專利名稱：旋轉(zhuǎn)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及旋轉(zhuǎn)電機，更特別地涉及能作為提供高質(zhì)量驅(qū)動的電動機的永磁式電機。
背景技術(shù)：
在使用旋轉(zhuǎn)電機的不同類型的設(shè)備中，要求旋轉(zhuǎn)電機具有不同的特性。例如，當(dāng)電機在具有內(nèi)燃機的混合動力車(HEV)中用作牽引電動機或者在電動車(EV)中用作驅(qū)動源時，要求電機在較寬的范圍上作為可變速電動機，并且在低轉(zhuǎn)速運行時作為高轉(zhuǎn)矩電動機。提出一種具有這樣的特性的電機，其通過采用內(nèi)置式永磁(IPM)結(jié)構(gòu)來構(gòu)造，其中多對永磁體以每對磁體以朝轉(zhuǎn)子外周開口的“V”形結(jié)構(gòu)來設(shè)置的方式嵌入轉(zhuǎn)子中，因為使用能夠有效地利用磁阻轉(zhuǎn)矩連同磁性轉(zhuǎn)矩的結(jié)構(gòu)是有利的，參見例如專利文獻1、2和3?，F(xiàn)有技術(shù)文件專利文獻專利文獻1:日本特開平 2006-254629 (P2006-254629 A)專利文獻2:日本特開平 2008-104323 (P2008-104323 A)專利文獻3:日本特開平 2004-282889 (P2004-282889 A)

發(fā)明內(nèi)容
采用IPM結(jié)構(gòu)使得電機能夠有效地利用磁阻轉(zhuǎn)矩，因為q軸磁路是由嵌入轉(zhuǎn)子中的以“V”形結(jié)構(gòu)設(shè)置的的每對永磁體保持的。這提高了磁阻轉(zhuǎn)矩相對于磁性轉(zhuǎn)矩所占的比例以及凸極比(Ld/Lq)，即d軸感應(yīng)系數(shù)與q軸感應(yīng)系數(shù)之比，導(dǎo)致較高階的空間諧波覆蓋通量波形的趨勢增大。直軸或d軸與磁極產(chǎn)生的通量方向?qū)R，并作為以“V”形設(shè)置的每對永磁體之間的中心軸，而正交軸或q軸在電力和磁力上與d軸成90電角度，并作為相鄰磁極(即相鄰的永磁體對)之間的中心軸。這導(dǎo)致這種旋轉(zhuǎn)電機中存在較高的轉(zhuǎn)矩脈動，即一轉(zhuǎn)中最大轉(zhuǎn)矩與最小轉(zhuǎn)矩之差。高轉(zhuǎn)矩脈動導(dǎo)致電機振蕩和電磁噪聲增大。特別是，因為與內(nèi)燃機驅(qū)動裝置產(chǎn)生的噪聲相比，較高頻的電磁噪聲會給用電機作為電驅(qū)動裝置的車輛內(nèi)的乘客帶來不愉快的聲音，因此希望盡可能地減小電磁噪聲。另一方面，振蕩變小導(dǎo)致電機的性能效率降低，但是要求高效的性能以通過較少的耗電有效地產(chǎn)生所需的驅(qū)動力。需要降低的不僅是轉(zhuǎn)矩脈動，還包括總諧波失真(THD)，因為降低疊加在線電壓上的較高諧波以保持低輸入功率能夠?qū)崿F(xiàn)電機的高效運轉(zhuǎn)。以上列出的專利文獻1，2和3描述了旋轉(zhuǎn)電機結(jié)構(gòu)中用于提高能效的各種情況，但是所述的各種情況不能提供較低的轉(zhuǎn)矩脈動從而降低振蕩和噪聲，因為沒有對隨后描述的磁開度角以及磁極開度角和磁開度角之比對降低振蕩和噪聲的影響給予關(guān)注。因此，本發(fā)明的目的是提供一種旋轉(zhuǎn)電機，該電機不僅通過降低轉(zhuǎn)矩脈動，還通過降低線電壓和總諧波失真THD，來減小振蕩和噪聲，從而提供高品質(zhì)和有效的運轉(zhuǎn)。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種旋轉(zhuǎn)電機，包括轉(zhuǎn)子和定子，所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子軸位于轉(zhuǎn)子軸線上，所述定子可轉(zhuǎn)動地容納所述轉(zhuǎn)子，其中所述定子包括多個齒部和多個槽，所述多個齒部朝所述轉(zhuǎn)子的外周表面延伸并且終止于面對所述轉(zhuǎn)子的所述外周表面的內(nèi)周表面，每個槽位于相鄰的兩個齒部之間，提供繞所述齒部纏繞用于輸入驅(qū)動電力的線圈所用的空間，其中所述轉(zhuǎn)子具有嵌入其中的多個永磁體，從而使得磁力作用在齒部的與所述永磁體相對的表面，還具有形成為用于限制轉(zhuǎn)子內(nèi)部沿永磁體側(cè)方的泄漏通量的多個通量屏障，其中在電流通過所述線圈時由通過所述齒部、所述齒部的后表面?zhèn)群退鲛D(zhuǎn)子的磁通量所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩以及與所述永磁體的干擾所產(chǎn)生的吸引和排斥形式的磁體轉(zhuǎn)矩的作用下，所述定子中的所述轉(zhuǎn)子被驅(qū)動轉(zhuǎn)動，其中所述永磁體的位置設(shè)置為當(dāng)所述轉(zhuǎn)子中的所述多個永磁體中的一組永磁體和所述多個通量屏障中的一組通量屏障對應(yīng)于所述定子中的所述多個槽中的一組槽并且形成磁極時，每組永磁體的磁體開度角和包括通量屏障外邊緣的磁極的有效磁極開度角之比落入有效地使轉(zhuǎn)矩脈動最小化的范圍內(nèi)。 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種旋轉(zhuǎn)電機，其特征是除了上述第一方面指出的特征之外，通過嵌入所述一組永磁體來形成所述轉(zhuǎn)子中的一個磁極，使得永磁體對以朝所述轉(zhuǎn)子的外周表面開口的“V”形結(jié)構(gòu)設(shè)置，所述一組槽為六個，所述一個磁極設(shè)置為使得所述磁體開度角除以有效磁極開度角得到的開度角比δ落入0.762彡δ彡0.816的范圍內(nèi)。因此，根據(jù)上述本發(fā)明的第一方面，旋轉(zhuǎn)電機能夠在轉(zhuǎn)子中面對定子的齒部設(shè)置和嵌入一組永磁體，使得每組永磁體的磁體開度角和包括通量屏障外邊緣的磁極的有效磁極開度角的比落入有效地使轉(zhuǎn)矩脈動最小化的范圍內(nèi)。這能使電機在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)過程中減小轉(zhuǎn)矩脈動(即一轉(zhuǎn)中最大轉(zhuǎn)矩與最小轉(zhuǎn)矩之差)，實現(xiàn)具有較小振蕩和噪聲的高質(zhì)量運轉(zhuǎn)，同時實現(xiàn)具有較小損耗的高效運轉(zhuǎn)。根據(jù)上述的本發(fā)明的第二方面，當(dāng)針對以“V”形結(jié)構(gòu)設(shè)置的永磁體對的一個磁極對應(yīng)于一組六個槽時，開度角比δ落入0.762 < δ <0.816的范圍內(nèi)。這使得旋轉(zhuǎn)電機能夠減小轉(zhuǎn)矩脈動，以及實現(xiàn)具有較小振蕩、噪聲和較小損耗的高質(zhì)量運行。優(yōu)選地，所述有效磁極開度角處在能有效減小疊加在通過所述齒部之一的磁通波形上的特定階的諧波的角度范圍內(nèi)。例如，優(yōu)選地，當(dāng)永磁體對以V”形結(jié)構(gòu)設(shè)置以及一個磁極對應(yīng)于一組六個槽時，所述有效磁極開度角Θ落入144° ( Θ (電角度)<154.3°的范圍內(nèi)以進一步降低轉(zhuǎn)矩脈動。


圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)電機的一種實施方式的平面圖，其顯示了旋轉(zhuǎn)電機的整體結(jié)構(gòu)的外形。圖2是顯示用于電機磁極中的有效磁極開度角的局部平面圖。圖3是顯示當(dāng)電機轉(zhuǎn)子沒有磁極時由電機定子產(chǎn)生的磁通流圖形(magnetic fluxflow pattern)的平面圖。
圖4是表示磁通(基波)的擬合波形的圖示。圖5是顯示磁通擬合波形、有效磁極開度角和磁體開度角之間的關(guān)系的示意圖。圖6A和6B是顯示定子中產(chǎn)生的振蕩或振動模式的示意圖。圖7A和7B是顯示定子中產(chǎn)生的與圖6A和6B的振動模式不同的振蕩或振動模式的示意圖。圖8是描述以磁體開度角與磁極開度角的比值為參數(shù)的電磁場分析結(jié)果的圖。
具體實施例方式參考附圖，以下將具體解釋本發(fā)明的實施方式。圖1至圖8顯示了根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)電機的一種實施方式。參考圖1和2，旋轉(zhuǎn)電機(電動機)10在例如混合動力車或者電動汽車中作為類似于內(nèi)燃機的驅(qū)動源或者作為輪轂驅(qū)動單元時具有良好的性能，其包括以圓柱形結(jié)構(gòu)形成的定子11和具有轉(zhuǎn)動軸13的可轉(zhuǎn)動地容納在定子11中的轉(zhuǎn)子12，其中轉(zhuǎn)子12位于與定子11的軸線共軸的轉(zhuǎn)動軸線上。定子11和轉(zhuǎn)子12之間存在氣隙G，定子11包括貫穿內(nèi)部圓形邊緣朝轉(zhuǎn)動軸線延伸的槽18，槽18限定了多個定子齒部15。定子齒部15沿徑向方向朝轉(zhuǎn)子軸線延伸，并且其端部面對轉(zhuǎn)子12的外圓周表面12a并與外圓周表面12a之間形成氣隙G。纏繞定子齒部15以提供三相分布繞組(未顯示)從而形成線圈繞組，線圈繞組被配置為感生通量圖形從而產(chǎn)生傳遞至轉(zhuǎn)子12的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子12是內(nèi)置式永磁(IPM)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子12中嵌入多組(在本例中為多對)永磁體16，每組磁體包括以朝轉(zhuǎn)子外圓周表面12a開口的“V”形結(jié)構(gòu)設(shè)置的永磁體對16。轉(zhuǎn)子12形成有以朝外圓周表面12a開口的“V”形結(jié)構(gòu)設(shè)置并且沿軸線延伸穿過轉(zhuǎn)子12的多對孔17。每對孔17包括一對孔部分17a，每對永磁體16 (其是片狀磁體)容納在一對孔部分17a中并且通過其角部16a保持固定，每個角部16a均插入相應(yīng)的孔部分17a中并且與限定相應(yīng)的孔部分17a的相鄰的兩個成一定角度的內(nèi)壁保持面對面的關(guān)系。每個孔17包括兩個空間部分17b，兩個空間部分17b位于相應(yīng)的片狀磁體16的相對側(cè)面上，并且沿永磁體16的寬度方向間隔開來以作為限制泄漏通量的通量屏障(flux barrier，以下稱為通量屏障)。每對孔17設(shè)置有互連相關(guān)聯(lián)的對中的永磁體16的中間橋部20，以便抵抗轉(zhuǎn)子12高速旋轉(zhuǎn)時的離心力從而將永磁體16保持在適當(dāng)?shù)奈恢蒙?。在該旋轉(zhuǎn)電機10中，定子齒部15在角度上被間隔以提供容納線圈繞組的空間，即槽18，從而六個定子齒部15與八組永磁體16中相應(yīng)的一組配合，換言之，六(6)個槽18面對八組永磁體16中的一組。因此，旋轉(zhuǎn)電機10被配置作為包括用于八(8)組永磁體16的八⑶個磁極(四對磁極)的8極48槽三相IPM電動機，其中每組永磁體16的N極和S極相對于相鄰組的永磁體的N極和S極轉(zhuǎn)動180機械角度，并且四十八(48)個槽18容納通過單相分布繞組形成的線圈繞組，單相分布繞組使用六(6)個槽18限定五(5)個定子齒部15。在上述解釋中，為了方便而使用所示的標(biāo)注N和S，但是它們并不在組件的表面上。該結(jié)構(gòu)使得當(dāng)槽18中的線圈繞組被激勵時，旋轉(zhuǎn)電機10驅(qū)動轉(zhuǎn)子12和轉(zhuǎn)子軸13，從而磁通流圖形從定子齒部15經(jīng)過外圓周表面12a向內(nèi)進入轉(zhuǎn)子12，因為除了每組永磁體16的磁極的通量流圖形與磁通流圖形之間的相互作用引起的吸引和排斥所產(chǎn)生的磁體轉(zhuǎn)矩之外，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩還由趨于使來自于定子11的磁通流圖形的磁流路最小化的磁阻轉(zhuǎn)
矩產(chǎn)生。如圖3所示，旋轉(zhuǎn)電機10具有由分布繞組形成的容納于槽18中的線圈繞組，以提供通量流圖形，該通量流圖形包括分布的磁路，對于對應(yīng)于多對永磁體16的磁極之一的多組定子齒部15中的每一組，該磁路從定子11進入轉(zhuǎn)子12。每對永磁體16的V形孔17沿著磁路延伸，換言之，以不干擾該磁路形成的方式延伸。應(yīng)指出，為了獲得理想的輸出轉(zhuǎn)矩，諸如硅鋼之類的磁鋼疊片軸向疊置到適當(dāng)?shù)暮穸龋⑶以诙ㄗ?1和轉(zhuǎn)子12的制造過程中通過緊固螺釘利用挺桿孔19被緊固?，F(xiàn)在考慮采用IPM結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)電機10，其中永磁體16嵌入轉(zhuǎn)子12中，可以通過圖4所示的方波形擬合定子11的定子齒部15的一個齒部中的磁通量的變化。該磁通基波和較低階的空間諧波(5階和7階諧波)的疊加不僅是影響車輛乘客所感受到的振蕩和噪聲的因素，還是影響高轉(zhuǎn)矩脈動(即一轉(zhuǎn)中最大轉(zhuǎn)矩和最小轉(zhuǎn)矩之差)產(chǎn)生的熱能形式的損耗所導(dǎo)致的鐵損和電機運行效率降低的因素。抑制空間諧波可減小鐵損從而提升相對于電能輸入的電機運行效率，因為磁滯損耗是頻率和磁通密度之積，且渦流損耗是頻率的平方和磁通密度之積。轉(zhuǎn)至圖·4，其中豎直軸代表磁通量，水平軸代表時間，所示方波形擬合一個電角度周期T(4L1+2L2)中定子齒部15的一個齒部中的磁通量的變化，在一個周期T中，在期間LI中沒有磁通量通過齒部，在周期T的第一半的期間L2中，具有一定幅度的磁通量向前通過齒部，在周期T的第二半的期間L2中，具有一定幅度的磁通量反向通過齒部。來自于電動機(旋轉(zhuǎn)電機)的電磁噪聲是由作用在定子上的電磁力引起的定子振蕩產(chǎn)生的。當(dāng)電磁力作用在定子上時，存在轉(zhuǎn)子和定子之間的磁耦合所引起的徑向電磁力和轉(zhuǎn)矩所引起的角向電磁力。以線性磁回路擬合電機，考慮作用在每個定子齒部15上的徑向電磁力，徑向電磁力fr和磁能W可以在以下公式(I)和⑵中表達為:
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)電機，包括轉(zhuǎn)子和定子，所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子軸位于轉(zhuǎn)子軸線上，所述定子可轉(zhuǎn)動地容納所述轉(zhuǎn)子， 其中所述定子包括多個齒部和多個槽，所述多個齒部朝所述轉(zhuǎn)子的外周表面延伸并且終止于面對所述轉(zhuǎn)子的所述外周表面的內(nèi)周表面，每個槽位于相鄰的兩個齒部之間，提供繞所述齒部纏繞用于輸入驅(qū)動電力的線圈所用的空間， 其中所述轉(zhuǎn)子具有嵌入其中的多個永磁體，從而使得磁力作用在齒部的與所述永磁體相對的表面，所述轉(zhuǎn)子還具有形成為用于限制轉(zhuǎn)子內(nèi)部沿永磁體側(cè)方的泄漏通量的多個通量屏障， 其中在電流通過所述線圈時由通過所述齒部、所述齒部的后表面?zhèn)群退鲛D(zhuǎn)子的磁通量所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩以及與所述永磁體的干擾所產(chǎn)生的吸引和排斥形式的磁體轉(zhuǎn)矩的作用下，所述定子中的所述轉(zhuǎn)子被驅(qū)動轉(zhuǎn)動， 其中所述永磁體的位置設(shè)置為當(dāng)所述轉(zhuǎn)子中的所述多個永磁體中的一組永磁體和所述多個通量屏障中的一組通量屏障對應(yīng)于所述定子中的所述多個槽中的一組槽并且形成磁極時，每組永磁體的磁體開度角和包括通量屏障外邊緣的磁極的有效磁極開度角之比落入有效地使轉(zhuǎn)矩脈動最小化的范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于，通過使得永磁體對以朝所述轉(zhuǎn)子的外周表面開口的“V”形設(shè)置的方式嵌入所述一組永磁體來形成所述轉(zhuǎn)子中的一個磁極，所述一組槽為六個，所述一個磁極設(shè)置為使得所述磁體開度角除以有效磁極開度角得到的開度角比S落入0.762≤δ≤0.816的范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)電機(10)，包括具有面對轉(zhuǎn)子(12)的多個齒部(15)的定子(11)，以及提供繞齒部纏繞線圈所用的空間的多個槽(18)。轉(zhuǎn)子具有嵌入其中并且以“V”形結(jié)構(gòu)設(shè)置的永磁體對(16)，從而使得磁性力作用在齒部上，從而所述定子中的轉(zhuǎn)子被磁阻轉(zhuǎn)矩和磁體轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)動。永磁體的位置設(shè)置為當(dāng)包括轉(zhuǎn)子中的通量屏障并且對應(yīng)于定子中的六個槽的一對永磁體形成磁極時，開度角比δ，即相對于轉(zhuǎn)子軸線的磁體開度角θ3與有效磁極開度角θ1的比值，落入能夠有效地使轉(zhuǎn)矩脈動最小化的范圍0.762≤δ≤0.816內(nèi)。
文檔編號H02K1/27GK103095087SQ201210418940
公開日2013年5月8日 申請日期2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月27日
發(fā)明者青山真大 申請人:鈴木株式會社