CN103532328A

CN103532328A - 旋转电机

Info

Publication number: CN103532328A
Application number: CN201310264431.4A
Authority: CN
Inventors: 谷口真
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2033-06-28
Also published as: JP5605721B2; JP2014011880A; US20140001909A1; US9106115B2; CN103532328B

Abstract

本发明涉及一种旋转电机，其包括定子芯部（21，62，82）、转子芯部（32，75，88）和永磁体（40，87）。定子芯部包括磁轭（24）和在径向向内的方向上从磁轭突出的齿部（25，63，83）。每个齿部具有接合至磁轭的基部和与基部相反的端部（26，71）。转子芯部包括轮毂部（33）和突起部（34，76，89）。突起部在径向向外的方向上从轮毂部突出并且在周向方向上间隔。每个永磁体位于相邻的突起部之间且与相邻的突起部间隔开而在周向方向上形成间隙（50，79，90）。间隙的宽度（W1，W4，W6）不大于齿部的端部在周向方向上的宽度（W2，W3，W5）。

Description

旋转电机

技术领域

本公开涉及旋转电机。

背景技术

诸如稀土磁体之类的永磁体材料具有高的能量密度并且因此是降低电机的尺寸的重要材料。然而，由于资源在全世界的不均匀分布，很难获得足量的永磁体材料。为此，已将机器设计为尽可能多地减少永磁体材料的使用。例如，在对应于JP-A-2011-250508的US 2011/0285243中公开的旋转电机中，采用交替极转子（consequent-pole rotor）来减少永磁体材料的使用。交替极转子具有从轮毂部（boss potion）径向向外突起的突起部以及位于相邻的突起部之间的永磁体。

在对US 2011/0285243中公开的旋转电机的深入分析之后，本发明的发明者发现如果通过采用US 2011/0285243中公开的磁路数据对旋转电机进行设计，那么可能出现转子的旋转上的变化。特别是，当旋转电机在车辆的电力转向系统中使用时，可增加齿槽扭矩。在US 2011/0285243中公开的技术中，磁路数据专门用于输出扭矩。具体地，永磁体的宽度远远大于突起部的宽度。这造成了空间磁场分布的扰动，并且该扰动导致了齿槽扭矩的增加。总之，本发明的发明者发现齿槽扭矩的增加与永磁体、突起部和定子的齿部之间的相互作用密切相关。

鉴于上述情况，本公开的目的是提供用于在不减小输出扭矩的情况下减小齿槽扭矩的旋转电机。

发明内容

根据本公开的方面，旋转电机包括支撑构件、定子芯部、绕组、旋转轴、转子芯部和永磁体。所述定子芯部包括固定至所述支撑构件的环形的磁轭和在径向向内的方向上从所述磁轭突出的齿部。每个齿部具有接合至所述磁轭的基部以及与所述基部相反的端部。所述绕组缠绕在所述齿部之间的狭槽中。所述旋转轴延伸穿过所述定子芯部且由所述支撑构件可旋转地支撑。所述转子芯部包括轮毂部和突起部。所述轮毂部固定至所述旋转轴。所述突起部在径向向外的方向上从所述轮毂部突出且在周向方向上彼此间隔开。所述永磁体固定至所述轮毂部。每个永磁体位于相邻的突起部之间且与相邻的突起部分隔开，从而在所述周向方向上形成间隙。所述间隙在周向方向上的宽度等于或小于所述齿部的端部在周向方向上的宽度。

附图说明

从参考如图进行的下列详细说明中，本公开的上述以及其它目的、特征和优点将变得清楚。在附图中，

图1是图示根据本公开的第一实施方式的电马达的截面视图的图；

图2是图示沿图1中的线II-II截取的截面视图的图；

图3是图示图2中区域III的放大视图的图；

图4是图示根据第一实施方式的马达与根据图12中所示的第一对比示例的马达之间在齿槽扭矩上的对比情况的图；

图5是图示根据本公开的第二实施方式的电马达的截面视图的图；

图6是图示图5中的区域VI的放大视图的图；

图7是图示根据第二实施方式的马达与根据第一对比示例的马达之间在效率上的对比情况的图；

图8是图示根据本公开的第三实施方式的电马达的局部放大截面视图的图；

图9是根据第三实施方式的马达与根据第一对比示例的马达之间在输出扭矩上的对比情况的图；

图10是图示根据本公开第四实施方式的电马达的截面视图的图；

图11是图示图10中的区域XI的放大视图的图；

图12是图示根据第一对比示例的马达中的磁通随时间推移而改变的图。

图13是图示根据第二对比示例的马达中的磁通随时间推移而改变的图。

图14是图示图12和图13的马达中的每一个的齿部中的磁通的波形的图。

具体实施方式

首先，在下文中参考图12、图13以及图14对本发明的发明者发现的齿槽扭矩增加的原因进行描述。

图12示出了第一对比示例中在t1至t3时间内的磁通的改变，在第一对比示例中转子的突起部102和永磁体101之间在周向方向上的间隙小。图13示出了第二对比示例中在t1至t3时间内的磁通的改变，在第二对比示例中转子的永磁体104和突起部105之间在周向方向上的间隙大。

如图12所示，当转子的突起部102和永磁体101之间的周向方向上的间隙小时，定子的齿部103在径向向内的方向上的端部易于在磁极之间磁绕通。因此，如图12中用虚线所指示的，一定量的主磁通始终在齿部103中流动，从而使得在没有电流供应时观察到的齿槽扭矩能够变小。然而，由于侧向磁通（即，泄漏磁通）增加，当供应额定电流时观察到的输出扭矩的减小较大。

因此，优选地，转子的永磁体与突起部之间在周向方向上的间隙尽可能地大。然而，如图13所示，当转子的永磁体104与突起部105之间的周向方向上的间隙过大时，定子的齿部106在径向向内的方向上的端部不能够充分地在磁极之间绕通。因此，如图13中虚线所示，主磁通并非始终在齿部103中流动。由此，磁化条件根据转子位置变化很大，从而使得齿槽扭矩能够变大。

如图14中实线所指示的，图13中所示的第二对比示例的齿部106中的磁通的波形扭曲较大且包含很多谐波。因此，在定子中旋转的磁通变化，从而使得齿槽扭矩能够变大。

另一方面，如图14中的虚线所指示的，图12中所示的第一对比示例的齿部103中的磁通的波形稍微扭曲。然而，由于波形的峰值减小，由此有效磁通相应地减小。如JP-A-2011-250508中所公开的，当永磁体比突起部宽时，这一现象显著呈现。

接下来，基于上述发现对本公开的实施方式进行描述。

（第一实施方式）

下面参考图1和图2对根据本公开的第一实施方式的马达1（作为旋转电机）进行描述。如图1所示，马达1是三相无刷马达。马达1包括壳体10、定子20和转子30。

壳体10包括管件11、第一侧部12和第二侧部14。管件11的第一端部由第一侧部12封闭。管件11的第二端部由第二侧部14封闭。轴承16配装在第一侧部12的中心的通孔13中。轴承17配装在第二侧部14的中心的通孔15中。

定子20包括定子芯部21和绕组22。定子芯部21位于壳体10的管件11中。绕组22缠绕在定子芯部21上。

定子芯部21具有磁轭24和齿部25。磁轭24被压入管件11中，从而使得磁轭24能够压靠且固定至管件11的内表面。齿部25从磁轭24沿磁轭24的径向向内的方向突起。磁轭24和齿部25形成为单个零件。根据第一实施方式，定子芯部21具有二十四个齿部25。即，用于每个磁极和每个相位的齿部25的数目是一个。齿部25在磁轭24的周向方向上以固定的间隔布置。

绕组22包括U相绕组、V相绕组和W相绕组。在相邻的齿部25之间形成有狭槽28。每三个狭槽25缠绕绕组22的一个线圈。换言之，绕组22中的每个线圈以三个狭槽25的间隔进行缠绕。应当指出图2仅示出了流过U相线圈的电流的方向。

转子30是交替极转子。转子30包括旋转轴31、转子芯部32和永磁体40。

轴31由轴承16和17可旋转地支撑。

转子芯部32由软磁性材料制成。转子芯部32包括轮毂部33和突起部34。例如通过将轴31压配合在轮毂部33中将轮毂部33固定至轴31。突起部34从轮毂部33沿轮毂部33的径向向外的方向突出且在轮毂部33的周向方向上彼此间隔开。突起部34用作软磁极。根据第一实施方式，转子芯部32由在轴31的轴线φ的方向上层压的钢板制成。

永磁体40固定至轮毂部33。每个永磁体40位于相邻的突起部34之间且与相邻的突起部34间隔开而在周向方向上形成间隙50。

转子芯部32的轮毂部33用作用于传导从永磁体40发出的磁通的磁通传导体。从永磁体40发出的磁通包括主磁通和泄漏磁通。主磁通从永磁体40通过齿部25和磁轭24流动至突起部34。泄漏磁通沿侧向方向通过齿部25从永磁体40流动至突起部34并且不流动穿过磁轭24。

在马达1中，绕组22的每个线圈连接至包括逆变器、控制器和电池的电源转换器（未示出），并且进而被供电从而能够产生在周向方向上旋转的磁场。转子30根据旋转磁场进行旋转。

接下来，参考图2和图3对定子20和转子30进行详细的描述。

永磁体40与突起部34之间的周向方向上的间隙50的宽度W1小于齿部25的端部在周向方向上的宽度W2。应当注意，宽度W1是间隙50在径向向外的方向上的最外部的宽度并且宽度W2是齿部25的端部在径向向内的方向上的最内部的宽度。此处，永磁体40在周向方向上的端表面定义为第一端表面41，突起部34在周向方向上的端表面定义为第二端表面35，形成为第一端表面41的延伸的假想平面定义为第一假想平面IP1，以及形成为第二端表面35的延伸的假想平面定义为第二假想平面IP2。根据第一实施方式，当齿部25在周向方向上的中心和间隙50在周向方向上的中心在径向方向上彼此对齐（即，沿径向方向在相同的直线上）时，齿部25定位在由第一假想平面IP1和第二假想平面IP2限定的区域内。

具体地，每个永磁体40具有在周向方向上彼此相对的两个第一端表面41。永磁体40的两个第一端表面41彼此平行。同样地，每个突起部34具有在周向方向上彼此相对的两个第二端表面35。突起部34的两个第二端表面35彼此平行。彼此相对以形成间隙50的第一端表面41和第二端表面35之间的距离在径向向外的方向上增加。相应地，由第一假想平面IP1和第二假想平面IP2限定的区域的宽度在径向向外的方向上增加。

永磁体40在周向方向上的宽度与突起部34在周向方向上的宽度相等。当间隙50中的任一个定位成在径向方向上面向齿部25中的任一个时，其它间隙50中的每一个定位成在径向方向上面向其它齿部25中的任一个。当用于每个磁极和每个相位的齿部25的数目定义为“k”时，能够在径向方向上面向每个永磁体40的齿部25的数目是（3k-1），并且能够在径向方向上面向每个突起部34的齿部25的数目也是（3K-1）。因为数目k是一，所以数目（3k-1）是二。

如上所描述的，根据第一实施方式，永磁体40和突起部34之间的周向方向上的间隙50的宽度W1小于齿部25的端部在周向方向上的宽度W2。此外，当齿部25在周向方向上的中心与间隙50在周向方向上的中心在径向方向上彼此对齐时，齿部25定位在由第一假想平面IP1和第二假想平面IP2限定的区域内。

以这种方法，永磁体40和突起部34形成具有适合的磁阻的磁旁路。因此，由于主磁通始终流动，从而能够降低磁场的变化，因此在无电流供应至绕组22时观察到的齿槽扭矩减小。此外，由于泄漏磁通减小，在额定电流供应至绕组22时观察到的输出扭矩增加。如图4所示，第一实施方式中的齿槽扭矩是图12所示的第一对比示例中的齿槽扭矩的大约十分之一。

此外，根据第一实施方式，永磁体40的相对的第一端表面41彼此平行，并且突起部34的相对的第二端表面35彼此平行。

相应地，面向彼此而形成间隙50的第一端表面41与第二端表面35之间的距离在径向向外的方向上增加。因此，齿部25的端部的周向方向上的宽度W2能够尽可能地增加。因此，从永磁体40流动至定子芯部21的磁通能够容易地由齿部25收集。

此外，根据第一实施方式，永磁体40在周向方向上的宽度等于突起部34在周向方向上的宽度。相应地，每个间隙50在周向方向上具有相同的宽度，并且间隙50在周向方向上以固定的间隔布置。因此，当间隙50中的任一个定位成在径向方向上面向齿部25中的任一个时，其它间隙50中的每一个能够定位成在径向方向上面向其它齿部25中的任一个。因此，周向方向上的同步正时变得相等，从而使得能够在不减小输出扭矩的情况下减小齿槽扭矩。

此外，根据第一实施方式，作为用于每个磁极和每个相位的齿部25的数目的数目k是一，并且能够在径向方向上面向每个永磁体40的齿部25的数目是（3k-1），即，是二。因此，能够在尽可能多地减小齿槽扭矩的同时使得输出扭矩最大化。

（第二实施方式）

下面参考图5和图6对根据本公开的第二实施方式的马达60进行描述。第二实施方式与第一实施方式的不同点如下。

马达60的定子61的定子芯部62包括磁轭24和二十四个齿部63。每个齿部63具有腿部64和凸缘65。腿部64在径向向内方向上从磁轭24延伸。凸缘65从腿部64的端部在沿周向方向的双方向上延伸。

永磁体40与突起部35之间的周向方向上的间隙50的宽度W1小于凸缘65在周向方向上的宽度W3。此外，当凸缘65在周向方向上的中心与间隙50在周向方向上的中心在径向方向上彼此对齐（即，沿径向方向在相同的直线上）时，凸缘65定位在由第一假想平面IP1与第二假想平面IP2限定的区域内。

此外，当间隙50中的任一个定位成在径向方向上面向齿部63中的任一个时，另外的间隙50中的每一个定位成在径向方向上面向其它齿部63中的任一个。此外，当用于每个磁极和每个相位的齿部63的数目定义为“k”时，能够在径向方向上面向每个永磁体40的齿部63的数目是（3k-1），并且能够在径向方向上面向每个突起部34的齿部63的数目也是（3k-1）。由于数目k是一，由此数目（3k-1）是二。

第二实施方式的马达60能够具有与第一实施方式的马达1相同的优点。此外，由于能够通过使齿部63的腿部64变窄至磁饱和度极限值而使的狭槽66变宽，由此能够增加电负载。因此，铜耗降低，从而能够提高效率。例如，如图7所示，马达60与图12中所示的第一对比示例相比效率高8%。相应地，能够减小马达60的尺寸。

（第三实施方式）

下面将参考图8对根据本公开的第三实施方式的马达70进行描述。第三实施方式与前述实施方式的不同之处如下。

马达70包括定子61和转子74。定子芯部62的齿部63在径向向内的方向上的端部71与永磁体40的外表面72在周向方向上的端部73在径向方向上隔开第一距离D1。定子芯部62的齿部63在径向向内的方向上的端部71与转子74的突起部76的外表面77在周向方向上的端部78在径向方向上隔开第二距离D2。第一距离D1小于第二距离D2。特别地，齿部63的端部71与永磁体40的外表面72的中心之间的距离等于齿部63的端部71与突起部76的外表面77的中心之间的距离。此外，永磁体40的外表面72的曲率半径R1大于突起部76的外表面77的曲率半径R2。

永磁体40与突起部76之间的周向方向上的间隙79的宽度W4小于凸缘65在周向方向上的宽度W3。当间隙79中的任一个定位成在径向方向上面向齿部63中的任一个时，其它间隙79中的每一个定位成在径向方向上面向其它齿部63中的任一个。此外，当用于每个磁极和每个相位的齿部63的数目限定为“k”时，能够在径向方向上面向每个永磁体40的齿部63的数目是（3k-1），并且能够在径向方向上面向每个突起部76的齿部63的数目也是（3k-1）。由于数目k是一，所以数目（3k-1）是二。

第三实施方式的马达70能够具有与第一实施方式的马达1相同的优点。此外，由于能够通过增加泄漏磁通路径中的间隙来增加磁阻，因此能够有效地减少泄漏磁通。例如，如图9所示，马达70的输出扭矩是图12所示的第一对比示例的输出扭矩的3/2（即，1.5）倍。相应地，能够减小马达60的尺寸。

例如，与第一实施方式相似，能够通过将钢材冲压成预定形状的板并层压钢板来制造转子芯部75。以这种方法，能够容易地将突起部76的外表面77的曲率半径R2制造成小于永磁体40的外表面72的曲率半径R1。

（第四实施方式）

下文将参考图10和图11对根据本公开的第四实施方式的马达80进行描述。第四实施方式与前述实施方式的区别之处如下。

马达80包括定子81和转子86。定子81的定子芯部82包括磁轭24和齿部83。每个齿部83具有腿部84和凸缘85。腿部84在径向向内的方向上从磁轭24延伸。凸缘85在沿周向方向的双方向上从腿部84的端部延伸。

转子86的突起部89与永磁体87之间的周向方向上的间隙90的宽度W6小于凸缘85在周向方向上的宽度W5。此外，当凸缘85的周向方向上的中心与间隙90的周向方向上的中心在径向方向上彼此对齐（即，沿径向方向在相同的直线上）时，凸缘85定位在由第一假想平面IP3和第二假想平面IP4限定的区域内。第一假想平面IP3是形成为永磁体87的周向方向上的端表面的延伸的平面。第二假想平面IP4是形成为突起部89的周向方向上的端表面的延伸的平面。

定子芯部82具有四十八个齿部83。因此，用于每个磁极和每个相位的齿部83的数目是二。齿部83在周向方向上以固定的间隔布置。当将用于每个磁极和每个相位的齿部83的数目定义为“k”时，能够在径向方向上面向每个永磁体87的齿部83的数目是（3k-1），并且能够在径向方向上面向转子芯部88的每个突起部89的齿部83的数目也是（3k-1）。由于数目k是二，所以数目（3k-1）是五。当间隙90中的任一个定位成在径向方向上面向齿部83中的任一个时，其它间隙90中的每一个定位成在径向方向上面向其它齿部83中的任一个。

第四实施方式的马达80能够具有与第一实施方式的马达1相同的优点。此外，由于能够减小齿部83的凸缘85的在周向方向上的宽度，相应地能够减小间隙90的在周向方向上的宽度。当间隙90在周向方向上的宽度变小时，永磁体87和突起部89在周向方向上的宽度变大。因此，能够增加磁负载，从而能够增加马达80的输出扭矩。

（改型）

尽管已经参考本公开的实施方式对本公开进行了描述，应当理解，本公开不限制于这些实施方式和构造。本公开旨在涵盖各种改型和等同配置。此外，除了各种组合和构造之外，包括仅单个元素或包括更多的、更少的元素的其它组合和构造也在本公开的精神和范围内。

转子磁极的数目不限于八个。相位的数目不限于八个。用于每个磁极和每个相位的齿部的数目能够根据预期的用途而改变。

转子不限于表面永磁体式转子。转子能够是嵌入永磁体式转子。

转子能够具有部分地处于轴向方向上的交替极式结构。

永磁体和突起部之间在周向方向上的间隙的宽度能够等于齿部的端部在周向方向上的宽度。

在实施方式中，采用了全距分布绕组。可替代地，能够采用诸如短距分布绕组之类的不同的绕组设计。

在实施方式中，通过层压钢板制造转子芯部。可替代地，能够通过不同的方法制造转子芯部。例如，能够通过压缩模塑磁粉制造转子芯部。

本公开所应用的旋转电机不限于马达。例如，旋转电机能够是交流发电机。当本公开应用于交流发电机时，能够在不减小输出电功率的情况下减小齿槽扭矩。

Claims

1.一种旋转电机，包括：

支撑构件（10）；

定子芯部（21，62，82），所述定子芯部（21，62，82）包括固定至所述支撑构件的环形的磁轭（24）和在径向向内的方向上从所述磁轭突出的齿部（25，63，83），每个齿部具有接合至所述磁轭的基部以及与所述基部相反的端部（26，71）；

绕组（22），所述绕组（22）缠绕在所述齿部之间的狭槽（28，66）中；

旋转轴（31），所述旋转轴（31）延伸穿过所述定子芯部且由所述支撑构件可旋转地支撑；

转子芯部（32，75，88），所述转子芯部（32，75，88）包括轮毂部（33）和突起部（34，76，89），所述轮毂部固定至所述旋转轴，所述突起部在径向向外的方向上从所述轮毂部突出且在周向方向上彼此间隔开；以及

永磁体（40，87），所述永磁体（40，87）固定至所述轮毂部，其中，

每个永磁体位于相邻的突起部之间且与相邻的突起部分隔开以在所述周向方向上形成间隙（50，79，90），以及

所述间隙在所述周向方向上的宽度（W1，W4，W6）等于或小于所述齿部的端部在所述周向方向上的宽度（W2，W3，W5）。

2.根据权利要求1所述的旋转电机，其中，

所述永磁体在所述周向方向上的相对的端表面分别定义为第一端表面（41），

所述突起部在所述周向方向上的相对的端表面分别定义为第二端表面（35），

形成为所述第一端表面的延伸的假想平面定义为第一假想平面（IP1，IP3），

形成为所述第二端表面的延伸的假想平面定义为第二假想平面（IP2，IP4），以及

当所述齿部在所述周向方向上的中心与所述间隙在所述周向方向上的中心沿径向方向彼此对齐时，所述齿部定位在由所述第一假想平面和所述第二假想平面限定的区域内。

3.根据权利要求2所述的旋转电机，其中，

每个齿部包括腿部（64，84）和凸缘（65，85），

所述腿部在所述径向向内的方向上从所述磁轭延伸，

所述腿部具有接合至所述磁轭的基部和与基部相反的端部，

所述凸缘在沿所述周向方向的双方向上从所述腿部的端部延伸，以及

当所述凸缘在所述周向方向上的中心与所述间隙在所述周向方向上的中心沿径向方向彼此对齐时，所述凸缘定位在由所述第一假想平面和所述第二假想平面限定的所述区域内。

4.根据权利要求2所述的旋转电机，其中，

所述永磁体的相对的所述第一端表面（41）彼此平行，并且

所述突起部的相对的所述第二端表面（35）彼此平行。

5.根据权利要求1所述的旋转电机，其中，

所述齿部的所述端部与所述永磁体的外表面（72）的周向方向上的端部（73）沿径向方向隔开第一距离（D1），

所述齿部的所述端部与所述突起部的外表面（77）的周向方向上的端部（78）沿径向方向隔开第二距离（D2），以及

所述第一距离等于或小于所述第二距离。

6.根据权利要求5所述的旋转电机，其中，

所述永磁体的所述外表面的曲率半径（R1）等于或大于所述突起部的所述外表面的曲率半径（R2）。

7.根据权利要求1所述的旋转电机，其中，

用于每个磁极和每个相位的所述齿部的数目为二或者更大，以及

所述齿部在所述周向方向上以固定的间隔布置。

8.根据权利要求1所述的旋转电机，其中，

所述永磁体在所述周向方向上的宽度等于所述突起部在所述周向方向上的宽度。

9.根据权利要求8所述的旋转电机，其中，

用于每个磁极和每个相位的所述齿部的数目定义为k，

能够在径向方向上面向每个永磁体的所述齿部的数目是3k-1，以及

能够在径向方向上面向每个突起部的所述齿部的数目是3k-1。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的旋转电机，其中，

当任一所述间隙定位成在径向方向上面向任一所述齿部时，其它间隙中的每一个定位成在径向方向上面向其它齿部中的任一个。