专利名称：电动旋转机器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电动旋转机器，更具体地说，涉及能够作为提供高质量驱动的电动机的永磁电动机器。
背景技术：
电动旋转机器被要求根据使用它们的设备的不同类型而具有不同的特征。例如，当在具有内燃机的混合电动车辆(HEV)中作为牵引电动机或者在电动车辆(EV)中作为驱动源使用时，要求电动机器在宽范围上作为速度可变的电动机，并且在低转速工作时作为高扭矩电动机。因为使用能够有效地一起利用磁阻扭矩与磁扭矩的结构是有利的，所以提出通过采用内部永磁(interior permanent magnet, I PM)结构来构造具有这种特性的电动机器，在该结构中，多对永磁体嵌入在转子中，每对磁体定位成“V”形配置，开口朝向转子外周(例如，参见专利文献I)。在具有这种IPM结构的电动旋转机器中，为了有效利用磁阻扭矩，以每对永磁体定位成“V”形配置的方式，多对永磁体嵌入在转子中，以保持q轴磁路径。这增加了磁阻扭矩与磁扭矩的比例，并且还增加了凸极比(Ld/Lq)，凸极比是d轴的电感与q轴的电感之间的比，这导致较高阶的空间谐波与通量波形重叠的趋势增加。d轴与磁极产生的通量的方向对准，并且作为定位成“V”形的每对永磁体之间的中心轴，而q轴在电和磁上与d轴成90电度的角，并且作为相邻的磁极(即，相邻的永磁体对)之间的中心轴。这在如此的电动旋转机器中引起高扭矩波动，扭矩波动是指在转一圈期间最大扭矩和最小扭矩之间的差。高扭矩波动引起机器的振荡和电磁噪声的增加。特别地，因为在具有该电动机器作为电驱动的车辆中，电磁噪声的频率相对高于内燃机的驱动产生的噪声的频率，因此电磁噪声带来使乘员不舒服的声音，所以希望尽可能地减小电磁噪声。另一方面，要求电动旋转机器的高效驱动从而以较低的电力消耗来有效地产生期望的驱动力，但是振荡变成损耗，从而导致效率降低。在混合动力汽车和电动汽车中，不仅搭载空间受限制，而且近来还要求提高能量转换效率(燃料里程)，随之，对能够提供高能量密度输出的电动旋转机器的轻型化和小型化的要求日益增加。因为例如需要在街上使用时在用于驱动汽车的通常使用范围上提供高效率的驱动，所以减小扭矩波动对于控制颤动、异常振动以及提供平稳的加速性能是有效的。作为独立单元，将小型化与提高效率、减小电磁噪声和降低扭矩波动相结合是非常难的，因为在电动旋转机器(电动机)中，随着每单位体积输出密度的增加，存在电磁噪声增加的趋势和由扭矩波动的出现而引起的效率下降的趋势，而对轻型化和小型化的需求又日益增加。为了实现低电磁噪声和低扭矩波动，提出在轴向上划分转子，以允许相邻的永磁体对之一与另一个呈现角向上扭曲的位置关系，或者给出斜交角(例如，参见专利文献2)。
上述在电动旋转机器中给出斜交角的方法不仅引起组装成本的增加，并因此增加生产成本，而且还引起相邻的永磁体对的界面处的差异和界面处磁化率劣化，使永磁体降低了它们的磁通量密度。结果，由电动旋转机器产生的输出扭矩下降。这就是为什么提出与给出斜交角的措施不同的各种思想以实现低电磁噪声和低扭矩波动。这些思想包括如下途径，例如通过修改转子外周的形状，使得转子外周在每个磁极处具有“花瓣”状的突起形状，来修改转子和围绕转子的定子之间的气隙，使得每个P轴与该气隙相交的位置处的气隙长度大于其它位置处的气隙长度(例如，参见专利文献1、3和4)。在专利文献1、3和4中描述的电动旋转机器中，因为气隙宽，所以在每个P轴处的电感增加，这不仅引起凸极比下降和扭矩下降，而且还引起机器效率下降。现有技术文献专利文献[专利文献I]日本特开2008-99418号公报(P2008-99418A)[专利文献2]日本特开 2006-304546 号公报(P2006-304546A)[专利文献3]日本特开 2000-197292 号公报(P2000-197292A)[专利文献4]日本特开 2OO7-3I259I 号公报(P2OO7-3I259IA)
发明内容
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因此，本发明的目的是提供一种电动旋转机器，其能够通过降低扭矩波动提供振荡和噪声减小的高质量和有效率的机器工作。根据本发明的第一方面，提供一种电动旋转机器，其包括转轴位于转子轴线上的转子和可旋转地容纳所述转子的定子，其中所述定子包括向所述转子的外周表面延伸并且在面对所述转子的外周表面的内周表面处终止的多个齿、以及多个槽，每个槽在相邻的两个齿之间，提供用于围绕所述齿缠绕线圈以输入驱动电功率的空间，其中所述转子具有嵌入其中的多个永磁体，以使磁力作用在与所述永磁体相对的所述齿的该表面部分上，其中所述定子内的所述转子被当电流通过所述线圈时产生自穿过所述齿、所述齿的后表面侧和所述转子的磁通量的磁阻扭矩和产生自与所述永磁体干涉的吸引力和排斥力形式的磁扭矩驱动以旋转，其中所述转子的外径Dr与所述定子的外径Ds的外径比在有效地使扭矩波动最小化的范围内。根据本发明的第二方面，除了第一方面的指定事项以外，当所述多个永磁体的永磁体组对应于所述多个槽的槽组并形成磁极,并且所述槽组在数量上包括六个槽时，所述外径比Dr/Ds在下式表达的范围内:0.61 ^ Dr/Ds ( 0.645。根据本发明的第三方面，除了第一和第二方面之一的指定事项以外，所述电动旋转机器被配置为满足下式表达的条件:Lt/Dr ( 0.04
2Lt ( Lb0.35 彡 d/Ls 彡 0.440.32 ( Ls/Lt其中:Lt是所述多个齿的每个的厚度，Lb是所述多个齿的每个的后表面侧的厚度，d是所述线圈的导体的直径，Ls是所述多个槽的每个的开口宽度。磁极可以由永磁体形成，每对永磁体嵌入在转子中并且排列成“V”形配置，开口朝向转子外周。根据本发明的第一方面，转子和定子满足转子的外径Dr与定子的外径Ds的外径比在有效使扭矩波动最小化的范围内。结果，提供振动和噪声减小的高质量的机器工作，同时因为扭矩波动被减小，所以还提供损耗减小的高效率的机器工作。根据本发明的第二方面，当转子中的每组或每对永磁体的一个磁极在数量上对应于六个槽的组时，所述外径比在从0.61至0.645的范围内。这导致除了振动和噪声减小以夕卜，还实现了损耗减小的高质量的机器工作。根据本发明的第三方面，因为条件(每个定子齿的厚度Lt)/(转子的外径Dr) ^ 0.04, (2Lt)((每个定子齿的后表面侧的厚度Lb)，0.35 < (线圈导体的直径d)/(每个槽的开口宽度Ls) ( 0.44以及0.32 < (每个槽的开口宽度Ls) / (每个定子齿的厚度Lt)，所以除了铁损 耗减小以外，还可以通过使用自动卷线机自动在相邻的齿之间的每个槽中绑定绕组来形成线圈。
图1是示出根据本发明的电动旋转机器的一个实施方式的平面图，其示出了该电动旋转机器的整体结构的概要。图2是示出该机器中的磁极的有效磁极开口角度的局部平面图。图3是示出当该机器的转子没有磁极时由该机器的定子产生的磁通量流型的平面图。图4是磁通量的近似波形的图形表示(基频)。图5是示出磁通量的近似波形、有效磁极开口角度和磁体开口角度之间关系的示意图。图6A和图6B是示出在定子中产生的振荡或振动模式的示意图。图7A和图7B是示出与图6A和图6B的振动模式不同的定子中的另一个振荡或振动模式的示意图。图8是示出将转子与定子的外径比作为参数的电磁分析结果的图形表示。图9是示出将转子与定子的外径比作为参数的与图8不同的电磁分析结果的图形表不。图10是示出将转子与定子的外径比作为参数的与图8或图9不同的电磁分析结果的图形表示。附图标记说明10电动旋转机器11 定子
12 转子13 转轴15定子齿16永磁体16a 角部17排列成“V”形的孔17b通量屏障18 槽20中心桥Dr转子直径Ds定子直径Lt定子齿的厚度Lb后轭的厚度Ls槽的开口宽度Θ I有效磁极开口角度
具体实施例方式下面参考附图详细描述本发明的实施方式。图1至图10示出根据本发明的电动旋转机器的一个实施方式。参考图1和图2，电动旋转机器(电动机)10例如在混合电动汽车或者电动汽车中作为与内燃机类似的驱动源或者作为轮内驱动单元具有良好的使用性能，并且它包括形成为圆柱形配置的定子11和可旋转地容纳在定子11中并具有转轴13的转子12，转子12定位为转子轴线与定子11的轴线重合。在定子11和转子12之间存在气隙G，定子11包括在整个内圆缘上向转子轴线延伸的槽18和由槽18限定的多个定子齿15。定子齿15在径向上向转子轴线延伸，它们的端部面向转子12的外圆形外周表面12a，它们之间有气隙G。定子齿15被缠绕以提供三相分布绕组(未示出)，从而形成被配置为感生通量型的线圈绕组，该通量型用于产生提供给转子12的转子扭矩。转子12是内部永磁(IPM)转子，其具有嵌入其中的多组(在本实例中为多对)永磁体16，每组磁体包括一对排列成“V”形配置的开口向外圆形外周表面12a的永磁体16。转子12形成有多对孔17，孔17的对排列成“V”形配置，开口朝向外圆形外周表面12a，并且孔17的对在转子12的轴向上延伸。每对孔17包括一对孔区间17a，每对作为平板状磁体的永磁体16容纳在一对孔区间17a中，并且通过它们的每个角部16a插入并以面对面的关系保持在限定对应的孔区间17a的相邻两个成角度的内壁而保持稳定。每个孔17包括位于对应的平板状磁体16的相对侧的两个空间区间17b，并且在磁体16的宽度方向上间隔开，用作限制潜回通量的通量屏障(在下文中称为“通量屏障”)。每对孔17设置有中心桥20，该中心桥20将相关联的成对永磁体16相互连结，以将永磁体16保持在转子12高速旋转时对抗离心力的适当位置。在该电动旋转机器10中，定子齿15在角向上间隔开，提供作为槽18的空间，以容纳线圈绕组，使得六个定子齿15与八组永磁体16中对应的一组配合，换句话说，六个(6)槽18面对八组永磁体16中的一组。因此，电动旋转机器10被配置为用作包括八(8)组永磁体16的八⑶个磁极(四对磁极)的8极48槽三相MP电动机，其中每组永磁体16的N极和S极相对于相邻组的那些旋转180度机械角度，并且使用六(6)个槽18限定五(5)个定子齿15，四十八(48)个槽18容纳由单相分布绕组形成的线圈绕组。在本说明中，为了方便，使用所示出的标注N和S，但是它们不在部件的表面上。因为除了从该磁通量流型与每组永磁体16的磁极的通量流型的相互作用的吸引力和排斥力得到的磁扭矩以外，还由趋向于使来自定子11的磁通量流型的磁流路径最小化的磁阻扭矩产生转子扭矩，所以当槽18中的线圈绕组被激励，使得来自定子齿15的磁通量流型从外圆形外周表面12a向内进入转子12时，该结构使电动旋转机器12驱动转子12和转轴13。如图3中所示，电动旋转机器10具有由分布绕组形成的容纳在槽18中的线圈绕组，以提供从定子11进入转子12的包括分布磁路径的通量流型，多组定子齿15的每一组对应于所述多对永磁体16的一个磁极。用于永磁体16的每对V形孔17沿着磁路径延伸，或者换句话说，以不扰乱这种磁路径的形成的方式延伸。注意，在定子11和转子12的制造过程中，诸如硅钢等磁钢的叠层针对所需的输出扭矩以在轴向上堆叠的关系设置为适当厚度，并且使用挺杆孔19通过紧固螺栓来紧固。现在考虑采用永磁体16嵌入在转子12中的IPM结构的电动旋转机器10，定子11的定子齿15中的一个齿中磁通量的变化可以由图4中所示的方波形来近似。该基频磁通量波和较低阶的空间谐波、第五阶(5th)和第七阶(7th)谐波的叠加不仅是影响车辆乘员感受到的振荡和噪声的因素，而且还是影响由高扭矩波动(即，在转一圈期间最大和最小扭矩之间的差)产生的作为热能的损耗带来的铁损耗和机器工作效率下降的因素。因为磁滞损耗是频率与磁通量密度的乘积，并且涡流损耗是频率的平方与磁通量密度的乘积，所以抑制空间谐波会减小铁损耗，以关于电能的输入而改进机器工作效率。回到图4，在图4中竖直轴代表磁通量，水平轴 代表时间，所示出的方波形近似于在一个周期T(4L1+2L2)电角度上定子齿15的一个齿中磁通量的变化，其中在持续时间LI中没有磁通量通过该齿，具有幅度的磁通量在周期T的前一半的持续时间L2中正向通过该齿，在周期T的后一半的持续时间L2中反向通过该齿。来自电动机(电动旋转机器)的电磁噪声是由作用在定子上的电磁力引起的定子的振荡产生的。作为作用在定子上的电磁力，存在由转子和端子之间的磁耦合产生的径向电磁力和由扭矩产生的角向电磁力。以近似于该电动机的线性磁路考虑作用于定子齿15的每个上的径向电磁力，径向电磁力fr和磁能W可以用下面的公式(I)和(2)来表达:W = 0 2 Rg = I(B-S)2.B2-X-S....(I)
IX Ofj,f r = = 17— B2S (x) = B2S....(2)
ο X 2 βO X2 μ.
其中φ是磁通量，W是磁能，fr是径向电磁力，Rg是磁阻，B是磁通量密度，S是该磁通量通过的面积，X是气隙(G)长度，ε是磁路径的磁导率。考虑空间谐波，磁通量密度B可以用下面所示的公式(3)来表达，随之，基频和空间谐波的叠加是增加径向电磁力fr的因素，因为径向电磁力fr包括通量密度B的平方。本发明人进行的深入调查和研究表明，减小空间谐波会降低扭矩波动，结果是不仅实现了电
动机电磁噪声的减小，而且还实现了机器工作效率的提高。
权利要求
1.一种电动旋转机器，其包括转轴位于转子轴线上的转子和可旋转地容纳所述转子的定子。
其中所述定子包括向所述转子的外周表面延伸并且在面对所述转子的外周表面的内周表面处终止的多个齿、以及多个槽，每个槽在相邻的两个齿之间，提供用于围绕所述齿缠绕线圈以输入驱动电功率的空间， 其中所述转子具有嵌入其中的多个永磁体，以使磁力作用在与所述永磁体相对的所述齿的表面部分上， 其中所述定子内的所述转子由当电流通过所述线圈时产生自穿过所述齿、所述齿的后表面侧和所述转子的磁通量的磁阻扭矩和产生自与所述永磁体干涉的吸引力和排斥力形式的磁扭矩驱动以旋转， 其中所述转子的外径Dr与所述定子的外径Ds的外径比在有效地使扭矩波动最小化的范围内。
2.根据权利要求1所述的电动旋转机器，其中当所述多个永磁体的永磁体组对应于所述多个槽的槽组并形成磁极，并且所述槽组在数量上包括六个槽时， 所述外径比Dr/Ds在下式表达的范围内:.0.61 ≤ Dr /Ds ≤ 0.645。
3.根据权利要求1所述的电动旋转机器，其中所述电动旋转机器配置为满足下式表达的条件:Lt/Dr ≤ 0.04.2Lt ≤ Lb.0.35 ≤ d/Ls ≤ 0.44.0.32 ≤ Ls/Lt 其中:Lt是所述多个齿的每个的厚度，Lb是所述多个齿的每个的后表面侧的厚度，d是所述线圈的导体的直径，Ls是所述多个槽的每个的开口宽度。
全文摘要
本发明提供一种电动旋转机器，其能够通过降低扭矩波动来提供振荡和噪声减小的高质量和高效率的机器工作。该电动旋转机器包括定子，该定子具有多个面对转子的齿和多个提供用于围绕所述齿缠绕线圈的空间的槽。该转子具有嵌入在其中并且排列成“V”形配置的成对永磁体，以使磁力作用在所述齿上，使得所述定子内的转子被磁阻扭矩和磁扭矩驱动以旋转。转子的外径Dr与定子的外径Ds的外径比Δ在从0.61至0.645的范围内。
文档编号H02K1/27GK103095001SQ20121042968
公开日2013年5月8日 申请日期2012年11月1日 优先权日2011年11月2日
发明者青山真大 申请人:铃木株式会社