永磁同步电动机和电动助力转向系统的制作方法
【专利说明】永磁同步电动机和电动助力转向系统
[0001]本申请是申请日为2009年9月14日、申请号为200980140461.6、发明名称为“永磁同步电动机和电动助力转向系统”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及一种永磁同步电动机，特别是三相电动机。本发明还涉及一种用于机动车辆的电动助力转向系统。
【背景技术】
[0003]这种类型的永磁同步电动机例如用在机动车辆的驱动装置中，特别是用在助力转向系统等中。
[0004]图1a至图1c通过示例示出大体上已知的助力转向系统。图1a示出机动车辆的助力转向系统，其具有通过系杆107可转向地连接的车轮106。系杆107与转向齿轮101协作，转向齿轮101在该情况下包括连接到小齿轮105的齿形杆(仅由双箭头象征性地表示)。小齿轮105通过转向轴102被可旋转地联接到方向盘。在三相电动机的构造中具有控制单元104的转向驱动器103被附接到转向齿轮101，并通过与齿形杆协作来帮助转向过程。图1b示出类似于图1a的助力转向系统，其中转向驱动器103与转向轴102辅助协作。转向驱动器103可出于该目的被附接到转向柱。图1c同样示出类似于图1a和图1b的助力转向系统。在该构造中，转向驱动器103被示出为与小齿轮105协作，且也可被布置在转向齿轮101上。
[0005]图2为永磁同步电动机的示意性俯视图，其通常被用作转向驱动器103，并包括:定子201，该定子201具有其中布置有绕组(未示出)的槽202 ;和具有永磁体203的转子204，在该情况下永磁体203沿电动机的轴向方向被布置在转子204内且在其周界上。转子204位于定子201内。
[0006]这种类型的电动机必须符合两个主要标准，即效率和安全性。诸如功率密度、最大输出转矩、转矩波动或波伏以及定位转矩或间歇转矩的参数对于效率具有重要意义。以下参数对于安全性特别重要:最大制动转矩、短路容量、容错和简单性。
[0007]对机动车辆使用条件的要求的增加(特别是有关最小结构体积、重量、所使用的各个部件的数量和同时高效性)以及上述参数导致不断需要提供对应改进的永磁同步电动机。
【发明内容】
[0008]针对该【背景技术】，本发明的目的因而在于提供一种改进的永磁同步电动机。
[0009]该目的根据本发明通过具有下述各特征的永磁同步电动机和/或通过具有下述各特征的电动助力转向系统实现。
[0010]因此，提供一种永磁同步电动机，特别是三相电动机，包括具有永磁体的转子，并包括具有定子磁轭的定子，定子齿和插入式定子槽被布置在该定子磁轭中，至少一个绕组被提供在每个定子齿上，所述定子齿沿所述定子的轴向方向成层地布置成板并被构造为至少两种不同的板，第一板形式的所述定子齿在每种情况下在所述定子齿的指向所述转子的端部通过连接桥以定子星的形式沿周界互连，并且第二板形式的所述定子齿具有代替所述连接桥的中断部。
[0011]这种类型的永磁同步电动机因而具有的优点在于:非常低的定位转矩、高效率和同时低转矩波动。
[0012]进一步的优点在于:根据本发明的永磁同步电动机比传统永磁同步电动机具有更低的制动转矩，这可被降低多达50%。
[0013]同时，通过这种方式，由于制动转矩较低，因此还可省去起动继电器。
[0014]所公开的永磁同步电动机优选适于机动车辆的助力转向系统的驱动装置。然而，在其他驱动装置中的其他应用也是可设想到的。
[0015]本发明的优选构造和展开根据各从属权利要求以及根据结合附图的描述是明显的。
[0016]定子齿可采用具有连接桥的定子星然后是不具有连接部的定子齿的板顺序沿定子的轴向方向被布置为板。采用具有连接桥的定子星然后是两个或三个不具有连接部的定子齿的板的顺序的布置结构也是可以的。在该情况下，采用具有连接桥的定子星然后是两个不具有连接部的定子齿的板的顺序的布置结构是特别优选的，并提供高效且同时高安全机会的优点。
[0017]在进一步的优选实施例中，至少一个绝缘部在每种情况下被提供在定子槽中的绕组之间。这减小了绝缘故障的可能性。
[0018]绕组可被布置为三相星形线路或三相三角形线路。与传统电动机相比，这在故障绝缘的情况下导致非常低的制动转矩。三角形线路进一步具有的优点在于:与星形线路相比连接点减少，具有星形继电器的传统永磁同步电动机要求星形线路。
[0019]转子可被多样地形成有位于其周界的凹进中或沿圆周位于其表面上的永磁体或者形成有环形磁体。
[0020]在进一步的实施例中，转子可包括沿其轴向方向布置的至少两个转子组，所述至少两个转子组被布置为围绕转子轴线距彼此旋转一偏斜角γ。当存在多于两个转子组时，则偏斜角γ为第一个转子组与最后一个转子组之间的角度。在该情况下，转子组的数量η如下取决于永磁同步电动机的有效轴向长度Lstk:如果Lstk ( 40mm，则η = I或2 ;如果40 ( Lstk ( 60mm,则η = 2或3 ;如果60 ( Lstk ( 80mm,则η = 3或4 ;并且如果80 ( Lstk ( 130mm，则η = 4。有效轴向长度Lstk指包括转子的定子的轴向长度。
[0021]偏斜角γ有利地小于或等于定子槽数量的一半。
[0022]在优选实施例中，永磁同步电动机包括十二个定子槽和八个极对、十二个定子槽和十个极对或者十二个定子槽和十四个极对。
[0023]与传统永磁同步电动机相比，根据本发明的永磁同步电动机还尤其具有如下优占.V.
[0024]效率增加近似10%;
[0025]制动转矩减小近似50%;
[0026]针对低电流增大的电动机感应率；
[0027]减小的定位转矩；
[0028]减小的转矩波动；
[0029]不需要继电器；
[0030]可使用三角形线路；
[0031]出色的绕组/相绝缘；
[0032]较简单的定子结构；
[0033]较简单的转子结构。
[0034]本发明的以上构造和展开可以任何希望的方式进行组合。
【附图说明】
[0035]在下文中通过在附图的示意性图中图示的各实施例更加详细地描述本发明，在附图中:
[0036]图1a至图1c为具有处于不同安装位置的转向驱动器的助力转向系统的示意图；
[0037]图2为永磁同步电动机的示意性俯视图；
[0038]图3为根据本发明的永磁同步电动机的实施例的定子的示意性俯视图；
[0039]图4为根据图3的本发明的永磁同步电动机的定子齿的子部分的放大示意性俯视图；
[0040]图5为根据图3的本发明的永磁同步电动机的单独的定子齿的放大示意性俯视图；
[0041]图6为根据图3的本发明的永磁同步电动机的定子星和定子齿的放大示意性透视图；
[0042]图7至图8为根据图3的本发明的永磁同步电动机的绕组的线路图；
[0043]图9至图11为根据图3的本发明的永磁同步电动机的转子的三个实施例的示意性俯视图；
[0044]图12为根据图3的本发明的永磁同步电动机的转子的第四实施例的示意性透视图；
[0045]图13为根据图12的转子的第四实施例的示意性侧视图；以及
[0046]图14为根据图3的本发明的永磁同步电动机与传统永磁同步电动机相比的针对旋转速度的制动转矩的图示。
[0047]在附图的图示中，除非另有所指，相似且功能相同的部件和特征提供有相同的附图标记。
【具体实施方式】
[0048]助力转向系统和永磁同步电动机的基本结构已在上文中参照图1a至图1c和图2进行了说明。
[0049]图3为根据本发明的永磁同步电动机的实施例的定子300的示意性俯视图，其具有定子磁轭301，其中定子齿302沿圆周布置在定子磁轭301的内周界上。绕组303围绕定子齿302布置于其中的定子槽202位于定子齿302之间。绕组303还通过绝缘部304在定子槽202中彼此绝缘。定子齿302的指向定子磁轭301中心的端部被加宽，使得定子槽202沿径向由这些加宽部从内部环绕并由定子磁轭301从外部环绕。
[0050]图4为根据图3的本发明的永磁同步电动机的定子齿302的局部的放大示意性俯视图。在该示例中，定子齿302被形成为板，其沿定子300的轴向方向层压在彼此之上。这些板可具有至少两种不同形式。图4示出定子星(stator star) 305构造的第一形式。在该情况下，定子齿302的加宽端各自通过连接桥401沿周周连接。
[0051]图5示出这些板的第二形式，定子齿302的加宽端具有中断部402而不是被连接。因而它们为单独的齿。在上述沿轴向方向的分层结构中，这些板被布置为交替地层压在彼此之上，如在图6中以透视图作为示例所示。在该情况下，连接桥401和中断部402交替。进一步的布置结构也是可以的，例如在两个连接桥401之间存在具有中断部402的两个或三个板。当然也可以设想到进一步的组合。
[0052]图7和图8为根据本发明的永磁同步电动机的绕组的线路图，根据图7的传统星形线路和根据图8的三角形线路都是可以的。在该情况下，三角形线路的优点在于:由于没有星形线路的星形终端或星形连接部，因而仅需要三个终端U、V、W。
[0053]图9至图11为根据图3的本发明的永磁同步电动机的转子204的三个实施例的示意性俯视图。图9示出永磁体203，该永磁体203在转子204的周界上被布置在凹进中且沿转子204的轴向方向具有不同极性N、So图10示出位于转子204的外周界表面上的永磁体203的布置结构，图11示出位于转子204的外周界表面上的环形磁体。
[0054]图12为根据图3的本发明的永磁同步电动机的转子的第四实施例的示意性透视图。在该情况下，转子204由两个转子组205组成，这两个转子组205沿轴向方向连续布置且围绕轴向方向相对于彼此旋转一偏斜角γ，该偏斜角γ优选为定子槽的数量的一半。如果转子组205的数量大于2，如图13所示，则偏斜角γ为第一个与最后一个转子组205之间的角度。
[0055]图14为根据图3的本发明的永磁同步电动机的制动转矩与传统永磁同步电动机制动转矩相比针对旋转速度的的图表。左手侧的I坐标表示转矩，右手侧的I坐标表示相电流IPhase。绘制成粗线的上部曲线表示传统永磁同步电动机的正常制动转矩，其在220n_l的旋转速度下达到最大值，而根据本发明的永磁同步电动机的优化转矩在60n-l时达到最大值，并且该最大值比传统永磁同步电动机的最大值小约50%。正常相电流IPhase被显示成上部的细线，而根据本发明的永磁同步电动