CN109923760A - 优化的电机 - Google Patents

Abstract

用于驱动车辆的电机（10）包括：定子（14），该定子具有轴向伸展的、均匀地围绕着所述电机（10）的轴线伸展的定子槽（34），定子绕组（42）通过所述定子槽（34）来伸展；以及带有轴向伸展的极（16）的转子（12），所述转子在所述定子（14）的内部以能够围绕所述电机（10）的轴线旋转的方式得到支承，其中在所述转子（12）的每个极（16）中两个具有矩形的横截面的极磁体（20）相对于彼此V形地布置在轴向伸展的极开口（18）中。所述电机（10）相对于多个几何参数得到了优化，所述几何参数通过从所述几何参数中确定的优化参数的优化来得到了优化。

Description

优化的电机

技术领域

本发明涉及一种电机、像如电动马达或者发电机。

背景技术

在不能充电和能充电的混合动力车中使用永磁激励的同步机的做法得到广泛推广。对于被集成到电动机中的同步机来说，通常使用具有每个极两个V形地布置的磁体的转子。

这样的电机的优化要求相互矛盾的优化目标。对于电动机动性中的牵引驱动装置来说，要求高转矩密度或功率密度。与此同时，必须将成本、结构空间、损耗、转矩波动和噪声最小化。

例如，DE 10 2012 219 174 A1描述，对于具有孔数q=2的电机来说，如果磁开口角度处于76.2％与81.6％之间，则能够将转矩波动最小化。

EP 2 498 375 A1示出了一种具有在0.45和0.55之间的极覆盖系数的电机。

WO 2006 095 887 A1示出了一种具有转子的电机，所述转子具有带有中间隔片的极开口，并且其中存在处于127°el和140°el之间的极覆盖系数。

此外知道，对于被集成到电动机中的同步机来说使用具有单齿绕组的定子，所述单齿绕组具有孔数q=0.5。这种绕组方式通常将绕组头的长度最小化并且能够构造具有短轴向长度的同步机。然而，在q=0.5时，转子与定子之间的气隙中的电磁场包含大量的谐波。这导致转子损耗和磁体的温度的增加。对于被集成到电动机中的较长的机器来说，能够使用具有例如孔数q=2的全孔绕组，这实现了气隙中的具有较小的谐波份额的电磁场。而后在磁体中产生较少的涡流损耗，由此磁体的温度又较低得保持并且就这样能够使用成本更低的磁体种类。

发明内容

为了实现上述的优化目标，能够使用多目标优化。在此计算大量的设计变型方案并且能够识别电机的几何参数之间的最佳组合。

本发明的实施方式能够以有利的方式提供下述电机，对于所述电机来说诸如损耗、制造成本、效率，转矩波动和噪声的许多特性相对于彼此得到了优化。

关于本发明的实施方式的构想尤其能够被视为在下述构思和认识的基础上。

本发明涉及一种用于驱动车辆、比如客车、卡车、公共汽车等、特别是不能充电和能充电的混合动力车的电机。所述电机能够是永磁激励的同步机并且/或者能够是被集成到电动机中的同步机。例如，所述电机的转子能够直接被安装到电动机的驱动轴上。

根据本发明的一种实施方式，所述电机包括：定子，该定子具有轴向伸展的、均匀地围绕电机的轴线伸展的定子槽，定子绕组通过定子槽来伸展；以及带有轴向伸展的极的转子，所述转子在所述定子的内部以能够围绕电机的轴线旋转的方式得到支承，其中在所述转子的每个极中在轴向伸展的极开口中相对于彼此V形地布置有两个具有矩形的横截面的极磁体。

对于多目标优化来说已经表明，这样的电机的转子和/或定子的以下几何参数和/或结构大小实现大量优化目标或优化参数的优化，其中包括所期望的转矩或所期望的转速要求的满足、效率的最大化、噪声的最小化、成本的最小化、转矩波动的最小化以及短路电流或短路损耗的最小化。

所述电机相对于大量几何参数得到了优化，这些几何参数已经通过从所述几何参数中确定的优化参数或优化目标的优化而得到了优化。

根据本发明的一种实施方式，在转子中：两个极磁体的几何偏移角小于15°，其中，所述两个极磁体以所述几何偏移角相对于彼此V形地偏移；外部的极覆盖的电角度在115.7°el.与133.2°el.之间；并且内部的极覆盖的电角度在123.5°el.与142.9°el.之间。

所述两个极磁体的几何偏移角在此能够被视为下述角度，所述两个磁体相对于彼此扭转了所述角度，以用于一起形成一V。

所述电角度能够作为几何角度与转子的极的数目的两倍相乘来确定。

外部的极覆盖能够通过轴向的几何角度来确定，两个极磁体在极开口的径向上处于外面的一侧上覆盖了所述轴向的几何角度。例如，所述外部的极覆盖能够用所述极磁体的径向上外面的、沿着圆周方向处于外面的边缘之间的几何角度来确定。

所述内部的极覆盖能够通过轴向的几何角度来确定，两个极磁体在所述极开口的径向上处于里面的一侧上覆盖了所述轴向的几何角度。例如，所述内部的极覆盖能够通过所述极磁体的径向上里面的并且沿着圆周方向处于外面的边缘之间的轴向的几何角度来确定。

根据本发明的一种实施方式，在定子中：齿高与磁轭厚度之比在0.959与1.126之间；齿根处的齿宽与槽宽之比在1.23与1.35之间；齿顶处的齿宽与槽宽之比在1.03和1.14之间；并且齿根处的槽宽与齿顶处的槽宽之比在0.9和1.1之间。

不仅所述槽而且所述齿（无齿顶）都能够具有梯形的横截面。所述槽能够具有矩形的横截面，这对于插入式绕组中可能是有利的，因为所插入的导体通常具有矩形的横截面。

齿高是径向的高度或厚度，在该径向的高度或厚度上延伸着所述定子的具有齿或槽的环形部分。磁轭厚度是所述定子的、无齿和槽的环形部分（即磁轭）的剩余的径向的高度或厚度。齿根处于齿和磁轭之间的过渡处。齿顶是齿的端部，所述齿指向转子的方向并且所述齿也许能够构造为T形。齿宽和槽宽沿着圆周方向来确定，其中，所述齿宽在齿顶上没有T形的加厚部的情况下确定。

上述用于定子的参数结合上述参数实现特别是最佳的电机。但是，也能够像下面一样来考虑用于定子的其它参数组合。

根据本发明的一种实施方式，在定子中：齿高与磁轭厚度之比在1.395与1.6376之间；齿根处的齿宽与槽宽之比在1.33与1.47之间；齿顶处的齿宽与槽宽之比在1.06与1.19之间；并且齿根处的槽宽与齿顶处的槽宽之比在0.9与1.1之间。

根据本发明的一种实施方式，定子外直径在110与500mm之间。定子外直径从转子的旋转轴线到定子或其磁轭的外圆周来测量。

根据本发明的一种实施方式，所述电机具有大于等于1的孔数。电机的孔数能够除以定子中的槽的数目除以相的数目并且除以转子的极的数目来确定。例如，每极具有三个相和六个槽的电机具有孔数2。

对于大于等于1、像比如2的孔数来说，能够使用整数槽绕组，它尤其能够构造为插入式绕组。用插入式绕组，比如能够提高用于减少铜损耗的铜填充系数，并且能够实现绕组与定子之间的更好的热连接。此外，对于更高的件数来说，能够降低成本。

根据本发明的一种实施方式，定子的内直径与外直径之比在0.75与0.85之间、优选在0.80与0.85之间。定子内径从转子的旋转轴线到定子的内圆周或其齿来测量。

根据本发明的一种实施方式，定子与转子之间的气隙的宽度与定子的内直径之比在0.0025与0.0055之间。在定子和转子之间存在被称为气隙的环形区域。所述气隙的宽度沿着径向的方向来确定。

根据本发明的一种实施方式，极的两个极磁体之间沿着圆周方向的间距小于3.0mm。如果所述两个极磁体没有被极开口中的中间隔片彼此分开，那么该间距也能够更小、像例如小于1.5mm。

根据本发明的一种实施方式，所述极开口为V形并且/或者没有中间隔片。换句话说，用于极的极开口能够包括两个单个开口，这两个单个开口由中间隔片彼此分开。作为替代方案，所述极开口能够是V形的连续的开口。

无中间隔片的极开口能够降低转子中的漏磁通量并且由此提高效率或者转矩。此外，转子的沿着圆周方向的电感能够降低，这能够实现磁阻力矩的最大化。此外，能够在改进极磁体的工作点时改进其抗退磁性。

根据本发明的一种实施方式，在极开口与转子的外圆周之间的隔片的、在隔片的边缘处沿着圆周方向的径向的厚度与所述隔片的下述厚度之间的比例在0.7与1.2之间，极磁体以所述隔片的厚度开始与所述隔片相接触。所述隔片能够被理解为极开口与转子的外圆周之间的分隔壁。对于V形的极开口来说，这个隔片沿着径向的方向不一样厚。所述隔片也能够在极开口的、不包含极磁体的区域中构造得不一样厚，以用于提高转速稳定性。这里描述的比例涉及所述隔片的、在所述开口的边缘处的厚度与所述隔片的、在极磁体开始与隔片相接触的位置处的厚度。这个比例尤其实现最佳的转速稳定性。

附图说明

下面参照附图对本发明的实施方式进行描述，其中不仅附图而且说明书都不应该设计为对本发明的限制。

图1示出了根据本发明的一种实施方式的电机的部分横截面。

图2示出了图1的截取部分。

图3示出了图表，所述图表说明了图1和2的电机的优化。

附图仅仅是示意性并且不按比例。相同的附图标记在附图中表示相同的或者起相同作用的特征。

具体实施方式

图1示出了具有转子12的电机10的部分横截面，所述转子在定子14的内部以能够围绕着轴线旋转的方式得到支承。所述部分横截面在转子12的极16上延伸。所述极16的特征在于V形的极开口18，在所述极开口中接纳了两个极磁体20。所述两个极磁体20具有矩形的横截面并且相对于彼此V形地定向。

所述两个极磁体具有小于15°的几何偏移角wM。所述两个极磁体20的偏移角wM在此是下述角度，所述两个磁体分别相对于彼此扭转了所述角度，以用于一起形成一V。所述两个极磁体一起偏移了2*wM。

在图1中，还示出了径向上外部的极覆盖wA，径向上内部的极覆盖wI和开口覆盖范围wO，它们都能够表示为几何角度。

所述外部的极覆盖wA能够用极磁体20的径向上外部的、沿着圆周方向处于外面的边缘22之间的轴向的几何角度来确定。最佳地所述外部的极覆盖wA在123.5°el.与和142.9°el.之间。该角度在此以电度数（°el）来表明，这使得其与转子12的极16的数目无关。具体来讲，电角度w_el由几何或机械角度w_mech和极数p确定如下：

所述内部的极覆盖wI能够用所述极磁体20的径向上处于里面并且沿着圆周方向处于外面的边缘24之间的轴向的几何角度来确定。最佳地所述内部的极覆盖wI在115.7°el.与133.2°el.之间。

所述极磁体20之间沿着圆周方向的最小间距m最佳地小于3mm（即使存在中间隔片）。在图1中所示出的极开口18没有中间隔片。在这种情况下，所述极磁体20的间距m也能够小于1.5mm。

图2更精确地示出了图1的截取部分连同隔片28的参数，所述隔片将极开口18与布置在转子12和定子14之间的气隙26分开。示出了处于极开口18与转子12的外圆周之间的隔片28的、在所述隔片28或者极开口28的边缘处沿着圆周方向的径向的厚度hSA以及所述隔片28的下述径向的厚度hSI，极磁体元件20以所述隔片的径向的厚度开始与所述隔片28相接触。hSA/hSI的比例最佳地在0.7和1.2之间。

参考图1，所述定子在齿区域30中具有齿32，所述齿在其之间形成槽34。齿32由磁轭区域36来保持并且以其齿根38转变到磁轭区域36中。在与齿根38对置并且指向转子12的方向的齿顶40上，所述齿构造为T形，从而通过定子14产生对于槽34来说几乎闭合的开口。无齿顶40的齿32具有基本上梯形的横截面。槽34具有基本上梯形或矩形的横截面。

在槽34中布置有定子绕组42，所述定子绕组具有三个相44a、44b、44c。所述定子绕组42的导体对于插入式绕组来说能够被插到槽34中并且在其端部处已经彼此连接。

如图1中所示，六个槽34被分配给一个极16。对于所述电机来说，用三个相44a、44b、44c产生孔数q=2。所述电机最佳地具有大于等于1的孔数q。

在图1中绘入所述定子14的以下参数：

-齿高hz，也就是从定子14的内直径dSI到齿根38的径向的间距或者齿区域30的径向的高度或厚度，

-磁轭厚度hj，也就是从齿根38到定子14的外直径dSA的径向的间距或者磁轭区域36的径向的高度或厚度，

-齿根38处的、也就是径向上最外面的齿宽bZA，

-齿顶40处的、也就是径向上最里面的齿宽b，

-齿根38处的、也就是径向上最外面的槽宽bNA，以及

-齿顶40处的、也就是径向上最里面的槽宽bNI。

对于所述定子14来说，有两个备选的参数组，它们与用于转子12的上述参数一起是最佳的：

参数组I：

-齿高与磁轭厚度之比hz/hj：0.959-1.126

-齿根38处的齿宽38与槽宽之比bZA/bNA：1.23-1.35

-齿顶40处的齿宽与槽宽之比bZI/bNI：1.03-1.14

-齿根38处的与齿顶40处的槽宽之比hNA/hNI：0.9-1.1

参数组II：

-齿高与磁轭厚度之比hz/hj：1.395-1.6376

-齿根38处的齿宽与槽宽之比bZA/bNA：1.33-1.47

-齿顶40处的齿宽与槽宽之比bZI/bNI：1.06-1.19

-齿根38处的与齿顶40处的槽宽之比hNA/hNI：0.9-1.1

所述参数比如能够用在110mm与500mm之间的定子外直径dSA来实现。

所述定子的内直径dSI与外直径dSA之比dSI/dSA能够最佳地在0.75与0.85之间。

此外，已经产生了气隙d的厚度与定子14的内直径dSI的、处于0.0025与0.0055之间的最佳比例d/DSI。

图3示出了引起上述参数组合的多目标优化的结果。图3包含图表，在所述图表中每个图表示出了电机10的各两个目标值。重要的是，上述的几何参数定义了所述电机，而在多目标优化时则对受几何参数影响的优化参数进行优化。

因此，每个通过图表的两个优化参数来定义的多维点都能够被理解为电机的本身的设计。借助于递归优化算法以一个点为出发点，并且而后寻找另外的最佳点。所有通过所述算法来观察的点在图表中都作为加边的区域来绘入。

每个图表中的箭头都表示，关于在图表中所绘制的两个优化参数最佳的设计位于何处。但是，这个点对于相互矛盾的单个目标来说无法达到。只能求取所有优化目标的相对的最优值。阴影区域中的点代表着优化参数组，对于所述优化参数组来说所有优化参数尽可能最佳。然后从这些最佳的优化参数导出用于电机10的上述几何参数的间隔。

示出并且优化了以下优化参数：

-最大转矩T必须最大化。

-最大功率P必须最大化。

-短路电流I必须最小化。

-噪声水平G必须最小化。

-调性O必须最大化。

-周期效率Z必须最大化。

-材料成本K必须最小化。

-损耗V必须最小化。

-转矩纹波R必须最小化。

周期效率Z对于混合动力车和电动车非常重要，因为它对续驶里程有直接影响。

将所有所说明的参数标准化到预先给定的最大值上。

最后要指出，像“具有”、“包括”等等一样的概念不排除其它的元件或步骤，并且像“一个”一样的概念不排除多个。权利要求中的附图标记不应当视为限制。

Claims (10)

1.一种用于驱动车辆的电机（10），包括：

定子（14），所述定子具有轴向伸展的、均匀地围绕电机（10）的轴线伸展的定子槽（34），定子绕组（42）通过所述定子槽来伸展；

带有轴向伸展的极（16）的转子（12），所述转子在所述定子（14）的内部以能够围绕所述电机（10）的轴线旋转的方式得到支承，其中在所述转子（12）的每个极（16）中两个具有矩形的横截面的极磁体（20）相对于彼此V形地布置在轴向伸展的极开口（18）中，

其特征在于，

所述两个极磁体（20）的几何偏移角（wM）小于15°，所述两个极磁体（20）以所述几何偏移角V形地相对于彼此偏移；

外部的极覆盖（wA）的电角度在115.7°el.与133.2°el.之间；

内部的极覆盖（wI）的电角度在123.5°el.与142.9°el.之间；

其中，电角度作为几何角度乘以所述转子（12）的极（16）的数目的一半来确定；

其中，所述外部的极覆盖（wA）通过下述轴向的几何角度来确定，所述两个极磁体（20）在所述极开口（18）的径向上处于外面的一侧上覆盖所述轴向的几何角度；

其中，所述内部的极覆盖（w1）通过下述轴向的几何角度来确定，所述两个极磁体（20）在所述极开口（18）的径向上处于里面的一侧上覆盖所述轴向的几何角度。

2.根据权利要求1所述的电机（10），其中对于所述定子（14）来说：

齿高（hz）与磁轭厚度（hj）之比在0.959与1.126之间；

齿根（38）处的齿宽（bZA）与槽宽（bNA）之比在1.23与1.35之间；

齿顶（40）处的齿宽（bZI）与槽宽（bNI）之比在1.03与1.14之间；

齿根（38）处的槽宽（bNA）与齿顶（40）处的槽宽（bNI）之比在0.9与1.1之间。

3.根据权利要求1所述的电机（10），其中对于所述定子（14）来说：

齿高（hz）与磁轭厚度（hj）之比在1.395与1.6376之间；

齿根（38）处的齿宽（bZA）与槽宽（bNA）之比在1.33与1.47之间；

齿顶（40）处的齿宽（bZI）与槽宽（bNI）之比在1.06与1.19之间；

齿根（38）处的槽宽（bNA）与齿顶（40）处的槽宽（bNA）之比在0.9与1.1之间。

4.根据前述权利要求中任一项所述的电机（10），其中，所述定子外直径（dSA）在110与500mm之间。

5.根据前述权利要求中任一项所述的电机（10），其中，所述电机（10）具有大于等于1的孔数。

6.根据前述权利要求中任一项所述的电机（10），其中，所述定子（14）的内直径（dSI）与外直径（dSA）之比在0.75与0.85之间。

7.根据前述权利要求中任一项所述的电机（10），其中，所述定子（14）与所述转子（12）之间的气隙（26）的宽度（d）与所述定子（14）的内直径（dSI）之比在0.0025与0.0055之间。

8.根据前述权利要求中任一项所述的电机（10），其中，极（16）的两个极磁体（20）之间沿着圆周方向的间距（m）小于3.0mm。

9.根据前述权利要求中任一项所述的电机（10），其中，所述极开口（18）为V形并且没有中间隔片。

10.根据前述权利要求中任一项所述的电机（10），其中在极开口（18）与转子（12）的外圆周之间的隔片（28）的、在隔片的边缘处沿着圆周方向的径向的厚度（hSA）与所述隔片（28）的下述厚度（hSI）之比在0.7与1.2之间，极磁体（20）以所述隔片的厚度开始与所述隔片（28）相接触。