CN103872821B - 旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于旋转电机（10）的转子（40）和一种旋转电机。转子（40）包括：其中埋置有永磁体（48）的磁极（45）；以及介于两个磁极之间的软磁材料极（43）。永磁体（48）的厚度和软磁材料极（43）的周向宽度具有防止软磁材料极（43）与定子（30）之间的间隙内的沿周向方向的磁通分布的扩展的关系。结果，防止了沿周向方向的磁通密度差异，这使得能够基于源自于与主要分量不同的分量的低频空间阶分量的有效减小来实现齿槽扭矩的减小。

Description

旋转电机

技术领域

本公开一般地涉及一种转子和一种具有转子的旋转电机。

背景技术

一般而言，稀土磁体常用于电动机和发电机中，这是因为稀土磁体允许电动机和发电机在尺寸上更加紧凑。然而，稀土磁体的供应由于受限制的可得性和偏斜的供应位置而不是可持续的。因此，理想的是减小电动机和发电机中的稀土磁体的量。

例如，专利文献1(即，日本特开2010-252530号公报)公开了一种感应极(consequent-pole)型转子，在该转子中，每隔一个极内定位有永磁体。亦即，当第一突极和第二突极沿周向方向交替布置时，永磁体仅被定位在第一突极中。在这种感应极型转子中，第二突极被“感应地”磁化以具有被埋置在相邻突极中的永磁体的内面侧极，这导致N极和S极在转子表面上的交替布置。结果，永磁体的数目减少了一半，由此同时降低了成本和采购风险。

然而，感应极型转子可能遭受归因于永磁体之间的互作用的齿槽(cogging)扭矩。结果，齿槽扭矩可能在低速处产生扭矩输出波动并且降低电动机效率。

齿槽扭矩的量值依赖于电动机部件的尺度。更具体地，电动机的定子和转子之间的间隙中的磁通分布仅由具有高频变化的主要分量来控制和确定，该主要分量也可以被称为具有与定子上的齿的数目相同的数目的空间阶分量，如果具有低频的齿槽扭矩的其它和/或伴随分量充分减小的话。因此，基本上通过齿槽扭矩的高频变化来被控制的分别离开永磁极并着落在软磁材料极上的磁通的分布具有较小的变化幅度，由此导致归因于吸引转子的吸引力的较小变化的齿槽扭矩的较小量值。

由磁通的偏斜分布生成的齿槽扭矩的量值与磁通的空间阶(即，与磁通在时间上的变化的频率)关联。亦即，特定主题空间阶的变化的频率越小，该主题空间阶中的齿槽扭矩的分量的幅度就越大。因此，理想地，磁通的主要分量被最大化以便减小/去除磁通的其它较低阶分量。

例如，当定子的齿数是12时，齿槽扭矩的主要分量具有12阶，并且当齿数是48时，齿槽扭矩的主要分量具有48阶。在这种情况下，齿槽扭矩优选地被设计成包括尽可能少的其它较低阶分量。这因为当激发能量恒定时振动幅度对于较高频率而言变得较小而发生。

发明内容

本公开的一个目的是提供一种减小旋转电机的齿槽扭矩的转子。

在本公开的一方面中，本公开的旋转电机包括旋转轴、固定在旋转轴上的转子轴套、从转子轴套径向向外延伸的多个软磁材料极、从转子轴套径向向外延伸并且与该多个软磁材料极分隔开周向间隙的多个磁极、以及被埋置在该多个磁极中的每一个中的永磁体。轭具有圆柱形状以便连接沿着轭的内周缘定位的多个齿。该多个齿从轭的内周缘朝着转子径向向内延伸。绕组被设置在被定义为两个齿之间的空间的槽口中，使得d0被定义为永磁体的以毫米为单位的径向厚度与软磁材料极的数目的乘积，w0被定义为每个软磁材料极的以毫米为单位的周向宽度与软磁材料极的数目的乘积，并且360≤(w0²/d0)≤400，G被定义为每个磁极与每个软磁材料极之间的间隙在转子的周向边缘上的周向宽度，B被定义为每个齿的内端沿着该内端的内周向边缘的周向宽度，并且G<B，并且w1被定义为每个齿在每个齿的腿部的最窄区域处的周向宽度，并且d0/p≥2w1。

在本公开的另一方面中，本公开的用于如上所述的旋转电机的转子包括所述转子轴套、所述多个磁极和所述永磁体。

当永磁体沿径向方向是厚的时，磁动势增大，从而导致为转子侧提供的有效磁通的量较大，如果对于磁加载机假设相同的磁阻的话。另一方面，较大量的磁通返回到软磁材料极，由此改善了软磁材料极与定子之间的间隙内的沿周向方向的磁通分布的扩展。因此，当软磁材料极的周向宽度不适当时，磁通密度可能易于沿着周向方向在各极中转向，这可能生成源自于与主要分量不同的分量的齿槽扭矩的较低阶分量。

相反，当上述关系在永磁体沿径向方向的径向厚度与软磁材料极的周向宽度之间建立时，定子与转子之间的间隙中的磁通分量被控制成在与主要分量不同的空间阶中具有很小的量值。因此，电动机的齿槽扭矩的量值减小。

附图说明

本公开的其它目的、特征和优点将从参照附图提出的如下详细描述中变得更明显，其中：

图1是本公开的第一实施例中的电动机的竖直横截面图；

图2是沿着线II-II的图1的横截面图；

图3是沿着与电动机的旋转轴垂直的平面的图2中的转子的横截面图；

图4是由箭头IV指示的部分处的图2的放大图；

图5是由箭头V指示的部分处的图2的放大图；

图6是根据评估值的变化的齿槽扭矩的变化的图；以及

图7是其中评估值各自不同的三个实施例中的根据时间的扭矩的图。

具体实施方式

下面基于附图对本公开的一个实施例进行描述。

本公开被描述为“旋转电机”，其具有下面详细描述的转子，其在图1和其它附图中示出。在本实施例中，在图1至图3中描述了电动机10的电动机构造。电动机10包括容置件20、定子30和转子40以担当三相无刷电动机。

容置件20包括圆柱形部21以及用于包围圆柱形部21的一侧的第一侧部22和用于包围圆柱形部21的另一侧的第二侧部23。在第一侧部22的中央处和第二侧部23的中央处安装有轴承24。

定子30是电动机10的电枢，并且定子30包括轭31、多个齿32和多个绕组35。轭31以圆柱的形状形成，并且被压配合到例如容置件20的圆柱形部21的内壁中。该多个齿32中的每一个径向延伸，并且与轭31以单一体形成。轭31担当用于将该多个齿32中的每一个共同连接于沿径向方向的外端的连接部件。绕组35被设置在被定义为两个齿32之间的空间的槽口36中。绕组35包括U相绕组、V相绕组和W相绕组。在图2中，为了其它部件的清楚起见，未在图中示出绕组35。

转子40是电动机10的永久磁场磁体，并且转子40包括旋转轴41、转子轴套42、多个软磁材料极43、多个磁极45和多个永磁体48。旋转轴41由轴承24可旋转地支撑。转子轴套42以圆柱的形状形成，并且被压配合到例如旋转轴41中。软磁材料极43中的每一个是沿电动机10的径向向外方向从转子轴套42突出或延伸的突极。该多个软磁材料极43设置有沿周向方向介于它们之间的间隙。磁极45中的每一个也是沿电动机10的径向向外方向从转子轴套42突出或延伸的突极。一个磁极45被设置在所述两个软磁材料极43之间的位置处。

永磁体48由稀土磁体制成，并且被埋置在磁极45中。更实际地，磁极45形成为具有轴向穿透转子40的容纳孔46，并且永磁体48被容置和容纳在容纳孔46中。每个永磁体48被布置在孔46中，以使同一极(即，N极或S极)面朝转子40外侧。磁极45的处于沿径向方向的外侧的外壁被磁化以具有与永磁体48的沿径向方向的外侧极相同的极。

另一方面，软磁材料极43的处于沿径向方向的外侧的外壁被磁化以具有与永磁体48的沿径向方向的外侧的极相反的极。

转子40是感应极型转子，其具有沿周向方向作为多个类型的极交替地布置的软磁材料极43和磁极45。

下面基于图1至图7描述电动机10的特征。

电动机10中的转子40的外径小于60[mm]，并且被用作车辆电动转向的动力源。

包括转子轴套42、软磁材料极43和磁极45的转子40的铁芯形成为沿着轴向方向层叠的层叠板构件50。软磁材料极43的数目与磁极45的数目相同。在本实施例中，转子40具有五个软磁材料极43和五个磁极45。因此，转子40上的磁极的总数目是十个。

间隙55沿周向方向被限定在软磁材料极43与磁极45之间。换句话说，磁极45与软磁材料极43分隔开周向间隙55。间隙55的周向宽度朝着径向向外方向增大。

永磁体48以板形状形成，并且永磁体48的厚度方向与转子40的径向方向对准。

定子30的齿32形成为具有从轭31向内延伸的腿部33以及被定位在腿部33沿径向方向的内端处的边沿部34。

齿32沿周向方向以恒定间隔设置成60片。槽口36的数目因此是60。绕组35被卷绕为全节距(full-pitch)绕组。

当将一个永磁体48的沿径向方向的以毫米为单位的径向厚度指定为d[mm]、将一个软磁材料极43的沿周向方向的以毫米为单位的周向宽度指定为w[mm]、并且将软磁材料极的数目指定为p时，通常通过使用如下关系(1)和(2)来优化电动机10的尺度。

d∝1/p...(1)

w∝1/p...(2)

因此，当在等式(3)中定义永磁体48的厚度d并且在等式(4)中定义软磁材料极43的周向宽度w时，可以通过使用来自等式(5)的评估值E[mm](其担当指标并且示出了d与w之间的相对高的关联)来评估无负荷时间齿槽扭矩。

d＝d0/p...(3)

w＝w0/p...(4)

E＝w0²/d0...(5)

图6示出了根据评估值E的变化的齿槽扭矩的变化。如在图6中的图中容易看到的，必须满足等式(6)的关系，以使齿槽扭矩值等于或小于期望值(例如，0.01[Nm])。在本实施例中，评估值被设定为380。

360≤(w0²/d0)[mm]≤400...(6)

图7示出了关于当转子40在非激励状态下旋转时扭矩的时间变化的、本实施例中的380[mm]的评估值E、第一比较例中的365[mm]的评估值E以及第二比较例中的350[mm]的评估值E。在产生较小齿槽扭矩的波形中，观察到低频处的很少的波动分量，这是本实施例想要的。亦即，当磁负荷被适当地设计时，间隙中的磁通均匀分布在定子30的齿32之间，由此减小了归因于磁通的偏斜分布的低频分量。这种关系对于用于车辆电动转向系统中的具有等于或小于60毫米[mm]的转子40的直径的小尺寸无刷电动机尤其显著。

下面描述与各种部件的尺度有关的其它特征。

当将每个磁极与每个软磁材料极之间的间隙55在转子的周向边缘上的周向宽度指定为G、并且将每个齿32的内端沿着每个齿32的该内端的内周向边缘的周向宽度指定为B时(见图4)，在等式(7)中示出的如下关系成立。

G<B...(7)

当在图5中将齿32中的每一个在它的腿部33中最窄区域处的周向宽度指定为w1时，在等式(8)中示出的如下关系成立。

d0/p≥2w1...(8)

当在图5中将转子40与齿32之间的最窄间隙56沿径向方向的长度指定为δ1时，在等式(9)中示出的如下关系成立。

2w1≤d0/p≤2w1+δ1...(9)

当将板构件50的厚度指定为t、并且如图4所示将永磁体48的周向宽度指定为w2、并且如图5所示将磁极45的容纳孔46的周向宽度指定为w3时，在等式(10)中示出的如下关系成立。

w3≤w2+2t...(10)

当如图5所示将磁极45的周向宽度指定为w4时，在等式(11)和在等式(12)中示出的如下关系成立。

w4＝w0/p+2t+2β...(11)

t≤β≤2t...(12)

磁极45具有沿径向方向向外突出的第一凸表面47。软磁材料极43具有沿径向方向向外突出的第二凸表面44。第一凸表面47的曲率半径R1等于第二凸表面44的曲率半径R2。

第一凸表面47与齿32之间的间隙以及第二凸表面44与齿32之间的间隙在凸表面47、44的周向宽度的中央处最小，并且朝着凸表面47、44的两端变宽。

如上所述，本实施例中的电动机10被设计成具有满足等式(6)的关系的感应极型转子40，等式(6)定义了软磁材料极43的周向宽度w和永磁体48的厚度d的尺度。以这种方式，防止了软磁材料极43与定子30之间的间隙中的磁通分布沿周向方向“溢出”或扩展，由此防止了沿周向方向的磁通密度差异。因此，防止了用于定子30与转子40之间的间隙的除主要分量以外的空间阶分量具有较大的量值，由此使得能够减小齿槽扭矩。

此外，在本实施例中，间隙55被设置在磁极45与软磁材料极43之间，如图5所示。在图4中，间隙55的周向宽度G小于边沿部34的周向宽度B，边沿部34是定子30的齿32的顶部。在这种构造中，磁通形成为从磁极45通过桥接两个极43、45的齿32朝着软磁材料极43流动，这使间隙中的磁通的时间变化更平滑。由此，电动机10的齿槽扭矩进一步减小。

此外，在本实施例中，定子30的卷绕方法是全节距卷绕。因此，相比于分数节距卷绕，齿32的周向宽度被制作得较小，由此使得能够实现归因于齿槽扭矩的主要和首要分量的增大的齿槽扭矩的减小。亦即，分数节距卷绕尤其是集中卷绕的缺点在于，这种卷绕会使齿的周向宽度增大，这不可避免地减小了转子上的齿的数目并且减小了齿槽扭矩的主要/首要分量的数目，由此导致齿槽扭矩增大。

此外，在本实施例中，齿32的腿部33的周向宽度w1和永磁体48的厚度d被设定为满足等式(8)。此外，永磁体48的厚度d以及转子40与齿32之间的沿径向方向的最窄间隙56的长度δ1被设定为满足等式(9)。在这种构造中，在提供抵抗或克服无负荷时间处的磁回路中的磁阻的足够磁负荷的同时，电动机10中使用的稀土磁体的量减小。亦即，换句话说，如上所述的定量方法使得能够容易地设计经济的电动机。

另外，在本实施例中，包括转子轴套42、软磁材料极43和磁极45的转子40的铁芯形成为沿着轴向方向层叠的层叠板构件50。此外，将软磁材料极43的周向宽度w、永磁体48的周向宽度w2、磁极45的容纳孔46的周向宽度w3、磁极45的周向宽度w4、以及板构件50的厚度t设定为满足等式(10)、(11)和(12)。在这种构造中，通过穿过其中容纳有永磁体48的容纳孔46的侧部37而使永磁体48短路的磁通的量被有效地减小，并且容纳孔46通过对板构件50的加压模制来容易地形成。

而且，在本实施例中，磁极45的第一凸表面47的曲率半径R1与软磁材料极43的第二凸表面44的曲率半径R2相同。此外，第一凸表面47与齿32之间的间隙以及第二凸表面44与齿32之间的间隙分别在凸表面47、44的周向宽度的中央处最小，并且朝着凸表面47、44的两端变宽。在这种构造中，上述效果变得更明显并且齿槽扭矩更有效地减小。

此外，在本实施例中，电动机10具有外径小于或等于60[mm]的转子40，并且其被用作车辆电动转向的动力源。因此，通过使用这种电动机10，动力转向系统被制作成具有较小的体积，同时其输出增大以具有较大的值，以便为驾驶员提供改善的且舒适的转向体验。

(其它实施例)

在本公开的一个可替选实施例中，永磁体可以沿周向方向或者沿轴向方向划分。换句话说，多个永磁体可以插入到一个容纳孔中。

在本公开的另一个可替选实施例中，一个电动机中的磁极的数目可以不同于十个。此外，槽口的数目可以不同于60。

在本公开的又一个可替选实施例中，电动机可以被用于不同于车辆电动转向的装置中。

尽管已参照附图并结合本公开的上述实施例对本公开进行了充分地描述，但是应当指出的是，各种改型和变型对于本领域技术人员而言会是明显的，并且这些改型和变型被理解为落入本公开的由所附权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种旋转电机，包括：

转子轴套(42)，所述转子轴套(42)具有从所述转子轴套(42)径向向外延伸的多个软磁材料极(43)；

多个磁极(45)，所述多个磁极(45)从所述转子轴套(42)径向向外延伸并且与所述多个软磁材料极(43)分隔开周向间隙(55)；

永磁体(48)，所述永磁体(48)被埋置在所述多个磁极(45)中的每一个中；

轭(31)，所述轭(31)具有圆柱形状，所述轭(31)连接沿着所述轭(31)的内周缘定位并且从所述轭(31)的所述内周缘朝着转子(40)径向向内延伸的多个齿(32)；以及

绕组(35)，所述绕组(35)被设置在被定义为两个齿(32)之间的空间的槽口(36)中，其中，

d0被定义为所述永磁体(48)的径向厚度d与软磁材料极(43)的数目p的乘积，

w0被定义为每个软磁材料极(43)的周向宽度w与软磁材料极(43)的数目p的乘积，并且

360≤(w0²/d0)≤400，

G被定义为每个磁极(45)与每个软磁材料极(43)之间的所述周向间隙(55)在所述转子(40)的周向边缘上的周向宽度，

B被定义为每个齿(32)的内端沿着每个齿(32)的所述内端的内周向边缘的周向宽度，并且

G<B，并且

w1被定义为每个齿(32)在每个齿(32)的腿部(33)的最窄区域处的周向宽度，并且

d0/p≥2w1。

2.根据权利要求1所述的旋转电机，其中，

所述绕组是全节距绕组。

3.根据权利要求1所述的旋转电机，其中，

δ1被定义为所述转子(40)与所述多个齿(32)之间的最窄间隙(56)沿径向方向的长度，并且

2w1≤d0/p≤2w1+δ1。

4.根据权利要求1或2所述的旋转电机，其中，

所述转子轴套(42)、所述软磁材料极(43)和所述磁极(45)形成为沿着轴向方向层叠的多个层叠板构件(50)，

所述磁极具有容置所述永磁体(48)的容纳孔(46)，

t被定义为所述多个层叠板构件(50)中的每一个的厚度，

w2被定义为所述永磁体(48)的周向宽度，

w3被定义为所述磁极(45)的所述容纳孔(46)的周向宽度，并且

w3≤w2+2t。

5.根据权利要求4所述的旋转电机，其中，

w4被定义为所述磁极(45)的周向宽度，

w4＝w0/p+2t+2β，并且

t≤β≤2t。

6.根据权利要求1或2所述的旋转电机，其中，

所述磁极(45)具有径向向外延伸的第一凸表面(47)，

所述软磁材料极(43)具有径向向外延伸的第二凸表面(44)，并且

所述第一凸表面(47)的曲率半径R1等于所述第二凸表面(44)的曲率半径R2。

7.根据权利要求6所述的旋转电机，其中，

所述第一凸表面(47)与所述多个齿(32)之间的间隙以及所述第二凸表面(44)与所述多个齿(32)之间的间隙分别在所述凸表面(47，44)的周向宽度的中央处最小，并且分别朝着所述凸表面(47，44)的两端变宽。

8.根据权利要求1或2所述的旋转电机，其中，

所述转子(40)的外径小于或等于60毫米。

9.根据权利要求1所述的旋转电机，其中，

所述旋转电机被用于车辆电动转向系统中。

10.一种用于根据权利要求1所述的旋转电机的转子(40)，包括所述转子轴套(42)、所述多个磁极(45)和所述永磁体(48)。