CN102780286A - 电动马达中的不对称定子齿 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动马达中的不对称定子齿，具体地，一种永磁体马达包括：永磁体转子；围绕所述转子的定子，所述定子具有朝向所述定子的纵轴线而沿径向向内取向的多个齿，其中，每个齿具有齿长和齿尖表面几何形状。不对称的气隙由齿长和齿尖表面几何形状的变化限定。

Description

电动马达中的不对称定子齿

技术领域

本公开涉及用于电动马达的定子。

背景技术

在此部分中的陈述仅提供与本公开内容相关的背景信息。因此，这样的陈述不意于构成对现有技术的承认。

已知的电动马达包括将电力转化为机械转矩的永磁体电动马达。永磁体电动马达可为多相内永磁体（IPM）电动马达，其包括供转子元件插入其中的环形定子。已知的定子包括环形定子芯和多个电绕组。已知的定子芯包括多个径向向内伸出的齿元件，齿元件平行于电动马达的纵轴线并限定定子的内周边。相邻的径向向内伸出的齿元件形成沿径向取向的纵向缝。电绕组由多股适合导电材料（例如铜或铝）制成，并被编织或以其它方式布置为线圈组从而插入齿元件之间的沿径向取向的缝中。电绕组以环形方式围绕定子芯的周边电串联布置，其中每个电绕组关联于电动马达的单个相。电绕组的每个线圈组提供马达操作的单一相的单一极。在定子芯中的沿径向取向的缝的量基于用于电动马达的电布线绕线的相和极的量而确定。这样，三相、两极感应马达将具有被构造为六个线圈组的电绕组，其中线圈组被构造为六个缝或量是六的倍数的缝。通过电绕组的电流用于产生旋转磁场，该磁场作用在转子上以在转子的轴上引起转矩。

已知的用于永磁体电动马达的转子包括转子芯，转子芯被附接到限定旋转轴线的旋转轴。已知的转子具有在转子芯的外表面的近处沿周边定位的多个转子磁体，其中每个转子磁体相对于旋转轴线沿纵向对准。

已知的永磁体电动马达包括：在定子的齿元件与转子的外表面之间的气隙。气隙是必要的设计特征，以适应制造容差、有利于组装、并适合其它已知因素。气隙优选地被最小化，因为增大的气隙引起磁通量减小并由此使输出转矩减小。

当电流流动经过定子绕线时，沿与作用到转子元件的转子磁体上的定子部分的单一相相关联的电绕组引发磁场。磁场在转子的旋转轴上引发转矩。当磁场引发足够转矩以克服支承摩擦和任何引发的在轴上的转矩负载时，转子使轴旋转。

在操作时，包括转矩波动（ripple）的马达转矩输出的不连续与气隙的量值相关联。气隙和相关的马达转矩输出的不连续影响最大马达转矩输出并影响电动马达的噪音、振动和跳动（harshness）性能。

永磁体电动马达的设计包括与磁学、力学、热力学、电子学、声学、和材料科学相关的因素。已知的是，性能需求、包装限制、和成本对于影响设计特征的马达设计施加限制。已知的性能需求包括最大马达转矩输出、转矩波动、和定位转矩（cogging torque），其影响电动马达的噪音、振动、和跳动性能。已知的永磁体电动马达由于永磁体和电枢磁动力而相对于转子角度位置具有非正弦的通量分布。非正弦的通量分布引起转矩脉动，这反映为速度波动、噪音和振动。转矩脉动可使永磁体电动马达的性能恶化，且优选地被最小化。转矩脉动影响性能，包括效率、可听噪音、振动、和跳动。对性能的影响在不同操作点处变化，即，转矩脉动可响应于在不同速度和转矩输出的操作而变化。已知的减少或最小化转矩脉动的策略包括：使磁体在转子中的位置偏斜以使转矩波动最小，调节定子和/或转子的特定设计特征以在特定操作点处实现最小转矩波动或实现最大马达转矩输出，和执行控制策略以通过定子电流产生逆向转矩分量。

发明内容

一种永磁体马达包括：永磁体转子；围绕所述转子的定子，所述定子具有朝向所述定子的纵轴线而沿径向向内取向的多个齿，其中每个齿具有齿长和齿尖表面几何形状。不对称的气隙由齿长和齿尖表面几何形状的变化限定。

附图说明

现在将通过示例参照附图描述一个或多个实施例，其中：

图1是根据本公开内容的电动马达的截面图，其中，电动马达包括安装在轴上并插入中空柱形定子中的转子；

图2是根据本公开内容的电动马达的局部截面图；和

图3是根据本公开内容的为电动马达的定子的齿选择优选的不对称周向样式的过程的流程图。

具体实施方式

现在参见附图，其中所显示的内容仅用于例示特定示例性实施例的目的，而非用于限制本发明的目的，图1是永磁体电动马达10的截面图，永磁体电动马达10包括：安装在轴12上并被插入中空柱形定子30中的转子20；而图2是永磁体电动马达10的局部截面图。永磁体电动马达10包括具有端帽的壳体，转子20的轴12被可旋转地安装在端帽的支承表面上。轴12的中心线限定纵轴线15，纵轴线15是转子20的旋转轴线，也是定子30的纵轴线。永磁体电动马达10的截面图示出为正交于纵轴线15。电动马达的显著特征主要基于正交于纵轴线15的截面图而描述。示出假想圆31的一部分。假想圆31与纵轴线15共轴，并具有在正交截面平面中从纵轴线15正交地伸出的径向线段18限定的半径。由径向线段18限定的半径近似于定子30的平均内半径。应认识到，纵轴线15、径向线段18、和假想圆31是用于描述永磁体电动马达10的各元件及其相关取向的几何构造，而非其物理元件。

转子20包括具有外半径22的外表面24。转子20包括轴12和沿周向安置在外表面24附近的多个永磁体。

定子30包括多个沿周向安置的沿径向向内取向的定子齿32，使得每个齿包括穿过纵轴线15的径向中心线。相邻的定子齿32形成沿径向向内开放的缝。缝33沿与定子30的纵轴线15平行的方向伸出。绝缘的电绕组被插入缝33中。在一个实施例中，缝33是矩形形状的管道。

每个沿径向向内取向的齿32相对于其径向中心线29大致对称，并具有包括主体部分34和端部分或齿尖35的截面轮廓。每个端部分35显著宽于齿32的对应的主体部分34。每个端部分35相对于定子32的外周边40沿径向向内远离。每个端部分35具有沿径向向内的内表面部分36。每个沿径向向内的内表面部分36具有的表面构造是凹形弧形表面37、凸形弧形表面38、和平坦表面39中的一种。每个齿32可基于径向长度41及其端部分35的沿径向向内的内表面部分36来表征。径向长度41描述了端部分35的径向伸出，且优选地在相应内表面上相对于相应径向中心线的交叉点与假想圆31之间测得。替代地，径向长度可在相应内表面上相对于相应径向中心线的交叉点与定子32的外周边40之间测得。

气隙25在转子20的外表面24与定子30的沿径向向内取向的齿32的端部分35的内表面部分36之间形成。气隙25依定子30与转子20之间的径向距离被限定。应认识到，气隙25的量值随向内伸出的齿32的径向长度41的变化而变化，并且气隙25的最小量值与径向长度41的最大量值相关联，气隙25的最大量值与径向长度41的最小量值相关联。

定子30被构造为使齿32关于表面部分36和径向长度41具有不对称的周向样式或者分布。齿32的这种不对称的周向样式导致气隙25的不对称变化，这优选地在马达操作点范围内实现转矩波动的减小。用以实现气隙25中的不对称变化的齿32的不对称周向样式通过沿径向取向的内表面部分36的不对称分布而实现，内表面部分36包括凹形弧形表面37、凸形弧形表面38、和平坦表面39，以实现量值在最大径向长度与最小径向长度之间的多种选择的径向长度41。

图3描述用于设计永磁体电动马达的定子的流程形式的过程100。过程100参照图1所描述的永磁体电动马达10进行描述。过程100优选地重复执行从而以如下方式不对称地分布齿32的表面部分36和所选择的径向长度41，即：使在永磁体电动马达10的定子30的操作点范围内的转矩波动最小并使平均转矩输出最大。

表1被提供为图解，其中数字标记框和对应功能如下所示。

表1

过程100包括：定义输入变量（103）和基于输入变量形成永磁体电动马达10（包括安装在轴12上并被插入中空柱形定子30中的转子20）的参数化的几何形状（102）。用于形成永磁体电动马达10的参数化的几何形状的优选输入变量包括：端部分35的所选择的表面部分36，和每个齿32的所选择的径向长度41。端部分35的表面部分36和径向长度41针对每个齿32而选择。端部分35的所选择的表面部分36是凹形弧形表面37、凸形弧形表面38和平坦表面39中的一种。

永磁体电动马达10的有限元分析模型（FEA模型）针对所选择的几何形状而生成，并考虑参数化的几何形状元素（104），优选地使用已知的有限元分析技术。

定义永磁体电动马达10的操作点和操作参数、目标和限制（106）。永磁体电动马达10的操作点优选地包括转速、定子电流、和控制角度。与转速相关联的操作点包括从最大马达速度与可为零或者接近于零的最小马达速度之间的范围所选择的多个马达速度点。与转速相关联的操作点优选地包括沿第一旋转方向和沿第二旋转方向（即，沿顺时针方向和沿逆时针方向）的马达速度点。

与电流相关联的操作点包括从最大电流与可为零或者接近于零的最小电流之间的范围所选择的多个电流点。电流可与充电电流和放电电流相关联。

与控制角度相关联的操作点可包括从最大控制角度与可为零或者接近于零的最小控制角度之间的范围所选择的多个控制角度状态。操作限制优选地包括：在依照马达速度、电流和控制角度而定义的规定操作点处从永磁体电动马达10输出的平均转矩。操作参数优选地包括：在规定操作点处确定的转矩波动。操作目标优选地包括：当在规定操作点处实现大于最小平均转矩输出的平均转矩输出的同时，实现最小转矩波动。

优化算法使用永磁体电动马达10的FEA模型执行，其中考虑参数化的几何形状元素（108）。执行优化算法优选地包括：考虑参数化的几何形状元素在每个定义的转速、定子电流、和控制角度的操作点处模拟永磁体电动马达10的FEA模型的操作。在每个定义的操作点处确定平均转矩输出和转矩波动的操作参数状态。这是重复过程，其中执行优化算法以评估所感兴趣的参数化的几何形状元素的不对称组合，包括齿32的所选择的表面部分36的不对称分布，和所选择的齿32的径向长度41的不对称分布。示例优化算法是组合优化。示例性的组合优化使所选择的齿32的表面部分36不对称分布，并使每个齿32在最大径向长度与最小径向长度之间的径向长度41不对称分布，通过不对称分布的表面部分36和径向长度41操作永磁体电动马达10的FEA模型，在每个定义的操作点处确定平均转矩输出和转矩波动，和收敛到所选择的表面部分36的优选的不对称周向样式和齿32的所选择的径向长度41的优选的不对称周向样式。选择所感兴趣的参数化的几何形状元素的优选的不对称周向样式。优选的不对称周向样式是在每个定义的操作点处实现最小转矩波动并使平均转矩输出最大的参数化的几何形状元素的不对称组合。

所感兴趣的参数化的几何形状元素的优选的不对称周向样式包括：齿32的所选择的表面部分36，和齿32的所选择的径向长度41。齿32的这种优选的不对称周向样式导致气隙25的不对称变化，从而在马达操作点范围上实现转矩波动的减小。

FEA模型的结果和优化算法的执行被验证（110），以确保不违反限制并以核实在齿32的所选择的表面部分36的不对称组合与齿32的所选择的径向长度41的不对称组合存在完整性（integrity）。

永磁体电动马达10的实施例的设计构造可被制造为：提供齿32的所选择的表面部分36的优选的不对称周向样式和齿32的所选择的径向长度41的优选的不对称周向样式，以实现在每个定义的操作点处使转矩波动最小和使平均转矩输出最大。

所示实施例包括具有本文中所述特征的容纳在环形定子内的柱形构造的转子。应认识到，在此所描述的思路适应于具有本文中所述特征且容纳在环形转子内的柱形构造的定子。

本公开内容已经描述了特定的优选实施例及其修改方案。在阅读和理解本申请文件后，其它人可进行进一步修改和改变。因此，本公开内容意在不限于被认为是实现本公开内容的最佳模式而公开的特定实施例，而是，本公开内容将包括处于所附权利要求书范围内的所有实施例。

Claims (7)

1. 一种永磁体马达，包括：

永磁体转子；

围绕所述转子的定子，所述定子包括朝向所述定子的纵轴线径向向内取向的多个齿，每个齿具有齿长和齿尖表面几何形状；

不对称的气隙，其由齿长和齿尖表面几何形状的变化限定。

2. 如权利要求1所述的永磁体马达，其中每个齿尖表面几何形状包括凹形、凸形和平坦几何形状中相应的一种；并且所述凹形、凸形和平坦几何形状中的每一种形成在至少一个齿尖表面上。

3. 一种永磁体马达，包括：

永磁体转子；

围绕所述转子的定子，所述定子包括朝向所述定子的纵轴线径向向内取向的多个齿；

每个齿包括相应的齿尖，所述齿尖远离所述定子的外周边并相对于所述定子的外周边径向向内；和

每个齿尖包括面向所述转子的相应的齿尖表面，其中每个相应的表面是凹形、凸形和平坦表面中的一种；并且所述凹形、凸形和平坦几何形状中的每一种形成在至少一个齿尖上。

4. 如权利要求3所述的永磁体马达，其中，

每个齿包括：沿相应的径向中心线测得的、在圆与所述相应的径向中心线相对于所述相应的齿尖表面的交叉点之间的相应径向长度，其中所述圆具有与所述定子的纵轴线重合的中心，每个齿的所述相应的径向长度不同于至少一个其它齿的相应的径向长度。

5. 一种永磁体马达，包括：

永磁体转子；

定子，所述定子包括朝向所述定子的纵轴线径向向内取向的多个齿；

每个齿具有的截面轮廓包括主体部分和端部分，每个端部分具有表面部分，所述表面部分包括凹形弧形表面、凸形弧形表面、和平坦表面中的一种；

每个齿具有相对于假想圆的齿特有的径向长度，所述假想圆具有在所述定子的纵轴线处的中心；和

所述多个齿的所述表面部分和所述径向长度绕所述定子不对称地分布。

6. 如权利要求5所述的永磁体马达，其中所述齿的不对称地分布的表面部分和径向长度限定与所述转子的不对称气隙。

7. 如权利要求5所述的永磁体马达，其中每个齿特有的径向长度在最大径向长度与最小径向长度之间变化。

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