專利名稱：扭矩波動最小化的電動機和確定定子極幾何形狀的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電動機，更具體地說涉及一種具有低扭矩波動的電動機，其用于汽車和卡車中等，本發(fā)明還涉及一種用于確定定子極幾何形狀以控制電動機中的扭矩波動的方法。
背景技術：
在一般的實踐中，作為用于降低電動機中扭矩波動的技術，開發(fā)了偏斜技術用于降低扭矩波動。偏斜技術的特點是以偏斜圖案來形成定子極，從而使得定子具有沿著轉子的軸線方向偏移的旋轉位置。采用這種結構，定子極偏移180度的電角度以允許定子在任意旋轉位置具有相同數(shù)量的氣隙。理論上這可以使定子沿著定子的圓周內邊緣具有零差別的磁阻，從而不會引起扭矩波動。但是隨著將偏斜角設置到一個過大的值，轉子的磁通量的利用效率下降，從而導致輸出扭矩的下降。在定子偏移180度的情況下，電動機產生的扭矩是沒有發(fā)生定子極偏移的電動機產生的扭矩的一半。因此在實踐中沒有嘗試使定子極偏移180度的電角度；確定偏斜角以消除具有最大扭矩波動的頻率成分，其中該最大扭矩波動是由定子極上沒有偏斜的定子引起的。在這種情況下，扭矩波動不能完全消除。
另外還嘗試通過附加地形成輔助槽口來降低扭矩波動，如在T.IEEJapan，Vol.122-D，No.4，2002第338頁到345頁中公開的標題為“Cogging Torque Reduction in Permanent Magnet BrushlessMotors”的文獻中所公開的。在這種相關技術中，輔助缺口附加地加入到消除磁阻變化的位置中，其中磁阻變化發(fā)生在定子心之間的氣隙部分中。
隨便提一下，對于在上面的文獻中公開的采用添加的缺口的相關技術，在定子心之間的氣隙部分中產生的磁阻和加入的槽口是不均等地變化的，其中添加的缺口對于在某種程度上減小扭矩波動是有效的，但是對于整體上使扭矩波動最小化沒有顯著的效果。

發(fā)明內容
本發(fā)明考慮上述的文獻而完成并且本發(fā)明的目的是提供一種電動機，這種電動機包括一個轉子和一個定子，該定子的定子極幾何形狀在定子的圓周邊緣上提供了均衡的磁體分布圖案(或構造)，本發(fā)明還提供了一種用于確定定子極幾何形狀以用于使電動機中的扭矩波動最小化的方法。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一方面提供了一種電動機，它包括一個具有在其上設置多個定子極的圓周邊緣的定子，并且轉子可旋轉的與定子處于面對面的關系且具有一個面對定子的圓周邊緣的外部邊緣。定子包括分別與定子極相關聯(lián)的磁阻均等化裝置以使沿著定子的圓周邊緣的磁阻差最小。
對于上述結構，定子極分別具有磁阻均等化元件，通過其可以以簡單的構造制造具有最小化的扭矩波動的電動機。同樣，電動機能夠以最少的組件數(shù)以低成本制造。
對于上述結構的電動機，磁阻均等化裝置可以包括至少一個非磁體段和磁體段。
采用這樣一種結構，磁阻均等化裝置結構上簡單并且可以以簡單的構造以低成本制造電動機。
對于上述結構的電動機，定子極可以分別以給定的角度偏斜，并且磁阻均等化裝置可以包括分別部分組合到定子極中的非磁體段。
采用上述結構，允許定子極分別部分組合非磁體段，使得電動機以簡單的結構構成，而提供沿定子的圓周邊緣均等的磁阻。這顯著降低了扭矩波動以使得電動機平穩(wěn)旋轉。
對于上述結構的電動機，定子極可以分別以給定的角度偏斜，并且磁阻均等化元件可以包括分別設置在鄰近定子極的側面區(qū)域中的磁體段。
采用上述結構，允許定子極分別與磁體段相關聯(lián)，使得電動機以簡單的結構構成，而能提供沿著定子的圓周邊緣均等的磁阻。這顯著降低了扭矩波動，使得電動機能平穩(wěn)旋轉。
對于上述結構的電動機，定子極可以包括非一致的布置在定子的圓周邊緣中的定子極，并且磁阻均等化元件可以包括分別交替(或一個隔一個)地設置在定子極的軸向端部的非磁體段。
對于上述結構，使用磁阻均等化裝置，包括非磁體段，與以相應的非一致構形形成的各定子極組合來提供具有沿著定子的圓周邊緣均等的磁阻的定子。這使得顯著降低了扭矩波動，即使具有包括非一致定子極的定子。
對于上述結構的電動機，定子極可以包括布置在定子的圓周邊緣中的非一致定子極，并且磁阻均等化裝置可以包括分別交替地設置在鄰近定子極的軸向端部的側面區(qū)域中的磁體段。
對于上面討論的結構，使用磁阻均等化裝置，包括磁體段，與以相應的非一致構形形成的定子極組合以提供沿著定子的圓周邊緣具有均等磁阻的定子。這顯著降低了扭矩波動，即使具有包括非一致定子極的定子。
對于上述結構的電動機，定子極可以包括布置在定子的圓周邊緣中的非一致定子極，并且磁阻均等化裝置可以包括分別設置在第一組定子極中的磁體段和設置在第二組定子極中的非磁體段以使得沿著定子圓周邊緣的磁阻差最小化。
對于上述結構，通過結合磁阻均等化裝置，包括分別設置在第一組定子極中的磁體段和設置在第二組定子極中的非磁體段，即使定子包括非一致定子極還是能夠提供沿著定子的圓周邊緣均等的磁阻。因此電動機的扭矩波動可以顯著減小。
對于上述結構的電動機，每個非磁體段可以包括氣隙。
由于非磁體段包括起磁阻均等化裝置的作用的氣隙的結構，用于將非磁性材料填充到非磁體段中的工時和用于此目的的材料節(jié)省了。因此定子可以以簡單的過程進行具有使扭矩波動最小化的有利效果地制造。
對于上述結構的電動機，相數(shù)S可以是奇數(shù)，并且定子和轉子的總偏斜角基本上位于360/(2S)度的電角度。
對于這樣一種結構，通過設置定子和轉子的總偏斜角(或者極間氣隙的夾角)，沿著定子的圓周邊緣的磁體分布率可以基本上均等化。這通過具有簡單結構的定子顯著降低了扭矩波動。
對于上述結構的電動機，定子的相數(shù)S可以是奇數(shù)，并且定子具有等價于定子和轉子的總偏斜角基本上位于360/(2S)度的電角度的情況下的值的鐵鐵對氣隙。
對于這種結構，定子的均等化的磁體分布率具有較小的磁阻變化，顯著降低了扭矩波動。
對于電動機，相數(shù)S可以是奇數(shù)，定子和轉子的總偏斜角可以位于由從基本上為360/(2S)度的電角度減去相當于非磁體段沿定子的圓周邊緣的寬度的0％-100％的角度所獲得的值上。
對于上述結構，定子的均等化的磁體分布率具有較小的磁阻變化，顯著降低了扭矩波動。
對于電動機，相數(shù)S可以是奇數(shù)，并且定子可以具有等價于從基本上為360/(2S)度的電角度減去相當于非磁體段沿定子的圓周邊緣的寬度的0％-100％的角度所獲得的值的鐵鐵對氣隙。
對于上述結構，定子的均等化的磁體分布率具有較小的磁阻變化，顯著降低了扭矩波動。
對于電動機，磁阻均等化元件可以包括分別與定子極相關聯(lián)的位于關于定子中點的對稱位置的第一組非磁性段和第二組非磁性段。
這種結構能夠使用簡單的定子結構顯著降低扭矩波動。
對于電動機，相數(shù)S可以是奇數(shù)，并且定子和動子的總偏斜角基本上位于360/(2S)的電角度。磁阻均等化裝置可以包括分別軸向延伸穿過鄰近定子極的極間氣隙的非磁性段，每個非磁性段具有基本上與極間氣隙相同的寬度和與定子極相同的偏斜角。
采用這種結構，定子可以以簡單的結構顯著降低扭矩波動。
按照本發(fā)明的另一方面，還提供了一種用于確定定子極幾何形狀以使電動機中的扭矩波動最小化的方法，該方法包括確定定子，該定子具有在其上設置多個定子極的圓周邊緣；確定轉子，其可旋轉地設置在定子中，以與定子呈現(xiàn)面對面的關系；并設置分別與定子極相關聯(lián)的磁阻均等化元件以使沿著定子的圓周邊緣的磁阻差最小。
采用這種方法，電動機的定子可以簡單設計提供以沿著定子的圓周表面，可以通過簡單的步驟獲得均等的磁體分布率的定子極幾何形狀確定的定子。這使得成本降低并且電動機制造簡單，同時以結構簡單的定子顯著降低了扭矩波動。
上述用于確定定子極幾何形狀的方法還包括設置分別與多個定子極相關聯(lián)的磁阻均等化元件。
通過上述方法使用分別與多個定子極組合的磁阻均等化元件，使得確定定子極幾何形狀的步驟簡單有效，降低了電動機定子設計的工時，同時降低了制造成本。


圖1是橫剖視圖，示出了應用本發(fā)明的三相四極六槽電動機的結構；圖2A示出了圖1中所示的電動機的轉子的展開圖；圖2B示出了圖1中所示的電動機的定子的展開圖；圖2C示出了沿著定子的圓周邊緣的磁體分布率，縱軸表示磁體分布率，而橫軸表示定子的圓周邊緣；圖3A示出了應用本發(fā)明的定子的展開圖，定子包括以給定角偏斜的定子極；圖3B示出了沿著圖3A中所示的定子的圓周邊緣的磁體分布率，縱軸表示磁體分布率，而橫軸表示定子的圓周邊緣；圖4A示出了按照本發(fā)明的第一實施例的電動機的定子的展開圖；圖4B示出了沿著圖4A中示出的定子的圓周邊緣的磁體分布率，其中縱軸表示磁體分布率，而橫軸表示定子的圓周邊緣；圖5A示出了按照本發(fā)明的第二實施例的電動機的定子的展開圖；圖5B示出了沿著圖5A中示出的定子的圓周邊緣的磁體分布率，其中縱軸表示磁體分布率，而橫軸表示定子的圓周邊緣；圖6A示出了應用本發(fā)明的另一種電動機的定子的展開圖；圖6B示出了沿著圖6A中示出的定子的圓周邊緣的磁體分布率，其中縱軸表示磁體分布率，而橫軸表示定子的圓周邊緣；圖7A示出了按照本發(fā)明的第三實施例的電動機的定子的展開圖；圖7B示出了沿著圖7A中示出的定子的圓周邊緣的磁體分布率，其中縱軸表示磁體分布率，而橫軸表示定子的圓周邊緣；圖8A示出了按照本發(fā)明的第四實施例的電動機的定子的展開圖；圖8B示出了沿著圖8A中示出的定子的圓周邊緣的磁體分布率，其中縱軸表示磁體分布率，而橫軸表示定子的圓周邊緣；圖9A示出了本發(fā)明的另一種電動機的定子的展開圖；圖9B示出了沿著圖9A中示出的定子的圓周邊緣的磁體分布率，其中縱軸表示磁體分布率，而橫軸表示定子的圓周邊緣；圖10A示出了按照本發(fā)明的第五實施例的電動機的定子的展開圖；圖10B示出了沿著圖10A中示出的定子的圓周邊緣的磁體分布率，其中縱軸表示磁體分布率，而橫軸表示定子的圓周邊緣；圖11A示出了按照本發(fā)明的第六實施例的電動機的定子的展開圖；圖11B示出了沿著圖11A中示出的定子的圓周邊緣的磁體分布率，其中縱軸表示磁體分布率，而橫軸表示定子的圓周邊緣；圖11C示出了由圖11A中所示的電動機改進形式的電動機的定子的展開圖；圖11D示出了沿著圖11C中示出的定子的圓周邊緣的磁體分布率，其中縱軸表示磁體分布率，而橫軸表示定子的圓周邊緣；圖11E示出了由圖11A中所示的電動機進一步改進形式的電動機的定子的展開圖；圖11F示出了沿著圖11E中示出的定子的圓周邊緣的磁體分布率，其中縱軸表示磁體分布率，而橫軸表示定子的圓周邊緣；圖12A示出了按照本發(fā)明的第七實施例的電動機的定子的展開圖；圖12B示出了沿著圖12A中示出的定子的圓周邊緣的磁體分布率，其中縱軸表示磁體分布率，而橫軸表示定子的圓周邊緣；圖13A示出了按照本發(fā)明的第八實施例的電動機的定子的展開圖；圖13B示出了沿著圖13A中示出的定子的圓周邊緣的磁體分布率，其中縱軸表示磁體分布率，而橫軸表示定子的圓周邊緣；圖14A示出了按照本發(fā)明的第九實施例的電動機的定子的展開圖；圖14B示出了沿著圖14A中示出的定子的圓周邊緣的磁體分布率，其中縱軸表示磁體分布率，而橫軸表示定子的圓周邊緣；
圖15A示出了按照本發(fā)明的第十實施例的電動機的定子的展開圖；圖15B示出了沿著圖15A中示出的定子的圓周邊緣的磁體分布率，其中縱軸表示磁體分布率，而橫軸表示定子的圓周邊緣；圖16A示出了按照本發(fā)明的第十一實施例的電動機的轉子的展開圖；圖16B示出了定子的展開圖，該定子包括第一組定子極，用于按照本發(fā)明確定定子極幾何形狀的方法；圖16C示出了第二組定子極的展開圖，相對于第一組定子極偏移了180度的電角度，用于按照本發(fā)明確定定子極幾何形狀的方法；圖16D示出了在實施按照本發(fā)明確定定子極幾何形狀的方法時綜合圖16B和16C所示的第一組和第二組定子極得到的定子的展開圖；圖16E示出了沿著圖16D中示出的定子的圓周邊緣的磁體分布率，其中縱軸表示磁體分布率，而橫軸表示定子的圓周邊緣；圖17A示出了按照本發(fā)明的第十二實施例的電動機的轉子的展開圖；圖17B示出了另一種定子的展開圖，該定子包括第一組定子極，用于按照本發(fā)明確定定子極幾何形狀的另一種方法；圖17C示出了第二組定子極的展開圖，相對于第一組定子極偏移了180度的電角度，用于按照本發(fā)明確定定子極幾何形狀的另一種方法；圖17D示出了在實施按照本發(fā)明確定定子極幾何形狀的另一種方法時綜合圖17B和17C所示的第一組和第二組定子極得到的定子的展開圖；圖17E示出了沿著圖17D中示出的定子的圓周邊緣的磁體分布率，其中縱軸表示磁體分布率，而橫軸表示定子的圓周邊緣；圖18A示出了按照本發(fā)明的第十三實施例的電動機的轉子的展開圖；圖18B示出了在實施按照本發(fā)明確定定子極幾何形狀的方法時獲得的定子的展開圖；圖19A是橫向橫截面圖，示出了應用本發(fā)明的具有環(huán)形定子繞組的電動機的具體結構；
圖19B示出了圖19A中示出的電動機的轉子的展開圖；圖19C示出了圖19A中示出的電動機的定子極的展開圖；圖19D示出了圖19A中示出的電動機的各相中的定子繞組的展開圖。
具體實施例方式
下面參考附圖對按照本發(fā)明的實施例的電動機進行詳細描述。電動機經常由于磁阻變化而遭受扭矩波動，這種磁阻變化取決于轉子在存在磁阻差時的轉動，這種磁阻差由轉子的旋轉位置引起。首先描述一下發(fā)生扭矩波動的原理。
圖1是橫剖視圖，示出了應用本發(fā)明的三相四極六槽電動機的結構。另外圖2A示出了圖1中示出的電動機的轉子的展開圖。圖2B示出了圖1中示出的電動機的定子的展開圖。圖2C示出了沿著圖2B中所示的定子的圓周邊緣的磁體分布率(％)。
如圖1所示，電動機1包括轉子2和定子5，轉子2可旋轉地支承在定子5中。轉子2具有一個外部邊緣，其上載裝有位于關于轉子2的中心的第一對稱位置的N極永磁體3和位于關于轉子2的中心的第二對稱位置的S極永磁體4，永磁體3和4交替地(或一個隔一個地)布置在轉子2的外部周邊上。另外定子5取一種形狀做成在所謂的集中繞組(或集成繞組)中的繞組結構的形式，并且包括多個其上載裝有不同相的集中繞組的定子極。更確切地說U相定子極TBU1、TBU2分別載裝有U相繞組WBU1、WBU2。類似地，V相定子極TBV1、TBV2分別載裝有V相繞組WBV1、WBV2。同樣，W相定子極TBW1、TBW2分別載裝有W相繞組WBW1、WBW2。定子極分別具有槽SL1。
沿著定子5的圓周邊緣的磁阻主要取決于磁性材料區(qū)段(的定子極)關于定子的軸向長度的比，并且由此變化，即比越高，磁阻就越小。因此對于圖2A和2B所示的這樣一種包括轉子2和定子5的結構，每個定子凸極(定子極)的磁體區(qū)段比為0％，并且對于凸極間隔的每個周期的扭矩波動與0％和100％磁體區(qū)段比之間的磁阻差是同步發(fā)生的?？紤]上面的原理，扭矩波動可以通過將定子構造成具有最小磁體區(qū)域變化的定子極幾何形狀來使其最小化。
盡管圖1和圖2A至2C也示出了一種具有三相四極六槽面磁類的電動機1的實施例，上述的減小扭矩波動的方案并不限于上面列舉的電動機，而是可以應用于任意相數(shù)、極數(shù)、槽數(shù)和轉子類型的各種類型的電動機。此外，圖1中示出的電動機1的類型是具有轉子2，其上安裝有磁體3、4，但本發(fā)明并不限于這種電動機，而是可以應用到具有其上載裝有磁體的定子的電動機。接下去描述用于使電動機的扭矩波動最小化的方案。
按照本發(fā)明，定子具有帶有磁阻均等化元件、例如非磁體段和磁體段的定子極幾何形狀，其以一種給定的沿定子的圓周邊緣的分布圖案結合到定子極中，這種分布圖案的方式是使磁體區(qū)域比均等化，以降低磁阻差。采用這樣一種定子極幾何形狀可以顯著降低扭矩波動。更具體地說，定子最好可包括一個圓周邊緣，在其上非磁體段和磁體段分別以具有沿定子的圓周邊緣充分均等化的磁體分布率的定子極幾何形狀附加地結合到定子極中。
圖3A和3B是表示應用本發(fā)明的電動機的視圖。該電動機包括轉子(未示出)和定子50，定子50包括分別由槽SL2隔開的偏斜定子極50a至50g。采用這種結構，定子極50a至50g以30度的機械角度偏斜，并且定子50的磁體分布率在圖3B所示的寬的范圍內變化。也就是說，磁體分布率具有低比率的磁體分布區(qū)域MRa和高比率的磁體分布區(qū)域MRb，它們交替地布置在沿定子50的圓周邊緣的寬的范圍內。
圖4A和4B是表示按照本發(fā)明的第一實施例的電動機的視圖。對于本實施例的電動機，定子50A除了定子極50b至50g基本上具有與在圖3A中所示的定子50相同的結構，定子極50b至50g在高比率磁體分布區(qū)域分別具有設置包括非磁體段100的磁阻均等化元件的軸向端部。對于圖4A中所示的具有附加地結合非磁體段100的高比率磁體分布區(qū)域的定子50A，定子50A具有低比率磁體分布區(qū)域MRA1和高比率磁體分布區(qū)域MRA2，它們在沿著定子50A的圓周邊緣的最小化的范圍MRA內變化。由于低比率磁體分布區(qū)域MRA1和高比率磁體分布區(qū)域MRA2的磁體分布率變化較小，定子50A在定子的圓周邊緣上具有大致上均等化的磁阻。這使得電動機的扭矩波動降低了。
圖5A和5B是表示按照本發(fā)明的第二實施例的電動機的視圖。對于本實施例的電動機，定子50B除了定子極50b至50g基本上具有與在圖3A中所示的定子50相同的結構，定子極50b至50g在位于低比率磁體分布區(qū)域的區(qū)域中分別具有設置包括磁體段110的磁阻均等化元件的軸向端部。對于圖5A中所示的具有附加地結合作為磁阻均等化元件的磁體段110的低比率磁體分布區(qū)域的定子50B，定子50B具有低比率磁體分布區(qū)域MRA1和高比率磁體分布區(qū)域MRA2，它們在沿著定子50B的圓周邊緣的最小化的范圍內變化。由于低比率磁體分布區(qū)域MRA1和高比率磁體分布區(qū)域MRA2的磁體分布率變化較小，如圖5B所示的定子50B具有大致均等化的磁阻區(qū)域MRB。
隨著已經對第一和第二實施例附加地僅結合非磁體段100，如圖4A中所示，和磁體段110，如圖5A中所示，中的一個的結構進行了描述，應當理解，可以對電動機進行改進，使得其同時包括作為磁阻均等化元件的具有類似的有利效果的非磁體段100和磁體段110。此外本發(fā)明并不限制磁阻均等化元件、例如結合到電動機的定子中的非磁體段100和磁體段110的形狀和數(shù)量。
圖6A和6B是表示應用本發(fā)明的電動機的另一個示例的的視圖。對于圖6A和6B中所示的結構，電動機包括定子60，定子包括分別由槽SL3隔開的不一致的凸定子極60a至60g。更具體地說，定子60包括平行四邊形的定子磁極60a、60d、60g、以倒置的構形設置在定子極60a、60d之間的梯形的定子磁極60b、60c和以倒置的構形設置在定子極60d、60g之間的梯形的定子磁極60b、60c。對于這種結構，定子60的磁體分布區(qū)域MRC在圖6B所示的寬的范圍內變化。也就是說，磁體分布區(qū)域包括低比率磁體分布區(qū)域MRC1和高比率磁體分布區(qū)域MRC2，它們交替地沿著定子60的圓周邊緣分布。
圖7A和7B是表示按照本發(fā)明的第三實施例的電動機的視圖。對于本實施例的電動機，定子60A除了定子極60b至60g基本上具有與在圖6A中所示的定子60相同的結構，定子極60b至60g分別具有設置包括非磁體段100的磁阻均等化元件的軸向端部，非磁體段在高比率磁體分布域內交替地設置在定子極60b至60g的相對的軸向端部中。更具體地說，對于圖7A中所示的結構，梯形定子磁極60b、60c、60e、60f的狹窄端分別結合非磁體段100。定子極60d、60g也分別結合非磁體段100。對于這種如圖7A所示的具有附加地結合非磁體段100的高比率磁體分布區(qū)域的定子60A，定子60A具有低比率磁體分布區(qū)域MRD1和高比率磁體分布區(qū)域MRD2，它們在沿著定子60A的圓周邊緣的最小化的范圍內變化。由于低比率磁體分布區(qū)域MRD1和高比率磁體分布區(qū)域MRD2的磁體分布率變化較小，定子60A具有大致均等的磁阻區(qū)域MRD。
圖8A和8B是表示按照本發(fā)明的第四實施例的電動機的視圖。對于本實施例的電動機，定子60B除了定子極60b至60g基本上具有與在圖6A中所示的定子60相同的結構，定子極60b至60g分別具有設置包括磁體段110的磁阻均等化元件的軸向端部，磁體段在定子極60b至60g的軸向端部的低比率磁體分布區(qū)域內交替地設置在鄰接定子極60b至60g的軸向寬的端部的區(qū)域中。更具體地說，對于圖8A中所示的結構，梯形定子磁極60b、60c、60e、60f在低比率磁體分布區(qū)域中具有其上分別連接磁體段110的寬的端部。定子極60d、60g也分別結合磁體段110。對于圖8A中所示的低比率磁體分布區(qū)域附加地結合磁體段110的定子60B，定子60B具有低比率磁體分布區(qū)域MRE1和高比率磁體分布區(qū)域MRE2，它們在沿著定子60B的圓周邊緣的最小化的范圍內變化。由于低比率磁體分布區(qū)域MRE1和高比率磁體分布區(qū)域MRE2的磁體分布率變化較小，定子60B具有大致均等的磁阻區(qū)域MRE。
圖9A和9B是表示應用本發(fā)明的另一種類型的電動機的視圖。對于圖9A中所示的電動機的結構，定子70包括以任意不一致形狀形成的布置在定子70的圓周邊緣上的定子磁極70a至70g。對于這種結構，定子70具有磁體分布率MRF，包括MRF1至MRF5，其在沿著定子圓周邊緣的寬的范圍內變化。具有以上述形狀構形成的定子極的定子70優(yōu)選包括以下面將要描述的方式布置的磁阻均等化元件。
圖10A和10B是表示按照本發(fā)明的第五實施例的電動機的視圖。對于本實施例的電動機，定子70A除了定子極70b至70g基本上具有與在圖9A中所示的定子70相同的結構，定子極70b至70g具有設置包括設置在高比率磁體分布區(qū)域的非磁體段100和設置在低比率磁體分布區(qū)域的磁體段110的磁阻均等化元件的軸向端部。更具體地說，對于圖10A中所示的結構，定子磁極70b、70c、70f、70g分別具有非磁體段100。定子磁極70c、70f的寬的端部具有在低比率磁體分布區(qū)域設置磁體段110的角部。此外，定子極70d、70g分別具有分別結合磁體段110的相應的上角部。對于這種在圖10A中所示的附加地結合非磁體段100和磁體段110的定子70A，定子70A具有第一比率磁體分布區(qū)域MRG1、第二比率磁體分布區(qū)域MRG2和第三比率磁體分布區(qū)域MRG3，它們在沿著定子70A的圓周邊緣的最小化的區(qū)域中變化。由于磁體分布區(qū)域MRG1至MRG3的磁體分布率變化較小，定子70A具有大致均等的磁阻區(qū)域MRG。
圖11A和11B是表示按照本發(fā)明的第六實施例的電動機的視圖。對于本實施例的電動機，定子50C除了定子極50b至50g基本上具有與在圖3A中所示的定子50相同的結構，定子極50b至50g在高比率磁體分布區(qū)域分別具有設置包括非磁體段100的磁阻均等化元件的軸向端部。更具體地說，定子極片50b至50g的軸向端部分別具有形成有非磁體段100的角區(qū)域。對于圖11A中所示的高比率磁體分布區(qū)域附加地結合非磁體段100的定子50C，定子50C具有沿著定子50C的圓周邊緣完全均等的磁阻區(qū)域MRH。
圖11C和11D是表示圖11A和11B的第六實施例的改進形式的電動機的視圖。在該改進形式中，定子50CA包括磁阻均等化裝置，它包括在關于定子的中點的對稱位置分別與定子極相關聯(lián)的第一組非磁體段100a和第二組非磁體段100b。更具體地說，第一組非磁體段100a分別設置在定子的定子極50b至50g的一個端部上的右角部，而第二組非磁體段100b分別設置在定子的定子極50b至50g的另一個端部上的左角部。上述定子的結構的磁體分布區(qū)域MRHA具有一致的磁體分布率，顯著降低了扭矩波動。
圖11E和11F是表示圖11A和11B的第六實施例的進一步改進的形式的電動機的視圖。在該改進形式中，定子50CB包括磁阻均等化裝置，它包括分別設置在極間氣隙中的從定子級50A1-50A13的一個端部軸向延伸到另一個端部的非磁體段100c。上述定子的結構的磁體分布區(qū)域MRHB具有一致的磁體分布率，顯著降低了扭矩波動。
圖12A和12B是表示按照本發(fā)明的第七實施例的電動機的視圖。對于本實施例的電動機，定子50D除了定子極50b至50g基本上具有與在圖3A中所示的定子50相同的結構，定子極50b至50g分別具有一個在低比率磁體分布區(qū)域中連接包括磁體段110的磁阻均等化元件的軸向端部。更具體地說，定子50D分別在鄰近定子極片50b至50g的軸向端部具有低比率磁體分布區(qū)域，在其中磁體段110分別與定子極50b至50g相關聯(lián)地設置。對于圖12A中所示的具有附加地結合作為磁阻均等化元件的磁體段110的低比率磁體分布區(qū)域的定子50D，定子50D具有完全均等的磁阻區(qū)域MRI，顯著抑制了電動機中的扭矩波動。
圖13A和13B是表示按照本發(fā)明的第八實施例的電動機的視圖。對于本實施例的電動機，定子60C除了定子極60b至60g基本上具有與在圖6A中所示的定子60相同的結構，定子極60b至60g分別具有設置包括非磁體段100的磁阻均等化元件的軸向端部，非磁體段在高比率磁體分布區(qū)域內交替地設置在定子極60b至60g的相對的軸向端部中。更具體地說，對于圖13A中所示的結構，梯形定子磁極60b、60c、60e、60f具有其上分別布置了非磁體段100的狹窄端。對于圖13A中所示的在高比率磁體分布區(qū)域附加地結合非磁體段100的定子60C，定子60C具有完全均等的磁阻區(qū)域MRK。
圖14A和14B是表示按照本發(fā)明的第九實施例的電動機的視圖。對于本實施例的電動機，定子60D除了定子極60b至60g基本上具有與在圖6A中所示的定子60相同的結構，定子極60b至60g分別具有包括磁體段110的磁阻均等化元件，磁阻均等化元件在低比率磁體分布區(qū)域內交替地設置在鄰近定子極60b至60g的軸向寬的端部的區(qū)域中。更具體地說，對于圖14A中所示的結構，梯形定子磁極60b、60c、60e、60f分別具有連接磁體段110的寬的端部。對于這種如圖14A所示的在低比率磁體分布區(qū)域附加地結合磁體段110的定子60D，定子60D具有完全均等的磁阻區(qū)域MRL。
圖15A和15B是表示按照本發(fā)明的第十實施例的電動機的視圖。對于本實施例的電動機，定子70B除了定子極70b至70g基本上具有與在圖9A中所示的定子70相同的結構，定子極70b至70g具有設置包括設置在高比率磁體分布區(qū)域的非磁體段100和設置在低比率磁體分布區(qū)域的磁體段110的磁阻均等化元件的軸向端部。更具體地說，對于圖15A中所示的結構，定子磁極70b、70c、70f、70g分別具有非磁體分布段100。定子磁極70c、70f具有角部在低比率磁體分布區(qū)域設置磁體段110的寬的端部。對于這種如圖15A所示的附加地結合非磁體段100和磁體段110的定子70B，定子70D具有完全均等的磁阻區(qū)域MRM。
上面描述的第一到第十實施例只集中在定子的磁體分布率上，而在實踐中制造電動機時不能忽略三維磁通流。特別是不僅磁通量流入每個凸極的上端和下端部分(在軸向上的兩端)，而且磁通量從鄰近每個凸極的上端和下端部分的氣隙部分中流出。因此由這樣的環(huán)流的磁通量引起的不利的影響特別是對于平面形狀的電動機是不能忽略的，對于平面形狀的電動機也就是一種軸長和電動機直徑的比值較小的電動機，在這種電動機中這種不利的影響在定子極的軸線方向上的兩個端部是特別顯著的。此外，類似的環(huán)流磁通量在轉子的旋轉方向上也存在，因此由這種磁通量引起的不利影響也不能忽視。
因此，一個定子構形成具有在關于定子磁極的中心對稱的點上具有磁性材料部分，以使得由環(huán)流的磁通量產生的不利影響在每個定子極的上部區(qū)域和下部區(qū)域上對稱，提供使這種不利影響最小化的能力。作為替代方案，對于具有S個相、定子和轉子的總偏斜角基本上位于值為360/(2S)的電角度中的電動機，磁極可以具有一個大致的中央區(qū)域，具有與出現(xiàn)在相鄰的定子極之間的非磁性件相同的寬度和相同的角度的非磁性件穿過該中央區(qū)域沿軸線方向延伸。對于這種布置，電動機具有與相鄰的凸極之間的氣隙部分基本上相同的形狀的非磁性件就足夠了，并且三維磁通流可以基本上均等化，從而進一步減小了不利影響。
另外對于上面所述的各種非磁體段100最好分別由氣隙構成。這減少了用于將非磁性材料填充到非磁體段100中的工時，并且可以省略了作為非磁體段100填充的材料，在降低成本的同時獲得了使扭矩波動最小化的有利效果。
下面參考圖16A至16E來解釋按照本發(fā)明的用于確定使電動機中的扭矩波動最小化的定子極幾何形狀的方法。如上已經提出，扭矩波動是由于在轉子的旋轉位置中出現(xiàn)磁阻波動而產生的。當發(fā)生這種情況時，波動扭矩不依賴于構成轉子的磁體的極性。因此當只考慮扭矩波動時，可以假定處于給定位置的定子是與從給定位置偏移180度的電角度到達另一個位置的定子等同的，在考慮扭矩波動時根據以圖16B至16C中所示的方式綜合這些定子得到的定子極幾何形狀是沒有問題的。但是當考慮定子極幾何形狀來降低扭矩波動時這種嘗試提供了簡單的代表方案，并不試圖構造具有這種實際上綜合的定子極幾何形狀的電動機。
假定相數(shù)S是奇數(shù)，而偏斜角的值為360/(2S)的電角度，綜合某種定子和從該定子偏移180度電角度的定子來提供一種定子極幾何形狀，其具有氣隙，每個氣隙位于相鄰的定子極之間，并且相互之間的間隔相同，并且沿著定子圓周邊緣具有均等化的磁體分布率。
圖16A至16E示出了具有三相四極六槽電動機的一個例子。對于這種示例性的結構，電動機包括轉子80，其上載裝有交替地設置的N極和S極的外部邊緣，且還包括定子90，該定子包括定子極90a至90g，分別通過槽SL10沿定子90的圓周方向等距隔開。定子極90a至90g以一個60度的電角度偏斜，也就是說，30度的機械角度。對于這種結構，綜合定子90和另一個從定子90偏移了180度電角度的定子90A可以形成一個綜合的定子90B。對于這種定子極幾何形狀，綜合的定子90B包括定子極90Ba至90Bm，它們具有極間氣隙Ag(在其中只有一個定子偏移的結構的情況下鐵鐵對氣隙)以30度的機械角度并列并且以30度的電角度偏斜。因此定子90B的磁體分布率MRN在定子90B的圓周邊緣中均等化了。
同樣如圖17A至17E所示，一種改進的電動機形式最好包括轉子91，其上載裝有交替地設置的N極和S極的外部邊緣，且還包括定子92，其包括定子極94a至94g，構成了與圖14A中所示的定子相同的非一致凸極構形，其沿定子94的圓周方向間隔開。對于這種結構，綜合定子94和另一個從定子94偏移了180度電角度的定子94A使得定子94B以圖17D所示的綜合的定子極幾何形狀構成。對于這種結構，綜合的定子94B包括定子極94Ba至94Bm，具有極間氣隙SL10。因此定子94B的磁體分布率MRO在定子94B的圓周邊緣中均等化了。
理論上以上述方式設置定子和轉子的總的偏斜角(或者極間氣隙的夾角)提供了一種定子極幾何形狀，它使得扭矩波動顯著降低了。但是由于在實踐中出現(xiàn)了來自每個定子極的兩個軸向端部的三維磁通流(以下指“環(huán)流磁通量”)，分析表明，定子的偏斜角最好略小于理論值。偏斜角的減小量取決于沿著定子的圓周邊緣的極間非磁性部分的寬度，并且占據相當于該寬度0-100％的角度。
圖18A和18B示出了改進形式的三相四極六槽電動機。電動機包括轉子96和定子98，定子98包括定子極98a至98g，它們通過沿定子98的圓周邊緣的氣隙Ag1相互之間等距隔開。對于圖18A和18B中所示的結構，因為S＝3，定子98最好以60度的電角度和30度的機械角度偏斜，并且在理論上定子98的磁體分布率在定子98的圓周邊緣中均等化了。但是圖18B中所示的定子98具有傾角為8度機械角度的極間氣隙Ag1，因此最好從總偏斜角中減去0至8度的機械角度和0至16度的電角度。對于圖18B中所示的定子極幾何形狀，定子90包括偏斜了減去8度的電角度的52度的角度的定子極片98a至98g。
此外，另一種具有上述結構的定子極幾何形狀的替代方案也是可以的，其中附加地結合包括磁體段和非磁體段的磁通均等化元件，以使由磁體分布率變化以外的因素引起的磁阻差最小化，由此進一步顯著降低了扭矩波動。
另外本發(fā)明還可以應用到所有類型的使用磁體的電動機中，而與相數(shù)、極數(shù)、槽數(shù)、轉子類型、內轉子/外轉子和徑向型/軸向型無關。同樣，因為電動機的扭矩在在導電狀態(tài)期間包括在非導電狀態(tài)期間的扭矩波動和導電狀態(tài)期間的扭矩波動的綜合結果，本發(fā)明的應用還可以降低扭矩脈動。
此外，盡管在日本專利申請文件No.2003-378403中提出的具有環(huán)形定子繞組的電動機由于定子的固有的磁極結構容易使扭矩波動增壓，采用本發(fā)明的方法可以進一步降低扭矩波動。
圖19A是表示具有環(huán)形定子繞組的電動機的具體結構的橫截面圖。圖19A所示的電動機200包括三相交流電動機，其包括轉子10，該轉子具有在8個極中載裝的多個永磁體12的外部邊緣，且還包括定子14。轉子10具有由定子殼體14H可旋轉地支承的轉子軸11。永磁體12具有N極和S極，它們交替地設置在轉子10的圓周邊緣上。圖19B是表示沿圓周方向展開的轉子10的展開圖。圖19C以展開圖示出了定子14的結構。如圖19B所示，定子14包括四個U相定子極19、四個V相定子極20和四個W相定子極21。定子極19、20、21具有凸起形狀，它們具有面向轉子10的內部邊緣。環(huán)形U相繞組15、V相繞組16、17和W相繞組18與U相定子極19、V相定子極20和W相定子極21相關聯(lián)地設置。圖19D是每個相的繞組的圓周展開圖。對于這種示例性的結構，盡管示出的轉子和定子中都沒有偏斜的基本配置，但是本發(fā)明并不限于這種結構，可以構成附加地包括非磁體段和磁體段以用于降低扭矩波動的結構。例如磁路不僅可以在圖3A中所示的偏斜形式的電動機中簡單構成，而且還可以在圖6A和9A中所示的形式的定子中簡單構成，其中定子由于標準電動機以兩維磁通流為前提而很難制造。
隨著已經對本發(fā)明的特定實施例作了詳細的描述，對于本領域的普通技術人員可以根據公開文本中所有的技術方案開發(fā)出各種改進方案以及那些詳細描述的實施例的替代方案。因此公開的具體方案僅僅是用于說明，并不限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍將在下面的權利要求中給出完整的范圍和其所有等價方案。
權利要求
1.一種電動機，它包括具有其上設置多個定子極的圓周邊緣的定子；與所述定子面對面的可旋轉的轉子，其具有面對所述定子的圓周邊緣的外部邊緣；所述定子包括分別與定子極相關聯(lián)的磁阻均等化裝置，以使沿著所述定子的圓周邊緣的磁阻差最小化。
2.按權利要求1所述的電動機，其特征在于，所述磁阻均等化裝置包括至少一個非磁體段和磁體段。
3.按權利要求1所述的電動機，其特征在于，所述定子極分別以給定的角度偏斜；并且所述磁阻均等化元件分別包括部分結合在所述定子極中的所述非磁體段。
4.按權利要求1所述的電動機，其特征在于，所述定子極分別以給定的角度偏斜；并且所述磁阻均等化元件包括分別設置在鄰近所述定子極的側面區(qū)域中的磁體段。
5.按權利要求1所述的電動機，其特征在于，所述定子極包括布置在所述定子的所述圓周邊緣中的非一致的定子極；以及所述磁阻均等化元件包括分別交替地設置在所述定子極的軸向端部的非磁體段。
6.按權利要求1所述的電動機，其特征在于，所述定子極包括布置在所述定子的所述圓周邊緣中的非一致的定子極；并且所述磁阻均等化元件包括分別交替地設置在鄰近所述定子極的軸向端部的側面區(qū)域中的磁體段。
7.按權利要求1所述的電動機，其特征在于，所述定子極包括布置在所述定子的所述圓周邊緣中的非一致的定子極；并且所述磁阻均等化元件包括分別設置在第一組定子極中的磁體段和設置在第二組定子極中的非磁體段，以使沿著所述定子的所述圓周邊緣的磁阻差最小化。
8.按權利要求2所述的電動機，其特征在于，每個所述非磁體段包括氣隙。
9.按權利要求1所述的電動機，其特征在于，相數(shù)S是奇數(shù)；并且所述定子和所述轉子的總偏斜角基本上位于360/(2S)度的電角度上。
10.按權利要求1所述的電動機，其特征在于，相數(shù)是奇數(shù)；并且所述定子具有鐵鐵對氣隙，等價于所述定子和所述轉子的總偏斜角基本上位于360/(2S)度的電角度的情況下的值。
11.按權利要求1所述的電動機，其特征在于，相數(shù)S為奇數(shù)；并且所述定子和所述轉子的總偏斜角位于由從基本上為360/(2S)度的電角度減去相當于非磁體段沿所述定子的所述圓周邊緣的0％-100％的角度所獲得的值上。
12.按權利要求1所述的電動機，其特征在于，相數(shù)S為奇數(shù)；并且所述定子具有鐵鐵對氣隙，等價于從基本上為360/(2S)度的電角度減去相當于非磁體段沿著所述定子的所述圓周邊緣的0％-100％的角度獲得的值。
13.按權利要求1所述的電動機，其特征在于，所述磁阻均等化裝置包括分別與定子極相關聯(lián)的位于關于定子的中點的對稱位置上的第一組非磁體段和第二組非磁體段。
14.按權利要求1所述的電動機，其特征在于，相數(shù)S是奇數(shù)；并且所述定子和所述轉子的總偏斜角基本上位于360/(2S)度的電角度；其中磁阻均等化裝置包括分別軸向延伸穿過鄰近定子極的極間氣隙的非磁體段，每個非磁體段具有與極間氣隙基本上相同的寬度和與所述定子極基本上相同的偏斜角。
15.一種用于確定定子極幾何形狀以使電動機中的扭矩波動最小化的方法，所述方法包括確定定子，所述定子具有其上設置多個定子極的圓周邊緣；確定可旋轉地設置在所述定子中的轉子，以呈現(xiàn)與所述定子面對面的相互關系；以及設置分別與所述定子極向關聯(lián)的磁阻均等化元件，以使沿著所述定子的所述圓周邊緣的磁阻差最小。
全文摘要
一種具有減小的扭矩波動的電動機和相關的用于確定定子極幾何形狀的方法。電動機包括轉子(80、91、96)和定子(50A、50B、50C、50D、60A、60B、60C、60D、70A、90B、94B、94B、98)，其具有結合作為磁阻均等化裝置的非磁體段(110)和磁體段(100)的定子極幾何形狀以提供沿著定子的圓周邊緣均等的磁體分布。該方法包括確定第一組以360/(2S)的電角度偏斜的定子極，確定第二組從第一組定子極偏斜180度電角度的定子極，并綜合第一和第二組定子極片以提供一種包括多個以沿著定子的圓周邊緣具有均等磁通量的定子極幾何形狀確定的定子極的定子。
文檔編號H02K21/12GK1855673SQ20061007746
公開日2006年11月1日 申請日期2006年4月28日 優(yōu)先權日2005年4月28日
發(fā)明者牧田真治, 梨木政行 申請人:株式會社電裝