专利名称：电动旋转机器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电动旋转机器，更具体地说，涉及能够用作提供高质量驱动的电动机的永磁电动机器。
背景技术：
电动旋转机器根据使用它们的设备的不同类型而需要具有不同的特征。例如，当电动机器在具有内燃机的混合电动车辆(HEV)中用作牵引电动机或者在电动车辆(EV)中用作驱动源时，需要该电动机器在宽范围上用作变速电动机并且在低转速操作时用作高扭矩电动机。提出了通过采用内部永久磁体(IPM)结构来构造具有这种特征的电动机器，在所述内部永久磁体(IPM)结构中，多对永久磁体嵌入在转子中，每对磁体排列成开口朝向转子圆周的“V”形配置，因为使用可以有效地一起利用磁阻扭矩和磁扭矩的结构是有利的(例如，参见专利文献I)。采用该IPM结构使电动机器能够有效利用磁阻扭矩，因为由排列成“V”形配置而嵌入在转子中的每对永久磁体保持q轴磁路径。这增大了磁阻扭矩相对于磁扭矩的比例，并且还增大了作为d轴的电感和q轴的电感之间比率的凸极比(Ld/Lq)，导致较高阶的空间谐波增大的趋势以覆盖通量波形。方向轴或d轴与磁极产生的通量的方向对准，用作排列成“V”形的每对永久磁体之间的中心轴线，而正交轴或q轴在电气和磁气上与d轴成90度的电角度，用作相邻的磁极(即，相邻的永久磁体对)之间的中心轴线。这在这样的电动旋转机器中引起高扭矩纹波，即转一圈期间的最大和最小扭矩之间的差。高扭矩纹波引起该机器的振荡和电磁噪声的增大。特别地，期望尽可能地减小电磁噪声，因为由比内燃机的驱动产生的噪声的频率相对高的该电磁噪声的频率导致该电磁噪声在以该电动机器作为电驱动的车辆中产生使乘员不舒服的声音。另一方面，尽管需要以较少的电力消耗来高效率地产生所希望的驱动力的高效率性能，但是振荡变成损耗，引起电动机器效率性能降低。不仅限制搭载空间，而且近来又要求在混合和电动汽车中提高能量转换效率(里程)，所以对能够提供高能量密度输出的电动旋转机器的轻量和小型化的要求越来越高。减小扭矩纹波可有效控制抖动、异常振动，并且提供平滑的加速性能，因为例如在街上使用时需要在驱动汽车的常用范围上提供高效率的驱动。将作为独立单元的小型化与提高的效率、减小的电磁噪声及低的扭矩纹波结合起来是非常困难的，因为在电动旋转机器(电动机)中，存在随着每单位体积的输出密度的增大，电磁噪声增大的趋势和由扭矩纹波的出现引起的效率降低的趋势，但是对轻量和小型化的要求越来越高。为了实现低电磁噪声和低扭矩纹波，提出了轴向划分转子以使相邻的永久磁体对中的一对与另一对呈现角向扭曲的位置关系，或者给出倾斜角(例如，参见专利文献2)。
上述在电动旋转机器中给出倾斜角的手段不仅引起组装成本增大并因而增大生产成本，而且还引起相邻的永久磁体对的界面的差异和界面处磁化率的劣化，从而使永久磁体降低它们的磁通量密度。结果，由该电动旋转机器产生的输出扭矩下降。这就是为什么提出与给出倾斜角的手段不同的各种思想来实现低电磁噪声和低扭矩纹波。它们包括如下途径:通过例如改变转子圆周的形状使得转子圆周在每个磁极处具有“花瓣”状的突起形状，来改变转子和围绕转子的定子之间的气隙，使得在每个P轴与气隙相交的位置处的气隙长度大于其它位置处的气隙长度(例如，参见专利文献1、3和4)。在专利文献1、3和4中描述的电动旋转机器中，P轴用作由转子上的永久磁体产生的磁极之一的磁轴，每个P轴处的电感由于气隙宽而增大，这不仅引起凸极比下降和扭矩下降，而且还引起机器效率下降。现有技术文献 专利文献[专利文献I]日本特开2008-99418号公报[专利文献2]日本特开2006-304546号公报[专利文献3]日本特开2000-197292号公报[专利文献4]日本特开2007-312591号公报
发明内容
因此，本发明的目的是要提供一种电动旋转机器，其能够通过防止扭矩输出的任何下降并降低扭矩纹波，以减小的振荡和噪声提供高质量和高效率的机器操作。根据第一方面，提供一种电动旋转机器，其包括:转子，转轴位于转子轴线上；定子，其可旋转地收纳所述转子，其中所述定子包括:多个定子齿，每个所述定子齿向所述转子的外圆周表面延伸并且使内圆周表面面对所述转子的外圆周表面；以及多个定子槽，每个所述定子槽在相邻的两个定子齿之间，作为将输入驱动电力的线圈缠绕到所述定子齿上的空间，其中所述转子具有嵌入其中的多个永久磁体，使得磁力作用在与所述永久磁体相对的每个所述定子齿，其中所述定子内的所述转子由磁阻扭矩和磁扭矩驱动而旋转，其中所述磁阻扭矩由当电流流过所述线圈时穿过所述定子齿、所述定子齿的后表面侧和所述转子的磁通量生成，所述磁扭矩由所述磁通量与所述永久磁体之间相互作用产生的吸引力和排斥力形成，并且其中当所述多个永久磁体的多组永久磁体中每一组永久磁体对应于所述多个定子槽的多个定子槽之一，并且形成磁极之一时，通过将所述多个定子齿中的每隔一个的定子齿形成为长定子齿，并且将相邻的定子齿形成为短定子齿，来改变所述多个定子齿中每个定子齿的内圆周表面和所述转子的外圆周表面之间的磁阻，从而调节当所述一个磁极相对于所述一组定子槽移动时所述多个定子齿中每个定子齿的扭矩波动，其中所述转子形成有多对调节凹部，每对调节凹部对应一个磁极，并且每对调节凹部形成在所述转子的外圆周表面的相对于磁极中心轴线对称的位置处。根据第二方面，在根据上述第一方面规定的特征的电动旋转机器中，所述转子中的每个磁极是通过嵌入所述多组永久磁体之一使得每组永久磁体数目上为一对并且排列成开口朝向所述转子的外圆周表面的“V”形配置而形成的，每组定子槽数目上为六个，并且每对所述调节凹部具有最深水平，所述最深水平在从所述磁极的d轴围绕所述转子的轴线在角向上相距56度电角度的等距离的位置处。根据第三方面，在根据上述第二方面规定的特征的电动旋转机器中，所述多个定子齿包括长第一定子齿和短第二定子齿，并且每个所述调节凹部满足以下条件:0.2 彡 Rt/xL ( 0.4,其中Rt是每个所述调节凹部的所述最深水平的深度，xL是每个所述长第一定子齿的内圆周表面和所述转子的外圆周表面之间的气隙距离。根据第四方面，在根据上述第二或第三方面规定的特征的电动旋转机器中，所述多个定子齿包括长第一定子齿和短第二定子齿，每个所述长第一定子齿和每个所述短第二定子齿满足以下条件:0.1 ( d/xL 彡 0.3,其中xL是每个所述长第一定子齿的内圆周表面和所述转子的外圆周表面之间的气隙距离，并且d是在每个所述短第二定子齿的内圆周表面和所述转子的外圆周表面之间的气隙距离xS和所述气隙距离xL之间的差。
根据这些方面，通过将所述多个定子齿形成为每隔一个的齿为长定子齿并且相邻的齿为短定子齿，并且通过在转子的外圆周表面相对于每个磁极的d轴对称的位置处形成调节凹部，来改变每个磁极内相互面对的定子齿和转子之间的每个定子齿的磁阻，从而调节在定子上的线圈激励期间产生的从定子齿到转子的磁通量的通过而引起的转子相对于定子移动时的扭矩波动。这使得容易以高精度调节每个定子齿的由传送到转子的磁通量产生的扭矩波动。例如，通过使扭矩波动减小可以降低扭矩纹波。结果，以减小的振荡和噪声并且同时以减小的消耗来提供高质量高效率的机器操作。在包括例如长第一定子齿和短第二定子齿的该结构中，其中每个磁极由与一组六个槽相对应的一组或一对永久磁体形成，并且调节凹部形成有它们的最深水平，所述最深水平从每个磁极的中心轴线围绕转子的轴线在一个圆周方向上及相反的圆周方向上相距56度电角度的等距离的位置处，每个调节凹部的最深水平的深度(Rt)与长第一定子齿之一的内圆周表面和转子的外圆周表面之间的气隙距离(xL)的比在0.2至0.4范围内，并且短第二定子齿之一的内圆周表面和转子的外圆周表面之间的气隙距离(xS)与长第一定子齿之一的内表面圆周和转子的外圆周表面之间的气隙距离(xL)之间的差(d)与气隙距离(xL)的比在0.1至0.3的范围内。因为扭矩纹波等被有效降低，所以该结构还导致以减小的振荡和噪声提供高质量的机器操作并且同时以减小的损耗提供高效率的机器操作。
图1是示出根据本发明的电动旋转机器的一个实施方式的平面图，其示出该电动旋转机器的整个结构的概况。
图2是示出当该机器的转子没有磁极时由该机器的定子产生的磁通量流动模式的平面图。图3是示出实现本发明的目的的方案的磁通量波形的图形表示。图4是示出实现本发明的目的的方案的扭矩波形的图形表示。图5是示出该实施方式的结构要求的平面图。图6是该实施方式的结构要求的模型的局部放大平面图。图7是用于确定该结构要求的图形表示。图8是用于验证该结构要求的效果的图形表示。图9是用于验证该结构要求的效果的不同于图8的图形表示。图10是用于验证该结构要求的效果的不同于图8和图9的图形表示。图11是示出本实施方式的一部分的构成元件条件的放大的局部，为了容易区分，它们的尺寸被显著变形。图12是示出用于确定结构要求的条件的一个方式的图形表示。图13是示出用于确定结构要求的条件的另一个不同方式的图形表示。附图标记说明10电动旋转机器11 定子12 转子12a外圆周表面13 转轴15定子齿15a内圆周表面15L长定子齿15S短定子齿16永久磁体16a 角部17排列成“V”形的孔17b通量屏障18 槽20中心桥21调节凹部·21a最深水平2lb、2Ic 斜面G 气隙Rt凹部深度Ts凹部宽度xL、xS气隙距离Θ I磁体张角Θ2位移角
具体实施例方式下面参照附图详细描述本发明的实施方式。图1至图10示出根据本发明的电动旋转机器的一个实施方式。参考图1，电动旋转机器(电动机)10例如在混合电动汽车中或者在电动汽车中以与内燃机类似的方式用作驱动源或者作为轮内(iniheel)驱动单元而具有良好的使用性能，并且它包括以圆柱形配置而形成的定子11和可旋转地收纳在定子11中的具有转轴13的转子12，转子12位于与定子11的轴线共轴的转子轴线上。定子11形成有向转子轴线径向延伸的多个定子齿15,它们的内圆周表面限定与转子12的外圆周表面12面对的内端表面15a,内端表面15a和外圆周表面12a之间具有气隙G。定子齿15被缠绕以提供三相分布的绕组(未示出)以形成线圈绕组，该线圈绕组被配置为感生出用于产生作用于转子12的转子扭矩的通量模式。转子12被制成为内部永久磁体(IPM)转子,其具有嵌入其中的多组永久磁体16,每组永久磁体16形成磁极并且在本例子中为一对，并且该多组永久磁体16排列成开口朝向外圆周表面12a的“V”形配置。转子12形成有多对孔17，该多对孔17排列成开口朝向外圆周表面12a的“V”形配置并且在轴向上穿过转子12延伸。每对孔17包括一对孔区17a，每对为平板磁体的永久磁体16容纳在一对孔区17a中，并且通过它们的每个角部16a以与限定相应的孔区17a的相邻的两个成角度的内壁成面对面的关系插入并保持在孔区17a中而保持不能移动。每个孔17包括两个空间区17b，该两个空间区17b位于平板磁体16之一的相对两侧并且在磁体16的宽度方向上间隔开，起到用于限制潜回通量的通量屏障(在下文中称为“通量屏障”)的作用。每对孔17设置有中心桥20，中心桥20将相关联的成对永久磁体16相互连接以使永久磁体16在转子12的高速旋转时对抗离心力而保持在适当的位置中。 在该电动旋转机器10中，定子齿15在角向上间隔开以提供用于容纳线圈绕组的作为槽18的空间，使得六个定子齿15与八组永久磁体16中对应的一组配合，换句话说，六
(6)个槽18面对八组永久磁体16中的一组。因此，电动旋转机器10被配置为用作包括关于八(8)组永久磁体16的八(8)个磁极(四对磁极)的8极48槽三相IPM电动机，其中每组永久磁体16的N极和S极关于相邻的一组永久磁体16的N极和S极旋转180度机械角度，并且使用限定五(5)个定子齿15的六(6)个槽18，四十八(48)个槽18容纳由单相分布绕组形成的线圈绕组。在本说明中为了方便，使用所示出的标记N和S，但是它们不在组件的表面上。当槽18中的线圈绕组被激励使得来自定子齿15的磁通量流动模式从外圆周表面12a向内流入转子12时，该结构使电动旋转机器10驱动转子12和转轴13，因为除了由该磁通量流动模式与每组永久磁体16的磁极的通量流动模式的相互作用产生的吸引力和排斥力形成的磁扭矩以外，趋向于使来自定子11的磁通量流动模式的磁流路径最小化的磁阻扭矩也产生转子扭矩。如图2中所示，电动旋转机器10具有容纳在槽18中的由分布绕组形成的线圈绕组，以提供通量流动模式，该通量流动模式包括与多对永久磁体16的磁极之一相对应的多组定子齿15的每一组的从定子11进入转子12的分布式磁路径。用于永久磁体16的每对“V”形孔17沿着该磁路径延伸，或者换句话说，以不干扰这样的磁路径的形成的方式延伸。注意，在定子11和转子12的制造过程中，将诸如硅钢等的磁钢的叠层以在轴向上堆叠的关系排列成期望的输出扭矩所需的适当厚度，并且使用挺杆孔19通过紧固螺栓来固定。现在考虑采用永久磁体16嵌入在转子12中的IPM结构的电动旋转机器10，定子11的定子齿15的一个齿中磁通量的变化可以由图4中所示的方波波形近似。该基频磁通量波和较低阶的空间谐波第五(5th)和第七(7th)阶谐波的叠加不仅是影响车辆乘员感受到的振荡和噪声的因素，而且还是影响铁损耗和由作为高扭矩纹波(即，转一圈期间最大和最小扭矩之间的差)产生的热能的损耗而引起的机器工作效率下降的因素。抑制该空间谐波可减小铁损耗，以相对于电能的输入而提高机器工作效率，因为磁滞损耗是频率与磁通量密度的乘积，涡流损耗是频率的平方与磁通量密度的乘积。回到图4，纵轴代表磁通量，横轴代表时间，所示出的方波波形近似在电角度的一个周期T(4L1+2L2)上定子齿15的一个齿中磁通量的变化，其中在LI期间没有磁通量穿过该齿，具有一定幅度的磁通量在周期T的前一半的L2期间正向穿过该齿，在周期T的后一半的L2期间反向穿过该齿。来自该电动机(电动旋转机器)的电磁噪声是由作用在定子上的电磁力引起的定子的振荡产生的。作为作用在定子上的电磁力，存在由转子和定子之间的磁耦合生成的径向电磁力和由扭矩生成的角向电磁力。利用线性磁路近似该电动机，考虑作用在每个定子齿15上的径向电磁力，该径向电磁力fr和磁能W可以用下面的公式(I)和⑵来表达:
权利要求
1.一种电动旋转机器，包括:转子，具有位于转子轴线上的转轴；以及定子，其可旋转地收纳所述转子， 其中所述定子包括:多个定子齿，每个所述定子齿向所述转子的外圆周表面延伸并且使内圆周表面面对所述转子的外圆周表面；以及多个定子槽，每个所述定子槽在相邻的两个定子齿之间，作为将输入驱动电力的线圈缠绕到所述定子齿上的空间， 其中所述转子具有嵌入其中的多个永久磁体，使得磁力作用在与所述永久磁体相对的每个所述定子齿， 其中所述定子内的所述转子由磁阻扭矩和磁扭矩驱动而旋转，其中所述磁阻扭矩由当电流流过所述线圈时穿过所述定子齿、所述定子齿的后表面侧和所述转子的磁通量生成，所述磁扭矩由所述磁通量与所述永久磁体之间相互作用产生的吸引力和排斥力形成，并且 其中当所述多个永久磁体的多组永久磁体中的每一组永久磁体对应于所述多个定子槽的多个定子槽之一，并且形成磁极之一时，通过将所述多个定子齿中的每隔一个的定子齿形成为长定子齿，并且将相邻的定子齿形成为短定子齿，来改变所述多个定子齿中每个定子齿的内圆周表面和所述转子的外圆周表面之间的磁阻，从而调节当该一个磁极相对于该组定子槽移动时所述多个定子齿中每个定子齿的扭矩波动， 其中所述转子形成有多对调节凹部，每对所述调节凹部对应所述磁极之一，并且每对所述调节凹部形成在所述转子的外圆周表面的相对于所述磁极中心轴线对称的位置处。
2.根据权利要求1所述的电动旋转机器，其中 所述转子中的每个所述磁极是通过嵌入所述多组永久磁体之一使得每组永久磁体数 量上为一对并且排列成开口朝向所述转子的外圆周表面的“V”形配置而形成的， 每组定子槽数量上为六个，并且 每对所述调节凹部具有最深水平，所述最深水平位于围绕所述转子的轴线在角向上与所述磁极的d轴相距56度电角度的等距离处。
3.根据权利要求2所述的电动旋转机器，其中 所述多个定子齿包括长第一定子齿和短第二定子齿，并且每个所述调节凹部满足以下条件:0.2≤ Rt/xL ( 0.4， 其中Rt是每个所述调节凹部的所述最深水平的深度，xL是每个所述长第一定子齿的内圆周表面和所述转子的外圆周表面之间的气隙距离。
4.根据权利要求2所述的电动旋转机器，其中 所述多个定子齿包括长第一定子齿和短第二定子齿，每个所述长第一定子齿和每个所述短第二定子齿满足以下条件:·0.1 ( d/xL ( 0.3， 其中xL是每个所述长第一定子齿的内圆周表面和所述转子的外圆周表面之间的气隙距离，并且d是每个所述短第二定子齿的内圆周表面和所述转子的外圆周表面之间的气隙距离xS和所述气隙距离xL之间的差。
全文摘要
一种电动旋转机器包括具有面对转子的多个定子齿的定子。转子具有多对永久磁体。每对永久磁体排列成“V”形配置，并且形成磁极。所述多个定子齿的每隔一个的齿是长定子齿，相邻的齿是短定子齿。在转子中形成的调节凹部处于相对于每个磁极的d轴对称的位置处，每个调节凹部具有与一个定子齿的宽度相等的宽度，并且它们的最深水平在关于转子的轴线的在角向上在一个及相反的圆周方向上距离磁极的d轴56°电角度的等距离处。
文档编号H02K1/16GK103248187SQ201210594970
公开日2013年8月14日 申请日期2012年12月25日 优先权日2012年2月1日
发明者青山真大 申请人:铃木株式会社