CN103872869B - 多间隙式旋转电机 - Google Patents

Abstract

一种提供一种多间隙式旋转电机，其中，该机械设置有轴（4），轴（4）通过紧固至壳体（3）的轴承（3）以可旋转地方式支承。环形转子（6），该环形转子（6）被紧固至轴（4）并构造成与轴（4）一起旋转。双定子（7，8），双定子（7，8）紧固至壳体（5）并构造成在定子（7，8）与转子6之间具有间隙。满足关系：3.5<P13/P6…（1）以及P7/P6>1…（2），其中P6表示每个外部凸极（6B）的周向宽度，P7表示每个内部凸极（6A）的周向宽度，以及P13表示每个外部磁体（10）的周向宽度。

Description

多间隙式旋转电机

技术领域

本发明涉及一种多间隙式旋转电机，该多间隙式旋转电机适用于各种用途，诸如，工业用途和车辆用途，尤其优选在混合动力车辆的驱动马达中使用。

背景技术

IPM马达（内部永磁式马达）作为基于常规技术的小型高功率的马达是众所周知的。IPM马达除了可以使用由磁体产生的磁力矩之外还可以使用作为芯吸引力的磁阻转矩。IPM马达包括双定子马达，在双定子马达中定子设置在转子的径向内侧和径向外侧。

例如，特许文献JP-A-2008-302789公开了一种双定子马达。在该双定子马达中，永磁体嵌入转子中使得定位在转子的与内部定子对置的径向内侧并且也嵌入转子中使得定位在转子的与外部定子对置的径向外侧。该转子还具有凸极（转子芯部分），凸极（转子芯部分）中的每个凸极形成在周向相邻的磁体之间。

然而，专利文献JP-A-2008-302789中所公开的马达由于以下阐述的原因而存在不能增加功率密度的问题。

a)定子绕组是短节距绕组。因此，转子的极距与由定子绕组产生的磁场的极距不一致。因此，不能充分地使用磁阻转矩。

b)转子的凸极中的每个凸极的表面是凹形的。具体地，转子的内部凸极中的每个内部凸极的内周表面和外部凸极中的每个外部凸极的外周表面是凹形的。因此，磁阻增加并且不能充分地使用磁阻转矩。

c)通过相对于转子的一个极距增大外部凸极宽度来确保外部磁回路具有高比例的磁阻转矩。然而，这增加了磁路径的长度并且因此增加了磁阻，导致减少了磁阻转矩。此外，由于凸极宽度的增加必定减小磁体宽度，因此同样不能充分地使用磁力矩。

d)此外，由于转子的外部凸极宽度的增加，因此其中磁路径被外部磁回路与内部磁回路所共享的转子轭不可避免地充满了从外部凸极供给至转子的磁通量。因此，与外部磁回路相比优选具有短的磁路径并且增加磁阻转矩率的内部磁回路中的转矩也减少。

同时，IPM马达（内部永磁式马达）作为基于常规技术的小型高功率的马达是众所周知的。除了通过磁体产生的磁阻转矩以外，IPM马达还可以使用作为芯引力的磁阻转矩。IPM马达包括双定子式马达。如在图19中示出的，在该双定子式马达中，内部定子110和外部定子120设置在转子100的径向内侧和径向外侧。

例如，专利文献JP-A-2007-261342公开了双定子式马达。在该双定子式马达中，面向内部定子110的转子芯101具有：内周，内部磁体130嵌入在该内周中；和外周，外部磁体140嵌入在该外周中。因此，在转子芯101中，形成有内部凸极102和外部凸极103，内部凸极102和外部凸极103各自介于周向相邻的磁极之间。

然而，在专利文献JP-A-2007-261342中公开的马达存在如以下阐述的问题，而这些问题应在马达被投入实际使用前解决。

a)很可能在嵌入转子芯101中的永磁体（内部磁体130和外部磁体140）中，特别在每个磁极的端部分（两个周向端部分）中，引起局部退磁。

b)在内部定子110和外部定子120设置在转子100的径向内侧和径向外侧的双定子式马达中，与外部磁体140相比内部磁体130更可能被退磁。

由于研究了以上阐述的问题，本发明的发明人发现下面的基本原因。

上述事项a)的最大原因在于：在下述转子轭中易于发生磁饱和：在转子轭中，内部磁回路的磁通量和外部磁回路的磁通量结合在一起并且流经转子轭；以及磁饱和引起朝向磁体的内侧的磁泄漏，从而导致给磁体施加了大的退磁场。

易于发生磁饱和的原因是：转子轭在每个磁极的端部附近具有窄的宽度W，并且该端部具有产生磁阻转矩的高密度的q轴磁通量（参见图20）和产生磁力矩的d轴磁通量（参见图21），如在图19中由粗箭头表示的。

另一个引起局部退磁的原因是：引起设置在磁极之间的凸极102和103的磁饱和的趋势导致磁泄漏的出现，结果给每个磁极的靠近凸极的端部分施加了大的退磁场。如在图20中示出的，磁饱和易于出现的原因是q轴磁通量集中在凸极102和103上，其中，磁极之间的间隔小。

以上事项b）的原因在于：在双定子式马达中，与外部磁回路相比，磁饱和易于在内部磁回路中出现；以及磁饱和引起磁泄漏，导致给内部磁体130的附近施加了大的退磁场。易于出现的磁饱和原因是设置在转子100的径向内侧的内部定子110具有比设置在转子100的径向外侧的外部定子120小的空间占有率。具体地，如果试图在内部定子110中确保等同于外部定子120的尺寸的槽尺寸，则内部定子110必须要具有小的齿宽。磁体的退磁的原因首先是退磁场相对于磁体的保持力较大（保持力与每个磁体的厚度成比例）。因此，克服磁体退磁的有效措施是增加每个磁体的厚度。然而，在双定子式马达中，每个磁体的厚度的增加导致内部定子和外部定子的任一者中的转子轭或者背轭的厚度减少。因此，引起磁饱和并且马达性能被削弱。

发明内容

本发明考虑了上面阐述的情况并且其一个目的是提供一种多间隙式旋转电机，该旋转电机能够通过提供一种磁阻转矩在内部磁回路中得到充分使用的构型来增加外部磁回路的磁力矩率并且提高输出转矩。

本发明提供一种多间隙式旋转电机，该多间隙式旋转电机作为一个目的能够在不削弱机器的性能的情况下防止每个转子极的端部中的磁体的退磁，并且作为一个目的，与在外部磁体中相比，能够更大程度地提高对内部磁体的退磁的阻抗力。

一个示例性实施方式提供了一种多间隙式旋转电机，该多间隙式旋转电机包括：轴（4），轴（4）通过固定至壳体（2）的轴承（3）以可旋转的方式支承；环形转子（6），环形转子（6）固定至轴（4）并且构造成与轴（4）一起旋转；以及定子（7，8），定子（7，8）固定至壳体（2）并且构造成在定子（7，8）与转子（6）之间具有间隙。

转子（6）包括：环形转子芯（6a），环形转子芯（6a）由软磁材料制成并且构造成具有径向方向和周向方向；多个内部磁体（9），多个内部磁体（9）均由永磁体构成并且在周向方向上以相等的节距嵌入所述转子芯（6a）的径向内部部分中；以及多个外部磁体（10），多个外部磁体（10）均由永磁体构成并且在周向方向上以相等的节距嵌入所述转子芯（6a）的径向外部部分中。

转子芯（6a）包括：多个内部凸极（6A），多个内部凸极（6A）均形成在沿周向方向相互相邻的两个内部磁体（9）之间；以及多个外部凸极（6B），多个外部凸极（6B）均形成在沿周向方向相互相邻的两个外部磁体（10）之间，内部凸极和外部凸极由软磁材料制成。

定子（7，8）至少包括：内部定子（7），内部定子（7）以在内部定子（7）与转子（6）之间留有间隙的方式位于转子（6）的径向内侧；以及外部定子（8），外部定子（8）以在外部定子（8）与转子（6）之间留有间隙的方式位于转子（6）的径向外侧。

内部定子（7）包括：内部定子芯（7a），内部定子芯（7a）设置有在周向方向上以相等的间隔形成在内部定子（7）的径向外周（7ao）上的多个内部槽（7a1）和在周向方向上以相等的间隔形成在径向外周上的多个内部齿（7a2），内部槽（7a1）和内部齿（7a2）在周向方向上交替排列；以及内部定子绕组（7b），内部定子绕组（7b）穿过内部槽（7a1）整节距地缠绕在内部定子芯（7a）处。

外部定子（8）包括：外部定子芯（8a），外部定子芯（8a）设置有在周向方向上以相等的间隔形成在外部定子（8）的径向内周（8ai）上的多个外部槽（8a1）和在周向方向上以相等的间隔形成在径向内周上的多个外部齿（8a2），外部槽（8a1）和外部齿（8a2）在周向方向上以交替地方式排列；以及定子绕组（8b），外部定子绕组（8b）穿过外部槽（8a1）整节距地缠绕在外部定子芯（8a）处，

在前述的结构中，满足关系：

3.5<P13/P6…（1）以及

P7/P6>1…（2），

其中，P6表示外部凸极（6B）中的每个外部凸极的周向宽度，P7表示内部凸极（6A）的每个内部凸极的周向宽度，并且P13表示外部磁体（10）的每个外部磁体的周向宽度。

在本发明的多间隙式旋转电机中，内部磁体嵌入转子芯中使得定位在转子芯的径向内部并且外部磁体嵌入转子芯中使得定位在转子芯的径向外部以提供内部凸极和外部凸极，内部凸极中的每个内部凸极位于周向相邻的内部磁体之间，外部凸极中的每个外部凸极位于周向相邻的外部磁体之间。因此，磁力矩和磁阻转矩两者均投入实际使用。并且，内部定子和外部定子分别地应用了内部定子绕组的整节距绕组和外部定子绕组的整节距绕组。具体地，转子的极距等于由内部定子绕组和外部定子绕组产生的磁场的极距。因此，能够充分地使用磁阻转矩。

此外，在公式（1）和公式（2）的条件满足的情况下，可以在P13（外部磁体宽度）、P6（外部凸极宽度）和P7（内部凸极宽度）之间建立合适的关系。因此，外部磁回路中的磁力矩率增加。另外，防止其中磁路径被外部磁回路和内部磁回路所共享的转子轭磁饱和。因此，内部磁回路中的磁阻转矩也可以充分地使用。

通过此方式，本发明的多间隙式旋转电机能够提高输出转矩、减小尺寸并且增加功率。

另一个示例性实施方式提供一种多间隙式旋转电机，该多间隙式旋转电机包括：轴（53），轴（53）具有定义为轴向方向的纵向方向，该该轴提供关于轴向方向定义的径向方向和周向方向；环形转子（54），该环形转子（54）牢固地设置在轴（53）上使得转子和轴关于轴的中心轴线一起旋转，转子和轴彼此同中心；内部定子（55），该内部定子（55）以在内部定子与转子之间留有间隙的方式设置在转子的径向内侧，；以及外部定子（56），该外部定子（56）以在外部定子与转子之间留有间隙的方式设置在转子的径向外侧；其中，转子包括：环形转子芯（54a），该环形转子芯（54a）由软磁材料制成；内部磁体（59），该内部磁体（59）在转子芯中设置在径向内部位置处，该径向内部位置靠近转子芯的径向内周，内部磁体提供多个内部转子极；以及外部磁体（59），该外部磁体设置在转子芯的径向外部位置处，该径向外部位置靠近转子芯的径向外周，外部磁体提供多个外部转子极；其中，该转子芯包括：多个内部凸极（54b），所述多个内部凸极（54b）各自定位在沿周向方向相互相邻两个内部转子极之间；以及多个外部凸极（54c），所述多个外部凸极（54c）各自定位在沿周向方向相互相邻的两个外部转子极之间，其中，该内部转子极与外部转子极中的每一者在周向方向上具有两个端部，该内部磁体和外部磁体中的每一者在径向方向上具有厚度，内部磁体中的每个内部磁体具有径向外周表面并且外部磁体中的每个外部磁体具有径向内周表面，并且内部磁体和外部磁体中的至一者的端部的径向内/外周表面具有倾斜部，倾斜部随着在周向方向上朝向磁体中的每个磁体的端部靠近而逐渐地减小厚度。

在本发明的多间隙式旋转电机中，内部磁体和外部磁体中的任一者的或者两者的与定子相反的表面相对于磁体的周向中心部分朝向磁体的周向端部倾斜以逐渐地减小磁体的在磁极端中的厚度。换句话说，其中产生内部转子极和外部转子极共享的磁路径的转子轭的径向宽度相对于极中心部分朝向每个内部转子极或者外部转子极的周向端部逐渐地增加（变宽）。因此，在转子轭中，磁饱和在极端部的附近被最小化。因此，防止了在磁体的极端部中出现局部退磁。

附图说明

在附图中：

图1是示出了根据本发明的第一实施方式的马达的结构的竖直截面图；

图2是示出了马达的磁回路的截面图；

图3是示出了内部定子绕组及外部定子绕组连接至逆变器的状态的连接图；

图4示出了由仿真结果得来的P13/P6关于转矩的范围；

图5示出了由仿真结果得来的P7/P6关于转矩的范围；

图6是示出了根据本发明的第二实施方式的马达的磁回路的截面图；

图7是示出了通过根据第二实施方式的模型产生的转矩的计算结果的图；

图8是列出了马达的磁回路的各个部分处的尺寸范围的表格；

图9是列出了图7中示出的模型31的设计规范的表格；

图10是列出了图7中示出的模型123的设计规范的表格；

图11是示出了根据本发明的第三实施方式的马达的构型的竖直截面图；

图12是示出了根据本发明的第四实施方式的马达的构型的竖直截面图；

图13是示出了根据第四实施方式的马达在周向方向上的1／4磁回路的截面图；

图14A和图14B是各自示出了根据第四实施方式的转子的局部截面图；

图15是示出了内部定子绕组和外部定子绕组连接至逆变器的状态的连接图；

图16A和图16B是均示出了根据本发明的第五实施方式的转子的局部截面图；

图17A和图17B是均示出了根据本发明的第六实施方式的转子的局部截面图；

图18是示出了根据本发明的第七实施方式的马达的构型的竖直截面图；

图19是示出了根据常规技术的马达的磁回路的局部截面图；

图20是示出了根据常规技术的转子的局部截面图以示出q-轴磁通量的流量；以及

图21是示出了根据常规技术的转子的局部截面图以示出d轴磁通量的流量。

具体实施方式

参照附图，在下文中描述了本发明的若干实施方式。

（第一实施方式）

首先，参照图1至图5，在下文中了描述本发明的第一实施方式。

在第一实施方式中，本发明的多间隙式旋转电机应用于安装在车辆等中的驱动马达1。

图1是示出了马达1的构型的竖直截面图。如图1中所示，第一实施方式的马达1包括马达壳体2、轴4、转子6、内部定子7以及外部定子8。轴4被马达壳体2经由轴承3以可旋转的方式支持。转子6是环形的并且被轴4经由转子保持构件5支承。内部定子7设置在转子6的径向内侧。外部定子8设置在转子6的径向外侧。

轴4构造成绕穿过在轴4的圆形截面中的中心O的纵向中心轴线CL进行旋转，轴4的该圆形截面与纵向截面垂直。因此，转子6、内部定子7以及外部定子8与中心轴线CL相互同轴地设置。

例如，转子保持构件5由非磁性的SUS材料形成并且包括圆筒形部5a和转子盘5b。圆筒形部5a配合并且固定至轴4的外周。转子盘5b是盘形形状的并且从圆筒形部5a的端部径向向外延伸。转子6固定至转子盘5b。

如图2中所示，转子6包括：包括转子轭6z的转子芯6a、永磁体9（下文中，称为内部磁体9）以及永磁体10（下文中称为外部磁体10）。内部磁体9嵌入转子芯6a中使得定位在转子芯6a的径向内部，并且外部磁体10嵌入转子芯6a中使得定位在转子芯6a的径向外部。

例如，转子芯6a通过堆叠多个芯薄片而构成，该多个芯薄片中的每个芯薄片通过对电磁钢板进行环状地施压和冲孔而形成。转子芯6a具有径向内周部，该径向内周部设置有内部磁体插入槽6b和内部凸极6A。转子芯6a还具有径向外周部，该径向外周部设置有外部磁体插入孔6c和外部凸极6B。

内部磁体插入槽6b和外部磁体插入孔6c均沿堆叠芯薄片的方向形成在整个转子芯6a上，从而在转子芯6a的周向方向上具有预定的开口宽度。另外，以预定的间隔在转子芯6a的周向方向上形成数量与转子6的极的数量相等的内部磁体插入槽6b和外部磁体插入孔6c。内部磁体插入槽6b中的每个内部磁体插入槽形成为槽形，其中，转子芯6a的内周侧是开口的。外部磁体插入孔6c中的每个外部磁体插入孔形成为孔形，其中，转子芯6a的外周侧是封闭的。

内部凸极6A中的每个内部凸极形成在沿周向方向相邻的内部磁体插入槽6b之间。外部凸极6B中的每个外部凸极形成在沿周向方向相邻的外部磁体插入孔6c之间。转子芯6a中的内部凸极6A的周向位置被确保成与相应的外部凸极6B的周向位置一致。每个内部凸极6A具有确保成与转子6的内半径表面共圆的内周表面。另外，每个外部凸极6B具有确保成与转子6的外半径表面共圆的外周表面。

内部磁体9被插入形成在转子芯6a中的相应的内部磁体插入槽6b，以沿周向方向以偶数节距设置。

外部磁体10被插入形成在转子芯6a中的相应的外部磁体插入孔6c，以沿周向方向以偶数节距设置。

如通过图2中的空心箭头所示，内部磁体9和外部磁体10在转子6的径向方向上被磁化。正如可看出的，在周向方向上相邻的磁体之间，极性的方向彼此不同。另外，在沿径向方向面对的内部磁体9与外部磁体10之间，极性的方向彼此相反。

在图2中所示的转子6a中，用于插入外部磁体10的每个外部磁体插入孔6c具有周向中心部，在该周向中心部处，孔6c被划分成两个孔并且桥接部6d被形成为连接外部磁体插入孔6c的内周侧和外周侧。设置桥接部6d是为了当外部磁体10由于离心力的作用而被径向向外施压时防止转子芯6a的径向外部部分的径向向外扩张，该转子芯6a的径向外部部分覆盖外部磁体10的外周表面。因此，在图2中被划分成两个孔的磁体插入孔6c可划分成三个孔或更多孔。然而，外部磁体插入孔6c并不是一定要进行划分，除非转子芯6a的径向外部部分会与外部定子8接触，或者，换言之，只要转子芯6a的径向外部部分的变形小到使离心力的作用是可忽略的即可。

在图2中所示的转子6中，外部磁体10插入并且嵌入相应的外部磁体孔6c中以建立通常所称的磁体嵌入式结构。另一方面，内部磁体9以暴露磁体的径向内周表面的方式插入相应的内部磁体插入槽6b中以建立所谓的镶嵌结构。表述“嵌入式”涵盖术语“镶嵌”。换言之，本公开的多间隙式旋转电机不限于永磁体被转子芯6a包封的磁体嵌入式结构，而是还可应用于其中永磁体以暴露磁体的表面（径向内周表面或外周表面）的方式嵌入转子芯6a的镶嵌结构。简言之，这里“磁体嵌入式结构”定义为包括“镶嵌结构”。

如图1和图2中所示，内部定子7包括具有径向外周7ao的内部定子芯7a（参见图2）和三相（U、V和W）的内部定子绕组7b（参见图1）。在内部定子芯7a的径向外周7ao上，在周向方向上以固定间隔形成有多个内部槽7a1，其中，在沿周向方向相邻的内部槽7a1之间形成有内部齿7a2。如图2中所示，每个内部槽7a1具有底部7bt。内部定子绕组7b的整节距绕组应用于内部定子芯7a。

如图1和图2中所示，外部定子8包括具有径向内周8ai的外部定子芯8a（参见图2）和三相（X、Y和Z）的外部定子绕组8b（参加图1）。在外部定子芯8a的径向外周8ai上，在周向方向上以固定间隔形成有多个外部槽8a1，其中，在周向方向上相邻的外部槽8a1之间形成外部齿8a2。如图2中所示，每个外部槽8a1具有底部8bt。外部定子绕组8b的整节距绕组应用于内部定子芯8a。

在内部定子7和外部定子8中，槽的数量是相同的。

图3是示出内部定子绕组7b和外部定子绕组8b连接至逆变器11的状态的连接图。例如，如图3中所示，U相、V相以及W相内部定子绕组7b分别串联连接至X相、Y相以及Z相外部定子绕组8b以建立连接至逆变器11的星型连接。逆变器11受未示出的ECU（电子控制单元）控制。ECU基于源自未示出的转子位置传感器的信息来执行控制，转子位置传感器感测转子6的旋转位置。逆变器11将直流电源B的电能转换成交流电能并且将经转换的电能供给至内部定子绕组7b和外部定子绕组8b。

当内部定子绕组7b和外部定子绕组8b经由逆变器11而被激励时，内部定子7和外部定子8均以这样的方式产生绕组磁动势：在相同的周向位置处经由转子6在彼此径向相对的磁极中产生相同的极性。

下文中描述关于转子6的磁路的设计规范。

首先，图2中所示的磁路部分定义如下。

每个外部凸极6B的周向宽度称为外部凸极宽度并且表示为P6。

每个内部凸极6A的周向宽度称为内部凸极宽度并且表示为P7。

每个外部磁体10的周向宽度称为外部磁体宽度并且表示为P13。

下面的公式（1）适用于P6与P13之间的关系，而公式（2）适用于P6与P7之间的关系。

3.5<P13/P6…（1）

P7/P6>1…（2）

（第一实施方式的有益效果）

第一实施方式的马达1使用磁体嵌入式转子6，在磁体嵌入式转子6中，内部磁体9嵌入转子芯6a从而定位在转子芯6a径向内部并且外部磁体10嵌入转子芯6a从而定位在转子芯6a径向外部。因此，磁力矩和磁阻转矩两者都投入实际使用。

此外，内部定子绕组7b和外部定子绕组8b的整节距绕组分别应用于内部定子7和外部定子8。具体地，转子6的极距等于由内部定子绕组7b和外部定子绕组7b所产生的磁场的极距。因此，能够充分使用磁阻转矩。

此外，在转子芯6a中形成的内部凸极6A和外部凸极6B中，每个内部凸极6A的内周表面被确保成与转子6的内半径表面共圆，并且每个外部凸极6B的外周表面被确保成与转子6的外半径表面共圆。换言之，由于每个内部凸极6A的内周表面和每个外部凸极6B的外周表面不是凹入的，所以磁阻将不会如在专利文献JP-A-2008-302789中所公开的双定子马达中那样增加。因此，能够有效地使用磁阻转矩。

通过将上面阐述的公式（1）和公式（2）应用于转子6的磁路，能够在P13（外部磁体宽度）、P6（外部凸极宽度）以及P7（内部凸极宽度）之间建立适当的关系。因此，能够增加在外部磁路中的磁力矩率。另外，由于在转子轭6z中磁饱和被最小化，所以在内部磁路中同样能够充分使用磁阻转矩。

外部磁路指其中磁通量在外部定子8与转子6之间穿过的磁路。内部磁路指其中磁通量在内部定子7与转子6之间穿过的磁路。转子轭6z指转子芯6a的一部分，在这一部分中，外部磁路与内部磁路共享磁路径。

在计算机上利用模型仿真而得到上面阐述的公式（1）和公式（2）的条件。在图4和图5中示出了仿真的结果。

仿真的模型满足公式（1）和公式（2）两者的条件。具体地，在满足公式（2）的条件的情况下，当利用P13/P6作为参数来计算输出转矩时，如图4中所示，在公式（1）的范围（图4中所示的要求范围）中，总输出转矩增加。更具体地，在外部磁路中的磁力矩变高，并且在内部磁路中内部转矩也变高，内部转矩是磁力矩和磁阻转矩的总和。

类似地，在满足公式（1）的条件的情况下，当利用P7/P6作为参数来计算输出转矩时，如可以从图5看到的，在P7/P6>1的范围中即满足公式（2）的条件，总输出转矩增加。

该仿真揭示出，当满足公式（1）和公式（2）的条件时，马达的输出转矩整体上增加，因此能够实现小型且高功率的马达。

（其他实施方式）

参照图6至图13，下文中描述涉及本发明的第二至第四实施方式。

在第二和第三实施方式中，为了省略不必要的解释，与第一实施方式中的组件相同或类似的部件以相同的附图标记给出。

（第二实施方式）

在第二实施方式中，在满足第一实施方式的公式（1）和公式（2）的条件下，设定与马达1的磁路相关的部分的尺寸范围。

图6是示出根据第三实施方式的马达1的磁路的截面视图。图6中所示的磁路中的各部分按如下表示为P1至P13。应理解的是，P6（外部凸极宽度）、P7（内部凸极宽度）以及P13（外部磁体宽度）与第一实施方式中的P6（外部凸极宽度）、P7（内部凸极宽度）以及P13（外部磁体宽度）相同。

外部定子8的外直径称为外部定子外直径并且表示为P1。

每个外部槽8a1的外直径称为外部槽外直径并且表示为P2。即，如图6中所示，该直径P2是经过轴4的中心轴线CL——即，中心O——的两个外部槽8a1的底部之间的径向距离。

在定子8的一个极中所包括的外部齿8a2的数量（图6中为6）乘以一个外部齿8a2的宽度（图6中的P31、P32、33、P34、P35或P36）称为外部定子齿宽度并且表示为P3。

转子6的外直径称为转子外直径并且表示为P4。

每个外部磁体10的径向厚度称为外部磁体厚度并且表示为P5。

每个内部磁体9的径向厚度称为内部磁体厚度并且表示为P8。

转子6的内直径称为转子内直径并且表示为P9。

每个内部槽7a1的内直径称为内部槽内直径并且表示为P10。即，如图6中所示，该直径P10是经过内部定子7的径向中心（换言之，外部定子8的径向中心）的两个内部槽7a1的底部之间的径向距离。同心地布置内部定子7和外部定子8。

在内部定子7的一个极中所包括的内部齿7a2的数量（图6中为6）乘以一个内部齿7a2的宽度（图6中的P111、P112、P113、P114、P115或P116）称为内部定子齿宽度并且表示为P11。

内部定子7的内直径称为内部定子内直径并且表示为P12。

在满足第一实施方式的公式（1）和（2）的条件并且建立了通过第二实施方式的公式（3）表达的关系的前提下，通过提供至仿真模型的参数P1至P13能够计算输出转矩。图7示出了从对每个模型执行的计算获得的输出转矩。

基于仿真的结果，模型分类成三个组，即，产生高转矩的组H1，产生中转矩的组H2以及产生低转矩的组L。

图8是列出组H1、H2以及L的设计规范的表格。图8对应于下列表格1。

表格1

在图8中，利用P1=266mm作为基准，示出了P2至P13的划分成组H1、H2以及L的尺寸范围。按照P1的尺寸的增大/减小的比率，P2至P13的尺寸范围相对地进行变化。例如，当P1的尺寸增大/减小10%时，P2至P13的尺寸范围也增大/减小10%。图8在右边的列中示意性地示出的P2至P13的在组H1、组H2以及组L之间可区分的尺寸范围。

第二实施方式的马达1基于具有图8中所示的组H2的范围中所包括磁路的尺寸（P1至P13的尺寸）的设计规范。更具体地，马达1可基于图8中所示的组H1的范围中所包括的设计规范。不赞成组L中所包括的设计规范。

图9是列出图7中所示的模型31的设计规范的表格，模型31作为具有组H2的范围中所包括的磁路的尺寸的模型的示例。类似地，图10是列出图7中所示的模型123的设计规范的表格，其中，模型123作为具有组H1的范围中所包括的磁路的尺寸的模型的示例。

如上所述，当马达1基于具有图8的组H2的范围中所包括的磁路的尺寸（P1至P13的尺寸）的设计规范时，与基于组L的范围中所包括的设计规范的模型相比，马达的输出转矩增加。更具体地，理想的是，马达1基于组H1的范围中所包括的设计规范。在这种情况下，如图7中所示，更多地增加了输出转矩，因此，马达1在其尺寸上将会减小并且在其功率上将会提高。

（第三实施方式）

第三实施方式处理三间隙式马达1的示例。图11是示出了第四实施方式的三间隙式马达1的竖直截面图。如在图11中示出的，该三间隙式马达1包括侧定子12，该侧定子12面向转子6的端面，该侧定子12与转子盘轴向地对置（在图11的左侧），在侧定子12与转子6的端面之间留有间隙。侧定子12包括侧定子芯12a和侧定子绕组12b。侧定子芯12a连接至内定子芯7a和外定子芯8a。侧定子绕组12b的全节距绕组应用至侧定子芯12a。侧定子绕组12b在内定子绕组7b与外定子绕组8b之间以串联地方式连接。

三间隙式马达1在转子6与定子7、8和12之间的三面中形成磁间隙。因此，当第一实施方式的公式（1）和（2）的条件应用至三间隙式马达1的转子6的磁回路时，可以进一步提高转矩。另外，当在第二实施方式中描述的设计规范应用至三间隙式马达1时，可以提高输出转矩、减小尺寸并且增加功率。

（第四实施方式）

在第四实施方式和后续的实施方案中，像前述的实施方式一样，本发明的多间隙式旋转电机应用于混合动力车辆的驱动马达（在下文中称为马达51）。

尽管下面的实施方式包括前述中描述的类似部件，还是对那些实施方式的全部部件进行描述以给读者清楚地提供那些特征的上下文。

如在图12中示出的，以与第一实施方式中描述的构型一样的方式，马达51包括环形转子54、内部定子55和外部定子56。转子54被轴53经由转子保持构件52支承。内部定子55以在内部定子55与转子54之间具有间隙的方式设置在转子54的径向内侧。外部定子56以在外部定子56与转子54之间具有间隙的方式设置在转子54的径向外侧。该马达51的基本结构与在第一实施方式中描述的马达的结构是一样的。

与本发明的旋转轴对应的轴53具有端部，该端部通过马达壳体58经由相应的轴承57以可旋转地方式支承。

转子保持构件52包括圆筒形毂部52a和盘状部52b。圆筒形毂部52a由诸如非磁性材料SUS制成。盘状部52a从圆筒形毂部52a的端部径向地向外延伸。圆筒形毂部52a配装至轴53的外周使得转子保持构件52与轴53一体地旋转。

如在图13中示出的，转子54包括转子芯54a、内部磁体59和外部磁体60。内部磁体59嵌入在转子芯54a的内周中以形成内部转子极。外部磁体60嵌入在转子芯54a的外周中以形成外部转子极。

例如，转子芯54a通过堆叠多个芯板而构成，每个芯板通过使用压力机对电磁钢板进行环形冲压而得到。所堆叠的芯板通过藉此在堆叠的方向上插入诸如铆钉或者贯穿螺栓（未示出）之类的紧固构件结合在一起，并固定至盘状部52b（参见图12）。

如在图14中示出的，转子芯54具有内部凸极54b，这些内部凸极54b中的每一个内部凸极形成在周向相邻的内部转子极（内部磁体59）之间。转子芯4a还具有外部凸极54c，这些外部凸极54c中的每个外部凸极形成在周向相邻的外部转子极（外部磁体60）之间。

内部凸极54b位于与对应的外部凸极54c一样的周向位置处。转子芯54a包括转子轭54d，转子轭54d环形地形成并且位于内部转子极（内部磁体59）与外部转子极（外部磁体60）之间。内部磁通量和外部磁通量结合在一起并且通过转子轭54d。内部磁通量相对于内部定子55经由内部凸极54b通过转子芯54a。外部磁通量相对于外部定子56经由外部凸极54c通过转子芯54a。

转子芯54a的内周设置有内部磁体插入孔61，相应的内部磁体59插入至内部磁体插入孔61中。转子芯54a的外周设置有外部磁体插入孔62，相应的外部磁体60插入至外部磁体插入孔62中。然而，外部磁体插入孔62中的每个外部磁体插入孔形成为孔形，其中，转子芯54a的外周侧是封闭的。相反，内部磁体插入凹部61中的每个内部磁体插入凹部形成为槽形，其中，转子芯54a的内周侧是开口的。具体地，外部磁体60中的每个外部磁体以在转子芯54a中被封闭的状态插入至外部磁体插入孔62中的对应的外部磁体插入孔中，以形成磁体嵌入结构。另一方面，内部磁体59中的每个内部磁体以其内周表面在径向方向上露出的状态插入至内部磁体插入孔61中的对应的内部磁体插入孔中，以形成所谓的镶嵌结构。在本发明中，“磁体嵌入结构”定义为包含“镶嵌结构”。

如在图13中通过箭头表示的，内部磁体59和外部磁体60被磁化使得内部磁体59中的每个内部磁体的极性与外部磁体60中对应的——即与内部磁体59径向地对置的——外部磁体的极性相一致，并且该内部转子极的磁场的取向与该外部转子极的磁场的取向周向地交替。

如在图13中示出的，内部定子55通过内部定子芯55b和三相（U、V和W）内部定子绕组55c构成。在该定子芯55b中，在周向方向上以一定间隔形成有多个内部槽55a。三相内部定子绕组5c绕内部定子芯55b缠绕（例如，以整节距绕组的方式）。

如在图13中示出的，外部定子56通过外部定子芯56b和三相（X、Y和Z）外部定子绕组6c构成。在定子芯56b中，在周向方向上有一定间隔形成由多个外部槽56a。三相外部定子绕组56c绕外部定子芯56b缠绕（例如以整节距绕组的方式）。

内部定子55的槽的数量与外部定子56的槽的数量一样。

例如，如在图15中示出的，以与在第一实施方式中描述的连接一样的方式，U-相、V-相和W-相内部定子绕组55c分别地串联连接至X-相、Y-相和Z-相外部定子绕组56c以建立星型连接。该星型连接在中性点的相对侧上具有相端子，并且相端子连接至逆变器49。逆变器49通过未示出的ECU（电子控制单元）控制。ECU基于源自于未示出的转子位置传感器的信息来执行控制，转子位置传感器感测转子54的旋转位置。逆变器49将直流电源B的电能转换为交流电能且将经转换的电能供给至内部定子绕组55c和外部定子绕组56c。

当内部转子绕组55c和外部定子绕组55c和56c经由逆变器49而被激励时，内部定子55和外部定子56均以下述方式产生绕组电通势：以该方式使得在相同的周向位置处经由转子54在彼此径向相对的磁极中产生相同的极性。

参照图14A和图14B，在下文中描述具有本发明的一个主题事物的特征的内部磁体59和外部磁体60。图14A和14B是均示出包括内部转子极和外部转子极的转子54的部分截面图。在图14A和14B中，表示截面的剖面线被省略。

首先，内部磁体59和外部磁体60的各个部分定义如下。

a）内部转子极和外部转子极中的每一者的周向中心部称为极中心部分。基准P21表示每个内部磁体59在极中心部分处的厚度，而基准P23表示每个外部磁体60在极中心部分处的厚度。

b）内部极和外部极中的每一者的周向端部被称作极端部PE。基准P22表示每个内部磁体59在其极端部PE处的厚度。基准P24表示每个外部磁体60在其极端部PE处的厚度。

c）每个内部磁体59的径向外周表面和每个外部磁体60的径向内周表面均称为与定子相反的表面。

每个内部磁体59和每个外部磁体60分别地建立关系P21>P22和P23>P24。另外，如在图14A中示出的，每个磁体的与定子相反的表面朝向其外周端相对于极中心部周向地倾斜，使得厚度P21或P23分别地减小至厚度P22或P24。

（第四实施方式的优点和效果）

根据第四实施方式的马达1使用转子54，转子54具有磁体嵌入结构，在该磁体嵌入结构中，内部磁体59嵌入在转子芯54a的内周中并且外部磁体60嵌入转子芯54a的外周中。因此，磁力矩和磁阻转矩两者被使用。

而且，在转子54中，内部磁体59和外部磁体60中的每一者的与定子相反的表面在内部转子极或外部转子极的极端部PE中倾斜。因此，每个磁体的厚度P22或者P24朝向外周端相对于极中心部逐渐地减小。换句话说，转子轭54d的径向宽度——在转子轭54中产生内部转子极和外部转子极共享的磁路径增加——相对于极中心部朝向每个内部转子极的或者每个外部转子极的周向端部逐渐地增加（变宽）。因此，如在图14B中通过粗箭头表示的，在转子轭54d中，在极端部PE的附近，磁饱和被最小化，该极端部分PE具有最高密度的产生磁阻转矩的q-轴线磁通量和产生磁力矩的d-轴线磁通量。因此，防止了朝向内部磁体和外部磁体59和60的磁泄漏。因此，在不削弱马达性能的情况下，防止了在内部磁体59和外部磁体60中的每一者的极端部PE中发生局部退磁。

在下文中，描述本发明的第四至第七实施方式。

在第五至第七实施方案中，为了省略不必要的阐述，与第四实施方式中相同的部件或者相似的部件被给出相同的附图标记。

（第五实施方式）

在第五实施方式中，如在图16A和图16B中示出的，每个外部转子极中的外部磁体60具有经倒角的角部部分，在经倒角的角部部分中的每个经倒角的角部部分中，磁体的定子侧表面与磁体的周向端面汇合。每个外部磁体60的定子侧表面指的是在与第四实施方式中描述的与定子相反的表面相反的表面，即，每个外部磁体60的外周表面。

形成在转子芯54a中的外部磁体插入孔62中的每个外部磁体插入孔设置有空间S，空间S通过孔的内壁和外部磁体60的相应的经倒角的角部部分限定。

在第五实施方式的构型中，外部磁体插入孔62的空间S充当磁间隙。空间S例如由空气填充。因此，如在图16B中示出的，施加至每个外部磁体60的退磁磁场强度（由图16B中的虚线箭头表示的磁通量）被缓和。因此，外部磁体60的极端部的退磁被最小化。替代在每个外部磁体插入孔62中的外部磁体60的相应的经倒角的角部部分处设置空间S，可以在与空间S对应的空间处设置非磁性材料，比如铝或者树脂。

（第六实施方式）

在第六实施方式中，如在图17A与图17B中示出的，每个外部磁体插入孔62包括在孔62的内周和外周之间进行连接的桥接部63以将孔62在周向方向上划分为两个。在该情况下，形成每个外部转子极的外部磁体60被划分为两个并且以分离地方式插入至外部磁体插入孔62的由桥接部63限定的两个区段中。换句话说，每个外部转子极由插入至外部磁体插入孔62的由桥接部63限定的相应两个区段中的一组两个外部磁体60形成。

如在图17B中示出的，在第六实施方式的构型中，外部磁通量通过桥接部63以作用克服施加至相应的内部磁体59的退磁场。因此，每个内部磁体59的退磁被缓和。

另外，在转子芯54a中形成桥接部63——桥接部63中的每个桥接部划分外部磁体插入孔62中的对应一个——可以有助于提高转子54对离心力的阻抗。具体地，当离心力通过转子54的旋转而作用在外部磁体60上时，每个外部磁体60被径向地向外压靠在转子芯54a的薄部分（转子芯54a相对于外部磁体插入孔62的径向外部部分）上，该薄部分覆盖外部磁体60的外周。在这点上，桥接部63的形成可以防止由于离心力的应用而被相应的外部磁体60施压的该薄部分径向地向外扩张。以此方式，转子54的外周被防止接触外部定子56的内周。因此，转子54与外部定子56之间的磁间隙被均匀地保持。

（第七实施方式）

该第七实施方式是三间隙式马达的示例。

如在图18中示出的，三间隙式马达71包括侧定子64，该侧定子64面向转子54的端面，其中，在侧定子64与转子54的端面之间有间隙，该端面在与盘状部相反的那侧（如在图18中观察的左侧）。侧定子64包括侧定子芯64a和侧定子绕组64b。侧定子芯64a连接至内部定子芯55b和外部定子芯56b。侧定子绕组64b绕侧定子芯64a缠绕（例如以全节距绕组方式）以串联连接内部定子绕组55c和外部定子绕组56c。

三间隙式马达71在转子4与定子55、56和64之间的三面中形成磁间隙。因此，通过将所描述的构型应用在第四至第六实施方式中的任何一个实施方式中，可以进一步提高转矩。

（对第四至第七实施方式的修改）

在第四实施方式中，该构型应用于内部转子极和外部转子极两者。具体地，在内部磁体59和外部磁体60两者中，与定子相反的表面朝向磁极端倾斜。对此可替代为，内部磁体59和外部磁体60中的任一者的与定子相反的表面可以朝向磁极端倾斜。

在第五实施方式中，外部磁体60中的每个外部磁体的角部部分被倒角。对此可替代为，除了外部磁体60进行倒角以外，内部磁体59中的每个内部磁体的角部部分可以进行倒角。在该情况下，与外部转子极类似，对每个内部磁体插入孔61设置有空间，该空间通过孔61的内壁与内部磁体59的相应的经倒角的角部部分限定，或者在该空间中设置非磁性材料，比如铝或者树脂。

在第六实施方式中，每个外部磁体插入孔62通过桥接部63划分为两个。对此可替代为，每个外部磁体插入孔62可以通过使用两个或者更多个桥接部63来进行划分。

本发明在不背离其精神的情况下可以以若干其他形式实施。由于本发明的范围通过所附的权利要求而不是前述说明限定，因此目前为止描述的实施方式和修改意在仅为示例性的并不是限制性的。因此所有落在权利要求的公认范围内或者该公认范围的等同范围内的变化意在由权利要求所包含。

Claims (7)

1.一种多间隙式旋转电机，包括：

轴(4)，所述轴(4)通过固定至壳体(2)的轴承(3)以可旋转的方式被支承；

环形转子(6)，所述环形转子(6)固定至所述轴(4)并且构造成与所述轴(4)一起旋转；以及

定子(7，8)，所述定子(7，8)固定至所述壳体(2)并且构造成在所述定子(7，8)与所述转子(6)之间具有间隙，

其中，

所述转子(6)包括：

环形转子芯(6a)，所述环形转子芯(6a)由软磁材料制成并且构造成具有径向方向和周向方向，

多个内部磁体(9)，所述多个内部磁体(9)均由永磁体构成并且在所述周向方向上以相等的节距嵌入所述转子芯(6a)的径向内部部分中，以及

多个外部磁体(10)，所述多个外部磁体(10)均由永磁体构成并且在所述周向方向上以相等的节距嵌入所述转子芯(6a)的径向外部部分中；

所述转子芯(6a)包括：

多个内部凸极(6A)，所述多个内部凸极(6A)均形成在所述内部磁体(9)中的在所述周向方向上相互相邻的两个内部磁体之间，以及

多个外部凸极(6B)，所述多个外部凸极(6B)均形成在所述外部磁体(10)中的在所述周向方向上相互相邻的两个外部磁体之间，所述内部凸极和所述外部凸极由软磁材料制成；

所述定子(7，8)至少包括：

内部定子(7)，所述内部定子(7)以在所述内部定子(7)与所述转子(6)之间留有间隙的方式位于所述转子(6)的径向内侧，

外部定子(8)，所述外部定子(8)以在所述外部定子(8)与所述转子(6)之间留有间隙的方式位于所述转子(6)的径向外侧，

其中，所述内部定子(7)包括：

内部定子芯(7a)，所述内部定子芯(7a)设置有在所述周向方向上以相等的间隔形成在所述内部定子(7)的径向外周(7ao)上的多个内部槽(7a1)和在所述周向方向上以相等的间隔形成在所述径向外周上的多个内部齿(7a2)，所述内部槽(7a1)和所述内部齿(7a2)在所述周向方向上交替排列；以及

内部定子绕组(7b)，所述内部定子绕组(7b)穿过所述内部槽(7a1)整节距地缠绕在所述内部定子芯(7a)处，

所述外部定子(8)包括：

外部定子芯(8a)，所述外部定子芯(8a)设置有在所述周向方向上以相等的间隔形成在所述外部定子(8)的径向内周(8ai)上的多个外部槽(8a1)和在所述周向方向上以相等的间隔在所述径向内周上的多个外部齿(8a2)，所述外部槽(8a1)和所述外部齿(8a2)在所述周向方向上交替排列；以及

外部定子绕组(8b)，所述外部定子绕组(8b)穿过所述外部槽(8a1)整节距地缠绕在所述外部定子芯(8a)处，

其中，满足关系：

3.5<P13/P6…(1)以及

P7/P6>1…(2)，

其中，P6表示所述外部凸极(6B)中的每个外部凸极的周向宽度，P7表示所述内部凸极(6A)中的每个内部凸极的周向宽度，并且P13表示所述外部磁体(10)中的每个外部磁体的周向宽度。

2.根据权利要求1所述的旋转电机，其中，

当所述外部定子(8)具有外直径P1，经过所述外部定子(8)的径向中心的两个所述外部槽(8a1)的底部之间的直径是P2，P3表示通过将所述外部齿(8a2)中一个外部齿的周向宽度与在所述外部定子(8)的一个磁极中包含的外部齿(8a2)的数量相乘而获得的周向长度，所述转子(6)具有外直径P4，所述外部磁体(10)中的每个外部磁体具有径向厚度P5，所述内部磁体(9)中的每个内部磁体具有径向厚度P8，所述转子(6)具有内直径P9，经过所述外部定子(8)的所述径向中心的两个所述内部槽(7a1)的底部之间的直径是P10，P11表示通过将所述内部齿(7a2)中的一个内部齿的周向宽度与在所述内部定子(7)的一个磁极中包含的内部齿(7a2)的数量相乘而获得的周向长度，以及所述内部定子(7)具有内直径P12时，

P1至P13的尺寸设定成满足表格1的组H2中所列出的尺寸比，其中，P1的尺寸设定为1作为基准：

表格1

3.根据权利要求2所述的旋转电机，其中，

所述尺寸P1至P13设定成满足在表格1的组H1中所列出的尺寸比。

4.一种多间隙式旋转电机，包括：

轴(53)，所述轴(53)具有定义为轴向方向的纵向方向，所述轴提供关于所述轴向方向定义的径向方向和周向方向；

环形转子(54)，所述环形转子(54)牢固地设置在所述轴(53)上使得所述转子与所述轴关于所述轴的中心轴线一起旋转，所述转子和所述轴彼此同中心；

内部定子(55)，所述内部定子(55)以在所述内部定子与所述转子之间留有间隙的方式设置在所述转子的径向内侧；以及

外部定子(56)，所述外部定子(56)以在所述外部定子与所述转子之间留有间隙的方式设置在所述转子的径向外侧；

其中，所述转子包括：

环形转子芯(54a)，所述环形转子芯(54a)由软磁材料制成；

内部磁体(59)，所述内部磁体(59)设置在所述转子芯中的径向内部位置处，所述径向内部位置靠近所述转子芯的径向内周，所述内部磁体提供多个内部转子极，以及

外部磁体(60)，所述外部磁体(60)设置在所述转子芯中的径向外部位置处，所述径向外部位置靠近所述转子芯的径向外周，所述外部磁体提供多个外部转子极，

其中，所述转子芯包括：

多个内部凸极(54b)，所述多个内部凸极(54b)各自定位在所述内部转子极中的在周向方向上相互相邻的两个内部转子极之间；

多个外部凸极(54c)，所述多个外部凸极(54c)各自定位在所述外部转子极中的所述周向方向上相互相邻的两个外部转子极之间；以及

转子轭，所述转子轭环形地形成并且位于所述内部转子极与所述外部转子极之间，

其中，所述内部转子极与所述外部转子极中的每一者在所述周向方向上具有两个端部，

所述内部磁体和所述外部磁体中的每一者在所述径向方向上具有厚度，

所述内部磁体中的每个内部磁体具有径向外周表面并且所述外部磁体中的每个外部磁体具有径向内周表面，并且

所述内部磁体的所述端部的所述径向外周表面中的至少一些径向外周表面或者所述外部磁体的所述端部的所述径向内周表面中的至少一些径向内周表面具有倾斜部，所述倾斜部随着在所述周向方向上朝向所述磁体中的每个磁体的端部靠近而逐渐地减小厚度，使得所述转子轭的径向宽度朝向所述内部转子极和所述外部转子极中的每一者的周向端部相对于对应转子极的周向中心部逐渐地增加。

5.根据权利要求4所述的旋转电机，其中，

所述内部磁体中的每个内部磁体具有径向内周表面并且所述外部磁体中的每个外部磁体具有径向外周表面，

所述内部磁体的径向内周表面与所述外部磁体的径向外周表面中的至少一者具有在端部中的周向端部，所述周向端部具有经倒角的角部，在所述经倒角的角部中的每个经倒角的角部上形成有非磁性部分。

6.根据权利要求5所述的旋转电机，其中，所述非磁性部分由空气(S)或者非磁性材料制成。

7.根据权利要求4-6中的任一项所述的旋转电机，其中，所述转子芯包括：

多个磁体插入孔(62)，所述多个磁体插入孔(62)位于所述径向外部位置处，所述外部磁体分别地设置在所述磁体插入孔中，以及

一个或者多个桥接部(13)，所述一个或者多个桥接部(13)各自使所述插入孔中的每个插入孔的径向内壁和径向外壁彼此连接，使得所述插入孔中的每个插入孔在所述周向方向上划分为两个或者更多个孔，

其中，所述外部磁体中的每个外部磁体划分为两个或者更多个外部磁体，所述两个或者更多个外部磁体分别地设置在被划分的所述两个或者更多个孔中。