CN106208583A - 内置式永磁同步电动机的定子 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种内置式永磁同步电动机的定子。内置式永磁同步电动机中的与转子以预定间隙间隔开的定子包括：定子齿，其以预定距离被周向地间隔开，同时其间插置与转子的外径面对应的槽；以及定子靴，其在定子齿的端部形成，并且包括面对转子的外径面的具有预定直径的内径面。具有(定子靴的内直径×1.0287×24/槽数)mm的直径的圆和定子齿之间的交叉点是定子齿的齿端起始点。

Description

内置式永磁同步电动机的定子

技术领域

本发明涉及一种内置式永磁同步电动机。更具体地，本发明涉及一种能够降低齿槽转矩(cogging torque)的内置式永磁同步电动机的定子。

背景技术

一般而言，混合动力车辆或电动车辆是由电动机(下文称之为“驱动电动机”)驱动，以便通过电能获取旋转力。混合动力车辆在作为纯电动车模式的电动车(EV)模式下，利用驱动电动机的动力行驶，或者在混合动力电动车(HEV)模式下，利用发动机的转矩和驱动电动机的转矩二者作为动力行驶。此外，一般的电动车辆利用驱动电动机的转矩作为动力行驶。

作为环境友好型车辆的动力源运转的驱动电动机通常使用永磁同步电动机(PMSM：permanent magnet synchronous motor)。永磁同步电动机包括定子、与定子以预定间隙间隔开的转子和嵌入转子中的永磁体。根据将永磁体安装在转子中的方法，永磁同步电动机可分为两种类型，包括永磁体安装在转子的表面的表面式永磁同步电动机(SPMM：surface permanent magnet synchronous motor)；以及永磁体被安装在转子中的内置式永磁同步电动机(IPMSM：interior permanentmagnet synchronous motor)。

在永磁同步电动机中，由于表面式同步电动机具有D轴与Q轴之间的电感差为0(D轴的电感与Q轴的电感相等)的凸极比(saliencyratio)，因此不产生磁阻转矩。然而，因为内置式同步电动机由于凸极比而产生磁阻转矩，所以内置式同步电动机适用于要求高效率和高输出密度的混合动力车辆或电动车辆的驱动电动机。

同时，如上所述的内置式永磁同步电动机根据定子线圈的绕组型式，分为集中绕组型内置式永磁同步电动机和分布式绕组型内置式永磁同步电动机。其中，集中绕组型内置式永磁同步电动机用在环境友好型车辆中，并且应用于混合动力车辆的驱动电动机。例如，集中绕组型内置式永磁同步电动机的性能可基于齿槽转矩来确定。

当永磁同步电动机在空载状态下旋转时，转矩值周期性改变，该转矩被定义为齿槽转矩。齿槽转矩是在环境友好型车辆逐渐加速/减速中性能劣化的主要因素之一，并且是在环境友好型车辆的驱动电动机的设计中考虑的主要性能参数之一。齿槽转矩由于基于转子位置的定子和转子的静态磁拉力而产生。一旦环境友好型车辆逐渐加速/减速，也就是说，在驱动电动机中要求低载荷的条件下，驱动电动机产生的啸叫噪声的大小可基于齿槽转矩的大小而改变。

一般而言，集中绕组型内置式永磁同步电动机比分布式绕组型内置式永磁同步电动机产生更大的齿槽转矩。在本领域中，在利用集中绕组型内置式永磁同步电动机作为驱动电动机的环境友好型车辆中，需要设计最小化的齿槽转矩，以便一旦逐渐加速/减速，可降低噪声。

特别地，在由三相电源驱动并且磁极数/槽数之比为2/3的结构的集中绕组型内置式永磁同步电动机中，齿槽转矩是基于定子的槽数和转子的磁极数的最小公倍数×旋转频率所产生的。例如，具有16个磁极和24个槽所构成的定子的集中绕组型内置式永磁同步电动机中的齿槽转矩(例如，约5.4Nm)，可引起作为机械旋转频率的第48分量频率的可由驾驶者感知或听到的音频噪声。

在本节中所公开的上述信息仅用于增强对本发明的背景的理解，因此，可能包含未形成已由本国本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明提供一种内置式永磁同步电动机的定子，其中该电动机具有如下优点：通过改进齿结构和槽开口长度，使电动机的性能劣化最小化的同时，降低齿槽转矩。本发明的示例性实施例提供了在内置式永磁同步电动机中的与转子以预定间隙间隔开的定子，该定子可包括：定子齿，其以预定距离被周向地间隔开，同时其间插置与转子的外径面对应的槽；以及定子靴，其在定子齿的端部形成，并且包括面对转子的外径面的具有预定直径的内径面。此外，具有(例如，定子靴的内直径×1.0287×24/槽数)mm的直径的圆与定子齿之间的交叉点作为定子齿的齿端(tooth end)起始点。

相对于定子靴的两端部的定子齿的齿端角可设置为约125.0°～125.4°的范围。定子靴的两端部与相邻定子靴的两端部之间的槽开口长度可设置为，例如(定子靴的内直径×0.01685×24/槽数)mm。定子齿两端部的侧面可布置成平行于相邻定子齿的侧面。当定子配置为16个磁极和24个槽，并且基于转子中心的齿端起始点的直径约为207.6mm时，槽开口长度可为约3.4mm。

当电动机的主要使用区域的效率设置为约94.5％或更大的基准值时，可满足约94.66％的主要使用区域的效率。当电动机的最大输出设置为约44KW或更大的基准值时，可满足约45.13KW的最大输出。此外，当电动机的齿槽转矩设置为约5.38Nm或更小的基准值时，可满足约3.79Nm的齿槽转矩。

附图说明

在以下的详细说明中，简单地通过图例方式已示出并说明了本发明的示例性实施例，其中：

图1是示出根据本发明的示例性实施例的内置式永磁同步电动机的定子的示意图；

图2A～图2B示出根据本发明的示例性实施例以及比较示例的内置式永磁同步电动机的定子的齿槽转矩分析结果的示例性曲线图；

图3A～图3D示出根据本发明的示例性实施例的内置式永磁同步电动机的定子的运转效果的示例性图表；以及

图4A～图4B示出根据本发明的示例性实施例以及比较示例的内置式永磁同步电动机的定子的噪声改善效果的示例性曲线图。

附图标记的说明：

1：转子

3：永磁体

5：定子线圈

11：定子齿

21：定子靴(stator shoe)

31：槽

41：槽开口部

51：圆

53：齿端起始点

具体实施方式

可以理解，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或者其他相似术语包括一般的机动车辆，例如客运汽车，包括运动型多用车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆、包括各种船和艇在内的水运工具、航空器，等等，并且包括混合动力交通车辆、电动车辆、插电式混合电动车辆、氢动力车辆和其他替代燃料车辆(例如，从石油以外的资源取得的燃料)。本文所提到的混合动力车辆是指使用两种或多种动力源的车辆，例如汽油和电力混合动力车辆。

本文所使用的术语是仅为了说明特定实施例的目的，而无意限制本发明。如本文所使用的单数形式“一个”、“一种”和“该”也用来包括其复数形式，除非上下文中另外明确指出。还可理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指明所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或添加。如本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出项的任何和所有组合。

除非从上下文中明确指出或可以明显看出，如本文所使用的术语“约”可以理解为在本技术领域公差范围内，例如平均值的2倍标准差内。“约”可以理解为标注值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％范围内。除非在上下文中另外明确指出，文中所提供的所有的数值都可由术语“约”来修饰。

图1是示出根据本发明的示例性实施例的内置式永磁同步电动机的定子的示意图。参照图1，根据本发明的示例性实施例的定子100应用于永磁体可嵌入定子中的内置式永磁同步电动机(IPMSM)。

内置式永磁同步电动机可适用于诸如混合动力车辆等环境友好型车辆的驱动电动机，以通过电能产生驱动转矩。此外，根据本发明的示例性实施例的定子100可适用于集中绕组型内置式永磁同步电动机。例如，内置式永磁同步电动机可以是内转子型同步电动机，并且可包括根据本发明的示例性实施例的定子100、转子1和嵌入转子1中的多个永磁体3，其中转子1可旋转地安装于定子100的内侧，以预定间隙与定子100间隔开。

特别地，根据本发明的示例性实施例的内置式永磁同步电动机的定子100可包括层压有多个钢板的定子芯(stator core)，并且定子100的定子芯可包括定子齿11和定子靴21。定子齿11可由定子线圈5卷绕，并以预定距离被周向地间隔开，同时在其间插置与转子1的外径面对应的槽31。

定子靴21可在定子齿11的端部形成，并且可形成面对转子1的外径面的具有预定直径的内径面。此外，定子靴21的端部可突向相邻定子靴21的端部。换言之，每个定子靴21可形成有关于定子齿11的中心，即基于转子1的旋转中心点的连接中心线对称形成的两侧(附图中的右侧和左侧)。具体地，如上所述，因为定子靴21的两端部可突向相邻定子靴21的两端部，所以在本发明的示例性实施例中，相邻的定子靴21可形成窄的间隙，该间隙足够用以在定子齿11上卷绕定子线圈5。下文中，在相邻定子靴21的两端部之间的间隙是指槽开口部41。

如上所述，根据本发明的示例性实施例，内置式永磁同步电动机的定子100可具有这样一种结构，该结构可通过改进定子齿11的结构和槽开口部41的长度，使电动机的性能劣化最小化的同时，降低齿槽转矩。相应地，内置式永磁同步电动机的定子100可在具有(定子靴的内直径×1.0287×24/槽数)mm的直径的圆和定子齿之间设置交叉点，作为定子齿11的齿端起始点53。特别地，基于转子1的中心的直径可定义为齿端起始点53的直径。此外，常数1.0287可以是根据定子100和转子1的设计过程导出的值。

下文中，根据本发明的示例性实施例的定子100可具有16个磁极和24个槽的结构，该结构将被描述为用于设置基于转子1的中心的齿端起始点53的直径约为207.6mm的前提。因此，当齿端起始点53的直径设置为约207.6mm时，考虑到基于转子1的中心的直径为(转子靴的内直径×1.0287×24/槽数)mm，定子靴21的内直径可约为201.80mm。换言之，转子1的中心可由下面的公式来定义：

(转子靴的内直径×1.0287×24/槽数)mm。

此外，在本发明的示例性实施例中，相对于定子靴21的两端部的定子齿11的齿端角θ可设置为约125.0°～125.4°的范围，并且上述槽开口部41的长度可设置为(定子靴的内直径×0.01685×24/槽数)mm。特别地，常数0.01685可以是根据定子100和转子1的设计过程导出的常数值。因此，在本发明的示例性实施例中，作为定子靴21的两端部和相邻定子靴21的两端部之间的间隙的槽开口部41的槽开口长度，可满足约3.4mm。

此外，定子齿11的两端部的侧面可布置成平行于相邻定子齿11的侧面。因此，根据上述构造的内置式永磁同步电动机的定子100，基于如下的假设，即结构为16个磁极和24个槽的定子齿11的齿端起始点53的直径设置为约207.6mm，定子靴21的两端部之间的槽开口长度可设置为约3.4mm，并且定子齿11的齿端角θ可设置为约125.0°～125.4°的范围。

因此，在本发明的示例性实施例中，在上述假设条件下，通过将定子靴21的槽开口长度和定子齿11的齿端角限定至特定数值，可控制定子100和转子1的静态磁拉力(magnetic pull)，与根据如图2A中所示的比较示例中的一般驱动电动机的空载齿槽转矩相比，从图2B可以看出，齿槽转矩改善约30％或更多。特别地，在本发明的示例性实施例中，根据上述限定数值的电动机的性能和齿槽转矩的降低效果列于图3A～图3D中。

在本发明的示例性实施例中，由于如上所述的定子100的配置结构，如图3A所示，当电动机的主要使用区域效率设置为约94.5％或更大的基准值时，定子100的主要使用区域的效率表现为约94.66％。

此外，在本发明的示例性实施例中，如图3B所示，当电动机最大输出设置为约44KW或更大的基准值时，电动机表现出约45.13KW的最大输出。此外，在本发明的示例性实施例中，如图3C所示，当电动机的转矩纹波设置为约2.8％或更小的基准值时，表现出约2.72％的转矩纹波。如图3D所示，当电动机的齿槽转矩设置为约5.38Nm或更小的基准值时，可表现出约3.79Nm的齿槽转矩。

因此，根据本发明的示例性实施例，由于通过改进定子齿11的结构和槽开口部41的长度可在保持电动机的性能和效率的同时，降低齿槽转矩，因此根据如图4A所示的车辆的逐渐加速段1和如图4B所示的车辆的减速段1，与比较示例相比，由齿槽转矩所引起的噪声可改善约5dB.

虽然已结合目前考虑的示例性实施例，对本发明进行了说明，但应当理解，本发明并不局限于所公开的示例性实施例，而相反，本发明意在覆盖包括在所附权利要求的构思和范围内的各种变型和等效布置。

Claims (7)

1.一种内置式永磁同步电动机的定子，其为在内置式永磁同步电动机中与转子以预定间隙间隔开的定子，所述定子包括：

定子齿，其以预定距离被周向地间隔开，同时其间插置与所述转子的外径面对应的槽；以及

定子靴，其形成在所述定子齿的端部，并且具有面对所述转子的外径面的预定直径的内径面，

其中具有(所述定子靴的内直径×1.0287×24/槽数)mm的直径的圆和所述定子齿之间的交叉点是所述定子齿的齿端起始点。

2.根据权利要求1所述的内置式永磁同步电动机的定子，其中相对于所述定子靴的两端部的定子齿的齿端角设置为约125.0°～125.4°的范围。

3.根据权利要求2所述的内置式永磁同步电动机的定子，其中在所述定子靴的两端部和相邻定子靴的两端部之间的槽开口长度设置为(所述定子靴的内直径×0.01685×24/槽数)mm。

4.根据权利要求1所述的内置式永磁同步电动机的定子，其中所述定子齿的两端部的侧面布置成平行于相邻定子齿的侧面。

5.根据权利要求3所述的内置式永磁同步电动机的定子，其中当所述定子包括16个磁极和24个槽，并且基于所述转子中心的所述齿端起始点的直径约为207.6mm时，所述槽开口长度满足约3.4mm。

6.根据权利要求5所述的内置式永磁同步电动机的定子，其中当所述电动机的主要使用区域效率设置为约94.5％或更大的基准值时，满足约94.66％的主要使用区域的效率，并且当所述电动机的最大输出设置为约44KW或更大的基准值时，满足约45.13KW的最大输出。

7.根据权利要求6所述的内置式永磁同步电动机的定子，其中当所述电动机的齿槽转矩设置为约5.38Nm或更小的基准值时，满足约3.79Nm的齿槽转矩。