多个以沿着定子的圆周边缘具有均等磁通量的定子极几何形状确定的定子极的定子。
文档编号H02K21/12GK1855673SQ20061007746
公开日2006年11月1日 申请日期2006年4月28日 优先权日2005年4月28日
发明者牧田真治, 梨木政行 申请人:株式会社电装