CN102244427A - 交替极永磁电机 - Google Patents
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Abstract
公开了交替极永磁电机。在电机中，提供了与转子构件相对的电枢，用于产生旋转磁场。在电枢中，多组齿沿转子构件的旋转方向来布置，使得多组齿中的每组齿在旋转磁场的一个电角周期内。该一个电角周期对应于环形转子构件的一个极对节距。多个齿中的在一个极对节距内的齿的数量被设置为2k(k是自然数)，并且多个齿中的面向第一磁极中的每一个的齿的数量被设置为等于或大于k与1的和。
Description
技术领域
本公开涉及例如用于诸如混合动力汽车和电动车等机动车中的交替极永磁电机；这些电机包括具有多个交替极和多个永磁极的软磁转子。
背景技术
使用具有高磁性能的稀土永磁体的电机被积极地用于各种设备。另一方面，考虑到地球资源的枯竭，正在研究被设计为将稀土永磁体的使用减少到最小的电机。
公开号为2004-357489的日本专利申请公开了作为后一类型的电机的示例的一种具有交替极转子的电机；这种电机也被称为“交替极电机(consequent pole motor)”。
在该专利申请中公开的交替极电机包括在圆柱形软磁转子的外围的、具有相同的磁极性(如南极或北极)的多个永磁极。该圆柱形软磁转子被设计为交替极转子，以具有分别布置在多个永磁极之间的多个径向向外的突出物，以便该多个永磁极的磁极性使得该多个突出物相应地被磁化为与该多个永磁极的磁极性相反的、同一磁极性。这样的交替极电机包括多个永磁体，其数量是通常的永磁电机的永磁极的数量的一半，从而在永磁极的数量减少的情况下保持其磁性能。
另一方面，集中式绕组电机主要用于各种设备。已经提出了具有集中式绕组的12槽10极电机或具有集中式绕组的12槽14极电机，它们具有较高的绕组因数，以便限制这些电机在磁性能上变差。
例如，图9是示意性示出针对10极转子的360机械角(等于1800电角)每转、12槽10极电机的电枢齿的电角与对应齿的机械角之间的相关性的表(假定一个齿是电角和机械角为0的基准齿)。图10是示意性示出下述部分之间的相关性的表：为以逆时针方向从与12槽10极电机的基准齿相邻的齿到该基准齿的齿分配的索引号1、2、…、12；12槽10极电机的电枢的对应齿1、2、…、12的电角；以及对应齿1、2、…、12的机械角。如图9和10中所示，通过电枢电流建立的旋转磁场的一个周期对应于360电度角，因此，0电度角与360电度角是一致的。
发明内容
这些12槽10极电机或12槽14极电机使用通常的永磁转子，而这仍然存在地球的资源枯竭的风险。为了应对这些风险，本申请的发明人尝试将交替极转子应用到12槽10极电机，并且进行了试验以探求具有交替极转子的12槽10极电机的特性。试验结果显示，与具有通常的永磁转子的12槽10极电机相比，该12槽10极电机中的径向振动增加，从而引起噪声。
本申请的发明人查明，这种径向振动的增加的因素之一是12槽10极电机的交替极转子的极对(pole pair)数量5与电枢电流所建立的旋转磁场的极对数量4之间存在不匹配。另外，如图9和10中所示，本申请的发明人查明，这种径向振动的增加的另一因素是：针对10极转子的360机械角的每转，没有任何齿采取同一电度角。即，针对10极转子的360机械角的每转，齿采取的电度角没有可重复性。
为了减少这种增加的径向振动，本申请的发明人已经设计了一种交替极电机，该交替极电机具有针对转子的360机械角的每转、齿所采取的电度角的可重复性，例如具有交替极转子和全节距(full-pitch)分布的绕组电枢的60槽10极电机。该具有交替极转子和全节距分布的绕组电枢的60槽10极电机将被简称为60槽10极电机，其具有由电枢电流产生的旋转磁场的5个极对；这5个极对与交替极转子的5个极对一致。
具体地说，图11是示意性示出针对交替极转子的360机械角(等于1800电角)每转、这样的60槽10极电机的电枢的齿的电角与对应齿的机械角之间的相关性的表(假定一个齿是电角和机械角为0的基准齿)。图12是示意性示出下述部分间的相关性的表：为以逆时针方向从与60槽10极电机的基准齿相邻的齿到该基准齿的齿分配的索引号1、2、…、60；60槽10极电机的电枢的对应齿1、2、…、60的电角；以及对应齿1、2、…、60的机械角。如图11和12中所示，由电枢电流建立的旋转磁场的一个周期对应于360电度角，因此，0电度角与360电度角是一致的。
通常，对于交替极电机，重要的是，考虑到磁性能上的改善，将每一个交替极磁化到与对应的交替极的材料的饱和磁通密度接近的水平，换句话说，获得达到使每一个交替极饱和的水平的磁通量。
在这一点上，通过磁路(magnetic circuit)来相应地磁化交替极电机的交替极，在该磁路中，从磁极产生的磁通量通过与该磁极相对的对应齿返回到交替极。另外，交替极的材料的饱和磁通密度高于磁极的材料的饱和磁通密度。
由于这个原因，如果像常规交替极电机那样设计具有带有全节距分布绕组的电枢的交替极电机、使得电枢的与每一磁极相对的齿的数量和与每一交替极相对的齿的数量相同，那么，由于从每一磁极产生的磁通量取决于与对应齿相对的对应磁极的表面面积，因此难以获得从每一个磁极产生的、达到使得每一交替极饱和的水平的磁通量。
与对应齿相对的每一磁极的表面面积的增加将增大交替极电机的直径。这将导致交替极电机的尺寸的增大，从而提高交替极电机的成本。
因此，在机动车中安装这样的大型交替极电机会使得机动车的成本竞争力变差。
鉴于如上所述的情况，本公开的一个方面寻求提供一种被设计为解决如上所述的问题中的至少一个的交替极永磁电机。
具体地说，本公开的另一方面旨在提供能够平衡下述部分的电机：从用于磁化交替极的电机的永磁体产生的磁通量的量的增大；以及电机尺寸的减小。
根据本公开的另一方面，提供了一种电机，该电机包括环形转子构件，所述环形转子构件由软磁材料构成并且可旋转地被设置在所述电机中。所述转子构件包括多个第一磁极，所述多个第一磁极沿着所述转子构件的圆周方向来布置，在所述多个第一磁极间具有间隔。所述多个第一磁极中的每一个由所述转子构件的外周部分和永磁体形成。所述转子构件包括多个第二磁极，所述多个第二磁极在径向上从所述转子构件延伸，并且分别被布置在所述多个第一磁极之间。所述多个第二磁极被所述多个第一磁极相应地地磁化为多个交替极。所述电机包括电枢，所述电枢被设置得与所述转子构件相对，以产生旋转磁场。所述电枢包括多组齿，所述多组齿沿着所述转子构件的旋转方向而被布置，使得所述多组齿中的每组齿在所述旋转磁场的一个电角周期内。所述一个电角周期对应于所述环形转子构件的一个极对节距。所述多个齿中在所述一个极对节距内的齿的数量被设置为2k(k是自然数)，并且在所述多个齿中面向所述第一磁极中的每一个的齿的数量被设置为等于或大于k与1的和。
将基于下文中结合附图的描述来进一步理解本公开的各个方面的上述和/或其他特征和/或优点。在适用时，本公开的各个方面可以包括和/或不包括不同的特征和/或优点。另外，在适用时，本公开的各个方面可以组合其他实施例的一个或多个特征。特定实施例的特征和/或优点的描述不应当被理解为限制其他实施例或权利要求。
附图说明
通过下文中参考附图的、对实施例的描述，本公开的其他方面将变得清楚，在附图中：
图1A是根据本公开的第一实施例的三相60槽10极电机的横向截面图；
图1B是图1A中图示的电机的一部分的放大截面图；
图2是根据本公开的第一实施例的第一变型的三相60槽10极电机的横向截面图；
图3是根据本公开的第一实施例的第二变型的三相60槽10极电机的横向截面图；
图4A是根据本公开的第二实施例的三相60槽10极电机的横向截面图；
图4B是图4A中图示的电机的一部分的放大截面图；
图5是根据本公开的第三实施例的三相60槽10极电机的转子的横向截面图；
图6是示意性示出根据第三实施例的、当齿槽转矩(cogging torque)的基准量值被归一化为1.0时齿槽转矩的量值的减小量相对于齿槽转矩的基准量值的比的每一个测量值之间的相关性的图；
图7是根据第一实施例的第三变型的、要用于电机的电枢绕组的导体段的放大透视图；以及
图8是根据第一实施例的第三变型的电机的一部分的放大透视图；
图9是示意性示出针对10极转子的360机械角每转、12槽10极电机的电枢齿的电角与对应齿的机械角之间的相关性的表，其中，假定一个齿是电角和机械角为0的基准齿；
图10是示意性示出下述部分之间的相关性的表：为以逆时针方向从与12槽10极电机的基准齿相邻的齿到该基准齿的齿分配的索引号；12槽10极电机的电枢的对应齿的电角；以及对应齿的机械角；
图11是示意性示出针对交替极转子的360机械角每转、这种60槽10极电机的电枢的齿的电角与对应的齿的机械角之间的相关性的表，其中，假定一个齿是电角和机械角为0的基准齿；以及
图12是示意地图示在下述部分之间的相关性的表格：为以逆时针方向从与60槽10极电机的基准齿相邻的齿到该基准齿的齿分配的索引号；60槽10极电机的电枢的对应齿的电角；以及对应齿的机械角。
具体实施方式
以下参考附图描述本公开的实施例。在附图中，使用相同的附图标记来标识对应的相同组件。注意，为了简单地图示实施例的结构和操作，在一些附图中的图示中省略了剖面线。
第一实施例
参见附图，特别是图1A和1B，其中示出了具有大体为圆柱形状的三相60槽10极电机10，该电机被简称为“电机10”。
电机10包括：电枢2；大体为环形的转子3，该转子被设置为与电枢相对，在该转子与电枢之间有间隙；以及旋转轴4，该旋转轴例如由诸如不锈钢等非磁性材料构成。
电枢2包括大体为环形的电枢芯2a。电枢芯2a由环形轭21和从轭21的内表面径向地向内突出的60个齿22构成。该60个齿22排列在圆周上，这些齿之间有规则的节距。由在圆周上相邻的齿和轭21围绕的空间提供了电枢芯2a的60个槽。60个齿22的内表面提供了电枢芯2a的内周。
转子3由作为软磁材料的示例的磁钢片构成，并且包括大体为环形的轭(芯)32，旋转轴4固定到该轭32的内周。转子3包括5个永磁极31，该5个永磁极31由例如稀土磁体构成，该稀土磁体包含例如钕和镝等。该5个永磁极31具有相同的磁极性，如北极或南极，并且被安装在轭32的外周上。该5个永磁极31被布置在圆周上，其之间有规则的节距。
永磁极31中的每一个的外表面以预定的曲率半径、围绕旋转轴4的中心轴而弯曲。
轭32具有在径向上向外延伸的5个突出物33，该5个突出物33分别被布置在5个永磁极31之间，并且以规则的节距而被布置在圆周上。利用该转子3的配置，5个永磁极31的磁极性使得5个突出物33被相应地磁化为与5个永磁极31的磁极性相反的同一磁极性；这些突出物33因此在下文中被称为“交替极33”。轭32包括在永磁极31和交替极33之间的空间34；这些空间34作为永磁极31和交替极33之间的磁势垒。交替极33中的每一个的外表面以预定的曲率半径、围绕旋转轴4的中心轴而弯曲。
转子3具有与360电度角对应的72机械度角的一个极对节距(即相邻的相同极之间的节距)。如图1A和1B中所示，在与转子3的一个极对节距对应的72机械度角内存在电枢芯2a的12个齿22。根据第一实施例的60槽10极电机10是本公开的一个示例。具体地说，根据本公开的交替极永磁电机被配置为：在与转子3的一个极对节距对应的机械角内存在2k个齿；k是自然数。换句话说，因为60槽10极电机10被配置为在与转子3的一个极对节距对应的72机械度角内存在12个齿22，所以k被设置为6。因此，在电枢芯2的相邻槽(齿22)之间的节距被设置为30电度角，为60电度角的整数因数(参见图11和12)。
电枢2还包括以分布式全节距绕组配置缠绕在电枢芯2a中的三相电枢绕组2b(参见图1B)。作为三相电枢绕组2b中的每一个，可以使用多个导体段的接合，该多个导体段中的每一个由一对槽内部分和连接该对槽内部分的弯曲部分构成，或可以使用横截面为矩形形状的连续导线。
例如，在电枢芯2a的与包括12个槽(1)、(2)、…、(12)的转子3的一个极对节距对应的一个电角周期(360电度)中，第一U相线圈缠绕在第一槽(1)和第七槽(7)中，并且第二U相线圈缠绕在第二槽(2)和第八槽(8)中。第一U相线圈和第二U相线圈例如是串联的，以提供U相绕组。附图标记“U”和“-U”表示流过第一和第二U相线圈中的每一个的电枢电流(U相交流电流)的方向。例如，流过第一U相线圈的在第一槽(1)中的部分的U相交流电流在方向上与流过第一U相线圈的在第七槽(7)中的部分的U相交流电流相反。
类似地，在电枢芯2a的一个电角周期(360电度)中，第一V相线圈缠绕在第五槽(5)和第十一槽(11)中，并且第二V相线圈缠绕在第六槽(6)和第十二槽(12)中。第一V相线圈和第二V相线圈例如是串联的，以提供V相绕组。附图标记“V”和“-V”表示流过第一和第二V相线圈中的每一个的电枢电流(V相交流电流)的方向。例如，流过第一V相线圈的在第五槽(5)中的部分的V相交流电流在方向上与流过第一V相线圈的在第十一槽(11)中的部分的V相交流电流相反。
另外，在电枢芯2a的一个电角周期(360电度)中，第一W相线圈缠绕在第九槽(9)和第三槽(3)中，并且第二W相线圈缠绕在第十槽(10)和第四槽(4)中。第一W相线圈和第二W相线圈例如是串联的，以提供W相绕组。附图标记“W”和“-W”表示流过第一和第二W相线圈中的每一个的电枢电流(W相交流电流)的方向。例如，流过第一W相线圈的在第九槽(9)中的部分的W相交流电流在方向上与流过第一W相线圈的在第三槽(3)中的部分的W相交流电流相反。
除了第一组槽(1)至(12)之外，U、V和W相绕组2b还缠绕在下述部分的每一个中：第二组槽(13)至(24)、第三组槽(25)至(36)、第四组槽(37)至(48)和第五组槽(49)至(60)。换句话说，电枢绕组2b被分类为：缠绕在第一组槽(1)至(12)中的第一组电枢绕组、缠绕在第二组槽(13)至(24)中的第二组电枢绕组、缠绕在第三组槽(25)至(36)中的第三组电枢绕组、缠绕在第四组槽(37)至(48)中的第四组电枢绕组和缠绕在第五组槽(49)至(60)中的第五组电枢绕组。
电枢电流(U、V和W相交流电流)具有120度的相位差；这些电枢电流是从逆变器40提供的。向第一组电枢绕组施加电枢电流的一个周期(360电度)产生旋转磁场的一个周期(360电度)。换句话说，由提供给每组电枢绕组的电枢电流产生的磁场会旋转与75度的机械角对应的360电度。因此，依序向相应的第一至第五组电枢绕组施加电枢电流会产生具有围绕电枢芯2a(360机械度)的5个极对的连续的旋转磁场。
第一和第二U相线圈、第一和第二V相线圈与第一和第二W相线圈中的每一个可以由一对逆变器单独地作为两对三相绕组驱动。
连续的旋转磁场与转子3的每一极(永磁极31和交替极33)之间的磁交互产生用于使转子3转动的转矩。
根据第一实施例的电机10被特殊地设计为：使得面向每一永磁极31的齿22的数量被设置为7，等于k和1的和，并且面向每一交替极33的齿22的数量被设置为5，等于从k中减1。
具体地说，为了使转子3的极31和33至电枢2的电枢绕组2b的交链磁通(interlinkage flux)最大化，电机10被设计为使得永磁极31中的每一个的圆周电角宽度θm被设置为207电度角，并且交替极33中的每一个的圆周电角宽度θc被设置为145电度角。因此，磁势垒34中的每一个的圆周电角宽度被设置为8电度角。
确定永磁极31中的每一个的圆周电角宽度θm和交替极33中的每一个的圆周电角宽度θc以便使转子3的极31和33至电枢2的电枢绕组2b的交链磁通最大化的方法如下所述。
具体地说，在第一实施例中，作为每一个永磁极31的材料，稀土磁体具有1.4特斯拉[T]的残余磁通密度Br，并且作为转子3的轭32的材料，磁钢片具有1.9[T]的饱和磁通密度Bst。注意，为了使转子3的极31和33至电枢2的电枢绕组2b的交链磁通最大化，需要将通过永磁极31和交替极33的磁通量设计为其上限。从每一个永磁极31产生的磁通量
与对应的一个永磁极31的圆周角宽度θm和残余磁通密度Br的乘积成比例，这可表示为下面的等式：
类似地，从每一个交替极33产生的磁通量
与饱和磁通密度Bst和从2π减去圆周角宽度θm的结果的乘积成比例，这可表示为下面的等式：
在第一实施例中，因为选择了每一个永磁极31的具有1.4[T]的残余磁通密度Br的材料和每一个交替极33的具有1.9[T]的饱和磁通密度Bst的材料，所以满足等式的、每一个永磁极31的圆周角宽度θm的值被大体计算为207电度。如上所述，因为磁势垒34被设置在永磁极31和交替极33之间，所以每一个永磁极31的圆周电角宽度θm被确定为207电度角将每一个交替极33的圆周角宽度θs确定为145电度角。
如上所述，根据第一实施例的电机10包括电枢2的多组齿22，每组齿包括多相电枢绕组。该多组齿22被布置在转子3的旋转方向上，使得该多组齿22中的一组齿22对应于激励该一组齿22的多相电枢绕组时所产生的旋转磁场的一个周期；旋转磁场的这个周期对应于转子3的一个极对节距。
电机10还被配置为：
在与转子3的一个极对节距对应的机械角内设置2k个齿；以及
面向每一永磁极31的齿22的数量被设置为等于或大于k与1的和。
具体地说，电机10被配置为使得面向每一交替极33的齿22的数量被设置为等于或小于从k中减去1。
和其中与每一个磁极相对的电枢的齿的数量等于与每一个交替极相对的齿的数量的60槽10极电机相比，如上所述的电机10的配置将每一个永磁极31的外表面在转子3的圆周方向上的长度增加了约15％；该15％是通过将207除以180而计算得到的。
因此，和其中与每一个磁极相对的电枢的齿的数量等于与每一个交替极相对的齿的数量的60槽10极电机的每一个永磁体产生的磁通量相比，从电机10的每一个永磁极31产生的磁通量可以提高约15％。
换句话说，如果从电机10的每一个永磁极31产生的磁通量被设计为与其中与每一个磁极相对的电枢的齿的数量等于与每一个交替极相对的齿的数量的60槽10极电机(通常的60槽10极电机)的每一个永磁体产生的磁通量一致，那么，与要用于通常的60槽10极电机的永磁极的永磁材料的量相比，要用于电机10的永磁极31的永磁材料的量可以减少。或者，如果从电机10的每一个永磁极31产生的磁通量被设计为与从通常的60槽10极电机的每一个永磁体产生的磁通量一致，那么，可以减小电枢2和转子3之间的磁路的轴向长度，即，与通常的60槽10极电机的轴向长度相比，电机10的轴向长度可以减少15％。
另外，根据第一实施例的电机10被配置为：在转子3的一个极对节距内、在电枢2和转子3之间产生的磁路中仅有一个永磁极。与通常的表面永磁电机相比，这减少了在电枢2和转子3之间的磁阻(magneticreluctance)。
因为每一个交替极33由至少一种软磁材料构成，所以每一个交替极33的饱和磁通密度大于每一个永磁极31的残余磁通密度。因为三相电枢绕组2b以分布式全节距绕组缠绕在电枢芯2a中，所以在电枢2和转子3之间产生的磁路通过转子3的一个极对节距内的齿22。这使得产生旋转磁场的5个极对，这与转子3的5个极对一致。这减少了电机10中的径向振动的产生。
即，在实现避免或减小径向振动的技术优点的同时，电机10的配置提高了转子3的极31和33至电枢2的电枢绕组2b的交链磁通，从而使得能够平衡对电机10的转矩产生性能的保持与对电机10的尺寸的减小。
电机10被配置为：使得在电枢芯2的相邻的槽之间的节距被设置为30电度角，为60电度角的整数因数(参见图11和12)。这种配置便利了电机10的设计，并且可靠地产生针对电机10的360机械角的每转、齿22所采取的电度角(例如30电度)的可重复性，因此减少了由于电机10中的增加的径向振动而导致的噪声。
具体地说，电机10被设计为：针对电枢2中的每一极的槽的数量被设置为2，电枢芯2a的相邻槽(相邻齿22)之间的节距被设置为30电度角，面向每一永磁极31的齿22的数量是7，并且面向每一交替极33的齿22的数量是5。这使得本领域的技术人员易于制造电机10。
电机10被配置为：在轭32的外周上安装5个永磁极31，在圆周方向上所述永磁极31之间有规则的节距。这种配置进一步便于电机10的制造。
在图2中图示根据第一实施例的第一变型的电机10A。根据第一变型的电机10A的结构和/或功能与电机10的不同在下述各点。因此，下文将主要描述不同点。
如图2中所示，轭32具有在径向上向外延伸的5个突出物33a和在径向上向外延伸的5个突出物33b。在径向上向外延伸的5个突出物33a中的每一个的圆周电角宽度θm被设置为207电度角，比在径向上向外延伸的5个突出物33b中的每一个的圆周电角宽度长。在径向上向外延伸的5个突出物33a中的每一个作为转子3的凸极。
转子3还包括5对永磁体31a和31b，5对永磁体31a和31b具有盘状形状和相同的磁极性，诸如北极或南极。每对永磁体31a和31b被嵌入对应的突出物33a中，以作为对应的突出物33a的永磁极。
永磁体31a和31b中的每一个的一个主侧面向电枢2的内周，并且每对中的永磁体31a的一边和永磁体31b的一边近距离地彼此相对，或彼此接触。
与第一实施例一样，5对永磁极31a和31b的磁极性使得5个突出物33b被相应地地磁化为与5对永磁极31a和31b的磁极性相反的同一磁极性；这些突出物33b因此在下文中被称为“交替极33b”。
根据第一实施例的第一变型的电机10A的配置能够在转子3的每一个凸极33a和电枢2中产生的连续旋转磁场的对应极之间产生磁阻转矩(reluctance torque)。
因此，除了第一实施例中实现的技术优点之外，与用于根据第一实施例的电机10的永磁极31的永磁材料的量相比，由于根据第一实施例的第一变型的电机10A可以使用磁阻转矩来旋转转子3，因此，电机10A的配置能够减小用于电机10A的永磁极31的永磁材料的量。
在图3中图示根据第一实施例的第二变型的电机10B。根据第二变型的电机10B的结构和/或功能与电机10A的不同在下述各点。因此，下文中将主要描述不同点。
如图3中所示，转子3也包括5个永磁体31c，5个永磁体31c具有盘状形状和相同的磁极性，诸如北极或南极。永磁体31c被嵌入相应的突出物33a中以作为突出物33a的每一个的永磁极。
每一个永磁极31c的一个主侧面向电枢2的内周。
与第一变型一样，5个永磁极31c的磁极性使得5个突出物33b被相应地地磁化为与5个永磁极31c的磁极性相反的同一磁极性；这些突出物33b因此在下文中被称为“交替极33b”。
根据第一实施例的第二变型的电机10B的配置能够在转子3的每一个凸极33a和电枢2中产生的连续旋转磁场的对应极之间产生磁阻转矩。
因此，除了第一实施例中实现的技术优点之外，与用于电机10的永磁极31的永磁材料的量相比，由于根据第一实施例的第二变型的电机10B可以使用磁阻转矩来旋转转子3，因此，电机10B的配置使得可以减小用于电机10B的永磁极31的永磁材料的量。
第二实施例
下文将参考图4A和4B来描述根据本公开的第二实施例的电机10-1。根据第二实施例的电机10-1的结构和/或功能与电机10的不同在下述各点。因此，下文将主要描述不同点。
参见图4A，其中示出了具有大体为圆柱形状的三相54槽6极电极10-1，其被简称为“电机10-1”。
电机10-1包括电枢5和大体为环形的转子6。
电枢5包括大体为环形的电枢芯5a。电枢芯5a由环形轭51和从轭51的内表面在径向上向内突出的54个齿52构成。该54个齿52以规则的节距而布置在圆周上。由在圆周上相邻的齿和轭51围绕的空间提供了电枢芯5a的54个槽。54个齿52的内表面提供了电枢芯5a的内周。
转子6由作为软磁材料的示例的磁钢片构成，并且包括大体为环形的轭(芯)62，旋转轴4固定到该轭的内周。转子6包括3个永磁极61，该3个永磁极61由例如稀土磁体构成。该3个永磁极61具有相同的磁极性，诸如北极或南极，并且被安装在轭62的外周上。该3个永磁极61以规则的节距被布置在圆周上。永磁极61中的每一个的外表面以预定的曲率半径、围绕旋转轴4的中心轴而弯曲。
轭62具有在径向上向外延伸的3个突出物63，该3个突出物63分别被布置在3个永磁极61之间，并且以规则的节距而被布置在圆周上。利用该转子6的配置，3个永磁极61的磁极性使得3个突出物63被相应地磁化为与3个永磁极61的磁极性相反的同一磁极性；这些突出物63因此在下文中被称为“交替极63”。轭62包括在永磁极61和交替极63之间的空间64；这些空间64作为永磁极61和交替极63之间的磁势垒。交替极63中的每一个的外表面以预定的曲率半径、围绕旋转轴4的中心轴而弯曲。
转子6具有与360电度角对应的120机械度角的一个极对节距。如图4A和4B中所示，在与转子5的一个极对节距对应的120机械度角内存在电枢芯5a的18个齿52。根据第二实施例的54槽6极电机10-1被配置为：使得在与转子6的一个极对节距对应的120机械度角内存在18个齿；k被设置为9。因此，在电枢核心2的相邻槽(相邻齿22)之间的节距被设置为20电度角。
电枢5还包括以分布式全节距绕组配置、缠绕在电枢芯5a中的三相电枢绕组5b(参见图4B)。作为三相电枢绕组5b中的每一个，可以使用多个导体段的接合，该多个导体段的每一个由一对槽内部分和连接该对的槽内部分的弯曲部分构成，或者可以使用横截面为矩形形状的连续导线。
例如，在电枢芯5a的、与包括18个槽(1)、(2)、…、(18)的转子6的一个极对节距对应的一个电角周期(360电度)中，第一U相线圈缠绕在第一槽(1)和第十槽(10)中，第二U相线圈缠绕在第二槽(2)和第十一槽(11)中，第三U相线圈缠绕在第三槽(3)和第十二槽(12)中。第一、第二和第三U相线圈例如是串联的，以提供U相绕组。
类似地，在电枢芯5a的一个电角周期(360电度)中，第一V相线圈缠绕在第七槽(7)和第十六槽(16)中，第二V相线圈缠绕在第八槽(8)和第十七槽(17)中，并且第三V相线圈缠绕在第九槽(9)和第十八槽(18)中。第一、第二和第三V相线圈例如是串联的，以提供V相绕组。
另外，在电枢芯5a的一个电角周期(360度)中，第一W相线圈缠绕在第十三槽(13)和第四槽(4)中，第二W相线圈缠绕在第十四槽(14)和第五槽(5)中，并且第三W相线圈缠绕在第十五槽(15)和第六槽(6)中。第一、第二和第三W相线圈例如是串联的，以提供W相绕组。
除了第一组槽(1)至(18)之外，U、V和W相绕组5b还缠绕在下述部分的每一个中：第二组槽(19)至(36)和第三组槽(37)至(54)。换句话说，电枢绕组5b被分类为：缠绕在第一组槽(1)至(18)中的第一组电枢绕组、缠绕在第二组槽(19)至(36)中的第二组电枢绕组和缠绕在第三组槽(37)至(54)中的第三组电枢绕组。
电枢电流(U、V和W相交流电流)具有120度的相位差；这些电枢电流是从逆变器40提供的。向第一组电枢绕组施加电枢电流的一个周期(360电度角)会产生旋转磁场的一个周期(360电度角)。换句话说，由向每组电枢绕组提供的电枢电流产生的磁场会旋转与120度的机械角对应的360电度角。因此，依序向相应的第一至第三组电枢绕组施加电枢电流会产生具有围绕电枢芯5a(360机械度角)的3个极对的连续的旋转磁场。
第一和第二U相线圈、第一和第二V相线圈与第一和第二W相线圈中的每一个可以单独地由一对逆变器作为两对三相绕组来驱动。
连续旋转磁场和转子6的极(永磁极61和交替极62)之间的磁交互产生用于使转子6转动的转矩。
根据第二实施例的电机10-1被特殊地设计为：使得面向每一个永磁极61的齿52的数量被设置为11，等于k与2的和，并且面向每一个交替极63的齿52的数量被设置为6，等于从k中减3。
具体地说，为了使转子6的极61和66至电枢2的电枢绕组5b的交链磁通最大化，电机10-1被设计为使永磁极61中的每一个的圆周电角宽度θm被设置为220电度角，并且交替极63中的每一个的圆周电角宽度θc被设置为130电度角。因此，磁势垒64中的每一个的圆周电角宽度被设置为10电度角。
确定永磁极61中的每一个的圆周电角宽度θm和交替极63中的每一个的圆周电角宽度θc以使转子6的极61和63至电枢5的电枢绕组5b的交链磁通最大化的方法如下。
具体地说，在第二实施例中，作为永磁极61中的每一个的材料，稀土磁体具有1.2特斯拉[T]的残余磁通密度Br，并且作为转子6的轭62的材料，磁钢片具有1.9[T]的饱和磁通密度Bst。注意，为了使转子6的极61和63至电枢5的电枢绕组5b的交链磁通最大化，需要将通过永磁极61和交替极66的磁通量设计为其上限。从每一个永磁极61产生的磁通量与对应的一个永磁极61的圆周角宽度θm和残余磁通密度Br的乘积成比例，这表示为下面的等式：类似地，从每一个交替极63产生的磁通量
与饱和磁通密度Bst和从2π减去圆周角宽度θm的结果的乘积成比例，这表示为下面的等式：
在第二实施例中，因为选择了具有1.2[T]的残余磁通密度Br的每一个永磁极61的材料和具有1.9[T]的饱和磁通密度Bst的每一个交替极63的材料，所以满足等式
的、每一个永磁极61的圆周角宽度θm的值被大致计算为220电度角。如上所述，因为磁势垒64被设置在永磁极61和交替极63之间，所以，每一个永磁极61的圆周电角宽度θm被确定为220电度角将每一个交替极63的圆周角宽度θs确定为130电度角。
和其中与每一个磁极相对的电枢的齿的数量等于与每一个交替极相对的齿的数量的54槽6极电机相比，如上所述的电机10-1的配置将每一个永磁极61的外表面在转子6的圆周方向上的长度增加了约22％；这个22％是通过将220除以180而计算得到的。
因此，和其中与每一个磁极相对的电枢的齿的数量等于与每一个交替极相对的齿的数量的54槽6极电机的每一个永磁体产生的磁通量相比，从电机10-1的每一个永磁极61产生的磁通量可以提高约22％。
换句话说，如果从电机10-1的每一个永磁极61产生的磁通量被设计为和其中与每一个磁极相对的电枢的齿的数量等于与每一个交替极相对的齿的数量的54槽6极电机(通常的54槽6极电机)的每一个永磁体产生的磁通量一致，那么，与要用于通常的54槽6极电机的永磁极的永磁材料的量相比，要用于电机10-1的永磁极61的永磁材料的量可以减少。或者，如果从电机10-1的每一个永磁极61产生的磁通量被设计为与从通常的54槽6极电机的每一个永磁体产生的磁通量一致，那么，可以减小电枢2和转子6之间的磁路的轴向长度，即，与通常的54槽6极电机的轴向长度相比，电机10-1的轴向长度可以减少22％。
根据第二实施例的电机10-1也可以获得与根据第一实施例的电机10的优点基本上相同的优点。
具体地说，电机10-1被设计为：针对电枢5中的每一极的槽的数量被设置为3，电枢芯5a的相邻槽之间的节距被设置为20电度角，面向每个永磁极61的齿52的数量是10，并且面向每一个交替极63的齿52的数量是8。这使得本领域的技术人员易于制造电机10-1。
第三实施例
以下将参考图5来描述根据本公开的第三实施例的电机10-2。根据第三实施例的电机10-2的结构和/或功能与电机10的不同在下述各点。因此，下文将主要描述不同点。
根据第一实施例的电机10被配置为：每一个永磁极31相对于旋转轴4的中心轴的曲率半径与每一个交替极33相对于旋转轴4的中心轴的曲率半径相同。
然而，根据第三实施例的电机10-2被设计为：每一个交替极33的外表面的曲率半径r1相对于在径向上位于旋转轴4的中心轴外部的中心点P来限定。由于每一个永磁极31的外表面的曲率半径r2是相对于旋转轴4的中心轴来限定的，因此，与每一个永磁极31的外表面的曲率半径r2相比，电机10-2的设计减小了每一个交替极33的外表面的曲率半径r1。电机10-2的设计因此减少了电机10-2的齿槽转矩(cogging torque)。
本申请的发明人进行了试验，以测量在改变每一个交替极33的外表面的曲率半径r1与每一个永磁极31的外表面的曲率半径r2的比的情况下齿槽转矩的量值的减小量与在每一个交替极33的外表面的曲率半径r1与每一个永磁极31的外表面的曲率半径r2的比被设置为1.0时测量的齿槽转矩的量值的比。齿槽转矩的量值的减小量与在每一个交替极33的外表面的曲率半径r1与每一个永磁极31的外表面的曲率半径r2的比(ra1)被设置为1.0时所测量的齿槽转矩的量值的比将被称为“齿槽转矩的基准量值”
图6图示当齿槽转矩的基准量值被归一化为1.0时齿槽转矩的量值的减小量相对于齿槽转矩的基准量值的比的每一个测量值之间的相关性。
齿槽转矩的量值的减小量相对于齿槽转矩的基准量值的比的第一测量值对应于每一个交替极33的外表面的曲率半径r1与每一个永磁极31的外表面的曲率半径r2的比(ra2)0.8。
齿槽转矩的量值的减小量相对于齿槽转矩的基准量值的比的第二测量值对应于每一个交替极33的外表面的曲率半径r1与每一个永磁极31的外表面的曲率半径r2的比(ra3)0.6。
齿槽转矩的量值的减小量相对于齿槽转矩的基准量值的比的第三测量值对应于每一个交替极33的外表面的曲率半径r1与每一个永磁极31的外表面的曲率半径r2的比(ra4)0.4。
如图6中所示，每一个交替极33的外表面的曲率半径r1与每一个永磁极31的外表面的曲率半径r2的比越小，则齿槽转矩的量值减小得越多。即，与根据第一实施例的电机10的配置相比，根据第三实施例的电机10-2的配置减小了齿槽转矩的量值。
在第一和第三实施例的每一个中，每一个永磁极31具有与旋转轴4的轴向平行地延伸的、大体为半圆柱的形状。每一个永磁极31具有与其弯曲的外表面相对的、至少部分为平坦的内表面(参见图1中的箭头Y1)。轭32的外周的、上面设置了永磁极31的每一个的内表面的平坦部分的、至少一部分被形成为平坦的。
每一个永磁极31的配置在下述方面便于每一个永磁极31的定位：每一个永磁极31安装在轭32的外周的对应部分上，并且/或者在每一个永磁极31内形成永磁材料，这使得电机10的制造效率更高。
类似地，在第二实施例中，每一个永磁极61具有与旋转轴4的轴向平行地延伸的板状形状，并且具有与旋转轴4的轴向正交的、横截面大体为拱形的形状。永磁极61的每一个具有与其弯曲的外表面相对的弯曲的内表面，该弯曲的内表面的至少一个侧边(lateral edge)是平坦的(参见在图4中的箭头Y1)。轭32的外周的、上面设置了每一永磁极61的弯曲的内表面的至少一个平坦侧端的、至少一部分被形成为平坦的。
每一个永磁极61的配置在下述方面便于每一个永磁极61的定位：每一个永磁极61安装在轭62的外周的对应部分上并且/或者在每一个永磁极61内形成永磁材料，这使得电机10-1的制造效率更高。
转子的极的数量和电枢的齿的数量不限于根据第一至第三实施例及其变型的电机10、10A、10B、10-1和10-2中的每一个。具体地说，在转子的极的数量和具有分布式全节距绕组配置的电枢的齿的数量之间的各种组合可以被包括在本公开的范围中。另外，如图2和3中所示永磁极31和61中的每一个被安装在轭32和62中的对应的一个的外周上，但是，永磁极31和61中的每一个还可以被嵌入轭32和62中的对应的一个中。
如上所述，每一个永磁极31的外表面在转子3的圆周方向上的长度与每一个交替极33的外表面在转子3的圆周方向上的长度的比等于每一个交替极33的材料的饱和磁通密度Bst与每一个永磁极31的材料的残余磁通密度的比。
该关系使得能够在选择了每一个永磁极31的材料和每一个交替极33的材料后独特地设计每一个永磁极31的外表面在转子3的圆周方向上的长度和每一个交替极33的外表面在转子3的圆周方向上的长度。
要用于每一个交替极33的软磁材料的饱和磁通密度Bst通常大于要用于每一个永磁极31的永磁体的残余磁通密度Br，这可以被表示为“Bst＞Br”。例如，如在第一实施例中所述，使用具有1.9[T]的饱和磁通密度Bst的每一个交替磁极33的材料和具有1.4[T]的残余磁通密度Br的每一个永磁极31的材料使得每一个永磁极31的圆周角宽度θm被独特地设计为207电度角。又如，如在第二实施例中所述，使用具有1.9[T]的饱和磁通密度Bst的每一个交替磁极33的材料和具有1.2[T]的残余磁通密度Br的每一个永磁极31的材料使得每一个永磁极31的圆周角宽度θm被独特地设计为220电度角。
注意，面向每一个永磁极31(61)的齿的数量和面向每一个交替极33(63)的齿的数量可以与2k不同。
图7和8示意地示出了第一实施例的第三变型。第三变型具体地示出了被用作以分布式全节距的绕组配置缠绕在电枢芯2a中的三相电枢绕组2b的每一个的多个导体段的接合。
如图7中所示，提供了多个导体段7。该多个导体段7的每一个包括一对槽内部分7a和U或V形状的弯曲部分7b，使得槽内部分7a在它们的一端从弯曲部分7b的端部延伸。在将每一个导体段7安装电枢芯2a中之前，每一个槽内部分7a的另一端笔直地延伸。
一个导体段7的槽内部分7a中的一个被插入电枢芯2a的对应的槽内，并且另一个槽内部分7a从图8的所示的图的底部插入电枢芯2a的对应的槽内，使得槽内部分7a的另一端从电枢芯2a的对应的槽突出。槽内部分7a的、从对应的槽(电枢芯2a)突出的这些另一端在下文中被称为“突出端部分”。
其后，一个导体段7的突出端部分中的每一个被弯曲，以相对于对应的槽的轴向向外倾斜预定的电角。在该弯曲后，导体段7的突出端部分中的每一个的尖端(参见在图8中的附图标记71)通过焊接而被接合到以与该一个导体分段7相同的方式被插入对应的槽中的另一导体段7的突出端部分中的对应的一个的尖端。
即，多个导体段7被插入电枢芯2a的对应的槽内，所插入的导体段7中的每一个的突出端部份是弯曲的，并且每一个导体段7的突出端部份中的每一个的尖端通过焊接而被接合到所插入的对应的一个导体段7的突出端部份中的对应的一个的尖端。这提供了以分布式全节距绕组配置缠绕在电枢芯2a中的三相电枢绕组2b，其中每一个三相电枢绕组2b由多个导体段7的接合构成。
这种绕组配置允许电枢绕组的线圈端例如在电机10的圆周和径向上对齐。这使得能够可以减小电机10的尺寸。一般而言，电枢绕组具有分布式绕组配置的电机通常会增大电枢绕组的线圈端部的长度，从而在电机的尺寸减小方面变差。然而，每一个电枢绕组2b由多个导体段的接合构成的电机10会防止电枢绕组的线圈端部的长度的增大。
虽然已经在此描述了本公开的说明性实施例，但是本公开不限于在此所述的实施例，而是包括具有本领域的技术人员基于本公开可理解的修改、省略、组合(例如各个实施例的方面的组合)、适配和/或改变的任何实施例。应基于权利要求中使用的语言来广义地解释权利要求的限制，并且权利要求的限制不局限于本说明书中或在本申请的申请期间所描述的示例，这些示例应要被解释为非排他的。
Claims (13)
1.一种电机，包括：
环形转子构件，所述环形转子构件由软磁材料构成并且可旋转地设置在所述电机中，所述转子构件包括：
多个第一磁极，所述多个第一磁极沿着所述转子构件的圆周方向来布置，并且所述多个第一磁极间具有间隔，所述多个第一磁极中的每一个由所述转子构件的外周部分和永磁体而形成；以及
多个第二磁极，所述多个第二磁极在径向上从所述转子构件延伸，并且分别被布置在所述多个第一磁极之间，所述多个第二磁极被所述多个第一磁极相应地磁化为多个交替极；以及
电枢，所述电枢被设置为与所述转子构件相对，以产生旋转磁场，所述电枢包括：
多组齿，所述多组齿沿着所述转子构件的旋转方向来布置，使得所述多组齿中的每组齿在所述旋转磁场的一个电角周期内，所述一个电角周期对应于所述环形转子构件的一个极对节距，
所述多组齿中的在所述一个极对节距内的齿的数量被设置为2k，k是自然数，并且所述多组齿中的面向所述第一磁极中的每一个的齿的数量被设置为等于或大于k与1的和。
2.根据权利要求1所述的电机，其中，所述多个第一磁极中的每一个被配置为使得所述永磁体被安装在所述转子构件的外周部分的外表面上。
3.根据权利要求1所述的电机，其中，所述多个第一磁极中的每一个被配置为使得所述永磁体被设置在所述转子构件的外周部分内。
4.根据权利要求1所述的电机，其中，所述多组齿中的面向所述第二磁极中的每一个的齿的数量被设置为等于或小于从k中减1。
5.根据权利要求1所述的电机，其中，所述多组齿中的相邻齿之间的节距被设置为60电度角的整数因数。
6.根据权利要求5所述的电机，其中，所述多组齿以规则的间隔、沿着所述转子构件的旋转方向来布置，所述间隔为多个槽，针对所述电枢中每一极的槽的数量被设置为2，所述多组齿中的相邻齿之间的节距被设置为30电度角，所述多组齿中的面向所述第一磁极中的每一个的齿的数量被设置为7，并且所述多组齿中的面向所述第二磁极中的每一个的齿的数量被设置为5。
7.根据权利要求5所述的电机，其中，所述多组齿以规则的间隔、沿着所述转子构件的旋转方向来布置，所述间隔为多个槽，针对所述电枢中每一极的槽的数量被设置为3，所述多组齿中的相邻齿之间的节距被设置为20电度角，所述多组齿中的面向所述第一磁极中的每一个的齿的数量被设置为10，并且所述多组齿中的面向所述第二磁极中的每一个的齿的数量被设置为8。
8.根据权利要求1所述的电机，其中，所述多个第二磁极中的每一个具有弯曲的外表面，每一个第二磁极的弯曲的外表面围绕在径向上位于所述转子构件的旋转轴的外部的中心点而具有预定的第一曲率半径。
9.根据权利要求1所述的电机，其中，所述多个第一磁极中的每一个具有弯曲的外表面，每一个第一磁极的弯曲的外表面具有比所述第一曲率半径大的预定的第二曲率半径。
10.根据权利要求2所述的电机，其中，所述多个第一磁极中的每一个的永磁体具有在径向上被布置为彼此相对的第一表面和第二表面，所述多个第一磁极中的每一个的永磁体在所述第一表面处被安装在所述转子构件的外周部分的外表面上，所述第一表面的至少一部分被形成为平坦的。
11.根据权利要求1所述的电机，其中，当所述多个第一磁极中的每一个的永磁体具有残余磁通密度Br并且所述软磁材料具有饱和磁通密度Bst时，所述多个第一磁极中的每一个的外表面的圆周角宽度与所述多个第二磁极中的每一个的外表面的圆周角宽度的比大致等于所述饱和磁通密度Bst与所述残余磁通密度Br的比。
12.根据权利要求1所述的电机，还包括由非磁材料构成且附接于所述转子构件的旋转轴。
13.根据权利要求1所述的电机，其中，所述多组齿以规则的间隔、沿着所述转子构件的旋转方向来布置，所述间隔为多个槽，所述电枢包括缠绕在所述多个槽中的多相电枢绕组，用于在被激励时产生旋转磁场，所述多相电枢绕组中的每一个是多个导体段的接合，所述多个导体段中的每一个包括：插入在所述多个槽中的对应槽中的一对槽内部分以及连接所述一对槽内部分的U形或V形的弯曲部分。
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