转子、同步电机和混合驱动装置的制作方法

本发明涉及一种用于三相永磁激励同步电机的转子。本发明还涉及一种三相永磁激励同步电机。本发明还涉及一种特别是用于车辆的混合驱动装置。

背景技术：

在优选针对车辆的混合驱动装置设计电机、特别是三相永磁激励同步电机时，根据这种电机、特别是这种电机的转子的配置，在计算在电机中出现的、通过转子、特别是通过在其中使用的永磁体的磁场感生的电压时，产生磁场、由此所感生的电压在一定程度上或多或少偏离沿着转子的圆周坐标在理想情况下力争达到的正弦波形。于是，实际产生的磁场和感生的电压按照根据基本函数和谐波的傅立叶分析可能叠加地呈现。基本函数、即傅立叶分析的阶数为1的磁场或电压分量在此沿着转子的圆周坐标具有在该圆周坐标上与转子的两个相邻的相对磁极的空间延伸、即极距对应的周期，即一半周期在一个磁极上延伸。与此相对，二次谐波、即傅立叶分析的阶数为2的磁场或电压分量具有在该圆周坐标上与转子的一个磁极的空间延伸对应的周期，即一半周期在一半磁极上延伸。对于三次谐波、即傅立叶分析的阶数为3的磁场或电压分量，一半周期于是对应地在圆周坐标上在转子的一个磁极的空间延伸的三分之一上延伸。对应地，例如对于九次谐波、即傅立叶分析的阶数为9的磁场或电压分量，一半周期在圆周坐标上在转子的一个磁极的空间延伸的九分之一上延伸，等等。

在优选混合驱动装置使用的三相永磁激励同步电机的情况下，已经证明阶数为3和9的磁场或电压分量相对大。在电机以三角形电路接线的情况下，这些三次和九次谐波正好在三角形电路内部产生回路电流，其引起热损耗，而不对电机的驱动功率提供贡献。

从文献de102010013302a1中已知一种电动机，其包括电机壳体，在电机壳体中设置有用于支承转子轴的轴承，其中，在电机壳体中设置有定子叠片组，在定子叠片组上布置有定子绕组，其中，在电机壳体中设置有与转子轴扭抗地连接的转子叠片组。在转子叠片组上设置有凹槽，其从转子叠片组的一个轴向端面延伸到转子叠片组的另一个轴向端面，其中，在壳体内部设置有空气输送部件，特别是用于在壳体内部、特别是在凹槽中驱动空气流。在一个替换实施方式中，转子叠片组在圆周上具有多个沟槽作为凹槽，其在轴向方向上以螺旋状实施并且具有在圆周方向上随着轴向方向增大的角度值。通过这些凹槽、特别是沟槽，应当改善转子的热传输。

此外，从文献jp8-275421a中已知电机的转子表面上的螺旋形沟槽，其用于在转子旋转时输送冷却空气。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，在前面描述的类型的三相永磁激励同步电机中，利用特别是在制造技术上简单的部件至少减小、优选完全抑制三角形电路内部的不希望的回路电流，由此减小或避免其引起的热损耗。

上述技术问题通过用于包括定子的三相永磁激励同步电机的转子来解决，其中，在运行时，由转子的磁极产生的磁场能够感生电压，其中，沿着转子的圆周坐标的磁场的场强具有由周期对应于转子的极距的正弦形的基本函数和基本函数的正弦形谐波的叠加形成的曲线，其中，在面向定子的转子的圆周表面中和/或下方，布置沟槽状凹槽和/或腔体，其在其纵向延伸方向上跟随转子的极距的轴向延伸，横向于其纵向延伸方向沿着圆周坐标在至少三次谐波的最大值的区域中并且在基本函数的最大值的区域外部延伸。

在根据本发明构造的转子中，由此在面向定子的转子的圆周表面中布置沟槽状凹槽，或者在面向定子的转子的圆周表面下方布置腔体。组合也是可以的，根据其不仅设置沟槽状凹槽，而且设置腔体。这些沟槽状凹槽和/或腔体以其纵向延伸方向沿着转子的极距的轴向延伸而延伸。也就是说，如果转子的磁极在转子的轴向方向上取向，由此电机正地取向，即与电机的旋转轴平行地取向，则沟槽状凹槽和/或腔体也以其纵向延伸方向与旋转轴平行地延伸。相反，如果转子的磁极相对于转子的轴向方向取向，由此电机以一定角度取向，即磁极相对于电机的旋转轴沿着螺旋线延伸，则沟槽状凹槽和/或腔体也以其纵向延伸方向与该螺旋线平行地延伸。

横向于沟槽状凹槽和/或腔体的该纵向延伸方向，即在转子的圆周坐标的方向上，沟槽状凹槽和/或腔体布置在至少三次谐波的最大值的区域中、即沿着转子的圆周坐标的空间区域中并且在基本函数的最大值的区域外部。由此实现，至少使磁场的三次谐波减弱，因为对于其，沟槽状凹槽和/或腔体在电机中形成更小的磁导率。由此，磁场的这些谐波在电机中感生的电压也减小，由此该电压、即该电压分量在整个电机中感生的电压、引起的回路电流、由此其产生的损耗减小。

原则上，仅基本函数、即傅立叶分析的阶数为1的磁场分量与电机中的转矩形成有关。当电机对应地接线时，在3,9,15,21次等谐波在三角形电路中产生所谓的回路电流的情况下，其余正弦形函数、即阶数为2或更大的谐波产生损耗。布置用于抑制阶数为3,9,15,21等的这些谐波的沟槽状凹槽和/或腔体的相关位置，是这些要抑制的谐波的也称为幅值的最大值沿着转子的圆周坐标的空间位置。

原则上可以设置为，在阶数为3,9,15,21等的谐波的幅值的所有位置处，在转子中在面向定子的转子的圆周表面中和/或在其下方设置沟槽状凹槽和/或腔体。然而，在此应当注意，对磁场的基本函数的曲线的干扰使可用于转矩形成的磁场分量减弱，然而这是不希望的。在具体形成沟槽状凹槽和/或腔体时，借助简单的试验或者仿真计算的变化，单独确定以何种数量和何种配置、例如以何种横截面和何种尺寸在面向定子的转子的圆周表面中或下方布置沟槽状凹槽和/或腔体。在此，在确定沟槽状凹槽和/或腔体的尺寸时，还可以考虑要抑制的谐波的幅值。在这种要在每一种情况下分别进行的尺寸确定中，在一方面对不希望的谐波的抑制和另一方面要形成的尽可能使得基本函数不受影响的要求之间进行平衡。

其结果是，由此至少在转子的圆周表面中和/或下方的出现三次谐波的最大值的位置处设置沟槽状凹槽和/或腔体，其中，同时确保基本函数不受影响或者仅最小地受影响。利用这种配置，可以有效地减少磁场的不希望的谐波。对应地避免在以三角形电路运行的电机中激励回路电流。由此提高磁场的波形的正弦性。

本发明使得能够利用结构简单的制造工具有效地抑制沿着转子的旋转坐标的电机中的磁场的曲线的产生干扰、即产生损耗的谐波。与此相对，在圆周坐标的方向上近似正弦形地形成转子的圆周表面，使得在极中心得到朝向定子的更小的气隙的可能性，与在极间隙中相比，在制造技术上更复杂并且成本更高。

将沟槽状凹槽引入电机的转子的圆周表面中与近似正弦形地形成转子的圆周表面相比能够更简单地制造。此外，沟槽的沿着圆周坐标的位置、配置、特别是横截面和数量能够容易地单独匹配于每种电机构造和电机大小的对应的需求。如果例如形成强的三次谐波，但是没有九次谐波，则沟槽状凹槽的位置和设计可能仅涉及对于三次谐波重要的位置，即其最大值出现的位置。以类似的方式，特别是通过可以对腔体选择简单的横截面形状，将腔体在电机的转子的圆周表面下方引入转子中也比所谓的近似正弦形的转子的圆周表面的设计更简单。

利用本发明，前面提及的类型的电机除了以星形电路之外，还能够以三角形电路以低损耗的方式运行。

在从属权利要求中给出了本发明的有利构造。

按照根据本发明的转子的一个优选扩展方案，以横向于其纵向延伸方向沿着圆周坐标在至少三次谐波和附加地至少九次谐波和/或十五次谐波和/或二十一次谐波的最大值的区域中并且在基本函数的最大值的区域外部延伸的方式，布置在面向定子的转子的圆周表面中在其纵向延伸方向上跟随转子的极距的轴向延伸的沟槽状凹槽和/或腔体。

在该扩展方案中，由此沟槽状凹槽和/或腔体横向于其纵向延伸方向、即在转子的圆周坐标的方向上，布置在沿着转子的圆周坐标延伸的不仅仅是三次谐波的最大值的空间区域中，而是对于沟槽状凹槽和/或腔体的布置，还考虑可选地九次和/或十五次和/或二十一次谐波、但是还有其它进一步更高次的谐波的最大值所在的空间区域。这里还应当注意，将沟槽状凹槽和/或腔体布置在基本函数的最大值的区域外部，以避免基本函数减弱。

由此实现，除了磁场的三次谐波之外，还可选地使九次、十五次、二十一次等谐波减弱，因为对于其，沟槽状凹槽和/或腔体也在电机中形成更小的磁导率。由此，磁场的这些谐波在电机中感生的电压分量也减小，由此由这些电压分量在整个电机中感生的电压引起的回路电流、由此其形成的损耗减小。该扩展方案优选在高次谐波仍然具有明显的幅值的情况下可以使用。然而，在通常的电机中谐波的幅值随着次数的增大而减小。

在根据本发明的转子的另一个优选实施方式中，转子的圆周表面被构造为，在圆周表面和与其相对的定子的表面之间沿着转子的圆周坐标在沟槽状凹槽的延伸外部至少几乎恒定地形成气隙。由此实现在结构上和制造技术上简单并且成本低廉的转子的形成。

优选设置为，在一开始制造转子时就形成沟槽状凹槽。然而，除此之外，还可以在电机的制造结束之后在对制造好的电机的每个单独的样品进行个别调整的过程中才布置沟槽状凹槽。这例如可以通过铣切、磨削等来进行。

在根据本发明的转子的另一个有利的构造中，在面向定子的转子的圆周表面下方在其纵向延伸方向上跟随转子的极距的轴向延伸的腔体，作为横向于其纵向延伸方向的至少几乎完全封闭的空腔形成。在此，术语空腔表示，根据本发明的该构造，其是优选与转子内部的可能的其它腔体、例如从现有技术中已知的、设置在转子叠片组上的从转子叠片组的一个轴向端面延伸到转子叠片组的另一个轴向端面并且用于引导冷却空气的凹槽分离地布置并且本身封闭或者至少几乎封闭的腔体，其特别优选被设计为通道状或管状的。这种配置于是可以至少在很大程度上与转子的其它配置特征或配置元素独立地进行。

按照根据本发明的转子的另一个有利构造，在面向定子的转子的圆周表面下方在其纵向延伸方向上跟随转子的极距的轴向延伸的腔体，作为沟槽状凹口在转子的至少一个磁体凹口的壁中形成。由此，能够相对于具有分离地布置并且本身封闭或者至少几乎封闭的腔体的配置，简化转子的配置、例如简化转子叠片部分，由此特别是对于制造，能够简化要使用的冲压工具，由此能够以更成本低廉的方式制造。这种构造利用如下事实：例如永磁激励的转子的磁体凹口的位置与沿着圆周坐标的磁场或感生的电压的曲线直接相关，由此给出磁体凹口与腔体的特定空间关联。

对于腔体、即空腔和/或凹口，还优选设置为，其在一开始制造转子时就形成。然而，除此之外，还可以在电机的制造结束之后在对制造好的电机的每个单独的样品进行个别调整的过程中才布置腔体、即空腔和/或凹口。这例如可以通过钻孔等来进行。

上面提及的技术问题还通过特征在于前面描述的类型的转子的三相永磁激励同步电机来解决。这样构造的电机特别是还在以三角形电路运行时、即优选在高负荷下具有改善的效率和减小的损耗，由此使电机的热负荷减小并且能量利用得到改善。这对于电机在电动车辆中的使用特别有利。

因此，上面提及的技术问题还有利地通过特别是用于具有这样的三相永磁激励同步电机的车辆的混合驱动装置来解决。

附图说明

在附图中示出并且在下面详细描述本发明的实施例，其中，对所有图中一致的元素设置相同的附图标记并且省略对这些元素的重复描述。

图1示出了本发明的第一实施例，

图2示出了作为根据图1的第一实施例的变化的本发明的第二实施例，以及

图3示出了作为根据图1的第一实施例的另一个变化的本发明的第三实施例。

具体实施方式

在图1中粗略示意性地示出了沿着转子r的圆周坐标u的延伸的磁场m的曲线的基本函数g、三次谐波h3和九次谐波h9的示例性曲线。粗略示意性地作为两个相邻的相对磁极mp1和mp2的区域中的展开的横截面再现转子r。在此，用附图标记uf表示面向定子s的转子r的圆周表面。同样粗略示意性地作为两个相邻的相对磁极mp1和mp2的区域中的展开的横截面再现定子s，其中，还示意性地示出了定子齿sz。在转子r的圆周表面uf和定子齿sz之间存在基本上均匀的、沿着圆周坐标u具有恒定宽度b的气隙l。

在转子r的圆周表面uf中，形成沟槽状凹槽n1,n2,n3,n4，其纵向延伸方向与附图平面垂直地延伸。在圆周坐标u的方向上横向于其纵向延伸方向，沟槽状凹槽n1至n4在三次谐波h3和九次谐波h9的最大值的区域中、但是在基本函数g的最大值的区域外部延伸。为了更简单地在该图中定向，作为圆周坐标u以角度度数绘制了转子r的电角度，其中，磁极mp1,mp2中的每一个在180°的电角度上延伸。具有360°的基本函数g的一个周期由此在两个磁极mp1,mp2上延伸。基本函数g的最大值位于电角度90°和270°处。三次谐波h3的最大值位于电角度30°,90°,150°,210°,270°和330°处。九次谐波h9的最大值位于电角度10°,30°,50°,70°,90°,110°,130°,150°,170°,190°,210°,230°,250°,270°,290°,310°,330°和350°处。

现在，在图1中示出的示例中，为了满足沟槽状凹槽n1至n4位于三次谐波h3和九次谐波h9的最大值的区域中、但是在基本函数g的最大值的区域外部的条件，如下设置四个沟槽状凹槽n1至n4：

·第一沟槽状凹槽n1从角度30°处的三次谐波h3的第一最大值延伸到角度60°处的三次谐波h3的第二过零点，其中，0°处的过零点被计算在内；

·第二沟槽状凹槽n2从角度120°处的三次谐波h3的第三过零点延伸到角度150°处的三次谐波h3的第三最大值；

·第三沟槽状凹槽n3从角度210°处的三次谐波h3的第四最大值延伸到角度240°处的三次谐波h3的第五过零点；

·第四沟槽状凹槽n4从角度300°处的三次谐波h3的第六过零点延伸到角度330°处的三次谐波h3的第六最大值。

这种配置意味着，所给出的沟槽状凹槽n1至n4在转子r的圆周表面uf上分别从九次谐波h9的一个最大值延伸到其再下一个过零点或者从九次谐波h9的一个过零点延伸到其再下一个最大值。

为了满足沟槽状凹槽n1至n4位于基本函数g的最大值的区域外部的条件，沟槽状凹槽n1至n4在该示例中不在三次和九次谐波h3和h9的每一个最大值的区域中延伸，而仅在选择的最大值的区域中延伸。

在图1的图示中，沟槽状凹槽n1至n4作为矩形沟槽示出。在转子r的与此对应的空间设计中，沟槽状凹槽n1至n4由转子r的圆周表面uf中的凹陷形成，其中，转子r的半径突然减小。可选地，沟槽状凹槽n1至n4也可以与该图示不同地设计，例如具有圆形的凹陷、到转子r的圆周表面uf的连续的过渡部，具有局部为圆形的横截面等。

图2以根据图1的实施例的改变示出了本发明的第二实施例，其中，代替前面描述的沟槽n1,n2,n3,n4，在转子r中在圆周表面uf下方布置空腔k1,k2。仅简单地再现了磁极mp1，其由两个“埋入”转子中的永磁体p1和p2形成，永磁体p1和p2中的每一个被容纳在独立的磁体凹口中。空腔k1,k2的位置、尺寸和形状或轮廓可以通过简单的试验或仿真计算来确定并且优化。在所示出的实施例中，空腔k1,k2布置在永磁体p1和p2与圆周表面uf之间，在沿圆周表面uf的方向倾斜的永磁体p1和p2的拐角附近。可以根据需要进行其它配置和定位。

图3以根据图1的实施例的另一个改变示出了本发明的第三实施例，其中，代替前面描述的沟槽n1,n2,n3,n4，在转子r中在圆周表面uf下方布置凹口t1,t2。又仅简单地再现了磁极mp1。在用于永磁体p1和p2的磁体凹口的壁中形成凹口。在所示出的实施例中，凹口t1,t2布置在永磁体p1和p2与圆周表面uf之间，连接到沿圆周表面uf的方向倾斜的用于永磁体p1和p2的磁体凹口的拐角。这里，也可以根据需要进行其它配置和定位。

附图标记列表

bl的宽度

g基本函数

h3三次谐波

h9九次谐波

k1第一空腔

k2第二空腔

l气隙

m磁场

mp1磁极

mp2磁极

n1第一沟槽状凹槽

n2第二沟槽状凹槽

n3第三沟槽状凹槽

n4第四沟槽状凹槽

p1第一永磁体

p2第二永磁体

r转子

s定子

sz定子齿

t1第一凹口

t2第二凹口

u圆周坐标

uf圆周表面