用于电机的转子组件的制作方法

本发明总体上涉及电动机，具体地，涉及低嵌齿转矩、高转矩密度牵引电机，更具体地说，涉及一种减小永磁电动机中嵌齿转矩(coggingtorque)的装置。

背景技术：

为了满足受到不断上涨的燃油价格和全球变暖的可怕后果的双重驱动的消费者的需求，汽车工业正慢慢开始满足超低排放、高效率汽车的需求。虽然一些业内人士正试图通过设计更高效的内燃机来实现这些目标，但也有一些人正在将混合动力或全电动传动系统整合到他们的车辆系列中。然而，为了满足消费者的期望，汽车工业不仅必须实现更绿色的动力传动系统，而且必须同时保持合理的性能、续航里程、可靠性、安全性和成本水平。

实现低排放、高效率汽车的最常见方法是使用混合动力传动系统，其中内燃机(ice)与一个或多个电动机相结合。尽管混合动力汽车比传统的基于ice的车辆更省油排放更低，但由于其包括了内燃机，因此它们仍然会排放有害的污染，尽管与传统车辆相比排放水平有所降低。此外，由于包括内燃机和电动机及其附带的电池组，混合动力车辆的传动系统通常比传统的基于ice的车辆或全电动车辆更复杂，导致成本和重量增加。因此，几家车辆制造商正在设计仅使用电动机的车辆，从而消除了一种污染源，同时显著降低了传动系统的复杂性。

为了让电动车辆(ev)能得到广泛接受，这些车辆在性能和可靠性方面满足用户的期望至关重要。因此，ev制造商研究了预期ev设计的每个方面，着眼于达到或超过传统汽车设定的标准。一组值得关注的车辆特性是汽车的噪声、振动和声振粗糙度(nvh)。nvh特性不仅会被客舱乘客感受到，还会导致各种车辆子系统(包括车辆的传动系统、悬架和转向组件)过早出现部件故障。

nvh问题的一个潜在来源是电机的嵌齿转矩。嵌齿转矩是一种不希望出现的现象，它是由转子运动过程中转子磁极与定子齿的相互作用产生的。虽然由于磁极极性相反，电机中的平均嵌齿转矩为零，但是当每个磁极的边缘穿过定子齿之间时，转矩在正负之间的振荡会导致转子中出现nvh问题。这些振动进而会对电机、轴承和相关传动设备产生不利影响。如果差速器安装在转子轴内，这尤其成问题。

因此，需要一种有效的方式来减小永磁电机中的嵌齿转矩，从而减少潜在的nvh问题。本发明提供了这样一种方式。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于电机的转子组件，其包括：(i)转子；(ii)由多个叠片层形成的叠片堆，其中叠片堆沿着转子的纵轴线堆叠；(iii)叠片堆内的第一多个空腔，其中第一多个永磁体容纳在第一多个空腔内，其中第一多个永磁体被构造为第一多个磁体对，并且其中每个磁体对被布置为第一v形结构；以及(iv)叠片堆内的第二多个空腔，其中第二多个永磁体包含在第二多个空腔内，其中第二多个永磁体中的每个永磁体大于第一多个永磁体中的每个永磁体，其中第二多个永磁体被构造为第二多个磁体对，并且其中每个磁体对被布置为第二v形结构。

在一个方面，容纳在第二多个空腔内的第二多个永磁体比容纳在第一多个空腔内的第一多个永磁体定位得更靠近内叠片堆表面。第一v形结构可以由第一角度限定，而第二v形结构可以由第二角度限定，其中单线等分第一角度和第二角度。

在另一方面，第一多个磁体对中的每对磁体包括第一磁体和第二磁体。第一磁体的第一端部比第一磁体的第二端部更靠近对应于第一角度的第一顶点。第二磁体的第一端部比第二磁体的第二端部更靠近第一顶点。这样，第一磁体的第一端部比第一磁体的第二端部更靠近内叠片堆表面，第二磁体的第一端部比第二磁体的第二端部更靠近内叠片堆表面。类似地，第二多个磁体对中的每对磁体包括第三磁体和第四磁体。第三磁体的第一端部比第三磁体的第二端部更靠近对应于第二角度的第二顶点。第四磁体的第一端部比第四磁体的第二端部更靠近第二顶点。这样，第三磁体的第一端部比第三磁体的第二端部更靠近内叠片堆表面，第四磁体的第一端部比第四磁体的第二端部更靠近内叠片堆表面。

在另一方面，等分第一和第二角度的单线可以与外叠片堆表面正交。对应于第一v形结构的第一角度可以大于对应于第二v形结构的第二角度。第一多个磁体优选比第二多个磁体更靠近外叠片堆表面。环氧树脂，优选热固性环氧树脂，可用于将第一多个永磁体固定在第一多个空腔内，并将第二多个永磁体固定在第二多个空腔内。

通过参考说明书和附图的剩余部分，可以实现对本发明的本质和优点的进一步理解。

附图说明

应当理解，附图仅仅是为了说明而不是限制本发明的范围，不应当认为是按比例的。此外，不同附图上的相同附图标记应理解为指相同的部件或具有相似功能的部件。

图1提供了可用于本发明的动力系组件的横截面视图；

图2提供了图1所示动力系组件的叠片堆的透视图；

图3提供了叠片堆和定子的横截面视图；

图4提供了图3所示横截面视图的一部分的放大图；

图5示出了穿过叠片层一部分的磁通线，具体是穿过外层中的一对磁体和内层中的一对磁体的磁通线；和

图6图示了本发明的双磁体层方式的优点。

具体实施方式

如这里所使用的，单数形式(a、an)和“所述”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示，这里使用的术语“包括”、“包括了”、“包含”和/或“包含了”指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。如这里所使用的，术语“和/或”和符号“/”意味着包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。另外，虽然这里术语第一、第二等可以用于描述各种步骤或计算，但这些步骤或计算不应受这些术语的限制，而是这些术语仅用于将一个步骤或计算与另一个区分开来。例如，第一计算可以被称为第二计算；类似地，第一步骤可以称为第二步骤；类似地，第一部件可以被称为第二部件，所有这些都不脱离本公开的范围。

如前所述，嵌齿转矩在永磁电机的设计中是一个常见的考虑因素，并且当电机是车辆中的牵引电机时，考虑到嵌齿转矩会导致不期望的nvh特性，嵌齿转矩尤其令人担忧。客舱乘客可能会经历这种nvh特性，并且nvh特性通常会导致包括车辆传动系、悬架和转向组件在内的各种车辆子系统过早出现部件故障。为了减少嵌齿转矩，从而减少相关的不期望的nvh特性，通常的方法是将转子叠片堆分成几个部分，然后使这些部分相对于彼此偏斜(skew)。这种方法如图1和图2所示。

图1提供了示例性动力系组件100的横截面视图，其利用叠片堆偏斜来减小嵌齿转矩。在图示的组件中，采用中空转子轴101。中空转子轴101包括差速齿轮组件103。这种结构允许动力系被布置成使得行星组件105、差速齿轮组件103和行星组件107同轴对齐，从而产生具有相对较短宽度109的动力系，其中宽度109在两个恒速(即cv)接头壳体构件的底面111之间测量。组件100中使用的叠片堆包括四个叠片部分(这里也称为层)113a至113d。图2提供了组件100的叠片堆的透视图。定子115围绕转子叠片堆。在该视图中可见从定子各端延伸的定子绕组117。

在图1提供的组件100的横截面视图中，每个部分内的永磁体是可见的。具体地，在层113a内，永磁体119a是可见的；在层113b内，永磁体119b是可见的；在层113c内，永磁体119c是可见的；并且在层113d内，永磁体119d是可见的。

为了减小嵌齿转矩，每个部分113a至113d从相邻部分偏移一定角度，从而将保持在每个层内的永磁体偏移相同角度。由于使叠片部分偏斜并因此使叠片堆中的永磁体偏移，转矩振荡减小，因为转子旋转期间每个定子齿的磁力集中减小。这进而减少了嵌齿转矩。

虽然使叠片层偏斜是减小嵌齿的有效方式，但这种方法也有缺点。例如，由于零件数量和组装步骤的增加，制造这种类型的转子组件比典型的非偏斜组件更困难。此外，如果转子通常在组装后经历磁化步骤，叠片层之间的偏移会导致每层磁化方向的精度问题。此外，使叠片偏斜会在相邻偏斜部分之间产生泄漏磁通量，从而导致转矩和功率的显著降低。

根据本发明，转子叠片层内的磁体是偏斜的，特别是通过添加次级磁体层。虽然这种方式消除了如上所述使叠片层偏斜的需要，但是应该理解，本发明可以用在具有偏斜叠片层的叠片堆中。然而，发明人发现，当利用公开的多磁体层方式时，叠片层偏斜不是必需的。

图3提供了根据本发明的转子组件的横截面视图。图4提供了图3所示横截面的一部分的特写视图。在这些视图中，定子115、定子槽301和转子叠片层303都是可见的。如前所述，转子叠片包括第一层磁体305和第二层磁体307。第一层磁体305，在此也称为内层磁体305，比第二层磁体307更靠近转子。

在确定内外磁体层的优选位置时，必须考虑几个因素。首先，叠片堆的宽度309影响磁体的可能放置位置。叠片宽度309由电机的尺寸以及叠片堆将要附接到的转子的尺寸决定，其中叠片堆可以直接附接到转子，或者在叠片堆和转子之间可以有中间层。显然，优选地，转子中包括差速器会影响转子尺寸，通常需要更大的转子来为集成差速器提供足够的体积。假设给定的电机尺寸，随着转子尺寸的增加，叠片堆宽度通常会减小，导致磁体放置的灵活性降低。其次，磁体的位置会影响磁通量，因此影响嵌齿效应的强度。磁体放置得越靠近外叠片堆表面311，磁通量越强，因此产生的转矩以及产生的嵌齿转矩越强。因此，在期望的电机转矩和不期望的嵌齿转矩之间存在直接的权衡。

一般来说，为了在叠片堆内实现偏斜，发明人已经发现最好的方法是使用两层磁体，其中每层磁体包括多个磁体对。每对磁体被布置成v形结构。优选地，最外面的一对磁体，例如图4中的磁体401a和401b，与最里面的一对磁体，例如磁体403a和403b对齐，使得同一条线405等分两个磁体对。等分线405与叠片层表面311正交。对于每对磁体，如图所示，磁体的相邻边缘之间的距离随着外叠片表面311的接近而增加。因此，限定每对磁体的每个角度的顶点，而不是每个磁体对的最外边缘，更靠近内叠片堆表面313。

通常，部分地，限定磁体位置的角度越小，磁阻转矩越高。遗憾的是，随着该角度的减小，嵌齿转矩增大，该角度如图4中磁体401a/401b的角度407和磁体403a/403b的角度409所示。如上所述，并且如上文相对于本发明所述，为了减轻嵌齿转矩，叠片堆使用两层永磁体。发明人已经确定，当内层磁体(例如，图3中的磁体305和图4中的磁体403a/403b)比外层磁体(例如，图3中的磁体307和图4中的磁体401a/401b)更大并且利用更小的分离角409时，实现了嵌齿转矩的最佳减轻。

本领域技术人员将会理解，磁体内层和外层的确切尺寸和位置取决于电机的期望操作特性以及电机的尺寸。一般来说，内层磁体中包含的较大磁体大约是外层磁体中包含的较小磁体的三倍。另外，内层中较大磁体的分离角度(例如，图4中的角度405)优选小于外层中较小磁体的分离角度(例如，图4中的角度407)。在优选实施例中，叠片堆长度约为110毫米，外径约为150毫米，内径约为75毫米，构成磁体外层的磁体为3毫米×12毫米×27毫米，而构成磁体内层的磁体为6毫米×20毫米×27毫米。在该实施例中，包括内层磁体的较大磁体约占转矩产生的80％。

在优选实施例中，包括内层和外层的大磁体和小磁体都用环氧热固性树脂保持在相应的叠片层空腔内的适当位置。优选地，环氧树脂注射成型工艺用于将粘合材料施加到叠片堆上。环氧树脂将磁体牢固地固定在适当的位置，从而形成机械刚性堆叠。此外，通过填充磁体和叠片层中的槽之间的空隙(例如，图3所示的空隙315)，环氧树脂防止油滞留在空隙中，油滞留会在叠片层中产生不平衡。此外，考虑到环氧树脂的热性能比空气更好，用环氧树脂填充空隙能得到热性能更均匀的叠片堆。最后，由于本发明利用多个磁体层而不是叠片层偏斜来减小嵌齿，所以整个叠片堆可以一次成型。相比之下，当使用层偏斜时，每一层通常要单独模制，因此增加了成本和制造时间。

图5示出了穿过叠片一部分的磁通线，具体是穿过外层中的一对磁体和内层中的一对磁体的磁通线。

图6图示了本发明的双层方式相对于嵌齿转矩的益处。曲线601示出了仅利用外层磁体307的嵌齿转矩随时间的变化，而曲线603示出了仅利用内层磁体305在同一时间段中的嵌齿转矩。当叠片堆包括内层和外层时，嵌齿转矩减小了两倍以上，如曲线605所示。

为了帮助理解本发明的细节，概括地描述了系统和方法。在一些情况下，没有具体示出或详细描述公知的结构、材料和/或操作，以避免模糊本发明的方面。在其他情况下，为了提供对本发明的透彻理解，给出了具体细节。相关领域的技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下，本发明可以以其他特定形式具体实施，例如以适应特定的系统或设备或情况或材料或部件。因此，这里的公开和描述旨在说明而不是限制本发明的范围。