CN110867989B - 内置永磁体马达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于减小内置永磁体马达中的扭矩波动的系统和方法，特别是一种内置永磁体马达包括：转子组件，其安置于定子组件内。转子组件被配置成相对于定子组件绕中心轴线旋转。转子组件限定在转子组件内沿着转子组件的径向外侧表面的多个磁体容座。每个磁体容座具有基本上矩形截面形状并且每个磁体容座被配置成便于将多个永磁体插入于磁体容座内并且将所述多个永磁体保持于磁体容座内。转子组件还包括安置于每个磁体容座中的多个永磁体区段。

Description

内置永磁体马达

技术领域

本发明涉及一种用于减小在内置永磁体(IPM)马达中的扭矩波动的系统和方法。

背景技术

无刷DC(BLDC)马达，诸如永磁体(PMBLDC或PMSM)马达提供优于有刷马达的许多优点，包括增加的扭矩密度，增加的可靠性和耐用性，和减小的电磁干扰（EMI）。因此，BLDC马达通常用于高性能工业应用，诸如在车辆中的电动助力转向系统中。电动助力转向系统很快变成了液压助力转向系统的理想的替代方案。在这样的系统中，电动马达经由齿轮机构连接到转向齿条。传感器可以用于测量各种参数诸如手轮扭矩和位置，并且控制系统可以使用来自传感器的信号，以及其它车辆操作参数来便于控制电动马达驱动器，且从而赋予车辆理想的转向特征。

虽然在诸如电动转向辅助系统这样的系统中使用电动马达提供许多优点，配置BLDC马达以产生可接受的输出特征集合并不是一件容易的事情。BLDC 马达包括固定到移动组件（即，转子组件）上的多个永磁体，移动组件在固定电枢（即，定子组件）内并且相对于固定电枢旋转。在转子组件的外侧，定子组件承载（host）马达绕组使得它们可以通过传导而不是通过对流而冷却，便于完全暴露马达组件以改进对于水、污垢和/或其它异物渗透的防护。内置永磁体（IPM）马达包括多个磁体块，磁体块嵌入于转子芯内以提供相对于马达有所改进的磁体保持，其中，磁体安装到转子芯的外表面上。

不幸的是，当安装于转子中或转子上的永磁体与定子的静态结构（例如，槽）相互作用时，可能经历各种周期性变化的现象诸如扭矩波动、振动和速度脉动。这些不利的特征通常与齿槽扭矩的量值和量值变化有关，齿槽扭矩也被称作定位/起动扭矩（detenttorque）或‘无电流’扭矩。由于齿槽扭矩由转子磁体与静态结构之间的相互作用造成，齿槽扭矩随着转子位置变化而改变。齿槽扭矩可以在低转子速度是非常显而易见的，造成马达输出的急动/颠簸（jerkiness）。因此，希望减小齿槽扭矩和增加在BLDC马达中的马达输出扭矩。

已使用各种技术试图减小扭矩波动并且增加马达输出扭矩。这些包括磁极成形、转子磁体或定子的线性斜极（linear skewing）、磁体的分段斜极、槽/极组合、磁体成形、和在定子齿中合并虚设缺口。然而，不幸的是，为了减小扭矩波动和增加IPM马达中的马达输出扭矩而做出的努力已实现了仅有限的成功，因为IPM马达通常包括相对较小的空气间隙和相对简单的矩形磁体形状。因此，可以对减小在IPM马达中的扭矩波动的可能性加以限制。

因此，希望具有用于减小IPM马达中的扭矩波动的改进的系统和方法。

发明内容

在本发明的一示例性实施例中，一种内置永磁体马达包括：转子组件，其安置于定子组件内。转子组件被配置成用于相对于定子组件绕中心轴线旋转。转子组件限定了在转子组件内沿着转子组件的径向外侧表面的多个磁体容座。每个磁体容座具有基本上矩形截面形状；并且每个磁体容座被配置成便于将多个永磁体插入于磁体容座内并且将多个永磁体保持于磁体容座内。转子组件还包括安置于每个磁体容座中的多个永磁体区段。

当结合附图理解时通过下文对本发明的详细描述，本发明的上述特点和优点和其它特点和优点显而易见。

附图说明

被认为是本发明的主题在说明书的结论中的权利要求中特别地指出且明确地主张。前文和优点和细节仅以举例说明的方式出现在以下实施例的详细描述中，结合附图来理解实施例的详细描述，在附图中：

图1为示出IPM马达的示例性实施例的截面的图；

图2为示出IPM马达的示例性实施例一部分的截面的图；

图3为示出IPM马达的示例性实施例一部分的截面的图；以及

图4示出了用于减小内置永磁体马达中的扭矩波动的示例性方法。

具体实施方式

以下描述的性质只是示例性的并且绝不意在限制本公开、其应用、或用途。出于清楚目的，相同的附图标记将用于附图中以指示类似元件。如本文所用的短语A、B和C中至少一个应被理解为表示逻辑（A或B或C），使用非排他逻辑或。应了解在方法中的步骤可以按不同的次序执行，而不更改本公开的原理。

现参考附图，其中将参考具体实施例来描述本发明，而不限制本发明，图1示出了IPM马达100的示例性实施例的截面，IPM马达100包括转子组件102，转子组件102安置成用于在定子组件104内并且相对于定子组件104旋转。图2示出了示例性转子组件102的截面图。如在图1和图2中示出，转子组件102被配置成绕中心轴线106旋转并且限定多个磁体容座108，磁体容座108在转子组件102内沿着转子组件102的径向外侧表面110分布。一组永磁体区段112安置于磁体容座108中每一个中。每组永磁体区段112包括第一磁体区段114和第二磁体区段116，其中每组永磁体区段112表示在转子组件102内的单个磁极。

如图1和图2所示，在示例性实施例中，多个（例如六个）磁体容座108沿着转子组件102的径向外侧表面110分布。磁体容座108中每一个具有基本上矩形截面形状，具有沿着转子组件102的弦124的一种磁体容座长度126。磁体容座108中每一个被配置成便于一组永磁体区段112插入于磁体容座108中每一个内，同时还提供这组永磁体区段112在磁体容座108中每一个内的可接受的保持和可靠定位。角度偏差154由每个磁体容座内相邻永磁体区段112的相对取向而限定。在示例性实施例中，如图2所示，在相邻磁体区段之间的角度偏差154大约为180度。换言之，根据此实施例，在每个磁体容座内的第一磁体区段114和第二磁体区段116彼此平行布置。

磁体容座108中每一个具有沿着转子组件102的弦124的一种磁体容座长度126，磁体容座长度126的大小使得磁体容座108中的每一个占据沿着转子组件102边缘的可用弦长的大约90%。其余10%的弦长提供空间用于将限定于相邻径向外侧的磁体容座拐角122之间的间距。磁体容座108中每一个沿着径向方向120的磁体宽度128为磁体容座108中每一个的磁体容座长度126的大约一半那样大。

磁体容座108的径向向外的磁体容座拐角122可以被成形（例如，在转子中形成三角形空气间隙）使得在相邻径向向外的磁体容座拐角122之间的间距近似为磁体容座长度126的八分之一或者磁体宽度128的四分之一。此外，每个磁体容座可以安置于离转子组件102的径向外侧表面110的一定容座插入距离156处使得容座插入距离156近似等于磁体宽度128的六分之一。

一组永磁体区段112定位于磁体容座108中每一个内以便限定区段间空气间隙152，区段间空气间隙152具有在第一磁体区段114与第二磁体区段116之间的空气间隙宽度118。在示例性实施例中，空气间隙宽度118基本上沿着转子组件102的径向方向120定向。空气间隙宽度118的磁体间隙宽度146近似等于磁体容座长度126的六分之一或者磁体宽度128的三分之一。

空气间隙可以仅部分地跨磁体容座108的径向宽度延伸使得空气间隙仅从中容座位置174朝向磁体容座的径向外侧边缘延伸。中容座位置174可以定位成远离磁体容座的径向向内边缘172大约与磁体容座拐角宽度176相同的距离。磁体容座108的径向向内拐角148嵌入于固体材料内为大约磁体区段宽度三分之一的磁体容座拐角宽度176，近似等于空气间隙宽度118或者近似为磁体容座长度126的六分之一的尺寸。磁体容座拐角宽度176、空气间隙宽度118的尺寸将磁体引导至容座内。

定子组件104包括多个缠绕柱130，每个缠绕柱130支承着线圈132。在缠绕柱130中每一个的径向向内端部134处设有定子齿138。每对相邻的定子齿138由槽开口136分离开。槽开口宽度140被选择为对于分段和链接的芯而言相当小以辅助减小扭矩波动。组合地，定子齿138限定定子组件104的内表面142，定子组件104的内表面142具有内表面半径144。在示例性实施例中，内表面142大体上为基本上圆柱形形状（即，其内表面半径144基本上恒定）并且基本上关于中心轴线106对称地定向。在一示例性实施例中，定子组件104的内表面142为圆形截面。

在另一示例性实施例中，定子齿138中每一个的内表面142限定多个平面定子齿表面158。在一种这样的实施例中，如图3所示，定子齿138中每一个的内表面142限定前平面定子齿表面160、中间平面定子齿表面162、和后平面定子齿表面164。在一示例性实施例中，前平面定子齿表面160的前弦长166基本上等于后平面定子齿表面164的后弦长170，并且中间平面定子齿表面162的中间弦长168近似等于前弦长166与后弦长170之和。

在如图4所示的示例性实施例中，定子组件104被分段使得定子组件104包括多个（例如，九个）定子区段。在这样的分段的定子组件104中，相邻的定子区段在区段界面线178处会合。还已发现区段界面线178的取向可以对扭矩波动和齿槽扭矩二者都具有显著影响。还已发现扭矩波动和齿槽扭矩二者的减小可以利用分段的定子组件104来实现，特别是在区段界面线178被布置成相对于从定子组件104的中心（即，从转子组件102的旋转轴线）延伸的径向方向120成角度的情况下。

在一示例性实施例中，区段界面线178可以相对于径向方向120旋转以减轻由于在转子组件102与定子组件104之间的相互作用而造成的特定波动分量。例如，在其中转子组件102具有六个极并且定子组件104具有九个槽的配置中，波动分量将为18阶，这将每20度旋转重复（即具有大约20度的周期性）。为了减轻在这样的转子/定子组合中的波动分量，可以有益地使区段界面线178相对于径向方向120以在大约5度与20度之间，优选地更接近约20度的量旋转。对于其它的转子/定子配置，相对于径向方向120的角度偏差（即，区段界面线178的旋转）量将取决于转子组件102的极数和在定子组件104上的槽数。例如，对于具有12个极的转子组件102和具有8个槽的定子组件104，预期的波动分量将为24阶，并且该配置将会预期具有大约15度的周期性。因此，根据示例性实施例，出于减轻波动分量的目的，有益地相对于径向方向120以在约5度与15度之间优选地更接近大约15度的量来旋转该区段界面线178。

根据本发明的示例性实施例，对扭矩波动和/或输出扭矩的调整可以通过调整在相邻径向向外的磁体容座拐角122之间的间距、磁体容座拐角宽度176、磁体容座长度126、磁体宽度128、槽开口宽度140和定子齿138的成形而实现。这些参数中的每一个可以被配置成以便减小扭矩波动并且增加马达输出扭矩。在附图中描绘的示例性配置利用六个矩形条磁极提供良好的电磁扭矩响应。

在公开的配置中，在相邻径向向外的磁体容座拐角122之间的间距、容座插入距离156、空气间隙宽度118、磁体容座拐角宽度176已被最佳地最小化以减小波动扭矩并且最大化马达平均扭矩。磁体容座设计，包括磁体容座拐角宽度176和空气间隙宽度118，考虑能引导磁体进入容座内并且因此改进磁体在磁体槽中的定位和保持的需要，帮助减小与磁体在容座内定位相关联的波动。背部容座轮廓可以被配置成便于塑性注射/注入并且也对输出扭矩具有影响。磁体尺寸被选择为使得组合的转子结构得到更低的扭矩波动但更高的平均扭矩。

槽开口宽度140可以被选择为产生最佳的波动扭矩。对于包括带二十七个槽的定子和带六个极的定子的马达而言，定子齿138的内弧与转子外弧同心。另一方面，定子的内弧可以被配置为用于包括带九个槽的定子和带六个极的转子的马达的平坦平面的组合。然而，在两种设计中，定子的径向内表面142可以相对于中心轴线是平坦的，凹入的或凸出形状。两种配置示出了更好的输出扭矩响应。在示例性实施例中，平均扭矩输出在额定电流的情况下增加4.5%增量，而波动扭矩在额定电流的情况下减小50%，并且磁体体积减小12%。

虽然仅关于有限的几个实施例详细地描述了本发明，但应易于了解本发明并不限于这些公开的实施例。而是，可修改本发明以合并之前未描述的任意多个变型、更改、替代或等效布置，但这些仍与本发明的精神和范围相符。此外，虽然描述了本发明的各种实施例，应了解本发明的方面可仅包括所描述实施例中的某些。因此，本发明不应被认为受到前文的描述限制。

Claims (9)

1.一种内置永磁体马达，包括：

转子组件，其安置于定子组件内；

所述转子组件配置成用于相对于所述定子组件绕中心轴线旋转；

所述转子组件在所述转子组件内沿着所述转子组件的径向外侧表面限定多个磁体容座，

每个磁体容座基本上具有矩形截面形状；

其中，每个磁体容座具有两个径向向外的磁体容座拐角，所述磁体容座拐角在所述转子组件中限定三角形空气间隙；以及

每个磁体容座配置成便于将多个永磁体插入于所述磁体容座内并且将所述多个永磁体保持于所述磁体容座内；

所述转子组件还包括安置于每个磁体容座中的多个永磁体区段；

其中，所述定子组件包括多个缠绕柱，每个缠绕柱在所述多个缠绕柱中每一个的径向向内的端部处具有定子齿，每个定子齿与相邻定子齿以槽开口分离开，并且其中，所述定子齿中每一个具有内表面，所述内表面由前平面定子齿表面、中间平面定子齿表面和后平面定子齿表面构成，其中所述中间平面定子齿表面的中间弦长近似等于所述前平面定子齿表面的前弦长与所述后平面定子齿表面的后弦长之和，

其中，所述定子组件包括多个定子区段使得相邻的定子区段在区段界面线处会合，所述区段界面线布置成相对于从所述定子组件的中心延伸的径向线成角度，角度偏差量取决于所述转子组件上的极数和所述定子组件上的槽数，

其中，安置于每个磁体容座中的所述多个永磁体区段布置成在相邻磁体区段之间限定区段间空气间隙，并且所述区段间空气间隙仅部分地跨所述磁体容座的径向宽度延伸，使得所述区段间空气间隙仅从中容座位置朝向所述磁体容座的径向向外边缘延伸，其中所述中容座位置定位成远离所述磁体容座的径向向内边缘大约与磁体容座拐角宽度相同的距离，并且其中所述磁体容座拐角宽度近似为所述多个永磁体区段中的每个的宽度的三分之一。

2.根据权利要求1所述的内置永磁体马达，其特征在于，安置于每个磁体容座中的所述多个永磁体包括第一磁体区段和第二磁体区段。

3.根据权利要求1所述的内置永磁体马达，其特征在于，安置于每个磁体容座中的所述多个永磁体区段形成单个磁极。

4.根据权利要求1所述的内置永磁体马达，其特征在于，安置于每个磁体容座中的所述多个永磁体区段的每个磁体与安置于所述磁体容座中的其它磁体中的每一个基本上平行地布置。

5.根据权利要求3所述的内置永磁体马达，其特征在于，每个磁体容座沿着径向方向的磁体容座宽度近似为每个磁体容座的磁体容座长度的一半大。

6.根据权利要求5所述的内置永磁体马达，其特征在于，每个径向向外的磁体容座拐角成形为使得介于相邻径向向外磁体容座拐角之间的间距近似为所述磁体容座长度的八分之一。

7.根据权利要求5所述的内置永磁体马达，其特征在于，每个磁体容座安置于与所述转子组件的径向外侧表面相距一定容座插入距离处；以及

其中所述容座插入距离近似等于所述磁体容座宽度的六分之一。

8.根据权利要求1所述的内置永磁体马达，其特征在于，所述区段间空气间隙基本上沿着所述转子组件的径向方向定向。

9.根据权利要求1所述的内置永磁体马达，其特征在于，所述区段界面线布置成相对于径向方向限定大约45度的角度。

Images