CN111987822A - 定子组件及马达 - Google Patents

Abstract

在定子组件中，每个定子芯包括多个突出部(41)和多个凹部(42)，所述多个突出部和多个凹部沿周向方向周期性地设置在外周上。突出部(41)在周向方向上抵接壳体(30)的内壁的至少一部分。凹部(42)在径向方向上小于突出部(41)并且相对于壳体(30)的内壁具有间隙。相邻的定子芯沿周向方向偏移预定的偏移角(θ)，使得由至少一个突出部(41)和至少一个凹部(42)形成的周期单元沿轴向方向交替出现。突出部(41)在与壳体(30)的内壁抵接的部分处的曲率半径(R1)小于外切圆的半径(R)。

Description

定子组件及马达

技术领域

本发明涉及定子组件及马达。

背景技术

在常规马达中，定子通过过盈配合、比如收缩配合而紧密地组装至筒形壳体的内壁。

例如，以下专利文献中公开的定子在外周的周向方向上交替地设置有接触区域和非接触区域。相应地，接触区域与壳体(密闭壳体)的内壁接触，而非接触区域不与壳体(密闭壳体)的内壁接触。因此，减轻了由压应力引起的磁性能劣化并且减少了铁损。

专利文献：JP 2008-193778A。

发明内容

在本说明书中，与上述专利文献中的接触区域相对应的区域被称为突出部。在上述专利文献中公开的常规结构中，壳体的外周应力增加，并且壳体可能破裂，该外周应力是在突出部接触的部分处沿壳体的径向方向产生的拉应力。

本发明是鉴于上述问题而产生的，并且本发明的目的是提供一种定子组件和包括这种定子组件的马达，该定子组件用于在周向方向上均衡由定子与壳体之间的过盈配合而引起的壳体的周向应力。

根据本发明的定子组件包括筒形的壳体和通过过盈配合而紧密地固定至壳体的内壁的定子。在该定子中，沿轴向方向堆叠有多个环形的定子芯，或者沿周向方向接合有轴向堆叠的芯的多个分离的定子芯块。

过盈配合包括压配合、收缩配合或冷配合。对于本领域技术人员来说，可以通过观察或分析成品定子组件来确定定子通过过盈配合被紧密地固定至壳体。因此，对上述构型的描述仅仅是通过指明定子组件的状态来具体说明结构，而不是通过制造方法来具体指定作为成品的定子组件。

在每个定子芯中，在外周的周向方向上周期性地设置有多个突出部和多个凹部，所述多个突出部的至少一部分在周向方向上与壳体的内壁抵接，所述多个凹部在径向方向上小于突出部。凹部与壳体的内壁具有间隙。

在多个定子芯中，相邻的定子芯堆叠并且周向偏移预定的偏移角，以使得周期单元沿轴向方向交替出现，每个周期单元由一个或更多个突出部和一个或更多个凹部形成。在这种情况下，无论要偏移的定子芯的轴向厚度如何，都可以对每个定子芯片进行偏移，或者可以对多个定子芯片的每个堆垛进行偏移。

在本发明中，多个突出部的抵接在壳体的内壁上的部分的曲率半径小于外切圆的半径。在突出部的曲率半径大于或等于外切圆的半径的情况下，突出部的周向端部比中心更强有力地抵靠壳体的内壁，并且突出部之间的壳体外周应力变得大于突出部的壳体外周应力。因此，通过将突出部的曲率半径设定为小于外切圆的半径，使得突出部之间的壳体外周应力与突出部的壳体外周应力相等，从而使壳体外周应力在周向方向上均匀化。

在特定的实施方式中，将一组周期单元中的突出部和凹部的总数即单元元件的数目设为“m”，并且将在360°范围内的周期单元的数目设为“N”。偏移角被计算为360×n/(m×N)[°]，其中“n”是除“m”以外的自然数。

此外，本发明的马达包括：上述定子组件；绕形成于定子芯上的多个磁极齿卷绕的线圈；以及转子，该转子以一定间隙设置在定子的径向内侧从而是能够旋转的。

附图说明

图1是应用了根据一个实施方式的定子组件的马达的轴向截面图；

图2是沿着图1的线II-II截取的定子组件的径向截面图；

图3是定子在通过过盈配合而紧密组装之前的局部放大图；

图4A和图4B分别是沿着图3的线VIA-VIA和线VIB-VIB截取的示意性横截面图；

图5是示出在定子通过过盈配合而紧密地组装至壳体的状态下的径向变形的示意性局部视图；

图6是示出壳体与定子之间的线性膨胀系数的差异的图；

图7是示出由过盈配合引起的磁极齿的周向变形的示意性局部视图；

图8是示出由过盈配合引起的磁极齿的径向变形的示意性局部视图；

图9是在突出部半径比R1/R为0.87、0.94和1.0的情况下，作用在突出部上以及作用在突出部(凹部)之间的壳体外周应力的分布图；

图10A和图10B是分别示出过盈余量与壳体外周应力之间的关系以及过盈余量与定子反作用力之间的关系的图；

图11A、图11B和图11C是分别示出在周期单元的数目N＝18且偏移角θ＝10°、N＝15且θ＝12°以及N＝12且θ＝15°的情况下突出部半径比与对比参数之间的关系的图；

图12A、图12B和图12C是分别示出在周期单元的数目N＝10且偏移角θ＝18°、N＝9且θ＝20°以及N＝8且θ＝22.5°的情况下突出部半径比与对比参数之间的关系的图；

图13A、图13B和图13C是分别示出在周期单元的数目N＝6且偏移角θ＝30°、N＝5且θ＝36°以及N＝4且θ＝45°的情况下突出部半径比与对比参数之间的关系的图；

图14A和图14B是分别示出在周期单元的数目N＝3且偏移角θ＝60°以及N＝2且θ＝90°的情况下突出部半径比与对比参数之间的关系的图；

图15是示出突出部半径比的最佳值、初级适当范围和二级适当范围的图；

图16是根据另一实施方式的定子芯的局部视图；

图17A、图17B和图17C分别是沿着图16的线XVIIA-XVIIA、XVIIB-XVIIB和XVIIC-XVIIC截取的示意性截面图；以及

图18是示出单元元件的数目、周期单元的数目和偏移角之间的关系的图表。

具体实施方式

(实施方式)

在下文中，将参照附图描述定子组件和使用该定子组件的马达的一个实施方式。该实施方式的马达例如被用作电动助力转向装置的转向辅助转矩马达。

首先，将参照示出了轴向截面图的图1描述马达80的整体构型。图1中所示的马达80构造为机电一体式马达，其中，在一个轴向侧上一体地设置有ECU(电子控制单元)10。然而，在其他实施方式中，ECU 10不需要一体地设置，而是可以与马达80分离地设置。图1的下侧中示出的马达80的输出轴侧被称为前侧，并且图1中的上侧中示出的盖14侧被称为后侧。马达80的旋转轴线被称为轴线O。

马达80是多相无刷马达，并且马达80包括筒形的壳体30、定子40、转子60等作为主要的结构部件。定子40通过过盈配合而紧密地固定至筒形壳体30的内壁。过盈配合除收缩配合外还包括压配合和冷配合。在下面的描述中，主要设想的是收缩配合。在本实施方式中，下述子组件被称为定子组件50：在该子组件中，定子40在制造阶段紧密地配装至壳体30。

在一个实施方式中，筒形壳体30由铝合金制成，具体地，筒形壳体30由ADC12制成，ADC12是用于压铸的合金。ADC12的0.2％屈服强度约为150[MPa]，与普通金属相比，该屈服强度相对较低。如以下所详细描述的，在将具有相对较低机械强度的金属用作壳体30的材料的定子组件50中，本实施方式的技术意义是有效的。

壳体30具有带底的筒形形状，其包括筒形部分32和底部部分34。筒形部分32的内壁33形成为使得其内径从开放侧到封闭侧依次逐渐减小。靠近轴向端部表面31的散热器接纳台阶331接纳散热器20的主体21的凸缘211。散热器20的固定部分外壁28固定至散热器固定部分332。定子40的外壁44通过过盈配合而固定至定子固定部分334。定子接纳台阶335接纳定子40的前端部表面的外边缘。

在壳体30的底部部分34处设置有保持前轴承61的外圈的前轴承壳体部35。前轴承61在旋转轴63的沿轴向方向的前侧部处以可旋转的方式支承旋转轴63。在前侧且在筒形部分32外侧设置有安装支撑部37。

散热器20设置在与壳体30的底部部分34相反的一侧上的开口中且设置成面对定子40和转子60的后侧端部表面。散热器20具有主体21，该主体21为厚板形状的本体并且具有在径向中央部分处形成的轴孔25、用于保持后轴承62的外圈的后轴承壳体23等。后轴承62在沿轴向方向的后侧部上以可旋转的方式支承轴63。

在本实施方式中，定子40由铁合金制成，具体地，由电磁钢板制成。定子40通过使形成为呈环形形状、即沿周向方向一体地形成为环的多个定子芯沿轴向方向堆叠而形成。应当注意的是，如稍后在其他实施方式中所述，代替沿轴向方向堆叠环形定子芯，也可以通过将沿周向方向分隔开的多个定子芯堆垛沿周向方向接合来形成定子。围绕定子40卷绕有在通电时形成磁场的线圈55。

转子60经由相对于定子40的间隙而以可旋转的方式设置在定子40的径向内侧。类似于定子40，图1的示例中的转子60通过使多个薄板形状的转子芯沿轴向方向堆叠而构成。转子60沿着外周具有多个永磁体(未示出)，并且借助于通过使线圈55通电而在定子40中产生的旋转磁场，转子60与轴63一起旋转。

固定至转子60的中心的轴63由前轴承61和后轴承62以可旋转的方式支承，该前轴承61由底部部分34保持，该后轴承62由散热器20保持。在轴63的前端部处设置有传递旋转的接合构件67。在轴63的后端部处设置有传感器磁体68，以用于检测转子60的旋转角度。

ECU 10包括固定至散热器20的基板15和安装在基板15上的各种电子部件。电子部件由于电流供应而产生的热量释放到散热器20。盖14安装成使得其端部表面与散热器20的凸缘211接触。

接下来，将参照图2至图4B描述定子组件50的详细构型。图2示出了在定子40已经过盈配合至壳体30中之后的定子组件50，并且图3、图4A和图4B示出了过盈配合之前的定子40。如上所述，定子40通过沿马达80的轴向方向堆叠多个定子芯400而构造成。在示出了图2和图3中所示的定子40的横截面的图4A和图4B中，定子芯400在横截面中从堆垛的顶层到底层依次被称为第一定子芯401、第二定子芯402、第三定子芯403等。在图4A和图4B中，作为用于解释的一个示例，示出了六个定子芯401至406，六个定子芯401至406堆叠成具有第一层至第六层的定子芯。

在图2和图3中，第一定子芯401由实线表示，并且第二定子芯402无论其在截面图中是否被隐藏均由虚线表示。这同样适用于之后的附图。由于定子芯401、402等中的每个定子芯的构型大致相同，因此将描述一个定子芯401的构型以作为代表性的定子芯。在定子芯401中，沿环形后轭部45的外周的周向方向周期性且交替地设置有多个突出部41和多个凹部42。也就是说，沿周向方向周期性地设置有多组突出部41和凹部42。

在对径向构型的描述中，图1中的马达旋转轴线O被称为定子中心O。突出部41相对于以定子中心O为起点穿过突出部41在周向方向上的中心的虚拟直线对称。该假想的直线被称为突出部的对称轴线。凹部42也相对于定子中心O以与突出部41相似的方式对称地布置。在突出部41和凹部42处抵接或面对壳体30的内壁的径向靠外的弯曲部被称为外边缘线。突出部41的外边缘线具有弧形形状，其曲率半径R1的中心位于对称轴线Sy1上。连接突出部41的外边缘线的周向中心、以定子中心O为中心的假想圆对应于突出部41的外切圆。突出部41的外切圆的半径为R，并且直径为为D1(＝2R)。

每个突出部41在周向方向上至少部分地接触壳体30的内壁。在本实施方式中，与壳体30的内壁接触的部分的曲率半径R1小于突出部41的外切圆的半径R。因此，周向方向上的中心部分作为周向方向上的至少一部分而抵接壳体30的内壁。凹部42在径向方向上比突出部41小，并且在凹部42与壳体30的内壁之间具有间隙。

如图2和图3中所示，第一定子芯401和第二定子芯402堆叠成使得突出部41和凹部42沿周向方向交替并且使得突出部41的对称轴线Sy1与凹部42的对称轴线Sy2彼此重合。第三定子芯及其他奇数定子芯与第一定子芯401同相设置，并且第四定子芯及其他偶数定子芯与第二定子芯402同相设置。此处，沿轴向方向即堆叠方向堆叠的相邻层的定子芯之间的相位差被称为预定偏移角θ。

如上所述，在根据本实施方式的定子40中，一个突出部41和一个凹部42以突出部-凹部-突出部-凹部等等的顺序周期性且交替地布置。在这种情况下，彼此相邻的一个突出部41和一个凹部42的组合被称为周期单元。如图4A和图4B中所示，当沿轴向横截面观察时，定子芯401至定子芯406堆叠成使得沿轴向方向交替地出现一个突出部41和一个凹部42，并且在轴向方向上彼此相邻的定子芯在周向方向上偏移预定偏移角θ。

例如，在图4A的横截面中，出现了第一、第三和第五层中的奇数定子芯401、403和405的突出部41，并且出现了第二、第四和第六层的偶数定子芯402、404和406的凹部42。在图4B的横截面中，出现了第一、第三和第五层的奇数定子芯401、403和405的凹部42，并且出现了第二、第四和第六层的偶数定子芯402、404和406的突出部41。突出部41的外切圆的直径D1(＝2R)大于壳体30的内径Dh，并且D1-Dh的差值是用于过盈配合的过盈余量。每一个突出部41在沿径向方向的一侧上的压缩量相当于过盈余量的一半，即，二分之一过盈。

在本实施方式中，单元元件的数目——即一个周期单元中的突出部41和凹部42的总数目——设为“m”，并且360°范围内的周期单元的数目设为“N”。偏移角被计算为360×n/(m×N)[°]，其中“n”是除“m”以外的自然数。在图2和图3中所示的构型中，单元元件的数目“m”为2，周期单元的数目“N”为6。假设“n”为1，则偏移角θ为30°。尽管在本实施方式中假设“n”为1，但是可以假设“n”是1之外的其他数。例如，在假设“n”为3的情况下，偏移角θ为90°。

例如，在三相马达的情况下，周期单元的数目“N”是3的倍数，以确保三相对称。此外，在马达具有两组三相绕组的情况下，周期单元的数目“N”是6的倍数。在采用一个突出部41和一个凹部42的最简单的组合作为周期单元的情况下，单元元件的数目“m”为2。图2和图3中所示的构型基于这样的假设。然而，本发明不限于此，并且单元元件的数目“m”和周期单元的数目“N”可以根据交流相的数目、绕组的组数等适当地任意设置。

接下来，将描述定子40的内部构型。定子芯401形成为具有沿周向方向等角度排列并从环形后轭部45径向向内突出的多个磁极齿47。线圈55绕磁极齿47卷绕。例如可以采用使用分段导体(segment c°nduct°r)的SC绕组作为线圈55的卷绕方法。在相邻的磁极齿47之间形成有槽48。另外，转子60经由间隙以可旋转的方式设置在磁极齿47的梢端部的径向内侧。在图2中，线圈55和转子60分别由虚线和双点划线表示。

在图2和图3的示例中，形成有与突出部41和凹部42的总数目相同数目(在该示例中为12个)的磁极齿47。替代性地，可以为每个突出部41和每个凹部42设置多个磁极齿47。稍后将参照图5描述设置在后轭部45中相邻的突出部41与凹部42之间的边界处的接合部46。

接下来，将参照图5描述在过盈配合时引起的定子40的变形。在图5中，实线框箭头表示第一定子芯401的变形，并且虚线框箭头表示第二定子芯402的变形。在本实施方式中，突出部41在周向方向上的中心部分的曲率半径R1被设定为小于外切圆的半径R，该中心部分与壳体30的内壁接触。因此，后轭部45可能容易由于过盈配合而变形。也就是说，可能突出部41沿径向向内的方向变形而凹部42沿相反方向即径向向外的方向变形。

如上所述，在本实施方式中，具有相同形状的相邻定子芯以周向方向上的预定偏移角θ沿轴向方向堆叠，使得周期单元的突出部41和凹部42沿轴向方向交替出现，并且此外突出部41的外周的曲率半径R1小于突出部41的外切圆的半径R。通过这种构型，突出部41和凹部42在径向方向上沿彼此相反的方向变形，从而实现使过盈配合的外周应力在周向方向上均匀、即大致均等的效果。

多个堆叠的定子芯401、402等通过比如压接或焊接的固定方法沿轴向方向在接合部46处接合在一起。优选地，每个定子芯401、402等的接合部46设置在突出部41与凹部42之间的边界处，在该处，后轭45中的变形量被认为是最小的。即，接合部46相对于后轭部45中从各突出部41的周向中心偏移了偏移角θ的一半的位置以每个偏移角θ(在本示例中为30°)布置。具体地，接合部46位于下述位置处：其中，齿47从该位置径向向内突出，并且该位置在周向方向上紧邻突出部41的外侧且在周向方向上紧邻凹部42的端部的外侧。

如果接合部46布置在另一位置处，则定子40的变形受到限制，并且本实施方式利用突出部41的变形来均衡壳体的外周应力的效果趋于减小。因此，通过将接合部46布置在上述位置处，可以有效地发挥本实施方式的效果。

接下来，将参照图6描述收缩配合中的温度、定子40的外径和壳体30的内径之间的关系。在本实施方式中，作为壳体30的材料的ADC12的线膨胀系数约为21×10^-6，并且作为定子40的材料的磁性钢板的线性膨胀系数约为13×10^-6。也就是说，壳体30的材料和定子40的材料具有不同的线性膨胀系数。具体地，壳体30的材料的线性膨胀系数大于定子40的材料的线性膨胀系数。

在图6中，水平轴线表示温度，并且竖向轴线表示每个构件、即壳体30和定子40的直径。转换温度Tx是高于实际使用范围的上限的温度。超过转换温度Tx的温度范围被标识为温度范围<1>，并且低于转换温度Tx的温度范围被标识为温度范围<2>。在温度范围<2>中，壳体内径Dh的虚线和定子40的突出部的外径D1(＝2R)的双点划线表示单独构件的虚拟直径。实线表示在收缩配合状态下的直径尺寸。在温度范围<2>中，随着温度升高，壳体30与定子40之间的过盈程度变得相对较小。

将从高温侧范围开始按顺序进行描述。在温度范围<1>中，壳体30不与突出部41接触。在温度范围<2>中，壳体30与突出部41抵接。随着温度降低，突出部41沿径向向内方向变形。此时，壳体30的内径也增大。因此，在过盈配合状态下的直径(实线)介于单独的壳体30的内径(虚线)与单独的定子40的突出部41的外径(双点划线)之间。

在另一个实施方式中，壳体30的材料的线性膨胀系数可以小于定子40的材料的线性膨胀系数，并且壳体30可以通过例如冷配合而紧密地配装。在这种情况下，壳体30和定子40之间的尺寸关系与图6中所示的尺寸关系相反，并且转换温度Tx设定为低于实际使用范围的下限的温度。

接下来，参照图7和图8，将描述形成在定子芯中的多个磁极齿47的位置。在图7和图8中，未示出接合部46。当定子40通过过盈紧密地配装时，环形后轭部45变形，并且从后轭部45径向向内突出的磁极齿47也变形。实线表示磁极齿47在定子40紧密地配装至壳体30之前的状态下的位置，并且双点划线表示在紧密配装之后的位置。

如图7中所示，在磁极齿47设置在突出部41与凹部42之间的边界处的构型中，相对于突出部41的周向方向上的中心位于两侧上的磁极齿47之间的角度间隔——即槽48在周向方向上的周向宽度——增大。也就是说，由实线示出的突出部47如双点划线所示的那样改变其位置。因此，在分布式绕组构型、特别是SC绕组构型的情况下，线圈55可能由于振动等而松弛。另一方面，相对于凹部42在周向方向上的中心位于两侧上的磁极齿47之间的间隔——即槽48的周向宽度——通过过盈配合而减小。因此，在分布式绕组构型的情况下，特别是在SC绕组构型中，载荷可能会施加至线圈55。

因此，在过盈配合之前的状态下，多个磁极齿47优选形成在沿与由过盈配合引起的周向变形的方向相反的方向从过盈配合之后要达到的目标周向位置偏移的周向位置处。具体地，在定子芯40中，两个相邻的磁极齿47设置在突出部41与凹部42之间的边界处，即，设置在突出部41的夹置有突出部41的两个周向端部处，并且形成为沿周向方向向内倾斜。此外，设置在凹部42的夹置有凹部42而非夹置有突出部41的两个周向端部处的两个相邻的磁极齿47被形成为沿周向方向向外倾斜。也就是说，在过盈配合至壳体30中之前的单独的定子芯中，夹置有突出部41的磁极齿47的梢端端部之间的周向距离比夹置有凹部42的磁极齿47的梢端端部之间的周向距离短。因此，由于在过盈配合之前的单独的定子芯40中，磁极齿47形成在由实线表示的位置处，所以在由过盈配合引起的变形之后，磁极齿47移动至由双点划线表示的目标位置。可以调整磁极齿47的位置偏移量，以使过盈配合后的槽48的周向宽度变成适当的值。由此，可以防止载荷被施加至线圈55并且防止线圈55的松弛。另外，因此可以通过观察处于从壳体30拆卸的状态下的定子40来检查产品。

如图8中所示，在磁极齿47设置在突出部41与凹部42的周向方向上的中心处的构型中，尽管周向方向上的变形减小，但是径向方向上的变形增大。设置在突出部41的周向方向上的中心处的磁极齿47通过过盈配合如双点划线所示的那样径向向内变形，并且设置在凹部42的周向方向上的中心处的磁极齿47如双点划线所示的那样径向向外变形。特别地，当沿径向向内的方向变形时，磁极齿47的梢端与转子60之间的间隙变窄，并且磁极齿47与转子60之间接触的风险增大。

因此，在过盈配合之前的状态下，磁极齿47优选形成在沿与由过盈配合引起的径向变形的方向相反的方向从过盈配合之后要达到的目标径向位置偏移的径向位置处。具体地，在过盈配合到壳体30中之前的单独的定子芯中，相比于从凹部42的周向中心径向向内突出的磁极齿47，从突出部41的周向中心径向向内突出的磁极齿47从后轭部45的内周壁起沿径向方向的长度较短。因此，由于在过盈配合之前的单独的定子芯中，磁极齿47形成由实线表示的位置处，所以在由过盈配合引起的变形之后，磁极齿47移动至由双点划线表示的目标位置。由此，可以避免磁极齿47与转子60之间接触的风险。与周向位置相似，可以通过观察处于从壳体30拆卸的状态下的定子40来检查产品。

接下来，将描述突出部41的曲率半径R1的优化。在此，突出部41的抵接在壳体30上的部分的曲率半径R1相对于突出部41的外切圆的半径R的比被定义为突出部半径比R1/R。在下文中，将突出部41的抵接在壳体30上的部分的曲率半径R1简称为突出部41的曲率半径R1。作为本实施方式的前提，突出部41的曲率半径R1设定为小于外切圆的半径R，即R1<R(＝R1/R<1)。很明显，只要曲率半径R1存在，则R1/R>0。

此处，评估了在0＜R1/R＜1的范围内突出部半径比R1/R的值对过盈配合的质量的影响。作为过盈配合的质量的指标，应当注意当定子40过盈配合至壳体30时作用在壳体30上的壳体外周应力，以及从定子40施加至壳体30的定子反作用力。

图9示出了在过盈配合时作用在突出部41和介于突出部41之间的突出部间隔上的外周应力的分布。突出部间隔是第一突出部41与第二突出部41之间的间隔，并且对应于从图3中的对称轴线Sy1偏移θ/2角度(即15°)的位置。分别地，当图中的阴影线较密集(区域较深)时壳体外周应力较高，并且当阴影线较不密集(区域较浅)时壳体外周应力较高。在下文中，在不使用附图标记的情况下提及突出部41和凹部42。

在图9中，示出了关于三种示例性情况的壳体外周应力分布。在每种情况下，定子40具有87[mm]的外径，即外切圆的半径R为43.5[mm]。但是，在顶部、中间和底部的示例性情况中，突出部41的曲率半径R1分别为38.0、41.0和43.5[mm]。此外，在顶部、中间和底部的示例性情况中，突出部半径比R1/R分别为0.87、0.94和1.0。

如顶部示例性情况中所示，其中，突出部半径比R1/R是相对较小的0.87，突出部处的壳体外周应力较大。相反，如在底部示例性情况中所示，其中，突出部半径比R1/R是相对较大的1.0，在突出部间隔处的壳体外周应力较大。如中间示例性情况中所示，其中，突出部半径比R1/R约为0.94，突出部处的壳体外周应力与突出部间隔处的壳体外周应力之间的差减小，并且外周应力在周向方向上更加均衡。突出部半径比R1/R的设定的详细内容将在后面参照图11至图15描述。

图10A示出了过盈余量(紧固余量)与壳体外周应力σh之间的关系，并且图10B示出了过盈余量与定子反作用力Fs之间的关系。此处，如图4A中所示，过盈余量定义为突出部41的外切圆的直径D1(＝2R)与壳体30的内径Dh之间的差。位于一侧的突出部41沿径向方向的压缩量对应于过盈余量的一半。

图10A示出了本实施方式的示例性情况，其中，突出部半径比R1/R为0.91、0.94和1.0。图10B示出了对比示例的示例性情况，其中，定子芯形成为在外周上没有突出部的正圆形(正圆形芯)。水平轴线示出了处于被认为是公知技术知识的范围内的过盈余量的数值示例。对于竖向轴线上的壳体外周应力σh和定子反作用力Fs，未表示出特定的数值。

在图10A中由壳体外周应力σh的上限确定过盈余量的上限，以防止壳体破裂。在本实施方式中，由于作为壳体材料的ADC12的0.2％屈服应力为150[MPa]，因此将考虑到附加于150[MPa]的安全系数的值设定为壳体外周应力σh的上限。在正圆形芯且突出部半径比R1/R为1.0的情况下，过盈余量的上限约为0.2[mm]。过盈余量的上限随着突出部半径比R1/R的减小而增加，并且当突出部半径比R1/R为0.91时过盈余量的上限大约为0.7[mm]。

在图10B中由定子反作用力Fs的下限确定过盈余量的下限，以满足紧固力(或紧固强度)。紧固力对应于通过径向定子反作用力Fs乘以摩擦系数而确定的值。例如，定子反作用力Fs设定为能够承受冲击载荷的值。对于正圆形芯且突出部半径比R1/R＝1.0，过盈余量的下限约为0.03[mm]，对于突出部半径比R1/R＝0.91[mm]，过盈余量的下限约为0.09[mm]。

根据该结果，作为上限与下限之间的差的过盈余量范围相对于在正圆形芯且突出部半径比R1/R＝1.0的情况下的约0.17[mm]在突出部半径比R1/R＝0.91的情况下增大至约0.61[mm]。这是因为，在突出部半径比R1/R小于1的情况下，定子40易于变形，并且壳体外周应力σh和定子反作用力Fs的灵敏度降低。通过扩大有效过盈余量范围，可以放宽设计公差并提高生产率。

接下来，参照图11A至图15，将描述对突出部半径比R1/R的最佳范围的研究。图11A至图14B示出了对于从10°到90°的11个偏移角θ、在从0.84至1.0的突出部半径比R1/R的范围内，突出部半径比R1/R与以下三个对比参数[1]至[3]之间的关系。每个对比参数的名称和技术意义如下所述。

[1]由通过虚线连接的方形标记表示的突出部与突出部间隔之间的壳体外周应力(Δσh)之差：

该差免去“突出部与突出部间隔”而简称为壳体外周应力差Δσh。如图9中的中间情况所例示，由于壳体外周应力差Δσh接近0，因此使壳体外周应力σh均匀并且防止了局部应力增大。

[2]由通过单点划线连接的三角形标记表示的壳体外周应力的最大值(σh_max)：

如果壳体外周应力最大值σh_max增大，则壳体可能会破裂。因此，较低的值是优选的。壳体外周应力最大值σh_max在壳体外周应力差Δσh为正(Δσh＞0)的范围内是突出部的值，并且在壳体外周应力差Δσh为负(Δσh<0)的范围内是突出部间隔的值。

[3]由通过实线连接的圆圈表示的紧固效率指数(τ＝Fs/σh_max)：

在此，通过将定子反作用力Fs除以壳体外周应力的最大值σh_max而确定的值称为紧固效率指数τ，该紧固效率指数τ是表示定子与壳体之间的过盈配合的效率的指数。因此，紧固效率是指定子与壳体之间的过盈配合的效率。如上所述，通过径向方向上的定子反作用力Fs乘以恒定的摩擦系数而确定的值对应于紧固力。随着紧固效率指数τ的增加，对于相同的壳体破裂风险的紧固力增大，并且实现了有效的过盈配合。

在图11A至图14B中的每个图中，水平轴线(无量纲)表示突出部半径比R1/R。左竖向轴线(单位：[MPa])表示壳体外周应力的差Δσh与最大值σh_max，而右竖向轴线(单位：[N/MPa])表示紧固效率指数τ。关于水平轴线和左竖向轴线，每个图中的刻度范围是统一的。右侧的竖向轴线在图11A和图11B中指示从530至580的范围，在图11C以及图12A至图12C中指示200至700的范围，在图13A至图13C中指示100至600的范围，并且在图14A和图14B中指示0至500的范围。应当注意的是，轴线的值是一个示例规范的定子组件中的值，没有绝对含义，而是被描述为用于比较这些图之间的特性数据的标记。

在单元元件的数目为m＝2并且n＝1的条件下，各图中所示的周期单元的数目“N”和偏移角θ的条件指定如下。图11A：N＝18，θ＝10°；图11B：N＝15，θ＝12°；图11C：N＝12，θ＝15°；图12A：N＝10，θ＝18°；图12B：N＝9，θ＝20°；图12C：N＝8，θ＝22.5°；图13A：N＝6，θ＝30°；图13B：N＝5，θ＝36°；图13C：N＝4，θ＝45°；图14A：N＝3，θ＝60°；以及图14B：N＝2，θ＝90°。

在11个偏移角之中，在除θ＝10°(图11A)和θ＝12°(图11B)之外的9个偏移角处，随着突出部半径比R1/R增大，壳体外周应力差Δσh从正经过零减小到负。也就是说，使得壳体外周应力σh在零交叉点附近的突出部半径比R1/R处变得均匀。

壳体外周应力的最大值σh_max倾向于在壳体外周应力差Δσh经过零的突出部半径比R1/R附近变小。此外，在0＜R1/R＜1的区域内存在紧固效率指数的局部最大值τ_peak。在紧固效率指数的局部最大值τ_peak附近，有效地实现了过盈配合。也就是说，当紧固效率指数达到局部最大值τ_peak时，突出部半径比R1/R成为最佳值。该最佳值被称为SS。

在偏移角θ为10°(图11A)或12°(图11B)的情况下，壳体外周应力差Δσh在突出部半径比R1/R为0.94至1.0的范围内始终为正且不经过零。紧固效率指数τ向右单调增加，并且在0<R1/R<1的范围内不存在局部最大值τ_peak。在这种情况下，在对应于突出部半径比R1/R＝1的正圆形芯中，紧固效率指数τ最大。因此，不可能实现本实施方式的优点，也就是说，不可能将突出部的曲率半径R1设定成小于外切圆的半径R。

简而言之，在采用本实施方式的构型时，前提是，偏移角θ是在0＜R1/R＜1的区域中存在紧固效率指数的局部最大值τ_peak处的角度。也就是说，在图11A至图14B的示例中，偏移角θ优选设定为15°或15°以上。

由于突出部半径比R1/R的最佳值SS是精确值，因此，考虑到制造工艺的变化，考虑包括有最佳值SS的突出部半径比R1/R的适当范围。在此，将突出部半径比R1/R＝1处的紧固效率指数τ的值定义为极限值τ_lim。在紧固效率指数τ等于或小于极限值τ_lim的情况下，紧固效率等于或小于正圆形芯的紧固效率，并且不能获得采用本实施方式的构型的优点。

因此，将突出部半径比R1/R的初级适当范围设定为紧固效率指数τ超过极限值τ_lim的范围，在突出部半径比R1/R的初级适当范围内，保证了从紧固效率的角度来看相对于正圆形芯的优越性至少达到最低限度。因此，在偏移角θ为15°(图11C)至90°(图14B)的每个附图中，作为初级适当范围的下限的突出部半径比R1/R的值表示为A1L。作为初级适当范围的上限的突出部半径比R1/R的值为1.0。

此外，将极限值τ_lim和局部最大值τ_peak的平均值定义为中间值τ_mid，并且将紧固效率指数τ超过中间极限值τ_mid的范围定义为二级适当范围。在偏移角θ为从15°到90°的每个图中，作为二级适当范围的下限和上限的突出部半径比R1/R的值分别表示为A2L和A2H。二级适当范围是紧固效率比初级适当范围更佳的范围。

作为限定二级适当范围的紧固效率指数τ的边界，极限值τ_lim和局部最大值τ_peak的平均值是下述值：其在极限值τ_lim与最大值τ_peak的差为100％的情况下对应于从极限值τ_lim起的50％。代替50％的值或除了50％的值之外，可以通过使用诸如70％、90％等的其他百分比值作为紧固效率指数τ的边界来设定适当范围。

图15示出了在从15°至90°的偏移角范围θ中的突出部半径比R1/R的最佳值SS、初级适当范围的下限值A1L以及二级适当范围的下限值A2L和上限值A2H。例如，在偏移角θ为30°的情况下，最佳值SS为大约0.92，初级适当范围为大约0.84至1.0，并且二级适当范围为大约0.87至0.95。在20°≤θ≤36°的偏移角范围内，可以将适当范围设置成相对较宽，这在制造上是有利的。

(其他实施方式)

(A)在上述实施方式的图2中，定子40被例示为具有在周向方向上逐一交替地布置的突出部41和凹部42，使得单元元件的数目为m＝2、周期单元的数目N＝6并且偏移角θ＝30°。在本发明中，不限于该特定示例，根据基于由θ＝360×n/(m×N)限定的关系的单元元件的数目“m”和周期单元的数目“N”，适当地设定定子40的偏移角θ的关系，其中，“n”是除“m”以外的自然数。

例如，如图16中所示，周期单元依次布置，所述周期单元中的每个周期单元由一个突出部41和沿周向方向跟随其后的两个凹部42构造而成。在图16中，第一定子芯401由实线表示，并且第二定子芯402和第三定子芯403由虚线表示。第二层和第三层的磁极齿47在该图中未示出。在图16的示例中，单元元件的数目为m＝3，周期单元的数目为N＝6。在n＝1的情况下，偏移角为θ＝20°。在n＝2的情况下，偏移角为θ＝40°。在n＝4的情况下，偏移角为θ＝80°。也就是说，接合部46相对于从后轭部45中的每个突出部41的周向中心偏移了偏移角θ的一半的位置以每个偏移角θ(在本示例中为20°)布置。

图17A示出了示例性情况的横截面，其中，单元元件的数目为m＝3，并且六个定子芯轴向堆叠。在这种情况下，出现了第一定子芯401和第四定子芯404的突出部41以及第二定子芯402、第三定子芯403、第五定子芯405和第六定子芯406的凹部42。在图17B的横截面中，出现了第二定子芯和第五定子芯405的突出部41以及第一定子芯401、第三定子芯403、第四定子芯404和第六定子芯406的凹部42。在图17C的横截面中，出现了第三定子芯403和第六定子芯406的突出部41以及第一定子芯401、第二定子芯402、第四定子芯404和第五定子芯405的凹部42。

在单元元件的数目为m＝3的情况下，周期单元可以由两个突出部41和跟随其后的一个凹部42构造成。在单元元件的数目为m＝4的情况下，存在三种不同的样式。第一样式是一个突出部和沿周向方向跟随其后的三个凹部。第二样式是两个突出部和沿周向方向跟随其后的两个凹部。第三样式是三个突出部和一个沿周向方向跟随其后的凹部。如上所述，通过周期性地组合一个或更多个突出部41及一个或更多个凹部42来构造周期单元。

图18示出了在n＝1的情况下，单元元件的典型数目“m”与周期单元的数目“N”和偏移角θ之间的关系。在N＝1的情况下，对于一个定子芯仅存在一个突出部41。由于在径向方向上产生了过大的载荷，因此这种情况是不可能的。因此，数字“m”和“N”必须都是2或更大的自然数。

(B)与多个环形定子芯沿轴向方向堆叠的上述实施方式中的定子40相比，定子可以由多个分离的定子芯形成，这些定子芯中的每个定子芯由多个轴向堆叠的弧形定子芯形成并且沿周向方向连接。分离型定子芯的分隔数目与周期单元的数目之间的关系可以任意设定。

也就是说，尽管在上述实施方式中可以将偏移角改写为滚动角，但是滚动角在使用分离式定子芯的制造过程中不合适。因此，在本说明书中，术语偏移角用于相邻的突出部41与凹部42之间的角度，其包括分离式定子芯的构型。

(C)转子60不限于IPM结构，而是可以构造成具有SPM结构，在SPM结构中，永磁体65设置在转子芯64的表面上。另外，转子60不限于堆叠结构，而是可以由在轴向方向上不分开的单块转子芯形成。

(D)壳体30可以由铝或ADC12以外的铝合金或者镁或镁合金制成。特别地，在使用屈服点或0.2％屈服强度为200[MPa]或以下的材料的情况下，根据本实施方式，显著地显示出使壳体外周应力均衡的效果。

本发明不应当限于上述实施方式，而是可以在不背离本发明的范围的情况下实现各种其他实施方式。

Claims (13)

1.一种定子组件，包括：

筒形的壳体(30)；以及

定子(40)，所述定子通过过盈配合固定至所述壳体的内壁，并且所述定子由沿轴向方向堆叠的多个环形的定子芯(401-406)形成，或者由沿周向方向连接的多个分离的定子芯形成，其中：

每个定子芯包括在外周上沿所述周向方向周期性地设置的多个突出部(41)和多个凹部(42)，所述突出部沿所述周向方向抵接所述壳体的所述内壁的至少一部分，并且所述凹部在径向方向上比所述突出部小且相对于所述壳体的所述内壁具有间隙；

相邻的定子芯沿所述周向方向偏移预定的偏移角(θ)，使得由至少一个突出部和至少一个凹部形成的周期单元沿所述轴向方向交替出现；并且

所述突出部在与所述壳体的所述内壁抵接的部分处的曲率半径(R1)小于外切圆的半径(R)。

2.根据权利要求1所述的定子组件，其中：

所述偏移角设定成在突出部半径比(R1/R)大于0且小于1的区域中具有紧固效率指数的局部最大值(τ_peak)，

设定所述突出部半径比是通过使所述突出部的与所述壳体的所述内壁抵接的所述部分的曲率半径除以所述突出部的所述外切圆的半径来确定的，并设定所述紧固效率指数(τ)表示所述过盈配合的效率，并且所述紧固效率指数(τ)是通过使定子反作用力(Fs)除以施加至所述壳体的壳体外周应力的最大值(σh_max)来确定的，所述定子反作用力(Fs)是所述定子通过所述过盈配合而组装至所述壳体时所述定子施加至所述壳体的。

3.根据权利要求2所述的定子组件，其中：

所述突出部半径比设定在所述紧固效率指数超过极限值(τ_lim)的范围内，所述极限值是当所述突出部半径比为1时的值。

4.根据权利要求3所述的定子组件，其中：

所述突出部半径比设定在所述紧固效率指数超过中间极限值(τ_mid)的范围内，所述中间极限值是所述极限值与所述局部最大值之间的平均值。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的定子组件，其中：

所述定子芯具有从环形的后轭部沿径向向内的方向突出并且沿所述周向方向布置的多个磁极齿(47)；并且

在所述定子通过所述过盈配合而被紧固之前，所述多个磁极齿形成在相对于所述多个磁极齿所定位的目标周向位置沿与由所述过盈配合引起的变形的周向方向相反的方向偏移的周向位置处。

6.根据权利要求1至4中的任一项所述的定子组件，其中：

所述定子芯具有从环形的后轭部沿径向向内的方向突出并且沿所述周向方向布置的多个磁极齿(47)；并且

在所述定子通过所述过盈配合而被紧固之前，所述多个磁极齿形成在相对于所述多个磁极齿所定位的目标径向位置沿与由所述过盈配合引起的变形的径向方向相反的方向偏移的径向位置处。

7.根据权利要求1至4中的任一项所述的定子组件，其中：

所述定子芯具有相对于基准位置沿所述轴向方向以每个偏移角设置的多个接合部(46)，所述多个接合部在所述后轭部中从每个突出部的周向中心偏移了所述偏移角的一半。

8.根据权利要求1至4中的任一项所述的定子组件，其中：

所述壳体和所述定子由具有不同的线性膨胀系数的材料制成。

9.根据权利要求1至4中的任一项所述的定子组件，其中：

所述壳体由铝、铝合金、镁或镁合金制成。

10.根据权利要求1至4中的任一项所述的定子组件，其中：

所述偏移角被确定为360×n/(m×N)，其中，“N”是周期单元的数目，“m”是所述周期单元中的突出部和凹部的总数目，并且“n”是除“m”以外的自然数。

11.根据权利要求1至4中的任一项所述的定子组件，其中：

所述定子芯具有多个磁极齿(47)，所述多个磁极齿沿所述周向方向布置并且在所述突出部与所述凹部之间的边界处沿径向向内的方向从环形的后轭部(45)突出，

在所述定子芯通过所述过盈配合而组装至所述壳体之前，夹置有所述突出部的所述磁极齿中相邻的两个磁极齿沿所述周向方向向内倾斜；

在所述定子芯通过所述过盈配合而组装至所述壳体之前，夹置有所述凹部的所述磁极齿中相邻的两个磁极齿沿所述周向方向向外倾斜；并且

夹置有所述突出部的所述磁极齿的梢端端部之间的周向距离比夹置有所述凹部的所述磁极齿的梢端端部之间的周向距离短。

12.根据权利要求1至4中的任一项所述的定子组件，其中：

所述定子芯具有多个磁极齿(47)，所述多个磁极齿沿所述周向方向布置并且在设置有所述突出部和所述凹部的位置处沿径向向内的方向从环形的后轭部(45)突出；并且

在所述定子芯通过所述过盈配合而组装至所述壳体之前，从设置有所述突出部的位置突出的所述磁极齿在所述径向方向上的长度比从设置有所述凹部的位置突出的所述磁极齿短。

13.一种马达，包括：

根据权利要求1至4中的任一项所述的定子组件；

线圈(55)，所述线圈绕多个磁极齿卷绕，所述多个磁极齿沿径向向内的方向从所述定子芯的环形的后轭部突出；以及

转子(60)，所述转子设置在所述定子的径向内侧，并且设置成能够相对于所述定子以一定的间隙旋转。

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