专利名称：转矩波动减小的集中绕组电机及其设计方法
技术领域：
这里描述的主题的各实施例总体上涉及电动机，更具体地涉及具有减小的转矩波 动的集中绕组电机。
背景技术：
永磁电动机可能产生不期望的转矩波动，该转矩波动可导致不期望的振动和噪 声。传统的永磁电动机使转子或定子倾斜，以试图减小转矩波动。然而，倾斜可使制造复杂 且增加成本。倾斜还可能降低电机转矩，因此降低电机性能。
发明内容
根据一个实施例，提供一种用于电动机的装置。该电动机包括包括沿周向布置以 建立中空芯的多个齿段的定子和被可旋转地布置在所述中空芯内的转子。所述多个齿段限 定与多个槽相关的多个槽口。所述多个槽中的每个槽具有槽口，而所述多个槽口中的至少 一个槽口相对于所述多个槽口是对称的。根据另一个实施例，提供一种用于车辆中的电动机的装置。所述电动机包括沿周 向布置以提供中空芯的多个齿段，被可旋转地布置在所述中空芯内的转子；和镶嵌在所述 转子中的多个永磁体。每个齿段包括相应的齿，所述齿具有围绕其侧壁布置的一组定子绕 组。所述多个齿段限定多个槽口，其中每个槽口对应于被配置为容纳相邻齿的所述一组定 子绕组的一段的绕组槽。所述多个槽口中的第一槽口相对于所述多个槽口的第二槽口是对 称的。在另一个实施例中，提供一种用于构造具有集中绕组结构的电动机的方法。该方 法包括针对具有各种不同定子槽口结构的多个被建议电动机确定模拟转矩波动；和基于 所述模拟转矩波动从所述多个被建议电动机中识别最佳电动机。该方法进一步包括构造多 个齿段以及沿周向布置所述多个齿以形成定子，所述多个齿段被配置为当所述多个齿段被 沿周向设置时限定与所述最佳电动机对应的多个槽口。所述多个槽口中的至少一个槽口相 对于所述多个槽口是对称的。方案1、一种电动机，包括定子，所述定子包括沿周向布置以建立中空芯的多个齿段，其中所述多个齿段限定与多个槽相关联的多个槽口，所述多个槽中的每个槽具有槽 口，并且所述多个槽口中的至少一个槽口相对于所述多个槽口是不对称的；和可旋转地布置在所述中空芯内的转子。方案2、如方案1所述的电动机，其中所述多个槽口中的第一槽口具有第一宽度， 而所述多个槽口中的第二槽口具有第二宽度，所述第一宽度不同于所述第二宽度。方案3、如方案1所述的电动机，所述多个槽中的第一槽具有第一槽口，其中所述 第一槽口的中心轴线没有与所述第一槽的中心轴线对准。方案4、如方案1所述的电动机，所述定子具有集中绕组结构，其中所述多个齿段中的每个齿段包括齿，所述齿具有在沿周向布置所述多个齿段之前围绕所述齿布置的一组 定子绕组。方案5、如方案4所述的电动机，其中所述定子具有分段齿绕组结构。方案6、如方案4所述的电动机，所述定子具有插入式绕组结构，其中所述多个齿 段中的每个齿段被插入到定子芯中以形成所述定子。方案7、如方案1所述的电动机，所述多个槽包括具有第一槽口的第一槽、具有第 二槽口的第二槽和具有第三槽口的第三槽，所述第二槽与所述第一槽相邻，而所述第三槽 与所述第二槽相邻，其中所述第一槽口与所述第二槽口隔开第一距离；所述第二槽口与所述第三槽口隔开第二距离；并且所述第一距离不同于所述第二距离。方案8、如方案7所述的电动机，其中所述第一槽与所述第二槽隔开第二距离，而 所述第二槽与所述第三槽隔开第四距离，其中所述第三距离等于所述第四距离。方案9、如方案1所述的电动机，其中所述转子适于被联接到车辆的轴。方案10、一种用于车辆的电动机，所述电动机包括沿周向布置以提供中空芯的多个齿段，每个齿段包括相应的齿，所述齿具有围绕 其侧壁布置的一组定子绕组；其中所述多个齿段限定多个槽口，每个槽口对应于被配置为容纳相邻齿的一组定子绕 组的一段的绕组槽；并且所述多个槽口中的第一槽口相对于所述多个槽口中的第二槽口是不对称的；可旋转地布置在所述中空芯内的转子；和镶嵌在所述转子中的多个永磁体。方案11、如方案10所述的电动机，所述第一槽口对应于第一绕组槽，其中所述第 一槽口的中心轴线从所述第一绕组槽的中心轴线偏移第一距离。方案12、如方案11所述的电动机，所述第二槽口对应于第二绕组槽，其中所述第 二槽口的中心轴线从所述第二绕组槽的中心轴线偏移第二距离，并且所述第二距离不等于 所述第一距离。方案13、如方案10所述的电动机，所述第一槽口的宽度不等于所述第二槽口的宽度。方案14、如方案10所述的电动机，所述第一槽口对应于第一绕组槽，而所述第二 槽口对应于第二绕组槽，并且所述多个槽口中的第三槽口对应于第三绕组槽，其中所述第一槽口与所述第二槽口隔开第一距离；所述第二槽口与所述第三槽口隔开第二距离；并且所述第一距离不同于所述第二距离。方案15、如方案14所述的电动机，其中所述第一绕组槽与所述第二绕组槽隔开第三距离；所述第二绕组槽与所述第三绕组槽隔开第四距离；并且所述第三距离等于所述第四距离。方案16、一种用于构造具有集中绕组结构的电动机的方法，所述方法包括
针对具有各种不同定子槽口配置的多个被建议电动机确定模拟转矩波动；基于所述模拟转矩波动从所述多个被建议电动机中识别最佳电动机； 构造多个齿段，所述多个齿段被配置为当所述多个齿段被沿周向设置时限定与所 述最佳电动机对应的多个槽口，其中所述多个槽口中的至少一个槽口相对于所述多个槽口 是不对称的；和沿周向布置所述多个齿段以形成定子。方案17、如方案16所述的方法，进一步包括在沿周向布置所述多个齿段以形成所 述定子之前，围绕所述多个齿段的每个齿布置相应的一组定子绕组。方案18、如方案16所述的方法，其中确定模拟转矩波动包括针对具有各种不同定子槽口配置的所述多个被建议电动 机执行有限元分析；并且识别所述最佳电动机包括从所述有限元分析中识别具有最小转矩波动的迭代。方案19、如方案16所述的方法，进一步包括针对具有各种不同定子槽口配置的所 述多个被建议电动机确定模拟转矩输出，其中识别最佳电动机包括基于所述模拟转矩波动 和所述模拟转矩输出识别最佳电动机。方案20、如方案19所述的方法，进一步包括针对具有各种不同定子槽口配置的所 述多个被建议电动机执行有限元分析，以获得用于多个设计迭代的模拟转矩波动和模拟转 矩输出，其中识别最佳电动机包括在所述多个设计迭代中识别具有减小的转矩波动和转矩输 出减量最小的设计迭代。本发明内容被提供为以简化的形式引入概念的选择，这将在下面的详细说明中进 一步描述。本发明内容并非旨在识别要求保护的主题的关键特征或本质特征，也不是用于 辅助确定要求保护的主题的范围。
通过参照详细说明书和权利要求且结合下面的附图考虑，可对本发明的主题进行 更全面的理解，其中相似的附图标记在所有附图中指代相似的元件。图1为根据一个实施例的永磁电动机的局部剖视图；图2为根据一个实施例的适于用作图1的永磁电动机中的定子的具有分段齿绕组 结构的定子的剖视图；图3为适于用作图1的永磁电动机中的定子的具有插入齿绕组结构的定子的剖视 图；和图4为根据一个实施例的电动机设计过程的流程图。
具体实施例方式下面的详细说明本质上仅为描绘性的，并非旨在限制本发明主题的各实施例或者 这些实施例的应用和使用。如这里所使用的那样，词语“示例性”的含义是“用作示例、例子 或例证”。这里作为示例性描述的任何实施方式不是必须被解释为优于其它实施方式或者 比其它实施方式更有利。并且，在前面的技术领域、背景技术、发明内容或下面的具体实施方式
中给出的任何明示或隐含的理论并不是用于限制本发明的。图1示出根据一个示例性实施例的永磁电动机100的局部剖视图。图1的视图表 示出电动机100的整个剖视图的1/8。在示例性实施例中，电动机100包括定子102和可旋 转地布置在定子102内的转子104。电动机100可形成各种汽车部件的部分，例如燃料电池 或电动车辆的牵引电机或混合动力车辆的电动机/发电机。电动机100还可用在与电动机 车辆无关的应用中，例如家具、医疗器械、工具等。在示例性实施例中，电动机100被实现为集中绕组电机，使得定子102包括被布置 或以其它方式沿周向设置的多个分离的齿段105、107、109、111，每个独立的齿段具有各自 的齿106、108、110、112，这些齿具有一个或多个相位的绕组，而这些绕组围绕(例如缠绕或 围绕滑动)齿106、108、110、112布置。例如，第一齿108具有绕其侧壁116、118布置的第 一组绕组114，第二齿110具有绕其侧壁121、122布置的第二组绕组120，等等。图2示出定子200的分段齿集中绕组结构，其包括沿周向设置的多个齿段202，以 形成定子200，图3示出定子300的插入齿绕组结构，其包括被插入在定子芯304的槽中的 多个齿302，使得齿沿周向被设置以形成定子300。应该注意到，图1示出定子102的分段 齿绕组结构，其中当齿106、108、110、112被沿周向设置以形成不具有独立的定子芯的定子 102时，齿106、108、110、112 —起形成具有中空芯的基本圆柱形状。然而，应该认识到，这里 描述的主题还可被实施用于具有插入齿集中结构的集中绕组电机，其中独立的齿被插入定 子芯中，如本领域将会认识到的那样。如图1所示，当齿106、108、110、112被沿周向设置时，相邻齿106、108、110、112的 侧壁形成多介绕组槽124、126、128。绕组槽124、126、128中的每一个具有各自的槽口 130、 132、134。如下面进一步详细讨论的那样，槽口 130、132、134相对于槽124、126、128的位置 和/或宽度以减小电动机100的转矩波动的方式被调节。应该注意到，由于集中绕组结构 (例如分段齿结构或插入齿结构)，定子绕组被预先布置在绕组槽124、126、128内，也就是 说，在沿周向设置齿段105、107、109、111以形成定子102之前，被绕每个齿106、108、110、 112布置的一个或多个相位(或组)的定子绕组被绕(例如缠绕或滑动围绕)齿106、108、 110、112布置。因此，绕组槽124、126、128容纳或以其它方式对应于与相应绕组槽相邻的齿 的定子绕组的各段，但是绕组槽和/或槽口不被用于将定子绕组插入到定子102中或者用 于以其他方式围绕定子102(例如围绕齿106、108、110、112)缠绕定子绕组。例如，如图1 所示，槽126容纳或以其他方式对应于绕齿108的定子绕组114的一段和绕齿110的定子 绕组120的一段，但槽口 132不被用于将定子绕组114、120缠绕和/或插入到槽126中。在示例性实施例中，每个槽口 130、132、134被形成各个槽124、126、128的相邻一 对齿的末稍143、147、149、151、153所限定。在这一点上，每个齿106、108、110、112可包括 一个或多个末稍(或齿稍)，该一个或多个末稍限定与各个齿106、108、110、112相邻的各个 槽口 130、132、134的侧壁144、148、150、152、154、156。如这里所使用的那样，齿稍应该被理 解为指的是齿的靠近转子104且与相应槽的中心轴线基本垂直地延伸以限定相应槽口的 侧壁的一部分，或者换句话说，指的是齿的靠近转子104且沿周向延伸以形成该齿的相应 侧壁的部分。例如，如图1所示，第一槽口 130由第一齿末梢侧壁144和第二齿末梢侧壁148限 定，而第一槽124由第一主体侧壁146和第二主体侧壁116限定。在这一点上，第一齿末梢143从齿106的主体侧壁146沿周向朝向第一槽124延伸，也就是说，沿着基本垂直于槽124 的中心轴线158的方向延伸，其中第一齿末梢侧壁144被对准为基本平行于槽124的中心 轴线158。以相似的方式，第二齿末梢147从齿108的主体侧壁116沿周向朝向第一槽124 延伸，也就是说，沿着基本垂直于槽124的中心轴线158的方向延伸，其中第二齿末梢侧壁 148被对准为基本平行于槽124的中心轴线158。第二槽126的第二槽口 132由第三齿末梢 侧壁150和第四齿末梢侧壁152限定，并且第二槽126由第三主体侧壁118和第四主体侧 壁121限定。在这一点上，以与上面针对第一槽口 130描述的相似的方式，第三齿末梢149 从齿108的侧壁118沿周向延伸，而第四齿末梢151从齿110的主体侧壁121沿周向延伸。 然而，如图所示，第三槽口 134被类似地限定，第三槽128的第三槽口 134由第五齿末梢侧 壁154和齿112的主体侧壁156限定，也就是说，齿112不包括用于建立第三槽口 134的侧 壁156的齿末梢。应该注意到，在可替代实施例中，齿112可包括齿末梢，以与上述类似的 方式限定第三槽口 134的侧壁156。如下面更详细描述的那样，齿106、108、110、112被配置 为使侧壁144、148、150、152、154、156以减小电动机100的转矩波动的方式相对于槽124、 126,128 限定槽口 130、132、134。转子104包括通过堆叠多个磁钢叠片而形成的转子芯136，多个磁钢叠片在被堆 叠时一起形成圆柱形状。转子芯136布置在定子102的中空芯中，同时与定子芯102隔开 预定距离，使得在定子102和转子芯136之间形成间隙138。转子芯136支撑被镶嵌到转子 芯136内的多个永磁体140。应该注意到，在实践中，永磁体140的设置和/或排列将根据 特定应用的需要而变化。在示例性实施例中，永磁体140被实现为稀土磁体，例如钕铁硼或 钐钴磁体，但根据设计要求陶瓷和铝镍钴合金磁体也可用于其它实施例。在示例性实施例 中，旋转轴142被插入形成在转子104的中心处的中空区域中，并且与转子104 —起旋转。 根据一个实施例，旋转轴142包括用于车辆的汽车驱动轴。在操作期间，当转子104通过旋转轴142相对于定子102移动时，永磁体140被移 动经过绕组114、120，因此电压通过电磁感应被感应在绕组114、120中，如本领域认识到的 那样。相反，如果电流例如被电池(未示出)供应到绕组114、120，则定子绕组(例如绕组 114、120)随后产生磁场，该磁场与转子104中的永磁体140相互作用，使得转子104和附接 的旋转轴142旋转以产生旋转驱动力。再次转到每个槽124、126、128的槽口 130、132、134，电动机100中的转矩波动和啮 合主要由转子104与定子槽124、126、128和槽口 130、132、134之间的齿槽效应(例如永磁 体140之间的槽或空间)引起，如本领域认识到的那样。由于转子磁体140与特定定子槽 124、126、128以及槽口 130、132、134之间的交互作用导致的转矩波动可以具有正值或者负 值。在这一点上，如下面更详细描述的那样，在示例性实施例中，槽口 130、132、134相对于 槽124、126、128的位置以倾向于使正转矩波动值和负转矩波动值平均化并因此减小转矩 波动的方式被调节。因此，根据一个或多个实施例，电动机100具有至少一个中心偏离其对 应的槽124、126、128的中心的槽口 130、132、134，或者换句话说，该槽口的中心轴线从其对 应槽的中心轴线偏移或以其它方式不与其对应槽的中心轴线对准。例如，如图1所示，第一槽124的第一槽口 130具有从第一槽124的中心轴线158 偏移(或不对准)的中心轴线164，第二槽126的第二槽口 132具有与第二槽126的中心轴 线160对准的中心轴线166，而第三槽口 134具有从第三槽128的中心轴线162偏移的中心轴线168，但与第一槽口 130相比其处于不同的相对位置。在这一点上，在所描绘的实施例中，槽124、126、128对称设置，而槽口 130、132、134不对称地设置，也就是说，第一槽124 的中心轴线158和第二槽126的中心轴线160之间的周向距离等于第二槽126的中心轴线 160与第三槽128的中心轴线162之间的周向距离，而第一槽口 130的中心轴线164和第二 槽口 132的中心轴线166之间的周向距离不同于第二槽口 132的中心轴线166与第三槽口 134的中心轴线168之间的周向距离另外，槽口 130、132、134的宽度或尺寸，也就是相对侧壁之间的间隙或空间的宽 度，可针对每个相应槽124、126、128是不同的，例如，第一槽口 130的宽度可与侧壁144、148 之间的距离相等且与第二槽口 132的宽度(即侧壁150、152之间的距离)不同和/或与 第三槽口 134的宽度(即侧壁154、156之间的距离)不同。因此，定子102的每个槽除了 具有从其对应槽的中心轴线偏移的槽口之外，还可具有宽度或尺寸与其它槽不同的对应槽 口。换句话说，定子102的至少一个槽口 130、132、134在相对于其对应槽124、126、128的 位置方面和/或与其他槽口 130、132、134相比在槽口 130、132、134的宽度或尺寸方面相对 于剩余的槽口 130、132、134是不对称的。应该理解的是，图1为用于解释目的的电动机100的简化示图，并且不倾向于以任 何方式限制这里描述的主题的范围或应用。因此，尽管图1示出槽口 130、132、134的示例 性设置，实际的实施例可采用槽口的多种可能设置，这并不脱离这里描述的主题的范围。现在参见图4，在示例性实施例中，电动机设计过程400被执行，以获得具有最佳 槽口定位的电动机。在示例性实施例中，电动机设计过程400通过针对多个被建议电动机 确定模拟转矩波动和平均转矩输出而开始，每个被建议电动机具有与其它被建议电动机不 同的槽口配置(任务402)。在这一点上，每个被建议电动机包括相对于其相关槽的不同的 设置或槽口位置的组合和/或不同的槽口宽度组合。在示例性实施例中，通过针对定子槽 和/或定子槽口的大量设计迭代使用有限元分析(FEA)模拟工具来改变定子槽和/或槽口 位置以及槽口宽度，获得模拟转矩波动和模拟转矩输出。在示例性实施例中，电动机设计过 程400继续，具体是基于转矩波动和平均转矩输出，从多个被建议电动机中识别最佳电动 机，也就是具有最佳的槽口位置和/宽度的被建议电动机(任务404)。在这一点上，期望减 小转矩波动，而基本上不减小电动机的平均转矩输出。因此，“最佳的”永磁体电动机是转 矩波动被减小到最大程度而没有不可接受地降低平均转矩的永磁体电动机。例如，在一个 实施例中，平均转矩输出相对于原始电动机(例如具有相对于相应绕组槽居中定位的均勻 和/或对称的槽口的非最佳电动机)不应该被减小4%以上。在这一点上，根据特定应用， 可以使用FEA识别减小平均转矩波动的设计迭代，而同时维持与非最佳电动机的原始转矩 输出大致相等的平均转矩输出。结果是，通过改变槽口 130、132、134相对于槽124、126、128 的宽度和/或定位，电动机100的转矩波动被减小，而没有损害电动机100的输出转矩。在示例性实施例中，电动机设计过程400继续，具体是基于识别出的设计迭代为 最佳电动机的定子构造多个齿段(任务406)。在这一点上，至少一个齿段被构造为具有一 个或多个齿末梢的齿，使得当齿段被沿周向设置时，多个齿段限定对应于针对最佳电动机 识别的设计迭代的多个槽口。在示例性实施例中，电动机设计过程400继续，具体是针对该 特定设计迭代通过对应于相应齿和/或绕组槽的一组或多组定子绕组缠绕多个齿段的齿 (任务408)。在缠绕每个齿之后，电动机设计过程400继续，具体是沿周向设置齿段，从而导致最佳电动机的具有中空芯的定子(任务410)。在这一点上，齿段可沿周向被设置，然后 围绕齿段(例如用于图2的分段齿绕组结构)的周界粘接或插入到定子芯(例如用于图3 的插入式齿绕组结构)的槽中。转子和/或转子轴可随后布置在由多个齿限定的中空芯中， 并且施加到围绕多个齿设置的成组的定子绕组上的电压和/或电流产生磁场，该磁场导致 转子和/或转子轴旋转，如本领域认识到的那样。在这一点上，转子和/或转子轴响应于施 加到定子绕组上的电压和/或电流而产生波动减小的转矩。 尽管在前面的详细说明中已经呈现了至少一个示例性实施例，应该认识到，还存 在大量的变型。还应该认识到，这里描述的实施例或多个实施例不倾向于以任何方式限制 要求保护的主题的范围、应用或配置。相反，前面的详细说明将向本领域技术人员提供实施 所描述的实施例或多个实施例的便捷途径。应该理解的是，在不脱离权利要求限定的范围 (包括在递交本专利申请时已知的等同物和可预见的等同物)的情况下，可对元件的功能 和设置进行各种改变。
权利要求
1.一种电动机，包括定子，所述定子包括沿周向布置以建立中空芯的多个齿段，其中 所述多个齿段限定与多个槽相关联的多个槽口，所述多个槽中的每个槽具有槽口，并 且所述多个槽口中的至少一个槽口相对于所述多个槽口是不对称的；和 可旋转地布置在所述中空芯内的转子。
2.如权利要求1所述的电动机，其中所述多个槽口中的第一槽口具有第一宽度，而所 述多个槽口中的第二槽口具有第二宽度，所述第一宽度不同于所述第二宽度。
3.如权利要求1所述的电动机，所述多个槽中的第一槽具有第一槽口，其中所述第一 槽口的中心轴线没有与所述第一槽的中心轴线对准。
4.如权利要求1所述的电动机，所述定子具有集中绕组结构，其中所述多个齿段中的 每个齿段包括齿，所述齿具有在沿周向布置所述多个齿段之前围绕所述齿布置的一组定子 绕组。
5.如权利要求4所述的电动机，其中所述定子具有分段齿绕组结构。
6.如权利要求4所述的电动机，所述定子具有插入式绕组结构，其中所述多个齿段中 的每个齿段被插入到定子芯中以形成所述定子。
7.如权利要求1所述的电动机，所述多个槽包括具有第一槽口的第一槽、具有第二槽 口的第二槽和具有第三槽口的第三槽，所述第二槽与所述第一槽相邻，而所述第三槽与所 述第二槽相邻，其中所述第一槽口与所述第二槽口隔开第一距离； 所述第二槽口与所述第三槽口隔开第二距离；并且 所述第一距离不同于所述第二距离。
8.如权利要求7所述的电动机，其中所述第一槽与所述第二槽隔开第二距离，而所述 第二槽与所述第三槽隔开第四距离，其中所述第三距离等于所述第四距离。
9.一种用于车辆的电动机，所述电动机包括沿周向布置以提供中空芯的多个齿段，每个齿段包括相应的齿，所述齿具有围绕其侧 壁布置的一组定子绕组；其中所述多个齿段限定多个槽口，每个槽口对应于被配置为容纳相邻齿的一组定子绕组的 一段的绕组槽；并且所述多个槽口中的第一槽口相对于所述多个槽口中的第二槽口是不对称的； 可旋转地布置在所述中空芯内的转子；和 镶嵌在所述转子中的多个永磁体。
10.一种用于构造具有集中绕组结构的电动机的方法，所述方法包括针对具有各种不同定子槽口配置的多个被建议电动机确定模拟转矩波动； 基于所述模拟转矩波动从所述多个被建议电动机中识别最佳电动机； 构造多个齿段，所述多个齿段被配置为当所述多个齿段被沿周向设置时限定与所述最 佳电动机对应的多个槽口，其中所述多个槽口中的至少一个槽口相对于所述多个槽口是不 对称的；和沿周向布置所述多个齿段以形成定子。
全文摘要
本发明提供一种系统和方法，其用于具有集中绕组结构和减小的转矩波动的电动机。该电动机包括包括沿周向布置以建立中空芯的多个齿段的定子和可旋转地布置在所述中空芯内的转子。所述多个齿段限定与多个槽相关联的多个槽口。所述多个槽中的每个槽具有槽口，而所述多个槽口中的至少一个槽口相对于所述多个槽口是不对称的。
文档编号H02K21/02GK101997373SQ201010254439
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月12日 优先权日2009年8月12日
发明者E·L·凯泽, K·M·拉曼, M·D·拉巴, P·J·萨瓦吉安 申请人:通用汽车环球科技运作公司