CN103095001A - 电动旋转机器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动旋转机器，其能够通过降低扭矩波动来提供振荡和噪声减小的高质量和高效率的机器工作。该电动旋转机器包括定子，该定子具有多个面对转子的齿和多个提供用于围绕所述齿缠绕线圈的空间的槽。该转子具有嵌入在其中并且排列成“V”形配置的成对永磁体，以使磁力作用在所述齿上，使得所述定子内的转子被磁阻扭矩和磁扭矩驱动以旋转。转子的外径Dr与定子的外径Ds的外径比Δ在从0.61至0.645的范围内。

Description

电动旋转机器

技术领域

本发明涉及电动旋转机器，更具体地说，涉及能够作为提供高质量驱动的电动机的永磁电动机器。

背景技术

电动旋转机器被要求根据使用它们的设备的不同类型而具有不同的特征。例如，当在具有内燃机的混合电动车辆(HEV)中作为牵引电动机或者在电动车辆(EV)中作为驱动源使用时，要求电动机器在宽范围上作为速度可变的电动机，并且在低转速工作时作为高扭矩电动机。

因为使用能够有效地一起利用磁阻扭矩与磁扭矩的结构是有利的，所以提出通过采用内部永磁(interior permanent magnet，IPM)结构来构造具有这种特性的电动机器，在该结构中，多对永磁体嵌入在转子中，每对磁体定位成“V”形配置，开口朝向转子外周(例如，参见专利文献1)。

在具有这种IPM结构的电动旋转机器中，为了有效利用磁阻扭矩，以每对永磁体定位成“V”形配置的方式，多对永磁体嵌入在转子中，以保持q轴磁路径。这增加了磁阻扭矩与磁扭矩的比例，并且还增加了凸极比(Ld/Lq)，凸极比是d轴的电感与q轴的电感之间的比，这导致较高阶的空间谐波与通量波形重叠的趋势增加。d轴与磁极产生的通量的方向对准，并且作为定位成“V”形的每对永磁体之间的中心轴，而q轴在电和磁上与d轴成90电度的角，并且作为相邻的磁极(即，相邻的永磁体对)之间的中心轴。

这在如此的电动旋转机器中引起高扭矩波动，扭矩波动是指在转一圈期间最大扭矩和最小扭矩之间的差。高扭矩波动引起机器的振荡和电磁噪声的增加。特别地，因为在具有该电动机器作为电驱动的车辆中，电磁噪声的频率相对高于内燃机的驱动产生的噪声的频率，因此电磁噪声带来使乘员不舒服的声音，所以希望尽可能地减小电磁噪声。

另一方面，要求电动旋转机器的高效驱动从而以较低的电力消耗来有效地产生期望的驱动力，但是振荡变成损耗，从而导致效率降低。

在混合动力汽车和电动汽车中，不仅搭载空间受限制，而且近来还要求提高能量转换效率(燃料里程)，随之，对能够提供高能量密度输出的电动旋转机器的轻型化和小型化的要求日益增加。因为例如需要在街上使用时在用于驱动汽车的通常使用范围上提供高效率的驱动，所以减小扭矩波动对于控制颤动、异常振动以及提供平稳的加速性能是有效的。

作为独立单元，将小型化与提高效率、减小电磁噪声和降低扭矩波动相结合是非常难的，因为在电动旋转机器(电动机)中，随着每单位体积输出密度的增加，存在电磁噪声增加的趋势和由扭矩波动的出现而引起的效率下降的趋势，而对轻型化和小型化的需求又日益增加。

为了实现低电磁噪声和低扭矩波动，提出在轴向上划分转子，以允许相邻的永磁体对之一与另一个呈现角向上扭曲的位置关系，或者给出斜交角(例如，参见专利文献2)。

上述在电动旋转机器中给出斜交角的方法不仅引起组装成本的增加，并因此增加生产成本，而且还引起相邻的永磁体对的界面处的差异和界面处磁化率劣化，使永磁体降低了它们的磁通量密度。结果，由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斜交角的措施不同的各种思想以实现低电磁噪声和低扭矩波动。这些思想包括如下途径，例如通过修改转子外周的形状，使得转子外周在每个磁极处具有“花瓣”状的突起形状，来修改转子和围绕转子的定子之间的气隙，使得每个p轴与该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，因为气隙宽，所以在每个p轴处的电感增加，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1]日本特开2008-99418号公报(P2008-99418A)

[专利文献2]日本特开2006-304546号公报(P2006-304546A)

[专利文献3]日本特开2000-197292号公报(P2000-197292A)

[专利文献4]日本特开2007-312591号公报(P2007-312591A)

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种电动旋转机器，其能够通过降低扭矩波动提供振荡和噪声减小的高质量和有效率的机器工作。

根据本发明的第一方面，提供一种电动旋转机器，其包括转轴位于转子轴线上的转子和可旋转地容纳所述转子的定子，

其中所述定子包括向所述转子的外周表面延伸并且在面对所述转子的外周表面的内周表面处终止的多个齿、以及多个槽，每个槽在相邻的两个齿之间，提供用于围绕所述齿缠绕线圈以输入驱动电功率的空间，

其中所述转子具有嵌入其中的多个永磁体，以使磁力作用在与所述永磁体相对的所述齿的该表面部分上，

其中所述定子内的所述转子被当电流通过所述线圈时产生自穿过所述齿、所述齿的后表面侧和所述转子的磁通量的磁阻扭矩和产生自与所述永磁体干涉的吸引力和排斥力形式的磁扭矩驱动以旋转，

其中所述转子的外径Dr与所述定子的外径Ds的外径比在有效地使扭矩波动最小化的范围内。

根据本发明的第二方面，除了第一方面的指定事项以外，当所述多个永磁体的永磁体组对应于所述多个槽的槽组并形成磁极，并且所述槽组在数量上包括六个槽时，

所述外径比Dr/Ds在下式表达的范围内：

0.61≤Dr/Ds≤0.645。

根据本发明的第三方面，除了第一和第二方面之一的指定事项以外，所述电动旋转机器被配置为满足下式表达的条件：

Lt/Dr≤0.04

2Lt≤Lb

0.35≤d/Ls≤0.44

0.32≤Ls/Lt

其中：Lt是所述多个齿的每个的厚度，Lb是所述多个齿的每个的后表面侧的厚度，d是所述线圈的导体的直径，Ls是所述多个槽的每个的开口宽度。

磁极可以由永磁体形成，每对永磁体嵌入在转子中并且排列成“V”形配置，开口朝向转子外周。

根据本发明的第一方面，转子和定子满足转子的外径Dr与定子的外径Ds的外径比在有效使扭矩波动最小化的范围内。结果，提供振动和噪声减小的高质量的机器工作，同时因为扭矩波动被减小，所以还提供损耗减小的高效率的机器工作。

根据本发明的第二方面，当转子中的每组或每对永磁体的一个磁极在数量上对应于六个槽的组时，所述外径比在从0.61至0.645的范围内。这导致除了振动和噪声减小以外，还实现了损耗减小的高质量的机器工作。

根据本发明的第三方面，因为条件(每个定子齿的厚度Lt)/(转子的外径Dr)≤0.04，(2Lt)≤(每个定子齿的后表面侧的厚度Lb)，0.35≤(线圈导体的直径d)/(每个槽的开口宽度Ls)≤0.44以及0.32≤(每个槽的开口宽度Ls)/(每个定子齿的厚度Lt)，所以除了铁损耗减小以外，还可以通过使用自动卷线机自动在相邻的齿之间的每个槽中绑定绕组来形成线圈。

附图说明

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，其示出了该电动旋转机器的整体结构的概要。

图2是示出该机器中的磁极的有效磁极开口角度的局部平面图。

图3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型的平面图。

图4是磁通量的近似波形的图形表示(基频)。

图5是示出磁通量的近似波形、有效磁极开口角度和磁体开口角度之间关系的示意图。

图6A和图6B是示出在定子中产生的振荡或振动模式的示意图。

图7A和图7B是示出与图6A和图6B的振动模式不同的定子中的另一个振荡或振动模式的示意图。

图8是示出将转子与定子的外径比作为参数的电磁分析结果的图形表示。

图9是示出将转子与定子的外径比作为参数的与图8不同的电磁分析结果的图形表示。

图10是示出将转子与定子的外径比作为参数的与图8或图9不同的电磁分析结果的图形表示。

附图标记说明

10 电动旋转机器

11 定子

12 转子

13 转轴

15 定子齿

16 永磁体

16a 角部

17 排列成“V”形的孔

17b 通量屏障

18 槽

20 中心桥

Dr 转子直径

Ds 定子直径

Lt 定子齿的厚度

Lb 后轭的厚度

Ls 槽的开口宽度

θ1 有效磁极开口角度

具体实施方式

下面参考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和图2，电动旋转机器(电动机)10例如在混合电动汽车或者电动汽车中作为与内燃机类似的驱动源或者作为轮内驱动单元具有良好的使用性能，并且它包括形成为圆柱形配置的定子11和可旋转地容纳在定子11中并具有转轴13的转子12，转子12定位为转子轴线与定子11的轴线重合。

在定子11和转子12之间存在气隙G，定子11包括在整个内圆缘上向转子轴线延伸的槽18和由槽18限定的多个定子齿15。定子齿15在径向上向转子轴线延伸，它们的端部面向转子12的外圆形外周表面12a，它们之间有气隙G。定子齿15被缠绕以提供三相分布绕组(未示出)，从而形成被配置为感生通量型的线圈绕组，该通量型用于产生提供给转子12的转子扭矩。

转子12是内部永磁(IPM)转子，其具有嵌入其中的多组(在本实例中为多对)永磁体16，每组磁体包括一对排列成“V”形配置的开口向外圆形外周表面12a的永磁体16。转子12形成有多对孔17，孔17的对排列成“V”形配置，开口朝向外圆形外周表面12a，并且孔17的对在转子12的轴向上延伸。每对孔17包括一对孔区间17a，每对作为平板状磁体的永磁体16容纳在一对孔区间17a中，并且通过它们的每个角部16a插入并以面对面的关系保持在限定对应的孔区间17a的相邻两个成角度的内壁而保持稳定。每个孔17包括位于对应的平板状磁体16的相对侧的两个空间区间17b，并且在磁体16的宽度方向上间隔开，用作限制潜回通量的通量屏障(在下文中称为“通量屏障”)。每对孔17设置有中心桥20，该中心桥20将相关联的成对永磁体16相互连结，以将永磁体16保持在转子12高速旋转时对抗离心力的适当位置。

在该电动旋转机器10中，定子齿15在角向上间隔开，提供作为槽18的空间，以容纳线圈绕组，使得六个定子齿15与八组永磁体16中对应的一组配合，换句话说，六个(6)槽18面对八组永磁体16中的一组。因此，电动旋转机器10被配置为用作包括八(8)组永磁体16的八(8)个磁极(四对磁极)的8极48槽三相IMP电动机，其中每组永磁体16的N极和S极相对于相邻组的那些旋转180度机械角度，并且使用六(6)个槽18限定五(5)个定子齿15，四十八(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，使用所示出的标注N和S，但是它们不在部件的表面上。

因为除了从该磁通量流型与每组永磁体16的磁极的通量流型的相互作用的吸引力和排斥力得到的磁扭矩以外，还由趋向于使来自定子11的磁通量流型的磁流路径最小化的磁阻扭矩产生转子扭矩，所以当槽18中的线圈绕组被激励，使得来自定子齿15的磁通量流型从外圆形外周表面12a向内进入转子12时，该结构使电动旋转机器12驱动转子12和转轴13。

如图3中所示，电动旋转机器10具有由分布绕组形成的容纳在槽18中的线圈绕组，以提供从定子11进入转子12的包括分布磁路径的通量流型，多组定子齿15的每一组对应于所述多对永磁体16的一个磁极。用于永磁体16的每对V形孔17沿着磁路径延伸，或者换句话说，以不扰乱这种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，诸如硅钢等磁钢的叠层针对所需的输出扭矩以在轴向上堆叠的关系设置为适当厚度，并且使用挺杆孔19通过紧固螺栓来紧固。

现在考虑采用永磁体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中的一个齿中磁通量的变化可以由图4中所示的方波形来近似。该基频磁通量波和较低阶的空间谐波、第五阶(5^th)和第七阶(7^th)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，而且还是影响由高扭矩波动(即，在转一圈期间最大和最小扭矩之间的差)产生的作为热能的损耗带来的铁损耗和机器工作效率下降的因素。因为磁滞损耗是频率与磁通量密度的乘积，并且涡流损耗是频率的平方与磁通量密度的乘积，所以抑制空间谐波会减小铁损耗，以关于电能的输入而改进机器工作效率。回到图4，在图4中竖直轴代表磁通量，水平轴代表时间，所示出的方波形近似于在一个周期T(4L1+2L2)电角度上定子齿15的一个齿中磁通量的变化，其中在持续时间L1中没有磁通量通过该齿，具有幅度的磁通量在周期T的前一半的持续时间L2中正向通过该齿，在周期T的后一半的持续时间L2中反向通过该齿。

来自电动机(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，存在由转子和端子之间的磁耦合产生的径向电磁力和由扭矩产生的角向电磁力。以近似于该电动机的线性磁路考虑作用于定子齿15的每个上的径向电磁力，径向电磁力fr和磁能W可以用下面的公式(1)和(2)来表达：

$W=\frac{1}{2}{\mathrm{\φ}}^2{R}_g=\frac{1}{2}{(B\·S)}^2\·\frac{x}{\mathrm{\μS}}=\frac{1}{2\mathrm{\μ}}{B}^2\·x\·S\·\·\·\·\left(1\right)$

$\mathrm{fr}=\frac{\∂W}{\∂x}=\frac{1}{2\mathrm{\μ}}{B}^{2}S\frac{\∂}{\∂x}\left(x\right)=\frac{1}{2\mathrm{\μ}}{B}^{2}S\·\·\·\·\left(2\right)$

其中φ是磁通量，W是磁能，fr是径向电磁力，Rg是磁阻，B是磁通量密度，S是该磁通量通过的面积，x是气隙(G)长度，ε是磁路径的磁导率。

考虑空间谐波，磁通量密度B可以用下面所示的公式(3)来表达，随之，基频和空间谐波的叠加是增加径向电磁力fr的因素，因为径向电磁力fr包括通量密度B的平方。本发明人进行的深入调查和研究表明，减小空间谐波会降低扭矩波动，结果是不仅实现了电动机电磁噪声的减小，而且还实现了机器工作效率的提高。

$B=\underset{t=1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Bt}\sin t(\mathrm{\θ}+\mathrm{\δt})\·\·\·\·\left(3\right)$

发明人的深入调查和研究还表明IPM三相电动机中的扭矩波动是由θ电角度的第6f阶谐波分量产生的(其中f＝1，2，3，..：自然数)，这些谐波分量是关于一个磁极的一个相位来结合空间谐波与包含在输入的相位电流供应中的时间谐波而产生的。

更具体来说，三相输出P(t)和扭矩τ(t)可以由下面的公式(4)和(5)中的表达式给出。

P(t)＝E_u(t)I_u(t)+E_v(t)I_v(t)+E_w(t)I_w(t)＝ω_m·τ(t)……(4)τ(t)＝[E_u(t)I_u(t)+E_v(t)I_v(t)+E_w(t)I_w(t)]/ω_m  ……(5)

其中ω_m是角速度；E_u(t)，E_v(t)和E_w(t)分别是U相、V相和W相感生电压；I_u(t)，I_v(t)和I_w(t)分别是U相、V相和W相电流。

三相扭矩是U相、V相和W相扭矩之和。假定m是电流中的谐波分量的阶数，n是电压中的谐波分量的阶数，则U相感生电压E_u(t)可以写为如下公式(6)，U相位电流I_u(t)可以写为如下公式(7)，U相扭矩τ_u(t)可以由下面的公式(8)中示出的表达式给出。

$E_u\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_n\sin n\·(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\α}}_n)\·\·\·\·\left(6\right)$

$I_u\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{I}_m\sin m\·(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\β}}_m)\·\·\·\·\left(7\right)$

${\mathrm{\τ}}_u\left(t\right)=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_m}\left[\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{E}_m{I}_m\right\{-\frac{1}{2}(\cos (n+m)\mathrm{\θ}+n{\mathrm{\α}}_n+m{\mathrm{\β}}_m)-\cos ((n-m)\mathrm{\θ}+n{\mathrm{\α}}_n-m{\mathrm{\β}}_m)\left\}\right]\·\·\·\·\left(8\right)$

众所周知，相位电压E(t)和相位电流I(t)是对称的波，所以n和m只是奇数。还已知V相扭矩的V相感生电压E_v(t)和电流I_v(t)和W相扭矩的W相感生电压E_w(t)和电流I_w(t)分别从U相扭矩的U相感生电压E_u(t)和电流I_u(t)偏移+2π/3弧度和-2π/3弧度。可以看到，在三相扭矩的表达式中，只有系数6的项保留，所有其它项都相互抵消。由此可知，三相扭矩τ(t)可以写为如下公式(9)。

$\mathrm{\τ}\left(t\right)=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_m}\left[\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{E}_m{I}_m\right\{-\frac{1}{2}\{3\cos (6\mathrm{f\θ}+s)-3\cos (6\mathrm{f\θ}+t)\}\left\}\right]\·\·\·\·\left(9\right)$

其中6f＝n±m(f是自然数)，s＝nα_n+mβ_m，t＝nα_n-mβ。

从上面的公式清楚看到，当包含在该通量(感生电压)中的空间谐波的阶数n和包含在相供应电流中的时间谐波的阶数m结合给出数字6f时，在三相AC电动机中产生第6f阶的扭矩波动，因为感生电压是磁通量的时间导数，所以包含在每个相感生电压中的谐波与包含在同相的一相一磁极通量中的谐波的阶数相同。

因为当一磁极一相的磁通量波形中的空间谐波的阶数m与同相的相位电流中的时间谐波的阶数n结合以满足条件n±m＝6f(f是自然数)时产生扭矩波动，所以现在利用例如相位电流中只包含m＝1阶的时间谐波的正弦近似方法在基频与n＝5，7，11，13阶空间谐波叠加时在三相电动机中产生扭矩波动。

对于像电动旋转机器10这样的关于每个磁极具有六(6)个槽18并且十二(12)个槽18对应于各对磁极的三相IMP电动机，在一个周期电角度期间在圆周上隔开的十二(12)个位置的全部槽18中的一些中磁阻变高，这引起基频通量波形与第十一阶(11^th)和第十三(13^th)阶空间谐波(n＝11，13)叠加。

然而，因为如图4中所示，由定子齿15之一处的磁场的通量磁链产生的通量波形近似于方波形，并因此使第五(5^th)阶和第七(7^th)阶谐波容易与基频通量波形叠加，所以难以减小由第五(5^th)阶和第七(7^th)阶空间谐波(n＝5，7)(即，第六阶谐波，因为6f＝6)导致的扭矩波动成分。

当该三相IPM结构的定子齿15之一的通量波形近似于方波形时的傅立叶变换等式f(t)可以由下面的公式(10)中的表达式给出，并且图4中所示的通量波形F(t)可以由下面的公式(11)中的表达式给出。此通量波形F(t)可被写为下面的公式(12)，它是包括不高于第七阶谐波的空间谐波的近似方程，通过对使用三角函数的和积公式进行展开后给出的各项的整理，可以将其转换为下面的公式(13)。公式(13)清楚表明减小第五或第七阶谐波需要满足以下条件1或2。

条件1：cos5ω·L1＝0

条件2：cos7ω·L1＝0

$f\left(t\right)=\frac{4}{\mathrm{\π}}\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\sin \left\{(2k-1)\mathrm{\ωt}\right\}}{2k-1}\·\·\·\·\left(10\right)$

$F\left(t\right)=\frac{1}{2}[f(t-\mathrm{\α})+f(t+\mathrm{\α})]$

$=\frac{1}{2}[\frac{4}{\mathrm{\π}}\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\sin \left\{(2k-1)\mathrm{\ω}(t-\mathrm{\α})\right\}}{2k-1}+\frac{4}{\mathrm{\π}}\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\sin \left\{(2k-1)\mathrm{\ω}(t+\mathrm{\α})\right\}}{2k-1}]\·\·\·\·\left(11\right)$

$F\left(t\right)=\frac{1}{2}\left[\frac{4}{\mathrm{\π}}\right\{\sin \mathrm{\ω}(t-\mathrm{\α})+\frac{1}{3}\sin 3\mathrm{\ω}(t-\mathrm{\α})+\frac{1}{5}\sin 5\mathrm{\ω}(t-\mathrm{\α})+\frac{1}{7}\sin 7\mathrm{\ω}(t-\mathrm{\α})\}$

$+\frac{4}{\mathrm{\π}}\{\sin \mathrm{\ω}(t+\mathrm{\α})+\frac{1}{3}\sin 3\mathrm{\ω}(t+\mathrm{\α})+\frac{1}{5}\sin 5\mathrm{\ω}(t+\mathrm{\α})+\frac{1}{7}\sin 7\mathrm{\ω}(t+\mathrm{\α})\}]\·\·\·\·\left(12\right)$

$F\left(t\right)=\frac{4}{\mathrm{\π}}[\sin \mathrm{\ωt}\·\cos \mathrm{\ω\α}+\frac{1}{3}\sin 3\mathrm{\ωt}\·\cos \mathrm{\ω\α}+\frac{1}{5}\sin 5\mathrm{\ωt}\·\cos 5\mathrm{\ω\α}+\frac{1}{7}\sin 7\mathrm{\ωt}\·\cos 7\mathrm{\ω\α}]\·\·\·\·\left(13\right)$

参考图4中所示的通量波形，其表现可被表达为如下公式(14)。将该公式代入从条件1得出的关系式(即，5ω·L1＝±π/2)得出下面的公式(15)中的表达式，将其称为“条件1变形”。利用L1，L2＞0这一事实重写该表达式可以给出如下条件1A中的表达式。注意，条件1A在被满足时通过将第五阶空间谐波降低到零而提供扭矩波动的减小。

角频率(角速度)ω＝2π/T＝2π/(4L1+2L2)...(14)

条件1变形：5ω·L1＝5·2πL1/(4L1+2L2)＝±π/2...(15)

条件1A：L1＝L2/8

类似地，条件2变形可被重写为如下公式(16)。使用L1，L2＞0这一事实重写该表达式可以给出如下条件2A中的表达式。注意，条件2A在被满足时通过将第七阶空间谐波降低到零而提供扭矩波动的减小。

条件2变形：7ω·L1＝7·2πL1/(4L1+2L2)＝±π/2...(16)

条件2A：L1＝L2/12

对于8极48槽电动旋转机器10，使用在机器10中成立的如下关系式，转子12的圆周速度V表达为重写为如下公式(18)的如下公式(18)，)其中r是转子12的半径。

45度机械角＝T/2电角度周期

V(m/sec)＝2πr·(45°/360°)/(T/2)

＝2πr·(45°/360°)/{(4L1+2L2)/2}

＝r(m)·ω(rad/sec)...(17)

2L1+L2＝π/4ω...(18)

将条件1A和条件2A代入上面的公式(18)得到下面的条件。

第五阶空间谐波＝0→(L2，L1)＝(π/5ω，π/40ω)

第七阶空间谐波＝0→(L2，L1)＝(3π/14ω，π/56ω)

通过提供满足如下连锁标号的不等式(19)的布局可以增加电动旋转机器10中第五阶谐波和第七阶空间谐波减小的趋势，从而限制扭矩波动增加。

π/5ω≤L2≤3π/14ω(sec)...(19)

其中，连锁标号的不等式(19)中的项L2代表转子12面对定子齿15的提供具有图4中所示通量波形的磁通量的磁路径的一侧的面积，因此它可被理解为互联从转子轴线(顶点)张开的两条线的气隙G中的弧，并且这两条线穿过给定的成对永磁体16的两侧的通量屏障17b，形成称为“有效磁极开口角度θ1”的张开角度θ1。

参考图4中所示的通量波形，因为关系式θ＝ωt成立，所以有效磁极开口角度θ1可被写为θ1＝ωL2，从而连锁标号的不等式(19)可被写为以下各种表达式。在8极48槽的电动旋转机器10的配置(六(6)个槽逐一地对应于或者面对八(8)个磁极的配置)的情况下，例如，转子12旋转360度机械角度的一个周期对应于四个电角度周期，因为四对八个(8)磁极中的每对经历一个周期。所述各种表达式为：

π/5(弧度)≤θ1(机械角度)≤3π/14(弧度)，并且36(度)≤θ1(机械角度)≤270/7(度)。

因为θ1(机械角度)＝(8极/2极)·θ1(电角度)，所以144(度)≤θ1(电角度)≤154.3(度)。

如图5中所示，这导致如下布局，关于电动旋转机器10中每一个磁极，永磁体16及它们的在一个和相对边缘处的通量屏障17b在由从转子轴线(顶点)张开的形成有效磁极开口角度θ1的该两条线限定的区域内，θ1在如下表达的范围内：

36°≤θ1(机械角度)≤38.6°...(20)或

144°≤θ1(电角度)≤154.3°...(21)。

在嵌入在转子12中的每对永磁体16排列成“V”形配置的IPM结构中，d轴代表由磁极产生的磁通量的方向，即，排列成“V”形的每对永磁体16之间的中轴线，而g轴代表在电和机械上与d轴成90度的电角度并且作为相邻磁极的永磁体16之间的中轴线的轴线。在此情况下，从图4中所示的近似于磁通量波形的波形容易看出，转子12中每个磁极的有效磁极开口角度θ1对应于穿过定子齿15的磁通量延续的持续时间L2。如图5中所示，该磁通量波形的持续时间L2位于形成角度θ2的每对q轴之间的中点，使得d轴穿过持续时间L2的中点。图2示出的角度θ2是由每对q轴形成的角度并且是45°机械角度，并且是对应于一半磁通量波形周期的电角度。

因此，覆盖转子12中的不仅每对永磁体16而且其通量屏障17b的有效磁极开口角度θ1在范围{144°≤θ1(电角度)≤154.3°}内，它对于通过抑制相位电压中n＝5，7的第五和第七阶空间谐波来减小扭矩波动是有效的，这两个空间谐波的每个与相位电流中m＝1阶的时间谐波配合，以满足特定的第6f阶(n＝5，7)，利用该有效磁极开口角度θ1，电动旋转机器10能够以扭矩波动、振荡和噪声减小的高质量的旋转来驱动其转轴13。此外，因为减小的扭矩波动减小了振荡，从而不仅抑制了热损耗，还抑制了磁滞损耗和铁损耗，所以能够以损耗减小的高效率旋转来驱动转轴13。

为了研究电动旋转机器10采用的作为其基础结构的三相IPM电动机，进行了定子11(定子铁芯)的振动分析。该分析表明，如上述公式(3)中表达的基频波(t＝1)、第三阶空间分量(t＝3)、第五阶空间分量(t＝5)的叠加而导致产生的第二、四、八、十阶径向电磁力fr产生八角形旋转的振动模式形状(模式号k＝8)，见公式(2)，并且第六、十二阶径向电磁力fr产生循环扩张和收缩的正圆的振动模式形状(模式号k＝0)。例如，在图6A和图6B中的两个不同时间T1和T2示出的第二阶谐波(或者第二阶径向电磁力fr)产生的振动模式中，由定子11的振动转换成的八角形旋转，并且在图7A和图7B中的时间T1和T2的两个不同状态示出的第六阶谐波(或者第六阶径向电磁力fr)产生的振荡模式中，定子11循环扩张和收缩。此外，在没有示出的第十阶径向电磁力fr产生的振动模式中，椭圆形的振动模式形状与八角形的振动模式形状(模式号k＝8)相结合。

在8极48槽电动机形式的电动旋转机器10中，磁通量密度被分布为使得八(8)个磁通量逐一位于360度机械角度一圈的角方向上，并且八(8)个径向电磁力fr逐一地位于角方向上，从而在角方向上定位的八个径向电磁力fr感生模式号k＝8的振动模式。此外，在由第六、第十二阶径向电磁力fr产生的振动模式中，作为由扭矩波动导致的电磁力矢量和由与定子11的磁耦合导致的电磁力径向矢量之和的电磁力合成矢量使定子11振动。因此，在由伴随扭矩波动的第6f阶(即本实例中的第六、第十二阶)产生的扩张和收缩交替出现的振动模式k＝0期间，定子11周围空气传播由该扩张和收缩引起的振动，导致与其它阶数相比，电动旋转机器10的电动机电磁噪声程度增加。对于除了上述第6f阶以外的其它阶，没有扭矩波动发生，并且没有可能产生问题的振动和噪声出现。

其结果，显然，在电动旋转机器10中，抑制磁通量波形中被认为产生问题的第六阶谐波(m＝1，n＝5，7)提供扭矩波动和颤动的减小，不仅抑制在汽车中安装状态中称为“颤动(judder)”的异常振动，而且还抑制电磁噪声。

除了扭矩波动的减小以外，不仅调节电动旋转机器10中转子12上的每一个磁极的结构，而且还调节转子12与定子11的外径比，使得该外径比在有效使扭矩波动最小化的范围内。

图8至图10中所示的数据清楚示出，当外径比Δ(＝Dr/Ds)在如下范围内时：

0.61≤Δ≤0.645

或者优选地

0.615≤Δ≤0.63

或者更优选地

0.62≤Δ≤0.625

其中，Dr是电动旋转机器10的转子12的外径，Ds是定子11的外径，不仅扭矩波动被减小，而且线电压THD也被减小。图8至图10中的数据是通过使用有限元方法进行电磁场分析得出的，其示出以外径比Δ为参数由第六和第十二阶(第6f阶)谐波引起的扭矩和扭矩波动。

图8不仅示出了以外径比Dr/Ds(Δ)为参数的扭矩波动比或者扭矩波动的幅度，即，扭矩波动与平均扭矩的比{(最大值-最小值)/平均值}，而且还示出了关于以外径比Δ0.61设为基准时确定的值，叠加了基频通量波形的谐波的扭矩变化率、第六阶高谐波扭矩的变化率和第十二阶高谐波扭矩的变化率。

如图8所示，外径比Δ＝0.61时的扭矩波动比等于外径比Δ＝0.635时的扭矩波动比，并且在外径比Δ范围从0.61至0.635区间内的扭矩波动比低于在其它区间内的扭矩波动比。除了较低水平的扭矩波动比以外，外径比Δ范围从0.615至0.63的区间内的扭矩波动比的变化率保持为低，并且在外径比Δ范围从0.62至0.625的区间内的扭矩波动比的变化率保持更低。可以考虑扭矩波动比和高谐波扭矩变化率来确定外径比Δ应当落入的适当范围，因为尽管示出了增加直到外径比Δ达到0.65的趋势，但是扭矩变化率具有大约0.03的上限，并且不会这么高。

图9示出线电压的高空间谐波含有率，包括阶数n＝5，7的高空间谐波的含有率(由第六阶谐波扭矩引起)和阶数n＝11，13的高空间谐波的含有率(由第十二阶谐波扭矩引起)，以及以外径比Δ作为参数的线电压THD(Total Harmonic Distortion，总谐波畸变)。

如图9中所示，第十一阶高空间谐波含有率比其它高空间谐波含有率变化更显著。外径比Δ＝0.61时的谐波含有率等于外径比Δ＝0.645时的谐波含有率，并且在外径比Δ范围从0.61至0.645的区间内的谐波含有率比其它区间内低。此外，在外径比Δ范围从0.615至0.63的区间内，第十一阶的高空间谐波含有率保持更低。

图10示出关于以外径比Δ是0.61设为基准时确定的值，电磁力的第六阶谐波含有率的变化率和电磁力的第十二阶谐波含有率的变化率。

如图10所示，在外径比Δ范围从0.61至0.66的区间内电磁力的每个谐波含有率没有显著变化，并且示出为下降趋势，但是当外径比Δ超过0.66时第六阶谐波含有率示出为快速增加的趋势。

基于图9和图10中所示的上述趋势，如前文提到的，定子11的外径Ds和转子12的外径Dr优选被调节为使得外径比Δ(Dr/Ds)在从0.61至0.645的范围内，优选在从0.615至0.63的范围内，并且更优选在从0.62至0.625的范围内。在不定位定子11和转子12以呈现角向上彼此扭曲的位置关系或者所谓的给出斜交角的情况下，将定子11与转子12的外径比Δ调节到落入上述范围内的值不仅可以减小扭矩波动，而且还以减小线电压THD，甚至在启动之后用于驱动汽车的通常使用范围内也是如此。

利用槽18，使用插入器机器进行缠绕，以缠绕定子11的齿15，以提供三相分布绕组。通过将每个定子槽18的线圈占用率设置在从75％至90％的范围内来减小铜损耗，该范围是在平行绕组插入每个定子槽18时比率d/Ls在从0.35至0.44的范围内的条件下，基于使用矩形导线的假定计算得出的，其中d是线圈导体的直径，Ls是面对转子12的每个定子槽18的开口宽度。除了减小铜损耗以外，为了减小铁损耗，定子11的各部分的尺度被确定为满足下面表达的条件：

Lt/Dr≤0.04，2Lt≤Lb，0.32≤Ls/Lt

其中Lt是每个定子齿15的厚度；Lb是每个定子齿15的后侧(后轭)的厚度。

当每个定子齿18中插入两个平行绕组时，将尺度确定为满足比率d/Ls在从0.29至0.32范围内的条件。

根据本实施方式，因为转子12的外径Dr与定子11的外径Ds的外径比Δ(Dr/Ds)在从0.61至0.645的范围内，所以扭矩波动被减小到最小范围。通过自动绑定确保形成线圈，并且减小铜损耗和铁损耗，因为定子11中每个定子齿15的厚度Lt、每个定子齿15背后的后轭的厚度Lb等被确定为满足上述最佳条件，所以可以实现电动旋转机器10的有效工作。结果，除了振动和噪声减小的电动旋转机器10的高质量工作以外，还实现了损耗减小的电动旋转机器10的高效率工作。

以上对本实施方式的说明中，作为一个实例描述了多对永磁体16以每对磁体排列成“V”形配置的方式嵌入在转子12中的结构。本实施方式不局限于该实例，例如，本实施方式还可被应用于永磁体以面对外周表面12a的方式嵌入在转子12中的结构，以提供相同的效果。

在以上对本实施方式的描述中，将8极48槽电动机形式的电动旋转机器10作为例子，但是不局限于这种结构。通过只采用在所述有效磁极开口角度θ1的范围内的θ1电角度，本发明可以在每个磁极包括六(6)个槽的电动机中发现其应用，例如，6极36槽、4极24槽、10极60槽电动机。

本发明的范围不意图局限于所示出和描述的实施方式。应当理解，实现本发明所要达到的等同效果的所有变体都在本发明的范围内。应当理解，在不偏离所附权利要求中给出的以及在法律上等同的本发明的范围的情况下，可以在元件功能和结构上进行各种变更。

工业上的可利用性

应当理解，尽管已经描述了本发明的一个实施方式，但是它仅是一个实例，并且不意图限制本发明的范围。还应当理解，在不偏离本发明的精神的情况下存在大量的变体。

本申请要求2011年11月2日提交的2011-241408号日本专利申请的优先权，其全部内容通过引用包含在本申请中。

Claims (3)

1.一种电动旋转机器，其包括转轴位于转子轴线上的转子和可旋转地容纳所述转子的定子。

其中所述定子包括向所述转子的外周表面延伸并且在面对所述转子的外周表面的内周表面处终止的多个齿、以及多个槽，每个槽在相邻的两个齿之间，提供用于围绕所述齿缠绕线圈以输入驱动电功率的空间，

其中所述转子具有嵌入其中的多个永磁体，以使磁力作用在与所述永磁体相对的所述齿的表面部分上，

其中所述定子内的所述转子由当电流通过所述线圈时产生自穿过所述齿、所述齿的后表面侧和所述转子的磁通量的磁阻扭矩和产生自与所述永磁体干涉的吸引力和排斥力形式的磁扭矩驱动以旋转，

其中所述转子的外径Dr与所述定子的外径Ds的外径比在有效地使扭矩波动最小化的范围内。

2.根据权利要求1所述的电动旋转机器，其中当所述多个永磁体的永磁体组对应于所述多个槽的槽组并形成磁极，并且所述槽组在数量上包括六个槽时，

所述外径比Dr/Ds在下式表达的范围内：

0.61≤Dr /Ds ≤0.645。

3.根据权利要求1所述的电动旋转机器，其中所述电动旋转机器配置为满足下式表达的条件：

Lt/Dr≤0.04

2Lt≤Lb

0.35≤d/Ls≤0.44

0.32≤Ls/Lt

其中：Lt是所述多个齿的每个的厚度，Lb是所述多个齿的每个的后表面侧的厚度，d是所述线圈的导体的直径，Ls是所述多个槽的每个的开口宽度。

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