CN110048577B - 外转子型电机以及电动汽车 - Google Patents

Abstract

本发明提供转矩高且减小了齿槽转矩的外转子型电机和具备该电机的电动汽车。外转子型电机(100)包括：定子(10)，具备在环状的定子轭(11)的径向外侧呈放射状地具有多个齿(12)的定子铁芯和卷绕在齿(12)上的定子绕组(13)；转子(20)，具备多个磁铁(21)。在转子(20)的极数为P，齿(12)的齿数为N的情况下，2N/3P不是整数，齿(12)的周向表面宽度为齿的齿距的约1/2，在齿(12)的周向表面的端部设置有倒角部。另外，磁铁(21)的周向宽度为磁铁(21)的齿距的90～95％，磁铁(21)的外周面和内周面为圆弧状，磁铁(21)的内周面突出于定子(10)一侧，外周面的曲率比所述内周面的曲率大。

Description

外转子型电机以及电动汽车

技术领域

本发明涉及外转子型电机以及电动汽车。

背景技术

近年来，为了应对全球变暖、能源枯竭、大气污染等问题，电动汽车普及的动向日益高涨。目前为止的电动汽车以在车体上搭载驱动电机的车载型装置为主流，并提出了将驱动电机安装在车轮内的轮内电机的方案。这种轮内电机没有以前的因齿轮或驱动轴而造成的能量损失，可以期待提高驱动效率和续航距离。

作为轮内电机，提出了采用了永久磁铁转子的外转子型电机的方案，并期待减小与旋转相伴的齿槽转矩(cogging torque)。作为将外转子型电机中的齿槽转矩抑制得小的方法，例如专利文献1中示出了通过将永久磁铁(以下称为磁铁)的径向的厚度设为正弦波状，来减小因转子的磁铁与定子的齿(突极)的磁性吸引力而发生的齿槽转矩。

【在先技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】：日本特表平11-500897号公报

发明内容

(发明要解决的课题)

为了得到大的电机转矩，例如，有必要采用钕磁铁等的强力的磁铁，而为了得到规定形状的磁铁，有必要对烧结后的磁铁进行切断加工或研磨加工，来完成产品的尺寸。但是，将磁铁的径向的宽度加工成正弦波状是很困难的，从磁铁加工这一点来看，期望更简单的形状。另外，在专利文献1所示的电机中，使与磁铁的每一极相对置的定子的齿为2以上的整数个，因此与旋转相伴的齿槽转矩有变大的风险。另外，没有公开关于实现高转矩和低齿槽转矩的结构。

为了使齿槽转矩变小，可考虑使转子磁铁或定子磁极偏斜的方法，但会有导致输出转矩降低的问题。另外，伴随着偏斜，电机的构成部件的形状也会变得复杂而难以制造，会导致电机的构成部件的价格上升。

本发明是鉴于这些情况，将电机采用分数槽形式，在使磁铁的形状简化的同时，使定子的齿的关于齿距的宽度和磁铁的关于齿距的宽度分别为特定的关系，由此，其目的在于提供一种转矩高且齿槽转矩减少的外转子型电机，以及具备该外转子型电机的电动汽车。

(解决课题的措施)

为了解决上述课题，本发明的第一技术方案为一种外转子型电机，其包括：定子，包括在环状的定子轭的径向外侧呈放射状地具有多个齿的定子铁芯和卷绕在所述齿上的定子绕组；以及转子，其在环状的转子轭的内部面具有与所述齿隔着空隙相对置的多个永久磁铁，其中，各个所述永久磁铁在径向上磁化，所述转子的极数为P，所述齿数为N，2N/3P不是整数，所述齿的周向表面宽度为所述齿的齿距的约1/2，在所述齿的所述周向表面的端部设置有倒角部，所述永久磁铁的周向宽度为所述永久磁铁的齿距的90～95％，所述永久磁铁的外周面和内周面形成为圆弧状，所述永久磁铁的所述内周面突出于所述定子一侧，所述外周面的曲率比所述内周面的曲率大。

第二技术方案为在第一技术方案中，所述转子的极数为20，所述齿数为24。

第三技术方案为在第一或第二技术方案中，所述永久磁铁的周向的两个端面分别为平面，所述两个端面所成的角度比所述永久磁铁的所述外周面的中心角大，在所述转子轭的内周面上设置有与所述永久磁铁的所述周向的两个端面相抵接的突起部。

第四技术方案为一种电动汽车，在车轮的轮毂上设置有如第一到第三技术方案的任意一个所述的外转子型电机，所述车轮由所述外转子型电机直接驱动。

(发明的效果)

根据本发明，通过采用简单形状的磁铁，可提供一种转矩高且齿槽转矩小的外转子型电机，以及具有外转子型电机的电动汽车。

附图说明

图1是表示本发明所涉及的外转子型电机的定子和转子的剖视图。

图2是表示图1的局部扩大图。

图3是表示为了说明定子的齿的齿距与转子的磁铁的齿距的图。

图4是表示用于模拟的外转子型电机的基本型的定子与转子的图。

图5是表示在图4中所示的外转子型电机的基本型中，磁铁的周向宽度变化时的输出转矩的模拟结果的图。

图6是表示比较外转子型电机的基本型、改进型、实施例的输出转矩和齿槽转矩相比较的图。

图7是表示本发明的一个实施方式所涉及的外转子型电机作为电动汽车的轮内电机时的示意性的剖视图。

(附图标记的说明)

10…定子，11…定子轭，12…齿，13…定子绕组，14,15…定子安装部件，20…转子，21…磁铁，21a…内周面，21b…外周面，21c…端面，22…转子轭，23…突起部，24…转子壳体，24a…侧面部，24b…周缘部，30…轮毂轴，31…轴承，40…轴承支撑部件，50…转子位置检测传感器，100～102…外转子型电机，200…轮内电机

具体实施方式

以下，参照图对本发明的外转子型电机以及电动汽车的优选实施方式进行说明。在以下的说明中，不同的图中赋予相同的附图标记的结构为同样的部件，有时省略其说明。本发明并不限定于这些实施方式的示例，还包括专利的权利要求书所记载的事项的范围内以及等同的范围内的所有的变更。另外，多个实施方式可以组合，本发明包括任意的实施方式的组合的方案。

图1为表示本发明所涉及的外转子型电机的定子和转子的剖视图，图2为表示图1的局部扩大图。图3是表示为了说明定子的齿的齿距与转子的磁铁的齿距的图，表示了定子10的齿12的齿距θ1、定子10的周向表面宽度θ2、转子20的磁极齿距θ3、以及磁铁21的周向宽度θ4之间的关系。

本实施方式的外转子型电机100为具有定子10和转子20的三相的永久磁铁式的同步电机。定子10具有定子铁芯和固定绕组13，在所述定子铁芯中，在环状的定子轭11的径向外侧呈放射状形成有多个齿12，所述固定绕组13卷绕于所述定子铁芯的齿12。另外，转子20具有环状的转子轭22和固定在所述转子轭22的内周面上的多个磁铁21，定子10的齿12与磁铁21间隔着0.6～1.0mm的空隙。

为了减小齿槽转矩，外转子型电机100构成为分数槽电机，其中，当转子20的磁极数为磁极数P、定子10的齿12的数为齿数N时，2N/3P不是整数。在本实施方式中，具有20个磁铁21和24个齿12。一个磁铁21在径向上磁化而构成一个磁极，因此在本实施方式中，电机构成为转子20的磁极数P为20，定子的齿数N为24。齿槽转矩是在未通电的电机中引起转子的磁极与定子的齿之间的磁性吸引力的因素，磁极数P与齿数N的关系对齿槽转矩影响很大。在定子10的各个齿12上，以规定的连线方式卷绕着U、V、W相的三相的定子绕组13。为了减少涡流损失，定子铁芯由电磁钢板的层叠体构成。

定子10的齿12大致呈长方体状，图3所示的定子10的齿12的周向表面宽度θ2与可卷绕在齿12上的定子绕组13的量有关。也就是说，可以收纳于齿12与齿12之间的狭槽中的线圈边(coil-side)的量由齿12的周向表面宽度θ2确定。在齿12的周向表面宽度θ2小的情况下，定子绕组13的量可以增多，而在有大电流流过定子绕组13的情况下，会引起因齿12的磁饱和，而使输出转矩无法上升。另外，在齿12的周向表面宽度θ2大的情况下，定子绕组13的量变少，无法得到必要的磁动势。通过模拟可知，使齿12的周向表面宽度θ2为齿12的齿距θ1的大致1/2，可以得到最大的输出转矩。另外，将齿的周向表面宽度θ2关于齿12的齿距θ1之比控制在50％±5％的范围内，可以获得实用的范围内的转矩，而不会引起输出转矩的显著降低。在本发明中，大致1/2表示50％±5％的范围内。

在转子20的转子轭22的内周面上，形成有以规定的磁极齿距θ3形成的固定用的突起部23，在所述突起部23之间插入并固定有20个磁铁21。作为磁铁21，例如，采用了磁通量密度高、磁力大的钕磁铁层积体。在磁铁21的形状方面，如图2所示，具有与定子10的齿12相对置的内周面21a和与转子轭22相抵接的外周面21b，均为圆弧状，内周面21a向定子10一侧突出。由于磁铁21的外周面21b与转子轭22相抵接，故外周面21b的曲率与转子轭22的内周面的曲率相等。另外，外周面21b的曲率比内周面21a的曲率大，从确保磁铁21的中央部分的厚度与周向宽度θ4的观点出发，期望外周面21b的曲率为内周面21a的曲率的1.4～1.6倍。如此，本实施方式的磁铁21的内周面21a和外周面21b均为单纯的圆弧状，因此磁铁形状的加工变得容易。因此，可以降低磁铁的价格，可以降低外转子型电机的价格。

为了在转子轭22的内周面确定磁铁21的位置并固定，如图2所示，磁铁21的周向的端面21c分别被加工成平面状，两个端面21c的角度β(两个端面21c关于将两个端面21c延长的交点O所成的角度)比磁铁21的外周面21b的中心角α(外周面21b的两端关于电机的中心O的所成的角度)大。在转子轭22上设置有与磁铁21的周向的两个端面21c相抵接的突起部23。磁铁21可以从转子轭22的轴方向进行安装，即使发生了磁铁21的温度超过了居里温度而失去磁力的异常事态，也不会脱落于定子10一侧。此外，必要的是，实现确定磁铁21的周向的位置并固定的功能的突起部23的周向宽度为转子20的磁极齿距θ3的5％左右。

下面，对磁铁21的周向宽度与外转子型电机的输出转矩的关系的模拟结果进行说明。模拟使用了株式会社JSOL提供的电磁场分析软件JMAG。图4为模拟中采用的外转子型电机的基本型的定子和转子的图，图5为在图4表示的外转子型电机中，改变磁铁的周向宽度时的输出转矩的模拟结果的图。图4所示的外转子型电机101的转子的磁极数P为20，定子10的齿12的齿数N为24，磁铁21的形状为内周面和外周面形成于同心圆上。也就是说，磁铁21的径向的厚度是恒定的。另外，齿12的周向表面宽度θ2为齿12的齿距θ1的1/2。

图5的横轴表示磁铁21的外周面侧的周向宽度θ4与磁极齿距θ3之比(θ4/θ3)，纵轴表示外转子型电机101的输出转矩。如图5所示可见，输出转矩在磁铁21的周向宽度与磁极齿距之比在80％～92％之间单调地增加，超过92％则有减少的倾向。示出了在与磁极齿距之比在90％～95％的范围内，基本上可以获得最大的转矩(最大转矩的99.9％以上)。但是，为了获得外转子型电机101的最大转矩，磁铁21的周向宽度θ4为磁极齿距θ3的90～95％即可。另外，若磁铁21的周向宽度θ4为磁极齿距θ3的95％以下，则在本实施方式所涉及的外转子型电机100中，不会对于在转子轭22上设置确定磁铁21的位置并固定用的突起部23造成妨碍。另外，在考虑转子20的磁铁21的重量的情况下，若磁铁21的周向宽度θ4短则轻量且廉价，因此与磁极齿距之比为95％相比，更加优选为90％。

下面，关于外转子型电机101的齿槽转矩进行说明。关于电机的输出转矩与齿槽转矩的关系，对各种的情况进行了模拟。图6为外转子型电机的基本型、改进型、实施例的输出转矩与齿槽转矩相比较的图。

模拟中采用的基本型的外转子型电机101与图4说明的同样地，转子的磁极数P为20，定子10的齿数N为24，齿12的周向表面宽度θ2为齿12的齿距θ1的1/2。另外，磁铁21的周向宽度与磁极齿距之比(θ4/θ3)为90％。在这种情况下，基本型的外转子型电机101的输出转矩为667Nm，齿槽转矩为5.4Nm，图6中，输出转矩与齿槽转矩的大小分别被规格化为1.0而表示。

相比于基本型的外转子型电机101，图6的第2列所表示的改进型外转子型电机102在定子10的齿12的周向表面的端部设置有平滑曲线状的倒角部R。在改进型的外转子型电机102中，输出转矩与基本型相比为0.98，齿槽转矩降低到0.61。但是，在将改进型的外转子型电机102搭载到电动汽车上的情况下，在不向电机施加电流的情况下、也就是说惯性运转时所发生的齿槽转矩的值依然很大，期望能够更小。

图6的第3列作为实施例表示的外转子型电机100为本实施方式所涉及的外转子型电机100。实施例的外转子型电机100将改进型的外转子型电机102的磁铁21与内周面的形状设定于圆弧上，并向定子侧突出，外周面的曲率比内周面的曲率大。在实施例的外转子型电机100中，输出转矩与基本形相比为0.87，但齿槽转矩降低至约1/9的0.11。齿槽转矩的大小为0.6Nm，可减少至输出转矩的约1/1000。这样，在输出转矩的减少方面，与基本型相比为13％，但由于齿槽转矩可大幅减少，故适合电动汽车用的电机。另外，在本模拟中，磁铁21的周向宽度与磁极齿距之比设定为90％，但是在与磁极齿距之比设定为95％的情况下，可以得到和本模拟相同倾向的结果。

据上所述，本实施方式的外转子型电机100的磁铁21的周向宽度与磁极齿距之比增大为90～95％，并且，将磁铁21的内周面和外周面设定为简单的磁铁形状，因此可在维持高转矩的同时大幅地减少齿槽转矩。

下面，关于本发明的外转子型电机适用于电动汽车的情况进行说明。图7为本发明的一个实施方式所涉及的外转子型电机作为电动汽车的轮内电机时的示意性的剖视图。车辆的车轮和轮胎未图示，整体简化地表示。

轮内电机200内置在电动汽车的车轮的轮毂的内侧，与车轮同轴地配置。如图7所示，轮内电机200具有轮毂轴30，利用从车轮安装面突出的车轮安装用的轮毂螺栓将车轮(未图示)安装在轮毂轴30上。轮毂轴30经由轴承31而被支撑为相对于轴承支撑部件40可旋转。轴承支撑部件40利用螺栓固定在未图示的电动汽车的车体侧的底盘框架部件上。由此，轮内电机200被安装在未图示的车体一侧，轮毂轴30相对于车体可旋转。

在轮毂轴30上固定有转子壳体24。转子壳体24具有将轮内电机200的车轮安装侧的侧面覆盖的侧面部24b，以及从该侧面部24沿轴方向延伸的周缘部24a。在转子壳体24的周缘部24a的内周面上形成有槽，在槽的内部配置有如图1所示外转子型电机100的转子轭22。在转子轭22的内周面上呈环状地配置固定有多个磁铁21。

在磁铁21的内周面侧，隔着规定的空隙，如图1所示配置有外转子型电机100的定子铁芯。定子铁芯具有环状的定子轭11和从所述定子轭11呈放射状突出的多个齿12。齿12形成为大致长方体的形状。在定子铁芯的各个齿12上固定有卷绕了定子绕组13的绕线管(bobbin)。定子铁芯由定子安装部件14、15所夹持，固定于轴承支撑部件。

在轴承支撑部件40上设置有为了检测转子的旋转位置的、例如由旋转变压器(resolver)构成的转子位置检测传感器50。来自转子位置检测传感器50的转子位置信号被传送到未图示的电机驱动用的变换器的控制电路。变换器根据转子的位置，利用开关元件对直流电源进行开关，而变换为三相交流，并通过电流供给线、配线总线等向各个定子绕组13供给电流。据此，电动汽车的车轮就会以与轮内电机200的转子相同旋转速度、且齿槽转矩小的状态进行旋转。

Claims (3)

1.一种外转子型电机，其特征在于，包括：

定子，包括定子铁芯和定子绕组，所述定子铁芯在环状的定子轭的径向外侧呈放射状地具有多个齿，所述定子绕组卷绕在所述齿上；以及

转子，所述转子在环状的转子轭的内部面具有与所述齿隔着空隙相对置的多个永久磁铁，其中，

各个所述永久磁铁在径向上磁化；

在所述转子的极数为P，所述齿的齿数为N的情况下，2N/3P不是整数；

所述齿的周向表面的宽度为所述齿的齿距的约1/2，在所述齿的所述周向表面的端部设置有倒角部；

所述永久磁铁的周向宽度为所述永久磁铁的齿距的大于90％且95％以下，所述永久磁铁的外周面和内周面形成为圆弧状，所述永久磁铁的所述内周面突出于所述定子一侧，所述外周面的曲率比所述内周面的曲率大，

所述转子的极数为20，所述齿数为24。

2.根据权利要求1所述的外转子型电机，其特征在于，所述永久磁铁的周向的两个端面分别为平面，所述两个端面所成的角度比所述永久磁铁的所述外周面的中心角大；

在所述转子轭的内周面上设置有与所述永久磁铁的所述周向的两个端面相抵接的突起部。

3.一种电动汽车，其特征在于，在车轮的轮毂上设置有如权利要求1或2所述的外转子型电机，所述车轮由所述外转子型电机直接驱动。

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