專利名稱：電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電機，所述電機具有用于容納電繞組的不規(guī)則幾何形狀的定子齒。
背景技術(shù)：
能夠用作電動機和發(fā)電機的電機的定子通常具有鐵芯，鐵芯包括包圍轉(zhuǎn)子的一堆 疊片，在疊片和轉(zhuǎn)子之間存在氣隙。轉(zhuǎn)子也具有鐵芯。在永磁電機的情況下，轉(zhuǎn)子具有多組 永磁體，所述永磁體插入到轉(zhuǎn)子芯中的開口中。定子疊片具有徑向槽，定子繞組位于徑向槽 中。繞組攜帶激勵電流以產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。疊片的位于兩個連續(xù)槽之間的部分可被稱為定子齒， 定子齒引導(dǎo)磁通。在傳統(tǒng)的多相電機中，齒具有相同的形狀和尺寸。當(dāng)定子線圈被施加多相正弦電壓時，定子齒的單獨組和定子繞組形成多個磁極， 所述多個磁極產(chǎn)生磁通流動模式。例如，三相電機具有總共8個極和48個槽。一組6個槽 應(yīng)是這里公開的48個槽的電機的特定示例的每個極的特性。定子繞組產(chǎn)生的磁通與電機 的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁通相互作用，從而當(dāng)使用多相電壓激勵定子繞組時，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩。如在第12/566，723號共同專利申請中所解釋的(所述共同專利申請于2009年9 月25日提交，名稱為“電機的定子”，被受讓給本發(fā)明的受讓人)，通過由定子繞組產(chǎn)生的磁 通場和由轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁通場的相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩形成均勻的轉(zhuǎn)矩分量和變化的轉(zhuǎn)矩分 量。由于氣隙中的諧波磁通分布，導(dǎo)致由定子和轉(zhuǎn)子形成變化的轉(zhuǎn)矩分量。電機的總的輸 出轉(zhuǎn)矩為上述兩個分量的結(jié)合。由于變化的轉(zhuǎn)矩分量，引起產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動現(xiàn)象，這導(dǎo)致當(dāng) 電機用作電動機時的電動機轉(zhuǎn)矩輸出速度振蕩。如果電機用于在電動車輛動力系中產(chǎn)生轉(zhuǎn) 矩，則轉(zhuǎn)矩波動可導(dǎo)致傳動系統(tǒng)速度振蕩，當(dāng)電機在車體和底盤結(jié)構(gòu)中諧振時，會導(dǎo)致車輛 振動和噪聲。定子磁通和轉(zhuǎn)子磁通分布在存在于轉(zhuǎn)子的外圓周和定子的內(nèi)圓周之間的整個氣 隙中。兩個磁通分布中的最大分量被稱為基本分量。在電機的正常操作期間，定子基本磁 通和轉(zhuǎn)子基本磁通沿相同方向以相同速度旋轉(zhuǎn)。因此，定子基本磁通和轉(zhuǎn)子基本磁通之間 的相互作用產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩。由于定子中的槽開口，使得氣隙磁導(dǎo)(permance)不是常數(shù)，這 導(dǎo)致所謂的諧波磁通，諧波磁通的極數(shù)、旋轉(zhuǎn)速度和方向與定子基本磁通和轉(zhuǎn)子基本磁通 的極數(shù)、旋轉(zhuǎn)速度和方向不同。不同的諧波磁通之間的相互作用產(chǎn)生與轉(zhuǎn)矩波動相關(guān)聯(lián)的 可變轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩波動具有不同的分量，所述不同的分量具有不同的頻率。轉(zhuǎn)矩波動的階次 (order)被定義為轉(zhuǎn)矩波動的頻率與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度之比。對于大多數(shù)應(yīng)用，特別是在混合動力電動車輛動力系應(yīng)用的情況下(在混合動力 電動車輛動力系應(yīng)用中，在與電牽引電動機的輸出軸速度成比例的可變頻率處出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩波 動分量)，轉(zhuǎn)矩波動需要被減小到可管理的水平。較高階次的頻率通?？赏ㄟ^動力系的機械 部件中的有限帶寬被濾掉。然而，較低的頻率導(dǎo)致不容易被濾掉的機械振蕩。這樣的振蕩 在混合動力電動車輛動力系中是不可接受的。電動機的在較低頻率處的轉(zhuǎn)矩波動的存在導(dǎo) 致電動機產(chǎn)生不期望的振動和噪聲。
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在名稱為“具有偏移極間隔的永磁電機”、2008年11月11日提交的第12Λ68，592 號申請中，通過調(diào)整轉(zhuǎn)子攜帶的永磁體的幾何形狀來影響轉(zhuǎn)矩波動的形狀。通過以非對稱 分布模式使用磁體，可在幅度上減小總的電機轉(zhuǎn)矩波動。第12Λ68，592號申請受讓給本發(fā) 明的受讓人。用于減小轉(zhuǎn)矩波動的另一種已知方法涉及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)包括以小角度增 量彼此偏斜的多個組件(section)，使得一個組件的一個磁極相對于相鄰的轉(zhuǎn)子組件的極 軸成角度地布置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的電機具有定子疊片，所述定子疊片具有不規(guī)則齒。與具有疊片的規(guī)則齒 幾何形狀的傳統(tǒng)定子相比，該電機能夠減小如上所述的轉(zhuǎn)矩波動的幅度，同時保持電機的 平均轉(zhuǎn)矩基本恒定。雖然這里公開的實施例包括內(nèi)永磁電機，但是本發(fā)明的定子疊片設(shè)計 可用于任何類型的電機。定子疊片的齒沿疊片的內(nèi)徑布置。本發(fā)明修改氣隙磁導(dǎo)的變化的效果，同時保持 氣隙磁導(dǎo)的一致的平均值，以減小諧波磁通，這導(dǎo)致目標(biāo)轉(zhuǎn)矩波動(特別是第M次轉(zhuǎn)矩波 動)的降低。 根據(jù)本發(fā)明，提供一種電機，所述電機包括轉(zhuǎn)子和定子，定子圍繞轉(zhuǎn)子，在定子和 轉(zhuǎn)子之間存在氣隙，定子包括多個槽，所述多個槽在定子的整個內(nèi)圓邊緣向轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸 線延伸，所述多個槽容納電線圈繞組，所述多個槽限定定子齒，所述定子齒具有不規(guī)則的齒 形狀的序列，從而氣隙磁導(dǎo)被修改，以減小通過在定子上開槽產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，通過成對地形成定子齒來實現(xiàn)不規(guī)則的齒的幾何形 狀，其中，每對齒中的一個齒比該對齒中的相鄰齒的長度長，這產(chǎn)生具有下降的諧波分量的 磁導(dǎo)變化。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，可使用不規(guī)則的齒尖設(shè)計(諸如一個齒的凹進(jìn)尖端以 及相鄰齒的凸起尖端)，來形成齒。在本發(fā)明的另一實施例中，定子齒可被成對地布置，其中，每對齒中的一個齒可以 是傳統(tǒng)設(shè)計，該對齒中的相鄰齒可使用不規(guī)則的齒尖設(shè)計被形成。在本發(fā)明的另一實施例中，定子齒可按照一組三個齒被布置，其中，兩個齒被形成 有齒孔，不具有孔的第三齒被布置在具有孔的兩個齒之間。在本發(fā)明的另一實施例中，定子齒可按照一組兩個齒被布置，其中，定子齒圍繞定 子的內(nèi)圓周被布置，每對齒中的一個齒比該對齒中的另一個齒短。在本發(fā)明的另一實施例中，齒被成組地布置，其中，至少兩個齒的齒尖的形狀與該 組中另一齒的齒尖的形狀不同。在本發(fā)明的另一實施例中，定子具有定子齒，所述定子齒具有三種不同的齒尖輪 廓，所述齒按照每四個齒重復(fù)的模式被布置。


圖1是永磁電機的一般的轉(zhuǎn)子疊片的俯視圖，該永磁電機具有按照V形磁體布置 而設(shè)置在轉(zhuǎn)子的圓周上的磁體。
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圖Ia是從圖1的剖面線Ia-Ia所在的平面觀看時的圖1的轉(zhuǎn)子的橫斷面視圖。圖加是一般的永磁電機的單極組件的疊片組件的俯視圖。圖2b是圖加中的定子組件的展開視圖。圖2c是定子疊片的俯視圖，其中，按照繞組形成用于具有48個槽的定子繞組的8 個極的方式，以圖解形式示出了定子槽中的定子繞組的布置。圖3a示出了展開的定子組件，所述定子組件限定了單個定子極，圖3a還示出了圖 2b中的定子設(shè)計以進(jìn)行比較。圖北是作為圖3a中的定子組件的角度布置θ的函數(shù)的磁導(dǎo)變化P的曲線圖。圖3c是圖3a中的定子組件的最大諧波分量的曲線圖。圖4是具有不規(guī)則齒尖幾何形狀的疊片設(shè)計的齒的展開視圖。圖5是示出不規(guī)則齒與傳統(tǒng)的齒設(shè)計的比較的設(shè)計。圖6是具有不規(guī)則齒寬度的疊片設(shè)計的視圖。圖7是具有不規(guī)則齒的疊片設(shè)計的視圖，所述不規(guī)則齒具有齒孔。圖8是具有組合的窄齒寬度和不同長度的齒的疊片設(shè)計的視圖。圖9是具有不規(guī)則齒設(shè)計的定子疊片的視圖，所述不規(guī)則齒設(shè)計具有三種類型的 齒尖輪廓。圖10是具有不規(guī)則齒設(shè)計的定子疊片的視圖，所述不規(guī)則齒設(shè)計具有三種不同 類型的齒尖輪廓。圖11是示出傳統(tǒng)齒設(shè)計的轉(zhuǎn)矩分量的幅度和不規(guī)則齒設(shè)計的轉(zhuǎn)矩分量的幅度的 圖表。
具體實施例方式圖1示出了一般的內(nèi)永磁電機的極組件，該內(nèi)永磁電機具有用于定子組件(如在 標(biāo)號10處所示)的一般的規(guī)則齒槽分布。圖Ia中的橫斷面視圖示出了定子疊片10的堆 疊布置。疊片由導(dǎo)磁(permeable)黑色金屬制成，并且形成有徑向地延伸的槽12，槽12容 納繞組14。永磁體16位于形成在轉(zhuǎn)子疊片18中的開口中。轉(zhuǎn)子疊片按照與圖Ia所示的 定子的堆疊布置類似的方式被堆疊。定子磁通和轉(zhuǎn)子磁通分布在如在標(biāo)號20處所示的整 個氣隙中。通過轉(zhuǎn)子磁通和定子磁通的相互作用產(chǎn)生基本轉(zhuǎn)矩分量。如上所述，基本磁通 模式沿相同方向以相同速度旋轉(zhuǎn)，由此產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩。由于槽12導(dǎo)致定子疊片的不連續(xù)性，所以氣隙磁導(dǎo)不是常數(shù)，從而諧波磁通的極 數(shù)、旋轉(zhuǎn)速度和方向與定子基本磁通和轉(zhuǎn)子基本磁通的極數(shù)、旋轉(zhuǎn)速度和方向不同。如上面 所解釋的，這產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩波動。轉(zhuǎn)矩波動的階次被定義為轉(zhuǎn)矩波動的頻率與轉(zhuǎn)子的每秒旋 轉(zhuǎn)速度之比。圖加是不具有圖1中所示的繞組的疊片組件10的視圖。定子開口或槽限定徑向 齒22。圖2b是圖加中所示的定子組件的展開視圖，由此齒布置以直線呈現(xiàn)。每個齒在形 狀上彼此相同，這導(dǎo)致沿定子圓周的模式重復(fù)。齒尖M被成形為遵循與比轉(zhuǎn)子外徑稍大的 直徑對應(yīng)的圓輪廓。如上所解釋的，圖2b中所示的齒槽模式導(dǎo)致諧波轉(zhuǎn)矩分量。本發(fā)明將修正由定子槽導(dǎo)致的氣隙磁導(dǎo)的變化，由此減小諧波磁通，這導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩 波動的幅度減小，尤其是第M階次轉(zhuǎn)矩波動的幅度減小。通過使用不規(guī)則齒形狀的序列來實現(xiàn)這種減小。齒的形狀被設(shè)計為調(diào)整由定子的開槽導(dǎo)致的氣隙磁導(dǎo)。為了保持相同的平 均轉(zhuǎn)矩和相同的定子繞組損失，本發(fā)明的疊片設(shè)計具有相同的槽面積，由此不改變主磁通 流動路徑。圖3a至圖8的疊片設(shè)計示出了磁導(dǎo)調(diào)整的原理。上面討論的不同齒輪廓的使用可推廣到其它數(shù)量的多齒組合。圖9和圖10示出 了不規(guī)則齒模式構(gòu)造的其它組合的示例。在這兩種情況下，三種不同的齒輪廓被組合，以形 成具有不同定子齒模式的定子疊片。為了描述定子線圈繞組模式，假設(shè)繞組在圖2c中的端子25處開始。圖5中示出 的繞組的模式與每個實施例的定子設(shè)計的繞組模式類似。圖5示出了本發(fā)明的第二實施例 的槽模式，所述槽模式具有多個槽組，每組具有三個不同圓周寬度的齒。繞組進(jìn)入槽#6，并 延伸到槽#1。繞組穿過槽#1返回。然后，繞組延伸到槽#7，并進(jìn)入槽#7。繞組穿過槽#12 返回，然后繞組進(jìn)入槽#18。然后，繞組穿過槽#13返回，并進(jìn)入槽#19。然后，繞組穿過槽 把4返回，并進(jìn)入槽#30。然后，繞組穿過槽#25返回，并進(jìn)入槽#31。然后，繞組穿過槽#36 返回，并進(jìn)入槽#42。然后，繞組穿過槽#37返回，并進(jìn)入槽#43。繞組穿過槽#48返回。然 后，繞組在端子27處結(jié)束，由此完成三相電機的第一相的繞組模式。三相電機的其它兩相B和C的繞組具有類似的進(jìn)入和返回模式。由槽#1至槽#6 限定的齒以及它們各自的繞組建立第一極。類似地，由用于槽#7至槽#12的齒以及繞組建 立第二極。由用于槽#13至槽#18的齒以及繞組建立第三極。由用于槽#19至槽#24的齒 以及繞組建立第四極。由用于槽#25至槽#30的齒以及繞組建立第五極。由用于槽#31至 槽#36的齒以及繞組建立第六極。由用于槽#37至槽#42的齒以及繞組建立第七極。由用 于槽#43至槽#48的齒以及繞組建立第八極。因此，總共有8個極和48個槽，其限定了由 字母A、B和C標(biāo)識的三個相。圖3a示出了具有規(guī)則齒沈的疊片和具有不規(guī)則齒觀、30的疊片(齒每隔一個較 短)。圖北示出了由于定子槽開口導(dǎo)致的氣隙磁導(dǎo)變化。如圖北的左側(cè)視圖所示，規(guī)則形 狀的齒具有規(guī)則的變化，如圖北的右側(cè)視圖所示，不規(guī)則形狀的齒具有不規(guī)則的變化。圖 3c的左側(cè)視圖和右側(cè)視圖分別示出了兩組疊片的最低諧波分量。具有規(guī)則齒的傳統(tǒng)疊片的 最低磁導(dǎo)諧波的階次與齒數(shù)相同。另一方面，由于選擇了交替的齒模式，所以具有不規(guī)則齒 的疊片包含強的低階次諧波，所述低階次是齒數(shù)的一半?？砂凑斩喾N不同方式來調(diào)整氣隙磁導(dǎo)，所述方式包括調(diào)整相鄰齒的相對高度。從 實用的角度來說，可通過使用圖4中所示的疊片設(shè)計來實現(xiàn)從一個齒邊緣到下一個齒邊緣 的平滑轉(zhuǎn)換。在這種情況下，所有齒的邊緣的長度可與傳統(tǒng)的齒的長度相等，在圖5中的標(biāo) 號32處示出了最小氣隙長度。為了實現(xiàn)磁導(dǎo)調(diào)整，如圖4中的標(biāo)號34和36處所示，按照 下述方式修改齒頂?shù)男螤铨X每隔一個具有凹進(jìn)尖端34，而其它齒尖具有凸起形狀36。為 了保持最小氣隙長度32，齒尖的最外點可相對于轉(zhuǎn)子表面38位于與傳統(tǒng)疊片的規(guī)則齒的 距離相同的距離處。圖5示出了與傳統(tǒng)疊片的輪廓40重疊的圖4的不規(guī)則齒的疊片設(shè)計。尖端凹進(jìn) 和尖端凸起由尺寸箭頭示出。實現(xiàn)沿著氣隙的期望的磁導(dǎo)調(diào)整(由此減小轉(zhuǎn)矩波動)的另一方式是改變整個齒 形狀，使得齒每隔一個展示出比相鄰齒的磁導(dǎo)稍微低的磁導(dǎo)(如圖6所示)。這可通過使齒 每隔一個稍微較窄(如標(biāo)號42所示)來實現(xiàn)。每個槽的尺寸可保持不變，導(dǎo)致一半的齒比另一半的齒寬(如標(biāo)號44所示)。通過在齒尖中引入一個或多個孔46 (如圖7所示)，也可改變齒的等效磁導(dǎo)。如果 齒每隔一個被設(shè)計為具有一個或多個孔，而另一半的齒相對于傳統(tǒng)設(shè)計保持不變，則結(jié)果 是在疊片輪廓中所有齒的外形相同，而包含孔的那些齒將具有較低的磁導(dǎo)，導(dǎo)致與如上所 述的磁導(dǎo)調(diào)整效果類似的磁導(dǎo)調(diào)整效果。最后，圖3a至圖7所示的設(shè)計選項可按照多種方式被組合，以形成可利用各個設(shè) 計的組合效果的優(yōu)點的新設(shè)計選項。在圖8中示出了這些可行的組合中的一個組合的示 例。圖8示出了組合了圖3a和圖6中描述的不規(guī)則齒設(shè)計的疊片設(shè)計。在這種情況下，具 有較短齒設(shè)計(圖3a至圖3c)的優(yōu)點與窄齒設(shè)計的優(yōu)點結(jié)合，以產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩波動降 低。圖9示出了具有在標(biāo)號觀‘,34'和36'處示出的三種不同的齒輪廓，所述三種 不同的齒輪廓產(chǎn)生了每組6個齒重復(fù)的模式。圖10示出了具有三種類型的齒尖輪廓的不規(guī)則齒的示例。每組4個齒重復(fù)齒尖 分布模式。為了量化新定子疊片設(shè)計的優(yōu)點，可對遵循在圖3a至圖10中示出的模式的多個 不同齒頂設(shè)計運行有限元仿真。結(jié)果表明，建議的不規(guī)則齒設(shè)計可有效減小第M次轉(zhuǎn)矩波 動分量(對于具有48個齒的定子)，而僅對平均轉(zhuǎn)矩值有微小沖擊。圖11示出了包括本發(fā)明的公開實施例的定子的第M次諧波和第48次諧波的相 對幅度的比較。如該圖所示，例如，圖8的窄齒和較短齒設(shè)計的第M次轉(zhuǎn)矩諧波分量可比 傳統(tǒng)設(shè)計的第M次轉(zhuǎn)矩諧波分量小大約40%。雖然已經(jīng)公開了本發(fā)明的實施例，但是在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，本領(lǐng)域 技術(shù)人員可作出修改。所有的這些修改及其等同物由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種電機，所述電機包括轉(zhuǎn)子和定子，定子圍繞轉(zhuǎn)子，在定子和轉(zhuǎn)子之間存在氣隙， 定子包括多個槽，所述多個槽在定子的整個內(nèi)圓邊緣向轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線延伸，所述多個槽容納電線圈繞組，所述多個槽限定定子齒，所述定子齒具有不規(guī)則的齒形狀的序列，從而氣隙磁導(dǎo)被修 改，以減小通過在定子上開槽產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機，其中，所述定子齒圍繞所述圓邊緣被布置為多組，每組 限定單獨的磁極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機，其中，當(dāng)多相電壓被施加到定子繞組時，所述齒適于 引導(dǎo)磁通流動路徑中的磁通穿過氣隙，從而定子繞組產(chǎn)生的磁通與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁通相互作 用，以產(chǎn)生轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電機，其中，轉(zhuǎn)子包括由導(dǎo)磁金屬制成的疊片，當(dāng)多相電壓被 施加到定子繞組時，定子的基本磁通模式適于與轉(zhuǎn)子的基本磁通模式相互作用，從而產(chǎn)生 相對恒定的轉(zhuǎn)矩。
全文摘要
一種電機，具有定子和轉(zhuǎn)子，定子圍繞轉(zhuǎn)子，在定子和轉(zhuǎn)子之間存在氣隙。定子具有其內(nèi)圓邊緣中的多個槽，所述多個槽用于容納定子線圈繞組。所述多個槽限定的定子齒具有不規(guī)則形狀，以修改氣隙中的可變磁通流動模式，從而在對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的平均值產(chǎn)生最小影響的情況下減小諧波轉(zhuǎn)矩分量。
文檔編號H02K1/14GK102122852SQ20111000501
公開日2011年7月13日 申請日期2011年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月11日
發(fā)明者梁峰, 歐陽文, 邁克爾·W·德格納, 阿爾費雷多·R·穆尼奧斯 申請人:福特全球技術(shù)公司