专利名称：旋转电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及旋转电机，更特别地涉及能作为提供高质量驱动的电动机的永磁式电机。
背景技术：
在使用旋转电机的不同类型的设备中，要求旋转电机具有不同的特性。例如，当电机在具有内燃机的混合动力车(HEV)中用作牵引电动机或者在电动车(EV)中用作驱动源时，要求电机在较宽的范围上作为可变速电动机，并且在低转速运行时作为高转矩电动机。提出一种具有这样的特性的电机，其通过采用内置式永磁(IPM)结构来构造，其中多对永磁体以每对磁体以朝转子外周开口的“V”形结构来设置的方式嵌入转子中，因为使用能够有效地利用磁阻转矩连同磁性转矩的结构是有利的，参见例如专利文献1、2和3。现有技术文件专利文献专利文献1:日本特开平 2006-254629 (P2006-254629 A)专利文献2:日本特开平 2008-104323 (P2008-104323 A)专利文献3:日本特开平 2004-282889 (P2004-282889 A)
发明内容
采用IPM结构使得电机能够有效地利用磁阻转矩，因为q轴磁路是由嵌入转子中的以“V”形结构设置的的每对永磁体保持的。这提高了磁阻转矩相对于磁性转矩所占的比例以及凸极比(Ld/Lq)，即d轴感应系数与q轴感应系数之比，导致较高阶的空间谐波覆盖通量波形的趋势增大。直轴或d轴与磁极产生的通量方向对齐，并作为以“V”形设置的每对永磁体之间的中心轴，而正交轴或q轴在电力和磁力上与d轴成90电角度，并作为相邻磁极(即相邻的永磁体对)之间的中心轴。这导致这种旋转电机中存在较高的转矩脉动，即一转中最大转矩与最小转矩之差。高转矩脉动导致电机振荡和电磁噪声增大。特别是，因为与内燃机驱动装置产生的噪声相比，较高频的电磁噪声会给用电机作为电驱动装置的车辆内的乘客带来不愉快的声音，因此希望尽可能地减小电磁噪声。另一方面，振荡变小导致电机的性能效率降低，但是要求高效的性能以通过较少的耗电有效地产生所需的驱动力。需要降低的不仅是转矩脉动，还包括总谐波失真(THD)，因为降低叠加在线电压上的较高谐波以保持低输入功率能够实现电机的高效运转。以上列出的专利文献1，2和3描述了旋转电机结构中用于提高能效的各种情况，但是所述的各种情况不能提供较低的转矩脉动从而降低振荡和噪声，因为没有对随后描述的磁开度角以及磁极开度角和磁开度角之比对降低振荡和噪声的影响给予关注。因此，本发明的目的是提供一种旋转电机，该电机不仅通过降低转矩脉动，还通过降低线电压和总谐波失真THD，来减小振荡和噪声，从而提供高品质和有效的运转。根据本发明的第一方面，提供一种旋转电机，包括转子和定子，所述转子的转子轴位于转子轴线上，所述定子可转动地容纳所述转子，其中所述定子包括多个齿部和多个槽，所述多个齿部朝所述转子的外周表面延伸并且终止于面对所述转子的所述外周表面的内周表面，每个槽位于相邻的两个齿部之间，提供绕所述齿部缠绕用于输入驱动电力的线圈所用的空间，其中所述转子具有嵌入其中的多个永磁体，从而使得磁力作用在齿部的与所述永磁体相对的表面，还具有形成为用于限制转子内部沿永磁体侧方的泄漏通量的多个通量屏障，其中在电流通过所述线圈时由通过所述齿部、所述齿部的后表面侧和所述转子的磁通量所产生的磁阻转矩以及与所述永磁体的干扰所产生的吸引和排斥形式的磁体转矩的作用下，所述定子中的所述转子被驱动转动，其中所述永磁体的位置设置为当所述转子中的所述多个永磁体中的一组永磁体和所述多个通量屏障中的一组通量屏障对应于所述定子中的所述多个槽中的一组槽并且形成磁极时，每组永磁体的磁体开度角和包括通量屏障外边缘的磁极的有效磁极开度角之比落入有效地使转矩脉动最小化的范围内。 根据本发明的第二方面，提供一种旋转电机，其特征是除了上述第一方面指出的特征之外，通过嵌入所述一组永磁体来形成所述转子中的一个磁极，使得永磁体对以朝所述转子的外周表面开口的“V”形结构设置，所述一组槽为六个，所述一个磁极设置为使得所述磁体开度角除以有效磁极开度角得到的开度角比δ落入0.762彡δ彡0.816的范围内。因此，根据上述本发明的第一方面，旋转电机能够在转子中面对定子的齿部设置和嵌入一组永磁体，使得每组永磁体的磁体开度角和包括通量屏障外边缘的磁极的有效磁极开度角的比落入有效地使转矩脉动最小化的范围内。这能使电机在转子的旋转过程中减小转矩脉动(即一转中最大转矩与最小转矩之差)，实现具有较小振荡和噪声的高质量运转，同时实现具有较小损耗的高效运转。根据上述的本发明的第二方面，当针对以“V”形结构设置的永磁体对的一个磁极对应于一组六个槽时，开度角比δ落入0.762 < δ <0.816的范围内。这使得旋转电机能够减小转矩脉动，以及实现具有较小振荡、噪声和较小损耗的高质量运行。优选地，所述有效磁极开度角处在能有效减小叠加在通过所述齿部之一的磁通波形上的特定阶的谐波的角度范围内。例如，优选地，当永磁体对以V”形结构设置以及一个磁极对应于一组六个槽时，所述有效磁极开度角Θ落入144° ( Θ (电角度)<154.3°的范围内以进一步降低转矩脉动。
图1是显示根据本发明的旋转电机的一种实施方式的平面图，其显示了旋转电机的整体结构的外形。图2是显示用于电机磁极中的有效磁极开度角的局部平面图。图3是显示当电机转子没有磁极时由电机定子产生的磁通流图形(magnetic fluxflow pattern)的平面图。
图4是表示磁通(基波)的拟合波形的图示。图5是显示磁通拟合波形、有效磁极开度角和磁体开度角之间的关系的示意图。图6A和6B是显示定子中产生的振荡或振动模式的示意图。图7A和7B是显示定子中产生的与图6A和6B的振动模式不同的振荡或振动模式的示意图。图8是描述以磁体开度角与磁极开度角的比值为参数的电磁场分析结果的图。
具体实施例方式参考附图，以下将具体解释本发明的实施方式。图1至图8显示了根据本发明的旋转电机的一种实施方式。参考图1和2，旋转电机(电动机)10在例如混合动力车或者电动汽车中作为类似于内燃机的驱动源或者作为轮毂驱动单元时具有良好的性能，其包括以圆柱形结构形成的定子11和具有转动轴13的可转动地容纳在定子11中的转子12，其中转子12位于与定子11的轴线共轴的转动轴线上。定子11和转子12之间存在气隙G，定子11包括贯穿内部圆形边缘朝转动轴线延伸的槽18，槽18限定了多个定子齿部15。定子齿部15沿径向方向朝转子轴线延伸，并且其端部面对转子12的外圆周表面12a并与外圆周表面12a之间形成气隙G。缠绕定子齿部15以提供三相分布绕组(未显示)从而形成线圈绕组，线圈绕组被配置为感生通量图形从而产生传递至转子12的转子转矩。转子12是内置式永磁(IPM)转子，转子12中嵌入多组(在本例中为多对)永磁体16，每组磁体包括以朝转子外圆周表面12a开口的“V”形结构设置的永磁体对16。转子12形成有以朝外圆周表面12a开口的“V”形结构设置并且沿轴线延伸穿过转子12的多对孔17。每对孔17包括一对孔部分17a，每对永磁体16 (其是片状磁体)容纳在一对孔部分17a中并且通过其角部16a保持固定，每个角部16a均插入相应的孔部分17a中并且与限定相应的孔部分17a的相邻的两个成一定角度的内壁保持面对面的关系。每个孔17包括两个空间部分17b，两个空间部分17b位于相应的片状磁体16的相对侧面上，并且沿永磁体16的宽度方向间隔开来以作为限制泄漏通量的通量屏障(flux barrier，以下称为通量屏障)。每对孔17设置有互连相关联的对中的永磁体16的中间桥部20，以便抵抗转子12高速旋转时的离心力从而将永磁体16保持在适当的位置上。在该旋转电机10中，定子齿部15在角度上被间隔以提供容纳线圈绕组的空间，即槽18，从而六个定子齿部15与八组永磁体16中相应的一组配合，换言之，六(6)个槽18面对八组永磁体16中的一组。因此，旋转电机10被配置作为包括用于八(8)组永磁体16的八⑶个磁极(四对磁极)的8极48槽三相IPM电动机，其中每组永磁体16的N极和S极相对于相邻组的永磁体的N极和S极转动180机械角度，并且四十八(48)个槽18容纳通过单相分布绕组形成的线圈绕组，单相分布绕组使用六(6)个槽18限定五(5)个定子齿部15。在上述解释中，为了方便而使用所示的标注N和S，但是它们并不在组件的表面上。该结构使得当槽18中的线圈绕组被激励时，旋转电机10驱动转子12和转子轴13，从而磁通流图形从定子齿部15经过外圆周表面12a向内进入转子12，因为除了每组永磁体16的磁极的通量流图形与磁通流图形之间的相互作用引起的吸引和排斥所产生的磁体转矩之外，转子转矩还由趋于使来自于定子11的磁通流图形的磁流路最小化的磁阻转
矩产生。如图3所示，旋转电机10具有由分布绕组形成的容纳于槽18中的线圈绕组，以提供通量流图形，该通量流图形包括分布的磁路，对于对应于多对永磁体16的磁极之一的多组定子齿部15中的每一组，该磁路从定子11进入转子12。每对永磁体16的V形孔17沿着磁路延伸，换言之，以不干扰该磁路形成的方式延伸。应指出，为了获得理想的输出转矩，诸如硅钢之类的磁钢叠片轴向叠置到适当的厚度，并且在定子11和转子12的制造过程中通过紧固螺钉利用挺杆孔19被紧固。现在考虑采用IPM结构的旋转电机10，其中永磁体16嵌入转子12中，可以通过图4所示的方波形拟合定子11的定子齿部15的一个齿部中的磁通量的变化。该磁通基波和较低阶的空间谐波(5阶和7阶谐波)的叠加不仅是影响车辆乘客所感受到的振荡和噪声的因素，还是影响高转矩脉动(即一转中最大转矩和最小转矩之差)产生的热能形式的损耗所导致的铁损和电机运行效率降低的因素。抑制空间谐波可减小铁损从而提升相对于电能输入的电机运行效率，因为磁滞损耗是频率和磁通密度之积，且涡流损耗是频率的平方和磁通密度之积。转至图·4，其中竖直轴代表磁通量，水平轴代表时间，所示方波形拟合一个电角度周期T(4L1+2L2)中定子齿部15的一个齿部中的磁通量的变化，在一个周期T中，在期间LI中没有磁通量通过齿部，在周期T的第一半的期间L2中，具有一定幅度的磁通量向前通过齿部，在周期T的第二半的期间L2中，具有一定幅度的磁通量反向通过齿部。来自于电动机(旋转电机)的电磁噪声是由作用在定子上的电磁力引起的定子振荡产生的。当电磁力作用在定子上时，存在转子和定子之间的磁耦合所引起的径向电磁力和转矩所引起的角向电磁力。以线性磁回路拟合电机，考虑作用在每个定子齿部15上的径向电磁力，径向电磁力fr和磁能W可以在以下公式(I)和⑵中表达为:
权利要求
1.一种旋转电机，包括转子和定子，所述转子的转子轴位于转子轴线上，所述定子可转动地容纳所述转子， 其中所述定子包括多个齿部和多个槽，所述多个齿部朝所述转子的外周表面延伸并且终止于面对所述转子的所述外周表面的内周表面，每个槽位于相邻的两个齿部之间，提供绕所述齿部缠绕用于输入驱动电力的线圈所用的空间， 其中所述转子具有嵌入其中的多个永磁体，从而使得磁力作用在齿部的与所述永磁体相对的表面，所述转子还具有形成为用于限制转子内部沿永磁体侧方的泄漏通量的多个通量屏障， 其中在电流通过所述线圈时由通过所述齿部、所述齿部的后表面侧和所述转子的磁通量所产生的磁阻转矩以及与所述永磁体的干扰所产生的吸引和排斥形式的磁体转矩的作用下，所述定子中的所述转子被驱动转动， 其中所述永磁体的位置设置为当所述转子中的所述多个永磁体中的一组永磁体和所述多个通量屏障中的一组通量屏障对应于所述定子中的所述多个槽中的一组槽并且形成磁极时，每组永磁体的磁体开度角和包括通量屏障外边缘的磁极的有效磁极开度角之比落入有效地使转矩脉动最小化的范围内。
2.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，通过使得永磁体对以朝所述转子的外周表面开口的“V”形设置的方式嵌入所述一组永磁体来形成所述转子中的一个磁极，所述一组槽为六个，所述一个磁极设置为使得所述磁体开度角除以有效磁极开度角得到的开度角比S落入0.762≤δ≤0.816的范围内。
全文摘要
本发明涉及一种旋转电机(10)，包括具有面对转子(12)的多个齿部(15)的定子(11)，以及提供绕齿部缠绕线圈所用的空间的多个槽(18)。转子具有嵌入其中并且以“V”形结构设置的永磁体对(16)，从而使得磁性力作用在齿部上，从而所述定子中的转子被磁阻转矩和磁体转矩驱动转动。永磁体的位置设置为当包括转子中的通量屏障并且对应于定子中的六个槽的一对永磁体形成磁极时，开度角比δ，即相对于转子轴线的磁体开度角θ3与有效磁极开度角θ1的比值，落入能够有效地使转矩脉动最小化的范围0.762≤δ≤0.816内。
文档编号H02K1/27GK103095087SQ201210418940
公开日2013年5月8日 申请日期2012年10月26日 优先权日2011年10月27日
发明者青山真大 申请人:铃木株式会社