CN107040096B - 电机及其分解器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电机及其分解器。所述分解器包括分解器定子(51)、分解器转子(71)以及屏蔽组件(61)。所述分解器定子(51)包括环状分布的若干分解器齿(54)、绕制到所述分解器齿(54)的分解器绕组(56)。所述分解器转子(71)包括固定到所述转轴(41)的转子芯(72)，所述转子芯(72)位于所述若干分解器齿(54)围成的空间内。所述屏蔽组件(61)固定到所述电机定子，包括环状部(62)，所述环状部(62)环绕若干分解器齿(54)，用于消除或减弱所述定子绕组(35)的电流对所述分解器绕组(56)的磁干扰。

Description

电机及其分解器
技术领域
本发明涉及一种分解器以及使用该分解器的电机，该电机尤其适用于电动助力转向(Electric Power Steering,EPS)系统中。
背景技术
汽车的EPS系统根据用户对方向盘的转动来控制汽车的转向。
目前的EPS系统通常使用分解器来精确地检测电机的转子位置。客户希望分解器具有更精确的检测结果。但是，有多种因素会影响分解器的检测精度，例如，电机的绕组电流产生的磁场会影响到分解器的检测精度。
发明内容
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
本发明第一方面，提供一种电机，包括电机定子和电机转子；所述电机定子包括环状分布的若干定子极以及绕制到所述定子极的定子绕组；所述电机转子通过转轴可转动地安装到电机定子。该电机还包括分解器，所述分解器包括分解器定子、分解器转子以及屏蔽组件。其中：
所述分解器定子包括环状分布的若干分解器齿、绕制到所述分解器齿的分解器绕组；
所述分解器转子包括固定到所述转轴的转子芯，所述转子芯位于所述若干分解器齿围成的空间内；
所述屏蔽组件固定到所述电机定子，包括环状部，所述环状部环绕若干分解器齿，用于消除或减弱所述定子绕组的电流对所述分解器绕组的磁干扰。
在本发明的一个优选方案中，所述环状部为杯状，底部设有通孔供所述转轴穿过，开口端设有外翻边；所述屏蔽组件通过所述外翻边安装到电机定子。
在本发明的一个优选方案中，所述若干分解器齿及其分解器绕组全部收容在所述环状部形成的空间内。
在本发明的一个优选方案中，所述外翻边设有螺孔供螺钉穿过；所述屏蔽组件通过所述螺钉安装到电机定子。
在本发明的一个优选方案中，所述若干分解器齿围成的环部的外径小于或等于所述若干定子极围成的环部的内径。
本发明的第二方面，提供一种分解器，包括分解器定子与分解器转子，所述分解器定子包括环状分布的若干分解器齿以及绕制到所述分解器齿的分解器绕组，所述分解器转子包括可绕着一转动轴线转动的转子芯，所述转子芯位于所述若干分解器齿围成的空间内。所述分解器绕组包括：
第一输出绕组，所述第一输出绕组绕制于每一个分解器齿，每个分解器齿的第一输出绕组由绕线以第一匝数多层卷绕形成；
第二输出绕组，所述第二输出绕组绕制于每一个分解器齿，每个分解器齿的第二输出绕组由绕线以第二匝数多层卷绕形成；
励磁绕组，所述励磁绕组绕制于每一个分解器齿，每个分解器齿的励磁绕组由绕线以第三匝数多层卷绕形成。
在本发明的一个优选方案中，所述第三匝数小于第一匝数，并且小于第二匝数。
在本发明的一个优选方案中，第一匝数等于第二匝数，且第一匝数等于第三匝数的2至3倍。
在本发明的一个优选方案中，所述第一输出绕组由第一根绕线连续形成；所述第二输出绕组由第二根绕线连续形成；所述励磁绕组由第三根绕线连续形成。
在本发明的一个优选方案中，所述分解器齿的数量是2n个，n为大于1的整数；所述2n个分解器齿分为n对分解器齿，每对分解器齿包括两个相邻的分解器齿，所述两个相邻的分解器齿的第一输出绕组具有相同的绕线方向；且相邻两对分解器齿的第一输出绕组具有相反的绕线方向。
在本发明的一个优选方案中，所述每对分解器齿的两个分解器齿中，其中一个分解器齿上的第一输出绕组、第二输出绕组具有相同的绕线方向，另一个分解器齿上的第一输出绕组、第二输出绕组具有相反的绕线方向；所述2n个分解器齿中，对于任意三个相邻的分解器齿，其中两个相邻的分解器齿的第二绕组具有相同的绕线方向，剩下的一个分解器齿的第二绕组具有相反的绕线方向。
在本发明的一个优选方案中，所述2n个分解器齿中，任意相邻的两个分解器齿上的励磁绕组具有相反的绕线方向。
在本发明的一个优选方案中，所述转子芯为环状，外周面任意一点到转动轴线的距离R满足：
Figure BDA0000921963500000031
其中，
Figure BDA0000921963500000032
Figure BDA0000921963500000033
RS是所述若干分解器齿围成的环的内半径，
Rmax是所述转子芯的最大外半径，
Rmin是所述转子芯的最小外半径，
θ是所述任意一点的角度；
p是所述转子芯上的凸极对数。
本发明的第三方面，提供一种一种电机，包括电机定子和电机转子；所述电机定子包括环状分布的若干定子极以及绕制到所述定子极的定子绕组；所述电机转子通过转轴可转动地安装到电机定子；还包括本发明第二方面所述的分解器，分解器定子安装到电机定子，分解器转子安装到所述转轴。
在本发明的一个优选方案中，所述定子绕组为三相绕组，其中一相的相电流等于另外两相的相电流的和，但是方向相反。
在本发明的一个优选方案中，所述定子极的数量是所述分解器齿数量的3/4。
本发明的优选方案中，通过屏蔽组件降低或消除定子绕组对分解器绕组的干扰，并通过新的分解器绕组结构来提高分解器的精度。
通过阅读说明书，本领域普通技术人员将更好地了解这些技术方案的特征和内容。
附图说明
下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，以更清楚地描述本发明的优点和实现方式。在附图中：
图1为本发明一个实施例提供电动助力转向系统的示意图；
图2是图1所示电动助力转向系统使用的电机的示意图；
图3是图2所示电机的纵剖示意图；
图4显示了图2所示电机使用的转轴、分解器及其屏蔽组件；
图5是图4所示转轴、分解器及其屏蔽组件的俯视图；
图6是图3所示电机通电后电机定子端部绕组电流产生的磁场分布示意图；
图7是图4所示分解器的转子芯的平面示意图；
图8是图4所示分解器的分解器定子的绕组示意图；
图9是图2所示电机的电机定子、分解器定子的绕组示意图。
具体实施方式
参考图1，本发明一个实施例提供的电动助力转向系统20包括转动轴21(例如，可受方向盘驱动)、用于检测转动轴21受到的转向力的传感器22、基于传感器22的检测结果而计算所需助力的控制单元23、受控制单元23控制的电机30以及用于对电机30进行减速输出的减速齿轮箱24。
参考图2和图3，电机30包括电机定子和电机转子。电机定子包括筒状的一端开口的外壳31、安装到外壳31开口端的端盖32、安装到外壳31内壁的定子磁芯例如铁芯及其定子绕组35。具体地，定子磁芯包括环状轭部33、从环状轭部33向内伸出的若干定子极34、安装到定子极34的绝缘线架。定子绕组35绕制到绝缘线架，从而在定子极34上形成绕组。
电机转子包括转轴41、安装到转轴41的转子磁芯43等。电机定子的外壳31底部、端盖32安装有滚动轴承用于支撑转轴41，使电机转子能够相对于电机定子转动。本实施例中，电机30为无刷电机，转子磁芯43安装有永磁体。电机30通电后，定子绕组35形成磁场促使转子发生转动。
参考图3至图5，电机30还安装有分解器及其屏蔽组件61。分解器包括分解器定子51和分解器转子71。
分解器定子51安装到电机定子，分解器定子51包括分解器定子磁芯及其分解器绕组56，分解器定子磁芯包括环状轭部52、从环状轭部52向内伸出的若干分解器齿54。分解器绕组56通过绝缘线架形成于对应的分解器齿54。
分解器转子71包括转子芯72，转子芯72固定到电机转子的转轴41，从而可随着转轴41转动。转子芯72位于环状分布的分解器齿54围成的空间内。
屏蔽组件61固定到电机定子，包括环状部62，环状部62环绕在分解器齿54的外周，用于消除或减弱定子绕组35对分解器绕组56的磁干扰。本实施例中，环状部62为杯状，底部设有通孔供转轴41穿过，开口端设有外翻边64；外翻边64设有螺孔66供螺钉68穿过；屏蔽组件61通过螺钉68安装到电机定子。
分解器齿54及其分解器绕组56最好全部收容在环状部62形成的空间内，以尽可能地避免定子绕组35对分解器绕组56的磁干扰。
参考图6，电机定子的绕组35通电后端部绕组形成磁场，该磁场本来会传导到分解器，尤其是分解器定子51；但是，在导磁的屏蔽组件61的屏蔽作用下，定子绕组35对分解器绕组56的磁干扰被显著地消除或减弱。
本实施例中，分解器齿54围成的环部的外径小于或等于若干定子极34围成的环部的内径。
图7是转子芯72的沿轴向的俯视图，其中，圆形的虚线表示分解器齿54围成的环部的内径，被虚线包围的两条实线分别表示转子芯72的内径与外径。本实施例中，分解器齿54围成的环部的内半径大约为10毫米。
转子芯72的外半径不是恒定的，而是以一定的规律平滑地变化。具体地，外周面任意一点到转动轴线的距离R满足：
Figure BDA0000921963500000071
其中，
Figure BDA0000921963500000072
Figure BDA0000921963500000073
RS是所述若干分解器齿54围成的环的内半径，
Rmax是所述转子芯的最大外半径，也就是转子芯外周表到转动轴线的最大距离；
Rmin是所述转子芯的最小外半径，也就是转子芯外周表到转动轴线的最小距离；
θ是所述任意一点相对于起始线的转动角度，以图7所示的X轴作为起始线(0度位置)；
p是所述转子芯上的凸极对数。
图8显示了分解器定子的绕线结构。本实施例中，分解器定子具有16个分解器齿，在图8中使用S1至S16表示该16个分解器齿。图8中，第一行表示励磁绕组(Excite)，第二行表示第一输出绕组(Co-sin，也叫余弦输出绕组)，第三行表示第二输出绕组(Sin，也叫正弦输出绕组)。
如图8所示，第一输出绕组绕制于每一个分解器齿，每个分解器齿的第一输出绕组由绕线以第一匝数多层卷绕形成，例如，每个分解器齿的第一输出绕组为80匝。第二输出绕组绕制于每一个分解器齿，每个分解器齿的第二输出绕组由绕线以第二匝数多层卷绕形成，例如，每个分解器齿的第二输出绕组为80匝。励磁绕组，励磁绕组绕制于每一个分解器齿，每个分解器齿的励磁绕组由绕线以第三匝数多层卷绕形成，例如，每个分解器齿的第二输出绕组为30匝。
本发明不局限于本实施例采用的具体匝数。本发明可扩展为：第三匝数小于第一匝数，并且小于第二匝数；优选地，第一匝数等于第二匝数，且第一匝数等于第三匝数的2至3倍。
优选地，第一输出绕组由第一根绕线连续形成；第二输出绕组由第二根绕线连续形成；励磁绕组由第三根绕线连续形成。
本实施例中，分解器齿的数量是偶数(2n个，n为大于1的整数)。该2n个分解器齿分为n对分解器齿，例如齿S1和S2是一对，齿S3和S4是一对。每对分解器齿包括两个相邻的分解器齿例如齿S1和S2，该两个相邻的分解器齿的第一输出绕组具有相同的绕线方向；且相邻两对分解器齿，例如第一对齿S1与S2、第二对齿S3与S4的第一输出绕组具有相反的绕线方向。本发明所说的绕线方向，是指顺时针方向或逆时针方向。
每对分解器齿的两个分解器齿中，其中一个分解器齿例如齿S1上的第一输出绕组、第二输出绕组具有相同的绕线方向，另一个分解器齿例如齿S2上的第一输出绕组、第二输出绕组具有相反的绕线方向。
该2n个分解器齿中，对于任意三个相邻的分解器齿例如齿S1至S3，其中两个相邻的分解器齿例如齿S2和S3的第二绕组具有相同的绕线方向，剩下的一个分解器齿例如齿S1的第二绕组具有相反的绕线方向。
如图8所示，该2n个分解器齿中，任意相邻的两个分解器齿上的励磁绕组具有相反的绕线方向。例如，齿S1上的励磁绕组为顺时针卷绕，齿S2上的励磁绕组为逆时针卷绕。
图9显示了电机定子绕组与分解器绕组的关系。本实施例中，定子极34的数量是分解器齿54数量的3/4，即，电机定子具有12个定子极，分解器定子具有16个分解器齿。
图9中，第一行使用T1至T12表示电机定子的12个定子极，该12个定子极下方的A、B、C表示三相，A、B、C旁边的箭头表示该相绕组的线端的相电流方向。第二行使用T1至T16表示分解器定子的16个分解器齿。第三行表示励磁绕组的绕线方向(例如，+表示顺时针，-表示逆时针)，第四行表示第一输出绕组的绕线方向，第五行表示第二输出绕组的绕线方向。
定子绕组为三相绕组，分别用A、B、C表示三相。对于采用正弦波换向的永磁同步电动机，定子三相电流可以近似表示为：
A相的电流是iA＝I sin(ωt+θ)，
B相的电流是iB＝I sin(ωt+θ-2*π/3)，
C相的电流是iC＝I sin(ωt+θ-4*π/3)，
可见，iA＝-(iB+iC)。
上述公式中，为电机三相电流的角频率，单位为弧度/秒；t表示电流通电时间，θ表示A相电流的初始相位角，B相和C相分别滞后A相的相位为2*π/3，4*π/3。
以上参照附图说明了本发明的优选实施例，本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。以上仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (10)

1.一种分解器，包括分解器定子与分解器转子，所述分解器定子包括环状分布的若干分解器齿(54)以及绕制到所述分解器齿的分解器绕组(56)，所述分解器转子(71)包括可绕着一转动轴线转动的转子芯(72)，所述转子芯(72)位于所述若干分解器齿(54)围成的空间内；
其特征在于，所述分解器绕组(56)包括：
第一输出绕组，所述第一输出绕组绕制于每一个分解器齿(54)，每个分解器齿(54)的第一输出绕组由绕线以第一匝数多层卷绕形成；
第二输出绕组，所述第二输出绕组绕制于每一个分解器齿(54)，每个分解器齿(54)的第二输出绕组由绕线以第二匝数多层卷绕形成；
励磁绕组，所述励磁绕组绕制于每一个分解器齿(54)，每个分解器齿(54)的励磁绕组由绕线以第三匝数多层卷绕形成；
所述转子芯(72)为环状，外周面任意一点到转动轴线的距离R满足：
Figure FDA0002306981090000011
其中，
Figure FDA0002306981090000012
Figure FDA0002306981090000013
RS是所述若干分解器齿(54)围成的环的内半径，
Rmax是所述转子芯的最大外半径，
Rmin是所述转子芯的最小外半径，
θ是所述任意一点的角度；
p是所述转子芯上的凸极对数。
2.如权利要求1所述的分解器，其特征在于，所述第三匝数小于第一匝数，并且小于第二匝数。
3.如权利要求1所述的分解器，其特征在于，第一匝数等于第二匝数，且第一匝数等于第三匝数的2至3倍。
4.如权利要求1所述的分解器，其特征在于，所述第一输出绕组由第一根绕线连续形成；所述第二输出绕组由第二根绕线连续形成；所述励磁绕组由第三根绕线连续形成。
5.一种分解器，包括分解器定子与分解器转子，所述分解器定子包括环状分布的若干分解器齿(54)以及绕制到所述分解器齿的分解器绕组(56)，所述分解器转子(71)包括可绕着一转动轴线转动的转子芯(72)，所述转子芯(72)位于所述若干分解器齿(54)围成的空间内；
其特征在于，所述分解器绕组(56)包括：
第一输出绕组，所述第一输出绕组绕制于每一个分解器齿(54)，每个分解器齿(54)的第一输出绕组由绕线以第一匝数多层卷绕形成；
第二输出绕组，所述第二输出绕组绕制于每一个分解器齿(54)，每个分解器齿(54)的第二输出绕组由绕线以第二匝数多层卷绕形成；
励磁绕组，所述励磁绕组绕制于每一个分解器齿(54)，每个分解器齿(54)的励磁绕组由绕线以第三匝数多层卷绕形成；
所述分解器齿(54)的数量是2n个，n为大于1的整数；所述2n个分解器齿(54)分为n对分解器齿(54)，每对分解器齿(54)包括两个相邻的分解器齿(54)，所述两个相邻的分解器齿(54)的第一输出绕组具有相同的绕线方向；且相邻两对分解器齿(54)的第一输出绕组具有相反的绕线方向。
6.如权利要求5所述的分解器，其特征在于：
所述每对分解器齿(54)的两个分解器齿(54)中，其中一个分解器齿(54)上的第一输出绕组、第二输出绕组具有相同的绕线方向，另一个分解器齿(54)上的第一输出绕组、第二输出绕组具有相反的绕线方向；
所述2n个分解器齿(54)中，对于任意三个相邻的分解器齿(54)，其中两个相邻的分解器齿(54)的第二绕组具有相同的绕线方向，剩下的一个分解器齿(54)的第二绕组具有相反的绕线方向。
7.如权利要求5所述的分解器，其特征在于，所述2n个分解器齿(54)中，任意相邻的两个分解器齿(54)上的励磁绕组具有相反的绕线方向。
8.一种分解器，包括分解器定子与分解器转子，所述分解器定子包括环状分布的若干分解器齿(54)以及绕制到所述分解器齿的分解器绕组(56)，所述分解器转子(71)包括可绕着一转动轴线转动的转子芯(72)，所述转子芯(72)位于所述若干分解器齿(54)围成的空间内；其特征在于，所述转子芯为环状，外周面任意一点到转动轴线的距离R满足：
Figure FDA0002306981090000041
其中，
Figure FDA0002306981090000042
Figure FDA0002306981090000043
RS是所述若干分解器齿(54)围成的环的内半径，
Rmax是所述转子芯的最大外半径，
Rmin是所述转子芯的最小外半径，
θ是所述任意一点的角度；
p是所述转子芯上的凸极对数。
9.一种电机，包括电机定子和电机转子；所述电机定子包括环状分布的若干定子极(34)以及绕制到所述定子极的定子绕组(35)；所述电机转子通过转轴(41)可转动地安装到电机定子；其特征在于，还包括如权利要求1至8中任意一项所述的分解器，分解器定子安装到电机定子，分解器转子安装到所述转轴(41)，所述分解器还包括固定到所述电机定子的屏蔽组件(61)，所述屏蔽组件(61)包括环状部(62)，所述环状部(62)环绕若干分解器齿(54)，用于消除或减弱所述定子绕组(35)的电流对所述分解器绕组(56)的磁干扰。
10.如权利要求9所述的电机，其特征在于，所述定子极(34)的数量是所述分解器齿(54)数量的3/4。
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