CN112653267A - 具有非对称转子芯的马达 - Google Patents

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金祉延
金京范
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Abstract

本公开提供一种具有非对称转子芯的马达。该马达通过非对称地形成用于插入转子芯的永磁体的第一槽和第二槽、以不同的嵌入角布置第一永磁体和第二永磁体并且在第一槽和第二槽之间形成以预定角度倾斜并具有均匀的厚度的分隔壁，能够对应于马达的高输出和高效率的发展趋势来更有效地提高马达的驱动效率并提高NVH性能。

Description

具有非对称转子芯的马达
技术领域
本公开涉及一种具有非对称转子芯的马达，并且更具体地，涉及一种能够提高马达的驱动效率并提高NVH性能的马达。
背景技术
通常，作为诸如混合动力车辆和电动车辆的环保车辆的驱动马达，对应于高输出和高效率的发展趋势，主要使用在转子内部嵌入永磁体的嵌入式永磁同步马达(InteriorPermanent Magnet Synchronous Motor，IPMSM)。
图1是示出现有技术中具有I型转子的嵌入式永磁同步马达(IPMSM)的局部放大图。
如图1所示，嵌入式永磁同步马达(IPMSM)包括定子10、与定子10具有预定间隙而设置的转子20以及设置在转子20内的多个永磁体30。
定子10包括：定子芯11，堆叠有多个钢板；以及定子线圈12，缠绕在定子芯11上。并且转子20包括堆叠有多个钢板的转子芯21。
转子芯21固定在马达的轴40的外周表面上。
特别地，在转子芯21上沿圆周方向形成有多个槽23，并且永磁体30分别插入并设置在每个槽23内。
转子芯21的彼此相邻的槽23具有对称的结构，因此彼此相邻的永磁体30也对称地布置。
在该嵌入式永磁同步马达(IPMSM)中，抗噪声、振动和声振粗糙度的NVH性能是应与马达效率一起考虑的重要因素，这是因为当马达的噪声很大时，对驾驶员的耳朵可能会很刺耳，商品性可能会大大降低。
然而，马达效率和NVH的改善处于折中(trade-off)关系，因此很难同时改善这两个特性。
为了提高马达效率，采用了改变电工钢板和永磁体的材料、提高空间系数(spacefactor)(每槽面积的线圈面积)以及改善轴承以最小化机械损耗的方法，但是存在这些方法大大增加制造成本的问题。
另一方面，作为改善NVH的方法，存在增加电极/槽的数量、采用定子/转子芯偏斜(旋转堆叠)等的方法，但是在这些情况下，存在不仅增加制造成本，而且降低马达效率的问题。
为了解决这些问题，申请人提交了专利申请(10-2018-0171114(2018.12.27))，其中公开了仅通过改变例如转子芯的永磁体嵌入结构的一些形状可以有效地提高马达效率和NVH性能的嵌入式永磁同步马达(IPMSM)和包括在嵌入式永磁同步马达(IPMSM)中的转子。
然而，对应于马达的高输出和高效率的发展趋势，需要一种更有效地提高马达的效率并降低NVH的方法。
发明内容
为了解决上述问题而提出本发明，并且本发明的目的是提供一种具有非对称转子芯的马达，该马达通过改变用于嵌入转子芯的永磁体的槽和唇(lip)结构，能够对应于马达的高输出和高效率的发展趋势来更有效地提高马达的驱动效率并提高NVH性能。
为了实现上述目的，本公开的方面提供一种具有非对称转子芯的马达，包括：转子芯，包括沿圆周方向连续地形成的非对称布置的第一槽和第二槽；第一永磁体和第二永磁体，第一永磁体被构造为以第一嵌入角插入第一槽中，并且第二永磁体被构造为以第二嵌入角插入第二槽中，其中第一嵌入角与第二嵌入角不同；以及多个定子芯，每个定子芯具有环形的磁轭和从磁轭向内延伸以缠绕定子线圈的多个齿，多个定子芯彼此间隔开，并且与转子芯的外侧隔开布置，相对于转子芯的旋转方向，第一永磁体的第一嵌入角大于第二永磁体的第二嵌入角，并且分隔壁位于第一槽和第二槽之间，其中分隔壁以预定角度倾斜，使得第二永磁体的内表面与分隔壁的第一表面接触并且第一永磁体的内表面的一部分支撑在分隔壁的第二表面上。
第一支撑部可以从第一槽的内表面的上端突出，以支撑第一永磁体的内表面的外边缘。
第二支撑部可以从第一槽的外表面的下端突出，以支撑第一永磁体的外表面的内边缘。
第三支撑部可以从第二槽的外表面的下端突出，以支撑第二永磁体的外表面的内边缘。
特别地，可以在转子芯的内侧上从分隔壁向第一槽偏置的位置处形成应力减小槽。
应力减小槽可以具有朝向转子芯的外侧凹入的弧形截面。
从第一永磁体的内表面的内边缘与第一槽的内表面接触的位置到应力减小槽中的最深点的距离可以大于从应力减小槽中的最深点到转子芯的内侧的虚拟周向延伸线与穿过应力减小槽的圆心的线的交点的距离。
从第一永磁体的内表面的内边缘与第一槽的内表面接触的位置到应力减小槽中的最深点的距离可以是从应力减小槽中的最深点到转子芯的内侧的虚拟周向延伸线与穿过应力减小槽的圆心的线的交点的距离的两倍。
从第一永磁体的内表面的内边缘与第一槽的内表面接触的位置到应力减小槽中的最深点的距离可以与从应力减小槽中的最深点到应力减小槽的圆心的距离相同。
第一永磁体的嵌入角和第二永磁体的嵌入角可以从5度至10度的范围中选择，并且第一永磁体的嵌入角大于第二永磁体的嵌入角。
在转子芯的外侧上形成第一槽的位置和形成第二槽的位置处可以形成宽度和角度中的一个不同的非对称的第一切口和第二切口。
在定子芯的各个齿的端部上在面向转子芯的位置处可以形成宽度和角度中的一个不同的非对称的第三切口和第四切口。
本公开通过上述方面提供以下效果。
首先，在第一槽和第二槽之间形成有以预定角度倾斜且厚度均匀的分隔壁，使得第二永磁体的内表面与分隔壁的第一表面紧密接触并且第一永磁体的内表面的外边缘支撑在分隔壁的第二表面上。因此，可以使磁通量泄漏最小化，并且分散并减小集中在嵌入有第二永磁体的第二槽上的应力，因而可以满足非对称转子芯的强度在最小安全裕度参考以上。
第二，由于在转子芯的内侧上从分隔壁向第一槽偏置的位置处形成应力减小槽，因此能够减小集中在嵌入有第一永磁体的第一槽上的应力。因此，可以满足非对称转子芯的强度在最小安全裕度参考以上。
第三，由于在定子芯的齿的端部处和定子芯的槽单元的外侧上分别形成一对非对称切口，因此可以在产生马达转矩时最大程度地利用磁阻转矩并通过分散磁通量集中饱和区域来降低转矩波动。
此外，由于插入转子芯的第一槽中的第一永磁体的嵌入角大于插入第二槽中的第二永磁体的嵌入角，因此与现有I型转子相比，可以提高马达效率。此外，可以通过减小转矩波动来有效提高NVH特性。
附图说明
从下面结合附图的详细描述中，将更清楚地理解本公开的上述和其它目的、特征和其它优点，其中：
图1是示出现有技术中具有I型转子的嵌入式永磁同步马达(IPMSM)的局部放大图；
图2是示出现有技术中具有非对称转子芯的嵌入式永磁同步马达(IPMSM)的局部放大图；
图3是示出根据本公开的具有非对称转子芯的马达的截面图；
图4是图3所示的具有非对称转子芯的马达的主要部分X的放大截面图；
图5是示出根据本公开的具有非对称转子芯的马达的主要部分和磁通量向分隔壁的泄漏方向的放大截面图；以及
图6和图7是示出用于描述根据本公开的具有非对称转子芯的马达中形成应力减小槽的位置及其结构的主要部分的放大截面图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本公开的示例性实施例。
图3是示出根据本公开的具有非对称转子芯的马达的截面图，图4是图3所示的具有非对称转子芯的马达的主要部分X的放大截面图。
如图3和图4所示，根据本公开的示例性实施例的嵌入式永磁同步马达(IPMSM)包括：定子10；转子20，设置在定子10的内侧并在定子10和转子20之间具有预定间隙；以及多个永磁体30，设置在转子芯21内。
定子10包括堆叠的多个定子芯11，转子20包括堆叠的多个转子芯21(即21-1和21-2)。
作为参考，转子芯21的内侧固定到马达的轴40的外周表面。
转子芯21具有沿圆周方向连续形成多个槽单元22的结构，每个槽单元22包括非对称布置的第一槽22-1和第二槽22-2。
每个槽单元22可以包括在转子芯21的圆周方向上交替形成的N极槽单元22和S极槽单元22。
因此，将具有相同极性的永磁体分别插入N极槽单元22的槽中以分别形成N极单磁极，同时，将具有相同极性的永磁体插入S极槽单元22的槽中以分别形成S极单磁极。
特别地，转子芯21的第一槽22-1和第二槽22-2形成为具有非对称的倾斜度，使得插入第一槽22-1中的第一永磁体31的嵌入角θ1和插入第二槽22-2的中第二永磁体32的嵌入角θ2不同。
第一槽22-1的倾斜度大于第二槽口22-2的倾斜度，使得插入到第一槽22-1中的第一永磁体31的嵌入角θ1大于插入第二槽22-2中的第二永磁体32的嵌入角θ2。
第一永磁体31的嵌入角θ1和第二永磁体32的嵌入角θ2表示当将第一永磁体31和第二永磁体32分别插入第一槽22-1和第二槽22-2内时的嵌入角。
例如，根据图4中所示的方向，当第一槽22-1的最高点(P1)和第二槽22-2的最高点(P2)通过虚直线(VL)连接时，可以将虚线和第一槽22-1的上表面之间的角度θ1设置为第一永磁体31的嵌入角θ1，并且将虚线和第二槽22-2的上表面之间的夹角θ2设置为第二永磁体32的嵌入角θ2。
第一永磁体31的嵌入角θ1和第二永磁体32的嵌入角θ2可以设置在5度至10度的范围内，使得相对于转子芯21的旋转方向，第一永磁体31的嵌入角θ1大于第二永磁体32的嵌入角θ2。
例如，相对于转子芯21的旋转方向，第一永磁体31的嵌入角θ1可以设置为10度，并且第二永磁体32的嵌入角θ2可以设置为7.5度。
可选地，相对于转子芯21的旋转方向，第一永磁体31的嵌入角θ1可以设置为7度，并且第二永磁体32的嵌入角θ2可以设置为5度。
在第一槽22-1和第二槽22-2之间形成厚度均匀且以预定角度倾斜的分隔壁24。
分隔壁24形成为使得嵌入第二槽22-2中的第二永磁体32的内表面与分隔壁24的第一表面紧密接触并且嵌入第一槽22-1中的第一永磁体的内表面的外边缘支撑在分隔壁24的第二表面上。
如图5所示，当在N极永磁体31和S极永磁体32之间产生磁通量时，磁通量可能通过转子芯21的分隔壁24泄漏。因此，有利的是使分隔壁24的厚度均匀并且设定厚度(例如0.7mm)以使得磁通量泄漏可以最小化。
如上所述，由于在转子芯21的第一槽22-1和第二槽22-2之间形成厚度均匀且以预定角度倾斜的分隔壁24，使得第二永磁体32的内表面与分隔壁24的第一表面紧密接触，从而可以使磁通量泄漏最小化。特别地，集中在嵌入有第二永磁体32的第二槽22-2上的应力可以在分隔壁24和第二永磁体32之间彼此紧密接触的部分分散并减小，从而可以满足非对称转子芯的强度在最小安全裕度参考以上。
同时，为了确保第二永磁体32的内表面与分隔壁24的第一表面紧密接触且第一永磁体31的内表面的外边缘支撑在分隔壁24的第二表面上，并且为了确保将插入第一槽22-1中的第一永磁体31和插入第二槽22-2中的第二永磁体32固定，在第一槽22-1中形成第一支撑部25-1和第二支撑部25-2，并在第二槽22-2中形成第三支撑部25-3。
第一支撑部25-1从第一槽22-1的内表面(图4中的右表面)的上端一体地突出，以支撑第一永磁体31的内表面的外边缘。另外，第二支撑部25-2从第一槽22-1的外表面(图4中的左表面)的下端一体地突出，以支撑第一永磁体31的外表面的内边缘。因此，插入第一槽22-1内的第一永磁体31可以保持固定状态而不会晃动。
此外，第三支撑部25-3从第二槽22-2的外表面(图4中的右表面)的下端一体地突出，以支撑第二永磁体32的外表面(OS)的内边缘。因此，插入第二槽22-2内的第二永磁体32的内表面可以在与分隔壁24的第一表面接触的同时保持固定状态而不会晃动。
集中在嵌入有第二永磁体32的第二槽22-2上的应力可以在分隔壁24和永磁体32之间彼此紧密接触的部分分散并减小。然而，由于第一永磁体31的嵌入角θ1，第一永磁体31的内表面(IS)与分隔壁24的第二表面间隔开，因此如图6所示，应力可以集中在第一槽22-1的内表面(图6中的右表面)的下端和第一永磁体31的内表面的内边缘。
因此，仅当集中在第一槽22-1的内表面(图6中的右表面)的下端和第一永磁体31的内表面的内边缘上的应力减小时，才可以满足非对称转子芯的强度在最小安全裕度参考以上。
为此，如图6和图7所示，在转子芯21的内侧上从分隔壁24向第一槽22-1偏置的位置处形成有应力减小槽26。
应力减小槽26具有弧形截面，该弧形截面朝向转子芯21的外侧凹入，并且形成在转子芯21的内侧上与第一槽22-1的内表面(图6中的右表面)的下端和第一永磁体31的内表面的内边缘垂直对应的位置处，即应力集中的部分。
例如，如图7所示，在转子芯21的外侧上在每个具有第一槽22-1和第二槽22-2的槽单元22之间形成V形槽27。应力减小槽26可以形成在转子芯21的内侧上从V形槽27顺时针旋转约10.7度且从另一V形槽27逆时针旋转约11.8度的位置处。
特别地，应将应力减小槽26的位置和尺寸设置成不影响磁通量的流动。
再次参照图6，从第一永磁体31的内表面的内边缘与第一槽22-1的内表面接触的位置到应力减小槽26中的最深点的距离①大于从应力减小槽26中的最深点到转子芯21的内侧的虚拟周向延伸线与穿过应力减小槽26的圆心的线的交点的距离③。
如图6所示，从第一永磁体31的内表面的内边缘与第一槽22-1的内表面接触的位置到应力减小槽26中的最深点的距离①可以是从应力减小槽26中的最深点到转子芯21的内侧的虚拟周向延伸线与穿过应力减小槽26的圆心的线的交点的距离③的两倍。
此外，从第一永磁体31的内表面的内边缘与第一槽22-1的内表面接触的位置到应力减小槽26中的最深点的距离①与从应力减小槽26中的最深点到应力减小槽26的圆心的距离②相同。
例如，如图7所示，当应力减小槽26的直径为Φ6.2时，从转子芯21的内侧的延伸线与应力减小槽26的圆心之间的距离设置为1.8mm，从而应力减小槽26的弧度小于半圆。
如上所述，由于应力减小槽26形成在转子芯21的内侧上与第一槽22-1的内表面(图6中的右表面)的下端和第一永磁体31的内表面的内边缘垂直对应的位置处，即应力集中部分，因此可以减小集中在嵌入有第一永磁体31的第一槽22-1上的应力，并满足在最小安全裕度参考以上的非对称转子芯的强度。
此外，如上所述，由于将应力减小槽26的位置和大小设置在不影响磁通量流动的范围内，因此可以防止马达的性能下降。
另一方面，定子10(图3)由多个定子芯11构成，这些定子芯11通过堆叠多个芯板而形成，并且彼此间隔开，并与转子芯21的外侧隔开布置。
再次参照图4，在定子芯11的各个齿11-2的端部上在面向转子芯21的位置上形成宽度和角度中的一个不同的非对称的第三切口11-3和第四切口11-4。
此外，在转子芯21的外侧上形成第一槽22-1的位置和第二槽22-2的位置处形成宽度和角度中的一个不同的非对称的第一切口21-1和第二切口21-2。
在定子芯11的各个齿11-2上形成非对称的第三切口11-3和第四切口11-4并且在转子芯21上形成非对称的第一切口21-1和第二切口21-2的原因是用于减小马达的转矩波动和齿槽转矩。
<实验例>
作为比较例1(现有技术)，选择以上参照图1描述的具有I型转子的嵌入式永磁同步马达(IPMSM)。
作为比较例2(现有技术)，选择如图2所示的包括具有非对称的第一槽22-1和第二槽22-2的转子芯21的嵌入式永磁同步马达(IPMSM)，其中第一永磁体31的嵌入角为10度，第二永磁体32的嵌入角为7.7度并且分隔壁形成为垂直竖立的形状。
作为实施例(本公开)，选择以上参照图3至图7描述的本公开的嵌入式永磁同步马达(IPMSM)。
利用常规方法测量转矩波动和齿槽转矩，以判断根据所选择的比较例1(现有技术)、比较例2(现有技术)和实施例(本公开)的嵌入式永磁同步马达(IPMSM)的最大应力(安全裕度)、马达效率(％)和NVH性能，并且结果示于下表1中。
【表格1】
Figure BDA0002630298310000101
如表1所示，比较例2具有非对称的布置，其中第一永磁体的嵌入角大于第二永磁体的嵌入角，但是测量的最大应力(安全裕度)为0.77，小于参考值1.2，因此存在非对称转子芯的强度下降到小于参考值的缺陷。
然而，在本公开中，可以看出，所测量的最大应力(安全裕度)为1.36，大于参考值1.2，因此非对称转子芯的强度满足在参考值以上。
此外，相对于比较例1的效率，本公开的马达效率提高了+0.07％。
此外，如上所述，在本公开中，与比较例1和比较例2相比，用于判断NVH性能的转矩波动减小，并且与比较例1相比，齿槽转矩减小，其原因在于，在定子芯11的各齿11-2上形成非对称的第三切口11-3和第四切口11-4，并且在转子芯21上也形成非对称的第一切口21-1和第二切口21-2。
尽管以上参照实施例描述了本公开，但是本领域技术人员将理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以改变和修改本公开的组件。此外，在不脱离本公开的必要范围的情况下，可以针对特定情况和物质对本公开进行大量改变。因此，本公开不仅限于上述实施例的详细描述，并且所有实施例都包括在权利要求书内。

Claims (12)

1.一种具有非对称转子芯的马达，包括：
转子芯，包括沿圆周方向连续地形成的非对称布置的第一槽和第二槽；
第一永磁体和第二永磁体，所述第一永磁体以第一嵌入角插入所述第一槽中，并且所述第二永磁体以第二嵌入角插入所述第二槽中，其中所述第一嵌入角与所述第二嵌入角不同；以及
多个定子芯，每个所述定子芯具有环形的磁轭和从所述磁轭向内延伸以用于缠绕定子线圈的多个齿，所述多个定子芯彼此间隔开，并且与所述转子芯的外侧隔开布置，
相对于所述转子芯的旋转方向，所述第一永磁体的所述第一嵌入角大于所述第二永磁体的所述第二嵌入角，并且
分隔壁位于所述第一槽和所述第二槽之间，其中所述分隔壁以预定角度倾斜，使得所述第二永磁体的内表面与所述分隔壁的第一表面接触并且所述第一永磁体的内表面的一部分支撑在所述分隔壁的第二表面上。
2.根据权利要求1所述的马达，其中，
第一支撑部从所述第一槽的内表面的上端突出，以支撑所述第一永磁体的所述内表面的外边缘。
3.根据权利要求1所述的马达，其中，
第二支撑部从所述第一槽的外表面的下端突出，以支撑所述第一永磁体的外表面的内边缘。
4.根据权利要求1所述的马达，其中，
第三支撑部从所述第二槽的外表面的下端突出，以支撑所述第二永磁体的外表面的内边缘。
5.根据权利要求1所述的马达，其中，
在所述转子芯的内侧上从所述分隔壁向所述第一槽偏置的位置处形成应力减小槽。
6.根据权利要求5所述的马达，其中，
所述应力减小槽具有朝向所述转子芯的所述外侧凹入的弧形截面。
7.根据权利要求5所述的马达，其中，
从所述第一永磁体的所述内表面的内边缘与所述第一槽的内表面接触的位置到所述应力减小槽中的最深点的距离大于从所述应力减小槽中的所述最深点到所述转子芯的所述内侧的虚拟周向延伸线与穿过所述应力减小槽的圆心的线的交点的距离。
8.根据权利要求5所述的马达，其中，
从所述第一永磁体的所述内表面的内边缘与所述第一槽的内表面接触的位置到所述应力减小槽中的最深点的距离是从所述应力减小槽中的所述最深点到所述转子芯的所述内侧的虚拟周向延伸线与穿过所述应力减小槽的圆心的线的交点的距离的两倍。
9.根据权利要求5所述的马达，其中，
从所述第一永磁体的所述内表面的内边缘与所述第一槽的内表面接触的位置到所述应力减小槽中的最深点的距离与从所述应力减小槽中的所述最深点到所述应力减小槽的圆心的距离相同。
10.根据权利要求1所述的马达，其中，
所述第一永磁体的所述第一嵌入角和所述第二永磁体的所述第二嵌入角从5度至10度的范围中选择，并且所述第一嵌入角大于所述第二嵌入角。
11.根据权利要求1所述的马达，进一步包括：
非对称的第一切口和第二切口，形成在分别在邻近所述第一槽和所述第二槽的所述转子芯的所述外侧上，其中，所述第一切口和所述第二切口的宽度和角度中的一个不同。
12.根据权利要求1所述的马达，进一步包括：
非对称的第三切口和第四切口，形成在面向所述转子芯的所述定子芯的各个所述齿的端部上，其中，所述第三切口和所述第四切口的宽度和角度中的一个不同。
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