CN103248187B - 电动旋转机器 - Google Patents

Abstract

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。

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1)。

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1]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，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，通过形成所述长第一定子齿以在所述多个定子齿的内圆周表面和所述转子的外圆周表面之间形成沿着所述转子的轴延伸的第一间隙，以及形成与所述长第一定子齿相邻的所述短第二定子齿以在所述多个定子齿的内圆周表面和所述转子的外圆周表面之间形成沿着所述转子的轴延伸的第二间隙，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，所述第二间隙的距离长于所述第一间隙的距离，

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≤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≤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。

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

21b、21c斜面

G气隙

Rt凹部深度

Ts凹部宽度

xL、xS气隙距离

θ1磁体张角

θ2位移角

具体实施方式

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(in-wheel)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(5^th)和第七(7^th)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L1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(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，μ是磁路径的磁导率。

考虑空间谐波，通量密度B可以表达为下面的公式(3)中所示，因此基频和空间谐波的叠加是增大径向电磁力fr的因素，因为径向电磁力fr包括通量密度B的平方。发明人的深入考察和研究已经证明减小空间谐波会降低扭矩纹波，从而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。

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

发明人的深入考察和研究还证明IPM三相电动机中的扭矩纹波是由θ电角度的第6f(其中f＝1，2，3，...：自然数)阶谐波分量导致的，它是关于一个磁极的一相、由空间谐波与包含在输入相电流源中的时间谐波的结合而导致的。

更精确地说，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是电流谐波分量的阶数，n是电压谐波分量的阶数，U相感生电压E_u(t)可以写为下面的公式(6)，U相电流I_u(t)可以写为下面的公式(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。

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

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

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

众所周知，相电压E(t)和相电流I(t)是对称波，所以n和m只能是奇数。还知道V相扭矩的V相感生电压E_v(t)和电流I_v(t)与W相扭矩的W相感生电压E_w(t)和电流I_w(t)分别为从U相扭矩的U相感生电压E_u(t)和电流I_u(t)移+2π/3弧度和-2π/3弧度。由此可知，在三相扭矩的表达式中，只有系数为6的项保留，并且所有其它项相互抵消。因此，三相扭矩τ(t)可以写为以下公式(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_m。

从上面的公式清楚看出，当包含在通量(感生电压)中的空间谐波的阶数n和包含在相电流源中的时间谐波的阶数m相结合给出数字6f时，在三相AC电动机中产生第6f阶的扭矩纹波，这是因为由于感生电压已知是磁通量的时间导数，因此包含在每相的感生电压中的谐波与包含在同一相的一相一磁极通量中的谐波的阶数相同。

现在，因为当一个磁极的一相的磁通量波形中的第m阶空间谐波与同一相的相电流的第n阶时间谐波结合满足条件n±m＝6f(f是自然数)时产生扭矩纹波，所以在例如相电流中只包含阶数m＝1的时间谐波的正弦近似方法中，当基频与阶数n＝5，7，11，13的空间谐波叠加时，在三相电动机中产生扭矩纹波。

然而，减小由第五(5^th)和第七(7^th)阶空间谐波(n＝5，7)即第六阶谐波因为6f＝6而导致的扭矩纹波分量是困难的，因为如图3中所示，从定子齿15之一处的磁场的通量链生成的通量波形近似于方波波形，因此使得第5和第7阶谐波容易叠加基频通量波形。

现在参考图4，已经观察到所示出的从模拟得到的电角度的每一个周期的扭矩波形，发现上述3相IPM电动机产生最大扭矩A和最小扭矩B重复六次的脉动扭矩。已经评估每次最大扭矩A和最小扭矩B事件时的磁通量密度分布，发现其中一次最小扭矩B事件时每个定子齿15的磁通量的水平或密度与另一次的不同，并且与这种差别成比例的空间谐波的叠加引起扭矩纹波增大。

从仅示出电角度的一个周期的图5容易看出，关于最小扭矩B事件的B1至B6每一次的磁通量密度分布，在半个周期期间穿过一个定子齿15的磁通量密度大于或高于穿过相邻齿的磁通量密度，使得相同的每隔一个的齿每半个周期经历这种增大的磁通量密度。因此，与每隔一个的齿和相邻齿之间磁通量密度的差成比例的空间谐波的叠加导致扭矩纹波的增大。在此，电角度一个周期(360°)对应于包括通量屏障17b的每对永久磁体16的一个磁极开口角度的磁体开口角度θ1的两倍。在8极48槽电动机形式的电动旋转机器10中，转子12的一个周期，即360度机械角度的一圈，对应于电角度四个周期，因为一组六个槽面对一个磁极，并且八(8)个磁极的两个构成一个周期。

从前面的描述可以得出，为了与最小扭矩B时经历所述增大的磁通量密度的每隔一个的齿相对应，将每隔一个的齿的长度缩短以调节其内圆周表面15a和转子12的外圆周表面12a之间的距离x。例如，穿过这样的每隔一个的齿的磁通量密度由气隙G的距离增量d引起的增大的磁阻减小，转子外圆周表面12a和缩短的或短齿(称为第二齿)15S之间的气隙G的距离xS(D2)比转子外圆周表面12a和相对长的齿(称为第一齿)15L之间的气隙G的距离xL(D1)长该距离增量d每隔一个的齿。换句话说，定子齿15包括两种长度的齿，使得每隔一个的齿比相邻的齿短。

对于每个短定子齿15S的长度的确定，通过使用有限元方法进行电磁场分析来确定每个短定子齿15S的长度和每个长定子齿15L的长度之间的差与每个长定子齿15L的长度的比，其被称为齿长度收缩比，(或者从每个短定子齿15S到转子12的外圆周表面12a的气隙距离xS和从每个长定子齿15L到转子12的外圆周表面12a的气隙距离xL的差与气隙距离xL的比，其被称为气隙加宽比δ)，其中使用气隙加宽比δ(d/xL)作为参数求出最佳条件，其中d是气隙距离xS和气隙距离xL之间的差(d＝xS-xL)。

根据使用有限元方法的电磁场分析，已经评估了包括齿长度不均匀的定子的IPM电动机与包括齿长度均匀的定子的传统IPM电动机，在得到由长度不均匀的齿和长度均匀的齿产生的扭矩之间的比(被称为扭矩比)、由长度不均匀的齿和长度均匀的齿产生的扭矩的第6阶谐波扭矩分量之间的比(被称为第6阶谐波扭矩分量比)以及由长度不均匀的齿和长度均匀的齿产生的扭矩的第12阶谐波扭矩分量之间的比(被称为第12阶谐波扭矩分量比)之后，给出图7的图形表示中所示的结果。从图7的图形表示容易看出，基于气隙加宽比δ为零(即，气隙G的距离x相等)时给出的数据，所有得到的数据针对气隙加宽比δ绘出。发现当比率δ低于0.1(或10％)时，对第6和第12阶谐波的减小没有影响，当比率δ等于或高于0.4(或40％)时，对第6阶谐波减小的影响消失，当比率δ超过0.3(或30％)时，除了第12阶谐波增大以外，所产生的扭矩本身下降。

这清楚地表明，当气隙加宽比δ落入下面的条件1规定的范围内时，减小第6阶谐波扭矩分量而没有明显降低扭矩的效果，当气隙加宽比δ落入由下面的条件2规定的范围内时，第6阶谐波扭矩分量进一步减小，当气隙加宽比δ落入由下面的条件3规定的范围内时，第6阶谐波扭矩分量可以更进一步有效减小：

条件1：0.1≤δ(＝d/xL)≤0.3

条件2：0.2≤δ(＝d/xL)≤0.3

条件3：0.25≤δ(＝d/xL)≤0.3

图8的柱状图清楚地示出，当电动旋转机器10中定子11的每个短定子齿15S的长度被调节为使得气隙加宽比δ落入例如由上述条件3规定的范围内时，引起第6阶谐波扭矩分量叠加在感生电压上的第5阶空间谐波含量和第7阶空间谐波含量均减小。这显然导致被认为比第12阶谐波扭矩分量更难减小的第6阶谐波扭矩分量的减小。

类似地，参考图9中的单点划线曲线图，其得到扭矩纹波的减小而对峰峰扭矩曲线没有任何不良影响，在使用均匀长度的定子齿15时，由于扭矩在短的时间段内剧烈且快速地变化，该扭矩纹波可能使汽车驾驶者感到不舒服。因此，电动旋转机器10证明能够将输出扭矩调节为平静变化的扭矩曲线。

图10中所示的扭矩波形的傅立叶级数展开表明，与定子齿长度均匀的情况相比，尽管第12阶谐波扭矩分量以相同的水平被剩下，但是定子齿15长度不均匀的电动旋转机器10能够减小比第12阶谐波扭矩分量更难减小的第6阶谐波扭矩分量。

在电动旋转机器10中定子11的定子齿15长度均匀的情况下，在基频扭矩波形的叠加中扭矩的第6阶谐波分量的减小尤其困难。然而，仅通过将每隔一个的定子齿形成为满足条件0.1≤δ(＝d/xL)≤0.3，或者优选地条件0.2≤δ(＝d/xL)≤0.3，或者更优选地条件0.25≤δ(＝d/xL)≤0.3的短齿15S，就可以实现扭矩纹波的有效减小。

在数量上十二(12)个槽18面对一个磁极的3相IPM电动机形式的电动旋转机器10中，在电角度一个周期期间十二(12)个位置中每一处的磁阻是高的，因为允许磁通量穿过的每个槽18的开口(称为“槽开口”，即，两个相邻的定子齿15的边缘之间允许放入线圈的间隙)中空气的磁导低。这12个位置的每个槽18处的磁阻使第11和第13阶空间谐波(n＝11，13)叠加在磁通量波形上。

通过以根据磁体16的轴向位置而确定的倾斜角来关于转子轴线旋转永久磁体16，使每个槽18中磁阻的定时交错，可以容易地减小也称为“槽谐波”的这些第11和第13阶空间谐波(n＝11，13)。然而，上述在转子12中给出倾斜角的措施带来以下问题：它引起相邻的成对永久磁体16的界面处不同，并且引起相邻的成对永久磁体16的界面处磁化率的劣化。

这启示发明人对该电动旋转机器10进行深入研究和开发。如图11中所示，电动旋转机器10形成有凹入的调节凹部21，以通过提高关于穿过定子齿15中指定的每个定子齿的磁通量的磁阻，来抑制由第11和第13阶空间谐波生成的第12阶扭矩谐波分量。每个调节凹部21形成在转子12的外圆周表面12a中的以下位置处，当转子12试图静止时指定的定子齿15之一的内圆周表面15a面对该位置，从而降低磁导以提高磁阻，并且通过调节叠加的高阶扭矩谐波分量而使得可以给出高质量波形。在图11中，为了便于区分，长定子齿15L和短定子齿15S被示出为它们的长度比显著变形，调节凹部21也是如此。

通过使用有限元方法进行电磁场分析以确定调节凹部21的在圆周方向上靠近磁极之一的d轴的内向斜面21b和在圆周方向上远离d轴的外向斜面21c之间的最深水平21a的位置和深度的最佳条件，以由此给出的位置和形状在转子12的外圆周表面12a中形成每个调节凹部21。

更具体来说，通过使用有限元方法进行电磁场分析，确定调节凹部21的最深水平21a的位置。使用参数Rt、Ts和θ2，将Rt和Ts保持恒定进行该分析。Rt是凹部深度，即，从转子12的外圆周表面12a到调节凹部21的最深水平21a的深度。Ts是凹部宽度，即，调节凹部21的斜面21b的外沿和其斜面21c的外沿之间的圆周方向上的宽度，使得凹部宽度Ts等于面对调节凹部21的定子齿15之一的内圆周表面15a的圆周方向上的宽度。θ2是角位移，即，从与调节凹部21相关联的一个磁极的d轴(即，每对永久磁体16相对于其对称的轴线)到从转子12的轴线观看调节凹部21的最深水平21a的方向的围绕转子12的轴线向前或向后旋转的角度。在本实施方式中，使得调节凹部宽度Ts等于面对调节凹部21的定子齿15的内圆周表面15a的圆周方向上的宽度，但是它可以比对面的内圆周表面15a的宽度短。然而，它对于收纳穿过定子齿15的对面的内圆周15a的整个区域的所有磁通量以调节磁阻是有效的。

已经通过有限元方法进行电磁场分析得出受第11和第13阶空间谐波(n＝11或13)影响的扭矩波形的扭矩纹波因子和空间谐波分量，图12的图形表示示出该结果。图12的该图形表示示出，该扭矩纹波因子与第11和第13阶空间谐波分量在位移角θ2(即，围绕转子12的轴线从一个磁极的d轴到关于该磁极的一对调节凹部21中的每个的向前或向后旋转的角度)为56°(电角度)时处于最低水平，因此56°(电角度)是位移角θ2的最佳值。关于一个磁极的每对调节凹部21形成在转子12的外圆周表面12a的相对于该磁极的d轴对称的位置处，一个位置面对从该d轴上的相对长的定子齿15L在一个圆周方向上观察到的隔一个的下一个定子齿15L的内圆周表面15a，另一个位置面对从该d轴上的相对长的定子齿15L在相反的圆周方向上观察到的隔一个的下一个定子齿15L的内圆周表面15a，它们的最深水平21a位于围绕转子12的轴线在一个圆周方向上和相反的圆周方向上与该d轴相距值56°的位移角θ2的等距离处，从而调节转子12的外圆周表面12a和与d轴等距离的那些相对长的定子齿15L的每一个的内圆周表面15a之间的距离为xL的位置处的气隙G中的磁阻。注意，在本实施方式中，由下面的公式定义或计算扭矩纹波因子(Tr)：

$\mathrm{Tr}(\%)=\frac{T\max -T\min }{\mathrm{Tav}}\×100$

其中Tmax、Tmin和Tav分别是扭矩的最大值、最小值和平均值。

关于每个调节凹部21的凹部深度Rt的适当值的确定，使用凹部深度Rt与转子12的外圆周表面12a和面对调节凹部21的相对长的定子齿15L的内圆周表面15a之间的距离xL(即，相互面对的表面之间的距离)的比σ(σ＝Rt/xL)作为参数，将调节凹部21的凹部宽度Td保持为固定值，利用调节凹部21的凹部深度Rt的不同值进行有限元方法的电磁场分析。

使用有限元方法的电磁场分析已经得到了由具有调节凹部21的结构和没有这种调节凹部的结构产生的扭矩之间的比(称为扭矩比)、由具有调节凹部21的结构和没有这种调节凹部的结构产生的扭矩的第6阶谐波扭矩分量之间的比(称为第6阶谐波扭矩分量比)和由具有调节凹部21的结构和没有这种调节凹部的结构产生的扭矩的第12阶谐波扭矩分量之间的比(称为第12阶谐波扭矩分量比)，从而给出图13的图形表示所示出的结果。从图13的图形表示容易看出，基于比率σ为零(即，没有这种调节凹部21)时给出的数据，针对比率σ绘出所有得到的数据。在图13中，当凹部深度Rt变深时(即，当比率σ变大时)，扭矩比在其逐渐下降的程度上稳定，但是当比率σ(＝Rt/xL)等于或大于0.4(或40％)时，扭矩比快速下降。此外，当凹部深度Rt变深时，扭矩波形中第6阶谐波扭矩分量的扭矩分量比在其逐渐上升的程度上稳定，但是当比率σ(＝Rt/xL)等于或大于0.4(或40％)时，该扭矩分量比快速上升。此外，当凹部深度Rt变深时，扭矩波形中第12阶谐波扭矩分量的扭矩分量比快速下降，但是当比率σ(＝Rt/xL)等于或大于0.2(或20％)时，该扭矩分量比在其逐渐上升的程度上稳定。该图形表示清楚地示出当比率σ(＝Rt/xL)，即，凹部深度Rt与转子12的外圆周表面12a和每个相对长的定子齿15L的内圆周表面15a之间的距离xL的比，在由下面的条件1规定的范围内时，在扭矩没有任何显著下降的情况下第12阶谐波扭矩分量的减小效果，当比率σ在由下面的条件2规定的范围内时，第12阶谐波扭矩分量的进一步减小效果，以及当比率σ在由下面的条件3规定的范围内时第12阶谐波扭矩分量的更有效的减小效果。

条件1：0.2≤σ(＝Rt/xL)≤0.4

条件2：0.2≤σ(＝Rt/xL)≤0.3

条件3：0.2≤σ(＝Rt/xL)≤0.25

对于定子11形成有长度不均匀的定子齿15的情况，图8的棒状图示出当电动旋转机器10中转子12的外圆周表面12a中形成的每个调节凹部21的凹部深度Rt被调节为使得比率σ例如在上述条件3规定的范围内时，分别会引起第6阶谐波扭矩分量叠加在感生电压上的第5阶空间谐波含量的减少及第7阶空间谐波含量的减少。这显然导致被认为难以减小的第6阶谐波扭矩分量的减小。

除了前文所述，参考图9中完整绘出的曲线，与定子齿的长度在长度上被调节的情况相比，这得到由在短时间段内剧烈快速变化的扭矩可以使汽车驾驶者感到不舒服的扭矩纹波的进一步减小，从而证明该电动旋转机器10能够将输出扭矩调节到安静变化的扭矩曲线。该完整绘出的曲线与图9中的双点划线曲线的比较示出了，与定子齿长度均匀的情况相比，扭矩脉动减小了大约30％，并且该完整绘出的曲线与图9中的单点划线曲线的比较示出了，与定子齿被调节为长度不均匀的情况相比，扭矩脉动减小了大约25％。

图10中所示的扭矩波形的傅立叶级数展开清楚地确认了调节凹部21的效果，因为该电动旋转机器10不仅能够像定子齿15的长度不均匀的情况那样有效减小第6阶谐波扭矩分量，而且还能够显著减小第12阶谐波扭矩分量。

因此，除了调节定子11的定子齿15的长度以外，通过在转子12的外圆周表面12a上相对于每个磁极的d轴对称的位置处形成调节凹部21，电动旋转机器10还能够显著减小第12阶谐波扭矩分量，并因此以最有效的方式减小扭矩纹波，关于所述对称的位置，其中一个位置面对从该d轴上的相对长的定子齿15L在一个圆周方向上观察到的隔一个的下一个定子齿15L的内圆周表面15a，另一个位置面对从该d轴上的相对长的定子齿15L在相反的圆周方向上观察到的隔一个的下一个定子齿15L的内圆周表面15a，它们的最深水平21a位于围绕转子12的轴线在角向上在一个圆周方向上和相反的圆周方向上与该d轴相距值56°(电角θ2)的等距离处。特别地，全部所需要的是满足如下条件：凹部深度Rt与转子12的外圆周表面12a和长定子齿15L的内圆周表面15a之间的距离xL的比率σ在由0.2≤σ(＝Rt/xL)≤0.4规定的范围内，或者优选地该比率σ在由0.2≤σ(＝Rt/xL)≤0.3规定的范围内，或者更优选地该比率σ在由0.2≤σ(＝Rt/xL)≤0.25规定的范围内。

根据本实施方式，定子11的定子齿15的每隔一个的齿是短齿15S，短齿15S限定的气隙距离xS比相邻的长齿15L限定的气隙距离xL长由加宽比δ(＝d/xL)＝0.1至0.3(或者10％至30％)限制的范围内的量。此外，调节凹部21位于在转子12的外圆周表面12a上相对于每个磁极的d轴对称的位置处，其中凹部深度Rt与转子12的外圆周表面12a和长定子齿15L的内圆周表面15a之间的距离xL的比率σ(＝Rt/xL)在0.2至0.4(或者20％至40％)的范围内，关于所述对称的位置，一个位置面对从该d轴上的相对长的定子齿15L在一个圆周方向上观察到的隔一个的下一个定子齿15L的内圆周表面15a，另一个位置面对从该d轴上的相对长的定子齿15L在相反的圆周方向上观察到的隔一个的下一个定子齿15L的内圆周表面15a，它们的最深水平21a位于围绕转子12的轴线在角向上在一个圆周方向上和相反的圆周方向上与该d轴相距值56°(电角θ2)的等距离处。这使得通过减小基频扭矩波形上叠加的不仅第6阶谐波扭矩分量而且还有第12阶谐波扭矩分量，来减小扭矩纹波。因此，这提供了能够通过降低扭矩纹波来以减小的振荡和噪声提供高质量高效率的机器操作的电动旋转机器。

在前面对本实施方式的描述中，作为一个例子解释了以下结构，多对永久磁体16嵌入在转子12中，每对磁体排列成“V”形配置。本实施方式不局限于该例子，例如，本实施方式可以应用于永久磁体以面对外圆周表面12a的方式嵌入在转子12中以提供相同效果的结构。

在前面对本实施方式的描述中，作为例子，电动旋转机器10采用8极48槽电动机的形式，但是本发明不局限于该结构。通过只采用在有效磁极张角θ1范围内的电角度θ1，本发明可以在每个磁极对六(6)个槽的电动机中实现其应用，例如6极36槽、4极24槽、10极60槽的电动机。

不意图将本发明的范围局限于所示出和描述的实施方式。应当理解，能够实现本发明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及其法律上的等同物给出的本发明的范围的情况下，可以对各要素的功能和配置进行各种变化。

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例，但是它仅是一个例子，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2012年2月1日提交的2012-020224号日本专利申请的优先权，该申请的全部内容通过引用包含在本申请中。

Claims (2)

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，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，并且通过形成所述长第一定子齿以在所述多个定子齿的内圆周表面和所述转子的外圆周表面之间形成沿着所述转子的轴延伸的第一间隙，以及形成与所述长第一定子齿相邻的所述短第二定子齿以在所述多个定子齿的内圆周表面和所述转子的外圆周表面之间形成沿着所述转子的轴延伸的第二间隙，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，所述第二间隙的距离长于所述第一间隙的距离，

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，

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，并且

其中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。

2.一种电动旋转机器，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，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，并且通过形成所述长第一定子齿以在所述多个定子齿的内圆周表面和所述转子的外圆周表面之间形成沿着所述转子的轴延伸的第一间隙，以及形成与所述长第一定子齿相邻的所述短第二定子齿以在所述多个定子齿的内圆周表面和所述转子的外圆周表面之间形成沿着所述转子的轴延伸的第二间隙，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，所述第二间隙的距离长于所述第一间隙的距离，

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，

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，并且

其中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。