具有偏置磁极间隔的永磁机的制作方法

技术领域

本发明涉及一种具有转子的内永磁机，转子具有沿轴向堆叠的多个叠片(lamination)。

背景技术：

内永磁机通常包括：定子，具有定子线圈绕组；转子，在转子外周上具有沿圆周隔开的永磁体，永磁体与沿圆周隔开的定子磁极联动，定子磁极按照校准的气隙与转子外周分离。当永磁机用作电动机时，通过电流向线圈提供能量，以影响转子的旋转。电流具有交变的波形，一般是正弦形，可产生电动的转子扭矩。定子绕组产生的电磁通量流经路径与永磁体产生的电磁通量流经路径的交互作用通常伴随谐波分量，谐波分量导致电动机扭矩起伏。电动机扭矩起伏表现为伴随振动和噪声的电动机扭矩波动或扭矩振荡。此外，电动机的操作效率被不利地影响。

减小电动机扭矩波动的传统方式包括：使转子的轴向布置的多个组件(section)彼此偏斜。通常使用键槽和槽驱动连接件将转子可驱动地连接到转子主轴。为了使得转子组件与相邻组件偏置或偏斜，这些组件被相对旋转，通常旋转定子槽距的一半。如果假设转子为划分为给定数量的轴向组件(k)，则这些组件相对于相邻组件被旋转的角度为：

偏斜角(k)＝360/(k×Ns)，以机械度数为单位，

其中，Ns是槽的数量。

转子的任何两个轴向组件之间的最大旋转为：

最大相对偏斜角(k)＝(k-1)×360/(k×Ns)，以机械度数为单位。

例如，在定子具有两个组件和48个槽的情况下，偏斜角的一般值为3.75°。使得转子偏斜的意图在于产生比使用直式转子(straight rotor)产生的扭矩更平稳的机械扭矩。这将消除由存在于气隙磁通和气隙磁导中的谐波导致的不期望的扭矩的振荡或波动。

技术实现要素：

本发明的目的在于以最小程度减小平均扭矩来最小化所谓的扭矩波动。这有别于2007年8月16日提交的、名称为“永磁机”的、第11/839,928号共同未决申请的发明，该共同未决申请受让于本发明的受让人，该共同未决申请的目的在于通过使用电动机的转子设计特征中的非对称来提高电动机运行模式期间的电动机效率，同时允许在发电模式的操作期间再生能量恢复的可接受的减少。

本发明将突破转子叠片的对称，使得在给定时刻多个组件的扭矩分布将被改变，以减小扭矩波动。

在本发明的第一实施例中，可通过使用径向偏斜来减弱扭矩波动。通过将转子磁极的磁轴相对于相邻转子磁极的轴偏置，来达到此目的。

在本发明的第二实施例中，转子磁体被布置为“V”结构。扭矩波动的形状是“V”结构的形状的函数。通过在叠片中使用至少两个不同的、适当设计的“V”结构，可在幅度上减小总扭矩波动。

在本发明的第三实施例中，在至少三个转子组件中布置多组件转子中的叠片，所述至少三个转子组件以小的增量彼此相对旋转。可通过使用至少两对键槽位置来达到此目的。通过这种方式，一个组件的磁极的轴相对于相邻组件的磁极轴被有角度地布置。

附图说明

图1a是转子叠片的俯视图；

图1b是用于图1a所示的电动机的转子叠片的侧视图；

图2a是包括转子的电动机的示图，转子包括多个组件，每个组件包括多个叠片，其中，永磁体单独产生磁通线；

图2b是与图2a的示图类似的示图，其中，定子具有带有电流的激励绕组，但是不包括磁体，定子绕组单独产生磁通线；

图3是根据已知偏斜技术的现有的具有两个组件的转子的示意性表示，其中，这两个组件彼此偏斜；

图4示出了用于图3所示的电动机转子的现有技术的八磁极转子设计的对称叠片；

图5显示了根据本发明第一实施例的具有径向偏斜的转子叠片；

图6是转子旋转角度(机械度数)对电动机扭矩(牛顿米)的曲线图，该曲线图显示了对使用图5中的磁体布置的电动机瞬时扭矩的影响；

图7是可使用不同于图5中的偏斜布置的连续偏斜布置的示图；

图8是磁体分布的示图，与7中的转子间隔相比，该磁体分布具有转子磁极之间的更均匀的间隔；

图9是针对图8所示的转子设计的电动机扭矩对旋转角(机械度数)的曲线图；

图10示出了永磁电动机的现有技术的转子配置以及一些变量，这些变量可用于控制电动机扭矩的谐波分量；

图11是叠片转子的一部分的示图，该叠片转子具有对于相邻组件的磁体的两个角度位置；

图12示出了叠片转子的示图，其中，相邻磁体以不同的角度Theta布置在交替的转子位置；

图13是三维形式的示意性表示，该三维形式显示了四磁极结构中磁极的轴向对齐；

图14示出了现有技术的图3所示的类型的永磁转子的转子叠片的偏斜；

图15示出了相对于转子的第一组件翻转转子的第二组件的效果；

图16是在如图14和图15所示转子的相邻组件沿着用于所述组件的键槽被对齐之后现有的最终偏斜技术的示图；

图17是本发明实施例的示图，其中，两个键槽彼此相对大约90°而布置，以构造四组件转子；

图18是与图17类似的示图，但是图18示出了四组件转子的前两个组件；

图19是图17和图18中的转子组件的组合图；

图20是图17至图19中的最终装配的四个组件的示图；

图21是图20所示的最终装配的四个组件的放大图；

图22是与图18至图21的示图类似的示图，其中具有用于提高平衡的键槽；

图23是图22所示的转子叠片的最终装配图；

图24是图23所示的转子设计的示图，其中设置有内置键而不是键槽；

图25是显示针对用于本发明的传统偏斜设计以及针对未偏斜的转子的扭矩波动的减小的曲线图；

图26、图27和图28示出了能够使用本发明的电动机的混合动力电动车辆动力系结构的示例。

具体实施方式

为了描述本发明的永磁机的一般操作环境，首先将参照图26、图27和图28，图26、图27和图28分别示出了动力分配混合动力电动车辆动力系、与图26中的动力系对应的详细动力分配混合动力电动车辆动力系以及一系列混合动力电动车辆动力系。在图28中示意性所示的动力系的情况下，引擎10机械连接到发电机12，而发电机12电结合到电动机14。通常，电结合包括DC连接，DC连接包括AC/DC变换器16和DC/AC变换器16'。高压牵引用蓄电池18通过DC/DC转换器20结合到DC连接。电动机机械结合到齿轮传动机构22，齿轮传动机构22可具有多传动比或单传动比。

牵引车轮24被传动机构的部件输出的扭矩驱动。除了动力损失之外，引擎的所有的机械能被传递给发电机，发电机将机械能转换为用于驱动电动机14的电能。不需要驱动电动机的任何电能用于对电池18充电。当车辆被制动时，由于电动机14用作发电机，所以除了损失之外，从传动机构传递到电动机14的车辆机械动能的全部或一部分用于对电池18充电。

与图28中的一系列布置相比，图26中的一系列并行布置包括引擎和传动机构之间的直接机械连接，如标号26所示。在图27中更详细地显示了图26中的混合动力系的一系列并行传动装置。虽然最初的标记法用于图26和图27的标号，但是与图28中的一系列布置中的部件对应的部件由相同的标号表示。

传动机构22'和引擎10'之间的机械连接包括行星齿轮系统26。图27中所示的行星齿轮系统包括环形齿轮28，环形齿轮28用作驱动传动机构22'的动力输入构件的动力输出构件。恒星齿轮30机械连接到发电机12'。如标号32所示的行星齿轮系统26的托架连接到引擎10'的动力输出轴或曲轴。引擎通过行星齿轮系统26将扭矩传递到传动机构。由于恒星齿轮机械连接到发电机，所以恒星齿轮用作反应部件。因此，发电机上的负荷将决定引擎的速度。在正向驱动期间，电动机14'的扭矩补充引擎扭矩，并为传动机构提供第二动力输入。在反向驱动期间，电动机14'的扭矩方向被改变，使得电动机14'在反向方向上操作。此时，引擎被去激活。

当车辆处于制动模式时，再生能量通过传动机构从车轮被传递给电动机。此时，电动机用作发电机，以对电池充电。在如图26中的标号26'所示的机械扭矩传递路径中，一部分再生能量通过传动机构被分配给引擎。在这点上，图26中的动力系的再生能量传递路径不同于图28中的动力系的能量传递路径，在图28中，在再生制动期间没有机械能被分配给引擎。

本发明公开的实施例的转子和定子可由铁合金叠片构成。图1b的局部径向截面图中显示了这种类型的转子和定子结构。在图2a和2b中，标号36示出了定子叠片，标号38示出了转子叠片。图2a和图2b中所示的小气隙40位于定子叠片36的内周和转子叠片38的外周之间。在定子叠片中形成径向延伸开口37，在每个转子叠片38的外周附近形成对称布置的磁体开口42。每个磁体开口容纳磁体44。根据设计选择，在给定设计中可使用任何数量的叠片。叠片被堆叠布置。可使用多个堆(例如，一堆、两堆或三堆)。

图1a和图1b示出了具有堆叠布置的多个叠片的转子组件结构。图1a中示出了磁体开口，但是图1a中省略了磁体的表示。

定子叠片的中央具有圆形中心开口60，圆形中心开口60用于使用可容纳驱动键62的键槽来容纳驱动轴。

磁体开口42相对于相邻一对磁体开口42被对称布置，图1a显示了对称轴中的一个。

图2a是转子叠片38的局部视图。定子36在开口37中具有定子绕组，但是图2a中没有示出定子绕组，这是因为假设在图2a的情况下，定子绕组不携带电流。然而，将主要参照图2b描述具有电流的定子绕组。

图2a中的术语“仅PM”仅表示存在永磁体(PM)，图2a显示了当没有定子电流时的磁通分布。图2b中的术语“仅定子电流”表示磁体被移除，以显示当定子被供电时的定子磁通分布。图2a中的标号65示出了每对磁体44之间的磁通流经路径。磁通流经路径源自第一磁体的北极，穿过气隙40到达定子36。磁通流经路径径向向外地穿过开口37之间的定子金属，然后在径向向内方向上返回之前在圆周方向上行进。穿过定子的磁通流经路径再次穿过气隙40，并返回相邻的第二磁体44的南极。磁通流经路径的第二部分将源自第二磁体44的北极，并穿过转子叠片38到达第一磁体的南极。磁通流经路径还包绕转子中的三角形开口(如图2a所示)，但这不是本发明的特点。

图2b是当从磁体开口42移除磁体时由定子36产生的磁通流分布的图示。在图2b的情况下，定子绕组被供电，以产生磁通流分布模式66。该模式66限定径向向外延伸穿过定子36的磁通流经路径68。磁通流经路径68在与定子36的外周接近的圆周方向上转向。磁通流经路径68然后在径向向内方向上穿过定子36返回，并穿过气隙40。磁通流经路径68进入转子的与磁体44的开口42相邻的外周部分。接着，磁通流经路径68再次在径向向外方向上延伸穿过气隙40朝向定子36的径向向外区域。

在位置A、位置B和位置C通过定子开口37中的绕组产生磁通流经路径68。在图2b中以截面的形式示出了定子开口37中的绕组。定子绕组在位置A延伸穿过定子开口37，然后在位置A_return穿过开口37返回。定子绕组在位置B在一个方向上延伸穿过开口37，然后在位置B_return在相反方向上穿过开口37返回。开口中的绕组在位置C在一个方向上延伸，然后在位置C_return在相反方向上穿过开口37返回。

图2b仅仅示出了定子绕组的一个扇形部分(segment)。图2b中所示的由绕组产生的模式在其它扇形部分(未示出)中重复。

在图2a中，标号65示出了磁性转子磁通流经路径。在图2b中，标号65和66示出了磁性定子磁通流经路径。转子磁通和定子磁通交互作用(如标号68部分所示)，以按照已知的方式产生转子扭矩。

减小电动机扭矩波动的已知方式是：通过将转子叠片堆的一半相对于另一半偏置，使得转子的组件相对于其它组件偏斜。这种方式参见图3，其中，转子组件92的X轴90相对于相邻转子组件96的Y轴(标号94所示)偏斜。一个组件相对于其它组件的旋转量通常为定子键或槽距的一半。这表示如下：

偏斜角＝180°/Ns，以机械度数为单位，其中，Ns是槽的数量。

标号98示出了转子组件92中的磁体开口。在图3中的转子的情况下，磁体开口被均匀隔开。与磁体开口98类似的磁体开口位于转子组件96中。图3中的围绕Z轴102的转子间隔是均匀的。可参照第7,170,209号美国专利来了解具有偏斜的转子组件的电动机转子。

公开的本发明的实施例的转子中的磁体开口不需要按照附图中所示被成形。在设计上可选择磁体开口的形状。

图4示出了图5所示的组件的一般叠片的俯视图。在图2a和图2b的情况下，具有图4所示的类型的叠片的转子组件可包括与转子驱动轴的键和槽连接，尽管图4中没有显示该键和槽连接。

如图4所示的具有组件的转子设计被划分为一般数量的轴向组件k，每个组件相对于相邻组件被旋转的角度为：

偏斜角(k)＝360/(k×Ns)，以机械度数为单位，其中，Ns是槽的数量。

转子的任何两个轴向组件之间的最大旋转为：

最大相对偏斜角(k)＝(k-1)×360/(k×Ns)，以机械度数为单位。

如图4所示布置磁极。相邻磁极的磁轴之间的角度为45°，以用于八磁极设计。磁轴和极间轴之间的角度是八磁极设计的相邻磁极的磁轴之间的角度的一半。

本发明公开的实施例具有8个磁极，但是本发明的范围不限于使用8个磁极。可根据设计选择使用的磁极的数量。

图5示出了本发明的第一实施例，其中，转子叠片具有径向偏斜的磁极。通过将电动机磁极的磁轴相对于相邻磁极偏置，在每个叠片内实现偏斜。

通过省略制造多个轴向堆叠的转子组件通常所需的几个步骤，来简化转子的制造。在一体式起动机-发电机类型的电动机的情况下(其中，组件的堆叠长度通常是短的，并且参照图3描述的已知偏斜方法不是可行的)，这种制造方法是特别有价值的。但是，本发明的实施例不限于短堆叠的电动机和发电机，可应用于任何永磁机。本发明的实施例的电动机可超过采用已知偏斜技术的电机的性能，并且可使用更简化的制造工艺被制造。由于进一步减小了前面描述的扭矩波动，所以提高了性能。此外，图5中的本发明的实施例不限于转子设计中的轴向扇形部分的数量。本发明的实施例可具有与转子磁极的数量一样多的磁极间隔可能性。轴向扇形部分是指有角度地隔开的扇形部分，扇形部分关于转子轴被有角度地隔开。

在图5的设计中，两个相邻磁体的对称轴之间的间隔不是固定的。该间隔可以是下面两个值中的一个：

即，Alpha1＝360/磁极数量+偏斜角；

或Alpha2＝360/磁极数量-偏斜角。

两个相邻扇形部分之间的角度间隔是Alpha1和Alpha2。

对于具有8个磁极和48个槽的电动机以及3.75°的偏斜角，Alpha1和Alpha2分别为48.75机械度数和41.25机械度数。可根据设计选择来选择其它值的偏斜角。图6中显示了这种磁体布置对一般的内永磁机的电动机扭矩的效果。图6中的标号110示出了对于未偏斜转子的一般转子扭矩波动曲线图，标号112示出了对于根据本发明的偏斜转子的相应转子扭矩波动曲线图。曲线图112的波动幅度显著小于曲线图110的幅度。

这种转子设计同样适合于转子磁极的其它布置，诸如图7所示的一种布置，其中，磁极1-8按照角度Alpha＝45+偏斜角/7被隔开，并且磁极8和磁极1按照角度Beta＝45-偏斜角被分隔。相反，对于图5所示的设计，偏斜角被任意设置为等于3.5°，Alpha＝45.5°，Beta＝41.5°。

可通过图8所示的磁体的分布模式获得对扭矩波动的影响，该影响与对用于图5中的设计的扭矩波动的影响类似。在图8中，对于任何给定的磁极，针对原始磁轴的偏置保持与图7所示的一样多(即，磁极2具有与一个极间轴隔开22.00°并与相邻极间轴隔开23°的磁轴)，但是磁极3取代了磁极8的位置，磁极4移动到磁极3的位置，等等。这种分布比图7中的设计具有更加均匀的磁极之间的间隔。

图9中示出了对于图8中的设计的电动机扭矩对旋转角的曲线图。图9中所示的扭矩波动由标号106标识。为了进行比较，标号108示出了具有使用已知设计的无偏斜的组件的电动机的扭矩波动。

如上所述，图6中示出了对于图5中的设计的电动机扭矩对旋转角的曲线图，其中，标号110示出了没有偏斜的传统设计的曲线图，标号112示出了与图5中的设计对应的曲线图。图9中的标号106所示的波动幅度小于图6中的标号112所示的对于图5中的设计的波动幅度。

图7至图10中的实施例不限于平直磁体。这些实施例可采用“V”形磁体或其它形状的磁体。

图10示出了磁体结构，其中，标号114和116所示的转子磁体被布置为“V”形。在图10中的设计的情况下，扭矩波动的幅度和形状是磁体114和116之间的角度Theta的幅度和形状的函数。图10示出了影响扭矩波动的幅度和形状的参数，其中，每个磁体的宽度可以是19.25mm，磁体114和116的接合点与气隙之间的距离可以是10.75mm。当然，特定参数可与图10中的参数不同。

图11示出了如何调整角度Theta以获得更平稳的扭矩产生。虽然扭矩的平均值不会被显著影响，但是可通过适当地设计不同的“V”形来控制扭矩的谐波分量。为了示例的目的，用于一个组件的叠片的磁体118和120被显示为与用于相邻组件的叠片的磁体重叠。一个组件的磁体118和120隔开角度Theta1，而相邻组件的磁体隔开角度Theta2。

除了图11中所示的本发明的实施方式之外，可采用至少两种不同的布置来设计转子上的多个磁极。例如，图12中的八磁极转子可具有根据图11中的设计布置的一个组件的叠片的磁极1、3、5和7，其中，角度为Theta1，其它4个磁极被设计为其角度为Theta2。此外，为了避免低频扭矩振荡，转子可被划分为用于图11所示的设计的相对于彼此旋转的两个轴向扇形部分，从而转子的一个组件的磁极1、3、5和7与相邻组件的磁极2、4、6和8对齐。图13中示出了这种布置，其中，一个组件的一组磁极A的磁轴与相邻组件的一组磁极B的磁轴对齐。

图13所示的构思可被扩展为包括与图11和图12所示的“V”形结构不同的转子结构。例如，图13中的磁极类型A可包括“V”形磁体，磁极类型B可以是平直的或表贴的磁体，如图5、图7和图8的情况所示。可按照这种方式控制扭矩谐波，以产生减弱的总扭矩波动。此外，可使用多于两种类型的磁体结构，并且可对磁体的靠近气隙的部分进行改变，以控制扭矩谐波。

本发明的第三实施例能够使用单个转子叠片冲模在制造工艺中形成多个轴向组件的叠片，以在同一转子中避免多种叠片类型。

图14示出了用于使用单叠片类型的永磁电动机的已知偏斜布置，其中，通过堆叠转子叠片的一半并将磁体插入磁体开口中来装配转子的第一组件。叠片具有键槽124，其中，键槽轴130相对于最近的磁极轴126旋转特定角度。为了制造转子的第二组件，剩余叠片相对于轴130被翻转，如图14和图15所示。由于这种翻转，图14中的标号126所示的磁极轴变为图15中的磁极轴128，并且在逆时针方向上相对于轴130被旋转角度Gamma。可基于气隙磁通和气隙磁导的谐波分量来确定最佳角度。当使用作为常用对齐装置的键槽将两个转子组件对齐时，两个转子组件的磁极轴彼此隔开角度2×Gamma。

可通过增加转子组件的数量并以较小的递增节距(step)来旋转这些组件，来将图16中所示的转子的性能提高到接近于连续偏斜效果。本发明目的在于使用单个叠片冲模完成上述任务。这在图17中示出，图17示出了具有第一键槽132和第二键槽134的叠片。标号136示出了键槽132的键轴，标号138示出了键槽134的键轴。

通过将转子叠片的四分之一轴向堆叠，然后将这些叠片沿着第一键槽对齐，来获得转子的第一组件。通过翻转叠片并堆叠这些叠片，来类似地形成第二组件，如图14至图16中的设计所示。这将产生图18中所示的部分装配，图18示出了四组件转子的前两个阶段。键轴136和最近的磁极轴142形成的角度(Gamma1)不同于键轴138和最近的磁极轴144形成的角度(Gamma2)。在本发明的一个示例中，图18中的标号140和142示出的磁轴隔开角度2×Gamma1。标号136示出了键槽132的键槽轴。

由键槽132的轴136和键槽134的轴138的交叉形成的夹角可被称为角度Delta，被表示为：

Delta＝N×360/P+2Gamma1，其中，P是磁极数量，N是数字集合1、2、3、...、P-1中的任何一个数。

在图19中，从未翻转的叠片制造本发明的第三实施例的转子装配的第三组件，如同第一组件的情况那样，但是第三组件顺时针旋转角度Delta，从而第三组件使用第二键槽134与前两个组件对齐。在图19中，标号154表示键槽轴。图19中的设计的第三组件与第一组件偏置Theta1-Theta2角度。图20示出了所有4个组件的最终装配。

图21是图20所示的4个组件的一部分的放大图。图21示出了不同组件的相对于键槽轴的磁极轴。

从翻转的叠片制造图20和图21中的第四组件，所述翻转的叠片被逆时针旋转角度Delta并沿着第二键槽对齐。图20和图21示出的所得结构具有4个组件，4个组件具有下面的相对于主轴键的旋转关系：标号158示出了第一组件，第一组件在逆时针方向上旋转角度Theta1；标号160所示的第二组件在顺时针方向上旋转角度Theta1；标号162所示的第三组件在逆时针方向上旋转角度Theta2；标号164所示的第四组件在顺时针方向上旋转角度Theta2。标号166示出了键槽轴。

可采用本发明的实施例来布置叠片，使得第二键槽与磁轴对齐。在这种情况下，第三转子组件和第四转子组件将具有零旋转，因此平衡对称的三组件转子变得可行。

可采用图22所示的与其它两个键槽隔开180°布置的第二组键槽，在第三实施例的设计中提高转子平衡，在图22中，键槽168和170分别与键槽172和174隔开180°。接着前面针对图21描述的过程，图23示出了所得的设计，其中，两个键用于将转子连接到转子主轴，以实现改善的转子平衡。这在图23中的标号176和178示出。

在根据本发明的第三实施例的结构的情况下，可使用除了8个磁极之外的其它数量的磁极。可按照与具有8个磁极的转子相同的方式处理四磁极转子。另外，装配技术可应用于不使用键槽而使用突起或其它对齐装置(诸如楔子)的转子。此外，如图24所示，可使用内置键。在图24中的设计的情况下，转子主轴将具有与键一样宽的两个键槽180和182以及两个较大的键槽184和186，键槽184和186分别容纳标号188和190所示的未对齐的键。

图25是本发明实施例通过使用有限元仿真技术获得的扭矩波动的曲线图。传统的偏斜方法将导致标号192所示的波动曲线图。标号194示出了使用根据本发明的三叠片组件的曲线图。为了进行比较，标号196示出了未偏斜的转子的曲线图。

虽然已经公开了本发明的实施例，但是对于本领域技术人员明显的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可进行多种修改。