专利名称：具有受控齿槽效应的电动机转子的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电动机，更具体地说，涉及具有受控齿槽效应的电动机转子以及包括该转子的电动机和动力转向装置。
背景技术：
一般来说，许多电磁机器，尤其是永磁电动机，当转子相对于定子旋转时都显示出转矩不规则性。这类不规则性产生非均匀的转矩输出，并因此产生转子的非均匀旋转。这些转矩不规则性可能是由给定机器的物理结构引起的。它们可能由，例如插在给定的转子位置中的轴承造成，或者事实上是由于机器的电磁特性，转子往往会偏爱某些相对于定子的角位置。由永磁电机的电磁特性所造成的转矩不规则性通常称之为转矩脉动，而将即使定子绕组不通电时也存在的部分称之为“齿槽效应”。
由于对某些电动机的应用(包括汽车动力转向应用)来说，一般不希望有齿槽效应，所以已研究了一些技术来减少齿槽效应。例如，已经应用一些优化技术来鉴别产生减少的齿效应的磁极的几何状形。然而，正如上述优化技术发明者所承认的，这些已知技术不能预测电动机中的齿槽效应随磁极的几何形状而变化的情况，并因此不依赖于选择在电动机中产生所希望的齿槽效应水平的设计参数值。
发明内容
本实用新型的发明人在设计一种确定磁极的几何形状的方法以用于控制电动机中的齿槽效应方面获得了成功。根据该方法，本实用新型提供一种电动机转子，所述转子具有一个直径和多个永久磁铁，每个永久磁铁都有一个磁铁离中心半径(decenter radius)值Rmo和一个磁极距值Bm，其特征在于Bm和Rmo满足下列关系Bm＝6n+π(Rmo/Rad1)2-(7π/3)*(Rmo/Rad1)+(5π/3)±1机械度，其中Rad1是转子的直径，及n是大于1的整数。
本实用新型还提供一种包括上述转子的电动机。
本实用新型还提供一种包括上述电动机的动力转向装置。
下面通过参照附图及后面示范性实施例的详细说明，可以更充分地充分理解本实用新型。
图1是根据本实用新型一个实施例的确定磁极几何形状用于控制电动机中齿槽效应的方法流程图；图2(a)示出了一种电动机的示意图，所述电动机具有一个转子，该转子具有用图1方法确定的磁极几何形状；图2(b)是图2(a)所示转子的磁极几何形状示意图；图3-7是用有限元分析(FEA)模型产生用于图2电动机的预测的齿槽效应曲线图；图8是从图3-7数据产生的预测峰间齿槽效应的曲线图；图9是包括在图2电动机中动力转向装置的方框图；在附图中，相应的标号表示对应的部件。
具体实施方式
图1示出了确定磁极几何形状用于控制根据本实用新型的示范性实施例的电动机中齿槽效应的方法，并用标号100表示。如图1所示，方法100包括利用至少一个设计参数限定磁极几何形状的步骤102。方法100还包括预测齿槽效应随设计参数而变的步骤104。在步骤106处，利用预测的齿槽效应来选定一个用于设计参数的数值，所述数值对应于所希望的电动机中齿槽效应的水平。例如，在其中齿槽效应一般不希望有的电动机应用情况下，可以用预测的齿槽效应来选定一个用于设计参数的数值，所述数值对应于电动机用最小或零齿槽效应值。可供选择地，可以用预测的齿槽效应来选定一个设计参数值，如果希望的话，所述设计参数值将产生一个较高的电动机齿槽效应值。
图1的步骤102中称的设计参数，可以是任何限定磁极几何形状(亦即磁极的尺寸和形状)的参数，并且它们的数值可以按希望选定和优化。此外，可以用多个设计参数而不是用一个设计参数来限定磁极几何形状。在这种情况下，优选的是预测齿槽效应随多个设计参数而变，然后，用这种预测的参数来选定用于各设计参数的数值，这些数值对应于电动机中一个理想的齿槽效应水平。
进一步参见图1中的步骤104，在本实用新型中利用电动机的有限元分析(FEA)模型预测齿槽效应，不过也可以使用预测齿槽效应的其它方法。另外，在一个实施例中，预测的齿槽效应是峰间齿槽效应(也称之为齿槽效应幅值)，不过这不是绝对必要的。
现在将参照图2-8说明图1所示方法100的一个示例性执行程序。这个特定的执行程序是用于10极/12槽无刷式永磁(BPM)电动机200，上述无刷式永磁电动机200被大致示于图2(a)中。然而，应该理解，方法100可应用于其它的极/槽组合，及应用于其它类型的电动机。
如图2(a)所示，电动机200包括一个定子202和一个转子204，所述转子204设置在定子202内。转子204包括若干磁极206-224，同时每个磁极都具有相同的几何形状。可供选择地，转子204可以这样设计，以使其各磁极中有两个或多个磁极具有不同的几何形状，但这将增加设计的复杂性。正如在图2(b)中所最佳示出的，在这个特定实施例中，每个磁极206-224的几何形状由两个设计参数限定，即限定每个磁极的角宽度的磁极矩BetaM和磁铁离中心半径Rmo，上述磁铁离中心半径Rmo限定每个磁极的曲率。可供选择地(或者另外)，磁极的几何形状可以比如用一个多项式函数限定。图2(b)还示出了参数Rad1，该参数Rad1代表转子204的外径。
在这个特定的实施例中，图2中所示的电动机200的齿槽效应将用电机200的参数FEA模型及用于设计参数BetaM和Rmo的预先规定的可能值进行预测。这些可能值可以限定为离散值，或者更优选的是限定为能可靠地用于规定的电机构造中的BetaM和Rmo的数值范围。为此例的目的，假定BetaM的值可以在26-32机械度范围内，而Rmo值可以在8.225-20.225毫米范围内。正如本领域的技术人员所了解的，用任何合适的FEA软件都可以产生电动机的参数FEA模型。
若用FEA模型和用于设计参数BetaM和Rmo的限定值范围，则电动机中的齿槽效应随设计参数而变进行预测。在一个优选实施例中，首先预测并标绘峰间齿槽效应(亦即随角位置而变的转矩)。这一般在图3-7中示出，图3-7预测用于各种BetaM和Rmo值的电动机齿槽效应曲线图。具体地说，图3示出了对BetaM用一26机械度的值，和8.225、12.225、16.225和20.225毫米Rmo值的齿槽效应曲线图。图4-7示出了用同样Rmo值的齿槽效应曲线图。图4-7示出了用同样Rmo值和对BetaM分别用27.5、29、30.5和32机械度的类似曲线图。
利用图3-7中所预测的齿槽效应曲线图中各数据点，电动机中的齿槽效应可以随设计参数而变进行预测和标绘，如图8所示。更具体地说，在图8中，峰间齿槽效应标绘成图3-7中所用的4个Rmo值之中每一个Rmo值随BetaM值而变的曲线。
预测的峰间齿槽效应随设计参数BetaM和Rmo而变之后，可以选定这些设计参数对应于电动机中所希望的齿槽效应水平。例如，从图8中可以看出，用一27机械度的BetaM值和8.225mm的Rmo值产生一个预测的齿槽效应值为零。可供选择地，对设计参数BetaM和Rmo可以选定这些值对应于一较高的预测齿槽效应水平，如果希望的话。
当进一步参见图7时，应该注意，所预测的齿槽效应曲线图一般是正弦曲线。因此，可以推导出一个方程，以便将在电动机中产生所希望的齿槽效应水平的各设计参数之间的关系定义如下齿槽效应＝f(参数1，参数2，...)
＝f(参数1，参数2，...)*sin(f2(参数1，参数2，...))在希望零齿槽效应情况下，关系可以简化如下0＝sin(f2(参数1，参数2，...))，或180n＝sin(f2(参数1，参数2，...))，式中n是代表零齿槽效应波形的一个特别零交叉的整数。用图8中对应于电动机200中零交叉的BetaM和Rmo值得到下面表达式Bm＝6n+π(Rmo/Rad1)2-(7π/3)*(Rmo/Rad1)+(5π/3)±1机械度这样，用上述方程来选定BetaM和Rmo的值，产生一种如图2所示的转子204磁体极几何形状，当转子204包括在图2的电动机200中时，上述磁体极几何形状产生一个最小或零峰间齿槽效应。正如本领域的技术人员将会理解的，n值越高对应于一个越宽的磁铁，并因此电动机200的输出转矩越高。因此，若希望较高的转矩，则4≤n≤6，其中最大可能的n值(对于讨论中的10极/12槽电机)是6。
在本实用新型的一个优选应用中，图2的电动机200包括在动力转向装置800中，如一般在图8中所示。通过用上述方程选择BetaM和Rmo值，使电动机中的齿槽效应减至最小，同时使它用于动力转向装置800中变得特别理想。
在说明本实用新型或本实用新型优选实施例的元件时，冠词“a”，“an”，“the”和“上述”意指一个或多个这种元件。术语“包含”、“包括”和“具有”意指除了所引用的那些元件之外还可以有其它元件。
由于在不脱离本实用新型范围的情况下，可以在上述构造方面进行各种改变，所以上述说明中所包含的或附图中所示出的所有内容都是示例性的并且没有限制的意思。
权利要求1.一种具有受控齿槽效应的电动机的转子，其特征在于，具有一个直径和多个永久磁铁，每个永久磁铁都有一个磁铁离中心半径值Rmo和一个磁极距值Bm，其中Bm＝6n+π(Rmo/Rad1)2-(7π/3)*(Rmo/Rad1)+(5π/3)±1机械度，Rad1是转子的直径，及n是大于1的整数。
2.根据权利要求1的具有受控齿槽效应的电动机的转子，其特征在于4≤n≤6。
专利摘要一种电动机的转子以及包括该转子的电动机及动力转向装置，所述转子具有一个直径和多个永久磁铁，通过确定磁极几何形状来控制电动机中的齿槽效应。每个永久磁铁都有一个磁铁离中心半径值Rmo和一个磁极距值Bm，其中Bm＝6n+π(Rmo/Rad1)
文档编号H02K15/03GK2884661SQ20042000035
公开日2007年3月28日 申请日期2004年1月7日 优先权日2003年1月7日
发明者R·E·小哈茨弗里德 申请人:美国艾默生电气公司