CN102468695B - 定子铁芯 - Google Patents

Abstract

一种定子铁芯(10)，所述定子铁芯包括齿(14)和圆筒形的轭(12)，所述齿沿着所述轭(12)的圆周方向布置在所述轭的内部圆周面中，并且所述齿承受来自旋转电气装置的转子(11)的磁通。所述齿(14)包括：梯形齿(16)，所述梯形齿具有垂直地沿着所述轭(12)的中心轴线取得的梯形横截面；和异形齿(18)，所述异形齿的顶部部分(19)具有与梯形齿(16)相同的形状，并且所述异形齿的从所述顶部部分(19)到所述轭(12)的基部部分(21)具有与所述梯形齿(16)不同的形状。

Description

定子铁芯

技术领域

本申请的发明涉及一种定子铁芯。

背景技术

诸如电动机或者发电机等的旋转电气装置设置有定子，所述定子产生旋转磁场以便旋转转子。定子包括线圈和近似圆筒形的定子铁芯，并且所述线圈被组装到布置在定子铁芯中的齿(极齿)。多个齿沿着定子铁芯的圆周方向布置在所述定子铁芯的内部圆周面中，并且毗邻的齿之间的空隙被称作齿槽。为了提高齿槽中的线圈密度(线圈所占据的齿槽的空间的体积比率)，例如使用在日本专利申请公报NO.2008-160939中公开且被称作梯形齿的齿。如图8中所示，梯形齿具有梯形的横截面，所述梯形的横截面垂直地沿着定子铁芯110的中心轴线C取得，并且所述齿被形成为使得在朝向定子铁芯110的中心轴线C的方向上具有更窄的宽度。

遵从所述梯形齿112的形状的梯形线圈114被组装到梯形齿112。当齿的横截面和线圈的横截面均具有梯形的形状时，与图9中所示的齿的横截面和线圈的横截面均具有矩形形状的情况相比，提高了齿槽116中的线圈密度。上述事实表明，通过使用梯形齿112，旋转电气装置在保持输出的同时可以小型化。

如图10中所示，在梯形线圈114已经被组装到指定的梯形齿112的情况下，在将梯形线圈122组装到相邻的梯形齿112时，所述梯形线圈122将不能被组装到所述相邻的梯形齿112。如图11中所示，为了帮助组装线圈，在定子铁芯110中布置有不同于梯形齿112的至少一个矩形齿118。如图11所示，即使梯形线圈114被组装到毗邻的梯形齿112，矩形线圈120也可以被组装到矩形齿118。在将线圈组装到齿的过程中，首先将梯形线圈114组装到毗邻矩形齿118的梯形齿112，然后沿着定子铁芯110的圆周方向依次将所述梯形线圈114组装到梯形齿112，并且最后将矩形线圈120组装到矩形齿118。

这里，齿承受来自布置在转子124中的永磁体126的磁通。图12示出了由永磁体126产生的磁通流入到齿中的示意图。磁通主要从齿的顶部表面128流入到齿中，但是部分磁通作为漏磁通130从齿的侧表面132流入到齿中。这是因为在从永磁体126流入到齿的过程中，磁通密度增加到饱和，从而产生了离开齿的顶部表面128的磁通。

在齿为梯形齿112的情况下和齿为矩形齿118的情况下，漏磁通130的强度不同。也就是说，当比较从转子124到梯形齿112的侧表面134的磁路(在图12中用交替的长和短虚线示出)和从转子124到矩形齿118的侧表面132的磁路时，矩形齿118的穿过大气的磁路比梯形齿的磁路长由图12中的符号Δd表示的长度。因为大气比作为齿的材料的金属具有更高的磁阻，磁通流过长的大气通路，并且由此削减了磁通的强度。结果是，流入到矩形齿118中的全部磁通量小于流入到梯形齿112中的全部磁通量。

如果磁通量由于齿的形状而发生变化，则在转子124上产生径向方向上的偏心力。将参照图13描述该现象。在图13中示出的旋转电气装置是三相型交流旋转电气装置，并且矩形齿118被分配给V-相。当磁通从转子124的永磁体126流到V-相齿时，如果磁通量由于齿的形状而发生变化，则在矩形齿118上产生的电磁力和在朝向该矩形齿118的梯形齿112上产生的电磁力没有相互抵销，由此，在与矩形齿118相对的方向上产生偏心力136。由于偏心力136，转子124和转子124的轴138在与矩形齿118相对的方向上被牵拉。因而，转子124的旋转变得不稳定、噪声大，并且旋转电气装置的振动特性(NV特性)恶化。

发明内容

在此，本发明提供了一种定子铁芯，所述定子铁芯减轻了由于齿的形状而产生的磁通量的失衡。

本发明的第一方面涉及旋转电气装置的定子铁芯。所述定子铁芯包括齿和圆筒形的轭，所述齿沿着轭的圆周方向布置在所述轭的内部的圆周面中，并且所述齿承受来自旋转电气装置的转子的磁通。另外，所述齿包括：梯形齿，所述梯形齿具有垂直地沿着轭的中心轴线取得的梯形横截面；和异形齿，所述异形齿的顶部部分具有与梯形齿相同的形状，并且所述异形齿的从所述顶部部分到轭的基部部分具有与梯形齿不同的形状。

在上述方面中，在沿着轭的径向方向的长度上，异形齿的顶部部分的长度可以被设置为大于等于所述异形齿的总长度的15％并且小于等于所述异形齿的总长度的30％。

根据本发明，可以降减轻由于齿的形状而产生的磁通量的失衡。

附图说明

通过下面参照附图对优选实施例的描述，本发明的前述和其它的目的、特征和优势将变得显而易见，其中相同的附图标记用于表示相同的元件，并且其中：

图1是图解了根据本实施例的定子铁芯的视图；

图2是图解了异形齿的形状与梯形齿的形状相比较的视图；

图3是根据本实施例的定子铁芯的放大视图；

图4是根据本实施例的定子铁芯的放大视图；

图5是图解了根据本实施例的定子铁芯中的磁通的分析结果的视图；

图6是图解了施加到转子的偏心力的图表；

图7是图解了根据本实施例的定子铁芯的视图；

图8是图解了根据相关技术的定子铁芯的视图；

图9是图解了根据相关技术的定子铁芯的视图；

图10是图解了根据相关技术的定子铁芯的视图；

图11是图解了根据相关技术的定子铁芯的视图；

图12是图解了相关技术中的磁通从转子流入到定子的视图；和

图13是图解了相关技术中的施加到转子上的偏心力的视图。

具体实施方式

图1图解了根据本实施例的定子铁芯10。所述定子铁芯10具有近似圆筒形的形状，并且在内部的圆周侧上容纳有转子11。通过将线圈(下文中描述)组装到定子铁芯10而形成定子15。转子11被由定子15产生的旋转磁场旋转。包括定子15和转子11的旋转电气装置例如被用作用于车辆的电动机或者发电机。这里，旋转电气装置的类型可以是包括位于转子11中的永磁体13的永磁电机，或者是在转子11中不包括永磁体11的磁阻电动机。

定子铁芯10包括圆筒形轭12和多个齿14，所述多个齿14沿着轭12的圆周方向被布置在所述轭12的内部的圆周面中，并且所述多个齿14朝向轭12的中心轴线延伸。例如，轭12和齿14形成为一个构件，并且所述轭12和所述齿14由硅钢板的层叠体形成。

齿14包括梯形齿16和形状不同于所述梯形齿16的异形齿18。梯形齿16具有垂直地沿着轭12的中心轴线取得的梯形横截面，并且梯形齿16被形成为在朝向轭12的中心的方向上具有更窄的宽度。此外，毗邻的梯形齿16的侧表面可以大体彼此平行地形成。

异形齿18包括：顶部部分19，所述顶部部分19具有与梯形齿16相同的形状；和基部部分21，所述基部部分21形成在顶部部分19和轭12之间，并且具有不同于梯形齿16的形状。这里，术语“相同的形状”意指梯形齿16的顶部部分17和异形齿18的顶部部分19呈几何上全等，如图2中所示。也就是说，它表示梯形齿16的顶部部分17的顶部表面30和异形齿18的顶部部分19的顶部表面32的形状和面积相同，并且梯形齿16的顶部部分17的侧表面34和异形齿18的顶部部分19的侧表面36的形状和面积相同。此外，梯形齿16的顶部部分17的顶部表面30和侧表面34之间的角度(锥角)和异形齿18的顶部部分19的顶部表面32和侧表面36之间的角度彼此相等。按照上述条件，表示梯形齿16的顶部部分17和异形齿18的顶部部分19的几何形状和体积彼此相同。这里，术语“相等”包括在制造梯形齿16和异形齿18的过程中的公差。例如，公差包括偏离设计值大约5％的偏差。

如图3中所示，在轭12的径向方向上，异形齿18的顶部部分19的长度L2可以被设置为大于等于所述异形齿18的总长度L1的15％并且小于等于所述异形齿18的总长度L1的30％。如上述那样设置异形齿18的顶部部分19的长度L2的作用将在下文中描述。此外，梯形齿16的总长度和异形齿18的总长度可以彼此相等。

在图1中，异形齿18的基部部分21的横截面以矩形示出；然而，所述横截面并不局限于矩形形状。实际上，所述横截面可以是使得即使在梯形线圈20被插入到梯形齿16之后线圈也可以被插入到毗邻的异形齿18中的任何形状；例如，基部部分21的横截面可以形成为宽度比梯形齿16更窄(更薄)的梯形。

回到图1，线圈被组装到梯形齿16和异形齿18，在所述梯形齿16和所述异形齿18中，线圈被形成为遵从相应的齿的形状。在下文中，被组装到梯形齿16的线圈被称作梯形线圈20，而被组装到异形齿18的线圈被称作异形线圈22。这里，例如，梯形线圈20和异形线圈22可以是扁立线圈(edgewise coils)，所述扁立线圈是所谓的集中卷绕线圈，并且通过在厚度方向上卷绕铜制矩形电线而形成。除了扁立线圈之外，梯形线圈20和异形线圈22可以是圆形电线线圈，在所述圆形电线线圈中，铜制圆形电线围绕线轴卷绕，并且此外，线圈可以是扁平卷绕线圈，在所述扁平卷绕线圈中，铜制矩形电线围绕线轴卷绕。

当齿的形状从根据相关技术的矩形齿变为根据本实施例的异形齿18时，异形齿18的宽度如图4中的用参考符号w所示的那样增加。与宽度的增加相关，在将线圈组装到异形齿18期间，已经被组装到梯形齿16的梯形线圈20的顶部部分可能会与异形线圈22的基部部分相接触，并且异形线圈22很难被组装到异形齿18。为此，在组装异形线圈22期间，异形线圈22的基部部分侧面外部的圆周面40朝向异形线圈22的中心轴线42弹性地变形，并且在减小基部部分侧面上的直径的状态下，将所述异形线圈22的基部部分侧面外部的圆周面40组装到异形齿18。通过基部部分侧面处的直径的减小变形，异形线圈22可以避免与梯形线圈20的顶部部分相接触，并且可以插入到异形齿18中。在经过梯形线圈20的顶部部分附近之后，异形线圈22通过自身弹性恢复到原来的形状。此外，异形线圈22的顶部部分的形状遵从异形齿18的顶部部分的形状，并且由此所述异形线圈22的顶部部分决不与毗邻的梯形线圈20相接触。

尽管在图1中异形齿18布置在定子铁芯10中，但是异形齿18并不局限于这种布置。考虑到使线圈能够被组装，至少一个异形齿18可以布置在定子铁芯10中。

转子11被容纳在定子铁芯10的内部的圆周侧处。转子11被安装并且紧固到轴24上。从而，转子11的旋转被传递到轴24，并且所述旋转被从轴24传递到车辆的动力传送装置(传动系，未示出)。在如图1所示的本实施例中，通过铸造或者类似的方式将永磁体13组装到转子11。永磁体13优选地由诸如铷磁体等的稀土磁体制成。由永磁体13产生的磁通流入到定子铁芯10的齿14中。

这里，本发明人已经发现，通过将异形齿18的顶部部分19的长度L2构成为大于等于所述异形齿18的总长度的15％并且小于等于所述异形齿18的总长度的30％，流入到异形齿18中的磁通量变得与流入到梯形齿16的磁通量近似相等。根据研究结果，可以减小梯形齿16和异形齿18之间的磁通量的失衡，并由由此减小了施加到转子11的偏心力。

图5示出了在转子11和定子15之间的磁通的流动分析。磁通用画在转子11和定子15上的线条表示，并且磁通强度用围绕所述线条的颜色的深度来表示。现在，参照图5的环绕部分，异形齿18的顶部部分19的颜色从顶部表面32到侧表面36逐渐变深，或者那就是说，磁通密度增加。此外，在侧表面36处，磁通密度随着靠近轭12而减小。换句话说，应当理解的是，流入到异形齿18的侧表面的大部分漏磁通集中在异形齿18的顶部部分19中。通过上述结果，应当理解的是，通过仅仅将异形齿18的顶部部分形成为与梯形齿16相同的形状，异形齿18的磁通量就变得与梯形齿16的磁通量近似地相等。作为本发明人分析的结果，发现通过将异形齿18的顶部部分19的长度L2设置为大于等于异形齿18的总长度L1的15％并且小于等于所述异形齿18的总长度L1的30％，异形齿18的磁通量变得与梯形齿16的磁通量近似相等。

图6B示出了在异形齿18布置在定子铁芯10中时施加到转子11的偏心力的轨迹。图6A是比较性实例并且示出了在根据相关技术的矩形齿替代异形齿18被放置时施加到转子11的偏心力。在两种情况下，示出了在转子11的一转中的偏心力的轨迹44。而且，在两种情况下，如图7中所示，仅一个异形齿18或者矩形齿布置在定子铁芯10中的从基准线A开始逆时针方向的90°位置，并且梯形齿16布置在其它位置。

对于施加到转子11的偏心力，如图6中用圆所示的那样，可接受的范围是预先确定的。预先通过实验等方式，获得该可接受的范围，该可接受的范围是不影响噪声和振动特性(NV特性)的范围。当使用矩形齿时，应当理解的是，在与矩形齿相对的侧上产生偏心力，并且所述偏心力偏离如图6A中所示的可接受的范围。另一方面，当使用根据本实施例的异形齿18来替代矩形齿时，虽然在与异形齿18相对的侧上产生偏心力，但是所述偏心力的大小与矩形齿的偏心力的大小相比较被大幅度地减小，所述梯形齿18的偏心力落入可接受的范围。

如上所述，作为布置在定子铁芯10中的齿14，本发明使用梯形齿16和异形齿18，所述异形齿18的顶部部分19具有与梯形齿16相同的形状，并且所述异形齿18的基部部分21具有与梯形齿16不同的形状。通过布置这种异形齿18，与根据相关技术的矩形齿相比，减小了梯形齿16和异形齿18之间的磁通量的不同，并且由此也减小了施加到转子11的偏心力。此外，异形齿18的基部部分21以矩形的横截面等形状形成，使得线圈可以插入，即使梯形线圈20被插入到毗邻的梯形齿16中也是这样。因此，在组装线圈的过程中，保持组装异形线圈22的容易程度大致与使用矩形线圈的组装相同。

如图1所示，当旋转电气装置是三相型交流旋转电气装置时，优选的是，将异形齿18均等地分配给每个相。如图6B中所示，与根据相关技术的矩形齿相比较，减小了梯形齿16和异形齿18之间的磁通量的不同；然而，梯形齿16和异形齿18之间的磁通量仍然有轻微的不同。从而，通过将异形齿18均等地分配给每个相，可以避免在相应的相之间产生磁通量的失衡，并且可以均衡相应的相之间的与磁通量相关的感应电压(逆电动势)。

Claims (6)

1.一种旋转电气装置的定子铁芯（10），其特征在于，所述定子铁芯（10）包括：

圆筒形的轭（12）；和

齿（14），所述齿沿着圆周方向布置在轭（12）的内部圆周面中，并且所述齿承受来自旋转电气装置的转子（11）的磁通，其中，所述齿（14）包括：多个梯形齿（16），所述多个梯形齿具有垂直地沿着所述轭（12）的中心轴线取得的梯形横截面；和至少一个异形齿（18），所述至少一个异形齿的顶部部分（19）具有与所述梯形齿（16）相同的形状，并且所述至少一个异形齿的从所述顶部部分（19）到所述轭（12）的基部部分具有与所述梯形齿不同的形状，

所述顶部部分（19）具有顶部表面（32）和侧表面（36）。

2.根据权利要求1所述的定子铁芯，其中，在沿着所述轭（12）的径向方向的长度中，所述异形齿（18）的顶部部分（19）的长度被设置为大于等于所述异形齿（18）的总长度的15%并且小于等于所述异形齿（18）的总长度的30%。

3.根据权利要求1或者2所述的定子铁芯，其中，在所述轭（12）的径向方向上，所述梯形齿（16）的总长度与所述异形齿（18）的总长度相同。

4.根据权利要求1或者2所述的定子铁芯，其中，所述异形齿（18）的基部部分具有垂直地沿着所述轭（12）的中心轴线取得的矩形横截面。

5.根据权利要求1或者2所述的定子铁芯，其中，所述异形齿（18）的基部部分具有垂直地沿着所述轭（12）的中心轴线取得的梯形横截面，该梯形横截面的宽度比所述梯形齿（16）的梯形横截面的宽度窄。

6.根据权利要求1或者2所述的定子铁芯，其中，所述旋转电气装置是三相型交流旋转电气装置，并且所述梯形齿（16）和所述异形齿（18）布置在每个相中，以便均等地分配齿的比例。